Worum geht es?
Ein Transformator (kurz Trafo) macht aus einer Wechselspannung eine höhere oder niedrigere Wechselspannung. Er hat keine beweglichen Teile und verliert dabei kaum Energie.
Wie die Gangschaltung am Fahrrad: Sie macht aus viel Kraft wenig Tempo oder umgekehrt. Der Trafo macht aus hoher Spannung niedrige Spannung oder umgekehrt.
Ohne Trafos gäbe es kein Stromnetz. Über weite Strecken fließt der Strom mit sehr hoher Spannung, weil dabei wenig verloren geht. Vor Ort setzt ein Trafo sie auf 230 V und 400 V herunter. Im Handwerk triffst du den Klingeltrafo, den Steuertransformator, den Sicherheits- und Trenntransformator und den großen Ortsnetztransformator. Wie er innen arbeitet, zeigt das Thema Transformator-Prinzip.
Das Übersetzungsverhältnis
- Die Spannungen verhalten sich wie die Windungszahlen: Hat die Sekundärseite ein Zehntel der Windungen, liefert sie ein Zehntel der Spannung.
- Die Ströme verhalten sich umgekehrt: Wo die Spannung kleiner ist, fließt ein größerer Strom.
- Die Leistung bleibt beim idealen Trafo gleich: S₁ = S₂, also U₁ · I₁ = U₂ · I₂. Ein realer Trafo hat kleine Verluste in Kern und Wicklungen.
Ein Transformator braucht einen sich ändernden Fluss. An Gleichspannung induziert er nichts, und die Primärwicklung wirkt nur noch wie ein kleiner Drahtwiderstand: Sie würde überhitzen.
Bauarten im Überblick
| Bauart | Typisch | Besonderheit |
|---|---|---|
| Klingeltransformator | 230 V / 8–12 V | kurzschlussfest, Sicherheitstrafo |
| Sicherheitstransformator | 230 V / bis 50 V AC | verstärkte Isolierung, liefert SELV/PELV |
| Trenntransformator | 230 V / 230 V | galvanische Trennung für die Schutztrennung |
| Steuertransformator | 400 V / 230 V oder 230 V / 24 V | Steuerspannung im Schaltschrank |
| Ortsnetztransformator | 10 oder 20 kV / 0,4 kV | 250 bis 630 kVA, Öl oder Gießharz |
| Spartransformator | zum Beispiel 230 V / 200 V | gemeinsame Wicklung, keine galvanische Trennung |
Foto: Dmm2va7, „DMM 86-531 Gießharz-Trockentransformator“, Lizenz: CC BY 3.0, Quelle: Wikimedia Commons, verkleinert.
Kurzschlussspannung
Auf dem Typenschild größerer Transformatoren steht die Kurzschlussspannung uk in Prozent. Sie gibt an, wie viel Prozent der Bemessungsspannung man an der Primärseite anlegen muss, damit bei kurzgeschlossener Sekundärseite gerade der Bemessungsstrom fließt.
Für die Praxis wichtig: Daraus lässt sich der Kurzschlussstrom abschätzen, den der Trafo im Fehlerfall liefern kann:
Ein kleines uk bedeutet einen „harten“ Trafo mit großem Kurzschlussstrom. Kleine Sicherheitstrafos haben dagegen ein großes uk oder sind von vornherein kurzschlussfest gebaut.
Rechenbeispiele
Ein Klingeltrafo soll 230 V auf 12 V herabsetzen. Die Primärwicklung hat 1.150 Windungen. Wie viele braucht die Sekundärwicklung?
- ü = 230 V12 V ≈ 19,2
- N₂ = N₁ü = 1.15019,2 ≈ 60
- Ergebnis: rund 60 Windungen
Ein Steuertrafo 230 V / 24 V hat 100 VA. Welche Ströme fließen bei Volllast auf beiden Seiten?
- Sekundär: I₂ = 100 VA24 V ≈ 4,2 A
- I₁ = 100 VA230 V ≈ 0,43 A
- Ergebnis: I₂ ≈ 4,2 A, I₁ ≈ 0,43 A
Praxis: Für die Absicherung zählt außerdem der kurze, hohe Einschaltstrom des Trafos. Deshalb sind primärseitig oft träge Sicherungen oder LS-Schalter mit Charakteristik C oder K vorgesehen.
Ein Ortsnetztrafo hat 630 kVA, 400 V und uk = 4 %. Wie groß ist sein Kurzschlussstrom ungefähr?
- Bemessungsstrom: IN = 630.000 VA√3 · 400 V ≈ 909 A
- Ik ≈ 909 A0,04 ≈ 22.700 A
- Ergebnis: Ik ≈ 23 kA direkt am Trafo
Einordnung: Direkt an der Station müssen Schaltgeräte diesen Strom sicher ausschalten können. Im Haus ist der Kurzschlussstrom wegen der Leitungswiderstände deutlich kleiner.
Typische Fehler
- Spartrafo für Kleinspannung verwendet: Ohne galvanische Trennung kann auf der Kleinspannungsseite gefährliche Spannung gegen Erde anliegen. Für SELV und PELV nur Sicherheitstransformatoren.
- Primär und sekundär vertauscht: Ein 230/24-V-Trafo, rückwärts an 230 V gelegt, liefert rund 2.200 V. Lebensgefahr.
- Trafo an Gleichspannung: Er überträgt nichts und brennt durch.
- Einschaltstrom vergessen: Große Trafos ziehen beim Einschalten kurz ein Vielfaches ihres Nennstroms. Zu flinke Sicherungen lösen dann aus.
Ein Transformator setzt Wechselspannungen um: ü = U₁U₂ = N₁N₂ = I₂I₁. Die Leistung bleibt nahezu gleich. Sicherheits- und Trenntransformatoren trennen galvanisch, Spartransformatoren nicht. Nie an Gleichspannung betreiben.
Quiz: Teste dich
Zehn Fragen zum Thema Transformator. Nach jeder Antwort bekommst du eine Erklärung. Dein Fortschritt wird auf diesem Gerät gespeichert.