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Strombegrenzung (engl. Ballast)

Grössere Hochspannungstransformatoren, wie beispielsweise Messwandler, Masttransformatoren, Mikrowellentrafos oder Röntgentrafos haben die Eigenschaft, dass sie bei einem Kurzschluss oder Beinahe-Kurzschluss (Lichtbogen) einen so hohen Primärstrom ziehen, dass entweder der Trafo selbst überhitzt oder (hoffentlich) die Haussicherung durchbrennt. Damit dies nicht geschieht, ist eine Strombegrenzung primärseitig oder sekundärseitig nötig.

Resistive Strombegrenzung (mit Seriewiderstand R)

Eine solche Strombegrenzung kann auf unterschiedliche Art und Weise verwirklicht werden. Grundsätzlich könnte man einfach einen Widerstand in Serie zur Primärwicklung des Trafos schalten. Dieser verheizt dann einen Teil der Leistung und begrenzt den Stromfluss auf einen maximalen Wert von Imax = U / R (wobei U die Betriebsspannung in Volt darstellt, meistens 230 V und R für die Grösse des Seriewiderstands in Ohm steht). Dieser worst case tritt natürlich nie ganz ein, da die Wicklung des Hochspannungstrafos ja auch noch einen geringen Widerstand darstellt. Da der Seriewiderstand aber immer vom gleichen Strom durchflossen wird wie der Transformator, wird in ihm eine beträchtliche Leistung umgesetzt. Dies führt nicht nur zu hohen Verlusten, sondern auch zum Problem des Kühlens. Ein solcher Widerstand muss ausreichend dimensioniert sein, das heisst, er muss die gesamte Verlustwärme abführen können. In der Praxis kann beispielsweise ein Heizlüfter, ein Haartrockner, eine Kochplatte, ein Tauchsieder oder etwas ähnliches verwendet werden.

Induktive Strombegrenzung durch Vorschaltdrossel

Eine elegantere Methode stellt die induktive Strombegrenzung dar. Hier wird statt eines Seriewiderstandes eine Spule (Induktivität) in Serie zur Trafowicklung geschaltet. Im Gegensatz zur resistiven Methode ist dies mit sehr viel weniger Verlusten verbunden, da eine Induktivität die überschüssige Leistung im Magnetfeld zwischenspeichert und später wieder abgibt. Es findet eine Phasenverschiebung zwischen Strom und Spannung statt. Die Vorschaltspule kann ähnlich wie ein Widerstand behandelt werden. Ihr Gesamt-Widerstand Z besteht aus einem ohmschen Anteil R (wie bei einem normalen Widerstand) und einem induktiven Anteil X_L(wird als Blindwiderstand bezeichnet und ebenfalls in Ohm angegeben), der linear von der Frequenz und der Induktivität der Spule abhängt (X_L = 2 * pi * f * L).

Beide Anteile müssen quadratisch addiert werden, um den Gesamtwert zu erhalten, also Z = Wurzel (R² + X_L²).

Der ohmsche Anteil R kann mit einem normalen Ohmmeter bestimmt werden. Meistens fällt dieser aber ohnehin nicht ins Gewicht im Vergleich zum induktiven Anteil X_L und kann daher vernachlässigt werden.

Einfaches Beispiel zum Berechnen der benötigten Induktivität einer Vorschaltdrossel

Nehmen wir mal an, der Primärstrom eines Messwandlers soll auf 10 A begrenzt werden. Die Netzspannung beträgt 230 V / 50 Hz. Im schlimmsten Fall (satter Kurzschluss) sollen also nicht mehr als 10 A fliessen, das heisst, die Drossel muss einen Gesamtwiderstand von Z = 230 V / 10 A = 23 Ohm haben. Nehmen wir mal den ohmschen Anteil der Drossel (ohmscher Widerstand der Windungen) mit ca. 0.5 Ohm an, dann muss der induktive Anteil X_Lalso Wurzel (Z²-R²) = Wurzel ((23 Ohm)²-(0.5 Ohm)²) = 22.99 Ohm betragen. Man sieht also, der ohmsche Widerstand spielt praktisch keine Rolle. Nun muss also eine Spule gefunden werden, deren Induktivität genau so gross ist, dass bei einer Netzfrequenz von 50 Hz ein X_L von 22.99 Ohm rauskommt. => X_L = 2 * pi * f * L. Durch Umstellen der Formel folgt: L = X_L/(2 * pi * f) = 22.99 Ohm / (2 * 3.14 * 50 Hz) = 73.2 mH. Es müsste also eine Vorschaltdrossel mit 73.2 mH gewickelt werden.

Nun ist es aber in der Praxis leider ziemlich schwierig, herauszufinden, wie man eine Spule mit einer bestimmten Induktivität herstellt. Eine entsprechende Berechnung ist aufwendig und liefert nur ungefähre Anhaltspunkte. Mittels eines LCR-Messgeräts könnte die Induktivität zumindest bei einer bestehenden Spule messtechnisch bestimmt werden, aber LCR-Messgeräte sind teuer und normalerweise nicht geeignet, die Induktivität einer Spule mit Eisenkern zu bestimmen, da der Messstrom meistens zu klein ist, um den Eisenkern zu magnetisieren. Aus diesen Gründen entschloss ich mich, gar nichts zu berechnen und die richtige Strombegrenzung einfach experimentell zu ermitteln.

Experimentelles Dimensionieren einer Strombegrenzung

Eine Vorschaltdrossel als Strombegrenzung kann natürlich selber gewickelt werden, dies ist allerdings in den meisten Fällen zu viel Aufwand. Einfacher ist es, ein kleines Arsenal an Netztrafos zu sammeln, denn auch ein normaler Netztrafo kann als Strombegrenzung verwendet werden, falls er einen genügend grossen Eisenkern besitzt. Der Kern sollte eine minimale Grösse haben, damit er nicht gleich gesättigt wird, denn eine Sättigung resultiert in einem unnötigen Aufheizen des Kerns und ist damit mit Verlusten verbunden. Wichtig ist natürlich auch, dass ein Trafo, dessen Windungen als Strombegrenzung dienen sollen, für den entsprechenden Strom ausgelegt ist! Die einfachste Lösung für eine Strombegrenzung mit kleinem Primärstorm (1 bis 2 A) besteht darin, einen Neontrafo mit kurzgeschlossener Sekundärwicklung als "Vorschaldrossel" zu nehmen. Selbstverständlich kann der Primärstrom noch etwas verändert werden, indem man allenfalls noch einen zweiten Neontrafo hinzu nimmt (parallel zum ersten). Leider ist diese Methode etwas umständlich und auch eine Verschwendung von HV-Trafos. Eine andere Möglichkeit besteht darin, die Primärwicklung eines grossen Niederspannungs-Netztrafos (Ringkerntrafo mit 500 VA oder so) als Vorschaltdrossel zu verwenden. Sekundärseitig kann dann, wenn der Trafo über mehrere Wicklungen oder Abgriffe verfügt, durch Kurzschliessen einzelner Wicklungen der Primärstrom einigermassen "eingestellt" werden.

Damit beim Experimentieren nicht zu viele Haussicherungen "verheizt" werden und man nicht das Risiko eingeht, den Messwandler zu überlasten, kann vor den ganzen Aufbau ein Regeltrenntrafo (Variac) geschaltet werden. Dazwischen muss ein Apèremeter oder eine Stromzange eingeschlauft werden. Der Messwandler muss hochspannungsseitig natürlich kurzgeschlossen sein, um den schlimmsten Fall zu simulieren. Nun kann am Regeltrafo vorsichtig die Spannung erhöht werden, dabei ist immer auf den Strom zu achten. Falls der Strom bereits bei kleinen Spannungen unverhältnismässig schnell ansteigt , so muss die Strombegrenzung abgeändert werden (Wicklung mit mehr Windungen verwenden). Durch probieren mit verschiedenen Wicklungen und Netztrafos kann relativ schnell eine akzeptable Lösung gefunden werden. Sollten die Netztrafos immer einen zu hohen Strom zulassen, so kann auch eine Misch-Lösung aus einem grossen Ringkern-Netztrafo und einem kleinen Neontrafo Abhilfe schaffen. Die Sekundärseite des Ringkerntrafos wird als Strombegrenzung eingesetzt, während die Primärseite an die Primärseite des Neontrafos angeschlossen wird. Der Neontrafo muss dabei auf der Hochspannungsseite kurzgeschlossen sein. Dies funktionierte bei mir recht gut mit einem Ringkerntrafo, der ca. 60 V und 10 A am Ausgang lieferte und einem kleinen Neontrafo mit 4 kV / 50 mA. Mit dieser Kombination konnte ich den Strom auf ca. 12 A begrenzen, was bei einer Haus-Schmelzsicherung mit 10 A durchaus im Rahmen liegt, da eine Schmelzsicherung normalerweise bis zum 1.5-fachen des Nenn-Auslösestroms ca. eine halbe Stunde aushalten kann.

Meine beste Lösung bis jetzt ist allerdings eine Trafo aus dem Physikunterricht, der auswechselbare Spulen besitzt. Von diesen Trafos konnte ich drei Stück günstig kaufen bei ricardo.ch. Durch das Wechseln der Spulen und aufgrund verschiedener Abgriffe kann hier wirklich so ziemlich jeder Strom eingestellt werden. Einziger Nachteil: der Eisenkern ist nicht allzu gross, was bei hohen Strömen eine Sättigung zur folge hat.

Primäre oder sekundäre Strombegrenzung?

Ein Hochspannungstrafo kann selbstverständlich primärseitig oder sekundärseitig strombegrenzt werden. Beide Vorgehensweisen haben ihre Vor- und Nachteile. Meiner Meinung nach überwiegen aber die Vorteile der primären Strombegrenzung ganz klar. Tritt beispielsweise ein Kurzschlussfall auf der Sekundärseite auf, so bricht bei der Primärbegrenzung die Hochspannung auf der Sekundärseite des Trafos sofort auf einen sicheren Wert zusammen, was bei der sekundären Begrenzung nicht der Fall ist! Es ist überdies auch einfacher, auf der Primärseite eine Strombegrenzung einzubauen, da in diesem Fall keine hochspannungsfesten Bauteile benötigt werden.