Spartransformator

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Ein Spartransformator (kurz Spartrafo) ist ein Transformator mit nur einer Wicklung, welche eine oder mehrere Anzapfungen enthält. Damit kann eine Eingangsspannung herunter oder herauftransformiert werden. Der Vorteil eines Spartrafos ist das deutlich geringere Gewicht und Volumen im Gegensatz zu einem normalen Trafo mit zwei Wicklungen. Der Nachteil ist das Fehlen einer galvanischen Trennung.

Wirkungsprinzip

Schaltbild eines Spartrafos

Das Grundprinzip des Spartrafos besteht darin, dass nicht die gesamte Ausgangsleistung über den Trafo übertragen wird. Vielmehr besteht die Ausgangsspannung aus einer Reihenschaltung der Eingangsspannung und der "oberen" Teilwicklung, hier T1 genannt. Die Teilwicklung T2 wirkt zusammen mit T1 als Primärwicklung für T1, da ja beide in Reihe an der Eingangsspannung liegen. Gerade bei Übersetzungsverhältnissen nahe 1 ist die Einsparung an Eisen und Kupferdraht sehr groß, denn es muss immer nur die Spannungsdifferenz zwischen Ein- und Ausgang bei dem gewünschten Ausgangsstrom transformiert werden. Dabei ist es egal, ob die Spannung erhöht oder erniedrigt wird. Zur Veranschaulichung betrachtet man einen normalen Transformator mit zwei getrennten Wicklungen. Zur Vereinfachung wird bei den Betrachtungen der Magnetisierungsstrom vernachlässigt.

Ersatzschaltung zur Spannungserhöhung

Spartrafo zur Spannungserhöhung

Als Beispiel soll ein Spartrafo von 220V auf 240V bei 1A dienen. Die Differenz von 20V bei 1A muss transformiert werden, d.h. 20VA. Als Ausgangsleistung stehen jedoch 240VA zur Verfügung. Mit Hilfe eines normalen Trafos mit 220V Eingangsspannung und 20V Ausgangsspannung kann der gewünschte Spartrafo geschaltet werden. Dabei wird die Sekundärwicklung einfach phasenrichtig in Reihe zur Eingangsspannung geschaltet, die Spannungen addieren sich zu 240V. Die Sekundärwicklung muss für den Ausgangsstrom ausgelegt sein, in diesem Beispiel 1A, was mit ca. 0,3mm^2 Drahtquerschnitt erreicht wird. Die Primärwicklung am Eingang muss nur für den transformierten Strom ausgelegt sein, hier 20V/220V * 1A = 90mA, also Faktor 11 geringerer Querschnitt.

Ersatzschaltung zur Spannungsverringerung

Spartrafo zur Spannungsverringerung

Man kann die Sekundärwicklung auch verpolen, dabei werden 20V von der Eingangsspannung subtrahiert! Die Ausgangsspannung beträgt nun 200V bei 1A. Das scheint auf den ersten Blick merkwürdig, aber durch die Verpolung sind Strom und Spannung in T1 negativ, bezogen auf die Eingangsspannung.

Praktische Umsetzung als Spartrafo

Wie man sieht sind Primär- und Sekundärwicklung immer direkt verbunden. Im ersten Fall erscheint es klar, dass man die beiden Wicklungen hintereinander auf den Kern wickeln kann, T1 mit dickem Draht, T2 mit dünnem Draht. So wird es bei einem echten Spartrafo auch praktisch gemacht.

Der zweite Fall ist nicht ganz so einfach ersichtlich. Hier würde man bei einem echten Spartrafo die ersten Windungen von T2 weglassen und an deren Stelle T1 wickeln. Dadurch spart man zusätzlich ein wenig Kupfer. Das ist möglich, weil das obere Teilstück von T2, welches genausoviele Windungen wie T1 hat, exakt auf dem gleichen Potential liegt, es handelt sich dabei um einen induktiven Spannungsteiler. Zusätzlich reduzieren sich die Querschnitte, man kann sich das so vorstellen das Gesamtstrom zum Verbraucher sowohl aus der der oberen Teilwicklung als auch aus der untern Teilwicklung zufließt. Bei kleinen Spannungsübersetzungsverhältnissen ist der Effekt gering, ist aber bei industrieller Massenfertigung durchaus ökonomisch relevant. Analog der Grafik unterhalb des Abschnitts Formeln erreicht dieser Effekt sein Maximum bei Ausgangsspannung = 0.5 x Eingangsspannung.

Formeln

\ddot U=\frac{U_A}{U_E}

P_{BAU}=(1-\ddot U) \cdot P_A \,\,\,\,\,: \ddot U<=1

P_{BAU}=(1-\frac{1}{\ddot U}) \cdot P_A \,\,\,\,\,: \ddot U>=1

  • \!\, U_A: Eingangsspannung
  • \!\, U_E: Ausgangsspannung
  • \!\, P_{BAU}: Bauleistung des Spartrafos
  • \!\, P_A: Ausgangsleistung des Spartrafos

Die Bauleistung wird bei \!\, U_A=U_E Null bzw. erreicht bei sehr großen oder kleinen Verhältnissen von Ü den Wert eines normalen Trafos mit zwei getrennten Wicklungen (Trenntrafo). Meistens werden Spartrafos nur für Übersetzungsverhältnisse im Bereich von 0,5 bis 2 eingesetzt.

Spartrafo effizienz.png


Siehe auch

Links