Transformatoren
Unser Stromnetz im Hause ist mit einer Spannung von 230 Volt Wechselspannung bei Berührung lebensgefährlich. Allgemein werden Spannungen oberhalb von 50 Volt als lebensgefährlich betrachtet. In gewissen Situationen können sogar kleinere Spannungen gefährlich sein.
Klar ist deshalb, dass wir – als Modellbahner und Hobby-Bastler – keineswegs und absolut niemals mit solch hohen Spannungen operieren.
Das müssen wir auch nicht. Eine Wechselspannung lässt sich hervorragend transformieren. Ein solcher „Umwandler“ ist der Transformator oder kurz Trafo. Bei diesem ist eine Spule um einen Eisenkern gewickelt. Wird an dieser Spule eine Wechselspannung angeschlossen, entsteht ein wechselndes Magnetfeld im Eisenkern. In einer zweiten Spule, welche um denselben Kern gewickelt wird und keine elektrische Verbindung zur ersten Spule besitzt, wird durch das wechselnde Magnetfeld wiederum eine Spannung induziert. Die Spannung am Ausgang der zweiten Wicklung hängt vom Verhältnis der Anzahl Windungen der ersten zur zweiten Wicklung ab. Die Wicklung welche wir an eine Spannung anschliessen, also der Trafo-Eingang, wird Primärwicklung genannt. Der oder die Ausgangswicklungen werden Sekundärwicklungen genannt.
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Schaltzeichen des Trafos. Links die Primärwicklung, rechts die Sekundärwicklung. |
Beispiel:
Die erste Wicklung hat 1000 Windungen, die zweite deren 100. Das Verhältnis zwischen beiden Wicklungen beträgt also 10:1. Wird die erste Wicklung an 230 Volt angeschlossen, entsteht in der zweiten Wicklung rein rechnerisch (theoretisch) eine Spannung von 23 Volt.
Demgegenüber wird der elektrische Strom im selben Verhältnis vergrössert. Fliesst also am Ausgang ein Strom von 1 Ampere, so wird bei unserem Beispieltrafo ein Eingangsstrom von 100 Milliampere (mA) messbar sein. Diese Berechnungen stimmen in der Praxis freilich nicht ganz, denn auch ein Trafo hat einen Wirkungsgrad kleiner 100%. Trotzdem, ein guter Trafo hat ein erfreulich hoher Wirkungsgrad, weshalb sich auch dessen Erwärmung in Grenzen hält und unsere Rechnungen für den Hobbybereich genau genug sind.
Achtung: Dieser Umwandlungsvorgang funktioniert naturgemäss in beiden Richtungen. Das heisst konkret: wird am Trafo-Ausgang eine Wechselspannung einer anderen Quelle angeschlossen, entsteht am Trafo-Eingang – sprich: am Netzstecker! – wiederum eine hohe Spannung!
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Hier sehen Sie, was bei einer (unzulässigen!)
Parallelschaltung zweier Trafos passiert: Der Ausgang des ersten Trafos
speist den zweiten Trafo an dessen Ausgang ein. Dieser wiederum
transformiert die (ungefährliche) Sekundärspannung wieder auf volle
Netzspannung hoch! Am gezogenen Netzstecker des zweiten Trafos ist die volle Netzspannung von 230 Volt!!! |
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Und weil dieses Thema so wichtig ist, habe ich hier
das ganze nochmals bildlich dargestellt. NIEMALS dürfen zwei Trafos mit am Ausgang mit beiden Anschlüssen (gelb und braun) verbunden werden. Es werden NUR DIE BRAUNEN Anschlüsse miteinander verbunden. Braun ist dann die Masse der gesamten Anlage. |
Aus diesem Grund dürfen Trafos niemals Sekundärseitig parallel geschaltet werden! Es werden also nur die Masseanschlüsse aller Trafos miteinander verbunden (bei Märklin die braunen Anschlüsse), die gelben Anschlüsse dagegen NIE!
Phasengleichheit
Wenn mehrere Trafos im Einsatz sind, kann es vorkommen, dass die Sekundärspannung eines Trafos zu einem gegebenen Zeitpunkt negativ ist, während bei einem anderen Trafo zum selben Zeitpunkt die Halbwelle positiv ist. Dies ist dann der Fall, wenn die Netzstecker der Trafos umgekehrt zueinander eingesteckt sind. Leider sind die Stecker nicht gekennzeichnet, daher sieht man dies nicht.
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Hier sieht man deutlich wie sich die
Ausgangsspannungen zweier Trafos zueinander verhalten, wenn sie nicht
phasengleich angeschlossen sind. Zeitpunkt A ist der Nulldurchgang, dieser ist bei beiden Trafos identisch. Doch während bei ersten Trafo jetzt die positive Halbwelle folgt, kommt beim zweiten Trafo die negative Halbwelle. Die Spannungsdifferenz ist bei Zeitpunkt B am höchsten, nämlich doppelt so hoch wie die Spannung eines einzelnen Trafos (bei zwei identischen Trafos). |
Auswirkungen
Bei analog betriebenen Anlagen werden teilweise mehrere Trafos für mehrere Stromkreise verwendet. Die Übergänge werden durch Mittelleiterisolierungen getrennt. Fährt nun eine Lok über diese Trennstelle, wird bei korrekter Phasenlage der Trafos ein relativ bescheidener Ausgleichstrom fliessen. Ist hingegen die Phasenlage „umgekehrt“, also 180° verschoben, entsteht eine hohe Spannung zwischen den Stromkreisen. Diese Spannung, welche doppelt so hoch sein kann wie die Ausgangsspannung eines Trafos, wird nun mit dem Schleifer kurzgeschlossen. Die Folge: Es funkt und zischt unter dem Schleifer.Auch bei Digital von Bedeutung
Bei digital betriebenen Anlagen wird die Wechselspannung der Trafos zuerst gleichgerichtet um dann anschliessend von der Endstufe der Control Unit oder des Boosters als Digitalstrom an die Gleise zu gelangen. Trotzdem sollte auch hier auf Phasengleichheit geachtet werden. Bei einem Fehler kann dies die Rettung einer elektronischen Baugruppe bedeuten!Wie kann Phasengleichheit sichergestellt werden?
Wenn man dem Trafo nicht ansieht, wie der Stecker eingesteckt werden soll, wie kann dann Phasengleichheit hergestellt werden? Dies geht mit folgender Vorgehensweise relativ einfach: | Zuerst besorgt man sich eine Steckerleiste mit eingebautem Schalter. |
| Steckerleiste einstecken und Schalter ausschalten. |
| Der erste Trafo wird eingesteckt. Dieser ist unser „Referenz-Trafo“ |
| Der zweite wird auch Trafo eingesteckt. |
| Die beiden braunen Sekundär-Anschlüsse (Masse) der Trafos werden miteinander verbunden. |
| Jetzt wird eine normale, auf Funktion geprüfte Modellbahn-Glühlampe mit den beiden gelben Anschlüssen der Trafos verbunden. |
| Erst jetzt wird der Schalter der Steckerleiste eingeschaltet. |
| Wenn die Lampe leuchtet, muss der Netzstecker des zweiten Trafos gedreht werden. Wenn die Lampe nicht leuchtet, sind beide Trafos phasengleich. |
| Bei mehreren Trafos wird dieser Test mit jedem Trafo und unserem ersten Trafo wiederholt. |
WICHTIG: Immer erst die Steckerleiste ausschalten, bevor ein Trafo ein- oder ausgesteckt wird. Solange zwei Trafos sekundärseitig über die Glühlampe miteinander verbunden sind, darf bei keinem der Netzstecker gezogen werden! Glühlampe vor Inbetriebnahme der Anlage unbedingt entfernen.