Aufbau, Funktionsweise und Herstellung von hochwertigen Transformatoren

Ein Kraftwerk liefert uns immer Strom ins Haus. Für gewöhnlich bekommt jedes Haus 230 Volt geliefert. Doch ein Fernseher, ein Föhn oder auch das Handy brauchen viel weniger Spannung. Aber vom Kraftwerk können wir nicht erwarten, dass dieses uns im Alltag mal mehr und mal weniger Spannung schickt. Die Umwandlung muss also im Haus selbst passieren. Diese Minderung der Spannung kann durch einen Transformator erfolgen. Die Funktionsweise und der Aufbau sollen im Weiteren erklärt werden.

Wie ist ein Transformator aufgebaut?

Spulen, Eisenkern, Kühlung

Ein Transformator besteht im Normalfall aus zwei Spulen. Es gibt aber jene, die auch mehreren Spulen bestehen. An eine Seite des Trafos wird eine Grundspannung gelegt. Diese Seite wird auch als Primärseite bezeichnet. An der anderen Seite, der sogenannten Sekundärseite, kann dann die Ausgangsspannung entnommen werden. Diese Seite kann auch aus mehreren Spulen bestehen. Sie werden als Sekundärspulen bezeichnet. Mehrere Spulen auf dieser Seite machen es möglich, dass eine Spannung am Eingang mehrere Spannungen am Ende erzeugt. 

Neben den Spulen gibt es einen Eisenkern. Dieser besteht für gewöhnlich aus gepresstem Eisenpulver oder aber aus einer Silizium-Stahl-Legierung. Es gibt auch Trafos, die durch einen Luftspalt unterbrochen sind. Somit kann die magnetische Energie zwischen gespeichert werden und dann nach Bedarf wieder abgegeben werden. Die Spulen sind auf dem Eisenkern aufgewickelt. So kann zwischen ihnen eine magnetische Kopplung entstehen. Noch ein wichtiger Bestandteil ist die Kühlung. Transformatoren werden normalerweise in einem Ölbad gekühlt. Das Öl hat die Funktion des Isolators gegen die Außenwelt. Man kann die Kühlung auch noch durch Radiatoren, Pumpen und Lüfter erweitern. Für eine sehr hohe Leitung ist dieser Zusatz wichtig.

Wie wird ein Transformator hergestellt?

Für den Transformatorenbau sind mehrere Schritte notwendig, damit dieser richtig funktioniert.

Das Wickeln

Die Spulen werden mit Kupferdrähten auf Wickelmaschinen hergestellt. Wenn es notwendig ist, so können sie auch freiliegend mit Backlackdraht aufgebaut werden. Hier wird ein spezieller thermoplastischer Draht schon beim Wickeln erhitzt und mit den Windungen verbackt.Je nachdem, wie groß der elektrische Strom ist, den der Trafo transportieren soll, umso dicker oder dünner ist der Wickeldraht um die Spule.

Die Isolation

Besonders wichtig ist die Isolation. Diese hat einen hohen Stellenwert im Transformator. Die einzelnen Windungen müssen gegeneinander isoliert werden. Und zudem müssen auch die Wicklungen gegeneinander und gegen den Eisenkern isoliert werden. 

Das Schachteln

Der Kern wird aus einzelnen dünnen Blechen aufgebaut. Sie sind mit einer Oxydschicht beschichtet. So werden Sie besser isoliert und die Oxydschicht verhindert das Auftreten von Wirbelströmen im Eisenkern. Die Blechflächen liegen parallel zu der Richtung des magnetischen Flusses. Somit auch senkrecht zum induzierten elektrischen Feld. Je niedriger die Frequenz ist, umso dicker müssen die Bleche sein. Die Transformatorenbleche werden wechselseitig in die fertig gewickelten Spulen eingelegt. Damit kann zwischen den laminierten Blechen nur wenig elektromagnetischer Streuverlust auftreten.

Das Verschweißen

Bei Kleintransformatoren werden die Bleche des Trafos nicht mehr wechselseitig geschaltet. Sie werden viel mehr als vorgefertigte Eisenpakete in Transformatoren-Schweißmaschinen verschweißt.

Das Vergießen

Das Vergießen wird gebraucht für gute Isolierungseigenschaften und dafür, dass der Transformator geräuschlos läuft. Die kleinen Transformatoren für gedruckte Schaltungen werden vollständig in Kunststoffbecher eingelegt und dann mit Gießharz vergossen. Bei den großen Transformatoren werden nur die Spulen mit Gießharz vergossen. 

Qualitätssicherung
Jeder Transformator wird in einer Einzelprüfung auf seine Qualität hin untersucht. Immer gemäß der Qualitäts-Norm DIN EN ISO 9001.

Wie funktioniert ein Transformator?

Wenn  der elektrische Strom um die erste Spule, die Primärspule fließt, so baut sich um diese ein Magnetfeld auf. Wenn nun Wechselstrom durch die Spule fließt, so ändert sich die Stärke und auch die Richtung des Feldes. Das Magnetfeld wird durch den Eisenkern, auf dem sich die Spulen befinden, stärker. Das Magnetfeld, das nun verändert ist, induziert eine Spannung. Die Spannung an der Sekundärspule wird mit Vs beschrieben.

Wo kommen Trafos zum Einsatz?

Transformatoren kommen immer da zum Einsatz, wo elektrische Energie aus einem Netz höherer Spannung in ein Stromnetz geringerer Spannung umgewandelt werden soll.  Hauptsächlich passiert das aus Gründen der Sicherheit. Weiter werden sie auch für Signalübertragungen verwendet.

Fazit

Transformatoren sind nützlich für den Haushalt und unseren Alltag. Wir brauchen sie, damit sie die hohe Spannung abmildern und wir uns somit entspannt die Haare föhnen können oder um unser Handy benutzen zu können. Man kann sie auch selbst bauen, wenn man technisch geschickt ist und das nötige Zubehör hat. Der Aufbau ist auch nicht sehr schwer, wenn man sich für Technik interessiert. Transformatoren haben wir es zu verdanken, dass wir Strom nutzen können, aber die Spannung regulieren können.

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