Funktionsweise Trafo

Moin,

weil es so gut geklappt hat bei meiner letzten Frage…
Kann mir bitte mal jemand in einfachen (sprich, für interessierte Dummies) Worten erklären, wie ein Trafo funktioniert? Die Links, die ich mir angeschaut habe, waren nicht wirklich hilfreich. Darunter auch ein Link zu einer Website, die Schülern! Wissen vermitteln möchte. Nach drei Sätzen bin ich ausgestiegen, nach 5 Sätzen bin ich ins Koma gefallen.
Was ich mir bis jetzt zusammengereimt habe? Gar nichts, weil ich es einfach nicht verstanden habe, was da passiert. Wahrscheinlich ist es gar nicht so kompliziert…

Für Aufklärung dankt

Data

Ein Trafo besteht aus zwei getrennten Wicklungen (Spulen), die it einen Eisenkern verbunden sind.
Eine Spule wird von einen Wechselstrom durchflossen. Dadurch entsteht ein sich ständig änderndes Magnetfeld.
Das sich verändernde Magnetfeld erzeugt nun in der zweiten Spule wiederum eine Spannung und es kann ein Strom an den Klemmen entnommen werden.

Die Spannungen verhalten sich wie die Wichklugszahlen und die Stöme umgekehrt dazu.

Moin, Data,

das mechanische Pendant sind Zahnräder: wenn ein großes Zahnrad mit 100 Zähnen in ein kleines mit 10 Zähnen eingreift, dann dreht sich das kleine 10mal schneller als das große.

Wie weit darf’s denn in die Tiefe gehen?

Funktion: Ein Trafo hat 2 Spulen, die eine wird von Wechselstrom durchflossen, der baut ein Magnetfeld auf, in dem auch die andere Spule liegt, und in der induziert das Magnetfeld eine Spannung. Die Spannungen verhalten sich wie die Windungszahlen der Spulen, die Ströme umgekehrt.

Warum wird da ein Strom induziert? Für die Mehrheit langt ein deutliches: Isso. Der Physiker befasst sich mit den Elektronen und deren Verhalten im Magnetfeld, Braucht außer Physikern aber niemand (hoffe ich jedenfalls).

Gruß
Ralf

Mmmh? 10 Windungen entsprechen 10 Volt? und 10 Ampere? 20 Windungen entsprechen 20 Volt und 5 Ampere. Habe gerade einen Knoten im Kopf. Links kommt Spannung drauf. Durch Induktion (Isso?) wird die Spannung nach rechts weitergereicht. Ich habe links 10 Volt und 10 Ampere und rechts kommen 20 Volt und 5 Ampere raus, weil ich die Spule „falschrum“ gewickelt habe?

Data

10 Windungen entsprechen 10 Volt

Nicht ganz - es kommt auf das Verhältnis der Windungen an: W1/W2 = U1/U2, =I2/I1 U für Spannung, I für Strom).

W1 seien 100 Windungen, W2 seien 500. Lege ich jetzt als U1 5 V (Volt) an, dann habe ich sekundär U2 = U1*W2/W1 = 25 V. Belaste ich den Sekundärkreis so, dass 1 A (Ampere) fließt, dann fließt primär ein Strom von 5 A. Alles klar?

Also mal fünf? Und die ganze Geschichte geht hin und zurück? Primär 10 Wickel, Spannung mal 5, Stromstärke? Sekundär 10 Wickel, Spannung durch fünf, Stromstärke?
Ich hoffe, dass ich auf dem richtigen Weg bin.

Das Stichwort lautet ‚weg‘, nicht ‚Weg‘. Damit meine ich: es geht nichts verloren. Die Leistung, die in den Trafo reingeht, muss auch wieder rauskommen. Und weil Leistung Spannung mal Strom ist…
Dabei habe ich natürlich ausgelassen, dass es noch ein paar Verluste gibt (der Trafo wird warm). Und dass eine Phasenbeziehung gibt, die das ganze auch noch verkompliziert - es geht schließlich um Wechselspannung/Wechselstrom, sonst würde der Trafo gar nichts übertragen.

Wie tief willst Du denn vordringen?
Gruß
anf

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. :frowning:
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: :smile:
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. :frowning:
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)

Ich bereue gerade, dass ich gefragt habe :wink: Ich hatte mir die Choose etwas einfacher vorgestellt. Ok, ich bin tapfer und werde mir alle Beiträge noch einmal genau durchlesen. Dann eine Zusammenfassung schreiben und euch vorlegen?

Data

Moin,

ncht auf die Windungen kommt es an, sondern auf das Verhältnis der beiden Windungszahlen (bitte nicht Wickel, das ist ein Synonym für Spule). Der Praktiker nimmt die Formeln U2/U1 = W2/W1 bzw. I2/I1 = W1/W2 und wendet den Dreisatz darauf an.

Noch ein Wort zum Strom: Der wird nicht einfach hineingeschickt, sondern ergibt sich als Quotient aus der Spannung, die angelegt wird, und dem Widerstand. Das hat mal der Georg Simon Ohm entdeckt, und dem zu Ehren wird der Widerstand in Ohm, Kurzzeichen Ω (Omega), gemessen.

Neuer Versuch:

Linke Spule-Primärspule mit 10 Windungen. Hier lege ich eine Spannung an. Wegen „Isso“ gibt es auch eine Stromstärke, weil Spannung mal Stromstärke gleich Leistung ist und hat was mit dem Eisenkern, dem wechselnden Magnetfeld und Herrn Ohm zu tun. Habe ich auf meiner Sekundärspule nun 20 Wicklungen steigt die Spannung und die Stromstärke sinkt. Habe ich auf der Sekundärspule 5 Wicklungen sinkt die Spannung und die Stromstärke steigt.
Ich kann also mit einem Trafo höhere Spannung oder niedrigere Spannung machen. Gleichzeitig sinkt oder steigt die Stromstärke, weil nichts (fast nichts, wegen Herrn Ohm) verloren geht.

Data

Hi, Data,

Also mal fünf?

fast richtig, nur die Begründung brauchen wir noch:

Der Praktiker, der den Dreisatz scheut, rechnet sich vorher das Übersetzungsverhältnis Ü = W2/W1 aus, das wäre im Beispiel 500 / 100 = 5. Damit rechner et weiter; U2 = U1 * Ü, I2 = I1 / Ü.

Hier noch was zum Nachlesen. Und bevor Du anfängst zu basteln, bitte unbedingt vorher Bescheid sagen; vor allem nie, nie, nie allein an stromführende Teile rangehen!

Bassd scho :-)))

Um Gottes Willen! Ich möchte nur theoretisch wissen. Ehrlich gesagt, habe ich Angst vor Strom, weil man ihn nicht sehen oder riechen (höchstens, wenn es zu spät ist) kann. Ich finde es nur faszinierend, mal hinter die Kulissen zu schauen und sich nicht (immer) mit Isso zufrieden zu geben.
Mein Physikunterricht hat bleibende Schäden bei mir hinterlassen, weil er so dröge und kompliziert und wirklichkeitsfremd war. Ich habe erst Jahre später begriffen, wie ein Ottomotor funktioniert, was übrigens auch faszinierend ist.
Und nun habe ich halt den Strom für mich entdeckt.

Ich danke dir für deine Geduld.

Data

Echt? ** freu **

Data

Wobei hier aber nicht R=U/I interessant ist sondern P=U*I, nämlich die Leistung.
Die Ohmschen Verluste sind eigentlich nicht gewünscht, sie erzeugen die Wärme in den Spulen. Und der Primärstrom wird nicht hineingegeben sondern ergibt sich aus dem entnommenen Sekundärstrom unter Berücksichtigung des Übersetzungsverhältnisses.

Ich hatte übrigens einen Top-Physiklehrer der sehr praxisbezogen und anschaulich gelehrt hat und auch mal den Stoff etwas nach hinten geschoben hat wenn wir in Mathe noch nicht soweit waren.
(DDR-Schulsystem)

Hallo Datasine,

Das ist sehr schade, aber viele Physiklehrer gehen leider so vor.

Eigentlich kann man die Physik sehr gut rein qualitativ oder quantitativ betreiben.
Die qualitative Variante kann man schon mit Kindergärtnern problemlos machen, vieles in der Physik ist zum Anfassen und die Physik begegnet einem den ganzen Tag. Schon die Wippe im Pausenhof ist ein praktisches Beispiel für das Hebelgesetz. Man muss nur einmal zwei gleich schwere Kinder und einmal das Leichteste und das Schwerste drauf setzen. Und schon haben alle die Grundlagen des Hebelgesetzes verstanden.

Die quantitative ist dann etwas für die höheren Stufen, da braucht es als Grundlage einiges an Mathematik. Allerdings könnte man auch mit der Oberstufe wieder auf die Wippe gehen. Am besten mit einem Massstab und einer Personenwaage. Dann kann man messen und rechnen.

Leider sind zu viele Physiklehrer einfach faul und der Physikunterricht besteht dann rein aus rechnen. :frowning: Das macht am wenigsten Arbeit und man muss sich auch nicht mit dem Problem der Messfehler auseinander setzen.

MfG Peter(TOO)

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