Hallo Datasine,
Fangen wir mal hinten an.
In einem Draht, welcher sich in einem verändernden Magnetfeld befindet, wird eine Spannung induziert.
Man kann jetzt den Draht in einem festen Magnetfeld bewegen oder einen Magneten nehmen und diesen Bewegen.
So eine Konstruktion sollte sich an jedem Fahrrad befinden und nennt sich Dynamo.
Nun kann man auch einen Elektromagneten nehmen und diesen bewegen. So eine Konstruktion findet man dann als Generator in Kraftwerken und als Alternator unter der Motorhaube.
Anstatt den Elektromagneten zu bewegen, kann ich diesen auch mit Wechselstrom betreiben. Das Resultat ist dann auch ein sich dauernd verändertes Magnetfeld.
Der Trafo besteht nun aus einem Elektromagneten (Primärspule) und einer zweiten Spule (Sekundärspule) in welcher die Spannung induziert wird.
Damit das mit dem Magnetfeld besser klappt, kommt da noch ein Eisenkern hinzu. Im Eisen kann sich ein Magnetfeld besser bewegen als in Luft, man bekommt also ein stärkeres Feld in der Spule.
In Hochfrequenz-Bereich gibt es auch Trafos ohne Eisen. Wenn man einen Luftspalt im Eisenkern macht, kann man die Leistungskoppelung beeinflussen. Die alten Klingeltrafos hatten einen Luftspalt, damit war der Trafo kurzschlusssicher, weil der Strom begrenzt wurde. Bei den alten Schweisstrafos hatte man einen verstellbaren Luftspalt um den Schweissstrom einzustellen
So, nun zum ganzen Trafo:
Wie schon geschrieben wurde kommt es auf das Übersetzungsverhältnis an, also die Windungszahlen von Primär und Sekundärspule.
„Angenommen, die Kuh ist eine Kugel“ wie der Professor von Lesch immer gesagt hat. Also vereinfacht theoretisch:
Die Leistung, also Strom x Spannung, bleibt auf beiden Seiten des Trafos kontant.
Haben also beide Spule z.B. 10 Windungn, sind Spannung und Strom auf beiden Seiten gleich. Steigt der Strom auf der Sekundärseite durch einen Verbraucher, steigt der Strom auch auf der Primärseite entsprechend an.
Hast du 10 Windungen primär und 1 Windung sekundär, also 10:1 und folglich ist die Sekundärspannung 1/10 der Primärspannung. Entsprechend umgekehrt verhalten sich die Ströme.
Dreht man den Trafo um, also 1 Windung Primär und 10 Windungen sekundär, ist die Ausgansspannung das 10-fache und der Strom nur 1/10.
Nun ist die Realität immer irgendwie fies und legt einem Steine in den Weg.
Der Kupferdraht der Windungen hat einen Widerstand und das Ummagnetisieren des Eisens braucht auch Energie. Man hat also Verluste, weshalb das mit dem Windungsverhältnis nicht ganz aufgeht, man hat sekundär immer etwas weniger.
So ein realer Trafo hat dann Sekundär 2 wichtige Kenngrössen: Leerlaufspannung und Nennspannung. Die Nennspannung ist das was man eigentlich will, bei der Belastung für welche der Trafo ausgelegt ist. Ganz ohne einen Ausgangsstrom ist dann die Spannung höher, weil auch die Verluste weniger sind. Mit diesen Werten kann man dann auch den Innenwiderstand berechnen und folglich den Kurzschlussstrom. Wobei der letztere nur für manche Berechnungen interessant ist.
Wie gross die Differenz zwischen Leerlauf- und Nennspannung ist, kann man über den Drahtquerschnitt der Wicklungen bestimmen. Entsprechend spricht man von weichen (Grosse Differenz) und harten (kleine Differenz) Trafos. Allerdings ist man da auch nicht so ganz frei in der Wahl. Die Wicklung muss am Ende auch noch auf den Spulenkörper passen! Für Trafos gibt es Standardgrössen, welche sich nach der zu übertragenden Leistung richten. Will man einen harten Trafo, muss man meistens einen Kern für eine höhere Leistung verwenden, nur damit die Wicklungen platz haben.
So, jetzt mach das Eisen noch so seine Probleme.
Leider verhält sich Eisen magnetisch nicht linear. Ein Problem ist die magnetische Sättigung. Wird das Feld stärker, verhält sich das Eisen dann wie Luft, es kann das stärkere Magnetfeld nicht auch noch bündeln.
Das andere ist die Hysterese. Man kann einen Nagel, Schraubenzieher usw. mit einem Magneten auch magnetisch machen. Das Eisen kann die Magnetisierung speichern. In unserem Trafo passiert dies auch, bei jeder anderen Halbwelle muss diese Restmagnetismus erst wieder Rückgängig gemacht werden, was eben Verluste ergibt.
Und jetzt wird es kompliziert:
Wie ganz am Anfang beschrieben, erzeugt ein sich veränderndes Magnetfeld eine Spannung in einem Leiter. Die Physik kann jetzt aber nicht zwischen Primär- und Sekundärspule unterscheiden. Somit erzeugt das Magnetfeld auch in der Primärspule eine Spannung, welche der angelegten Spannung entgegen wirkt.
Legt man nun eine konstante Spannung an so eine Spule (Drossel) an, stellt sich zuerst ein begrenzter Strom ein, bis das Magnetfeld aufgebaut ist. Wenn das Magnetfeld aufgebaut ist, steigt dann der Strom an und wird nur noch durch den Wicklungswiderstand begrenzt. Das Ganze nennt sich Induktivität und wird in Henry angegeben. Typischerweise bewegt man sich im Bereich von µH. Je mehr Henry man hat, umso länger dauert es bis das Magnetfeld aufgebaut ist.
So eine Spule mit einem Eisenkern hat eine viel höhere Induktivität als ohne.
Wie stark das Magnetfeld wird, hängt nun von der Windungszahl und dem Spulenstrom ab. Mehr von beidem ergibt ein stärkeres Magnetfeld. In der Praxis hat man den Wert der AW (Ampere x Windungen = Amperewindungen), welcher vereinfacht die Magnetfeldstärke ergibt.
Jetzt haben wir noch die doofe Sättigung, des Eisens.
Jetzt muss man also aufpassen, dass das Eisen nicht in die Sättigung kommt. Bei uns haben wir 50Hz, also eine Halbwelle dauert 10ms. Man muss nun genug Eisen haben, damit man in dieser Zeit nicht in die Sättigung kommt. Andere Länder arbeiten mit 60Hz, also rund 8.33 ms, man kann also rund 20% an Eisen sparen, wenn der Trafo mit 60Hz betrieben wird. Betreibt man jetzt aber einen 60Hz-Trafo mit 50Hz, kommt das Eisen in die Sättigung und das ganze Teil wird heiss und kann sogar durchbruzzeln.
Da das Gewicht beim Fliegen wichtig ist, hat man sich damals auf 400Hz für die Bordnetze geeinigt. Dadurch brauchten die Trafos nur 12.5% des Eisens, verglichen mit 50Hz. Die 400Hz waren ein Kompromiss, bedingt durch die damalige Technik.
Heute verwendet man für typische Schaltnetzteile Frequenzen im Bereich von 20kHz bis etwa 200kHz. Entsprechend klein und leicht sind die Trafos. Deshalb kann man Steckernetzteile mit 50Hz-Trafo von einem mit Schaltnetzteil am Gewicht unterscheiden.
Und nun noch zu den praktischen Windungszahlen und den AW.
Durch die Primär-Spannung und die gewünschte Leistung ergibt sich der Spulen-Strom. Um das Eisen auszunutzen, benötigt man eine bestimme AW-Zahl. Es gibt also eine optimale Windungszahl für die Primärspule. Das andere Optimum betrifft die Verluste. Den optimalen Wirkungsgrad bekommt man, wenn die Kupferverluste gleich den Eisenverlusten sind. Daraus ergibt sich dann der Drahtquerschnitt.
Im Prinzip ist es egal, wie herum man einen Trafo betreibt. Man kann also einen Trafo 230V/12V entweder mit 230V betreiben und die 12V abgreifen oder umgedreht auch mit 12V ansteuern und 230V abgreifen. Allerdings sind dann die Verluste schlechter. Für eine besser Kopplung mit dem Eisen, wickelt man die Primärwicklung zuerst und darüber dann die Sekundärwicklung(en).
MfG Peter(TOO)