Transformator mit der elektronischen Last prüfen und belasten

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Für Lehrer, Schüler, Auszubildende, praktische Messungen, Funktionsmuster, Rapid Prototyping und Experimente

Einleitung

Inhalt
Aufbau und Prüfvorrichtung für Belastung von Trafos mit der elektronischen Last, Gesamtansicht

Mit der elektronischen Last können nicht nur elektronische Netzteile belastet werden. Auch das Testen und Prüfen bzw. die Belastung von kleinen Transfomatoren ist möglich. Die folgende Anwendung beschreibt einen Testaufbau unter Verwendung von Steckplatinen und CEK-Modulen [7] als Ergänzung zur elektronischen Last. Als erste Übersicht soll das Bild rechts dienen. Die folgenden Positionen beziehen sich auf die Zahlen im Bild.

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1. Prüfling / Transformator, der belastet wird
2. Adapter 2mm / 4mm Bananenstecker
3. 4mm Laborkabel
4. Sicherung auf der Sekundärseite des Trafos
5. Prüfvorrichtung für Belastung des Trafos
6. Multimeter als Voltmeter
7. Multimeter als Amperemeter
8. Verbindung zur elektronischen Last mit 4mm Laborkabeln
9. Oszilloskop
10. elektronische Last
11.Versorgung der elektronischen Last mit Steckernetzteil

Dabei kommt man völlig ohne Löten und mechanische Bearbeitung aus (Ausnahme ist die Kühlung des Gleichrichters, wenn diese verwendet werden soll). Es werden nur Standard-Teile benutzt, die leicht zu beschaffen sind. Der Aufbau auf Steckplatinen geht in weniger als 30 Minuten und alle Teile auf den Steckplatinen können später wieder demontiert und weiterverwendet werden. Das gilt auch für die externe Verkabelung und Verbindungstechnik mit Laborkabeln und Adaptern. Der Aufbau kann für Experimente im Unterricht bzw. zur Ausbildung eingesetzt werden. Aber auch praktische Messungen im Elektroniklabor sind möglich. Die Prüfvorrichtung zeigt auch, dass es möglich ist, mit hohen Strömen auf Steckplatinen zu arbeiten, wenn für den Anschluss die entsprechenden CEK-Module verwendet und die Steckplatinen entsprechend verdrahtet werden.

Ziele

Inhalt


  • Die Prüfvorrichtung soll einen praktischen Nutzen haben, es sollen also reale Messungen möglich sein.
  • Die Schaltung soll einfach nachzuvollziehen und lehrreich sein, z.B. für Schüler und Auszubildende
  • Es werden nur elektronische Standard - Bauteile mit üblichen Toleranzen verwendet
  • Mit der Schaltung können verschiedene Experimente ohne großen Aufwand durchgeführt werden.
  • Es soll gezeigt werden, dass der Aufbau von Schaltungen mit relativ hohen Strömen auf Steckplatinen (Breadboards) möglich ist.
  • Alle Bauelemente und CEK-Module, die auf den Steckplatinen aufgebaut sind, sollen wieder verwendbar sein.
  • Es soll nicht gelötet werden.
  • Die Aufbauzeit soll kurz sein.
  • Änderungen und Experimente sollen leicht möglich sein.
  • Der Aufbau soll zu eigenen Versuchen und Experimenten animieren.

Daten

Inhalt

Tabelle Daten Prüfvorrichtung für Trafos

Parameter Wert Einheit
Maximale Leistung der elektronischen Last mit Transitor und Zwangskühlung 2N3055 70 W
Maximale Prüfspannung 30 V AC
Maximaler Prüfstrom der Testvorrichtung bedingt durch die verwendeten CEK-Module und die Verdrahtung 10 A AC


Die maximale Leistung ist durch die maximale Leistung der elektronischen Last, der Testvorrichtung und des Brückengleichrichters begrenzt. Der jeweils kleinste Wert ist bestimmend. In diesem Beispiel ist es der Brückengleichrichter B80C5000/3300 oder B40C5000/3300 was den Strom betrifft (5A) und die maximale Leistung der elektronischen Last (mit Transistor 2N3055 und Zwangskühlung 70W Dauerleistung, mit Transistor 2N3773 und Zwangskühlung 90W Dauerleistung).

Realisierung

Inhalt
Aufbau und Prüfvorrichtung für Belastung von Trafos mit der elektronischen Last

Die folgenden Positionen beziehen sich auf das Bild:

Für größeres Bild Klick

1. Steckplatine BB-01 ohne obere Busleiste
2. Steckplatine BB-01 ohne untere Busleiste
3. CEK-Modul 4mm Laborbuchsen CN-4MM [8], Eingang der Prüfvorrichtung
4. Sicherung im Sekundärkreis (siehe Bild unten)
5. CEK-Modul 4mm Laborbuchsen CN-4MM [9], Eingang der Prüfvorrichtung für Messung des Sekundärstroms
6. CEK-Modul 2mm Labor-Buchsen CN-2MM [10] zur Messung der Sekundärspannung
7. CEK-Modul Kippschalter S-TG02-1U [11]um Siebkondensator zu oder abzuschalten
8. CEK-Modul 4mm Laborbuchsen CN-4MM [12] als Ausgangsbuchsen zur Verbindung mit der elektronischen Last
9. *CEK-Modul Anschlussklemme 5,08mm abziehbare Anschlussklemmen 6-fach CN-A02-61K [13] zum Anschluss des Brückengleichrichters
10. Brückengleichrichter (siehe Bild unten)
11. Verdrahtung mit fertig konfektionierten Drahtbrücken
12. Shunt 0,1 Ohm zur Strommessung bzw. für Oszilloskop
13. Shunt 0,01 Ohm zur Strommessung bzw. für Oszilloskop (siehe Bild unten)


Die einzelnen Positionen werden im Folgenden im Detail erläutert:


Steckplatinen Pos. 1) - 2)

Inhalt
Steckplatine BB-01 ohne obere / untere Busleiste

Die gesamte Schaltung ist auf Steckplatinen (Breadboards) der Serie Standard - Line aufgebaut. Es kann jedoch genau so gut die Serie Profi - Line GL verwendet werden. Die Schaltung würde auch auf die Steckplatine GL-24 oder Steckplatine BB-2T4D passen.

CEK-Modul 4mm Laborbuchsen CN-4MM als Eingang der Prüfvorrichtung Pos. 3)

Inhalt
CEK-Modul 4mm Laborbuchsen CN-4MM [1]

Als Eingangsbuchsen wird das CEK-Modul 4mm Laborbuchsen CN-4MM für Bananenstecker [14] verwendet. Diese Buchsen können mit 10A belastete werden. Das Messobjekt wird über 4mm Laborkabel und eine Sicherung mit der Prüfvorrichtung verbunden

Sicherung im Sekundärkreis

Sicherung im Sekundärkreis Pos. 4)

Inhalt
Sicherung im Sekundärkreis

Im Sekundärkreis des Transformators befindet sich eine Sicherung in einem Sicherungshalter mit Bajonettverschluß. Dieser besitzt Schraubklemmen als Anschlussklemmen. Mit diesen Schraubklemmen werden 2mm Pin / 4mm Buchse Adapter befestigt, in die 4mm Laborkabel gesteckt werden können.

CEK-Modul 4mm Laborbuchsen CN-4MM zur Messung des Sekundärstroms Pos. 5)

Inhalt
CEK-Modul 4mm Laborbuchsen CN-4MM [2]

An die 4mm Buchsen des Moduls [15] können die Messleitungen des Multimeters / Amperemeters angeschlossen werden. Es wurde das Modul mit den 4mm Bananenbuchsen gewählt, da es eine hohe Strombelastbarkeit von 10 A hat. Die Verdrahtung auf der Steckplatine muss dann mit mindestens 3 parallelen Verbindungen ausgeführt werde. Wenn nur 6A benötigt werden, kann auch das Modul mit den 2mm Buchsen [16] verwendet werden. Für Messgeräte mit 2mm Anschlusskabel wird ein Adapter 4mm Pin / 2mm Buchse mit Feder benötigt. Wenn ein Shunt verwendet wird, dienen die Buchsen zu Messung des Spannungsabfalls über den Shunt. An die Buchsen kann in diesem Fall ein Voltmeter, am besten mit True RMS Messung und / oder der Kanal eines Oszilloskops angeschlossen werden.

CEK-Modul 2mm Labor-Buchsen CN-2MM zur Messung der Sekundärspannung Pos. 6)

Inhalt
CEK - Modul 2mm Labor - Buchsen CN-2MM [3]

In die 2mm Messbuchsen [17] können 2mm Anschlüsse des Multimeters direkt gesteckt werden. Hat das Multimeter 4mm Anschlüsse, werden Adapter 2mm Pin / 4mm Buchse benötigt.

CEK-Modul Kippschalter S-TG02-1U um Siebkondensator zu oder abzuschalten Pos. 7)

Inhalt
CEK - Modul Kipp - Schalter [4]

Mit dem CEK-Modul Kippschalter S-TG02-1U [18] kann ein Siebelko zu oder abgeschaltet werden. Damit kann schnell experimentell die Brummspannung bei unterschiedlichen Kondensatoren und Strombelastungen ermittelt werden. Allerdings ist der Strom im Sekundärkreis des Transformators dann nicht mehr sinusförmig, die Anzeige des Amperemeters ist nicht mehr brauchbar, wenn es kein TRMS - Multimeter ist.

CEK-Modul 4mm Laborbuchsen CN-4MM als Ausgangsbuchsen zur Verbindung mit der elektronischen Last Pos. 8)

Inhalt
CEK - Modul 4mm Labor - Buchsen CN-4MM [5]

Zur Verbindung mit der elektronischen Last dienen Laborkabel mit 4mm Bananensteckern.

CEK-Modul Anschlussklemme 5,08mm abziehbare Anschlussklemmen 6-fach CN-A02-61K Pos. 9)

Inhalt
CEK-Modul Anschlussklemme 5,08mm abziehbare Anschlussklemmen 6-fach CN-A02-61K [6]

Über das CEK-Modul Anschlussklemme 5,08mm abziehbare Anschlussklemmen 6-fach CN-A02-61K [19] wird der Brückengleichrichter angeschlossen.

Brückengleichrichter Pos. 10)

Inhalt
Brücken - gleichrichter B80C5000 / 3300 mit Kühlung

Der Brückengleichrichter wurde auf einen Kühlkörper montiert. Es ist ein B80C5000/3300 der mit Kühlung einen maximalen Strom von 5A erreicht. Der Brückengleichrichter kann nicht direkt in die Steckplatine gesteckt werden, da der Durchmesser der Anschlussdrähte zu groß ist.

Die Befestigung des Brückengleichrichters auf dem Kühlkörper erfolgt mit der passenden Befestigungsschelle. Hierzu müssen im richtigen Abstand zwei Löcher für M3 Schrauben in den Kühlkörper gebohrt werden. Die Anschlüsse des Gleichrichters werden in eine Lüsterklemme gesteckt und festgeschraubt. Die Lüsterklemme wird ebenfalls mit Schrauben auf dem Kühlkörper befestigt. In die gegenüber liegenden Anschlussklemmen der Lüsterklemme werden abisolierte Litzendrähte gesteckt, deren anderes Ende mit der Anschlussklemme in Pos. 9) verschraubt werden.


Verdrahtung mit fertig konfektionierten Drahtbrücken Pos. 11)

Inhalt
Verdrahtung mit Drahtbrücken

Die Verdrahtung auf den Steckplatinen erfolgt mit vorkonfektionierten Drahtbrücken. Der Haupt - Stromweg ist 4-fach ausgelegt. Dies erlaubt einen Strom von 12A. Da bei der Anschlussklemme [20] jeweils einen Kontakt auf 2 PINs der Stiftleiste geführt ist, ist deren maximaler Strom 6A. Daher werden von der Oberseite der Stiftleiste weitere Verbindungen mit Buchse - Pin Kabeln auf die Steckplatine geführt.

Shunt 0,1 Ohm zur Strommessung bzw. für Oszilloskop Pos. 12)

Inhalt
Shunt 0,1 Ohm zur Strom - Messung bzw. für Oszilloskop

Der Shunt wird zur Strommessung mit einem Voltmeter / Multimeter verwendet. Er ist nicht unbedingt notwendig, es kann statt dessen auch ein Amperemeter / Multimeter eingesetzt werden. Auch dann kann der Kurvenverlauf mit dem Oszilloskop sichtbar gemacht werden, denn letztendlich befindet sich im Multimeter auch ein Shunt zu Strommessung. Im 20A Bereich des Multimeters hat dieser einen Wert von 0,01 Ohm. Allerdings sind kalibrierte Messungen mit dem Oszilloskop dann nur eingeschränkt möglich, da die Widerstände der Zuleitungen und die Kontaktwiderstände in die Messung eingehen. Da wir zur Zeit noch kein CEK-Shunt-Modul haben, wurde der Shunt diskret aufgebaut. Zwei Steckerleisten mit 7 vergoldeten Kontakten , wie sie auch für die CEK-Module [21] verwendet werden, dienen zum Einstecken in die Steckplatine. Die 7 Kontakte werden jeweils mit einem versilberten Draht mit 1mm Durchmesser überbrückt, d. h. er wird wie im Bild gezeigt angelötet. Die 5 jeweils äußeren Kontakte dienen zur Stromzuführung. An den beiden inneren stromlosen Kontakten wird die Spannung über den Widerstand abgegriffen. Der gezeigte Widerstand reicht für Strommessungen bis 5A. Er hat eine Toleranz von 1%.

Shunt 0,01 Ohm zur Strommessung bzw. für Oszilloskop Pos. 13)

Inhalt
Shunt 0,01 Ohm zur Strommessung bzw. für Oszilloskop

Der Shunt mit 0,01 Ohm ist ähnlich aufgebaut. Hierbei sind aber nur die 5 äußeren Kontakte der Stiftleiste gebrückt. Die beiden inneren dienen zum Abgreifen der Spannung. Die 5 äußere Kontakte sind mit einem Widerstandsdraht von etwas mehr als 0,01 Ohm verlötet. Mit zwei versilberten Drähten wird der Widerstandsdraht mit den Spannungsabgriffen verbunden. Die Lage der Drähte ist bestimmend für den Spannungsabfall am Widerstandsdraht. Mit einem Multimeter / Amperemeter und einem Labornetzteil als Stromquelle wird der Shunt abgeglichen.

Schaltung und Funktion

Inhalt
Vereinfachtes Schaltbild der Prüfvorrichtung für Trafos auf Steckplatinen
Komplettes Schaltbild der Prüfvorrichtung für Trafos auf Steckplatinen

An Hand des vereinfachten Schaltbilds wird die Funktion der Prüfvorrichtung für Trafos auf Steckplatinen erläutert.

Primärseite Netzanschluß

Über einen Schuko - Stecker mit Schutzleiter CN1 und eine Sicherung F1 wird der Transformator an das 230V Haushaltsnetz angeschlossen. Die Sicherung muß je nach Grösse des Transformators bemessen sein, z.B. bei einem 50VA Trafo 0,5A träge. Der Schutzleiter wird mit dem Blechpaket des Transformators verbunden, z.B. über eine Schraubverbindung.

Sekundärseite

Auf der Sekundärseite gibt es eine zweite Sicherung F2, die etwas größer als der Nennstrom des Transformators bemessen wird, aber kleiner als der maximale Strom des Brückengleichrichters also z.B. 5A träge. I2 liegt parallel zur Sekundärwicklung und ist ein Wechselspannungs - Voltmeter, z.B. ein Multimeter. Der Sekundärstrom wird mit I1 gemessen, ebenfalls ein Multimeter. Es ist zu beachten, dass ein nicht TRMS (True RMS) Amperemeter fehlerhafte Messungen liefert, wenn der Strom nicht sinusförmig ist. Dies ist z.B. der Fall, wenn der Siebkondensator an den Ausgang geschaltet wird. Gemessen wird der Spannungsabfall, der über den Shunt R1 entsteht. Alternativ kann der Shunt auch entfallen und ein Amperemeter / Multimeter verwendet werden. Es folgt der Brückengleichrichter D1, in diesem Beispiel ein B80C5000/C3000, welcher die Sekundärspannung gleichrichtet. Die gleichgerichtete Spannung wird von der elektronischen Last variabel belastet. Optional kann zwischen Prüfvorrichtung und elektronischer Last ein Amperemeter / Multimeter bzw. an die Ausgangsklemmen der Prüfvorrichtung ein DC Voltmeter / Multimeter geschaltet werden.

Die komplette Schaltung ist im Schaltbild rechts wiedergegeben. Es wird gezeigt, wie die einzelnen CEK Module [22] auf den Steckplatinen verschaltet sind. Die Schaltzeichen der Module sind sind im Stromlaufplan in etwa so angeordnet wie in Wirklichkeit. Zusätzlich sind die Bilder der einzelnen Module zu sehen.


Ergebnisse

Inhalt

Mit diesem Aufbau Prüfvorrichtung für Trafos auf Steckplatinen mit CEK-Modulen folgendes erreicht:

  • mit der Prüfvorrichtung können praktische Messungen durchgeführt werden, sie hat also einen praktischen Nutzen
  • Es ist möglich, Schaltungen mit hohen Strömen auf Steckplatinen (Breadboards) zu realisieren
  • Die Aufbauzeit ist kurz, Änderungen und Experimente sind schnell durchführbar.
  • Der komplette Versuchsaufbau ist lötfrei.
  • Der Versuchsaufbau ist robust und stabil und führt zu reproduzierbaren Ergebnissen.
  • Die Messgeräte und Prüflinge können mit Standardanschlüssen (2mm Stecksystem, 4mm Stecksystem, usw. angeschlossen werden)
  • Alle Bauelemente und CEK - Module [23], die auf den Steckplatinen und auch außerhalb aufgebaut sind, können wieder verwendet werden.


Messergebnisse

Inhalt
Sekundärspannung eines Trafos in Abhängigkeit vom Sekundärstrom

Das folgende Bild zeigt die Sekundärspannung eines Trafos in Abhängigkeit vom Sekundärstrom.

Sekundärstom und Sekundärspannung bei I_DC=4,3A ohne Siebkondensator

Das folgende Bild zeigt die Sekundärspannung (rote Kurve) des Transformators und den zugehörigen Stromverlauf (blaue Kurve). Der Spitzenstrom ist ca. 5A. Der trapezförmige Stromverlauf kommt durch die elektronische Last zustande. Bei einer reinen ohmschen Last wäre der Kurvenverlauf sinusförmig.

Sekundärspannung des Transformators bei 4,3A DC ohne Siebkondensator

Das Bild zeigt die gleichgerichtete Sekundärspannung des Transformators bei einer Belastung mit 4,3 A DC ohne Siebkondensator. Die Sekundärspannung des Trafos wurde bei dieser Belastung mit dem Oszilloskop aufgenommen. Das folgende Bild zeigt den Kurvenverlauf der Sekundärspannung ohne Siebkondensator. Bei einer idealen ohmschen Last würden sich die Halbwellen auf der x-Achse spitz treffen. Die Verrundung in Nähe der x-Achse kommt durch die Sättigungsspannung des Transistors in der elektronischen Last.

Sekundärspannung bei 4,3A DC mit Siebkondensator 4700µF

Das Bild zeigt die gleichgerichtet Sekundärspannung, die mit einem Glättungskondensator von 4700µF geglättet wurde.

Aus dem Oszillogramm kann abgelesen werden:

  • Spitzenspannung: 15,8 V
  • Brummspannung: 5,2 V

Durch die Belastung bricht die Spannung also auf einen Wert von 10,6V ein.

Sekundärspannung und Sekundärstrom bei 4,3A DC mit Siebkondensator 4700µF

Das Bild zeigt die Sekundärspannung und den Sekundärstrom mit Siebkondensator. Die Kurvenform des Sekundärstroms hat sich nun stark verändert. Der Siebkondensator wird mit recht hohen Strom geladen. Der Spitzenstrom beträgt 12A. Ein nicht True RMS Voltmeter bzw. Amperemeter zeigt für den Strom nun falsche Werte an.

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Siehe auch (Artikel)

Inhalt

Bezugsquellen

Inhalt
  • CEK - Module [24]
    • CEK-Modul 2mm Labor-Buchsen CN-2MM [25]
    • CEK-Modul 4mm Laborbuchsen CN-4MM [26]
    • CEK-Modul Anschlussklemme 5,08mm abziehbare Anschlussklemmen 6-fach CN-A02-61K [27]
    • CEK-Modul Kippschalter S-TG02-1U [28]




Categorie:CEK Module Anwendungen