Stromversorgung,
verschiedene Alternativen:
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Es
wird davon ausgegangen, dass für einen Nachbau Übung im Umgang mit
elektrischen Geräten vorhanden ist.
Eine Haftung für Schäden an Sachen und Gesundheit wird hiermit
ausgeschlossen.
Im Zweifelsfall sind Sachkundige zu befragen!
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Ein traditionelles
Autobatterieladegerät
besteht aus einem genau ausgelegten Trafo mit einer kräftigen
Sekundärwicklung, einer Temperatursicherung, einem
Brücken-Leistungsgleichrichter, einem sicher optionalen Strommessgerät
und einer Sicherung.
Das Gerät hier ist mit 12 V / 4 A eff auf
dem Typenschild benannt. Das sollte eine Leistung von 48 W erwarten
lassen. Der Drahtdurchmesser der Sekundärwicklung beträgt 1 mm, was
wiederum für eine Auslegung des Ausgangsstroms von 2,5 A spricht (und
in der Tat benutzt der Hersteller in seinem letzten Datenblatt für
dieses Gerät (2002) die Formulierung "2,5 A arithmetisch" dafür). Der
verwendete Trafo sollte vom Kern her ca. 22 W leisten können. Der
Gleichrichter ist zum Batterieladen nötig, zum Styroporschneiden nicht.
Er "frisst" bei Hochlast Spannung (Spannungsabfall 3 V), was von Nutzen
oder auch störend sein kann. Wer "Volt" braucht, könnte also versuchen,
die Wechselspannung direkt nach dem Trafo nach außen zu führen.
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Ein Netzteil
aus einem abgelegten PC ist
keine schlechte Stromquelle.
Zum Ausbau zieht man alle Kabelstränge von den Verbrauchern ab und löst
die vier Schrauben, mit denen das Netzteil hinten mit dem PC-Gehäuse
verschraubt ist. Die abgegebene Leistung ist meistens per Aufkleber
angegeben.
Dieses Netzteil - die 3,3 V Speisung ging just kaputt, als ich
beschloss, diese Seiten zu schreiben - gibt jetzt nur noch 30 A bei 5 V
und 12 A bei 12 V ab. Da hätten wir die 300 W Gesamtleistung schon fast
erreicht. Wo sollen denn dann noch die rund 50 W bei 3,3 V herkommen?
Nun, die Gesamtleistung ist wirklich auf 300 W begrenzt, und die
angegebenen Ampere-Zahlen sind Absolutwerte, die nicht gleichzeitig
abgegeben werden können. Die Kabelfarben sind angegeben und immer
gleich: Orange: 3,3 V, Rot: 5 V, Gelb: 12 V, Schwarz: Masse bzw.
gemeinsames Minus.
Am Stecker erkennt man hier das ATX-Netzteil. Dieses muss im Stecker
(hier blauer Draht, oben links) durch eine
Brücke Pin 14 (grün) nach Masse (schwarz, z. B. einen benachbarten Pin
13 oder 15) zum Abgeben
von Leistung angeschaltet werden, denn ohne diese Brücke verbleibt das
Netzteil im Ruhemodus. Wie man sieht, sind kurze Drahstücke
eines üblichen 1,5 mm² Kabels als Stecker benutzt worden. Zieht man
viel Strom ( > 3 A). so empfiehlt es sich, zwei oder noch mehr
parallele Steckkontakte zu belegen, weil die Kabel einzeln zu dünn sind
und die Steckverbinder zu schwach.
Zum Betrieb das Netzteil auf eine Seite ohne Luftlöcher legen, damit
eine ungehinderte Luftzirkulation gewährleistet ist. Und das Netzteil
nur mit dem dreipoligen Original-Netzkabel mit Schutzkontakt betreiben.
S. auch Wikipedia: PC-Netzteil
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Ein
Laptop-Netzteil kann auch, zumindest für einen
Styroporschneider, erhebliche Stromstärken liefern. In diesem Fall sind
es 4,74 A bei 19 V.
Mit diesem Netzteil wird der auf der Vorseite gezeigte Styroporschneider
bei einem Strom von 2,4 A und der Drahtlänge 0,88 m schon gut beheizt.
Es gilt einen Blick auf den Niedervoltstecker für den PC-Anschluss zu
werfen! In den meisten Fällen dürfte das ein Hohlstecker sein. Es gibt
aber auch Firmen, z. B. HP, deren Stecker in der Mitte einen dünnen Pin
haben und dadurch vom Standard abweichen. Damit kann man wohl kaum
arbeiten.
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Hier ein
Vorschlag, wie man sich aus dem
Niedervoltstecker des Laptop-Netzteils Strom besorgen kann.
Die verwendeten Drahtstücke sind gerade gerichtete Büroklammern, die
Spirale ist dabei um den Schaft eines Bohrers, mit um 0,5 mm geringerem
Durchmesser als der Außendurchmesser des Steckers, gewickelt.
Zum Aufstecken der Anschlüsse das Netzteil stromlos machen! Die äußere
Spirale muss fest sitzen, sonst könnte sie rutschen und mit dem
Anschluss des Innenteils einen Kurzschluss bilden.
Statt zu Löten sind die Verbindungen dieses mal mit Adernendhülsen
gequetscht.
Es gibt im Elektronik-Fachhandel für geringes Geld auch passende
Buchsen zum gezeigten Stecker, nur stehen der Beschaffung die hohen
Nebenkosten (Versand und Mindestbestellwert, Anfahrt) im Weg.
Hinweis: Bei allen mir vorliegendenden
Laptop-Netzteilen liegt am gezeigten Stecker außen Minus und die
Schutzerde des Stromanschlusses ist auf diesen Kontakt durchgeschleift.
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Der
Gleitkontakt auf der Saite kann aus einem
mäanderförmig gebogenen Draht (1) bestehen.
Etwas fester hält eine Büroklammer, in die mit einer Flachzange eine
Sicke eingebogen wurde (2). Diese "Kerbe" verhindert das Abrutschen.
Beide Anschlüsse sollten schon einigermaßen fest auf der Saite klemmen,
sich aber noch verschieben lassen, am Besten mit einer Zange, weil heiß.
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Der
Schneidedraht:
Die
Heizleistung
des Drahts wird immer auf die Länge bezogen: 60 W/m wird im allgemeinen als
ausreichend betrachtet. Eine höhere Einstellung führt zu
sehr flüssigem Schneiden mit dem Risiko, beim Hakeln oder gar
Anhalten der Schneidebewegung ein Loch ins Styropor rund um den
Schneidedraht zu brennen. Es ist unsinnig mit glühendem
Draht zu arbeiten: Dies führt nur zu den unerwünschten
Dämpfen und könnte die Festigkeit des Drahts auf die Dauer
ungünstig beeinflussen. Man ist also gut beraten, für
unterschiedliche Anforderungen einen Styroporschneider mit
einstellbarer Leistung zu bauen.
Früher erschien eine h-Stahl-Saite für eine (elektrische)
Gitarre ein sehr leicht und preiswert erhaltbarer Schneidedraht zu
sein. Leider ist die Zahl der Musikalienläden stark zurückgegangen, so
dass es mit dem leicht beschaffbar nicht mehr stimmt. Ersatz kann ein 1
m Federstahldraht ø 0,3 mm im
Modellbaugeschäft sein, nur werden auch die Modellbaugeschäfte immer
rarer. Wird auf dieser Seite von der h-Saite gesprochen, so gilt das
auch für diesen Federstahldraht.
Ein namhafter Versender bietet einen ø 0,5 mm Widerstandsdraht 5.65 Ω/m 10 m an. Dieser ist wohl auch gut geeignet. Bei Widerstandsdraht gibt es zwei Sorten: Es gibt den Handelsnamen Konstantan,
der hergestellt wird, umd einen über einen weiten Temperaturbereich
sehr konstanten Widerstand zu halten und zur Herstellung von
Drahtwiderständen für elektronische Schaltungen zu dienen. Dessen
spezifischer Widerstand ist aber relativ gering, was zu dünnen oder
sehr langen Drähten führt. Für eine Styroporschneider eigentlich nicht
gut geeignet. Für technische Geräte, in den Wärme produziert wird
(Bügeleisen, Herdplatte, Heißluftgerät, Fön, ...) werden Heizleiter
eingesetzt, die einen weitaus höheren spezifischen Widerstand haben und
deshalb als dickere und/oder kürzere Drähte führen. Der Widerstandswert
ist nicht temperaturkonstant, was aber eher ein Vorteil ist
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Hier sieht man
den Widerstand einer h-Saite in
Abhängigkeit von der aufgeprägten elektrischen Leistung. Beide Angaben
sind längenbezogen. Man sieht gut, dass der Widerstand mit steigender
Leistung zunimmt und ein Vielfaches des Kaltwiderstands von 3 Ohm/m
erreicht.
Die Messungen wurden mit einer stabilen Speisespannung von 5 V und 12 V
mit dem oben gezeigten PC-Netzteil vorgenommen.
Warum liegen die beiden (fast) Geraden nicht übereinander? Hier kommt
wieder die Thermophysik ins Spiel: Bei 12 V ist die Drahtlänge für die
selbe Leistung in W/m natürlich deutlich länger als für 5 V. Damit ist
die Wärmeabgabe des längeren Stück Drahts höher und dessen Temperatur
niedriger. Damit ist auch der Widerstand niedriger. Und genau dieses
ist aus dem Diagramm ersichtlich.
Bei den hohen Leistungen am rechten Ende der Kurven glühte der Draht
schon dunkelrot.
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Hier sind
jetzt für den unteren Leistungsbereich
die Verläufe des temperaturabhängigen Widerstands über der Leistung
aufgetragen.
Dabei sind es bis auf die Gerade des Konstantandrahts [hier wurde
einfach der kostante Wert von 5 Ohm/m eingezeichnet] Messwerte für
gespannte Drähte in waagrechter Lage in freier Luft.
Man sieht das Wachsen der Widerstandswerte mit der Veringerung des
Drahtdurchmessers sowie das Zunehmen der Steigung.
Wie ist das Diagramm zu benutzen? Der spez. Widerstand r in Ohm/m
errechnet sich für p in W/m für
e-Saite:
r = 0,28 p + 4,39 Ohm/m
h-Saite: r = 0,12 p + 2,45 Ohm/m
g-Saite: r = 0,06 p + 1,76 Ohm/m
0,45er Draht: r = 0,05 p + 0,72 Ohm/m
Der 0,45er Draht ist ein ganz handelsüblicher Eisendraht von der Rolle,
wahrscheinlich als 0,5er ausgezeichnet.
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Nach so viel
Vorbereitung nun einen Blick auf die Stromversorgung. Nach P = U*I =
(R*I)*I = I²*R und dem Beziehen auf die Länge mit P/l = p =
I²*r und dessen Umkehrung 
sieht man, dass für eine gewünschte Leistung p in W/m und
einem gegebenen Draht mit dem spez. Widerstand r in Ohm/m ein ganz
bestimmter Strom fließen muss. Diesen kann man also als erstes
bestimmen, in obigen Diagramm beginnt man also bei z. B. 40 W/m und
sieht dann den bei dieser Leistung vorhandenen Widerstand pro Draht-
bzw. Saitentyp. Und damit lässt sich der notwendige Strom
berechnen. Liegt dieser fest, dann kann man über eine gewählte
Drahtlänge L den Widerstand als R = r*l und damit als U = R*I
die erforderliche Spannung errechnen.
Der spez. Widerstand
eines Konstantandrahts mit 0,3 mm Durchmesser liegt bei 7,1 Ohm/m.
Und wie gerade hergeleitet, kann man den erforderlichen Strom für
eine gewünschte spezische Leistung ausrechnen:
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Tabelle 1:
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spez. Leistung:
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40
W/m
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60
W/m
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80
W/m
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Schnittverhalten:
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etwas
zäh
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flüssig
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sehr
flüssig
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erforderlicher
Strom, gerechnet:
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bei 5,6 Ohm/m (Der oben genannte Widerstandsdraht)
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2,7
A
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3,3 A
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3,8 A
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erforderliche
Spannung
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für
1 m Drahtlänge
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14,8 V
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18,8
V
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21,1
V
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für
1/2 m Drahtlänge
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7,4 V
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9,4
V
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10,6
V
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für
1/4 m Drahtlänge
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3,7 V
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4,7
V
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5,3
V
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gemessener
Strom bei h-Saite und 12 V
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der Widerstand
hängt stark von der Temperatur ab;
Erhöhung der Leistung durch Verkürzen der
beheizten Drahtstrecke mit der Büroklammer.
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2,3
A
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2,5
A
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2,6
A
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beheizte Länge
Draht/Saite
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0,7
m
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0,5
m
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0,4
m
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Daraus ergibt
sich als Widerstand R in Ohm/m
bei 3 Ohm/m kalt.
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7,5
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9,6
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11,6
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Hier
sieht man das Problem: Der Strombedarf eines Widerstandsdrahts steigt
bei Leistungserhöhung linear an, während bei "normalem"
Stahl der Stromzuwachs wesentlich niedriger ist. Aber man sieht auch,
dass mit dem umgewidmeten PC-Netzteil am 5 V Ausgang sich ca. 25 cm -
30 cm des Widerstandsdrahts gut beheizen lassen, der 12 V Ausgang ist
gut für 60 cm - 65 cm. Das Laptop-Netzteil wäre passend für 1 m Draht.
Die
konstruktive Aufgabe ist: Finde
einen
passenden Draht und ein passendes Netzteil
für den gewünschten Styroporschneider.
Ist
der Durchmesser zu gering, so droht Durchbrennen und Durchreißen.
Ist er zu dick, so ist der Widerstand zu gering, um einen passenden
Leistungsabfall zu erreichen, denn dickere Drähte leiten Strom
einfach besser, das Material ist dabei gleichgültig.
Will man einen Schneider mit einer kurzen
Drahtlänge bauen, dann kommt der höhere Widerstand bei
Betriebstemperatur schon sehr zu passe, weil in den meisten Fällen
nicht die erforderliche Spannung das Problem ist, sondern der hohe
Strombedarf. Wer "knapp" mit Strom ist kann es mit der
hohen e-Saite versuchen, die einen höheren Widerstand
besitzt.
Was man auf alle Fälle
sieht: Stromversorgungen mit nur 2 A sind unterdimensioniert.
Und
wo ist der Pferdefuß des einfachen Stahldrahts? Es gibt in der Tat einen: Beim Schneiden
wird der Bereich des Drahts, der mit dem Styropor in Berührung
kommt, leicht abgekühlt und damit sinkt der Widerstand in diesem
Bereich. Gemäß I² * R geht dann auch noch die
elektrische Leistung zurück, obwohl wegen des sinkenden
Gesamt-Widerstands der Strom zunimmt. Die nicht abgekühlten
Zonen lassen den kalten Bereich leistungsmäßig
"verhungern". Das tritt aber nur bei sehr aggressivem
Schieben des Styropors ein.
Anstatt
mit unterschiedlichen Spannungen zu arbeiten kann man die
Heizleistung durch Variieren der Drahtlänge einstellen. Dieses
wird der häufigste Fall sein. Wie man an meinem "Flitzebogen"
sieht, kürze ich die nutzbare Saitenlänge einfach ein, wenn
die Versorgungsspannung nicht ausreicht. s. Schaltplan (1)
Und
wenn man nur einen kurzen Draht verwenden will: An Stelle eines sehr
teuren Potenziometers mit hoher Wattzahl kann man einfach auf einem
Brettchen oder einer Leiste ein Stück Saite spannen und benutzt
dieses mit der Büroklammerntechnik als variablen Vorwiderstand.
s. Schaltplan (2)). Dieser Vorwiderstand wird natürlich genauso
heiß wie der Schneidedraht, er darf deshalb nicht auf der
Stützkonstruktion aufliegen, sondern muss schweben mit
Luftzufuhr von allen Seiten. 1 cm Abstand zur Leiste sollte aber
reichen. Variante 3 ist dann die Superausführung: Der kurze
Schneidedraht wird mit einem festem Vorwiderstand gegen Durchbrennen
gesichert, falls man den variablen Vorwiderstand bis auf 0
zurücknimmt. Das ist das Risiko der Variante 2.
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Am
langlebigsten ist es vielleicht, an Stelle der
stufenlosen Einstellung über den variablen Vorwiderstand eine gestufte
Einstellung zu realisieren. Dieses lässt sich nach dem nebenstehenden
Schaltbild relativ leicht
erreichen. Dem Schneidedraht ist eine Drahtstrecke aus dem selben
Material vorgeschaltet. Dessen Gesamtlänge + die Länge des
Schneidedrahts entsprechen dem notwendigen Widerstand für 40 W/m. Wird
der obere Schalter geschlossen, dann wirken nur noch R1a + R1 +
Schneidedraht für 60 W/m. Und R1 + Schneidedraht lassen 80 W/m zu. Für
R1 kann man ggf. den Draht doppelt nehmen, um auf die halbe Leistung zu
kommen, denn 80 W/m werden schon ziemlich warm. Da bei 40 W/m der
Widerstand auch noch sinkt, muss mehr als das Doppelte der
erforderlichen Drahtlänge von 80 W/m gespannt werden.
 Für die Schalter nimmt
man übliche Kippschalter.
Der Vorwiderstand kann auch über mehrere Schrauben und/oder Ösen im
ZickZack gespannt werden.
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Man sieht also:
Mit "minimal Engineering" wird man relativ weit kommen,
ohne dass in ein Gelegenheitsprojekt mehr Zeit und Geld investiert
werden muss als in das Hauptprojekt.
Kommentare
und kritische Anmerkungen zu veröffentlichten Bauanleitungen.
