Ein Transformator ist ein Gerät, das Wechselspannung mithilfe des Prinzips der elektromagnetischen Induktion umwandelt. Zu seinen Hauptbestandteilen gehören die Primärspule, die Sekundärspule und der Eisenkern.
In der Elektronikbranche sieht man oft den Schatten des Transformators; am häufigsten wird er in der Stromversorgung als Spannungswandler und zur Trennung eingesetzt.
Kurz gesagt, das Spannungsverhältnis der Primär- und Sekundärspule entspricht ihrem Windungsverhältnis. Um unterschiedliche Ausgangsspannungen zu erzielen, kann man daher das Windungsverhältnis der Spulen ändern.
Transformatoren lassen sich anhand ihrer unterschiedlichen Betriebsfrequenzen in Niederfrequenz- und Hochfrequenztransformatoren unterteilen. Im Alltag beträgt die Frequenz des Wechselstroms beispielsweise 50 Hz. Transformatoren, die mit dieser Frequenz arbeiten, werden als Niederfrequenztransformatoren bezeichnet. Die Betriebsfrequenz von Hochfrequenztransformatoren kann hingegen mehrere zehn bis mehrere hundert kHz erreichen.
Das Volumen eines Hochfrequenztransformators ist wesentlich kleiner als das eines Niederfrequenztransformators mit gleicher Ausgangsleistung.
Der Transformator ist ein relativ großes Bauteil im Stromkreis. Um die Baugröße zu reduzieren und gleichzeitig die Ausgangsleistung zu gewährleisten, ist ein Hochfrequenztransformator erforderlich. Daher werden Hochfrequenztransformatoren in Schaltnetzteilen eingesetzt.
Das Funktionsprinzip von Hochfrequenz- und Niederfrequenztransformatoren ist identisch; beide basieren auf dem Prinzip der elektromagnetischen Induktion. Hinsichtlich der Materialien unterscheiden sich ihre Transformatorenkerne jedoch.
Der Eisenkern eines Niederfrequenztransformators besteht im Allgemeinen aus vielen Siliziumstahlblechen, während der Eisenkern eines Hochfrequenztransformators aus hochfrequenten magnetischen Materialien (wie Ferrit) besteht. (Daher wird der Eisenkern eines Hochfrequenztransformators im Allgemeinen als Magnetkern bezeichnet.)
In einem Gleichspannungsnetzteil mit Stabilisierungsfunktion überträgt ein Niederfrequenztransformator ein Sinussignal.
In Schaltnetzteilen überträgt ein Hochfrequenztransformator ein hochfrequentes Rechteckimpulssignal.
Bei Nennleistung bezeichnet man das Verhältnis zwischen Ausgangs- und Eingangsleistung des Transformators als dessen Wirkungsgrad. Ein solcher Wirkungsgrad von 100 % liegt vor, wenn Ausgangs- und Eingangsleistung identisch sind. In der Realität existiert ein solcher Transformator jedoch nicht, da Kupfer- und Eisenverluste auftreten und somit auch Transformatoren Verluste aufweisen.
Was ist Kupferverlust?
Da die Transformatorspule einen gewissen Widerstand aufweist, wird beim Durchfließen des Stroms ein Teil der Energie in Wärme umgewandelt. Da die Transformatorspule aus Kupferdraht gewickelt ist, werden diese Verluste auch als Kupferverluste bezeichnet.
Was ist Eisenverlust?
Die Eisenverluste eines Transformators lassen sich im Wesentlichen in zwei Aspekte unterteilen: Hystereseverluste und Wirbelstromverluste. Hystereseverluste entstehen, wenn Wechselstrom durch die Spule fließt. Dabei werden magnetische Feldlinien im Eisenkern induziert, die Wärme erzeugen und so einen Teil der elektrischen Energie verbrauchen. Da die magnetischen Feldlinien den Eisenkern durchdringen, wird im Kern auch ein Wirbelstrom induziert. Dieser Wirbelstrom verursacht ebenfalls einen Teil der elektrischen Energie.
Veröffentlichungsdatum: 27. Dezember 2022
