Spartransformator

Bei einem normalen Transformator – nennen wir ihn zur Abgrenzung Volltransformator – sitzen zwei getrennte Wicklungen auf dem Eisenkern. Primär- und Sekundärseite haben keinen elektrischen Kontakt. Die Energie wandert ausschließlich über das gemeinsame Magnetfeld im Kern. Das nennt man galvanische Trennung: Strom kann nicht direkt von der einen Seite auf die andere fließen.

Der Spartransformator macht es anders. Er hat nur eine einzige durchgehende Wicklung, an die irgendwo zwischen Anfang und Ende ein Abgriff gelegt wird – die Anzapfung. Ein Teil der Wicklung wird damit von Eingangs- und Ausgangsseite gemeinsam genutzt. Eingang und Ausgang sind dadurch elektrisch direkt verbunden.

Ein Bild hilft beim Verständnis: Statt zwei getrennte Treppen nebeneinander zu bauen, gibt es beim Spartrafo nur eine einzige durchgehende Treppe. Wer ganz hinauf will, nutzt alle Stufen – das ist die Eingangsseite. Wer nur ein Stück braucht, steigt auf halber Höhe aus – das ist die Ausgangsseite mit der Anzapfung. Der untere Teil der Treppe wird von beiden gemeinsam genutzt, statt ihn doppelt vorzuhalten.

Man unterscheidet zwei Abschnitte der Wicklung. Der Teil, den beide Seiten nutzen, ist die gemeinsame Wicklung (auch Parallelwicklung). Der Teil, der nur auf einer Seite liegt und in Reihe dazugeschaltet ist, heißt Reihenwicklung oder Längswicklung. Je nachdem, ob die Spannung herauf- oder heruntergesetzt wird, liegt die Anzapfung höher oder tiefer.

Die englische Bezeichnung „autotransformer“ trifft den Kern gut: „auto“ steht hier für „selbst“ – der Transformator nutzt einen Teil seiner Wicklung doppelt, statt zwei separate vorzuhalten.

Schauen wir genauer hin, was passiert, wenn ein Spartrafo unter Last steht. Wir nehmen den häufigen Fall an: Die Spannung wird heruntergesetzt, der Eingang liegt an der ganzen Wicklung, der Ausgang an der Anzapfung.

Die Spannung verteilt sich entlang der Wicklung nach dem Verhältnis der Windungszahlen – wie beim Volltrafo auch. Liegt die Eingangsspannung an N1 Windungen und greift man die Ausgangsspannung an N2 Windungen ab, gilt:

Die ausführliche Herleitung der Übersetzung gehört zum Einphasentransformator und wird dort behandelt. Für den Spartrafo ist die zweite Größe spannender: die Stromaufteilung.

Der entscheidende Point ist die Anzapfung. Sie ist ein elektrischer Knoten. Auf der einen Seite fließt der Eingangsstrom I1 zu, an der Anzapfung zweigt der Ausgangsstrom I2 ab, und durch die gemeinsame Wicklung fließt nur die Differenz. Das ist nichts anderes als die Knotenregel: Was hineinfließt, muss auch wieder heraus.

Beim Heruntersetzen der Spannung ist I2 größer als I1 – die Ausgangsseite hat die niedrigere Spannung und damit den höheren Strom. Durch die gemeinsame Wicklung fließt also nur die Differenz, nicht der volle Ausgangsstrom. Genau deshalb kann diese Wicklung dünner ausgeführt werden, und genau hier kommt die Materialersparnis her.

Wichtig ist auch der Wicklungssinn: Reihen- und gemeinsame Wicklung müssen so gewickelt sein, dass sich ihre Spannungen am Ausgang richtig addieren bzw. subtrahieren. Dreht man eine Wicklung falsch herum, stimmt die Ausgangsspannung nicht.

Jetzt zum Kern, der den Spartrafo wirklich auszeichnet. Wir müssen zwei Leistungen auseinanderhalten, die beim Volltrafo identisch sind, beim Spartrafo aber nicht.

Die Durchgangsleistung ist die Leistung, die der Verbraucher tatsächlich bekommt – also das, was am Ausgang ankommt. Sie ergibt sich aus Ausgangsspannung mal Ausgangsstrom.

Die Bauleistung (auch Typenleistung) ist dagegen die Leistung, für die der Trafo tatsächlich gebaut werden muss – also wie groß Eisenkern und Wicklungen ausgelegt sein müssen. Und hier liegt der Trick: Beim Spartrafo wird nur ein Teil der Durchgangsleistung magnetisch über den Kern übertragen. Der Rest wird über die direkte elektrische Verbindung einfach „durchgereicht“, ohne dass dafür Kern und Wicklung dimensioniert werden müssen.

Die Bauleistung hängt vom Übersetzungsverhältnis ab:

Liegen U1 und U2 nah beieinander, wird der Klammerausdruck klein – die Bauleistung ist dann nur ein Bruchteil der Durchgangsleistung. Ein Beispiel macht das greifbar: Setzt der Spartrafo 230 V auf 207 V herunter, ist U2/U1 = 0,9. Die Bauleistung beträgt dann nur (1 − 0,9) = 0,1, also 10 % der Durchgangsleistung. Der Trafo muss baulich also nur ein Zehntel so groß sein wie ein Volltrafo für dieselbe Last.

Das ist der ganze Reiz des Spartrafos. Weniger Eisen, weniger Kupfer, weniger Gewicht, weniger Verluste – und das alles, je kleiner die Spannungsdifferenz ist.

Umgekehrt gilt aber: Je größer die Übersetzung, desto kleiner der Vorteil. Bei U2/U1 = 0,5 (Halbierung der Spannung) ist die Bauleistung schon die Hälfte der Durchgangsleistung. Bei sehr großen Übersetzungen verschwindet der Vorteil ganz, und man nimmt besser einen Volltrafo – der bietet dann zusätzlich noch die galvanische Trennung.

Fassen wir zusammen, wo der Spartrafo glänzt und wo seine Grenzen liegen.

Die Vorteile sind eine direkte Folge der kleinen Bauleistung: weniger Eisen und Kupfer, geringeres Gewicht, kleinere Bauform, niedrigere Kupfer- und Eisenverluste und damit ein etwas besserer Wirkungsgrad – und schließlich geringere Kosten. All das gilt aber nur bei kleinen Übersetzungsverhältnissen, also wenn Ein- und Ausgangsspannung nicht weit auseinanderliegen.

Dem steht ein gravierender Nachteil gegenüber: die fehlende galvanische Trennung. Eingang und Ausgang sind direkt verbunden. Das hat zwei Konsequenzen. Erstens kann sich ein Potential von der Netzseite ungehindert auf die Verbraucherseite durchschlagen – ein Berührungsschutz, der auf Trennung beruht, fällt weg. Zweitens, und noch kritischer: Bricht die gemeinsame Wicklung (etwa durch Unterbrechung), liegt unter Umständen die volle Eingangsspannung am Ausgang an, obwohl dort eine niedrigere erwartet wird.

Daraus folgt eine harte Regel für die Praxis in Österreich, die man sich merken muss: Ein Spartransformator darf nicht für Schutzmaßnahmen eingesetzt werden, die auf galvanischer Trennung beruhen. Konkret heißt das, er ist für die Schutzmaßnahme Schutztrennung unzulässig und darf nicht als Sicherheitstransformator zur Erzeugung von Schutzkleinspannung (SELV/PELV) verwendet werden. Wer einen Spartrafo mit einem Trenntrafo verwechselt, gefährdet Personen. Wo eine echte Trennung gefordert ist, führt kein Weg am Volltransformator bzw. Trenntransformator vorbei – dieser hat einen eigenen Beitrag.