Der Kondensator-Kollaps

Warum manche Geräte nach einem Stromausfall nicht mehr funktionieren.

Dient als Beispiel: Der Router von Netgear.

Jahrelang verrichtete der hier exemplarisch vorgestellte Router des Herstellers Netgear unauffällig seinen Dienst. Bis zu einen Stromausfall seitens des Netzbetreibers. Nach der Wiederherstellung der Stromversorgung stellte der Router keine Internetverbindungen mehr her. Der Grund des Ausfalls lag nicht am Elektroversorgungsunternehmen (EVU) sondern an der Alterung der Elektrolyt-Kondensatoren im Spannungswandlerteil des Routers. Die leicht gelbliche Verfärbung auf der Oberseite des Gehäuses deutete auf eine hohe thermische Belastung der Bauteile hin. Grund genug, diesem Gerät mal unter die Haube zu schauen.

Elektrolytkondensatoren – Bauteile mit Ablaufdatum

Fabrikneue Elektrolyt-Kondensatoren.

Ein Elektrolytkondensator (Elko) ist ein gepolter Kondensator. Die Anoden-Elektrode besteht aus einem Metall, auf dem durch Elektrolyse eine Isolierschicht aufgebracht wird. Sie bildet das Dielektrikum. Der Elektrolyt ist in den meisten Fällen eine elektrisch leitende Flüssigkeit. Sie bildet die Kathode des Elektrolytkondensators. Dieser Aufbau gestattet es große Kapazitäten, und damit Energie, auf vergleichsweise kleinem Raum unterzubringen. Elkos sind, neben den Leistungshalbleitern, die zentralen Bauteile eines Schaltnetzteils. Sie verdrängten herkömmliche Netzteile mit Netztrafo, Gleichrichter und Stabilisierung während der letzten 10 Jahre nahezu vollständig vom Markt. Diese Kondensatoren stellen aber zugleich hochbelastete Bauteile dar. Deren technische Parameter findet man in den Hersteller-Datenblättern. Neben den elektrischen Parametern ist das Lebensdauerdiagramm interessant. Vereinfacht gesagt handelt es sich bei diesem Diagramm um die Darstellung der zu erwartenden Lebensdauer in Abhängigkeit von Bedingungen wie Ripplestrom und Umgebungstemperatur. Darin ist klar erkennbar, je höher der Ripplestrom und je höher die Umgebungstemperatur ist, desto kürzer ist die zu erwartende Lebensdauer. Wie groß der Einfluss der Temperatur ist, zeigt schon die in der Industrie etablierte „10-Kelvin-Regel“: Die Absenkung der Betriebstemperatur um 10K bedeutet eine Verdoppelung der Lebensdauer. Ein Beispiel:

Das Datenblatt eines Elkos nennt eine Lebensdauer von 5000 Stunden bei einer Betriebstemperatur von 105°C. Mit anderen Worten: Nach etwa 208 Tagen Betriebsdauer hätte der Elko das errechnete Lebensende erreicht. Bei 55°C Betriebstemperatur sähe das Ergebnis so aus: 160.000 Stunden oder 18 Jahre und 3 Monate würde der Elko rechnerisch durchhalten.

Kostendruck führt zu frühen Ausfällen

3 defekte Elkos auf der Routerplatine.

Die oben errechneten Ergebnisse sehen zunächst sehr vielversprechend aus. Die Praxis zeigt ein anderes Bild. Consumergeräte stehen in einem harten Wettbewerb und müssen sich auf einem Markt behaupten, in dem weitgehend der Preis das größte Kaufargument ist. Folglich versucht der Hersteller an jeder Ecke zu sparen. Im Besonderen da, wo es nicht sofort auffällt – bei den verwendeten Bauteilen. Große Gehäuse mit guten Belüftungen benötigen viel Material. Also wird das Gehäuse auf ein Mindestmaß reduziert, auch wenn im Innern hohe Temperaturen entstehen, die schlecht nach Außen abgeführt werden können. Elkos werden so dimensioniert, dass sie sehr wenige oder gar keine Reserven bieten, was die Spannungsfestigkeit und Kapazität angeht. Und natürlich wird in der Regel der billigste Hersteller ausgewählt. Die hohe Packungsdichte auf den Platinen bedingt, dass sich thermisch belastete Bauelemente auf engstem Raum zueinander befinden und sich gegenseitig aufheizen. Die technischen Daten verschlechtern sich im Betrieb bei jedem Elko. Der flüssige Elektrolyt im Elko ist die Hauptursache für die endliche Lebensdauer. Höhere Temperaturen und höhere Spannungen, die den Alterungsprozess beschleunigen, sind dafür verantwortlich. Grenzwertige Dimensionierungen seitens der Entwickler beschleunigen den Prozess zusätzlich, so dass Elkos sehr viel früher ausfallen, als dies unter optimierten Bedingungen der Fall wäre. Herstellerseitig besteht nur wenig Interesse, in die Lebensdauer des Gerätes über die Herstellergarantie hinaus zu investieren.

Ausschalten – Einschalten – Kaputt?

Wie kommt es nun zu dem Phänomen, dass jahrelang am Netz hängende Geräte nach einem Stromausfall oder auch nur nach dem Aus- und Wiedereinschalten nicht mehr funktionieren? Nun, die größte Belastung entsteht beim Einschalten eines Gerätes. Für kurze Zeit wird unter Umständen ein Vielfaches des Stroms benötigt, der im Stand-by oder im Normalbetrieb nötig ist. Genau zu diesem Zeitpunkt ist der Stress für die Stromversorgung am größten. Die Elkos müssen hohe Ströme zur Verfügung stellen. Vorgeschädigte Elkos, die in der Regel schon im Neuzustand am Limit dimensioniert waren, versagen dabei den Dienst. In dieser Folge kann das Netzteil weder die nötige Spannung noch den geforderten Strom liefern. Das Gerät schaltet sich erst gar nicht ein oder funktioniert nur noch eingeschränkt.
Kaum eine Gerätegattung, die nicht von diesem Phänomen betroffen wäre: PCs, Drucker, Sat-Receiver, Monitore, Steckernetzteile, Ladegeräte. Die Liste ließe sich endlos fortsetzen.

Sichtbare Schäden

Enge Bestückung und hohe Temperaturen im PC-Netzteil.
Der frühe Ausfall ist programmiert.

Im fortgeschrittenen Stadium sind defekte Elkos schon mit bloßem Auge sichtbar. Die Aluminiumkappe zeigt dann im Bereich der Sollbruchstellen eine deutliche Wölbung. Der Druck im Inneren des Elkos, hervorgerufen durch die Bildung von Wasserstoffgas, steigt und bläht den Elko bis zum Zerplatzen auf. Die Sollbruchstelle sorgt dafür, dass dies weitgehend kontrolliert abläuft. Gelegentlich ist auch der Dichtgummi am Fuß des Elkos aus der Pressung gedruckt. Ausgelaufener Elektrolyt ist elektrisch leitend und trocknet als bräunlich gefärbter, verkrusteter Belag. Die Leitfähigkeit des flüssigen Elektrolyts kann zu Kurzschlüssen auf der Platine führen und weitere Schäden nach sich ziehen. Im nebenstehenden Bild erkennt man die defekten Elkos am dunklen Belag und an der leichten Wölbung der Alu-Kappe.

Die Reparatur

Die Ekos wurden erneuert. Der Router ist repariert.

Solange ausgelaufener Elektrolyt keinen Schaden verursacht hat, ist eine Reparatur durch Austausch der defekten Elkos möglich und in der Regel auch erfolgreich. Die Hauptarbeit besteht meist darin, die betroffene Platine im Gehäuse freizulegen. Das ist mitunter auch der Grund, warum die Reparatur bei billigen Geräten sich nur auszahlt, wenn man sie in Eigenregie erledigen kann. Am hier gezeigten Netgear-Router waren drei Elkos sichtbar defekt. Wir löteten die alten Elkos aus, neue Elkos ein und reinigten die Lötstellen. Inklusive Zusammenbau und Test an der DSL-Leitung war die Arbeit in 20 Minuten erledigt. Materialkosten: Unter 3 Euro. Zugegeben, dieser Router war sehr reparaturfreundlich. Bei Monitoren ist es meist recht schwierig, den Rahmen zu entfernen, um an die entsprechenden Platinen zu kommen. Bei älteren Monitoren sind auffällig oft die Hochspannungskondensatoren der Hintergrundbeleuchtung defekt. Die Elkos auf älteren PC-Mainboards  sind gehäuft im Bereich des CPU-Sockels von Defekten betroffen. Die gedrängt platzierten Elkos sind sehr schwer auszulöten. Zum einen kann man die Elkos schlecht mechanisch greifen und zum anderen handelt es sich bei Mainboards um sogenannte durchkontaktierte Mulitlayer-Platinen. Hier sind nicht nur auf und unter der Platine Leiterbahnen, sondern auch noch mehrere Lagen unsichtbar im Innern. Wer hier ungeschickt auslötet, beschädigt schnell die Durchkontaktierung und degradiert das Mainboard augenblicklich zu Elektronikschrott. Das ist also ein Job für erfahrene Löter.

Da Elkos eine Polung besitzen, muss diese auch beim Einbau unbedingt berücksichtigt werden. Falsch gepolte Elkos explodieren und der auslaufende Elektrolyt beschädigt weitere Bauteile.
Beim Kauf von Ersatzelkos schadet es nicht, einen etwas höheren Kapazitätswert und/oder die nächst höhere Spannungsfestigkeit zu wählen. Immer vorausgesetzt, der Ersatz-Elko passt mechanisch an die vorgesehene Stelle.

Tipps

Die schaltbare Steckdosenleiste ist eine preiswerte
Lebensverlängerung für Elektrogeräte

Schalten Sie Geräte am besten ab, wenn sie nicht benötigt werden. Wir verwenden entweder Schuko-Zwischenstecker mit Schalter oder schaltbare Steckdosenleisten. Ständig eingesteckte Netzteile oder Geräte im Stand-by verbrauchen nicht nur unnötig Strom, sondern fallen in der Regel viel früher wegen Defekten aus. So haben sich ein paar Euro für eine gute Steckdosenleiste schnell bezahlt gemacht.

Je früher sie den Defekt durch schadhafte Elkos bemerken, desto höher ist die Chance, dass das Gerät nach der Frisch-Elko-Kur wieder funktioniert. Schieben sie Reparaturen deshalb nicht auf. 

Fernbedienung testen

Gerade hat man sich gemütlich auf der Couch zum Fernsehen niedergelassen, greift zur Fernbedienung und…..  nichts geht. Der Fernseher reagiert nicht auf die Tasten der Fernbedienung. Sind nur die Batterien leer oder ist die Fernbedienung defekt?

Es gibt einen Trick, mit dem man leicht feststellen kann, ob die Fernbedienung in Ordnung ist. Ein Smartphone oder eine Digitalkamera zählt mittlerweile schon zur Grundausstattung des täglichen Lebens. Der Sensor der Kamera kann die Infrarot-Signale aus der Fernbedienung sichtbar machen, die für das Auge unsichtbar sind.

Der Funktionstest

Die IR-Sendediode befindet sich
vorn an der Fernbedienung

Schalten Sie einfach ihre Digitalkamera ein oder starten Sie die Kamera ihres Smartphones, halten sie die Fernbedienung mit der Sendeoptik davor und drücken eine beliebige Taste auf der Fernbedienung. Sie sollten nun ein Blinken oder Leuchten auf dem Display erkennen können.

Sehen Sie nichts aufleuchten oder sind die Signale nur sehr schwach sichtbar, sind im besten Fall nur die Batterien leer. Den gleichen Test wiederholen Sie nochmals mit neuen Batterien.  Funktioniert wieder alles, ist der Fernsehabend gerettet. Für den Fall, dass der Fernseher noch immer nicht auf die Fernbedienung reagiert, haben wir unten weitere Tipps für Sie.

Sind die Batterien in der richtigen Richtung ins Batteriefach eingelegt?

Oft befindet die Markierung im Kunststoff des Batteriefachs oder ein Aufkleber zeigt die richtige Position der Batterien an. Sollten Sie weder Aufkleber noch eine Markierung finden, können Sie sich an den Kontakten im Batteriefach orientieren. Die Spiralfeder wird in der Regel für die Kontaktierung des Minuspols (das flache Ende der Batterie) verwendet. Eine flache, ungefederte Metallfläche kontaktiert den Pluspol der Batterie (das obere Ende mit dem Hütchen).

Sind Ihre neuen Batterien auch wirklich neu?

Schlummert ein Batterievorrat aus dem 1-Euro-Shop schon seit Jahren in der Schublade? Batterien entladen sich mit der Zeit auch ohne Benutzung selbst. Das Verfallsdatum ist auf der Verpackung oder der Batterie aufgedruckt.

Genügt es, eine einzelne Batterie auszutauschen?

Tauschen Sie immer alle Batterien in der Fernbedienung aus. Mischen Sie nicht alte und neue Batterien oder Batteriearten (Zink-Kohle- und Alkalibatterien).

Was kann ich tun, wenn die Batterien ausgelaufen sind?

Ausgelaufene Batterien

Entfernen Sie alle Batterien, selbst wenn nur eine Batterie schadhaft ist. Die ausgelaufene Flüssigkeit darf nicht mit Ihrer Haut oder Kleidung in Berührung kommen. Sollte das dennoch passieren, spülen Sie Ihre Haut sofort mit Wasser ab. Säubern Sie das Batteriefach vor dem Einlegen neuer Batterien gründlich mit einem feuchten Papiertuch. Bitte achten Sie darauf, dass keine Flüssigkeiten in die Fernbedienung eindringen. Auch das Abspülen unter fließendem Wasser ist keine gute Idee. Manchmal sind die Kontaktfedern mit ausgelaufener Flüssigkeit verkrustet und beginnen schon zu rosten. Versuchen Sie den Belag mit einer kleinen Schraubendreherklinge abzuschaben, so dass wieder eine blanke Metallfläche sichtbar wird.

Was kann ich sonst noch tun?

Wenn die Fernbedienung erfolgreich mit der obengenannten Methode geprüft wurde, das ferngesteuerte Gerät aber trotzdem nicht reagiert, kann auch eine verschmutzte Abdeckung des Empfängers schuld sein. Rückstände von Putzmitteln, Nikotinablagerungen oder Staub verhindert, dass der Infrarotlichtstrahl auf den Sensor trifft. Manchmal befindet sich auch noch eine Schutzfolie vor der Empfangsoptik am Gerät, die als Transportschutzfolie diente. Darauf sammelt sich auf Grund statischer Aufladung bevorzugt Staub an. Die Folie trübt sich mit der Zeit ein. Entfernen Sie also Schutzfolien und reinigen das Sichtfenster des Sensors.

Und wenn alles nichts hilft?

Es könnte auch ein Defekt sein, der sich mit den oben beschriebenen Lösungen nicht beheben lässt. Kann der Defekt dem Gerät zugeordnet werden sollte sich eine Servicewerkstatt darum kümmern. Eine colagetränkte oder durch einen Fall beschädigte Fernbedienung wird man mit Hausmitteln nicht retten können. Als Ersatz bieten sich Universalfernbedienungen an, die über einen Code an Hand des Herstellers und Gerätetyps oder auch mit PC, Smartphone oder Tablet programmiert werden können.

Nicht vergessen!

Alte Batterien gehören nicht in den Hausmüll! Alle Geschäfte, die Batterien verkaufen, nehmen diese kostenlos zurück. Und zwar auch, wenn sie nicht dort gekauft wurden. Darüber hinaus gibt es Sammelcontainer in den lokalen Wertstoffhöfen, die alte Batterien ebenfalls kostenlos annehmen.

Filzlampe mit RGB LED-Streifen im organischen Look

RGB Filzlampe

Elektronik und Textilkunst

Elektronik und Kunsthandwerk schließen sich nicht aus. Ich stolperte vor einiger Zeit bei der Recherche zu Textilkunst über die Shibori Technik. Mit dieser, aus Japan stammenden Abbindetechnik werden, ähnlich der Batik, bunte Stoffe gefärbt. Dazu stickt, bindet, verdrillt und/oder verknotet man Stoffe und taucht sie anschließend in Färbebäder. Die Ergebnisse sind sehr interessant. Auf der Suche nach mehr Informationen zum Thema, fand dich die Bücher „Modernes Shibori“ von  Silke Bosbach und „Filz Experiment“ von Annette Quentin-Stoll und Robert Quentin – beide Autoren arbeiten mit Wollstoffen und Abbindetechnik. „Filz Experiment“ hat mich zu der Lampe inspiriert. Die Autorin nutzt Vorbilder der Natur und verarbeitet Wollvlies zu organischen Formen. Dazu setzt Sie unter anderem Shibori Abbindetechniken ein.

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Mein Projekt stand fest. Ich wollte für eine Textilausstellung eine Lampe bauen, die den organischen Look eines Korallenskeletts haben sollte.

Filzarbeiten, das Material verstehen

Ich hatte mich zuvor noch nie, abgesehen von einem Pullover, den ich zu heiß in der Waschmaschine gewaschen hatte, mit dem Filzen beschäftigt. Deshalb stellte ich kein Vorvlies her, sondern besorgte mir ein fertiges Wollvlies in einem Naturweiß. Wolle verfilzt sich. Aber warum? Die Tierhaare haben eine schuppige Oberfläche. Warmes Wasser und alkalische Seife stellen die Schuppen auf. Durch die Walkbewegung verkeilen sich diese Schuppen ineinander und bilden einen festen, unlösbaren Verbund. Dabei schrumpft das Werkstück.

Probefilz erstellen

Schritt 1: Kreise markiern und heften

Da mir die Erfahrung fehlt, teste ich zuerst die Technik an einem „kleineren“ 30 x 30 cm Stück. Aber auch erfahrene Filzer machen Proben. Man darf den Materialaufwand nicht unterschätzen, denn jeder kleine Wollstachel benötigt die Fläche eines Kreises von 5-6 cm Durchmesser. Ich markiere mit einem wasserlöslichen Stift aus dem Schneidereibedarf die Kreise auf dem Wollvlies. Dabei ordne ich die Kreise wie Bienenwaben an. Mit einer Nadel und reichlich schwarzem stabilen Faden nähe ich mit einem Heftstich die Kreise ab. Dabei achte ich darauf, den Anfangs- und Endfaden etwa 15 cm überstehen zu lassen.

Schritt 2. Zusammenziehen und Abbinden

Danach geht es ans Abbinden. Zuerst ziehe ich die Enden der Heftfäden vorsichtig zusammen. Der Wollvlieskegel hebt sich. Ich helfe mit einem kleinen Zug an der entstehenden Spitze nach. Der Kegel legt sich in Falten. Ich mache einen Doppelknoten. Nun benutze ich die beiden Fadenteile um diesen entstandenen Wollzipfel kreuzförmig und fest zu umwickeln und zu sicher zu verknoten. Die überstehenden Fäden schneide ich auf ca. 1cm zurück.

Schritt 3 : Seife und Wasser kommen zum Einsatz

Es ist Zeit zum Filzen. Das Werkstück wird in warmes Wasser getaucht und mit einer Schmierseife (ich benutze Kernseife) in der Hand gewalkt. Das heißt, ich knete das Werkstück und die abgebundenen Stacheln in der Hand bis das Werkstück verfilzt ist. Dabei wird es klein und sehr kompakt. Nun noch mit klarem Wasser spülen, die Fäden vorsichtig ziehen und das Ergebnis trocknen lassen.

Erste Tests mit der Transparenz des Materials und Leuchtdioden

Ich finde, das Ergebnis kann sich sehen lassen. Ich mache an dem Musterstück dann auch gleich Proben mit Leuchtdioden. Einzelne LEDs in den Stacheln gefallen mir nicht. Ich will die Lampe homogener erstrahlen lassen und wähle deshalb RGB LED Streifen.

Material berechnen und das Werkstück filzen

Jetzt kann ich meinen Bedarf an Wollvlies berechnen. Ich habe eine bekannte Größe des Musterstücks und eine gewünschte Größe der Lampe. Ich muss für meine Lampe ein Stück Filz mit 1,2 Meter Länge und 50 cm Breite filzen. Bitte macht unbedingt selbst Probefilze, denn das Ergebnis kann variieren! Die Arbeitszeit darf man nicht unterschätzen. Ich habe mich einen kompletten Sonntag damit beschäftigt. Danach hat man ein unbeschreiblich schönes Unikat in den Händen.

Aus was für einem Material baue ich den Standfuß?

Als Sockel dient mir ein zylinderförmiger roter Abfall-Stein aus dem leider aufgelassenen Marmorwerk am Ort. Nachträglich hätte mir jedoch ein würfelförmiger Granitstein, wie er z.B. im Straßenbau verwendet wird, besser gefallen. Natürlich könnte man auch einen Metall, Holz oder Kunststoffsockel verwenden. Wichtig ist das Gewicht und die Grundfläche. Der Sockel sollte so gewählt werden, dass die fertige Lampe stabil steht. Mit einem Steinbohrer bekommt mein Stein ein Loch in der Mitte. Marmor bohrt sich leichter als harter Granit. In das Loch klebe ich mit Zweikomponentenkleber einen Alustab. Auch hier verwende ich Material, das bei einem Zuschnitt einer Antenne als Abfallstück übrig blieb. (Mach flott den Schrott). Je nach Material und Stabdurchmesser federt die Lampe später nach oder bleibt starr (Eisenstab) wenn man sie anstupst. Die Stange dient als Halterung für die LED Streifen.

Jetzt kommt der Teil mit dem Licht...

Ich verwende zwei 50cm lange RGB LED Streifen und einen RGB LED Controller mit Infrarotfernbedienung. Da sich LED Streifen nur sehr wenig erwärmen und mit Niederspannung betrieben werden, sind sie ideal für Basteleien mit Stoff und Papier. Ich verlöte die beiden 50 cm langen Streifen mit vier Litzen an den, mit RGB und 12Volt gekennzeichneten Anschlüssen. (RGB steht für die Farben Rot, Grün, Blau). Ein Ende des LED Streifens bleibt offen. An das andere Ende löte ich den Steckverbinder des Controllers. Der Controller besitzt einen Anschluss für ein Steckernetzteil. Die Stärke des Netzgerätes muss man nach der Stromaufnahme der Streifen wählen. Für meine Streifen reicht ein Netzteil mit 12V DC und 1A. Ich klebe nun die Streifen auf die Aluminiumstange und fixiere die Kabel vorsichtig mit einem Kabelbinder am oberen und unteren Ende des Metallstabes. In der Mitte ziehe ich einen Kabelbinder vorsichtig über den Streifen zusammen. Ich rechne damit, dass das Klebeband nach einigen Jahren nicht mehr hält.

Schaltung vor Fertigstellung testen

Der Controller ist angesteckt. Das Netzteil ist verbunden. Ein kurzer Test zeigt mir, dass alle LEDs und der Controller funktionieren und ich mit dem Verkleiden der Lampe fortfahren kann. Zuerst suche ich mir einen der unteren Filzstacheln und schneide ihn an der Spitze mit einer Schere ab. In diesem Loch findet der Infrarotempfänger Platz. Er muss eine Sichtverbindung zum Sender haben.  Ich verklebe ihn mit Patex. Ich streiche den Infrarotempfänger und Filz mit Kleber ein, lasse ihn kurz ablüften, und verklebe anschließend beide Teile. Dann wird der Stachelfilz zu einem Zylinder zusammengenäht und über die Lampe gestülpt. Ein weiterer Test erfolgt. Sieht alles gut aus? Ja, es gefällt mir. Ich falte die Enden oberhalb des Metallstabes zusammen und schließe die Öffnung mit einem naturfarbenen Faden. Ebenso nähe ich die Unterseite um den Metallstab zusammen. Den Controller lasse ich am unteren Ende, innerhalb des Filzes verschwinden.

Fertig!

Die Lampe war auf der Ausstellung ein Blickfang. Allerdings konnte ich mich nicht durchringen, sie zu verkaufen. Es steckt zu viel Herzblut und Arbeit darin. Sie ist ein schönes Stimmungslicht am Abend.

Material und Werkzeug:

• naturfarbenesWollvlies Vorfilz, wird meist in 1,90 m Breite am laufenden Meter verkauft,
• schwarzes und naturfarbenes, stabiles Garn
• kreisförmige Schablone, z.B. Trinkglas, Getränkedose etc.
• wasserlöslicher Markierungsstift
• Nadel und Schere
• Wasserschüssel oder Waschbecken mit warmen Wasser
• Schmierseife oder Kernseife
• Sockelstein aus Granit, Marmor oder ein Stein aus dem Bach
• Metall- oder Holzstange ca. 55 cm
• Steinbohrer und Bohrmaschine
• Kleber
• LED RGB Streifen 2 x 50cm
• 4 Litzen 0,25 qmm für LED Streifen-Verbindung (ca. 10 cm)
• RGB Controller mit Infrarotfernbedienung
• Steckernetzteil ca. 1A
• 3-4 Kabelbinder (oder nichtleitendes Befestigungsmaterial)
• Lötkolben und Lötzinn
• Seitenschneider 

Wissenswertes über Motorkondensatoren

In die Gruppe der Motorkondensatoren fallen sowohl Anlaufkondensatoren als auch Betriebskondensatoren. Beiden Typen fallen unterschiedliche Aufgaben am Motor zu, so dass es sich lohnt, mal einen Blick auf die Eigenschaften zu werfen.

Wozu wird der Motorkondensator benötigt?

Für die Erzeugung eines Drehfeldes sind mindestens zwei phasenverschobene Wechselspannungen nötig. Im normalen Wechselspannungsnetz steht aber nur eine Phase zur Verfügung. Die Lösung für dieses Problems ist, die Hauptwicklung des Motors mit dem Wechselspannungsnetz zu verbinden und eine Hilfswicklung über einen Kondensator zu versorgen. Der Kondensator sorgt für die nötige Phasenverschiebung. Die nachfolgenden Schaltpläne verdeutlichen dieses Prinzip.

Der Betriebskondensator

Kleinere Motoren, die mit geringer Last anlaufen können (z.B. Motoren von Kreissägen oder Lüftern), benötigen einen Betriebskondensator. Dieser Kondensator hängt während der gesamten Betriebsdauer des Motors an der Netzspannung. An ihn werden hohe Anforderungen an Zuverlässigkeit und Betriebssicherheit gestellt. Diese Kondensatoren nennt man Betriebskondensatoren.

Der Betriebskondensator versorgt

die Hilfswicklung des Motors

Der Anlaufkondensator

Größere Motoren, besonders wenn sie unter hoher Last anlaufen müssen, benötigen einen Anlaufkondensator. In der Regel wird der Anlaufkondensator zusätzlich zum Betriebskondensator zugeschaltet. Somit erhöht sich das Anlaufmoment des Motors, was den Start bei erschwerten Anlaufverhältnissen ermöglicht. Der Anlaufkondensator ist nicht für den Dauerbetrieb ausgelegt und muss nach einer bestimmten Zeit abgeschaltet werden. Das geschieht automatisch durch einen Fliehkraftschalter oder Kaltleiter. Im Dauerbetrieb würde ein Anlaufkondensator sehr schnell seinen Dienst versagen.

Der Anlaufkondensator wird nach dem Erreichen der Nenndrehzahl

 mit einen Fliehkraftschalter von der Hilfswicklung getrennt.

Unterschiede erkennen

Auf beiden Kondensatortypen sind die Werte für die Kapazität in µF und die Nennspannung in Volt Wechselspannung aufgedruckt. Auf dem Anlaufkondensator ist zusätzlich die Einschaltdauer in Prozent angegeben. Eine Angabe von 1,7% ED bedeutet, eine Einschaltdauer von 1,7%. Solange nichts anderes angegeben ist, bezieht sich die Prozentangabe auf eine Zeit von 10 Minuten. Umgerechnet in Sekunden dürfte der Kondensator maximal 10,2 Sekunden eingeschaltet sein und dann 589,8 Sekunden ruhen. Bei kürzeren Einschaltzeiten verkürzt sich natürlich die Ruhezeit. In der Praxis würde eine ED von 1,7% etwa 20 gleichmäßigen Einschaltungen, je 3 Sekunden auf eine Stunde verteilt entsprechen. Auf Betriebskondensatoren ist keine Einschaltdauer aufgedruckt.

Defekte Motorkondensatoren erkennen

Normalerweise verrichten diese Bauteile über Jahre unauffällig ihren Dienst. Kondensatoren können aus unterschiedlichsten Gründen mit der Zeit ihre Kapazität verlieren und deshalb die Hilfswicklung nicht mehr ausreichend versorgen. Die Auswirkung ist ein sehr kraftloses Anlaufen des Motors und möglicherweise ein deutliches Absinken der Drehzahl schon bei geringster Belastung. In den meisten Fällen hat der Motorkondensator nur noch einen Bruchteil seiner ursprünglichen Kapazität.
Eine weitere Fehlerursache sind Isolationsdefekte im Inneren des Motorkondensators. Dadurch erwärmt sich der gesamte Kondensator und bläht sich auf, da ein hoher Innendruck das Gehäuse deformiert. Die Außenhülle nimmt dabei eine bauchige Form an.
Wenn Sie solche Defekte erkennen, schalten Sie dieses Gerät unter keinen Umständen ein und trennen Sie es unverzüglich vom Netz! Motorkondensatoren kosten selbst bei großen Kapazitäten kein Vermögen, so dass sich eine Reparatur in den allermeisten Fällen lohnt.

Kein Wert erkennbar, was nun?

Sie haben eine alte Kreissäge geschenkt bekommen, der Motorkondensator ist defekt und die Werte auf dem Kondensator sind nicht mehr lesbar. Was tun? Die Wahrscheinlichkeit ist groß, dass der Kapazitätswert zusammen mit der Nennspannung auf dem Typenschild des Motors aufgedruckt ist. Finden Sie keine Werte oder kein Typenschild, könnten die Werte auch auf einem aufgeklebten Typenschild auf dem Rahmen der Maschine zu finden sein. Werden Sie auch dort nicht fündig, führt ein Anruf beim Hersteller meist zum Erfolg.
Als letzte Möglichkeit bei unbekannten Motoren könnten Sie den Wert des Motorkondensators mit einer Faustformel bestimmen. Diese Methode ist allerdings sehr ungenau und die Ergebnisse können mitunter nur näherungsweise zutreffen. Ist die Motorleistung bekannt, rechnet man je 100 Watt mit etwa 5 µF. Ein 1000 Watt-Motor bräuchte demnach einen Betriebskondensator von etwa 50 µF. Dies gilt für einen Einphasenmotor. Bei einem Drehstrommotor am Einphasennetz benötigt man etwa 7 µF je 100 Watt. Wie gesagt, das sind grobe Näherungswerte, die nicht in jedem Fall zutreffend sind.

Kennzeichnungen verstehen

Auf einem Motorkondensator ist eine Vielzahl von Werten und Zeichen aufgedruckt. Die nachfolgende Grafik zeigt eine Übersicht der wichtigsten Parameter.

LED Grundlagen

Wissenswertes zu Leuchtdioden

Was bedeutet LED:

LED ist die Abkürzung von Light Emitting Diode

Übersetzt: Licht aussendende Diode oder Leuchtdiode.

LEDs haben keinen Glühfaden wie herkömmliche Lampen, sondern basieren auf einer Halbleitertechnologie. Sobald durch die LED in Durchlassrichtung (Die LEDs haben eine Polaritätsrichtung) ein Strom fließt, senden Sie eine Strahlung ab, die in Abhängigkeit des Materials in unserem Auge als farbiges Licht wahrgenommen wird. Die Polarität einer Standard-LED erkennt man an der Länge der Anschlussdrähte. Der Anschlußdraht der Kathode (negativ) ist immer kürzer als der Draht der Anode (positiv). Damit man auch nach dem Kürzen der Drähte die Anschlußbelegung erkennt, besitzt das Gehäuse eine kleine Abflachung an der Seite der Kathode (minus)

5mm Standard-LED

Schaltzeichen

Geschichtliches

Die Lichtemission an anorganischen Stoffen wurde bereits Anfang des 20. Jahrhunderts entdeckt. Die LED wurde jedoch erst mit dem Einzug der Transistoren und der Halbleitertechniken Anfang der 60er Jahre hergestellt. Die Bauformen, die sich bis zu den 90ern am Markt etablierten, waren ausgenommen von einigen Sondertypen, Leuchtdioden mit einem Durchmesser von 5mm und 3mm in geringen Leuchtstärken und einem Wellenbereich von 500nm (grün) bis 760nm Infrarot. Erst mit dem Einzug der blauen LED und einem Wettlauf der Firmen um die Leuchtstärke der LEDs wurde die Entwicklung stark voran getrieben. Mittlerweile sind wir bei den stärksten LEDs bei einer Lichtausbeute von 250 Lumen pro Watt angelangt. Physikalisch kann man bei kaltweißem Licht nur 350 Lumen pro Watt erreichen.

Haltbarkeit

LEDs haben eine sehr lange Haltbarkeit, die von 30.000 bis 100.000 Stunden reichen kann. Problematisch wird jedoch die Lebenszeit der Ansteuerungselektronik sein. Dort müssen elektronische Bauteile wie Elektrolytkondensatoren verbaut werden, die eine geringe Haltbarkeit aufweisen. Je aufwendiger die Vorschaltelektronik ist, desto anfälliger ist das komplette LED-Leuchtmittel. Bei LEDs, die mit einfachem Vorwiderstand betrieben werden (wie in LED Streifen etc.) ist jedoch eine sehr lange Lebenszeit zu erwarten.

Bauformen
Leuchtdioden ersetzen mittlerweile Kleinlampen, Standardlampen und sogar Leuchtstoffröhren. LEDs werden als Hintergrundbeleuchtung von Displays in Fernsehern und Monitoren und im Fahrzeugbau eingesetzt. Es gibt kaum eine Lichtanwendung, in der LEDs keine Rolle spielen. Das komplette Farbspektrum von Infrarot, Rot, Orange, Gelb, Grün, Blau bis Ultraviolett und Weiß wird bereits abgedeckt. Durch Mischungen der Farben Rot, Grün und Blau (RGB, Lichtkreis) kann man jede Farbe bis hin zu Weiß mit LEDs erzeugen.  

Grunddaten der Leuchtdiode

Farbe oder Wellenlänge in nm (Nanometer) bei Weiß auch die Farbtemperatur in K (Kelvin)
LEDs kann man in den Farben Infrarot (für das Auge nicht sichtbar) Rot, Orange, Gelb, Grün, Türkis, Blau, Pink und Ultraviolett kaufen. Es gibt auch Mischfarben, die mit RGB-LEDs erzeugt werden können. RGB-LEDs bestehen aus 3 Einzelleuchtdioden in Rot, Grün und Blau und werden entweder vom Hersteller beschalten, oder es werden 4 Anschlüsse herausgeführt, an denen man die LEDs selbst beschalten kann.
Weiße LEDs gibt es in einem kalten Weiß (Daylight mit 5500—6000K) oder Warmweiß, das dem herkömmlichen Glühlampenlicht entspricht und eine Farbtemperatur von 2700-3000 K hat.

Vorwärtsspannung  oder Flussspannung in V (Volt)
Je nach Material haben Leuchtdioden unterschiedliche Betriebsspannungen, die man in der Elektronik Vorwärtsspannung nennt. Diese Daten sollte man beim Kauf erfragen. Standard LEDs in Rot, Gelb und Grün werden normalerweise mit 2 Volt Gleichspannung betrieben. Blaue, superhelle grüne und weiße LEDs haben einen Spannungsbereich von ca. 3-4 Volt und sollten normalerweise mit 3,6 Volt versorgt werden.

Strom in A (Ampere) oder mA (Milliampere)
Diese Angabe ist wichtig zur Berechnung des Vorwiderstandes, den man für eine Standardleuchtdiode benötigt. Bei einfachen 5mm LEDs beträgt dieser Strom ca. 20mA. ChipLEDs, die in der Raumbeleuchtung und Taschenlampen Anwendung finden, benötigen Konstantstromquellen mit 350 oder 700mA. Hier sollte man ebenfalls nach den Daten fragen. 

Abstrahlungswinkel in ° (Grad)
LEDs strahlen das Licht durch einen winzig kleinen Halbleiter ab. Diese Lichtquelle wird durch die verschiedenen Kunststoffformen mehr oder weniger breit gerichtet oder fokussiert. Sehr helle LEDs haben oft nur einen geringen Abstrahlungswinkel von 15 oder 20°. Ein komplettes Rundumlicht hätte 360°. Deshalb werden gerne LED-Cluster verwendet. Kleine SMD LEDs werden auf Leiterplatten gelötet und in verschiedenen Winkeln kreisförmig angeordnet, so dass ein Rundumlicht-Effekt entsteht. Dadurch wird eine ähnliche Abstrahlung des Lichts wie bei Glühlampen erreicht.

Lichtstärke cd (Candela), Lichtstrom L (Lumen), Beleuchtungsstärke E (LUX)
Die Lichtstärke einzelner LEDs werden in Candela angegeben. 1 Candela entspricht dem Licht einer Kerze. Die 5mm Standard-LEDs haben mittlerweile Lichtstärken von bis zu 30 cd bei einem Winkel von 20°
Bei Leuchtmitteln wird die Einheit Lumen im Datenblatt angeben. Lumen ist die Einheit, die den Lichtstrom in Berücksichtigung der Helligkeitsempfindlichkeit beim menschlichen Auge darstellt.
Für Arbeitsplatz und Wohnraumbeleuchtungen ist die Beleuchtungsstärke E in Lux am wichtigsten. Diese lässt sich berechnen, indem man den Lichtstrom durch die Fläche teilt. Diese Einheit kann mit einem Luxmeter gemessen werden.

Richtwerte für Beleuchtungsstärken (Auszug aus DIN 5035 Teil 2)
100 Lux Lagerräume, Treppen, Verkehrswege in Gebäuden
200 Lux Lagerräume mit Leseaufgabe, Archive
300 Lux Büroarbeitsplätze ausschließl. in Fensternähe, Versand
500 Lux Datenverarbeitung, Kassenbereiche, Besprechungsräume
750 Lux Technisches Zeichnen
1000 Lux Farbprüfungen, Farbkontrollen, Warenprüfung



0,001 Lux Sternklarer Nachthimmel
0,25 Lux Mondlicht
10 Lux Straßenbeleuchtung
100 Lux Flurbeleuchtung
500 Lux Bürobeleuchtung
1.000 Lux Beleuchtung TV-Studio
10.000 Lux Operationssaal
10.000 Lux Im Schatten im Sommer
20.000 Lux Bedeckter Sommertag
100.000 Lux Heller Sonnentag
0,0001 Lux Bewölkter Nachthimmel ohne Fremdlichter

Reihen- und Parallelschaltung von Standard-Leuchtdioden

LEDs haben, wie bereits berichtet, eine sogenannte Vorwärtsspannung in Volt und einen bestimmten Strombedarf in Ampere. Man kann LEDs in Reihe  (wie man es z.B. von Weihnachtsbeleuchtungen kennt) oder parallel schalten.

Reihenschaltungen haben den Vorteil, dass mehrere Leuchtdioden mit einer höheren Spannung betrieben werden können und ein geringer Stromfluss notwendig ist. Der Nachteil: fällt eine LED aus, leuchtet die ganze Reihe nicht mehr. Der Stromfluss wird durch einen Widerstand begrenzt. Die Spannung muss höher sein, als das Produkt aus der Anzahl der LEDs und der Vorwärtsspannung der LED. Z.B. 3 x 2V = 6V.  Die Betriebsspannung muss demnach über 6V liegen.

Parallelschaltungen benötigen nur eine niedrige Spannung z.B. zwei Batterien 1,5V. Jedoch multipliziert sich die Stromaufnahme mit der Anzahl der LEDs. Das bedingt eine schnellere Entladung der Batterie, eventuell höhere Kabelquerschnitte und stärkere Netzteile. Bei einem Ausfall einer LED leuchten die anderen LEDs weiterhin. Die Betriebsspannung muss hier über der Vorwärtsspannung einer einzelnen LED liegen. Z.B bei 2V LEDs müssen über 2V anliegen. Die Stromaufnahme ist hier jedoch 3 x so hoch wie in der Reihenschaltung.
Die Leistungsaufnahme in Watt ist bei beiden Schaltungen identisch, wenn die Betriebsspannung genau angepasst ist. Leistung ist gleich dem Produkt aus Spannung und Strom.

Berechnung des Vorwiderstandes für folgendes Schaltungsbeispiel:     

Formel
(ohmsches Gesetz)


Beispiel:

Versorgungsspannung Uo = 4,5V aus einer Blockbatterie
Vorwärtsspannung der LED ULED= 3,6V
Benötigter Strom der LED  I=20mA oder 0,02A
R= (4,5V-3,6V) : 0,02A
R=  45 Ohm

Die Verlustleistung des Widerstandes errechnet sich folgendermaßen:

PVerlust = (Uo-ULED) * I
für unser Beispiel
PVerlust= (4,5V-3,6V) * 0,02A
PVerlust = 0,018W

Vorwiderstände für weiße, helle grüne und blaue LED mit 3,6V Vorwärtsspannung und 20mA Stomaufnahme:
bei 3 V Stromversorgung ist kein Widerstand notwendig
bei 5 V Stromversorgung wird ein Vorwiderstand von 75 Ohm benötigt
bei 6 V Stromversorgung wird ein Vorwiderstand von 120 Ohm benötigt
bei 9 V Stromversorgung wird ein Vorwiderstand von 270 Ohm benötigt
bei 12 V Stromversorgung wird ein Vorwiderstand von 470 Ohm benötigt
bei 19 V Stromversorgung wird ein Vorwiderstand von 820 Ohm benötigt
bei 24 V Stromversorgung wird ein Vorwiderstand von 1,1 kOhm benötigt

Vorwiderstände für rote, schwache grüne und gelbe LED mit 2V Vorwärtsspannung und 20mA Stomaufnahme:
bei 3 V Stromversorgung wird ein Vorwiderstand von 51 Ohm benötigt
bei 5 V Stromversorgung wird ein Vorwiderstand von 150 Ohm benötigt
bei 6 V Stromversorgung wird ein Vorwiderstand von 200 Ohm benötigt
bei 9 V Stromversorgung wird ein Vorwiderstand von 390 Ohm benötigt
bei 12 V Stromversorgung wird ein Vorwiderstand von 560 Ohm benötigt
bei 19 V Stromversorgung wird ein Vorwiderstand von 910 Ohm benötigt
bei 24 V Stromversorgung wird ein Vorwiderstand von 1,2 kOhm benötigt