Spartransformator
Der Spartransformator, die englische Bezeichnung ist autotransformer, hat eine Wicklung mit mindestens einer Anzapfung für den Sekundärausgang. Für unterschiedliche Sekundärspannungen können auch mehrere Anzapfungen vorgesehen sein. Die Primär- und Sekundärwicklung(en) sind elektrisch (galvanisch) miteinander verbunden und bilden eine Reihenschaltung. Der von beiden Stromkreisen gemeinsam genutzte Wicklungsteil wird auch Parallelwicklung genannt. Die vom Primär- oder Sekundärstromkreis genutzte Teilwicklung wird als Reihenwicklung bezeichnet.
Der Spartransformator hat keine galvanische Trennung zwischen dem Primär- und Sekundärkreis. Nach der VDE 0100 Bestimmung ist der Einsatz eines Spartrafos als Schutztransformator und zur Bereitstellung von Schutzkleinspannungen verboten.
Die Energieübertragung erfolgt sowohl durch eine direkte Stromleitung aus der am Primärkreis angeschlossenen Quelle in den Sekundärkreis als auch durch die magnetische Kopplung mithilfe des geschlossenen Eisenkerns. Im Vergleich zum Transformator mit eigenständigen Wicklungen fließt beim Spartrafo in einem Wicklungsteil ein geringerer Strom, sodass dort mit einem geringeren Drahtquerschnitt Leitermaterial gespart werden kann. Ebenso sind beim Kernmaterial Einsparungen möglich, da schon ein Teil der Sekundärleistung ohne Mitwirkung des Magnetfelds durch die direkte Stromleitung erfolgt. Mit einem Spartrafo kann sowohl abwärts als auch aufwärts oder in Kombination beider Verfahren transformiert werden.
Schaltbild
Die Anschlüsse der Primärwicklung werden normalerweise mit Großbuchstaben gekennzeichnet. Die Sekundäranschlüsse erhalten eine mit der Spannung aufsteigende Indizierung. Der gemeinsame Bezugspunkt, die Schaltungsmasse ist N. Im gezeigten Beispiel fließt bei Leerlauf ein geringer Primär- Magnetisierungsstrom Ip von L nach N und generiert die Sekundärspannung Us2. Im Leerlauf haben Primär- und Sekundärspannung die gleiche Phasenlage.
Eine angeschlossene Last schließt den Sekundärstromkreis und die Sekundärspannung treibt den Sekundärstrom Is von L2 nach N und in der Parallelwicklung zum Ausgangspunkt zurück. Gleichzeitig teilt sich der Primärstrom vom Anschluss L kommend am Stromknoten bei L2 auf. Ein Teil fließt durch die Sekundärlast nach N und ein geringerer Teil durch die Parallelwicklung nach N. Im gemeinsamen Wicklungsteil, der Parallelwicklung fließt folglich ein Differenzstrom ΔI von N in Richtung L2.
Wird die Knotenpunktregel der Ströme auf den markierten Sekundäranschluss angewendet, so fließt Ip in den Knoten hinein, Is aus dem Knoten heraus und der noch nicht bestimmte Strom I von N kommend in den Knoten hinein. Die Stromsumme im Knoten muss null sein, es gilt: Ip − Is + I = 0. In der Parallelwicklung fließt der Differenzstrom I = Is − Ip. Damit kann der Sekundärstrom bestimmt werden: Is = Ip + I. Wird der Sekundärstromkreis für sich alleine betrachtet, so fließt durch den Lastwiderstand ein größerer Laststrom und ein kleinerer Strom zurück in die Sekundärwicklung, der Quelle der Sekundärspannung. Im Lastfall ist die von der magnetischen Kopplung generierte Sekundärspannung folglich kleiner und der scheinbar fehlende Anteil wird vom direkten Strom aus dem Primärkreis am Lastwiderstand erzeugt.
Das Verhalten eines Spartrafos konnte im Laborbetrieb gemessen und mit einem Simulationsprogramm untersucht werden. Im Folgenden sind die Simulationsergebnisse der Spannungen und Ströme für den Leerlauf- und Belastungsfall mit sekundärer ohmscher Last angegeben. Es zeigt sich eine recht gute Übereinstimmung der Messwerte mit den Rechenwerten, die mithilfe der idealisierten Übertragungsverhältnisse erhalten werden.
Ein entsprechender Simulationsversuch wurde für die Aufwärtstransformation mit einem Spartrafo durchgeführt. Das folgende Bild zeigt die Messschaltung und die ermittelten Werte für Leerlauf und ohmscher Belastung. Auch hier stimmen die Messwerte recht gut mit den Ergebnissen überein, die sich mithilfe der idealisierten Übersetzungsverhältnisse berechnen lassen.
In beiden Fällen wird bei Belastung des Sekundärkreises die als Reihenwicklung bezeichnete Teilwicklung vom geringeren Strom durchflossen. In der dem Primär- und Sekundärkreis gemeinsamen Parallelwicklung fließt die Stromdifferenz aus dem Sekundär- und Magnetisierungsstrom. Bei einem Spartrafo mit einer Anzapfung kann für die Reihenwicklung ein geringerer Drahtquerschnitt gewählt werden. Die Einsparung an Kupfer kann durch das Verhältnis der niedrigeren Spannung zur höheren Spannung in Prozent errechnet werden. Für den im Simulationsversuch verwendeten Spartrafo wären es 33%.
Übersetzungsverhältnisse
Der Übertragungsfaktor ist das Verhältnis der Windungszahlen der Primär- zur Sekundärseite. Bei der Abwärtstransformation mit Up > Us ist die Windungszahl der Primärseite Np gleich der Gesamtwindungszahl. Die Windungszahl der Sekundärseite Ns wird von der gemeinsamen Teil- oder Parallelwicklung bestimmt. Bei der Aufwärtstransformation wird die Primärwindungszahl von der gemeinsamen Parallelwicklung und die Sekundärwindungszahl von der zugehörigen Gesamtwindungszahl bestimmt. Bleiben die Übertragungsverluste vernachlässigbar klein, dann ist die aufgenommene Primärenergie gleich der abgegebenen Sekundärenergie. Dieser Ansatz führt zu den bekannten Übertragungsverhältnissen der Spannungen und Ströme. Da das ohmsche Gesetz für DC und AC gilt, wirkt ein auf der einen Seite angeschlossene Widerstand mit seinem transformierten Wert auf der anderen Seite des Transformators. Das folgende Beispiel zeigt die Umrechnung der sekundären Last auf die Primärseite.
Anwendungsbeispiel
Ein Ausgangsübertrager einer Röhrenendstufe hat auf der Primärseite 5800 Windungen. Die Sekundärseite hat drei Anschlüsse für unterschiedliche Lautsprecherimpedanzen. Für 16 Ohm sind 370, für 8 Ohm sind 260 und für 4 Ohm 185 Windungen angegeben. Wird für jede Sekundärlast mit dem zugehörigen Quadrat des Übertragungsfaktors der primär wirksame transformierte Widerstand berechnet, ist das Ergebnis immer rund 3,9 kOhm. Die Primärwicklung stellt den Arbeitswiderstand der Röhrenendstufe dar. Damit bei nicht angeschlossenem Lautsprecher die Endstufe keinen Schaden nimmt, wird die Sekundärseite mit einem 20 bis 60 Mal größeren Vorlastwiderstandswert abgeschlossen. Im Betriebsfall bestimmt die dazu parallel liegende Lautsprecherimpedanz die Sekundärlast.
Bauleistung und Durchgangsleistung
Die Leistungsübertragung erfolgt beim Spartrafo sowohl durch den direkten Stromfluss aus der Primärquelle als auch durch die magnetische Kopplung. Die Bauleistung P(S)B wird dem Magnetfeld zugeordnet und bestimmt in Verbindung mit dem Kernmaterial die Baugröße des Trafos. Die Durchgangsleistung P(S)D ist die übertragene Gesamtleistung aus der direkten Stromleistung und der magnetisch übertragenen Komponente. Für eine bestimmte Durchgangsleistung kann unter Berücksichtigung der Primär- und Sekundärspannung die Bauleistung berechnet werden. Die idealisierten Formeln unterscheiden sich für die Abwärts- und Aufwärtstransformation. Das Verhältnis kann unabhängig von der Primär- und Sekundärspannung auch mithilfe der höheren Oberspannung und niedrigeren Unterspannung errechnet werden.
Die mögliche Einsparung an Kupfermaterial aufgrund des geringeren Drahtquerschnitts einer Teilwicklung kann aus dem Verhältnis der niedrigeren Spannung zur höheren Spannung berechnet werden und wird in Prozent angegeben.
Anwendungsbeispiel
Ein Adaptertrafo für eine 30 W Maximalleistung soll von 230 V auf 110 V abwärts transformieren. Das Kernmaterial eines Zweiwicklungstrafos muss für diese Leistung berechnet sein, sodass dieser Trafo recht groß und schwer ist. Als Spartrafo ausgelegt, errechnet sich die Bauleistung zu rund 16 Watt. Am Kernmaterial kann gespart werden, wodurch der Trafo wesentlich kleiner und leichter wird.
Variabler Stelltransformator
Der Abgriff des Sekundäranschlusses erfolgt mit einem Schleifkohlerad entlang der gesamten Spulenbahn. Die Sekundärspannung kann von 0 Volt bis zur maximalen primären Quellenspannung eingestellt werden. Befindet sich der Primäranschluss an einem Wicklungsabgriff, so sind auch Sekundärspannungen oberhalb der Quellenspannung möglich. Die Lackisolierung des Spulendrahts ist entlang der Lauffläche der Kohlebürste entfernt und die Windungsschläge sind ansonsten gegeneinander isoliert. Variable Stelltransformatoren, die es auch als Trenntransformatoren gibt, sind keine Spartransformatoren. Sie haben zwei galvanisch getrennte Wicklungen und der Abgriff der Kohlebürste erfolgt auf der separaten Sekundärwicklung. Der Vorteil der Materialeinsparungen ist für diese Transformatoren nicht gegeben. Materialeinsparungen nicht möglich.