Hackaday-Wörterbuch: Transformatoren

Komische Sache, Elektrizität. Es geht um Volt und Ampere und darum, diese beiden Faktoren zu kontrollieren. In den meisten Fällen hat der Strom, der in Ihr Gerät fließt, eine höhere Spannung als Sie benötigen, sodass Sie ihn in eine brauchbarere Spannung umwandeln müssen. Am einfachsten geht das mit einem Transformator.

Der Transformator in Ihrem Netzteil entnimmt dem Stromnetz eine hohe Spannung und wandelt sie in eine niedrigere Spannung um, um Ihre Geräte mit Strom zu versorgen. Sie finden eines in allen Netzteilen, von der Miniatur-USB-Version, die Ihr Mobiltelefon mit Strom versorgt, bis hin zu den großen Netzteilen, die an einem Telefonmast hängen und den Strom Ihres Zuhauses versorgen. Obwohl diese Transformatoren unterschiedlich groß sind, haben sie im Grunde den gleichen Aufbau.

Der Grundtransformator besteht aus zwei Drahtspulen, die um einen Metallkern gewickelt sind. An eine dieser Spulen (sogenannte Primärspule) wird ein Wechselstrom angelegt, der im Metallkern ein Magnetfeld erzeugt. Dieses Magnetfeld erzeugt wiederum einen Strom in der zweiten Spule, der sogenannten Sekundärspule. Das Verhältnis dieser beiden Ströme ist entscheidend und wird durch das Verhältnis der Länge jeder Spule definiert, normalerweise definiert als die Anzahl der Windungen, die jede Spule macht. Wenn die beiden Spulen die gleiche Windungszahl haben, ist der Strom, der in die Primärspule fließt und aus der Sekundärspule fließt, nahezu identisch. Hat die Sekundärspule doppelt so viele Windungen, verdoppelt sich die Spannung nahezu. Wenn die Sekundärspule halb so viele Windungen hat, halbiert sich die Spannung fast. Dies hilft, die von Transformatoren verwendete Benennung zu erklären: Step-Up und Step-Down. Der Step-Up-Typ erzeugt eine höhere Spannung (wie die in dieser Jacobs-Leiter verwendete), während der Step-Down-Typ die Spannung reduziert.

Damit ein Transformator funktioniert, muss Wechselstrom (AC) verwendet werden. Wechselstrom erzeugt ein sich änderndes Magnetfeld (Fluss genannt), das einen Strom in der Sekundärspule induziert. Wenn kein sich änderndes Magnetfeld vorhanden ist, wird kein Strom induziert. Wenn Sie einen Gleichstromausgang benötigen, beginnt die Sequenz in einem Netzteil mit einem Transformator, der den Wechselstrom aus der Steckdose auf ein niedrigeres Niveau herunterregelt. Anschließend wird dieser Wechselstrom mit niedrigerer Spannung in Gleichstrom umgewandelt, der vom Netzteil ausgegeben wird .

Es gibt viele Faktoren, die die Funktionsweise von Transformatoren beeinflussen. Dazu gehört, woraus der Kern besteht: Das Metall beeinflusst, wie das Magnetfeld fließt. Ein Teil der Energie im Magnetfeld geht zwangsläufig auch verloren, bevor der Strom in der Sekundärspule entsteht, was als Wirbelstromverlust bezeichnet wird.

All dies wirkt sich auf die Leistung des Transformators aus, weshalb die meisten Transformatoren speziell für den jeweiligen Zweck entwickelt werden. Das Design von Transformatoren ist eine komplizierte Kunst, bei der viele Faktoren berücksichtigt werden müssen. Ein guter Anfang ist ein Designleitfaden wie dieser von Wurth, einem Hersteller von Transformatorkomponenten und -bausätzen.

Es gibt auch verschiedene Arten von Transformatoren, einschließlich Sperrtransformatoren, die in Hochspannungskonstruktionen verwendet werden, wie Kathodenstrahlröhren (CRT), Ringkerntransformatoren, die das Magnetfeld enthalten, Spartransformatoren, die unterschiedliche Eingangsspannungen verarbeiten können und dennoch eine feste Ausgangsspannung erzeugen. Luftkerntransformatoren, die keinen Metallkern haben und kleiner sind, und Pizeotransformatoren, die ein pizeoelektrisches Element zur Erfassung physikalischer Kräfte verwenden.

Sie benötigen jedoch keinen Bausatz, um mit Transformatoren zu experimentieren. Ein Transformator kann so einfach sein wie ein paar Drahtstücke, die um ein paar Stahlstücke gewickelt sind, oder zwei Drahtstücke, die um einen Metallring gewickelt sind, sodass Sie leicht selbst experimentieren können.