Transformator

Ein Transformator besteht aus zwei Drahtspulen auf einem gemeinsamen Eisenkern: Wechselstrom in der ersten Spule erzeugt in der zweiten eine Spannung, die je nach Verhältnis der Windungszahlen höher oder niedriger ist. So lässt sich Strom mit hoher Spannung über weite Strecken schicken und mit der Spannung abgeben, die Geräte brauchen; vor allem deshalb hat sich in den Stromnetzen der Welt der Wechselstrom durchgesetzt.

Was es ist

Ein Masttransformator setzt die Spannung der Ortsleitung auf die Spannung im Haus herab.

Ein Transformator ändert die Spannung eines Wechselstroms. Er hat keine beweglichen Teile: zwei Spulen aus isoliertem Kupferdraht, die Primär- und die Sekundärspule, auf einem geschlossenen Eisenkern. Die Leistung fließt in die eine Spule hinein und aus der anderen mit höherer oder niedrigerer Spannung heraus; der Strom ändert sich umgekehrt.

Kraftwerke setzen die Spannung für die Fernleitungen herauf. Umspannwerke senken sie stufenweise, und ein letzter Transformator auf einem Mast oder in einer kleinen Station bringt sie auf die 230 oder 120 Volt der Steckdose. Auch Ladegeräte und Türklingeln enthalten kleine Transformatoren.

Wie es funktioniert

Der Strom in der Primärspule macht den Eisenkern zum Magneten. Weil der Strom wechselt, baut sich diese Magnetisierung auf, bricht zusammen und kehrt sich um, in fünfzig oder sechzig vollen Perioden pro Sekunde. Der veränderliche Fluss durchsetzt die Sekundärspule und erzeugt in jeder ihrer Windungen eine Spannung: Faradays Induktion, die nur wirkt, solange sich der Fluss ändert.

Jede Windung beider Spulen umschließt denselben Fluss, also verhalten sich die Spannungen wie die Windungszahlen. Mit 1000 Windungen primär und 50 sekundär werden aus 4600 Volt am Eingang 230 Volt am Ausgang. Im idealen, verlustfreien Transformator führt die Niederspannungsseite den zwanzigfachen Strom und ist deshalb mit dickerem Draht gewickelt.

Mit Gleichstrom funktioniert das alles nicht. Ein gleichbleibender Fluss induziert nichts, und die Primärspule ist dann nur ein Stück Draht an der Quelle, das heiß wird. Transformatoren brauchen Wechselstrom, und deshalb wurde er zum Standard der Netze; heutige Hochspannungs-Gleichstromverbindungen richten den Wechselstrom am Anfang gleich und wandeln ihn am Ende wieder in Wechselstrom um.

Hohe Spannung lohnt sich, weil die Wärmeverluste in einem Draht mit dem Quadrat des Stroms wachsen. Man schicke 100 Kilowatt in eine Leitung, deren Drähte zusammen 2 Ohm haben. Bei 1000 Volt fließen 100 Ampere, und die Drähte verheizen 20 Kilowatt, ein Fünftel der Leistung. Bei 10.000 Volt sind es 10 Ampere, und der Verlust sinkt auf 200 Watt, also 0,2 Prozent.

Ein massiver Kern erhitzt sich durch die Ströme, die in ihm kreisen; dünne, gegeneinander isolierte Bleche drängen sie stark zurück.

Der Fluss treibt auch im Eisen selbst kreisende Ströme an, die Wirbelströme, und ein massiver Kern würde heiß wie eine Herdplatte. Deshalb besteht der Kern aus einem Stapel von Blechen, wenige Zehntelmillimeter dick und durch Lack oder eine Oxidschicht gegeneinander isoliert. Die Wirbelstromverluste sinken mit dem Quadrat der Blechdicke. Die ersten Erbauer nahmen aus demselben Grund Bündel aus Eisendraht; heutige Kerne bestehen aus Siliziumstahl.

Die Netze verwenden Drehstrom: drei Wechselströme, um ein Drittel einer Periode gegeneinander verschoben, auf drei Leitern und in drei Spulensätzen auf einem gemeinsamen Kern umgespannt.

Wie man ihn baut

Ein Versuch auf dem Tisch mit wenigen Volt, niemals ein Projekt am Stromnetz. Man braucht eine Stahlschraube von etwa 10 cm Länge, eine zweite blanke Schraube und zwei flache Stahlstreifen, 20 bis 30 m Kupferlackdraht von 0,3 bis 0,5 mm, Isolierband, feines Schleifpapier, ein Multimeter, das Wechselspannung misst, und für den letzten Versuch ein Galvanometer mit Nullpunkt in der Mitte.

Spulen wickeln. Über eine Lage Isolierband eine Primärspule mit 100 Windungen auf die Schraube wickeln. Mit Band abdecken, darüber eine Sekundärspule mit 100 Windungen wickeln, wieder abkleben und obenauf eine zweite mit 50 Windungen wickeln. Den Lack an jedem Drahtende abschleifen.

Sichere Quelle wählen. Ein gekauftes Steckernetzteil nehmen, auf dessen Schild „AC output“ mit höchstens 12 Volt steht, oder einen Funktionsgenerator, der einen Sinus von wenigen Volt bei etwa 1 kHz ohne Gleichanteil liefert. Die meisten Netzteile liefern Gleichstrom und eignen sich nicht. Eine 12-Volt-Glühlampe fürs Auto von etwa 5 Watt in Reihe mit der Primärspule begrenzt den Strom.

Messen. Die Wechselspannung an der Primärspule und an jeder Sekundärspule ablesen, dann abklemmen: Die massive Schraube wird warm. Mit dem Netzteil zeigt das Messgerät einige Zehntel Volt, weil der größte Teil der Spannung an der Lampe abfällt. Die Spule mit 50 Windungen liefert etwa die halbe Spannung der Spule mit 100, und beide bleiben unter der Primärspannung, weil sich der Fluss einer einzelnen Schraube durch die Luft schließt. Die blanke Schraube neben die bewickelte legen und Köpfe wie Enden mit den Stahlstreifen verbinden, sodass das Eisen einen geschlossenen Rahmen um die Spulen bildet: Die Werte steigen.

Mit einer Batterie versuchen. Mit einer 4,5-Volt-Batterie statt des Netzteils, die Lampe weiter in Reihe, ein Galvanometer mit Mittelnullpunkt an die Sekundärspule legen, im unempfindlichsten Messbereich oder über einen Widerstand von einigen Kiloohm. Der Zeiger schlägt beim Schließen des Stromkreises nach der einen Seite aus, beim Öffnen nach der anderen, und dazwischen steht er auf null.

Ein Typenschild lesen. Auf einem Klingeltransformator Eingangs- und Ausgangsspannung suchen, etwa 230 V / 12 V, und die Leistung in Voltampere (VA). Große Geräte nennen zusätzlich Frequenz, Kühlart und Kurzschlussspannung; diese Schilder liest man von außerhalb des Zauns.

Sicherheit. Keine Sekundärspule mit mehr Windungen als die Primärspule wickeln und bedenken, dass ein Netzteil im Leerlauf ein Fünftel über dem Aufdruck liegen kann. Wird ein Stromkreis durch eine Spule geöffnet, entsteht eine kurze Spannungsspitze: mit einem Schalter oder einem am Isolierteil gehaltenen Draht schalten, nie mit den Fingern an blanken Enden. Nie Spulen für das Stromnetz wickeln und nie netzbetriebene Geräte öffnen, verändern oder neu verdrahten, auch nicht ausgesteckt: Transformatoren aus Mikrowellenherden und Leuchtreklamen liefern tödliche Ströme. Ein rückwärts gespeister Abwärtstransformator erhöht die Spannung, und Kondensatoren in einem Gerät können nach dem Ausstecken geladen bleiben. Spulen bleiben nach dem Betrieb heiß. Nie auf Masten klettern, Umspannanlagen betreten oder heruntergefallene Leitungen berühren. Arbeiten am Netz gehören in die Hand einer Elektrofachkraft.

Geschichte und Entwicklung

Michael Faraday wies die Induktion im August 1831 mit seinem Eisenring mit zwei Spulen nach, Joseph Henry fand sie unabhängig davon in Amerika, und um 1850 machte Heinrich Ruhmkorff in Paris den Funkeninduktor zum gängigen Laborgerät.

1884 ließen Lucien Gaulard und John Dixon Gibbs entlang einer 40 km langen Leitung von Turin nach Lanzo Lampen leuchten, mit ihren „Sekundärgeneratoren“, in Reihe geschaltet und mit offenen Eisenkernen; wer eine Lampe einschaltete, störte die übrigen.

Ein früher Budapester Transformator: Der Eisendraht umhüllt den Kupferring und schließt den magnetischen Kreis.

In den Ganz-Werken in Budapest erkannten Károly Zipernowsky, Miksa Déri und Ottó Bláthy, dass ein geschlossener Eisenkern und parallel geschaltete Transformatoren die Spannung stabil halten. Sie meldeten zwischen Januar und März 1885 Patente an, nannten das Gerät „Transformator“ und beleuchteten mit ihrem System im Mai die Landesausstellung in Budapest.

George Westinghouse kaufte die Rechte von Gaulard und Gibbs, und sein Ingenieur William Stanley baute Transformatoren mit geschlossenem Kern, die im März 1886 die Hauptstraße von Great Barrington in Massachusetts beleuchteten. Edisons Gleichstrom mit rund 110 Volt reichte nur wenige Straßen weit um jedes Kraftwerk, und seine Firmen warnten öffentlich vor den Gefahren des Wechselstroms. Westinghouse beleuchtete 1893 die Weltausstellung in Chicago mit Wechselstrom, und 1896 erreichte Strom von den Niagarafällen Buffalo.

Bis 1888 hatten Galileo Ferraris und Nikola Tesla mit phasenverschobenen Strömen ein Drehfeld für Motoren erzeugt; 1891 übertrug eine Drehstromleitung 300 PS über 175 km von Lauffen nach Frankfurt. Heutige Hauptleitungen arbeiten mit Hunderttausenden Volt.