Ratgeber
Transformatoren oder kurz Trafos wurden vor rund 130 Jahren entwickelt. Im Bereich der Elektrotechnik sind sie aber nach wie vor unverzichtbar. Eine besondere Rolle kommt dabei den Trenntransformatoren zu – sie dienen dem Schutz vor potenziell gefährlichen elektrischen Schlägen und halten Überspannungen an nachgeschalteten Lasten fern.
In unserem Ratgeber erfahren Sie, wie die Schutztrennung funktioniert und worauf bei der Beschaffung zu achten ist.
Transformatoren finden sich in nahezu jedem Stromversorgungssystem. Ihre Aufgabe ist üblicherweise die Transformation elektrischer Spannungen. Dabei kann es sich sowohl um das Erhöhen niedriger Spannungen als auch um das Herabsetzen hoher Spannungen handeln. Transformatoren nutzen dazu die elektromagnetische Induktion: Eine Primärspule überträgt Energie auf eine Sekundärspule. Beide Wicklungen befinden sich dabei auf einem gemeinsamen Eisenkern. So ist es möglich, Strom mit unterschiedlichen Spannungen von einem Stromkreis auf einen anderen zu übertragen.
Trenntransformatoren dienen dagegen in erster Linie weder zum Erhöhen noch zum Herabsetzen einer Spannung, sie unterteilen vielmehr einen Stromkreis in einen Primär- und eine Sekundärbereich. Dabei existiert keinerlei elektrische Verbindung zwischen den Wicklungen, die Spulen sind galvanisch voneinander getrennt. Diese Schutztrennung bedeutet: Energie oder Informationen lassen sich – wie bei einem normalen Transformator – zwischen den beiden Wicklungen austauschen, beispielsweise durch Kapazität, Induktion oder elektromagnetische Wellen. Allerdings liegen die Massen der Wicklungen auf unterschiedlichen Potenzialen. Während die Masse oder der Schutzleiter der Primärwicklung zum Beispiel mit einem geerdeten Gehäuse verbunden ist, besitzt der Sekundäranschluss grundsätzlich keine Erdverbindung.
Abbildung: Transformator mit zwei getrennten Wicklungen
Abbildung: Trenntrafo dreiphasig, mit drei Eingängen und drei Ausgängen
Transformatoren mit getrennten Wicklungen und damit einer galvanischer Entkopplung des Netzstroms dienen in erster Linie der Sicherheit. Selbst beim Berühren eines Leiters aus der Sekundärwicklung kann der Strom nicht durch den Körper zur Erde abfließen, es gibt also keinen elektrischen Schlag. Zu erkennen ist diese Schutzart meist an zwei getrennten und extra isolierten Wicklungskammern. Bei sogenannten Sicherheitstransformatoren ist die Isolationswirkung besonders hoch, sie werden deshalb auch als Schutztransformatoren bezeichnet.
Für besondere Einsatzzwecke gibt es Trenntransformatoren mit anderen als der klassischen 1:1-Spannungsübersetzung. Während die Primärseite mit dem in Europa üblichen 230-Volt-Wechselstrom gespeist wird, stehen an der Sekundärseite beispielsweise zwei Ausgänge zu je 115 Volt zur Verfügung, die sich allerdings auch in Reihe schalten lassen und damit den ursprüngliche Spannung weitergeben. Erhältlich sind außerdem Trenntrafos mit Ausgangsspannungen von 24 oder 42 Volt.
Gerade im gewerblichen Bereich ist der übliche einphasige Wechselstrom von der Leistung her oft nicht ausreichend. Hier wird in der Regel der dreiphasige 400-Volt-Drehstrom verwendet. Ein dreiphasiger Trenntransformator besitzt dann auch drei voneinander getrennte und isolierte Primär- und Sekundärwicklungen. Verbessern lässt sich die Stromqualität und damit der Schutz angeschlossener Geräte häufig noch durch spezielle Abschirmung der Wicklungen aus Kupfer- oder Aluminiumfolien. Sind die Abschirmungen mit der Erde verbunden, fließt der Strom im Falle einer Beschädigung der Isolierung zur Erde und sorgt so für noch mehr Sicherheit.
Trenntransformatoren finden sich in einer Vielzahl von elektronischen Systemen. Hier dienen sie überwiegend der Sicherheit von Menschen und dem Schutz von Maschinen. In der Elektronikprüfung und -wartung zum Beispiel ist ein Trenntransformator üblicherweise ein 1:1-Leistungstransformator. Ohne diesen Transformator würde ein freiliegendes, spannungsführendes Metall in einem zu prüfenden Gerät unter gefährlicher Spannung im Verhältnis zu geerdeten Objekten stehen. Da beim Transformator keine leitende Verbindung zwischen Sekundär- und Primärseite besteht, fließt nur ein geringer Leckstrom, wenn das freiliegende stromführende Metall mit der Erde in Verbindung kommt.
Die galvanische Trennung spielt bei medizinischen Geräten eine besonders wichtige Rolle, die sich auch in entsprechenden Normen wiederfindet. Häufig muss das System zusätzlich so ausgelegt sein, dass Fehlerzustände nicht zu einer Unterbrechung der Stromversorgung führen, sondern eine Warnung auslösen.
Trenntransformatoren werden auch für die Stromversorgung von Geräten verwendet, die nicht auf Erdpotential liegen. Ein Beispiel dafür ist der Transformator für die Stromversorgung von Hinderniswarnleuchten an Funkantennenmasten. Ohne den Trenntransformator würden die Beleuchtungsschaltungen am Mast Hochfrequenzenergie über die Stromversorgung zur Erde leiten.
Die Spannungen für die Primär- und die Sekundärseite sind naturgemäß die wichtigsten Kriterien. Als Eingangsspannungen stehen in erster Linie die üblichen Wechsel- und Drehstromwerte von 230 beziehungsweise 400 Volt zur Verfügung. Es gibt außerdem noch Trenntransformatoren für 218, 241 und 380 Volt.
Sekundärseitig bieten die weitaus meisten Trafos Ausgangsspannungen für potenzialfreie 115, 230 oder 400 Volt. Die Ausgangsströme liegen je nach Typ und Bauform zwischen 110 Milliampere und 280,60 Ampere, die entsprechenden Leistungen rangieren von 25 Voltampere bis zu 200 Kilovoltampere. Bei den Ein- und Ausgängen lässt sich in der Regel zwischen einem und drei wählen, für den Anschluss stehen sowohl Flachstecker als auch Schraubklemmen zur Verfügung.
Ein wichtiger Aspekt betrifft die Installation von Trenntrafos: Sie sollte zumindest bei den leistungsstarken Typen nur durch Fachpersonal übernommen werden! Da es sich immer um den Anschluss von Netzspannungen handelt, setzen aber auch kleinere Trafos sowohl elektrotechnisches Wissen als auch Verantwortungsbewusstsein voraus.
Was ist unter einem Steuertransformator zu verstehen?
Ein Steuertransformator ist im Wesentlichen ein Trenntransformator, der eine sehr genaue Spannungsregelung bietet. Er ist häufig so konstruiert, dass er eine hohe sekundäre Spannungsstabilität während kurzzeitiger Überlastungen durch Einschaltströme erzeugt.
Diese Transformatorform wurde für industrielle Anwendungen entwickelt, bei denen elektromagnetische Geräte wie Relais und Magnetspulen im Einsatz sind. Sie maximiert die Einschaltfähigkeit und die Ausgangsspannungsregelung, wenn elektromagnetische Geräte zum ersten Mal eingeschaltet werden.
Warum wird die Leistung eines Trenntransformators in Voltampere und nicht in Watt angegeben?
Die Wirkleistung – gemessen in Watt – ist der Teil des Leistungsflusses, der zum Energieverbrauch führt. Die verbrauchte Energie steht im Zusammenhang mit dem Widerstand in einem Stromkreis. Ein Beispiel für einen Energieverbraucher ist der Glühfaden in einer Glühlampe.
Mit Voltampere (VA) wird dagegen die Blindleistung beziehungsweise die Scheinleistung angegeben, also der Anteil des Leistungsflusses, der auf gespeicherte Energie zurückzuführen ist. Gespeicherte Energie hängt mit dem Vorhandensein von Induktivität – beispielsweise einem Trenntrafo – oder Kapazität in einem Stromkreis zusammen.
Das Ausrechnen ist recht einfach: Bei einphasigem Strom wird die Amperezahl mit der Spannung multipliziert, zum Beispiel 10 Ampere mal 230 Volt gleich 2300 VA. Für dreiphasigen Strom muss das Ergebnis noch mit 1,732 multipliziert werden, also 10 Ampere mal 230 Volt mal 1,732 gleich 3983,60 VA.