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VoltBase Bauteile Transformator
Thema 24 Bauteile

Transformator

Spannung hoch- oder runtertransformieren: Aufbau, Übersetzungsverhältnis, Bauarten und worauf du bei Auswahl und Anschluss achtest.

ca. 7 Minuten Grundlagen Quiz mit 10 Fragen
01

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.

Aufbau eines Transformators Ein rechteckiger Eisenkern. Links die Primärwicklung mit vielen Windungen an 230 Volt, rechts die Sekundärwicklung mit wenigen Windungen und 24 Volt. Der magnetische Fluss läuft im Kern im Kreis. U₁ = 230 V N₁: viele Windungen U₂ = 24 V N₂: wenige magnetischer Fluss Φ im Eisenkern Primärseite und Sekundärseite sind galvanisch getrennt
Zwei Wicklungen auf einem Kern: Die Wechselspannung an der Primärwicklung erzeugt einen wechselnden magnetischen Fluss im Eisenkern. Dieser induziert in der Sekundärwicklung eine Spannung. Das Verhältnis der Windungszahlen bestimmt das Verhältnis der Spannungen. Elektrisch sind beide Seiten nicht miteinander verbunden.
02

Das Übersetzungsverhältnis

Übersetzungsverhältnis (idealer Trafo)
ü=U₁U₂=N₁N₂=I₂I₁
Index 1 = Primärseite (Eingang) · Index 2 = Sekundärseite (Ausgang)
  • 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.
Nur für Wechselspannung

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.

Schaltzeichen eines Transformators Zwei sich überschneidende Kreise mit Anschlüssen auf beiden Seiten, beschriftet mit 230 Volt und 24 Volt. 230 V24 V T1 · 230 V / 24 V · 100 VA
Schaltzeichen nach DIN EN 60617: In Übersichtsplänen wird ein Transformator als zwei sich überschneidende Kreise gezeichnet. Kennbuchstabe ist T, dazu kommen die Bemessungsspannungen und die Bemessungsleistung.
03

Bauarten im Überblick

BauartTypischBesonderheit
Klingeltransformator230 V / 8–12 Vkurzschlussfest, Sicherheitstrafo
Sicherheitstransformator230 V / bis 50 V ACverstärkte Isolierung, liefert SELV/PELV
Trenntransformator230 V / 230 Vgalvanische Trennung für die Schutztrennung
Steuertransformator400 V / 230 V oder 230 V / 24 VSteuerspannung im Schaltschrank
Ortsnetztransformator10 oder 20 kV / 0,4 kV250 bis 630 kVA, Öl oder Gießharz
Spartransformatorzum Beispiel 230 V / 200 Vgemeinsame Wicklung, keine galvanische Trennung
Großer Drehstrom-Gießharztransformator mit drei roten Wicklungssäulen auf einem blauen Rahmen mit Rollen
Gießharz-Trockentransformator: Ein Drehstrom-Verteiltransformator mit drei Säulen, je eine für einen Außenleiter. Die Wicklungen sind in Gießharz eingegossen. Weil kein Öl nötig ist, gibt es keine Brandlast durch Öl und keine Gefahr für das Grundwasser. Solche Trafos stehen in Gebäuden und Ortsnetzstationen.

Foto: Dmm2va7, „DMM 86-531 Gießharz-Trockentransformator“, Lizenz: CC BY 3.0, Quelle: Wikimedia Commons, verkleinert.

04

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:

Dauerkurzschlussstrom (Abschätzung)
Ik≈INuk
uk als Dezimalzahl, zum Beispiel 4 % = 0,04

Ein kleines uk bedeutet einen „harten“ Trafo mit großem Kurzschlussstrom. Kleine Sicherheitstrafos haben dagegen ein großes uk oder sind von vornherein kurzschlussfest gebaut.

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Rechenbeispiele

01 Windungszahl eines Klingeltrafos

Ein Klingeltrafo soll 230 V auf 12 V herabsetzen. Die Primärwicklung hat 1.150 Windungen. Wie viele braucht die Sekundärwicklung?

  1. ü = 230 V12 V ≈ 19,2
  2. N₂ = N₁ü = 1.15019,2 ≈ 60
  3. Ergebnis: rund 60 Windungen
02 Ströme an einem Steuertrafo

Ein Steuertrafo 230 V / 24 V hat 100 VA. Welche Ströme fließen bei Volllast auf beiden Seiten?

  1. Sekundär: I₂ = 100 VA24 V ≈ 4,2 A
  2. I₁ = 100 VA230 V ≈ 0,43 A
  3. 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.

03 Kurzschlussstrom eines Ortsnetztrafos

Ein Ortsnetztrafo hat 630 kVA, 400 V und uk = 4 %. Wie groß ist sein Kurzschlussstrom ungefähr?

  1. Bemessungsstrom: IN = 630.000 VA√3 · 400 V ≈ 909 A
  2. Ik ≈ 909 A0,04 ≈ 22.700 A
  3. 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.

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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.
Merke

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.

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Quiz: Teste dich

Zehn Fragen zum Thema Transformator. Nach jeder Antwort bekommst du eine Erklärung. Dein Fortschritt wird auf diesem Gerät gespeichert.

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