Netzteil & Trafo

Tranformator oder Netzteil

Der Transformator ist ein Bauteil, das eine Wechselspannung in eine andere verwandelt. Ein Netzteil hingegen ist ein Gerät, das eine Betriebsspannung aus der Netzspannung gewinnt. Die Betriebsspannung kann im einfachsten Fall eine Wechselspannung sein und das Netzteil somit nur aus Stecker, Trafo und Gehäuse bestehen. Ein Netzteil kann aber auch einstellbare geregelte Gleichspannungen zur Verfügung stellen, und das ganz ohne Verwendung von Trasformatoren.

Wenn der Strom aus der Steckdose kommt, dann ist er lebensgefährlich. Das liegt indirekt an der Spannung von 230 Volt. Die Spannung an sich ist für den Menschen nicht gefährlich, sondern der Strom der durch den Menschen fließt, sobald eine Spannung an ihn angelegt wird.

Als Faustregel gelten Ströme ab 50 mA als lebensgefährlich. Was nicht heißt, dass man nicht schon bei geringerer Stromstärke sterben kann. Der Mensch hat einen Widerstand von etwa 1000 Ohm (von Hand zu Hand). Somit fliessen bei 230 V:

I = 230V / 1000 Ohm = 230 mA

Also Finger weg von der Netzspannung.

Da die Fahrbahnleiter frei zugänglich sind, müssen Slotcars mit einer ungefährlichen Spannung betrieben werden.

Gebräuchlich sind Spannungen zwischen 12V und 18V nominal. Auf das nominal gehen wir noch ein.

Netzteil

Die Umsetzung der Netzspannung in die Fahrspannung erfolgt mit einem Netzteil. Die Netzteile die den analogen Starterpackungen beiliegen sind für gewöhnlich von einfachster Machart. Sie vereinen einen Trafo und meist einen Gleichrichter und einen Kondensator in einem Gehäuse.

Trafos

Der Transformator (Kurzform Trafo) macht aus der Netzspannung von 230V Wechselspannung eine Wechselspannung in etwa in der Höhe der Fahrspannung.

Der Transformator besteht aus zwei Drahtspulen. Die eine ist mit der Netzspannung verbunden und wird somit von einem Strom durchflossen. Der Strom erzeugt, genau wie bei einem Motor, ein Magnetfeld. Durch die Wechselspannung ändert sich dieses Magnetfeld ständig. Das Magnetfeld wirkt auf die zweite Spule und induziert dort eine Spannung. Das geschieht, weil sich die Spule in einem Magnetfeld befindet das sich ändert.
Da der Trafo nur wegen der Änderung des Magnetfelds funktioniert, kann ein Trafo nur mit wechselnder Spannung betrieben werden.

Die Anzahl der Wicklungen der beiden Spulen und die Dicke der Drähte bestimmen die Induktionsspannung und wieviel Strom dem Trafo entnommen werden kann.

Durch sogenannte Eisenkerne lässt sich die Effizienz des Trafos einfach und kostengünstig erhöhen und somit gibt es heute keine Trafos mehr ohne Eisenkerne.

Die Spule, die mit der Spannungsquelle verbunden wird, nennt man die Primärspule, die Spule, der die Spannung entnommen wird, nennt man Sekundärspule.

Ein Trafo hat ein paar wichtige Kenngrößen:

Nennfrequenz: Die Wechselspannung bestimmt die Magnetfeldänderung. Da die induzierte Spannung davon abhängt wie schnell sich das Magnetfeld ändert, muss man wissen für welche Frequenz (Änderungshäufigkeit) die angegeben Daten gelten. Da der Trafo am Stromnetz betrieben wird, sind wir nur an Trafos mit einer Nennfrequenz von etwa 50 Hz interessiert.

Die Nennfrequenz wird in Hertz (Hz) angegeben.

Nennleistung: Die Nennleistung gibt an welche Leistung der Trafo abgeben kann. Da im Trafo Verluste auftreten, nimmt er bis zu 50% mehr Leistung auf als er abgibt.

Die Nennleistung wird in Watt (W) oder Volt Ampere (VA) angegeben.

Primärspannung: Die Primärspannung gibt an für welche Eingangsspannung der Trafo ausgelegt ist. Für den Betrienb am Stromnetz muss die Primärspannung 230V betragen.

Primärstrom: Der Primärstrom gibt den Strom an, den der Trafo aufnimmt, wenn er die Nennleistung abgibt. Da im Trafo Verluste auftreten ist der Primärstrom höher als der theoretische Wert von Nennleistung / Primärspannung.

Sekundärspannung oder Nennspannung: Die Sekundärspannung ist die Spannung die an der Sekundärseite des Trafos anliegt, wenn er mit dem Nennstrom belastet wird.

Sekundärstrom oder Nennstrom: Der Sekundärstrom gibt die Höhe des Stromes an der fliesst, wenn der Trafo die Nennleistung abgibt.

Leerlaufspannung: Wird der Trafo nicht belastet, so gibt er nicht die Sekundärspannung ab, sonder die Leerlaufspannung, die zum Teil deutlich höher liegt. Vergleichbar zu einem Motor der unbelastet höhere Drehzahlen erreicht als belastet.

Größe, Gewicht, und Anschlussbelegung sind selbsterklärend.

Sicherheitszeichen: Jeder Trafo den man verwendet sollte auf Sicherheit geprüft worden sein. Geprüfte Geräte tragen die Logos der jeweiligen Prüfinstitute wie VDE, TÜV, CE, UL usw..

Ein tyischer "Hobby Slotcar Trafo" hat folgende Werte:

Nennleistung:
Primärspannung:
Primärstrom:
Sekundärspannung:
Sekundärstrom:
Leerlaufspannung:

8,5W
230V
50mA
14V
600mA
17V

Es gibt auch Trafos mit mehr als zwei Spulen. Netz-Trafos haben häufig zwei Primärspulen. Für den Betrieb mit 230 V werden die Spulen in Serie und für den Betrieb an 115V parallel geschaltet.

Trafos mit mehr als einer Sekundärspule werden verwendet, wenn man entweder die gleiche Spannung unabhängig voneinander oder aber verschiedene Sekundärspannungen benötigt.

Gleichrichtung

An der Sekundärseite des Trafos steht nun eine ungefährliche zu den Motoren passende Wechselspannung bereit.

Da die Motoren aber mit Gleichspannung betrieben werden, muss die Wechselspannung in Gleichspannung gewandelt werden.

Dies geschieht mit einem Gleichrichter.

Der Gleichrichter ist meist Teil des Netzteils und befindet sich dann im gleichen Gehäuse wie der Trafo. Bei Scalextric Classic allerdings befindet sich der Gleichrichter in der Anschlussfahrbahn.

Es gibt verschiedene Arten der Gleichrichtung. Bei Slotcars werden ausschließlich Brückengleichrichter verwendet. Jeder Brückengleichrichter besteht aus 4 Dioden.

Die Dioden sind Halbleiter und haben eine begrenzte Strom- und Spannungsfestigkeit. So dass beim Eigenbau auf die richtige Wahl der Dioden geachtet werden muss. Auch sollte man Rennmotore nicht mit Anschlussfahrbahnen mit eingebauten Gleichrichtern verwenden, da diese nicht für Rennmotoren ausgelegt sind. Überhaupt ist beim Einsatz von Rennmotoren auf die Wahl des Netzteiles zu achten.

Auf der einen Seite geht eine Wechselspannung in den Gleichrichter und auf der anderen Seite kommt eine Gleichspannung heraus. Die Gleichspannung hat noch einen kleinen Anteil an Wechselspannung, weshalb ein Kondensator an den Ausgang des Gleichrichters angeschlossen wird, der diese "Restwelligkeit" weiter verringert.

Anschluss

Jetzt sind wir endlich soweit. Die Gleichspannung wird nun über den Handregler mit der Fahrbahn verbunden. Und los gehts.

Misst man eine Gleichspannung, so ist sie negativ oder positiv, je nachdem welchen Pol (Anschluss) man als Bezugspunkt wählt. Da man lieber mit positiven als mit negative Zahlen rechnet, legen wir den Bezugspunkt so, dass die gemessenen Spannungen positiv sind.

Der Pol, den wir als Bezugspunkt gewählt haben, nennen wir die Masse oder den Minuspol.

Den anderen Pol nennen wir Pluspol.

Einer der beiden Pole wird direkt mit dem einen Fahrbahnleiter verbunden. Dies ist ausser bei Carrera immer die Masse. Nur Carrera verwendet den Pluspol als ungeregelten Leiter.

Der andere, der geregelte Fahrbahnleiter, wird mit dem Ausgang des Handreglers verbunden.

Im Schaltbild sind zwei Handregler mit Potentiometer eingezeichnet.

Stellt man nun ein Auto auf die Fahrbahn und drückt den zugehörigen Regler, so erwartet man das nun alles so abläuft wie im Motorenkapitel beschrieben. Aber dem ist nicht so.

Bei all unseren bisherigen Betrachtungen gingen wir davon aus, dass die Versorgungsspannung sprich die Netzteilspannung sich nicht ändert. Bei einem einfachen Netzteil, wie sie den analogen Startpackungen beiliegen, ist dies aber nicht der Fall.

Wie oben erwähnt liefert der Trafo unbelastet eine Spannung in Höhe der Leerlaufspannung. Wird er mit dem Nennstrom belastet, liefert er nur noch die Nennspannung.

Wird nun also Vollgas gegeben fliesst sofort ein hoher Strom und der Motor fängt an zu Drehen. Durch den Strom fällt zum einen eine höhere Spannung am Potentiometer ab und zum anderen bricht die Spannung des Trafos ein. Zusätzlich beginnt die Induktionsspannung zu steigen. Durch all das sinkt der aufgenommenen Strom, aber das Drehmoment ist immer noch hoch genug um den Motor schneller drehen zu lassen. Durch die geringere Stromaufnahme steigt wieder die Spannung am Motor, da der Trafo weniger belastet wird und eine kleiner Spannung am Motor abfällt. Gleichzeitig steigt die induzierte Spannung. Irgendwann stellt sich ein Arbeitspunkt ein an dem die Trafospannung und der dem Trafo entnommen Strom konstant sind. Wichtig ist dass die Trafospannung unter der Belastung sinkt und dies einen Einfluss auf die Geschwindigkeit hat (weniger Spannung, weniger Drehzahl, geringere Geschwindigkeit).

Ein Netzteil zwei Autos

Fahren nun zwei Autos mit Vollgas, so nehmen sie doppelt so viel Strom auf, wie nur ein Auto. Entsprechend stark bricht die Trafospannung ein und die Geschwindigkeit passt sich entsprechend an. Fliegt nun ein Auto aus der Bahn halbiert sich die Belastung des Trafos plötzlich und die Trafo Spannung springt nach oben. Das bedeutet, dass das verbleibende Auto einen Spannungs- und somit einen Drehzahl- und somit einen Geschwindigkeitsschub bekommt.

Und das erklärt warum, wenn mehrere Bahnen mit nur einem Trafo betrieben werden:

bessere Rundenzeiten gefahren werden, wenn nur ein Auto unterwegs ist und warum
wenn ein Auto rausfliegt das andere oft aus der nächsten Kurve fliegt.

Ein dicker Trafo, zwei Autos

Offensichtlich hängt die Stärke des Problems von der Stärke des Spannungseinbruches des Trafos ab.

Bei einer Belastung in Höhe des Nennstroms bricht die Spannung um die Differenz von Leerlauf- und Nennspannung ein. Um die Sache übersichtlich zu halten gehen wir davon aus, dass bei einer Belastung mit dem halben Nennstrom auch der Spannungseinbruch nur halb so groß ist (was er nicht ist. aber sei's drum).

Wählt man also einen Trafo der bei gleicher Leerlauf- und Nennspannung einen größeren Nennstrom liefert, so bricht die Spannung weniger zusammen.

Allerdings muss man den Trafo schon viel stärker wählen, damit der Effekt deutlich schwächer wird.

Ausserdem kann es einem passieren, dass das Problem in aller Deutlichkeit zurückkommt, sobald man Fahrzeuge mit höherer Stromaufnahme einsetzt (stärkere Motoren oder stärkere Magnete zum Beispiel).

Es gibt aber eine bessere Lösung:

Zwei Netzteile zwei Autos

Jede Spur hat ihr eigenes Netzteil. Das heisst egal was auf der einen Spur passiert, die andere wird nicht betroffen. Carrera verwendet eine Variante bei der statt zweier Trafos, ein Trafo mit zwei Sekundärwicklungen verwendet werden. Das ist so zu sagen die Sparversion. Der Vorteil ist der geringere Preis, der Nachteil ist das es noch eine sehr kleine gegenseitige Beeinflussung der Wicklungen gibt.

Im Schaltbild sind beide Bahnen ohne gemeinsamen Bezugspunkt. Es gibt allerdings auch Varianten in denen die ungeregelten Leiter miteinander verbunden sind.

Eine andere Lösung wäre der Einsatz eines:

Geregelten Netzteils

Während die Ausgangsspannung eines ungeregelten Netzteils mit der Belastung schwankt, liefert ein geregeltes Netzteil immer die gleiche Spannung.

Es gibt getaktete und lineare Spannungsregler.

Ein linearer Spannungsregler erhält vom Gleichrichter eine Spannung die selbst unter Last noch höher als die gewünschte Ausgangsspannung des Netzteils ist. Der Spannungsregler lässt dann, ganz salopp ausgedrückt, nur einen Teil der Spannung durch. Der Rest wird in Wärme verwandelt. Das ist auch schon der Hauptnachteil des linearen Spannungsreglers, er erzeugt viel Wärme und ist nicht besonders effizient. Ausserdem sind lineare Netzteile mit hoher Leistung wegen des benötigten Trafos, groß und schwer. Dafür sind lineare Netzteile einfach zu bauen. Und man kann mit sehr wenig Aufwand ein Netzteil bauen, bei dem die Ausgangsspannung stufenlos einstellbar ist.

Ein getakteter Spannungsregler richtet die Eingangsspannung gleich und verbindet die hohe gleichgerichtete Eingangsspannung für kurze Zeit mit einer Spule die die Energie aufnimmt, sich sozusagen auflädt. Auf der anderen Seite wird Strom entnommen, der sie wieder entlädt. Je mehr Strom gebraucht wird, desto schneller entlädt sich die Spule und desto länger muss die Eingangsspannung mit der Spule verbunden sein um die Ausgangsspannung zu halten. Der Vorteil ist das man ein getaktetes Netzteil, ein sogenanntes Schaltnetzteil, kleiner und leichter bauen kann als ein lineares Netzteil mit gleicher Leistung und die Verlustleistung und somit die erzeugte Wärme deutlich geringer sind. Der Nachteil ist der höhere Bauteilaufwand. Allerdings gibt es inzwischen eine große Zahl von Schaltregler ICs, so dass Schaltnetzteile oft nicht mehr teurer sind als lineare Netzteile. Eigentlich benötigt ein Schaltnetzteil keinen Trafo, aber aus Sicherheitsgründen wird trotzdem häufig ein Trafo eingesetzt. Da er anderen Anforderungen unterliegt als der Trafo in einem linearen Netzteil, ist er um ein Vielfaches kleiner und leichter.

Man kann mehrere Spuren mit nur einem geregelten Netzteil versorgen und die Beeinflussung der Spuren ist minimal. Aber auch hier gilt, wer auf Nummer sicher gehen will, verwendet für jedes Spur ein eigenes Netzteil.

Labornetzteil

Dabei handelt es sich um geregelte Netzteile, bei denen man die Ausgangsspannung einstellen kann. Das hat den Vorteil, dass man die maximale Geschwindigkeit der Autos einstellen kann.

Oft haben Labornetzteile zwei Ausgangsspannungen die getrennt geregelt werden können. Sie sind sozusagen zwei Netzteile in einem. Perfekt für zwei Fahrspuren.

Also wie jetzt ?

Für den normalen Heimbetrieb sollte man jede Fahrspur mit einem eigenen Trafo versorgen. Dazu reichen die vom Hersteller angebotenen Trafos aus.

Möchte man etwas "mehr" oder braucht man etwas mehr, sollte man zu einem geregelten Netzteil greifen. Vor allem wenn man ausser den Standard Modellen im Maßstab 1:32 auch Modelle im Maßstab 1 : 24 verwendet, ist es praktisch wenn man die Höhe der Ausgangsspannung einstellen kann. Ein Labornetzteil ist hier eine gute Wahl.

Und die Krönung ist dann ein eigenes einstellbares geregeltes Netzteil (oder ein Netzteil mit mehreren Ausgängen) für jede Fahrspur.

Wieviel darfs denn sein ?

Bei einem geregelten Netzteil, sollte die Spannung um die 15V liegen. Bei einem einstellbaren Netzteil sollte man ein Modell mit einer Höchstspannung von midestens 20V wählen.

Für den Heimbetrieb deckt ein Netzteil mit 2A pro Spur alle Eventualitäten ab.