Windungszahl - Verfügbare Testarten
Eine Erklärung des Windungsverhältnisses und verschiedene Methoden zur Erzielung optimaler Messungen
1. Einführung in das Windungszahlverhältnis
Transformatoren werden in zahlreichen elektrischen und elektronischen Anwendungen eingesetzt und erfüllen verschiedene Funktionen, von der Isolierung und Erhöhung bzw. Verminderung von Spannung und Stromstärke bis hin zur Rauschunterdrückung, Signalmessung und Regelung sowie einer Vielzahl anwendungsspezifischer Funktionen.
Um zu testen, ob ein Transformator seine Konstruktionsspezifikationen erfüllt, müssen verschiedene Funktionen getestet werden. Einer der am häufigsten verwendeten Tests ist das Windungszahlverhältnis.
In diesem technischen Hinweis wird kurz auf die grundlegende Theorie des Windungszahlverhältnisses eingegangen und anschließend werden einige zusätzliche Aspekte vorgestellt, die beim Testen dieser kritischen Transformatoreigenschaft berücksichtigt werden sollten.
2, Grundlegende Theorie
Das Windungszahlverhältnis eines Transformators wird definiert als die Anzahl der Windungen auf seiner Sekundärseite geteilt durch die Anzahl der Windungen auf seiner Primärseite.
Das Spannungsverhältnis eines idealen Transformators hängt direkt vom Windungszahlverhältnis ab: 
Das Stromverhältnis eines idealen Transformators ist umgekehrt proportional zum Windungszahlverhältnis: 
Dabei gilt: Vs = Sekundärspannung, Is = Sekundärstrom, Vp = Primärspannung, Ip = Primärstrom, Ns = Windungszahl der Sekundärwicklung und Np = Windungszahl der Primärwicklung.
Das Windungszahlverhältnis eines Transformators definiert daher, ob es sich um einen Aufwärts- oder Abwärtstransformator handelt.
Bei einem Aufwärtstransformator ist die Sekundärspannung größer als die Primärspannung. Ein Transformator, der die Spannung erhöht, verringert den Strom.
Bei einem Abwärtstransformator ist die Sekundärspannung niedriger als die Primärspannung. Ein Transformator, der die Spannung heruntertransformiert, erhöht den Strom.
Definitionen der Windungszahl von Spannung und Strom
3. Faktoren, die sich auf die Messung des Windungszahlverhältnisses auswirken
Bei einem theoretischen, „idealen“ Transformator könnte das Verhältnis der physikalischen Windungen einer beliebigen Wicklung einfach dadurch ermittelt werden, dass man die Effektivwert-Ausgangsspannung einer Wicklung misst und gleichzeitig an eine andere Wicklung eine bekannte Effektivwert-Eingangsspannung geeigneter Frequenz anlegt.
Unter diesen Bedingungen wäre das Verhältnis der Eingangs- zu den Ausgangsspannungen gleich dem physikalischen Windungszahlverhältnis dieser Wicklungen.
Leider weisen „echte“ Transformatoren jedoch eine Reihe elektrischer Eigenschaften auf, die zu einem Spannungs- oder Stromverhältnis führen, das möglicherweise nicht dem physikalischen Windungszahlverhältnis entspricht.
Das folgende schematische Diagramm veranschaulicht die elektrischen Eigenschaften eines realen Transformators. In der Mitte ist die ideale Transformatorkomponente dargestellt, außerdem die elektrischen Komponenten, 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 Wicklungskapazität 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 Windungszahl-Tests
Betrachtet man die Palette der im Transformatorschema dargestellten Elemente und berücksichtigt man außerdem die unterschiedlichen Anforderungen verschiedener Transformatoranwendungen, wird deutlich, dass keine einzelne Messtechnik alle Fragen zum Windungszahlverhältnis vollständig beantworten kann.
Aus diesem Grund bieten die Transformatortester der Voltech AT-Serie fünf verschiedene Techniken zur Messung des Windungszahlverhältnisses, die je nach Bedarf individuell ausgewählt werden können.
Die grundlegenden Spezifikationen und der Spannungs-/Frequenzbereich der Messung finden Sie auf unserer AT5600-Spezifikationsseite.
TR (Windungszahlverhältnis)
Bei diesem Test wird eine beliebige Wicklung mit einer bestimmten Spannung versorgt und die induzierte Spannung an einer beliebigen anderen Wicklung gemessen.
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 teilen und dabei den Wicklungswiderstand kompensieren.
Außerdem wird die Phase gemessen: ,in Phase‘ (positive Polarität) und ,gegenphasig‘ (negative Polarität).
Siehe die Seite mit dem AT5600-Benutzerhandbuch
TRL (Windungszahlverhältnis durch 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 bedeutet auch: ,in Phase‘ (positive Polarität) und ,gegenphasig‘ (negative Polarität).
Siehe die Seite mit dem AT5600-Benutzerhandbuch
LVOC (Unterspannungs-Offenstromkreis)
Bei diesem Test wird eine Spannung an die Primärwicklung angelegt, die in der Sekundärwicklung induzierte Spannung gemessen und das Ergebnis als Sekundärspannung dargestellt (z. B. 2,545 V).
Außerdem wird die Phase gemessen: ,in Phase‘ (positive Polarität) und ,gegenphasig‘ (negative Polarität).
Siehe die Seite mit dem AT5600-Benutzerhandbuch
VOC (Unterbrechungsstromkreis – nur AT5600 + AT3600)
Dieser Test verwendet dasselbe Prinzip wie LVOC, allerdings unter Verwendung eines Hochleistungsgenerators, der eine Wicklung mit Spannungen von bis zu 270 V versorgen kann.
Der Test eignet sich zum Prüfen von Niederfrequenz-Leistungstransformatoren.
Außerdem wird die Phase gemessen: ,in Phase‘ (positive Polarität) und ,gegenphasig‘ (negative Polarität).
Siehe die Seite mit dem AT5600-Benutzerhandbuch
VOCX (Spannungsunterbrechung mit externer Quelle – nur AT5600 + AT3600)
Dieser Test wird in Verbindung mit der Voltech AC Interface Fixture verwendet.
Dadurch wird eine externe Wechselstromquelle oder ein Aufwärtstransformator zum Testen von Transformatoren mit höherer Leistung und höherer Spannung bis zu 600 V und 10 A gesteuert.
Außerdem wird die Phase gemessen: ,in Phase‘ (positive Polarität) und ,gegenphasig‘ (negative Polarität).
Siehe die Seite mit dem AT5600-Benutzerhandbuch
5. Auswahl des richtigen Windungszahl-Tests
Um zu bestimmen, welche Art von Windungszahltest für einen bestimmten Transformator am besten geeignet ist, müssen verschiedene Aspekte berücksichtigt werden.
In der folgenden Tabelle sind alle Tests mit einer Beschreibung, den zugehörigen Spezifikationen und einer Zusammenfassung der Vorteile aufgeführt, die der jeweilige 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, wie es im Betrieb beim Aktivieren einer Primärwicklung zu erwarten ist. Das mit diesem Test gemessene Verhältnis beinhaltet daher die normalerweise im Transformator auftretenden Verluste, was zu einem höheren Verhältnis als dem der physischen Windungen führt, aber das vom Konstrukteur erwartete tatsächliche Spannungsverhältnis widerspiegelt. |
| TRL | Windungszahlverhältnis berechnet aus der Induktivität Messbereich: 1:30 bis 30:1 Spannungsbereich: 1 mV – 5 V Frequenzbereich: 20 Hz – 3 MHz Genauigkeit: 0,1 % | Reduziert die Auswirkung von Transformatorverlusten auf das gemessene Windungszahlverhältnis und ermöglicht eine bessere Annäherung an das physikalische Windungszahlverhältnis. Dies ist insbesondere dann von Vorteil, wenn die tatsächlichen 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: 100μV bis 650 V (100μV bis 5V ATi) Spannungsbereich: 1 mV - 5V Frequenzbereich: 20 Hz - 3MHz Genauigkeit: 0,1% | Ähnlich wie TR, stellt jedoch die tatsächliche Ausgangsspannung und nicht das Spannungsverhältnis dar. Dies vereinfacht die Eingabe der Testgrenzwerte, wenn die Transformatorspezifikation aus Voltmetermessungen abgeleitet wurde. |
| VOC | Ausgangsspannung gemessen mit externem Hochspannungseingang Messbereich: 100μV bis 650 V Spannungsbereich: 5V - 600V Frequenzbereich: 20 Hz - 1 MHz Genauigkeit: 0,1% | Bietet die Möglichkeit, Leistungstransformatoren zu testen, die über der Kapazität der VOC-Prüfung liegen. Durch die Steuerung einer externen Stromquelle mit der Voltech AC Interface Fixture ermöglicht der VOCX-Test eine vollautomatische Prüfung von Hochleistungstransformatoren bei ihrer angegebenen Betriebsspannung. |
| VOCX | Ausgangsspannung gemessen mit externem Hochspannungseingang Messbereich: 100μV bis 650V | Bietet die Möglichkeit, Leistungstransformatoren zu testen, die über der Kapazität der VOC-Prüfung liegen. Durch die Steuerung einer externen Stromquelle mit dem Voltech AC Interface Fixture ermöglicht der VOCX-Test eine vollautomatische Prüfung von Hochleistungstransformatoren bei ihrer angegebenen Betriebsspannung. |
6. Schlussfolgerung zum Testen des Windungsverhältnisses
Obwohl das Windungszahlverhältnis eine wohlbekannte und grundlegende Funktion eines Transformators ist, ist klar, dass zum effektiven Testen dieser Funktion viele Aspekte berücksichtigt werden müssen.
Durch die Bereitstellung einer flexiblen Palette an Testoptionen für das Windungszahlverhältnis bietet der Voltech AT5600 Entwicklern 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 weiteren Prüffunktionen der Trafotester der Voltech AT-Serie haben, können Sie sich gerne an uns wenden.