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Wozu braucht man heute noch einen Wechselspannungskonstanter ?

Auf den Seiten der Museumswerkstatt (und auf anderen) habe ich schon darauf verwiesen, daß 1991 die Versorgungsspannung von 220 Volt auf 230 Volt umgestellt wurde, europaweit. Das hat für die moderne Geräte mit Schaltnetzteilen fast keine Auswirkungen, die können von 90 bis 250 Volt alle Spannungen rauf und runter.

Doch wir bewegen uns in der historischen Ecke der Technik und dort ist es schon von Bedeutung, mit welcher Spannung ich ein Gerät speise. Übrigens werden diese Konstanter auch Spannungskonstanter oder Magnetkonstanter genannt.

Bittere Erfahrung mit Farbfernsehern aus 1967 - 1970

1967 -Einer der allerersten Farbfernseher noch mit 29 Röhren "gefüllt", der Philips Goya K6

Inzwischen werden wir immer öfter nach alten Requisiten für Fernsehfilme mit Themen aus den 1950er und 1960er Jahren gefragt und natürlich, wir haben diese alten Kisten aufgehoben. Die Farbfernseher, selbst die damals sehr teuren von Philips, also die Type Goya, werden bei uns überprüft und zur Probe laufen lassen und dann (jetzt im Filmdeutsch = an den Set) hingebracht. Doch nach ca. 2 bis 3 Stunden macht es "Pitch", "Poff" oder "Peng" und weißer oder grauer Rauch kräuselt sich hinten aus den Lüftungsschlitzen und es stinkt gar fürchterlich.

Dann ist er hin. Inzwischen wissen wir (oder glauben zu wissen), daß die gesamte Elektronik damals bereits "auf Kante" genäht wurde und ein 250 Volt Kondensator bei 245V noch funktionierte, aber jetzt bei 230 Volt Netzspannung etwa 260 Volt angedient bekommt. Das mag er nicht, schon gar nicht nach 30 Jahren, und dann knallts eben.

Das gillt natürlich auch für die alte schwarz-weiß Röhren-Fernsehtechnik und die ersten Studio-Farbkameras und all die alten Studio-Fernsehmonitore und unsere alten Röhren- Hifi- Verstärker und Tuner

Darum, wenn wir auf Reisen gehen, muß der Konstanter mit

Wir haben von Professor Hausdörfer, einem ehemaligen Mitarbeiter der BTS / Robert Bosch Fernseh Gmbh, einen damals (mit Nichtwissen) ausrangierten 1KW Magnet-Konstanter als Spende übergeben bekommen und den setzen wir jetzt ein. Er ist für historische Geräte absolut "lebensrettend".
Doch wie funktioniert solch ein schweres und "dummes" Teil wirklich (er hat keine aktiven oder gar beweglichen Bauteile) ?

In der elrad 1987, Heft 7/8 steht es.

Von einem anderen Gönner aus Siegburg haben wir beinahe tonnenweise alte ELOs, Elrads und Elektors geschenkt bekommen und dort sind ab und zu gute Vorlagen für unsere Technikseiten drinnen, so auch hier:

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Wechselspannungskonstanter für die Computer-Stromversorgung: Prinzip "Ferro-Resonanz"

Coverseite 1987
ein typischer Spannungskonstanter

Magnetische Wechselspannungskonstanter bestehen im wesentlichen aus einem Spezial-Transformator und einem Kondensator und werden zwischen Netzseite und Verbraucher eingefügt. Sie sind wartungsfrei, kurzschlußfest, störspannungssicher und wurden für den industriellen Einsatz in elektronischen Steuerungen, Regeleinrichtungen, Analysegeräten usw. entwickelt.

Die Konstanter stabilisieren schwankende Netzspannungen, überbrücken kurzzeitige Spannungseinbrüche bis zu etwa einer halben Periodendauer (10ms) und unterdrücken Störspannungsspitzen von Motorschaltern, Thyristorreglern usw.

Was soll er filtern ?

Gerade die Störspitzen (Spannung wie auch Strom) stellen ein großes Problem dar. Sie können Netzgeräte passieren und in elektronischen Schaltungen einige Zerstörungen anrichten. In Digitalschaltungen werden sie oft als Impuls registriert und verarbeitet, was zu Fehlfunktionen führt.

In "Rechnern" (Anmerkung: dieser Artikel ist aus 1987) können Störspitzen Interrupts auslösen, die unvorhersehbare chaotische Zustände hervorrufen. Im schlimmsten Fall bleibt die gesamte Anlage stehen, wobei Datenverluste an der Tagesordnung sind.

Die heutige (1987) Ferro-Resonator-Technik bietet gegenüber der bisherigen Technologie erhebliche Vorteile. Die neuen Geräte eignen sich deshalb auch als Vorschaltgeräte für Computer, DV-Anlagen, elektronische Büromaschinen usw. Man muß also nicht unbedingt zu den wesentlich teureren, unterbrechungsfreien Netzspannungsstabilisatoren greifen.

  • Anmerkung: Auch übermäßige / gefährliche Einschaltströme von besonders "harten" Transformatoren werden abgeschwächt.

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Das Grundprinzip aus 1930

Das Prinzip ist zwar schon seit etwa 1930 bekannt, konnte aber erst mit der Entwicklung neuer ferromagnetischer Werkstoffe in den industriellen Bereich vordringen. Magnetische Wechselspannungskonstanter weisen einige bemerkenswerte Eigenschaften auf, konnten sich jedoch als Vorschaltgeräte für Computer nicht durchsetzen, da sie die hier gestellten Forderungen nicht erfüllten. Heute hat man die Probleme im Griff und ist in der Lage, Netzspannungs-Stabilisatoren zu bauen, die auch hohen Anforderungen bezüglich Konstanz und Oberwellenarmut der Ausgangsspannung genügen.

Eigentlich ist es ein Trafoprinzip

Bild 1. Das Prinzip eines typischen Transformators
Bild 2. Typische Magnetisierungskurven für Trafobleche.

Um die Vorteile der neuen Technologie würdigen zu können, sollen zunächst der ganz ordinäre Transformator und danach das Prinzip der konventionellen Ferroresonator- Technik vorgestellt werden. Der einfache Transformator besitzt prinzipiell einen aus einzelnen Blechen zusammengesetzten geschlossenen Eisenkern, auf dem die Primärwicklung Wp und die Sekundärwicklung Ws angebracht sind, siehe Bild 1. Beide Wicklungen sind über den Eisenkern magnetisch miteinander gekoppelt.

Legt man an die Primärwicklung eine Wechselspannung Up, erzeugt der Strom Ip einen magnetischen Fluß phi(p) im Eisenkern. Dieser Fluß induziert in der Sekundärwicklung eine Spannung Us, die der Primärspannung proportional ist (Us = Up • Ws/Wp). Die Magnetisierungskurve eines typischen Eisenkerns ist in Bild 2 dargestellt.

Steigt die Primärspannung, erhöht sich der Magnetisierungsstrom. Dadurch verstärkt sich auch der magnetische Fluß im Eisenkern, bis der Kern in die magnetische Sättigung gefahren wird. Der Sättigungsbereich beginnt beim Knie der Magnetisierungskurve. Solange der Trafo im linearen Bereich unterhalb des Knies arbeitet, bewirkt eine Änderung der Primärspannung eine proportionale Änderung der Sekundärspannung.

Betrieben wird der Konstanter also im Sättigungsbereich

Damit der Trafo Regeleigenschaften bekommt, muß er im Sättigungsbereich der Magnetisierungskurve betrieben werden, wobei eine große Änderung der Primärspannung nur eine geringe Änderung der Sekundärspannung zur Folge hat. Läßt man einen normalen Trafo in der Sättigung arbeiten, erreicht der Primärstrom sehr schnell einen Kurzschlußzustand, der erhebliche Leistungsverluste hervorruft. Diese Probleme führten zur Entwicklung des ferroresonanten Trafos, der nahezu konstante Ausgangsspannungen liefert.

Ein ferroresonanter Transformator

Bild 3. Ursprünglicher Aufbau eines magne- tischen Wechselspannungskonstanters.

Bei den ersten Entwicklungen wurde ein normaler Trafo verwendet, in Reihe mit der Primärwicklung lag jedoch ein Kondensator C, siehe Bild 3. Große Eingangsspannungsänderungen werden durch den Sättigungsbetrieb abgeflacht, so daß eine annähernd konstante Ausgangsspannung ansteht. Die Anordnung weist jedoch einen extrem schlechten Leistungsfaktor auf. Bei einer Sekundärbelastung von 1 kVA muß die Primärseite durch den hohen Blindstrom für ca. 50 A ausgelegt sein!
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Bild 4. Verbesserte Version eines ferroresonanten Transformators.

Durch eine andere Form des Eisenkerns (magnetischer „Shunt" mit Luftspalt zwischen Primär- und Sekundärkreis) und durch einen Kondensator parallel zur Sekundärwicklung wurden die vorher genannten Probleme beseitigt. Bild 4 zeigt das Prinzip. Hierbei bildet die Sekundärwicklung mit dem Kondensator einen Parallelschwingkreis, in dem der vom Magnetisierungsstrom erzeugte Fluß eine Spannung induziert. Die Sekundärspannung bewirkt einen kapazitiven Strom, der wiederum einen magnetischen Fluß hervorruft, der mit dem von der Primärspannung erzeugten Fluß in Phase ist. Der Sekundärfluß darf den Sekundärkern in die Sättigung treiben, während der Primärkern im linearen Bereich bleibt!

Eine trickreiche Verkoppelung

Bild 5. Magnetischer Wechselspannungs- konstanter nach dem Ferroresonanzprinzip mit Kompensationswicklung zur Oberwellenunterdrückung.

Falls der Luftspalt richtig bemessen ist, wird ein bestimmter Teil des Primärflusses „kurzgeschlossen" und ist nicht mit dem Sekundärkreis verkoppelt. Andererseits kann ein Teil des Sekundärflusses nicht auf die Primärseite gelangen. Der magnetische Shunt bewirkt, daß der Sekundärkreis des Kerns in der Sättigung und der Primärkreis im linearen Bereich betrieben wird.
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  • Up = Eingang sspannu ng
  • Us = Ausgangsspannung
  • E = Eingangswicklung
  • K = Kompensationswicklung
  • R = Resonanz- und Ausgangswicklung
  • 0 = Oberwellenkompensationswicklung
  • ST 1,2 = Streuluftspalt
  • C = Resonanzkondensator

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Bei dieser Anordnung werden die durch Schwankungen der Primärspannung hervorgerufenen Änderungen des Primärflusses über den Luftspalt geleitet, so daß die Spannung des in der Sättigung betriebenen Sekundärkreises verhältnismäßig konstant bleibt. Die Sättigung des Sekundärkreises erfolgt in jeder Halbwelle, bevor die Primärspannung ihren Spitzenwert erreicht. Durch den Sättigungsbetrieb ist die Sekundärspannung nicht mehr sinusförmig; da der Sekundärkreis aber als Parallelschwingkreis ausgebildet ist, wird eine einigermaßen sinusförmige Spannung erzeugt, deren Kurvenform allerdings noch lastabhängig ist.

Hier hilft man sich nun mit einem Trick. Auf der Sekundärseite ist eine Oberwellenkompen- sationswicklung hinzugefügt worden, die über den Luftspalt ST2 magnetisch verkoppelt ist. In ihr wird eine oberwellenhaltige Spannung in Höhe der zu kompensierenden Oberwellenspannung erzeugt, die der Ausgangsspannung entgegenwirkt und so deren Oberwellenanteile reduziert. Konstanter, die nach dieser Methode arbeiten, eignen sich sehr gut für Computeranwendungen.

Quellen:
Computer Technical Review, Sommer 1986
Datenblatt Spannungskonstanter und Vorschaltgeräte, Mwb Meßwandlerbau A.G., Bamberg
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