Windungsverhältnis – Verfügbare Testarten
Eine Erläuterung des Windungsverhältnisses und verschiedener Methoden zum Erhalten optimaler Messungen
1, Einführung in das Windungsverhältnis
Transformatoren werden in einer Vielzahl elektrischer oder elektronischer Anwendungen eingesetzt und bieten Funktionen, die von der Isolierung und dem Erhöhen oder Verringern von Spannung und Strom bis hin zur Rauschunterdrückung, Signalmessung, Regelung und einer Vielzahl spezieller Funktionen für bestimmte Anwendungen reichen.
Um zu testen, ob ein Transformator seine Designspezifikationen erfüllt, sollten eine Reihe von Funktionen getestet werden. Einer der am häufigsten verwendeten Tests ist das Windungsverhältnis.
In diesem technischen Hinweis wird kurz auf die grundlegende Theorie des Windungsverhältnisses eingegangen und anschließend werden einige zusätzliche Aspekte vorgestellt, die beim Testen dieser kritischen Transformatorcharakteristik berücksichtigt werden sollten.
2, Grundlegende Theorie
Das Windungsverhältnis eines Transformators ist definiert als die Anzahl der Windungen auf seiner Sekundärwicklung geteilt durch die Anzahl der Windungen auf seiner Primärwicklung.
Das Spannungsverhältnis eines idealen Transformators steht in direktem Zusammenhang mit dem Windungsverhältnis: 
Das Stromverhältnis eines idealen Transformators verhält sich umgekehrt zum Windungsverhältnis: 
Wobei Vs = Sekundärspannung, Is = Sekundärstrom, Vp = Primärspannung, Ip = Primärstrom, Ns = Anzahl der Windungen in der Sekundärwicklung und Np = Anzahl der Windungen in der Primärwicklung.
Das Windungsverhältnis eines Transformators definiert daher den Transformator als Aufwärts- oder Abwärtstransformator.
Bei einem Aufwärtstransformator ist die Sekundärspannung größer als die Primärspannung, und ein Transformator, der die Spannung erhöht, verringert den Strom.
Bei einem Abwärtstransformator ist die Sekundärspannung niedriger als die Primärspannung, und ein Transformator, der die Spannung herabsetzt, erhöht den Strom.
Definitionen des Spannungs- und Strom-Windungsverhältnisses
3, Faktoren, die die Messung des Windungsverhältnisses beeinflussen
Mit einem theoretischen, „idealen“ Transformator könnte das Verhältnis der physischen Windungen einer beliebigen Wicklung einfach durch Messen der RMS-Ausgangsspannung an einer Wicklung ermittelt werden, während gleichzeitig eine bekannte RMS-Eingangsspannung mit einer geeigneten Frequenz an eine andere Wicklung angelegt wird.
Unter diesen Bedingungen wäre das Verhältnis der Eingangs- zur Ausgangsspannung gleich dem physikalischen Windungsverhältnis dieser Wicklungen.
Leider weisen „echte“ Transformatoren jedoch eine Reihe elektrischer Eigenschaften auf, die zu einem Spannungs- oder Stromverhältnis führen, das möglicherweise nicht dem physikalischen Windungsverhältnis entspricht.
Das folgende schematische Diagramm veranschaulicht die elektrischen Eigenschaften eines realen Transformators, wobei in der Mitte die ideale Transformatorkomponente sowie die elektrischen Komponenten dargestellt sind, die verschiedene zusätzliche Eigenschaften des Transformators darstellen. 
- L1, L2 und L3 stellen die primäre und sekundäre Streuinduktivität dar, die durch unvollständige magnetische Kopplung zwischen den Wicklungen verursacht wird.
- R1, R2 und R3 stellen den Widerstand (oder Kupferverlust) der Primär- und Sekundärwicklungen dar.
- C1, C2 und C3 stellen die Kapazität zwischen den Wicklungen dar.
- Lp stellt den Kernverlust der Magnetisierungsinduktivität dar.
- Rp stellt den Kernverlust dar, zu dem drei Bereiche beitragen: Wirbelstromverlust (steigt mit der Frequenz), Hystereseverlust (steigt mit der Flussdichte) und Restverlust (teilweise aufgrund von Resonanz).
4, Arten von Windungsverhältnistests
Betrachtet man den Bereich der im Transformatorschaltbild dargestellten Elemente und berücksichtigt auch die unterschiedlichen Anforderungen verschiedener Transformatoranwendungen, kann man erkennen, dass keine einzelne Messtechnik alle Fragen zum Windungsverhältnis vollständig erfüllen kann.
Aus diesem Grund bieten die Transformatortester der AT-Serie von Voltech fünf verschiedene Techniken zur Messung des Windungsverhältnisses, die je nach Bedarf individuell ausgewählt werden können.
Die grundlegenden Spezifikationen und der Spannungs-/Frequenzmessbereich finden Sie auf unserer AT5600-Spezifikationsseite
TR (Windungsverhältnis)
Dieser Test versorgt jede ausgewählte Wicklung mit einer bestimmten Spannung und misst die induzierte Spannung an jeder anderen Wicklung.
Die Ergebnisse werden dann als Verhältnis dargestellt (z. B. 2:1, 5:1 usw.). Voltech AT-Tester tun dies, indem sie eine Spannung durch die andere dividieren und dabei den Wicklungswiderstand kompensieren.
Auch die Phase wird gemessen: „in-phase“ (positive Polarität) und „anti-phase“ (negative Polarität).
Siehe Seite AT5600-Benutzerhandbuch
TRL (Windungsverhältnis nach Induktivität)
Bei diesem Test werden zwei ausgewählte Wicklungen separat mit Strom versorgt und der Induktivitätswert jeder Wicklung gemessen.
Die Ergebnisse werden dann als Windungsverhältnis (z. B. 2:1, 5:1 usw.) dargestellt, das aus der Quadratwurzel der Induktivitätswerte berechnet wird.
Phase ist auch: „in-phase“ (positive Polarität) und „anti-phase“ (negative Polarität).
Siehe Seite AT5600-Benutzerhandbuch
LVOC (Niederspannungs-Leerlauf)
Bei diesem Test wird eine Spannung an die Primärwicklung angelegt, die in der Sekundärwicklung induzierte Spannung gemessen und die Ergebnisse als Sekundärspannung (z. B. 2,545 V) dargestellt.
Die Phase wird ebenfalls gemessen: „in-phase“ (positive Polarität) und „anti-phase“ (negative Polarität).
Siehe Seite AT5600-Benutzerhandbuch
VOC (Spannung offener Stromkreis – nur AT5600 + AT3600)
Dieser Test verwendet das gleiche Prinzip wie LVOC, verwendet jedoch einen Hochleistungsgenerator, der eine Wicklung mit Spannungen von bis zu 270 V versorgen kann.
Der Test eignet sich zur Prüfung von Niederfrequenz-Leistungstransformatoren.
Die Phase wird ebenfalls gemessen: „in-phase“ (positive Polarität) und „anti-phase“ (negative Polarität).
Siehe Seite AT5600-Benutzerhandbuch
VOCX (Spannungsoffener Stromkreis mit externer Quelle – nur AT5600 + AT3600)
Dieser Test wird in Verbindung mit dem Voltech AC Interface Fixture verwendet.
Dadurch wird eine externe Wechselstromquelle oder ein Aufwärtstransformator gesteuert, um Transformatoren mit höherer Leistung und höherer Spannung bis zu 600 V und 10 A zu testen.
Auch die Phase wird gemessen: „in-phase“ (positive Polarität) und „anti-phase“ (negative Polarität).
Siehe Seite AT5600-Benutzerhandbuch
5, Auswahl des richtigen Windungsverhältnistests
Um zu bestimmen, welche Art von Windungsverhältnisprüfung für einen bestimmten Transformator am besten geeignet ist, sollten eine Reihe von Aspekten berücksichtigt werden.
Die folgende Tabelle zeigt jeden Test mit einer Beschreibung, den zugehörigen Spezifikationen und einer Zusammenfassung des Nutzens, den dieser Test bietet.
Prüfen | Beschreibung/Spezifikation | Nutzen oder Nutzen |
|---|---|---|
| TR | Verhältnis von Eingangs- zu Ausgangsspannung Messbereich: 1:30 bis 30:1 Spannungsbereich: 1 mV – 5 V Frequenzbereich: 20 Hz – 3 MHz Genauigkeit: 0,1 % | Zeigt das tatsächliche elektrische Verhältnis an, wie es im Betrieb bei der Bestromung einer Primärwicklung erwartet wird. Das mit diesem Test gemessene Verhältnis umfasst daher die Verluste, die normalerweise im Transformator auftreten, was zu einem Verhältnis führt, das größer ist als das der physischen Windungen, aber das vom Entwickler erwartete tatsächliche Spannungsverhältnis widerspiegelt. |
| TRL | Aus der Induktivität berechnetes Windungsverhältnis Messbereich: 1:30 bis 30:1 Spannungsbereich: 1 mV – 5 V Frequenzbereich: 20 Hz – 3 MHz Genauigkeit: 0,1 % | Reduziert die Auswirkung der Transformatorverluste auf das gemessene Windungsverhältnis und sorgt so für eine bessere Annäherung an das physikalische Windungsverhältnis. Dies ist besonders dann von Vorteil, wenn tatsächliche Windungen von Interesse sind, der Transformator jedoch einen großen Anteil an Streuinduktivität aufweist, die einen erheblichen Einfluss auf das Spannungsverhältnis haben kann. |
| LVOC | Ausgangsspannung gemessen mit Niederspannungseingang Messbereich: 100 μV bis 650 V (100 μV bis 5 V ATi) Spannungsbereich: 1 mV – 5 V Frequenzbereich: 20 Hz – 3 MHz Genauigkeit: 0,1 % | Ähnlich wie TR, zeigt jedoch die tatsächliche Ausgangsspannung und nicht das Spannungsverhältnis an. Dies vereinfacht die Eingabe von Prüfgrenzen, wenn die Transformatorspezifikation aus Voltmetermessungen abgeleitet wurde. |
| VOC | Ausgangsspannung gemessen mit externem Hochspannungseingang Messbereich: 100 μV bis 650 V Spannungsbereich: 5 V – 600 V Frequenzbereich: 20 Hz – 1 MHz Genauigkeit: 0,1 % | Bietet die Möglichkeit, Leistungstransformatoren zu testen, deren Kapazität über der VOC-Testkapazität liegt. Durch die Steuerung einer externen Stromquelle mit dem Voltech AC Interface Fixture ermöglicht der VOCX-Test eine vollautomatische Prüfung von Hochleistungstransformatoren bei ihrer angegebenen Arbeitsspannung. |
| VOCX | Ausgangsspannung gemessen mit externem Hochspannungseingang Messbereich: 100 μV bis 650 V | Bietet die Möglichkeit, Leistungstransformatoren zu testen, deren Kapazität über der VOC-Testkapazität liegt. Durch die Steuerung einer externen Stromquelle mit dem Voltech AC Interface Fixture ermöglicht der VOCX-Test eine vollautomatische Prüfung von Hochleistungstransformatoren bei ihrer angegebenen Arbeitsspannung |
6, Schlussfolgerung zum Testen des Windungsverhältnisses
Während das Windungsverhältnis eine wohlbekannte und sehr grundlegende Funktion in einem Transformator sein kann, ist es offensichtlich, dass das effektive Testen dieser Funktion die Berücksichtigung vieler Aspekte erfordert.
Durch die Bereitstellung einer flexiblen Auswahl an Windungsverhältnis-Testoptionen bietet der Voltech AT5600 Designern und Herstellern gleichermaßen die Möglichkeit, die am besten geeigneten Tests für jedes Transformatordesign auszuwählen und so die Qualität und Effizienz ihres Testprozesses zu optimieren.
Sollten Sie Fragen zu den anderen Testfunktionen haben, die für die Transformatortester der Voltech AT-Serie verfügbar sind, zögern Sie bitte nicht, uns zu kontaktieren.