Bauformen - Passive Bauelemente

Widerstände

verschiedene WiderständeWiderstände gibt es in verschiedenen Größen und Bauformen. Sie bestehen meist aus einem keramischen Grundkörper auf den eine Schicht aus einem mehr oder weniger gut leitenden Material (Metall, Metalloxid, Kohle) aufgebracht wird. Für kleine Widerstandswerte und hohe Ströme wird auch oft ein Widerstandsdraht verwendet, der um den Keramikkörper gewickelt wird.
Welche Kennwerte sind für den Bastler interessant? Zunächst natürlich der Widerstandswert. Bauelemente unterliegen einer Fertigungstoleranz die angibt, wie weit der reale Wert von dem aufgedruckten abweichen kann. In sogenannten E-Reihen ist festgelegt, in wie vielen verschiedenen Werten je Dekade die Bauelemente produziert werden, in Abhängigkeit von der Toleranz. Für uns oft ausreichend sind Widerstände der E24-Reihe mit einer Toleranz von ±5%.

E24-Reihe
1,0 1,1 1,2 1,3 1,5 1,6 1,8 2,0
2,2 2,4 2,7 3,0 3,3 3,6 3,9 4,3
4,7 5,1 5,6 6,2 6,8 7,5 8,2 9,1

Bei sehr kleinen Bauformen ist es schwierig die Angaben noch lesbar aufzudrucken. Man bringt stattdessen 4, 5 oder sogar 6 Farbringe oder -punkte auf, wieder abhängig von der Genauigkeit der Widerstände. Bei den ersten 2 oder 3 Ringen stehen die Farben für die Ziffern 0 bis 9. Die nächste Farbe gibt den Multiplikator an (0,01 bis 109), gefolgt von dem Code für die Toleranz (±0,05% bis ±10%). Bei 6 Ringen steht der letzte dann für den Temperaturkoeffizienten. Die unten stehende Tabelle rechnet euch anhand des Farbcodes den Wert aus.



 
  1. Ring 2. Ring 3. Ring 4. Ring 5. Ring
schwarz  
braun
rot
orange  
gelb  
grün
blau
violett
grau
weiß  
gold  
silber  


An jedem Widerstand wird eine elektrische Leistung gemäß dem Produkt aus Strom und Spannung in Wärme umgesetzt. Dem muss das Bauelement gewachsen sein um keinen Schaden zu nehmen. Besonders in der Leistungselektronik ist deshalb die maximale Verlustleistung als weitere Kenngröße des Widerstandes wichtig. Bei der Gerätekonstruktion muss auf ausreichende Belüftung geachtet werden, um die Wärme auch abzuführen. Bei falscher Dimensionierung oder unzureichender Wärmeabfuhr könnten sogar Brände entstehen!

Einstellbare Widerstände

einstellbare Widerstände Verstellbare Widerstände werden auch Potentiometer, kurz "Poti", genannt. Im Gegensatz zu den Festwiderständen besitzen sie einen dritten Anschluss. Dieser ist mit einem Schleifkontakt verbunden, den man über die Widerstandsbahn bewegen kann. So lassen sich Widerstandswerte stufenlos einstellen. Man unterscheidet hier nochmal zwei Bauformen.
Schaltzeichen Widerstände Die sogenannten "Trimmer" sind meist im Inneren des Gerätes direkt auf der Leiterplatte montiert und lassen sich nur mit einem Werkzeug verstellen. Sie dienen in der Regel dem einmaligen Abgleich einer Schaltung. Andere können über einen Bedienknopf von außen ständig verstellt werden.
Potentiometer können eine lineare oder logarithmische Kennlinie haben. Bei einer linearen Kennlinie ändert sich der Widerstand gleichmäßig zum Drehwinkel oder dem Weg bei Schiebewiderständen. Bei einem logarithmischen Potentiometer steigt der Widerstand wie bei einer Exponentialkurve erst langsam und dann immer stärker an. Sie werden fast ausschließlich für Lautstärkeregler verwendet, da dieser Verlauf dem Lautstärkeempfinden des Menschen entspricht.

Kondensatoren

verschiedene KondensatorenJe nach Kapazität und Anwendungsfall gibt es diverse Bauformen von Kondensatoren. Ziel ist es eine größtmögliche Kapazität auf möglichst geringem Raum zu erhalten. Neben der Kapazität spielt die Spannungsfestigkeit eine Rolle. Mutet man dem Kondensator zu viel zu, kommt es zu einem Spannungsdurchschlag durch das Dielektrikum, was in der Regel einen Kurzschluss und die Zerstörung des Kondensators zur Folge hat.
Kunststoff-Folienkondensatoren bestehen aus zwei Metallfolien (meist Aluminium), die durch eine Kunststofffolie isoliert zu einem Zylinder aufgewickelt werden. Bei einer Variante dieses Typs werden die beiden Elektroden auf die Kunststofffolie aufgedampft. Diese Kondensatoren besitzen bei einem Durchschlag selbstheilende Fähigkeiten. Durch den Lichtbogen wird die Metallbedampfung um die Durchschlagsstelle verdampft und es gibt keinen bleibenden Kurzschluss. Der Kondensator kann weiterverwendet werden, wenn auch mit etwas verringerter Kapazität.
Metallpapierkondensatoren, oder kurz MP-Kondensatoren, bestehen aus mit Aluminium bedampften Papierstreifen. Auch sie sind aufgrund der Konstruktion selbstheilend. Sie werden meist in einem Metallgehäuse untergebracht und in Isolieröl getränkt um die Spannungsfestigkeit zu erhöhen. Haupteinsatzgebiet ist die Leistungselektrik und -elektronik.
Keramikkondensatoren besitzen einen flachen oder röhrchenförmigen Keramikkörper als Dielektrikum, welcher beidseitig mit Metallelektroden versehen wird. Man verwendet sie hauptsächlich als Filter- oder Hochfrequenzkondensatoren im unteren Kapazitätsbereich.
Bei Glimmerkondensatoren nutzt man als Dielektrikum das natürliche Mineral Glimmer. Man erkannte schon sehr früh, dass sich damit Kondensatoren für hohe Anforderungen herstellen lassen. Entscheidend sind der niedrige Temperaturkoeffizient, ein geringer und frequenzunabhängiger Verlustfaktor und eine hohe Spannungsfestigkeit.
Elektrolytkondensatoren gibt es mit im Vergleich recht hohen Kapazitätswerten. Sie werden deshalb oft als Speicher- oder Stützkondensator für Versorgungsspannungen verwendet. Bei der sogenannten Formierung wird durch Elektrolyse auf einer Metallelektrode (Aluminium, Tantal oder Niob) eine Oxidschicht erzeugt, die als Isolation dient. Außerdem wird die Elektrode aufgerauht, damit eine möglichst große Oberfläche entsteht. Damit sich die Gegenelektrode an diese Oberfläche perfekt anpassen kann, wird diese als flüssiges oder gelförmiges Elektrolyt ausgeführt. Bei Elektrolytkondensatoren muss die Metallelektrode immer mit dem Pluspol der Spannungsquelle verbunden sein. Eine falsche Polung führt zur Zerstörung des Bauelementes. Es besteht sogar Explosionsgefahr! Beim Einbau von Elektrolytkondensatoren also unbedingt auf richtige Polung achten.

Einstellbare Kondensatoren

einstellbare Kondensatoren Für Einstell- und Abgleichzwecke gibt es Kondensatoren mit veränderlicher Kapazität. Dies erreicht man, indem man die Fläche der Elektroden, die sich gegenüberstehen, verändert. Schaltzeichen Kondensatoren Drehkondensatoren (Drehkos) bestehen aus einem feststehenden und einem beweglichen Plattenpaket, welches mehr oder weniger in das statische Plattenpaket hinein oder heraus bewegt werden kann. Als Isolator dient entweder Luft, oder bei Hartpapierkondensatoren (sogenannten "Quetschern"), Phenolharzpapier. Für einmaliges Abgleichen einer Schaltung gibt es wieder Trimmer, die durch ein passendes Werkzeug verstellt werden müssen und ansonsten von außen unzugänglich sind. Sie besitzen meist eine verstellbare und zum Teil bedampfte Keramikscheibe.

Spulen

Spulen sind so individuell, dass es nicht möglich ist hier eine Übersicht aller Bauformen zu geben. Es gibt fertige Induktivitäten in definierter Größe im Bastlerbedarf. In den meisten Fällen ist aber selbst wickeln angesagt. Für kleine Induktivitätswerte sind Luftspulen ausreichend. Bei größeren Werten benutzen wir Spulenkerne aus ferromagnetischem Material. Bei niedrigen Frequenzen sind das Eisenkerne. Das Magnetfeld der Spule erzeugt auch im elektrisch leitfähigen Kern Induktionsströme. Um die Verluste durch diese Wirbelströme zu verringern, werden die Eisenkerne nicht massiv ausgeführt, sondern aus voneinander elektrisch isolierten Eisenblechen zusammengesetzt. Bei Hochfrequenzanwendungen genügt auch das nicht und man benutzt stattdessen Ferritkerne. Ferrite sind Keramiken aus einem Gemisch von Pulvereisen und isolierendem Bindemittel.
Um die richtige Windungszahl der Spule zu berechnen hilft nur ein Blick in das Datenblatt zum entsprechenden Spulenkern. Sind die Daten unbekannt, weil wir z.B. aus alten Geräten ausgeschlachtete Teile verwenden, hilft wohl nur Probieren oder Messen.

Netztransformatoren

Netztrafo Für Niederfrequenztransformatoren und -drosseln gibt es genormte Blechpakete. Entsprechend der Form der Bleche werden sie als M-, EI- oder UI-Kerne usw. bezeichnet. Werden alle Bleche in einer Richtung in den Spulenkörper gestopft, entsteht ein Luftspalt. Dieser ist immer dann notwendig, wenn dem Wechselstrom in der Spule ein Gleichstrom überlagert ist, der den Kern bereits stark magnetisiert. Das Kernmaterial ist dann bereits magnetisch gesättigt und ein weiteres Ansteigen des Stromes würde den Magnetfluss nicht weiter erhöhen können. Ein Transformator mit Luftspalt arbeitet allerdings bei geringen Leistungen nicht mehr so effizient. Will man keinen Luftspalt im Kern, stopft man die Bleche einfach abwechselnd von der einen oder anderen Seite in den Spulenkörper.
Ein Netztransformator stellt uns die Spannung für den Betrieb unserer Schaltungen zur Verfügung und trennt den Arbeitsstromkreis vom Hausnetz. Er besteht aus mindestens zwei Spulen auf einem gemeinsamen Spulenkern. An die Primärspule kommt unsere Netzspannung, die ein wechselndes Magnetfeld im Kern erzeugt. Dieses Magnetfeld erzeugt dann in der Sekundärspule eine Spannung, deren Größe von dem Verhältnis der Windungszahlen beider Spulen abhängt. Dabei müssen wir aber berücksichtigen, dass auf dem Weg Verluste entstehen. Um sekundär die gleiche Spannung zu erhalten, wie auf der Primärseite, muss die Sekundärspule ein paar Windungen mehr bekommen.
Um unseren eigenen Trafo zu wickeln sind einige Dinge vorher zu bedenken und zu berechnen. Die Daten können wir aus den unten stehenden Tabellen entnehmen. Zunächst mal müssen wir die sekundär benötigten Spannungen und Ströme festlegen. Um die Primärleistung zu erhalten, müssen wir zur errechneten Sekundärleistung einen Zuschlag geben, um den Wirkungsgrad zu berücksichtigen $P_{primär} \approx 1,18 \cdot P_{sekundär}$. Diese bestimmt die Größe des Eisenquerschnitts. Wir wählen aus der Tabelle einen Kern mit dem nächsthöheren Eisenquerschnitt aus. Die in den Spulen fließenden Ströme bestimmen den Querschnitt des Wicklungsdrahtes. Damit der Draht nicht unnötig viel Platz braucht, benutzen wir Kupferlackdraht, also nur durch eine dünne Lackschicht isolierte Drähte. Die Wiederverwendung von Drähten aus alten Spulen ist prinzipiell möglich, aber kritisch. Die Lackisolation wird mit der Zeit spröde und kann beim erneuten Aufwickeln abplatzen. Also den Draht vorher genau begutachten. Außerdem sollten wir ausrechnen, ob für die Windungen ausreichend Platz vorhanden ist. Wenn nicht, müssen wir den nächstgrößeren Eisenkern wählen.
Ein Rechenbeispiel gibt es bei der Übungsaufgabe 6.

M-Kernblech
M-Blech

a = Blechbreite
b = Blechhöhe
c = Zungenbreite
d = Fensterhöhe
e = Fensterbreite

M 42 M 55 M 65 M 74 M 85a M 85b M 102a M 102b
maximale Leistung [VA] 4 12 25 50 70 100 120 180
Blechbreite, -höhe [mm] 42 55 65 74 85 85 102 102
Paketstärke [mm] 15 20 27 32 32 45 35 52
Eisenquerschnitt [cm2] 1,8 3,4 5,4 7,4 9,4 13 12 18
Blechzahl bei 0,35 mm [Stück] 41 54 72 86 86 118 95 138
Blechzahl bei 0,5 mm [Stück] 26 34 46 55 55 78 60 90
Eisenweglänge [cm] 10,2 13,1 15,5 17,6 19,7 19,7 23,8 23,8
Zungenbreite [mm] 12 17 20 23 29 29 34 34
ausnutzbare Fensterhöhe [mm] 7 8,5 10 12 11 11 13,5 13,5
ausnutzbare Fensterbreite [mm] 26,4 33,5 37 44 49 49 61 61
Fensterquerschnitt (brutto) [cm2] 2,7 4 5,6 7,1 7,5 7,5 11,5 11,5
Windungslänge, innen [cm/Wdg.] 7 9,3 11 12,8 14 15,4 16 19,3
Windungslänge, Mitte [cm/Wdg.] 9,2 12 14,4 16,5 17 18,4 19,8 23,2
Windungslänge, außen [cm/Wdg.] 11,1 13,8 16,7 19,8 20,3 21,7 23,5 27,1
Spannung je Windung (primär) [mV/Wdg.] 45 88 134 184 232 320 298 440
Windungen je Volt (primär) [Wdg./V] 22,1 11,4 7,5 5,4 4,3 3,1 3,3 2,3
Windungen je Volt (sekundär) [Wdg./V] 30 14 8 6 5 3 3 2

EI-Kernblech
EI-Blech

a = Blechbreite
b = Blechhöhe
c = Zungenbreite
d = Fensterhöhe
e = Fensterbreite
EI 48 EI 54 EI 60 EI 66 EI 78 EI 84a EI 84b EI 106a EI 106b EI 130a EI 130b
maximale Leistung [VA] 5 10 15 20 35 50 75 100 140 230 280
Blechbreite [mm] 48 54 60 66 78 84 84 105 105 130 130
Blechhöhe (mit Joch) [mm] 40 45 50 55 65 70 70 88 88 105 105
Paketstärke [mm] 16 18 20 22 26 28 42 35 45 35 45
Eisenquerschnitt [cm2] 2,56 3,24 4 4,8 6,8 7,8 11,8 12,3 15,8 12,3 15,8
Blechzahl bei 0,35 mm [Stück] 43 49 54 60 70 75 109 95 118 95 118
Blechzahl bei 0,5 mm [Stück] 27 31 34 37 44 48 75 60 78 61 78
Eisenweglänge [cm] 9,6 10,8 12 13,2 15,6 16,8 16,8 21 21 27 27
Zungenbreite [mm] 16 18 20 22 26 28 28 35 35 35 35
ausnutzbare Fensterhöhe [mm] 6 7 8 9 10,5 11,5 11,5 21 21 27 27
ausnutzbare Fensterbreite [mm] 21,5 24,5 27 30 35 38 38 49 49 66 66
Fensterquerschnitt (brutto) [cm2] 1,92 2,43 3 3,6 5,1 5,9 5,9 13,4 13,4 21 21
Windungslänge, innen [cm/Wdg.] 8 9,3 10,3 11,3 13,2 14,1 17,1 17,6 19,9 20,2 22,2
Windungslänge, Mitte [cm/Wdg.] 9 10,3 11,4 12,5 14,7 15,9 18,9 21,7 23,5 23,9 25,9
Windungslänge, außen [cm/Wdg.] 10,1 11,2 12,5 13,8 16,3 17,6 20,6 25,1 27,3 37,7 29,7
Spannung je Windung (primär) [mV/Wdg.] 57 74 92 110 156 180 275 284 365 284 365
Windungen je Volt (primär) [Wdg./V] 17,5 13,6 10,9 9,1 6,5 5,6 3,7 3,5 2,7 3,5 2,7
Windungen je Volt (sekundär) [Wdg./V] 50 15 12 10 9 6 4 4 3 4 3

Die benötigten Drahtdurchmesser und die für die Wicklungen benötigten Fensterquerschnitte lassen sich aus der folgenden Tabelle entnehmen.

Nenn-∅
[mm]
∅ CuL
[mm]
Nenn-
querschnitt
[mm2]
Imax
[A]
R je Meter
[Ω/m]
Wdg./cm2
[Wdg.]
Nenn-∅
[mm]
∅ CuL
[mm]
Nenn-
querschnitt
[mm2]
Imax
[A]
R je Meter
[Ω/m]
Wdg./cm2
[Wdg.]
0,03 0,045 0,0007 0,002 24,82 45000 0,37 0,40 0,108 0,274 0,1632 520
0,04 0,055 0,0013 0,003 13,96 25000 0,38 0,41 0,113 0,289 0,1547 500
0,05 0,062 0,0020 0,005 8,94 20000 0,39 0,42 0,120 0,304 0,1469 475
0,06 0,075 0,0028 0,007 6,21 15000 0,40 0,43 0,126 0,320 0,1396 450
0,07 0,085 0,0039 0,010 4,56 11000 0,42 0,45 0,139 0,353 0,1266 420
0,08 0,095 0,0050 0,013 3,49 9000 0,43 0,46 0,145 0,370 0,1209 390
0,09 0,108 0,0064 0,016 2,76 7000 0,45 0,48 0,159 0,405 0,1103 370
0,10 0,115 0,0079 0,020 2,23 6000 0,47 0,50 0,173 0,442 0,1012 330
0,11 0,13 0,0095 0,024 1,84 5000 0,48 0,51 0,181 0,461 0,0970 320
0,12 0,14 0,0113 0,029 1,55 4400 0,50 0,54 0,196 0,500 0,0894 300
0,13 0,15 0,0133 0,034 1,32 3600 0,55 0,59 0,238 0,605 0,0738 250
0,14 0,16 0,0154 0,039 1,14 3200 0,60 0,64 0,283 0,720 0,0621 210
0,15 0,17 0,0177 0,045 0,99 2800 0,65 0,69 0,334 0,845 0,0562 180
0,16 0,18 0,0211 0,051 0,87 2500 0,70 0,74 0,385 0,980 0,0455 160
0,17 0,19 0,0227 0,058 0,773 2250 0,75 0,79 0,444 1,125 0,0395 140
0,18 0,20 0,0254 0,065 0,689 2000 0,80 0,84 0,504 1,280 0,0348 120
0,19 0,21 0,0284 0,072 0,619 1800 0,85 0,90 0,570 1,445 0,0318 110
0,20 0,22 0,0314 0,080 0,557 1650 0,90 0,93 0,636 1,620 0,0275 100
0,21 0,23 0,0346 0,088 0,507 1500 0,95 1,00 0,711 1,805 0,0246 90
0,22 0,24 0,038 0,097 0,460 1400 1,00 1,05 0,786 2,000 0,0223 83
0,23 0,25 0,042 0,106 0,422 1300 1,10 1,16 0,951 2,420 0,0184 67
0,24 0,26 0,045 0,116 0,388 1250 1,20 1,26 1,131 2,880 0,0155 55
0,25 0,27 0,049 0,125 0,357 1100 1,30 1,36 1,329 3,380 0,0132 45
0,26 0,285 0,053 0,135 0,330 1000 1,40 1,46 1,540 3,920 0,0114 40
0,27 0,295 0,057 0,145 0,306 950 1,50 1,56 1,770 4,500 0,0099 33
0,28 0,305 0,062 0,157 0,285 870 1,60 1,66 2,015 5,120 0,0087 28
0,29 0,315 0,066 0,168 0,266 800 1,70 1,76 2,275 5,780 0,0077 24
0,30 0,33 0,071 0,180 0,248 770 1,75 1,81 2,365 6,125 0,0073 20
0,31 0,34 0,075 0,192 0,232 720 1,80 1,86 2,545 6,480 0,0069 17
0,32 0,35 0,080 0,205 0,218 690 1,90 1,96 2,840 7,220 0,0062 14
0,33 0,36 0,086 0,218 0,2051 650 2,00 2,07 3,142 8,000 0,0056 12
0,34 0,37 0,091 0,231 0,1932 600 2,20 2,27 3,800 9,500 0,0046 10
0,35 0,38 0,096 0,245 0,1824 580 2,50 2,57 4,910 12,300 0,0036 7
0,36 0,39 0,102 0,259 0,1724 540


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