Übersetzungsverhältnis des Transformators

Lehrpläne: GCSE, Sek I/II

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Ziel

Finden Sie heraus, wie die Spannung an der Sekundärwicklung eines Transformators von den Windungszahlen der Wicklungen abhängt.

Aufbau

Eine Wechselspannungsquelle mit 6 V, 50 Hz (Sinus) ist an die Primärwicklung des Transformators angeschlossen (500 Windungen, linkes Buchsenpaar). Die Sekundärwicklung (250 Windungen, rechtes Paar) ist an nichts angeschlossen. Über dem Transformator befinden sich Voltmeter im AC-Modus: das linke an der Primärwicklung, das rechte an der Sekundärwicklung. Die Windungszahl ist auf den Spulen aufgedruckt; die obere Buchse jedes Paares ist der Wicklungsanfang.

Durchführung

1. Notieren Sie die Anzeigen beider Voltmeter und die Windungszahlen beider Spulen.
2. Berechnen Sie das Spannungsverhältnis \(U_2 / U_1\) und das Windungszahlverhältnis \(N_2 / N_1\).
3. Stellen Sie in der Parameterkarte des Transformators die Sekundärwindungen auf 1000 ein. Notieren Sie die Anzeigen und vergleichen Sie die Verhältnisse erneut.
4. Stellen Sie die Sekundärwindungen auf 500 ein, dann die Primärwindungen auf 250, dann auf 1000. Wie ändert sich \(U_2\)?

Erwartetes Ergebnis

Voltmeter im AC-Modus zeigen den Effektivwert: Bei einer Amplitude von 6 V werden an der Primärwicklung 4,24 V angezeigt. Mit 250 Windungen auf der Sekundärwicklung erhalten Sie 2,08 V, mit 1000 Windungen etwa 8,3 V: Je nach Verhältnis der Windungszahlen transformiert der Transformator die Spannung herunter oder hoch. Mit 500 Windungen auf der Sekundär- und 250 auf der Primärwicklung sind es ebenfalls etwa 8,3 V, mit 1000 auf der Primärwicklung etwa 2,1 V: Entscheidend ist das Verhältnis der Windungszahlen, nicht die Windungszahlen selbst. Das Spannungsverhältnis ist ungefähr gleich dem Windungszahlverhältnis, \(U_2 / U_1 \approx N_2 / N_1\). Es ist um 2 % kleiner, weil ein Teil des magnetischen Flusses der Primärwicklung nicht durch die Sekundärwicklung geht.

Fragen

1. Wie viele Windungen braucht die Sekundärwicklung, um aus 4,24 V eine Spannung von 12 V zu erhalten?
2. Wie groß ist das Windungszahlverhältnis in Schritt 3? Wird die Spannung hoch- oder heruntertransformiert?
3. Warum liefert die Sekundärwicklung eine Spannung, obwohl sie mit der Primärwicklung durch keinen einzigen Draht verbunden ist?

Antworten

1. \(N_2 = N_1 \cdot U_2 / U_1\) = 500 · 12 / 4,24 ≈ 1415 Windungen. Der Transformator im Aufbau liefert 2 % weniger als das Windungszahlverhältnis, daher sind im Aufbau etwa 1415 / 0,98 ≈ 1440 Windungen nötig.
2. \(N_2 / N_1\) = 1000 / 500 = 2. Die Sekundärwicklung hat mehr Windungen als die Primärwicklung, daher transformiert der Transformator hoch: Die Spannung steigt von 4,24 V auf etwa 8,3 V.
3. Der Wechselstrom in der Primärwicklung erzeugt einen magnetischen Wechselfluss, und der Eisenkern führt diesen Fluss durch die Sekundärwicklung. Ein sich ändernder magnetischer Fluss induziert in jeder Windung der Sekundärwicklung eine Spannung (elektromagnetische Induktion), daher gelangt die Energie ohne jeden elektrischen Kontakt über das Magnetfeld in die Sekundärwicklung.