Alles über Stelltransformatoren

Vom Ringkern- bis zum Drehtransformator

Sie möchten mehr über die Funktionsweise von Stelltransformatoren, auch Variacs genannt, wissen? Unser Ratgeber hilft Ihnen bei der Auswahl und erklärt die Unterschiede zwischen den verschiedenen Ausführungen!

Was sind Stelltransformatoren?

Stelltransformatoren können verschiedene Spannungen aus ein und derselben Eingangsspannung erzeugen. Die sogenannten Regeltrafos werden oft für bestimmte Anwendungen entwickelt. So gibt es Spartransformatoren (auch Autotransformatoren genannt), Trennstelltransformatoren und Drehstelltransformatoren, die bei Drehstrom eingesetzt werden. Sie werden in einer Vielzahl verschiedener Anwendungen eingesetzt und zählen zu den gebräuchlichsten Elektroteilen im Haushalt und in der Industrie

Stelltrafos sind konstruktionsbedingt nicht für hohe Spannung geeignet. Trotz allem ermöglichen sie die Durchführung technisch ausgefeilter Messungen und können die von einer Stromquelle aufgenommene Spannung sehr gut regulieren. In der Regel handelt es sich bei Stelltrafos um sogenannte Ringkern-Stelltrafos. Der Kern, um den die Spule gewickelt wird, ist dabei zu einem Ring geschlossen. Das ermöglicht eine kleinere Bauform und reduziert den Innenwiderstand. Deshalb werden Ringkerntrafos oftmals über einen Drehregler gesteuert: So können sie als Dimmschalter und in anderen Anwendungen eingesetzt werden, die eine präzise Spannungssteuerung erfordern.

Außerdem gibt es neben den einphasigen oder Einphasen-Transformatoren, die nur eine der drei Drehstromphasen verwenden, auch Drehstromtransformatoren. Sie verändern bei der Transformation jedoch nur die Spannung, die Phase wird nicht verschoben. Für Hochspannung werden in der Regel drei getrennte einphasige Trafos verwendet.

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Bauarten und Ausführungen

Neben den eingangs erwähnten Ringkern-Stelltrafos, die besonders häufig vorzufinden sind, gibt es auch andere Varianten und Begrifflichkeiten, die wir Ihnen näher erläutern möchten:

Spartrafos verfügen lediglich über eine einzige Spule. Damit sind sie besonders kompakt. Allerdings findet so keinerlei galvanische Trennung zwischen der Quellspannung und dem Verbraucher statt. Das bedeutet, dass sie für bestimmte Anwendungen nicht besonders gut geeignet sind; insbesondere, wenn es gilt, ein Gerät oder eine Person durch die Isolierung einer Hochspannung zu schützen. Für solche Anwendungen eignen sich Trennstelltransformatoren besser, bei denen zwei getrennte Spulen verbaut werden. Eine andere Möglichkeit ist es, einen Spar- und einen Trenntrafo miteinander zu kombinieren.

Der Name Variac ist eine Handelsmarke und befindet sich derzeit im Besitz des Unternehmens Instrument Service Equipment. Zuvor befand sie sich im Besitz von General Radio. Das ursprüngliche Design wurde verwendet, um eine gleichmäßige, meist niedrige Wechselspannung im Eingang je nach Bedarf zu variieren. Heutzutage wird der Begriff umgangssprachlich auch für andere Stelltrafos ähnlicher Bauart verwendet.

Wofür werden Stelltransformatoren verwendet?

Regeltrafos bieten ausgesprochen viele verschiedene Anwendungsmöglichkeiten. Überall dort, wo die Spannung, die ein Verbraucher erhält, spontan und unmittelbar geändert werden soll, kommt sehr wahrscheinlich ein Stelltransformator zum Einsatz.

Sie können verwendet werden, um die Drehzahl von Elektromotoren zu erhöhen bzw. zu senken, Leuchten heller oder dunkler zu machen, oder um bestimmte Bedingungen zu simulieren, sodass verschiedene Prüfverfahren durchgeführt werden können.

Aufgrund ihrer Drehregler können Stelltrafos die jeweilige Spannung sehr sanft und gleichmäßig verändern. Dies ist ein wesentlicher Unterschied zu digital angesteuerten Geräten, deren Ausgangswerte nur in bestimmten Intervallen geändert werden können.

Bei Prüfverfahren sind Regeltrafos aufgrund ihrer Fähigkeit, die Spannung in einem Steuerkreis in derart feinem Maße zu ändern, besonders wertvoll. Somit können bei derartigen Verfahren die Spannungen auf extrem niedrige Niveaus abgesenkt bzw. auf Niveaus angehoben werden, auf die das geprüfte Gerät nicht ausgelegt ist.

Stelltrafos werden nicht als isolierende Geräte genutzt. Vielmehr werden sie in zahlreichen Geräten eingesetzt, bei denen die galvanische Trennung weniger bedeutsam ist als die Steuerung der Ausgangsspannung.

Physikalische Prinzipien

Bei einem Stelltransformator ist die Ausgangspannung stufenlos einstellbar. Das erreicht man durch einen beweglichen Graphitstift oder eine Kohlebürste, die den Stromkreis schließt. Je nachdem, wie viele Windungen der Spule der Kontakt „anzapft“, wird eine höhere oder niedrigere Spannung ausgegeben.

Ein Spartransformator verfügt lediglich über eine Spule mit mehreren Anzapfungen entlang der Spule. Die Ladung für den Trafo ist an einem Ende an die Ladung und die Quelle der Spannung gekoppelt. Der Verbraucher ist mit einer der Anzapfungen an der Sekundärseite des Transformators verbunden, sodass die an den Verbraucher übertragenen Volt variiert werden können.

Die Anzahl der Windungen bestimmt, wie hoch die Ausgangsspannung ist, die der Verbraucher erhält. Aufgrund der diversen Anzapfungen entlang der Spule wird eine unterschiedliche Anzahl an Windungen verwendet, wodurch der Wert spielend leicht variiert werden kann.

Zwischen Transformatoren mit zwei Spulen und einspuligen Spartransformatoren gibt es einen erheblichen Unterschied. Bei der zweispuligen Ausführung ist der Verbraucher galvanisch von der Eingangsspannung getrennt. Bei einem Spartransformator hingegen besteht die Möglichkeit, dass die eingeleitete Spannung bei einem Ausfall des Geräts vollständig an den Verbraucher weitergeleitet wird. Dies kann gefährliche Auswirkungen auf das gesamte Equipment zur Folge haben.

Wie ist ein Stelltransformator aufgebaut?

Die einzelnen Teile innerhalb eines Stelltransformators sind ausgesprochen simpel. Die wichtigsten Bestandteile sind die Windungsspulen und eine Kohlebürste. Der Drehregler an dem Gerät selbst bietet dem Nutzer die Möglichkeit, vor der Spannung innerhalb des Geräts geschützt die tatsächliche Kontaktfläche der Bürste mit der Spule anzupassen.

Darüber hinaus beinhaltet er bestimmte sicherheitsrelevante Bauteile. So werden zum Beispiel isolierende Materialien eingesetzt, um den Bediener vor dem elektrischen Strom zu schützen; Anschlüsse werden bereitgestellt, damit der elektrische Strom sicher zu dem jeweiligen Ausgang fließen kann, und so weiter. Die wichtigsten Bestandteile jedoch sind die Spule und die Bürste, die bei einem zweispuligen Transformator Teil der zweiten Spule ist.

Funktionsweise von Stelltrafos

Sobald der Bediener den Drehregler betätigt, wird die tatsächliche Kontaktfläche zwischen Kohlebürste und Spule geändert. Wenn ein größerer Teil der Kohlebürste die Spule berührt, steigt die Ausgangsspannung entsprechend an.

Die Besonderheit ist, dass die Ausgangsspannung ausgesprochen gleichmäßig von Null auf ein Niveau angehoben werden kann, das oftmals sogar über der Eingangsspannung liegt. Das macht sie besonders wertvoll für Prüfgeräte und ähnliche Anlagen, bei denen die Spannung auf gleichmäßige und effektive Art geändert werden soll. Es gibt Geräte für sämtliche Spannungsbereiche, sodass er auch für Prüfungen in Laboren und Industrieanwendungen geeignet ist. Hierin liegt auch der Unterschied zu einem Autotransformator, bei dem nur bestimmte Spannungswerte erzielt werden können.

Was sind Stelltransformator-Kohlebürsten und wofür werden sie verwendet?

Die Kohlebürsten sind ein zentrales Element von Stelltransformatoren. Die hoch-ohmigen Komponenten haben Kontakt mit den Windungen und ermöglichen die Veränderung der Ausgangsspannung. Eine Stelltransformator-Kohlebürste kann über den Drehregler so eingestellt werden, dass sie mehr oder weniger Windungen der Spulen abzapft. Diese bestimmte Konstruktion ist am häufigsten in Geräten mit geringer Spannung im Einsatz, und ist Teil des handelsrechtlich geschützten Designs des Variacs. Sie können mühelos ausgebaut, überprüft und gewechselt werden.

Obwohl das Funktionsprinzip von Stelltransformatoren recht komplex ist, ist der Grundaufbau dennoch recht einfach. Die wichtigsten Bauteile sind die Bürsten, die Spule und das Gehäuse. Der Betrieb ist praktisch gesehen also sehr simpel.

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Wie wird ein Stelltrafo bedient?

Über den Stellknopf an einem Stelltransformator kann die Ausgangsspannung von Hand eingestellt werden. Diese Regler sind aus isolierendem Material gefertigt und bieten so eine Sicherheitsbarriere zwischen dem Bediener und der Spannung.

Stellknöpfe sind in vielen verschiedenen Designs erhältlich. Manche von ihnen sind sehr groß und erlauben eine sehr sensible Einstellung der Spannung. Andere wiederum sind auf Kompaktheit ausgelegt: Vor allem in Fällen, in denen der Transformator Teil eines kleinen, fest installierten Systems sein soll, wie zum Beispiel einem Dimmschalter.

Einige Transformator-Stellknöpfe sind mit Laststufen ausgestattet, sodass Sie die Ausgangsspannung besser im Auge behalten können. Gemessen werden kann diese auch mit einem Voltmeter.

Einige Stelltransformatoren sind mit einem kleinen Motor ausgestattet, sodass sie über einen Schalter ferngesteuert werden können. Ebenso gibt es Ausführungen, die von Mikroprozessoren gesteuert werden, sodass bestimmte Abfolgen von Spannungsänderungen an einem Verbraucher durchgeführt werden können. Transformatoren mit einer solchen Steuerung werden oftmals für Prüfzwecke und gelegentlich auch im Bereich der Automation eingesetzt. Aufgrund der zahlreichen Anwendungsmöglichkeiten sind zahlreiche Variationen der Steuerelemente erhältlich.

Parameter von Stelltransformatoren

Regeltrafos werden mit den folgenden Informationen bezüglich ihrer individuellen Merkmale ausgezeichnet.

Primär-Nennspannung

Dies ist die Spannung, die in den Variac eingeführt wird, damit dieser die gewünschten Ausgangsspannungen erzeugen kann. Für gewöhnlich ist das eine feste Größe. In den meisten Fällen wird die Primär-Nennspannung zuerst aufgelistet und wird oft als Eingangsspannung bezeichnet. Häufig verwendete Nennspannungen von Variacs stimmen mit den allgemeinen Netzspannungen überein, darunter 120 V AC, 240 V AC und 480 V AC.

Sekundär-Nennspannung

Die Sekundär-Nennspannung ist variabel. In bestimmten Fällen ist die Ausgangsspannung wesentlich höher als die Quellspannung. Manche Modelle können sogar das Doppelte der Eingangsspannung ausgeben und bieten somit unerschöpfliche Flexibilität bei Prüfverfahren und ähnlichen Aufgaben. Dies wird oftmals als Spannungsbereich bezeichnet.

Nennleistung

Die Nennleistung beschreibt das Höchstmaß an Leistung, mit dem ein Variac betrieben werden kann, ohne das jeweilige Gerät oder den Nutzer selbst in Gefahr zu bringen. In den meisten Fällen liegt ein gewisser Sicherheitspuffer zwischen der angegebenen Nennleistung und dem tatsächlichen Höchstmaß an Leistung, die das Gerät ohne katastrophalem Absturz und dem Aufkommen von Gefahren verarbeiten kann.

Knopf-Drehrichtung

Die Knopf-Drehrichtung kann die Ausgangsspannung sowohl erhöhen als auch verringern. In den meisten Fällen wird die Spannung mit einer Drehung im Uhrzeigersinn erhöht, während sie mit einer Drehung gegen den Uhrzeigersinn gesenkt wird. Das ist nicht immer, aber immer öfter, der Fall.

Anzahl der Phasen

Eine Phase ist ein Merkmal von Wechselstrom, das bei der Entwicklung eines Transformators berücksichtigt werden muss. Die Phase des Ausgangsstroms stimmt mit der Phase der Stromquelle überein, auf die er ausgelegt ist. Das standardmäßige Hausnetz zum Beispiel ist dreiphasig. Variacs sind allgemein mit einer oder drei Phasen erhältlich.

Betriebsfrequenz

Die Betriebsfrequenz bezeichnet die Drehstromfrequenz, mit der der Trafo arbeiten kann. Alle Stelltrafos in unserem Sortiment sind für die deutsche Netzfrequenz von 50 Hz geeignet.

Wie viele Ausgänge kann ein Stelltrafo haben?

Üblicherweise verfügen Stelltrafos über einen einzigen Ausgang. Einige Geräte sind auf höhere oder niedrigere Spannungen ausgelegt. In unserem Sortiment finden Sie aber auch Geräte mit 3 unterschiedlichen Ausgängen. Für einige Anwendungen sind individualisierte Geräte die beste Lösung.