Pioniere der Elektronik Der Weg zum modernen Transformator: Prinzip, Durchbruch und Verbreitung

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Ohne Transformator keine effiziente Stromverteilung: Erst die gezielte Umwandlung von Spannungen ermöglichte es, Energie über große Distanzen zu transportieren und bereitzustellen. In diesem Artikel geht es um das technische Prinzip, frühe Entwicklungen und den Weg zur breiten Anwendung.

Im ersten Artikel zur Erfindung des Transformators haben wir das Leben der drei dabei hauptsächlich beteiligten Persönlichkeiten näher vorgestellt. Es ging um die drei ungarischen Ingenieure Károly Zipernowsky, Miksa Déri und Ottó Titusz Bláthy, die alle zwischen den Jahren 1853 und 1860 geboren wurden.

Mitte der 1880er-Jahre trafen alle drei bei der bekannten ungarischen Industriefirma Ganz, damals Ganz & Cie, zusammen, die unter anderem auch im Bereich der Eisenbahn ein für Ungarn wichtiges Unternehmen war. Ganz & Cie wollte zu dieser Zeit in das Metier der elektronischen Produkte und der Elektrifizierung einsteigen und beschäftigte bereits Ingenieure wie Zipernowsky, Déri und Bláthy, die die Elektrifizierung maßgeblich vorantrieben. Da die Firma eng mit dem Staat zusammenarbeitete, war die Elektrifizierung in größerem Maßstab ein zentrales Thema. Strom zu erzeugen war damals bereits möglich.

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Ein Problem stellte aber die Umwandlung der Stromspannungen dar, die nötig war, um den Strom mit hohen Spannungen über größere Distanzen relativ verlustfrei zu verteilen und ihn dann in der Nähe der Verbraucher wieder auf eine kleinere, alltagstaugliche Spannung zu bringen. Und genau hier kam dann die Erfindung des Transformators ins Spiel. Dieser ermöglichte die effiziente Umwandlung von einer kleinen in eine hohe Spannung oder umgekehrt.

Zwei Spulen und Induktion zum Spannungswandel

Das Grundprinzip des Transformators besteht darin, dass mindestens zwei Spulen getrennt voneinander um einen Eisenkern gewickelt sind. Als Primärspule bezeichnet man dabei die Spule, an der ein Strom eingespeist wird. An der Sekundärspule wird dann die neue Spannung abgegriffen. Dabei gibt es für einen idealen Transformator eine einfache Grundregel, was die Spannungen und Spulen betrifft: Das Verhältnis der Anzahl an Wicklungen der beiden Spulen entspricht im Endeffekt dem Verhältnis der beiden Spannungen, die an den Spulen abgegriffen werden beziehungsweise anliegen.

Hat die Primärspule beispielsweise eine zehnfach höhere Anzahl an Wicklungen im Vergleich zur Sekundärspule, so ist die Spannung an der Sekundärspule also zehnmal kleiner als die Spannung an der Primärspule. Aus 2.000 Volt würden beispielsweise 200 Volt entstehen. Ist die Primärspule die, die eine höhere Anzahl an Wicklungen hat, kann man wiederum an der Sekundärspule eine entsprechend höhere Spannung nutzen. Die Grundlage dafür, dass ein Transformator funktioniert, ist das Prinzip der elektromagnetischen Induktion.

Dabei entsteht durch ein Magnetfeld, das seine Ausrichtung stetig ändert, eine Spannung in einer vom Magnetfeld beeinflussten Spule. Die Primärspule erzeugt durch ihre Wicklungen das Magnetfeld, welches dann die Sekundärspule beeinflusst und eine Spannung erzeugt, die dann eben der Regel entsprechend höher oder niedriger als die Spannung der Primärspule ist. Wichtig ist dabei, dass ein Transformator beziehungsweise die Induktion nur mit zeitlich veränderlichem Strom funktioniert, typischerweise Wechselstrom, da sich nur durch Wechselstrom die Stromrichtung und dadurch auch das Magnetfeld ständig ändern. Bei Gleichstrom würde der Strom nur in eine Richtung fließen und dadurch ein stabiles Magnetfeld entstehen, das keine kontinuierliche Induktion aufrechterhält.

Induktion und erste Transformatoren

Die Grundlagen für den Transformator basieren auf der Arbeit von Michael Faraday, der nämlich das Prinzip der elektromagnetischen Induktion schon Anfang der 1830er-Jahre bei Experimenten entdeckte. Es war damals bekannt, dass ein Strom ein Magnetfeld erzeugen kann, wenn man eine Spule um einen Eisenkern wickelt. Faraday wollte wiederum durch ein Magnetfeld Strom erzeugen und stieß bei seiner Versuchsanordnung mit einem Magneten und zwei Spulen auf die elektromagnetische Induktion.

Faraday beschrieb seine Beobachtungen als Erster und formulierte die Induktionsgesetze, aber unabhängig davon wurde die elektromagnetische Induktion kurz danach auch von dem US-Amerikaner Joseph Henry entdeckt. Ørsted hatte zuvor den Zusammenhang zwischen elektrischem Strom und Magnetfeldern nachgewiesen.

Im Jahr 1875 entwickelte wiederum der russische Ingenieur Pawel Nikolajewitsch Jablotschkow eine Kohlebogenlampe, die Licht durch elektrische Spannungen über einen Lichtbogen erzeugte. Hierfür verwendete Jablotschkow eine Konstruktion, die von der Idee her dem späteren ersten Transformator ähnelte. Allerdings erkannte man damals noch nicht den Nutzen dieser Idee für größere Maßstäbe. Der Franzose Lucien Gaulard und der Brite John Dixon Gibbs erhielten 1882 ein Patent für einen ersten Transformator, der damals als Sekundär-Generator bezeichnet und vermarktet wurde. 1885 war es dann so weit, dass das Patent für das Gerät der Firma Ganz & Cie erteilt wurde, das in der Retrospektive als entscheidender Schritt zum modernen Transformator gilt und um den es in unserem Artikel geht.

Der ungarische Transformator als Neuheit

Das Gerät von Károly Zipernowsky, Miksa Déri und Ottó Titusz Bláthy hatte eine runde Grundbasis aus Holz. An der Seite waren isolierte Spulenwicklungen zu erkennen. Als Deckel diente ebenfalls Holz, wobei am Deckel Anschluss und eine große Öse zum Heben des Gerätes angebracht waren. Die Bauweise wich von modernen Transformatoren ab, denn die Leiterspulen wurden um ein nicht-magnetisches Material gewickelt, das Eisenmaterial befand sich wiederum in Form von Eisendraht über den Leiterspulen. Diesen Transformator sowie stetig verbesserte Varianten stellte Ganz & Cie massenhaft her und verkaufte sie erfolgreich in die ganze Welt, wobei ein wichtiger Baustein für die Verbreitung des Transformators auch der Kampf der beiden Stromsysteme (Wechselstrom und Gleichstrom) war.

Dieser Kampf begann in den 1880er-Jahren und das Wechselstromsystem setzte sich langfristig durch. Thomas Edison, der Kontrahent von Tesla, setzte sich für den Gleichstrom ein. Der Unternehmer George Westinghouse, der Tesla unterstützte und ihn finanzierte, kaufte für den Aufbau eines Stromnetzes das Patent der zuvor schon erwähnten Entwickler Gaulard und Gibbs auf und importierte deren Sekundär-Generatoren sowie auch ähnliche Geräte von Siemens. Obwohl die USA nicht weitverbreitet auf den Transformator der Firma Ganz & Cie setzten, war der ungarische Transformator aber ein großer Erfolg.

Das Trio in zentraler Rolle

Bevor Károly Zipernowsky, Miksa Déri und Ottó Titusz Bláthy den Transformator erfanden, waren die drei Ingenieure für mehrere andere Entwicklungen rund um die Stromversorgung verantwortlich. Von Zipernowsky und Déri stammt etwa ein Wechselstromgenerator, der 1882 das Budapester Nationaltheater mit Strom versorgte – es war damals unter den weltweit ersten Theatern, dessen Licht durch Strom erzeugt wurde. Durch den Transformator aber war es letztendlich möglich, Strom auch in der Fläche zu verbreiten und die Elektrifizierung nicht nur von einzelnen Gebäuden, sondern Stadtvierteln, Städten und ganzen Ländern in Angriff zu nehmen.

Ein erster bemerkenswerter Einsatz des Transformators von Ganz & Cie war die Stromversorgung der schweizerischen Stadt Luzern durch ein Kraftwerk, das etwa vier Kilometer vom Stadtkern Luzerns entfernt war – eine für die damalige Zeit bemerkenswert große Distanz für eine Stromversorgung. Károly Zipernowsky arbeitete mit Déri bis 1893 an der Elektrifizierung der Stadt Rom. Déri wiederum war auch an der Elektrifizierung weiterer Städte wie Mailand und Frankfurt am Main beteiligt.

Transformator-Weiterentwicklungen

Transformatoren wurden seit dem ersten Modell von Ganz & Cie freilich immer weiterentwickelt, auch was die Effizienz bei der Umwandlung der Spannungen angeht. Heutzutage sind Hochspannungstransformatoren besonders wichtig für eine stabile Stromversorgung, denn sie wandeln den Strom von Kraftwerken in hohe Spannungen wie zum Beispiel den in Europa üblichen 220 Kilovolt oder 380 Kilovolt um, damit er über Hochspannungsleitungen und längere Distanzen bis zu den regionalen Anschlusspunkten transportiert werden kann. Für die Umwandlung in kleinere Spannungen bis hin zu den 230 Volt, die aus unseren Steckdosen kommen, sind weitere Transformator-Kategorien im Einsatz. Aber auch kleinste Transformatoren sind aus unserem Alltag nicht wegzudenken, denn in vielen Netzteilen steckt ein Mini-Transformator, um die 230 Volt, die in Deutschland an den Steckdosen abgegriffen werden, in die für etliche Geräte nötigen Werte zwischen häufig nur 2 bis 24 Volt umzuwandeln. (sb)

Pioniere der Elektronik

Zipernowsky, Déri und Bláthy: Die Pioniere des modernen Transformators

Artikelfiles und Artikellinks

Link: Károly Zipernowsky (Academic)

Link: Károly Zipernowski (OBL)

Link: Károly Zipernowsky: The Visionary Behind the Transformer and Its Legacy in Societal Evolution (Enboli)

Link: Károly Zipernowski (Austria Forum)

Link: Ottó Titusz Bláthy (OBL)

Link: Der ungarische Erfinder Ottó Bláthy (Transformator) (Urlaub Ungarn)

Link: Ottó Titusz Bláthy (Berlinthema)

Link: Miksa Déri - one of the fathers of the modern electrical network (TME)

Link: Miksa Déri (Eisenbahnnostalgie)

Link: Károly Zipernowsky (Wikipedia)

Link: Miksa Déri (Wikipedia)

Link: Ottó Titusz Bláthy (Wikipedia)

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