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Alles über Trafonetzteile



  1. Wozu das alles?
  2. Gleich- und Wechselstrom
  3. Transformatoren
  4. Dioden
  5. Elkos
  6. Simulationssoftware
  7. Transformator mit Doppelspule

Wozu das alles?

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.

Gleich- und Wechselspannung

Aus der Frühzeit der Anwendung von Strom stammt die erste Hürde beim Selbstbau: weil es einfacher war, Wechselstrom über Leitungen zu übertragen, 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.

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.

Diode 1N4001 Elko 47mF

Das geht dann so:

Einweggleichrichter 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 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.

Brücke 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:

Zweiweggleichrichter 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 zeigt jetzt doppelt so viele Ladezyklen. Die Zeit zwischen zwei Ladezyklen, über die der Verbraucher aus dem Kondensator versorgt werden muss, wird entsprechend kürzer.

Damit hätten wir aus Wechselstrom eine Art Gleichstrom gemacht. Wenn wir das 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 einen Transformator.
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Transformatoren

Trafo 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 au├čen 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.
LeistungSpannungWiderstand
VAVoltOhm
0,1512,516,7
0,33647,7
11247
3,67,55,9
6,580,8
1491,4

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).

Trafo 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.

Sicherungshalter Jedes Netzteil kriegt so einen Sicherheitshalter, am Besten mit einem Plastikdeckel gegen versehentliche Berührung. Alles andere ist fahrlässig und wird bestraft.

Isolation 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.


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Dioden

Durchlassspannung 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.

Weil bei jedem Durchgang zwei Dioden durchlaufen werden müssen, fällt die Spannung 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. Eine zu schwache Diode gibt dann bei der ersten Halbwelle den Geist auf, weil sie für einen kurzen Moment zehn mal mehr als ihren Nennstrom kriegt. Auch die Ladeströme bei geladenem Kondensator sind noch deutlich höher als der Verbraucherstrom.

Die richtigen Dioden für die Anwendung auszuwählen ist einfach:
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Kondensatoren

Elko 2mF2 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.

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Simulationssoftware

Um die Zusammenstellung eines Trafonetzteils zu vereinfachen, ist die folgende Software geschrieben.

Software 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.
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.

12V 15VA 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


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Transformator mit Doppelspule

Doppeltrafo 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.

Doppelnetzteil So werden daraus Netzteile, die mit einer Diodenbrücke und zwei Kondensatoren positive und negative Spannungen liefern.


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