Hochspannungs- und Niederspannungstransformatoren.

Auf dieser Seite hast du gelernt, wie Transformatoren aufgebaut sind und warum sie nur mit Wechselspannung funktionieren. Wenn du dir da nicht sicher bist, lese diese Seite noch einmal nach.

1.) Wichtige Gleichungen für den Transformator.

Transformatoren wandeln die Spannungen an der Spule 1 (Primärspule) und Spule 2 (Sekundärspule) ineinander um.

Für einen ideal arbeitenden Transformator gilt folgende Beziehung zwischen den Windungszahlen n der beiden Spulen und den Spannungen U:

Transformatorgleichung
n2 - Windungszahl der Sekundärspule
U2 - Spannung an der Sekundärspule
n1 - Windungszahl der Primärspule
U1 - Spannung an der Primärspule

Wenn ein Transformator ideal arbeitet, dann entnimmt er an der Primärspule genau so viel Energie W1 wie er als Energie W2 an der Sekundärspule an das dort angeschlossene Gerät abgibt. Es gilt dann:

Energie und Leistung beim Transformator

Erinnerung: Energie W=Leistung P * Zeit t. Die Zeit t kürzt sich heraus.

Weiterhin ist die elektrische Leistung P das Produkt aus Spannung U und Stromstärke I.
Also folgt:

Leistungen beim Transformator

Das Produkt der Spannungen und Stromstärken ist bei einem idealen Transformator bei beiden Spulen gleich groß.

Je nach den Windungszahlen der beiden Spulen unterscheidet man folgende Transformatorarten:

2.) Niederspannungstransformatoren / Hochstromtransformatoren.

Niederspannungstrafo

Niederspannungstransformatoren haben

  • viele Windungen in der Primärspule (n1 groß)
  • wenig Windungen in der Sekundärspule (n2 klein)

Der Quotient n2 / n1 ist also kleiner als 1, also auch der Quotient U2 / U1.

Damit ist die Spannung an der Sekundärspule U2 immer kleiner als die Spannung an der Primärspule U1.

Weil bei einem idealen Transformator die Leistungen P der Primär und Sekundärspule gleich groß sind (Gleichung 2 oben) , bedeutet eine kleine Spannung U2, dass die Sekundärspule eine große Stromstärke I2 liefern kann.

Anwendungen sind z.B.:

  • Steckernetzteile für Handys etc.
  • Transformator der Spielzeugeisenbahn
  • Klingeltransformator
  • Transformator zum Elektroschweißen
Steckernetzteil

In diesem Video siehst du den Versuchsaufbau zu einem Schweißtransformator.

Die Primärspule (rechts) hat n1 = 500 Windungen, 100 mal so viele wie die Sekundärspule (links - 5 Windungen), zähle nach!
Also ist die Netzspannung (U1) auch 100 mal größer als die Spannung an der Sekundärspule (U2) die zum Schweißen dient, diese beträgt nur etwa 2,3 V.

Girls can do it! - Zwei Nägel werden hier zusammengeschweißt.

Berühren sie sich, entsteht eine gut leitende Verbindung. Es ergibt sich daher eine so große Stromstärke I2 in der Induktionsspule, dass die Nägel zur Rotglut erhitzt werden und sich so verbinden.

Die Stromstärke I2 kann dabei durchaus 100 A und mehr betragen.

3.) Hochspannungstransformatoren / Niederstromtransformatoren.

Hochspannungstrafo

Hochspannungstransformatoren haben

  • wenig Windungen in der Primärspule (n1 klein)
  • viele Windungen in der Sekundärspule (n2 groß)

Der Quotient n2 / n1 ist also größer als 1, also auch der Quotient U2 / U1

Damit ist die Spannung an der Sekundärspule U2 immer größer als die Spannung an der Primärspule U1.

Weil bei einem idealen Transformator die Leistungen P der Primär und Sekundärspule gleich groß sind, bedeutet eine große Spannung U2, dass die Sekundärspule nur eine kleine Stromstärke I2 liefern kann.

Anwendungen sind z.B.:

  • Erzeugung der Spannung für die braunschen Röhre in Fernsehgeräten und Computermonitoren ("Zeilentransformator")
  • Erzeugen der Hochspannung für das Entzünden von Treibstoff-Gas-Gemischen, z.B. bei der Ölheizung und im Auto ("Zündtrafo")
  • elektrischer Weidezaun

In diesem Versuchsvideo ist ein Hochspannungstransformator aufgebaut.

Die Primärspule hat 500 Windungen, die Sekundärspule 23000 (das 46- fache). Damit ist die Spannung in der Sekundärspule 46 mal so groß wie die Spannung in der Primärspule also etwa 230 V * 46 = 10580 V.

Durch diese hohe Spannung entsteht ein Lichtbogen. Die Luft erwärmt sich dabei, so dass der Lichtbogen nach oben steigt und dort schließlich abbricht.

Bei solchen Experimenten ist Sicherheit oberstes Gebot!
Ein Fehler, und der Versuch kann tödlich enden.

Anmerkung zu den Experimenten:
Verwendet wurden die bekannten und verbreiteten Trafo-Komponenten von Leybold.

Anmerkungen zu den Videoaufnahmen:

Die Videoaufnahmen entstanden im Videomodus einer normalen Digitalkamera (hp photosmart). Sie wurden mit dem Freeware Programm VirtualDub externer Link geschnitten und komprimiert und danach mit dem Freeware-Programm trmoov.exe in das Quicktime-Format umgewandelt.

© Klaus-Dieter Grüninger, Landesbildungsserver Baden-Württemberg, 2005