Niederspannungstransformatoren

Ein Transformator ist ein elektrisches Gerät, das dazu dient, Wechselstrom von einer Spannung in eine andere umzuwandeln. Ein Niederspannungstransformator wandelt die Spannung der Hauptstromversorgung in eine niedrigere Spannung um, in der Regel 12-15 Volt. Der Wirkungsgrad dieser Spannungsumwandlung bestimmt, wie gut der Transformator die Ausgangsspannung und die dabei verbrauchte Energie kontrolliert. Dieser Transformator wird in verschiedenen Anwendungen eingesetzt, z. B. in Niederspannungs-Landschaftsbeleuchtungssystemen, als Transformator für die Außenbeleuchtung und für gängige Haushaltsgeräte. Dieser Artikel befasst sich mit dem Betriebsspannungsbereich eines Niederspannungstransformators, dem Aufbau, dem Funktionsprinzip, den Anwendungen und den typischen Möglichkeiten zur Überprüfung eines Transformatorfehlers.

Inhaltsübersicht

• Was ist ein Niederspannungstransformator?
• Zweck des Niederspannungstransformators
• Arbeitsweise
• Typen von Niederspannungstransformatoren
• Wie man einen Niederspannungstransformator mit einem Multimeter prüft
• Installation
• Anwendungen
• FAQs

Was ist ein Niederspannungstransformator?

Ein Transformator ist ein wichtiges Stromversorgungsgerät für Großkraftwerke und einfache Hausstromkreise. Ein Hochspannungstransformator wird in Kraftwerken und elektrischen Umspannwerken eingesetzt. Ein Niederspannungstransformator reduziert die Eingangsspannung auf eine niedrige Spannung am Ausgang. Ein in Kühlschränken und Waschmaschinen installierter Transformator, der mit Hochspannung arbeitet, reduziert die Spannung normalerweise auf etwa 12 Volt und wird daher als Niederspannungstransformator eingestuft. Der Hauptzweck eines Niederspannungstransformators besteht darin, das Risiko von Stromschlägen und Kurzschlüssen für den Benutzer zu verringern, da diese Transformatoren in gewöhnlichen Haushaltsanwendungen eingesetzt werden.

DieANSI-Norm C84.1-1989 teilt die Betriebsspannung in die folgenden Kategorien ein:

• Niedrig: < 600V
• Medium: 600V - 69kV
• Hoch: 69kV - 230kV
• Extra hoch: 230kV - 1100kV
• Ultra-hoch: 1100kV

Je nach Betriebsspannung fällt ein Transformator in eine der fünf oben genannten Kategorien. So ist beispielsweise ein Aufwärtstransformator von 12,8 kV auf 128 kV ein Hochspannungstransformator und ein Abwärtstransformator von 230 V auf 14 V ein Niederspannungstransformator.

Zweck des Niederspannungstransformators

Die Netzspannung (typischerweise 120 Volt in den USA und 230 Volt in Europa) birgt die Gefahr eines Stromschlags für den Benutzer, wenn sie direkt verwendet wird. Ein Niederspannungstransformator reduziert die Eingangsspannung auf einen wesentlich niedrigeren Wert und schafft so eine sicherere Umgebung für den Benutzer in Geschäfts- und Wohngebäuden. Der Normalwert der von einem Niederspannungstransformator erzeugten Spannung beträgt 12-24 Volt, was unter normalen Bedingungen keine Wärme erzeugt. Diese Niederspannungsbedingungen sind so sicher, dass eine Person eine Glühbirne installieren kann, auch wenn der Strom eingeschaltet ist.

Arbeitsweise

Ein Niederspannungstransformator funktioniert nach dem Prinzip der Induktion, das besagt, dass ein stromdurchflossener Leiter ein Magnetfeld um sich herum erzeugt und umgekehrt. Da ein Kleinleistungstransformator die Eingangsspannung auf einen sehr niedrigen Wert umwandelt, ist die Anzahl der Windungen in der Sekundärwicklung im Vergleich zur Primärwicklung sehr viel geringer.

Ein Niederspannungstransformator besteht aus zwei Gruppen von Drähten (siehe Abbildung 2):

• Primärwicklung (A): sammelt die Leistung
• Sekundärwicklung (C): liefert Strom

Die Primär- und Sekundärwicklungen sind zusammen auf einen magnetischen Eisenkreiskern gewickelt, aber diese Spulen sind nicht miteinander in Kontakt, wie in Abbildung 2 zu sehen ist. Der Kern besteht aus einem weichmagnetischen Material, das aus miteinander verbundenen Lamellen besteht (Abbildung 2, Kennzeichnung C), um den Kernverlust zu verringern. Der Kernverlust ist der Energieverlust innerhalb des Kerns, der durch einen wechselnden magnetischen Fluss verursacht wird. Ein instabiles Magnetfeld zerstört schließlich die Funktionsfähigkeit des Kernmaterials.

Wenn die Primärwicklung (Abbildung 2, Kennzeichnung A) an eine Stromversorgung angeschlossen wird, fließt Strom durch die Spule, und es wird ein Magnetfeld induziert. Ein Teil dieses Magnetfelds verbindet sich durch gegenseitige Induktion mit den Sekundärwicklungen (Abbildung 2 mit der Bezeichnung C) und erzeugt so einen Stromfluss und eine Spannung auf der Sekundärseite (Lastseite). Die an der Lastseite erzeugte Spannung ist proportional zur Anzahl der Windungen in der Sekundärwicklung im Verhältnis zur Anzahl der Windungen in der Primärwicklung. Die Spannungstransformation ist gegeben durch,

V1/V2=N1/N2

• V1: Spannung an der Primärwicklung des Transformators
• V2: An der Sekundärwicklung (Last) des Transformators erzeugte Spannung
• N1: Anzahl der Windungen in der Primärwicklung
• N2: Anzahl der Windungen in der Sekundärwicklung

Da ein Niederspannungstransformator auf der Lastseite deutlich weniger Spannung erzeugt, ist die Anzahl der Windungen in der Sekundärwicklung geringer als in der Primärwicklung. Um beispielsweise eine Wechselstrom-Hauptstromversorgung von 120 V in 12 V umzuwandeln, muss die Anzahl der Windungen in der Primärwicklung zehnmal größer sein als in der Sekundärwicklung des Transformators.

Hinweis:Die Spannung und Frequenz der Hauptstromversorgung ist von Land zu Land unterschiedlich. In Ländern wie den USA wird die Hauptstromversorgung mit 120 Volt und 60 Hz betrieben, während in Europa wie dem Vereinigten Königreich, den Niederlanden und Deutschland 230 Volt und 50 Hz verwendet werden. Weitere Einzelheiten finden Sie in der vollständigen Liste der Länder mit den entsprechenden Netzspannungen und Betriebsfrequenzen.

Typen von Niederspannungstransformatoren

Niederspannungstransformatoren werden grob in magnetische und elektronische Typen unterteilt.

Magnetische Niederspannungstransformatoren (MLV)

Der magnetische Niederspannungstransformator ist der am häufigsten verwendete Niederspannungstransformatortyp, der zwei Spulen verwendet, um die Netzspannung auf einen sehr niedrigen Wert zu reduzieren. Die Primärspule führt Netzspannung (typischerweise 120 Volt in den USA und 230 Volt in Europa). Der Strom in der Primärwicklung induziert ein Magnetfeld in der Sekundärwicklung.

Magnetische Niederspannungstransformatoren werden wiederum in Stapel-/Laminat- und Ringkerntransformatoren unterteilt:

• Gestapelte oder laminierte Transformatoren: Bei Stapel-/Laminattransformatoren sind die Bleche mit Kupferdraht umwickelt und zu einem Kern zusammengeschichtet (siehe Abbildung 2). Diese Transformatoren haben eine lange Lebensdauer, etwa 15-20 Jahre, aber sie sind laut und arbeiten nur mit einem Wirkungsgrad von 80-85%.
• Ringkerntransformatoren: Bei einem Ringkerntransformator sind die Primär- und Sekundärspulen auf einen Ringkern gewickelt, wie in Abbildung 4 dargestellt. Das einzigartige und kompakte Design dieses Transformators ermöglicht kürzere Spulen, was die Wicklungsverluste reduziert und den Gesamtwirkungsgrad verbessert. Diese Transformatoren arbeiten mit einem Wirkungsgrad von 90-95 %, haben eine Lebensdauer von 20-25 Jahren und arbeiten leise. Aufgrund der Schwierigkeit, die Leiterspulen in den Ringkern einzuwickeln, sind sie jedoch teuer. Außerdem sind diese Transformatoren auf einphasige Anwendungen beschränkt und haben einen höheren Einschaltstrom.

Vorteile der magnetischen Niederspannungstransformatoren

• Energieeffizient
• Lange Lebensdauer von über 15 Jahren
• Geräuscharmer Betrieb

Nachteile von magnetischen Niederspannungstransformatoren

• Enorme Größe (im Falle von laminierten Transformatoren)
• Teuer

Elektronische Niederspannungstransformatoren (ELV)

Elektronische Niederspannungstransformatoren verfügen über ein komplexeres internes System, das aus einem Schaltkreis in Verbindung mit einem Wechselrichter besteht, um die gleiche Funktionalität wie bei magnetischen Niederspannungstransformatoren zu erreichen. Der Wechselrichter erhöht die Betriebsfrequenz von ~50-60Hz auf 20kHz oder höher. Die hohe Frequenz ermöglicht die Verwendung eines Miniaturkerns, wodurch der Transformator leicht und kompakt ist. Diese Transformatoren werden für die Spannungsabsenkung bei Anwendungen in Innenräumen empfohlen, bei denen der Platz eine große Rolle spielt.

Vorteile der elektronischen Niederspannungstransformatoren

• Kompakte Größe
• Weniger teuer

Nachteile von elektronischen Niederspannungstransformatoren

• Hochfrequenzstrom ist möglicherweise nicht mit LED-Schaltungen kompatibel
• Kürzere Lebensdauer von etwa 5-6 Jahren
• Geräuschvoll und hitzeempfindlich

Wie man einen Niederspannungstransformator mit einem Multimeter prüft

Anzeichen für einen defekten Transformator

Beobachten Sie das Aussehen des Schwachstromtransformators auf folgende Anomalien:

• Gebrochene Spulenkabel
• Verrostetes Siliziumstahlblech
• Brandflecken auf Isoliermaterial
• Eine lose Befestigungsschraube des Eisenkerns
• Freiliegende Spulen

Außerdem kann ein Multimeter verwendet werden, um einen Niederspannungstransformator auf mögliche Fehler zu überprüfen.

Prüfung des Leerlaufstroms eines Niederspannungstransformators mit einem Multimeter

Der Leerlaufstrom ist der Strom, der durch die Primärwicklung eines praktischen Transformators fließt, wenn die Sekundärseite offen ist (wodurch ein Leerlaufzustand entsteht). Der Volllaststrom eines Transformators ist der maximal zulässige Strom in den Primär- und Sekundärwicklungen, und dieser Wert wird in der Regel zur Auslegung des Schutzsystems des Transformators verwendet. Führen Sie die folgenden Schritte durch, um den Leerlaufstrom eines Transformators mit einem Multimeter zu berechnen:

1. Öffnen Sie die Sekundärwicklungen des Transformators.
2. Stellen Sie die Skala des Multimeters auf Strommessung (AC) ein.
3. Schließen Sie die Stecker der Primärwicklung des Transistors an die Hauptstromversorgung an.
4. Verbinden Sie die Leitungen der Multimetersonden mit den Enden der Primärwicklung des Transformators.
5. Das Multimeter zeigt den Wert des Leerlaufstroms an. Der Wert des Leerlaufstroms sollte in der Regel nicht mehr als 10-15 % des Volllaststroms des Transformators betragen.

Beispiel

Ein Transformator wird in der Regel mit seinem kVA-Wert (Kilovoltampere) angegeben. Ein Transformator mit einer Nennleistung von 5 kVA liefert 5 kW Leistung an die Last.

Der Volllaststrom eines Einphasentransformators mit einer Primärspannung von 230 V und einer Nennleistung von 25 kVA beträgt (25✕1000)/230 = 108,7 A. Um festzustellen, ob ein Transformator ordnungsgemäß funktioniert, prüfen Sie, ob der gemessene Leerlaufstrom weniger als 15 % des Volllaststroms beträgt.

Prüfung des Durchgangs eines Niederspannungstransformators mit einem Multimeter

An einem Niederspannungstransformator kann eine Durchgangsprüfung durchgeführt werden, um festzustellen, ob eine Unterbrechung in den Primär- oder Sekundärwicklungen vorliegt.

1. Trennen Sie den Transformator vollständig ab und stellen Sie das Multimeter auf Widerstandsmessung (Ω) ein.
2. Schließen Sie die Leitungen der Multimetersonden an die Enden der Primärwicklung des Transformators an und notieren Sie den auf dem Multimeter-Display angezeigten Widerstand. Ein sehr hoher oder unendlicher Widerstand weist auf eine Unterbrechung auf der Primärseite des Stromkreises hin.
3. Schließen Sie die Leitungen der Multimetersonden an die Enden der Sekundärwicklung des Transformators an und notieren Sie den auf dem Multimeter-Display angezeigten Widerstand. Ein sehr hoher oder unendlicher Widerstand weist auf eine Unterbrechung auf der Sekundärseite des Stromkreises hin.
4. Wenn die Primär- oder Sekundärspulen einen unendlichen Widerstand aufweisen, muss der Transformator ausgetauscht werden.

Anmerkung: Ein Digitalmultimeter (DMM) zeigt einen unendlichen Widerstand durch OL (open line) auf dem Bildschirm an.

Anwendungen

Typische Anwendungen für einen Transformator mit geringer Leistung sind die folgenden:

1. Ein Schwachstromtransformator kann als Niederspannungs-Lichttransformator in der Landschaftsbeleuchtung verwendet werden, die mit 12-24 Volt arbeitet. Der Transformator für Außenbeleuchtung reduziert die Netzspannung von 110 Volt oder 230 Volt auf einen niedrigen Wert, der für den Anschluss von Leuchten an die Spannung geeignet ist.
2. Gleichrichter verwenden Transformatoren mit geringer Leistung zur Herabsetzung der Hauptwechselspannung auf einen niedrigen Wert, der mit einer Kombination aus Diode und Kondensator in Gleichspannung umgewandelt wird.
3. Gängige Haushaltsgeräte wie Kühlschränke, Waschmaschinen, Ladegeräte für Mobiltelefone, Thermostate und Türklingeln verwenden Schwachstromtransformatoren, die eine sehr niedrige Lastspannung erzeugen und so den Benutzer vor Stromschlägen und Kurzschlüssen schützen.

FAQs

Wie viele Leuchten können Sie an einen Niederspannungstransformator anschließen?

Sie hängt von der maximalen Stromaufnahme des Transformators und der Gesamtwattleistung der Lampen ab. Ein Transformator mit einer Leistung von 300 Watt kann zum Beispiel an 300 Lampen mit 1 Watt oder an sechs Lampen mit 50 Watt angeschlossen werden. Achten Sie darauf, dass Sie die Komponenten nicht mit mehr als 80 Prozent der Nennleistung des Transformators anschließen, um einen ordnungsgemäßen Betrieb zu gewährleisten.

Wie lange halten Niederspannungstransformatoren?

Magnetische Niederspannungstransformatoren haben eine sehr lange Lebensdauer, etwa 15-20 Jahre, während elektronische Niederspannungstransformatoren nur 5-6 Jahre halten.