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- Dioden
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- Simulationssoftware
- Transformator mit Doppelspule
Batterien und Akkus sind zwar eine saubere Sache, aber nix für lang.
Immer wenn man sie dringend braucht, sind sie gerade alle. Und für
365 Tage im Jahr sind sie schon mal gar nix. Also braucht es was dauerhaftes
wie ein Netzteil, das den Saft aus dem Stromnetz holt.
Aber da brauchen wir für unser Kofferradio mal gerade drei Volt bei
einem Strom von 0,5 Ampere oder für so ein anderes Teil mal
10 V bei 0,1 Ampere. Wenn man nun für jede Anwendung kein
Universalnetzteil mit 1,5/3/4,5/6/9/12 V kaufen will, was eh keine
10 V kann, muss man sich das Ding halt selber bauen. Die Seite hier
zeigt wie das geht.
Aus der Frühzeit der Anwendung von Strom stammt die erste Hürde
beim Selbstbau: weil es einfacher war, Wechselstrom zu erzeugen, diesen
mit einem Trafo hochzuspannen und mit weniger Verlusten über Leitungen
zu übertragen, diese Hochspannung dann mit Trafos in Trafohäuschen
auch wieder herabzuspannen, wechselt der Strom aus der Leitung genau 50 mal
in der Sekunde seine Polarität. Mal hat er plus 30 Volt, im nächsten
Moment -50 Volt, mal sogar -325 Volt. Nix worauf man sich
verlassen kann, außer dass er ständig wechselt. Wechselspannung
halt.
Beginnen wir mit dem Wichtigsten, den Trafos.
Transformatoren sind Spannungsübersetzer. Sie machen aus der
Netzspannung beliebige andere Spannungen. Sie bestehen aus zwei oder
mehr Spulen, die auf einem Eisenkern aufgewickelt sind. Das Ganze ist
in Plastik gegossen. Nach außen gucken Anschlüsse aus Draht heraus.
Die beiden Anschlüsse, die am Weitesten auseinanderliegen, sind
für die Netzspannung. Die Anschlüsse sind auch oben aufgedruckt.
Die Anzahl der Windungen bestimmen über das Verhätnis der
Spannungen. Hat die erste Spule 1.000 Windungen und ist an das
Stromnetz (230 V) angeschlossen, und ist die zweite Spule
100 Windungen groß, dann ist die Spannung an der zweiten
Windung
1000 / 100 = 10
mal kleiner als die Netzspannung, also 23 V.
Aus Erfahrung kann man sagen, dass es verschieden große
Transformatoren gibt. Sie unterscheiden sich sowohl in ihren
äußen Abmessungen als auch in der Drahtgröße.
Je mehr Strom (I in Ampere) der Transformator liefern muss, desto
dicker der Draht. Je mehr Windungen, also je mehr Spannung (U in Volt)
er liefert, desto größer. Beides zusammen, U und I, wird
miteinander multipliziert (U*I) und als Leistung (VA oder Volt-Ampere)
bezeichnet. Also
P (VA) = U (V) * I (A)
Die entscheidende Größe ist diese ominöse Leistung.
Suchen wir einen Trafo mit 12 V, der 0,5 A liefern kann,
müssten wir ab 6 VA suchen. Da es den exakt auf diesen
Zweck gestrickten Trafo nicht zu kaufen gibt, landen wir stattdessen
bei einem
10 VA-Trafo.
Merke: niemals zu klein kaufen, lieber zu groß weil Trafos
Überlastungen sehr übel nehmen, indem sie heiß
werden, die Isolation der Drahtwindungen leidet, sie einen
Kurzschluss in der Wicklung erleiden, noch mehr Strom und noch mehr
Hitze die Folge ist und sich die ganze Plastikschachtel in Richtung
Feuerfangen weiterentwickelt und auf diese Weise so ein schönes
Dreifamilienhaus ein Raub der Flammen werden kann. Die Ursache wird
dann offiziell ermittelt und als "technisches Versagen" in
der Zeitung stehen, obwohl es eher eine Fehlauslegung des Trafos war.
Da wir beim Thema Hitze sind: unglücklicherweise haben so viele
Drahtwindungen einen elektrischen Widerstand. Und Strom mit Widerstand
produziert Wärme. Den Widerstand kriegt man einfach heraus:
einfach ein Ohmmeter an die Wicklung anschließen und ablesen.
In der Tabelle stehen einige gemessene Widerstände von
Kleintransformatoren, geordnet nach Leistung und Spannung.
| Leistung | Spannung | Widerstand |
|---|
| VA | Volt | Ohm |
|---|
| 0,15 | 12,5 | 16,7 |
| 0,33 | 6 | 47,7 |
| 1 | 12 | 47 |
| 3,6 | 7,5 | 5,9 |
| 6,5 | 8 | 0,8 |
| 14 | 9 | 1,4 |
Die Widerstände der Wicklungen sind auch Ursache eines weiteren
Effekts, den Trafos so an sich haben: ist keine Last angeschlossen,
dann ist ihre Spannung viel höher. Der Hersteller hat ein paar
Extrawicklungen aufgelegt, um den Verlust zu kompensieren. So hat
der 0,33-VA-Trafo aus dem obigen Beispiel einen Nennstrom von
I = P / U = 0,33 (VA) / 6 (V) = 0,055 (A)
Mit einem Widerstand von 47,7 Ohm gehen allerdings
U = R * I = 47,7 (Ω) * 0,055 (A) = 2,62 (V)
verloren. Der Hersteller hat den Trafo also auf 6 + 2,62 =
8,62 Volt ausgelegt. Wenn wir die Trafospannung ohne Last
messen, dann würden wir diese 8,62 V messen und vielleicht
denken, dass der Hersteller zu viel des Guten gewickelt haben
könnte. Schließen wir allerdings die Maximallast an,
bricht die Überspannung zusammen und verflüchtigt sich.
Diese Überspannung hat Konsequenzen, nämlich für
den Kondensator. Der muss ohne Last mit viel mehr Spannung rechnen
als nur mit den 6 V. Aber auch die 8,62 V sind nicht
das obere Limit: der Wechselstrom hat nur im Durchschnitt die
6 V (unter Last) bzw. die 8,62 V (ohne Last). Seine
Spitzenspannung liegt im oberen Teil der Sinuskurve bei
maximal
Umax = Unominal * 1,414
Volten. Das sind bei 8,62 V ganze 12,2 V, also mehr
als doppelt so viel wie die 6 V, die auf dem Trafo stehen.
Der Kondensator muss also eher ein 16-Volt-Typ sein als ein
10-V-Typ. Sonst bruzzelt es in den Spannungsspitzen im Innern
ein wenig und der Elko kriegt dicke Backen.
Bei normalen Elkos geht das noch, auch wenn nach einigen Minuten
die Kapazität stark abgesunken ist. Tantalelkos sind da
noch wesentlich umbarmherziger. Ist die Spannung auch nur
kurzzeitig höher als die aufgedruckte Spannung, dann gehen
diese Teile in den Kurzschlussmodus über: sie leiten dann
verdammt gut und verlangen dem Trafo alles ab, was er an Strom
liefern kann. Das geht dann auch in Richtung "Brandursache
technisches Versagen". Damit die Feuerwehr nicht kommen
muss, kriegt deshalb jede Schaltung mit Trafo eine Sicherung
in den Primärkreis (die Seite mit der Netzspannung).
Für fast alle Teile braucht es aber Gleichstrom, also was ganz
Verlässliches. Aus Wechselstrom kann man Gleichstrom machen, indem
man die bösen negativen Wellen wegmacht und für die Zeit, wo
nix kommt, was von dem Strom in einem Kondensator speichert. Dazu braucht es
eine Diode, z.B. eine 1N4001, und einen Elektrolytkondensator, z.B. einen
47 mF-Elko. Die Diode lässt den Strom nur in eine Richtung
durch, der Elko speichert Strom in seinem dicken Bauch.
Leider haben Dioden eine Durchlassspannung, so dass bei der Gleichrichterei
weitere wertvolle Spannung verloren geht. Das Bild zeigt den Verlauf
dieser Spannung für eine 1N4001 bei verschiedenen Strömen.
Die Kurve ist anfangs sehr steil und geht dann in eine flachere Sättigung
über. Die Differenzen sind allerdings nicht so arg dramatisch.
Weil bei jedem Durchgang zwei Dioden durchlaufen werden müssen, fällt
die Spannung bei der Brückenschaltung doppelt an.
Die Dioden müssen mehr aushalten als man auf den ersten Blick denkt.
Beim Einschalten der Netzspannung ist der Elko leer und der Strom wird
maximal. Er wird nur durch den Innenwiderstand der Trafospule abgebremst,
bei grösseren Trafos mit viel Leistung eine recht kleine Bremse. Eine zu
schwache Diode gibt dann bei der ersten Halbwelle den Geist auf, weil sie
für einen kurzen Moment mehr al zehn mal mehr als ihren Nennstrom abkriegt.
Auch die Ladeströme bei geladenem Kondensator sind noch deutlich höher
als der Verbraucherstrom, denn der Ladevorgang findet ja nur über einen
kurzen Zeitraum lang statt (wenn die Trafospannung die Kondensatorspannung
plus die Diodenverlustspannung(en) überschreitet.
Die richtigen Dioden für die Anwendung auszuwählen ist einfach:
- Bei Strömen unter 10 mA Nennstrom gehen 1N4148.
- Bei Strömen bis 100 mA Nennstrom leisten kleine Brücken
B40C100 die erste Wahl.
- Bei Strömen bis 1A Nennstrom sind 1N4001 bis 1N4007 die
richtige Auswahl.
- Bei noch größeren Strömen gibt es Einzeldioden
und Brücken, die das Geforderte aushalten. Bei Strömen
über 3 A muss der Halbleiter gekühlt werden. Merke
auch hier: lieber gegen doppelt so viel Strom auslegen.
Zum Gleichrichten braucht man meistens auch Kondensatoren oder Elkos.
Die richtige Auswahl geht hier so, dass ein unnötig großer
Kondensator mehr kostet und mehr Platz braucht. Bei einem zu kleinen
Kondensator bricht die Spannung so tief zusammen, dass die Glättung
leidet. Also lieber etwas mehr, aber nicht zuviel mehr.
Für die Abschätzung der Spannungdifferenz kann man folgende
Näherung verwenden:
Udiff (V) = I (A) * t (s) / C (F)
Bei 50 Hz Netzfrequenz und Zweiweggleichrichtung ist t maximal
0,01 s. Genauer kriegt man es mit der Software
ausgerechnet. Die Software hilft auch bei der Auswahl
des Elkos.
Das Gleichrichten geht dann so:
Links ist der Wechselstrom zu sehen, wie er ständig wechselt. Die
Diode in der Schaltung in der Mitte lässt den Strom aber nur durch
wenn er im postiven Bereich liegt. Dann fließt Strom in den
Kondensator, der dadurch aufgeladen wird. Geht die Spannung des
Wechselstroms wieder zurück, bleibt der Kondensator geladen und
wird durch den Stromverbrauch des Verbrauchers nach und nach entladen.
Wird die Wechselspannung wieder positiv und größer als die am
Kondensator, wird der erneut wieder aufgeladen und das Spiel wiederholt
sich.
Das hier rechts zeigt den Verlauf der Trafospannung bei einem 6-V-Trafo,
die mit einer Diode gleichgerichtet wird und einen Elko mit 100 µF
lädt. Der Strom, den der Endverbraucher zieht, beträgt 25 mA.
Und ja: die Wechselspannung beim 6-V-Trafo hat in der Spitze ganze 12 V,
also etwas mehr als das Doppelte von dem was draufsteht. Das liegt zum Einen
daran, dass die 6 V die Effektivspannung Veff angeben und
nicht die Spitzenspannung. Dazu verlegt man rechnerisch die Spitzen in die
Täler und füllt diese damit aus. Der Unterschied beläuft sich
auf den Faktor 1,414 (Wurzel aus 2). Aus den 6 V werden so 6 * 1,414 =
8,5 V in der Spitze.
Sind aber immer noch keine 12 V! Nun, die Drahtwicklung im Trafo hat
einen elektrischen Widerstand, nämlich in diesem Fall 30,6 Ω,
und die frisst Spannung weg. Dies aber nur dann, wenn der Strom dem
Nominalstrom durch den Trafo entspricht. Das ist in diesem Fall
P = U * I
I = P / U
I = 1 [VA] / 6 [V] = 0,167 [A]
Bei einem Strom von 0,167 [A] frisst der Widerstand von 30,6 Ω
eine Spannung von U [V] = R [Ω] * I [A] = 5,11 [V] weg. Und für die
hat der Trafohersteller noch ein paar Extra-Windungen aufgelegt, damit der
Käufer auch kriegt, für was er bezahlt hat: bei 6 Volt effektiv
und bei 167 Milliampere eben genau sechs Volt.
Man sieht an der Kurve, dass nur der positive Teil der Wechselspannung den
Elko auflädt, der negative Teil wird von der Diode abgeschnitten.
Dafür muss der Elko in dieser Pause die gesamte Verbraucherlast tragen,
seine Spannung geht dadurch um 3,8 V zurück. Diesen Spannungsverlust
bezeichnet der Elektroniker als "Brummspannung", was man die in
früheren Röhren-Radios im Lautsprecher auch tatsächlich
brummen hören konnte.
Das Verfahren mit einer einzigen Diode ist verschwenderisch, weil über
die ganze Zeit, in der der Wechselstrom negative Spannungen liefert, dieser
gar nicht ausgenutzt sondern nur einfach weggeschnitten wird.
Mit dieser Schaltung hier geht das effektiver, dem Zweiweggleichrichter.
Er besteht aus vier Dioden, wie sie in einer Brückenschaltung enthalten
sind. Die hat vier Anschlüsse, die mit den beiden Wellenlinien und Plus
und Minus bezeichnet sind. Man kann die Brücke natürlich auch
aus vier einzelnen Dioden zusammenlöten.
Die Brücke funktioniert so:
Ist die Wechselspannung am oberen Anschluss positiv, dann leitet die
rechte obere Diode, der Strom lädt den Kondensator und treibt den
Verbraucher und fließt über die untere linke Diode in den
unteren Anschluss zurück. Ist der untere Wechselstromanschluss
positiv, dann fließt der Strom über die untere rechte
Diode in den Kondensator und den Verbraucher und über die obere
linke Diode in den oberen Anschluss zurück.
Die Spannungskurve rechts zeigt jetzt doppelt so viele Ladezyklen. Die
Zeit zwischen zwei Ladezyklen, über die der Verbraucher aus dem
Kondensator versorgt werden muss, wird entsprechend kürzer, der
Brumm ist folglich jetzt nur noch ca. 1,7 V.
Dafür beginnt bei ansteigender Spannung das Elkoladen jetzt etwas
später und hört bei abfallender Spannung auch etwas früher
auf. Das liegt daran, weil jetzt zwei Dioden mit je etwa 0,7 V
Durchlass-Spannung durchlaufen werden müssen.
Damit hätten wir aus Wechselstrom eine Art Gleichstrom gemacht.
Wenn wir das ohne Trafo an das Stromnetz anschließen, kriegen wir
gigantische 325 V Gleichspannung. Das dürfte für alle
Geräte, die nicht Elektronenröhrenverstärker heißen,
etwas zu viel sein. Und: Berühren ist tödlich! Wenn es weniger
sein soll, brauchen wir halt den Transformator.
Beispiel für eine komplette Netzteil-Schaltung
Das ist die komplette Trafoschaltung mit der Sicherung und dem
Trafo zuzüglich dem eingezeichneten Innenwiderstand der
Sekundärwicklung. Die schwarzen Klötze symbolisieren
die beiden Wicklungen, der gestrichelte Strich dazwischen den
Eisenkern.
Der Auslösestrom der Sicherung bemisst sich nach
Isi (A) = 1,5 * P (VA) / 230 (V)
In der Regel landet man so bis 7,5 VA bei der kleinsten
Bauart von Sicherungen (50 mA), bei größeren
Trafos darf es ein bisschen mehr sein.
Spaßvögel sichern lieber den Sekundärkreislauf mit
einer Sicherung ab und glauben, dass sie so den Trafo gegen
Kurzschlüsse gerettet haben. Dass bei einem Kurzschluss
im Primärkreis der Schaden ein abgebranntes Dreifamilienhaus
sein kann, dürfte der Preis für den Trafo von ein paar
Euro fünfzig kaum ein Promille des Schadens beim Dreifamilienhaus
erreichen.
Jedes Netzteil kriegt so einen Sicherheitshalter, am Besten mit einem
Plastikdeckel gegen versehentliche Berührung. Alles andere ist
fahrlässig und wird bestraft.
Da wir bei der Sicherheit sind: wer so ein Bastelstück auf dem
Basteltisch ablegt, auf dem gelegentlich Drahtstücke herumfliegen,
tut gut daran, die Hochspannungsseite ein wenig berührungssicher
abzukleben. Das verlängert das Leben des Experimentators.
Die im Folgenden beschriebene Software ist etwas älter,
hier gibt es eine
verbesserte und neue Software.
Um die Zusammenstellung eines Trafonetzteils zu vereinfachen, ist die
folgende Software geschrieben.
Sie erlaubt das Spielen mit allen Bestandteilen und zeigt für jede
eingestellte Kombination unmittelbar den Verlauf der Lade- und Entladekurven
in einem Diagramm. Der Beginn des Ladezyklus ist mit einer grünen Linie,
das Ende mit einer violetten Linie gekennzeichnet. Man erkennt an dem
abgebildeten Beispiel sehr deutlich, dass von den über 10 V im Trafo
nach dem Innenwiderstand des Trafos und der Gleichrichtung (zwei mal
Diodendurchlassspannung) nicht viel davon überbleibt.
In der Tabelle rechts unten sind für die Durchgänge die
größte und die niedrigste Spannung am Elko, die
Spannungsdifferenz (früher hieß die mal Brummspannung), der
maximale Strom und die maximale Diodenspannung angegeben.
Die Eingabe der Trafodaten Spannung, Leistung, Widerstand und Frequenz (50
oder 60 Hz) erfolgt im entsprechenden Datenfeld. Änderungen bei
der Spannung und der Leistung ändern dabei auch den voreingestellten
Widerstand. Daher sollte dieser zuletzt geändert werden.
Im Feld kann durch Auswahl von "Auto" das Verhalten der 1N4001
eingestellt werden. In der Stellung "Fixed" kann in diesem Feld
eine konstante Diodenspannung vorgegeben werden.
Ohne diese Voreinstellung nähert das Programm die Diodenspannung
über diese Näherungsfunktion an.
Die Größe des Elkos ist in Millifarad anzugeben (2,2 mF sind
2200 µF).
Beim Strom kann der Verbraucherstrom vorgegeben werden. "Autoset"
stellt ihn auf den Nominalwert des Trafos ein (Maximallast).
Wer sich weniger Wellen genauer angucken möchte, reduziert in den
Simulationsparametern diese Zahl. Die Anzahl der Schritte der Berechnung
lässt sich dort ebenfalls verstellen. Mit der Auswahl "Follow
calculation" wird bei jedem Wechsel des Ladezustands der aktuelle
Zustand ausgegeben.
Mit dem Knopf "Save picture" kann das Bild rechts oben als
Bitmap-Datei gespeichert werden. Das Beispiel zeigt ein Netzteil mit
12-V-Transformator, 15 VA und 1,9 Ω bei einem Strom von
250 mA.
Die Software ist in Delphi geschrieben, läuft auf Windows sowie
unter Wine auch im Linux und kann hier heruntergeladen werden:
Simulationssoftware für Windows und Linux/Wine
Nachtrag: Eine erheblich verbesserte Lazarus-Version der Software gibt es
hier
Und am Ende jetzt mein Lieblingsdesign: ein Doppeltrafo mit
Zweifachgleichrichtung. Doppeltrafos sind ein wenig teurer, kommen aber
wegen nur einer Diode im Stromlaufweg auf geringere Diodenverluste und
sind universeller einsetzbar.
So werden daraus Netzteile, die mit einer Diodenbrücke und zwei
Kondensatoren positive und negative Spannungen liefern.
Beispiele für kleine Netzteile ...
- ein kleines für 9 Volt als Ersatz für leere Batterien
hier, und
- ein +/-15V-Netzteil für Experimente mit Operationsverstärkern
hier.
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