Was sind Aufwärts- und Abwärtstransformatoren?

Transformatoren sind statische Geräte, die für die effiziente Übertragung von elektrischer Energie von einem Stromkreis auf einen anderen unerlässlich sind. Während der Strom durch einen Transformator fließt, wird die Spannung am Eingang, d. h. an der Primärseite, geändert, um den spezifischen Bedarf am Ausgang oder an der Sekundärseite zu decken. Bei einem Aufwärtstransformator wird das Spannungsniveau am Ausgang angehoben, während bei einem Abwärtstransformator das Spannungsniveau gesenkt wird. In diesem Artikel werden der Aufbau und die Verwendung von Aufwärts- und Abwärtstransformatoren sowie einige Grundsätze der Stromübertragung erläutert.

Inhaltsübersicht

• Was sind Aufwärts- und Abwärtstransformatoren?
• Funktionsprinzip eines Transformators
• Funktionsprinzip eines Aufwärtstransformators
• Funktionsprinzip eines Abspanntransformators
• Umkehrbarkeit des Transformatorbetriebs
• Anwendungen von Aufwärtstransformatoren
• Anwendungen von Abspanntransformatoren
• FAQs

Was sind Aufwärts- und Abwärtstransformatoren?

Ein Aufwärtstransformator erhöht die Eingangsspannung und gibt sie an die Last ab, während ein Abwärtstransformator die Eingangsspannung an der Last verringert. Für eine effiziente Stromübertragung ist eine hohe Spannung erforderlich, aber aus Sicherheitsgründen muss der Strom von den Verbrauchern mit einer niedrigeren Spannung genutzt werden. Der Übergang von Niederspannung zu Hochspannung für die Übertragung erfordert einen Aufwärtstransformator. In einigen Ländern sind Aufwärtstransformatoren von unschätzbarem Wert. Die Stromerzeugung in Indien beträgt beispielsweise 11 kV; daher sind in den Kraftwerken Aufwärtstransformatoren erforderlich. Kurz gesagt, ein Aufwärtstransformator hebt die Spannung für die Übertragung an.

Abspanntransformatoren wandeln Hochspannung in Niederspannung um. Dadurch wird die Leistung an die Anforderungen jedes Geräts angepasst, das an das Stromnetz in Haushalten oder Unternehmen angeschlossen ist. Die Stromkreise für Haushalte haben eine Spannung von 230 V bis 110 V, aber einige Funktionen benötigen nur 16 V. Daher werden Abspanntransformatoren benötigt, um die Spannung auf das niedrigere Leistungsniveau zu reduzieren.

Darüber hinaus haben getrennte Stromkreise in elektrischen Systemen in Privathaushalten und Unternehmen in der Regel dieselbe Frequenz. Aber oft ist der Spannungsbedarf unterschiedlich. Daher werden in vielen Haushaltsgeräten kleinere Aufwärts- oder Abwärtstransformatoren eingesetzt. Aufwärts- und Abwärtstransformatoren können je nach Art der Stromversorgung entweder einphasig oder dreiphasig sein. Aufwärts- und Abwärtstransformatoren dienen unterschiedlichen Zwecken und werden je nach den Erfordernissen der jeweiligen Situation in zahlreichen Konfigurationen ausgeführt.

Funktionsprinzip eines Transformators

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

• Die Primärwicklung (A): sammelt die Leistung
• Sekundärwicklung (B): 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, Bezeichnung B) 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 zu derjenigen auf der Primärseite. Die Spannungstransformation ist gegeben durch,

V1 / V2 = N1 / N2 = I2 / I1

• 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
• I2: Strom, der durch die Sekundärwicklungen fließt
• I1: Strom, der durch die Primärwicklungen fließt

Lesen Sie unseren Artikel über elektrische Transformatoren, um mehr über den Aufbau und die verschiedenen Anschlussmöglichkeiten eines Transformators zu erfahren.

Funktionsprinzip eines Aufwärtstransformators

Ein Aufwärtstransformator erhöht die Spannung an den Sekundärwicklungen gegenüber der Primärseite. Aus der Gleichung für die Spannungsumwandlung geht hervor, dass der Wert von N2 größer als N1 sein muss, damit V2 größer als V1 ist (siehe Abbildung 3). Daher wird in einem Aufwärtstransformator,

• N2 > N1
• V2 > V1
• I2 < I1

Bei einem Aufwärtstransformator wird der Strom auf der Sekundärseite gegenüber dem Strom auf der Primärseite immer verringert (bei gleichzeitiger Erhöhung der Spannung). Das liegt daran, dass die Gesamtleistung an der Primär- und Sekundärseite des Transformators gleich ist. Die Dicke der Transformatorspulen hängt von der Kapazität des Stroms ab, den sie führen sollen. In einem Aufwärtstransformator führt die Primärseite mehr Strom; daher wird für die Primärwicklung ein dick isolierter Kupferdraht und für die Sekundärseite ein dünner isolierter Kupferdraht verwendet. Ein Transformator wird in der Regel durch das Produkt aus Spannung und Stromstärke in kVA (Kilovoltampere) angegeben. Lesen Sie unseren Artikel über den Transformator-Rechner, um mehr über die mit einem Transformator verbundene Leistung zu erfahren.

Beispiel

Wenn ein 1:10-Transformator mit 10 V an der Primärwicklung belastet wird,

• N1 = 1
• N2 = 10
• V1 = 10V
• Daher gilt: V2 = (N2 / N1) ✕ V1 = 100V

Die Spannung auf der Sekundärseite des Transformators beträgt das Zehnfache der Spannung auf der Primärseite.

Vorteile des Aufwärtstransformators

• Einfache Wartung:
• Hohe Effizienz
• Schnellstart
• Energie-Sender

Nachteile des Aufwärtstransformators

• Erfordert ein Kühlsystem
• Funktioniert nur bei Wechselstromsignalen (AC)
• Riesige Größe

Funktionsprinzip eines Abspanntransformators

Ein Abspanntransformator verringert die Spannung an den Sekundärwicklungen gegenüber der Primärseite. Aus der Gleichung für die Spannungsumwandlung geht hervor, dass der Wert von N2 kleiner als N1 sein muss, damit V2 kleiner als V1 ist. In einem Abspanntransformator,

• N2 < N1
• V2 < V1
• I2 > I1

Ein Abspanntransformator erhöht immer den Strom (bei gleichzeitiger Verringerung der Spannung) auf der Sekundärseite im Verhältnis zum Strom auf der Primärseite. Bei einem Abspanntransformator führt die Sekundärseite mehr Strom; daher wird für die Sekundärwicklung dick isolierter Kupferdraht und für die Primärseite dünner isolierter Kupferdraht verwendet. Abspanntransformatoren werden üblicherweise in Niederspannungstransformatoren für Landschaftsbeleuchtungsanwendungen eingesetzt.

Beispiel

Wenn ein 100:1-Transformator an der Primärwicklung mit 10 V belastet wird,

• N1 = 100
• N2 = 1
• V1 = 10V
• Daher gilt: V2 = (N2 / N1) ✕ V1 = 0,1 V

Die Spannung auf der Sekundärseite des Transformators ist im Vergleich zur Spannung auf der Primärseite 100-mal geringer.

Vorteile des Abspanntransformators

• Hohe Lebensdauer und Zuverlässigkeit
• Weniger Kosten
• Hohe Effizienz
• Bietet verschiedene Spannungsversorgungen für gängige Haushaltsanwendungen

Nachteile des Abspanntransformators

• Erfordert einen hohen Wartungsaufwand
• Funktioniert nur mit AC

Umkehrbarkeit des Transformatorbetriebs

Die Funktionen der Aufwärts- und Abwärtstransformation können mit demselben Transformator erfüllt werden. Der Unterschied in der Funktionsweise liegt darin, wie der Transformator an den Stromkreis angeschlossen ist. Erfolgt die Eingangsversorgung über die Niederspannungswicklung, arbeitet der Transformator als Step-up-Version. Derselbe Transformator kann als Abwärtsversion der Eingangsversorgung verwendet werden, wenn er an die Hochspannungswicklung angeschlossen wird.

Anwendungen von Aufwärtstransformatoren

• Aufwärtstransformatoren mit primärseitigen Wicklungen aus dickem isoliertem Kupferdraht, die die Spannung auf 11000 Volt oder mehr anheben, sind für Anwender mit besonderen Leistungsanforderungen erforderlich, z. B. für den Betrieb von Röntgengeräten, Mikrowellen- und Kraftwerksanwendungen.
• Aufwärtstransformatoren werden zur Verteilung von elektrischer Energie in Hochspannungsleitungen eingesetzt.
• Diese Transformatoren werden zur Verstärkung elektronischer Geräte verwendet.

Anwendungen von Abspanntransformatoren

Abspanntransformatoren werden üblicherweise in:

• Gängige Haushaltsgeräte wie CDs, Fernseher und Türklingeln.
• Spannungsstabilisatoren
• Wechselrichter
• Stromverteilungsnetze
• Gebühren für Mobiltelefone
• Übertragungsleitungen

FAQs

Welches ist das wichtigste wissenschaftliche Prinzip beim Betrieb von Transformatoren?

Ein Transformator funktioniert nach dem Prinzip der Gegeninduktion, das besagt, dass eine stromdurchflossene Spule ein proportionales Magnetfeld erzeugt und umgekehrt.

Ist ein anderer Typ von Transformator erforderlich, um die Leistung zu erhöhen oder zu verringern?

Für beide Zwecke kann derselbe Typ von Transformator verwendet werden. Die Funktion eines Transformators hängt davon ab, wie er in einem Stromkreis aufgebaut ist.