Was ist ein Trenntransformator und warum ist es bei Elektronikreparaturen so wichtig, einen Trenntrafo einzusetzen? Darum geht es in diesem Beitrag.
Dass elektrischer Strom lebensgefährlich ist, brauche ich wohl kaum zu erwähnen. Schon ein unbedachter Griff an ein spannungsführendes Bauteil oder eine Lötstelle kann sehr gefährlich werden. Ein Trenntransformator ändert daran natürlich nichts. Doch er kann die Gefahr durch elektrischen Strom etwas reduzieren.
Aber wie funktioniert das genau?
Soviel vorab: Ein Trenntransformator oder Trenntrafo arbeitet wie jeder andere Transformator auch. Wenn Sie mehr über den Transformator erfahren wollen, lesen Sie auch den verlinkten Beitrag über den Transformator auf dieser Webseite.
Eine Wechselspannung wird in eine andere (oder auch mehrere) Wechselspannung umgewandelt. Das macht auch ein Trenntrafo. Er kann natürlich auch aus einer Wechselspannung (etwa die Netzspannung in Höhe von 230 Volt) eine in gleicher Höhe wandeln.
Aber wozu soll das gut sein?
Hier kommt ein Begriff ins Spiel, der in der Elektrotechnik und Elektronik eine bedeutende Rolle spielt:
Es ist die sogenannte galvanische Trennung.
Um zu verstehen, welchen Zweck ein Trenntransformator erfüllt, sollte die galvanische Trennung und deren Bedeutung bekannt sein. Deshalb folgt hier zunächst eine einfache Erklärung dazu.
Was der Trenntransformator mit galvanischer Trennung zu tun hat
Transformatoren setzen (Wechsel-) Spannungen um, schützen vor elektrischen Gefahren und stellen eine zuverlässige Stromversorgung sicher. Ein besonderer Transformator ist der Trenntransformator, auch bekannt als Trenntrafo.
Seine Aufgabe geht über die reine Spannungsanpassung hinaus – er schützt Mensch und Gerät durch eine physikalische Trennung zwischen den Stromkreisen.
Diese bezeichnet man auch als galvanische Trennung. Der Trenntrafo stellt sie her zwischen der Primär- und der Sekundärseite des Transformators. Diese Trennung bedeutet, dass zwischen den beiden Stromkreisen keine direkte elektrische Verbindung besteht.
Stattdessen wird die elektrische Energie durch Induktion übertragen:
Eine Primärspule erzeugt ein Magnetfeld, das in der Sekundärspule eine weitere Spannung induziert. Bestimmt kennen Sie den Begriff Induktion vom Induktionsherd, der ebenfalls Energie mithilfe von Magnetfeldern überträgt.
Ein typischer Trenntransformator hat ein Übersetzungsverhältnis von 1:1 – die Eingangsspannung entspricht also der Ausgangsspannung.
Dieser Aufbau bietet eine entscheidende Sicherheitsfunktion: Der Stromkreis der Sekundärseite ist potentialfrei, also nicht mit dem Erdpotential verbunden. Dadurch wird das Risiko von Stromschlägen erheblich reduziert, wenn eine Person mit einem stromführenden Leiter in Berührung kommt.
Die Aufhebung der Erdung
Zunächst zum Begriff Erdung ein paar Erläuterungen:
Die Netzspannung aus der Steckdose ist geerdet. Das bedeutet, dass der Neutralleiter und der Schutzleiter mit der Erde verbunden sind.
Was heißt das genau?
Da der Mensch in der Regel Kontakt mit dem Boden, also der Erde hat, genügt bereits die Berührung eines Netzspannung führenden Bauteils oder Anschlusses. Dann kann schon ein lebensgefährlicher Strom durch den Körper fließen.
Das ist gerade bei Reparaturen an elektrischen Geräten gefährlich, die mit Netzstrom betrieben werden und wenn Messungen während des Betriebs notwendig sind. Die folgende Skizze soll das verdeutlichen.
Ein Trenntransformator ist bei Arbeiten an elektrischen Geräten sinnvoll, weil er die galvanische Verbindung zwischen dem Stromnetz und dem angeschlossenen Gerät unterbricht. Dadurch hebt er die Nachteile der Erdung auf, indem die Verbindung zwischen den spannungsführenden Teilen und der Erde getrennt wird.
Das bedeutet:
Es entsteht kein geschlossener Stromkreis über den Körper zur Erde, selbst wenn eine Person mit einer Hand ein spannungsführendes Bauteil berührt.
Das gilt aber nur, solange die Person nicht gleichzeitig mit einem spannungsführenden Teil und dem Gegenpol gleichzeitig in Berührung kommt.
Bei einer galvanischen Trennung sind der Netzeingang und der Netzausgang elektrisch isoliert. Es existieren keine Bauelemente, die eine direkte leitende Verbindung zwischen der primären und der sekundären Seite des Netzteils ermöglichen. Diese Technik findet Anwendung in Geräten wie Fernsehern, Radios und Computern.
Misst man mit einem Voltmeter die Spannung zwischen dem Hausnetz (230 Volt, roter Pfeil) und einem Erdpotential (etwa einem Heizkörper oder Wasserhahn), würde das Gerät etwa 230 Volt anzeigen.
Als Erdpotential können genauso gut Gehäuse von geerdeten Geräten dienen. Selbst ein gewöhnlicher Fußboden kann je nach Bodenbelag bereits ein Erdpotential darstellen.
Ist jedoch ein Trenntransformator mit galvanischer Trennung zwischengeschaltet, lässt sich an den genannten Punkten keine Spannung messen, wodurch die Gefahr eines elektrischen Schlags sich deutlich reduzieren lässt.
Aber:
Auch mit einem Trenntrafo besteht bei Arbeiten an Geräten mit gefährlichen Spannungen immer noch ein gewisses Risiko. Würde man zum Beispiel mit beiden Anschlüssen eines Trenntrafos gleichzeitig in Berührung kommen, wird es nach wie vor sehr gefährlich. Auch hier besteht dann Lebensgefahr.
Abgrenzung zu anderen Transformator-Typen
Trenntransformatoren unterscheiden sich also von anderen Transformatorarten wie Spartransformatoren oder Netzteiltransformatoren. Letztere sind meist für die Spannungsanpassung vorgesehen.
Hier ist ein typisches Beispiel:
Das kann der Netzteiltrafo sein, der eine 230-Volt-Netzspannung auf 12 Volt reduziert, etwa zum Laden einer Batterie oder zum Betrieb eines 12-Volt-Verbrauchers.
Dagegen dient der Trenntrafo in erster Linie dem Personen- und Geräteschutz.
Hier sind noch weitere Unterschiede zwischen dem Trenntrafo und anderen Transformatoren:
- Spartransformatoren verfügen über keine galvanische Trennung, da Primär- und Sekundärwicklung elektrisch verbunden sind. Sie sind unter anderem für die Spannungseinstellung da. Einfache Regeltransformatoren sind oft Spartransformatoren (siehe nächste Abbildung).
- Leistungstransformatoren sind auf maximale Energieübertragung ausgelegt und werden oft in Hochspannungsnetzen verwendet. Sicherheitsaspekte wie die galvanische Trennung stehen hier ebenfalls nicht im Vordergrund.
- Übertrager dienen der Impedanzanpassung. Sie sind in Röhrenverstärkern eingesetzt, können aber auch in anderen elektronischen Schaltungen zur Impedanzanpassung verwendet werden.
- Wandlertransformatoren für Schaltnetzteile dienen ebenfalls zur Leistungsübertragung und Spannungsanpassung, arbeiten aber mit wesentlich höheren Frequenzen als solche für Trafonetzteile beziehungsweise lineare Netzteile. Sie sind bei gleicher Leistung wesentlich kompakter aufgebaut und arbeiten energieeffizienter.
Der Trenntransformator hingegen ist speziell für Anwendungen konzipiert, bei denen Sicherheit und Isolation im Vordergrund stehen, zum Beispiel in Werkstätten, der Medizintechnik oder bei der Arbeit mit empfindlichen Geräten.
Mehr zur galvanischen Trennung und zum Aufbau eines Trenntrafos
Die galvanische Trennung ist das zentrale Merkmal eines Trenntransformators. Sie schützt nicht nur vor elektrischen Gefahren, sondern verhindert auch Störungen wie Erdschleifen, die in sensiblen elektronischen Geräten zu Brummen oder Signalverfälschungen führen können. Darüber hinaus sorgt sie dafür, dass elektrische Störungen von einem Stromkreis nicht auf den anderen übertragen werden.
Aufbau eines Trenntransformators
Ein Trenntransformator besteht aus nur wenigen Bauteilen. Hier sind sie:
- Die Primärwicklung ist die Eingangswicklung, die mit dem Stromnetz verbunden ist. Sie erzeugt ein wechselndes Magnetfeld, sobald Wechselstrom durchfließt.
- Die Sekundärwicklung ist die Ausgangswicklung, die durch das Magnetfeld der Primärwicklung eine Spannung induziert. Diese ist vollständig von der Primärseite getrennt.
- Der Eisenkern ist ein magnetischer Kern aus Schichten von Eisenblech, der das Magnetfeld leitet und auf die Sekundärwicklung überträgt.
- Zwischen den Wicklungen sorgt eine verstärkte oder doppelte Isolierung für die notwendige galvanische Trennung. Primär- und Sekundärseite haben also keine Verbindung zueinander.
- Oft sind die Komponenten in einem stabilen Gehäuse untergebracht, das zusätzlich vor mechanischen Einflüssen schützt.
In einigen modernen Ausführungen können weitere Bauteile wie Abschirmungen gegen elektromagnetische Störungen oder Temperaturüberwachungssensoren integriert sein. Auch Abgriffe für verschiedene Ausgangsspannungen und Messinstrumente für die Spannungs- und Strommessung sind keine Seltenheit.
Unterschiede zwischen Einphasen- und Dreiphasentransformatoren
Ein Trenntransformator kann als Einphasen- oder Dreiphasentransformator ausgeführt sein. Beide Varianten haben ihre spezifischen Einsatzbereiche:
Einphasen-Trenntransformatoren verwendet man aus Sicherheitsgründen in haushaltsnahen Anwendungen oder in Elektronik-Werkstätten.
Sie sind meist für die Standard-Netzspannung von 230 Volt ausgelegt. Sie besitzen einen einfachen Aufbau mit einer Primär- und einer Sekundärwicklung.
Dreiphasen-Trenntransformatoren werden hauptsächlich verwendet in industriellen Anwendungen, die dreiphasigen Drehstrom benötigen. Sie bestehen aus drei getrennten Primär- und Sekundärwicklungen und sind für typische Netzspannungen von 400 Volt konzipiert. Sie bieten mehr Leistung und eignen sich für größere Maschinen oder Systeme.
Varianten mit unterschiedlichen Eingangs- und Ausgangsspannungen
Neben den Standardausführungen gibt es Trenntransformatoren mit individuellen Spannungskombinationen, die spezifische Anforderungen erfüllen:
1:1-Transformatoren übertragen die gleiche Spannung von der Primär- zur Sekundärseite (z. B. 230 Volt zu 230 Volt). Man setzt sie zur Netztrennung (galvanische Trennung) ein. Das kann bei Geräten sein, die standardmäßig keine Netztrennung aufweisen.
Dann gibt es Transformatoren, die für Arbeiten an Geräten mit unterschiedlichen Betriebsspannungen verwendet werden. So lassen sich etwa Geräte für das 110- oder 120-Volt-Stromnetz auch hierzulande betreiben.
Außerdem gibt es noch die Niederspannungsvarianten: Transformatoren mit Ausgangsspannungen von 12 oder 24 Volt, ideal für Anwendungen mit minimalem Risiko, wie LED-Beleuchtung oder Kleingeräte.
Die Hochleistungsmodelle sind für Geräte mit hoher Ausgangsleistung vorgesehen, zum Beispiel für spezielle Industrieanforderungen, die mehrere Kilovoltampere (kVA) erreichen können.
Der Trenntransformator sorgt für Sicherheit in Werkstätten und Laboren
In Werkstätten und Laboratorien sind Trenntransformatoren unverzichtbare Sicherheitselemente, um die Arbeit mit elektrischen Geräten sicherer zu machen.
Sie bieten bei korrekter Verwendung Schutz vor Stromschlägen. Durch die galvanische Trennung wird verhindert, dass Strom über den Körper zur Erde fließt, wenn nur ein Leiter der Sekundärseite berührt wird.
Auch für Arbeiten an Netzgeräten sind sie wichtig. Elektroniker und Techniker nutzen Trenntransformatoren häufig bei der Reparatur von Geräten, die direkt an das Stromnetz angeschlossen sind. Hier wird eine von der Netzspannung getrennte Spannung bereitgestellt, um etwas sicherer mit offenen Stromkreisen auf der Eingangsseite von Netzteilen oder bei ausschließlich auf Netzpotenzial betriebenen Geräten arbeiten zu können.
Anwendung in der Medizintechnik
In der Medizintechnik ist der Einsatz von Trenntransformatoren besonders wichtig, da hier der Schutz von Patienten und Personal oberste Priorität hat.
Medizinische Geräte wie Überwachungsmonitore oder Diagnosegeräte müssen so konzipiert sein, dass Fehlerströme keine Gefährdung darstellen. Trenntransformatoren verhindern, dass Ströme über den Patienten oder das medizinische Personal zur Erde fließen können.
Außerdem geht es um die Einhaltung von Normen. Die Trenntransformatoren erfüllen die hohen Sicherheitsanforderungen und Normen, die für medizinische Anwendungen gelten, wie die Isolationsanforderungen in der IEC 60601.
Trenntransformator: Sicherheitsaspekte, typische Fehler und Risiken
Trotz der vielen Vorteile gibt es auch Grenzen, die beim Einsatz eines Trenntransformators beachtet werden sollten. Hier sind ein paar Beispiele.
- Beim Berühren beider Leiter der Sekundärseite nützt der beste Trenntransformator nichts. Der Schutz vor Stromschlägen gilt nur, solange eine Person nicht beide Leiter der Sekundärseite gleichzeitig berührt, wie bereits mehrfach erwähnt. In diesem Fall fließt der volle Strom durch den Körper, was ebenso gefährlich ist wie bei einem normalen Stromkreis.
- Außerdem schützen Trenntransformatoren nicht vor Spannungen, die ihre Isolationsgrenzen überschreiten. Beispielsweise kann eine Überschlagspannung die Isolation durchbrechen und einen Stromfluss ermöglichen.
- Auch die Gefahr einer unabsichtlichen Erdung ist nicht zu unterschätzen. Wenn die Sekundärseite durch Geräte wie Oszilloskope oder andere Messgeräte mit dem Erdpotential verbunden wird, ist der Schutz weg. Es entsteht ein geschlossener Stromkreis, der wieder gefährlich sein kann (siehe nächste Abbildung).
- Dann wäre da noch die fehlende Isolierung der angeschlossenen Geräte. Werden an der Sekundärseite mehrere Geräte angeschlossen, deren Gehäuse nicht potentialgleich sind, können gefährliche Spannungspotenziale entstehen, die beim Berühren der Gehäuse zu Stromschlägen führen.
- Falsche Anschlüsse oder eine ungeeignete Verwendung, zum Beispiel bei zu hoher Belastung, können zu Überhitzung oder Bränden führen. Trenntransformatoren sollten daher nur von geschultem Personal verwendet werden.
Auswahlkriterien für Trenntransformatoren
Die Auswahl des richtigen Trenntransformators hängt von den technischen Anforderungen und dem geplanten Einsatzbereich ab. Eine sorgfältige Einhaltung der Spezifikationen und eine durchdachte Installation gewährleisten, dass der Trenntrafo sicher und effektiv eingesetzt werden kann. Hier sind die wichtigsten Kriterien, die Sie beachten sollten.
- Die Eingangs- und Ausgangsspannung des Trenntransformators muss mit der Netzspannung und der Betriebsspannung der angeschlossenen Geräte übereinstimmen.
- Gängige Standardwerte sind 230 Volt für Einphasenstrom und 400 Volt für Dreiphasenstrom. Für spezielle Anwendungen können auch Transformatoren mit Ausgangsspannungen von 12, 24 oder 42 Volt erforderlich sein.
- Die Leistung eines Trenntransformators wird in Voltampere (VA) angegeben. Sie muss höher sein als die Gesamtleistung der angeschlossenen Geräte. Übliche Werte reichen von wenigen 100 VA bis zu mehreren kVA (Kilovoltampere).
Bei der Auswahl ist es sinnvoll, einen Sicherheitspuffer einzuplanen, um Überlastungen zu vermeiden.
Spezielle Bauformen sind Trenntransformatoren mit Abschirmungen für empfindliche Geräte oder solche mit variabler Ausgangsspannung (Steuertransformatoren).
Unterschied zwischen Scheinleistung und Wirkleistung (VA vs. Watt)
Die Scheinleistung gibt die gesamte elektrische Leistung an, die der Transformator übertragen kann, unabhängig davon, wie viel davon tatsächlich in nutzbare Energie (Wirkleistung) umgewandelt wird.
Sie wird berechnet als Produkt von Spannung und Strom:
VA = Spannung in Volt × Strom in Ampere
Die Wirkleistung beschreibt die tatsächlich genutzte Leistung, die der angeschlossene Verbraucher benötigt.
Sie ist immer kleiner als die Scheinleistung.
Warum VA statt Watt beim Trenntransformator?
Trenntransformatoren werden in VA angegeben, weil sie nicht nur Wirkleistung (Watt), sondern auch Blindleistung übertragen, die durch Induktivitäten und Kapazitäten im Stromkreis entsteht. Dies ist besonders wichtig bei Geräten mit hohem Blindleistungsanteil, wie Motoren oder Transformatoren.
Wie Sie erfahren haben, ist der Trenntransformator auch wichtig in der Werkstatt oder bei Elektronik-Reparaturen.
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