"DC-Filter" im Selbstbau

[Jensi]

Hallo,

seit dem ich in meiner neuen Wahlheimat wohne, habe ich vermehrt Probleme mit Asymmetrie/Gleichspannung in meinem Niederspannungsnetz.
Sowohl der Trenntrafo (1,5kVA) fürs Basteln, der Trafo in meinem Verstärker im Büro (750VA), als auch der Trafo in der Wohnzimmeranlage (3,5kVA) brummen gerne mal den halben Tag, mal mehr, mal weniger. Das nahe Industriegebiet mit produzierendem Gewerbe "nervt" meine Geräte und mich.
Es gibt verschiedene Wege dem zu "begegnen", aktive und passive Varianten, jetzt mal einfach und passiv.

Das Thema ist nicht neu, mal sehen was sich so im Netzt findet...
Schon spannend was sich manche Leute da ausdenken, die Kreationen reichen von antiseriell verschalteten Elko´s bis x-Diodenstrecken als Schutz für verpolte Elko´s. Was steht da noch in den Datenblättern der Elko-Hersteller...

Ich habe auch seriöse Konstruktionen gefunden, die waren aber meist zu groß oder in der Stromlieferfähigkeit begrenzt.
Ich möchte es wenig auffällig und praktisch, am besten als Steckergehäuse, also muss der alte Mann selbst ran.

Die Gehäuse waren schnell gefunden, das favorisierte Weiß auch verfügbar...



Die beiden "kleinen" fürs Büro waren schnell fertig, der "große" war unter den eigenen Vorgaben aufwändiger.

An die Schaltung, betriebssicher soll sie sein, keine Limitierung der Steckdose oder des angeschlossenen Geräts. Erst mal rechnen...
Hier das Ergebnis...


...geht doch, muss nur passen, die Elko´s brauchen mehr Platz, als da ist.

Anzeichnen...


...dann Platz schaffen. Jetzt passen sie rein...


...während der Kleber trocknet, kann der zweite Teil des Gehäuses schon mal vorbereitet werden...


...dann die Drahtbrücken biegen und die Dioden sinnvoll "verpacken"...


...jetzt kann der Zusammenbau beginnen...


...es wird...


...und fertig...




...genau so wie es gewünscht war, Steckergehäuse, weiß, kompakt, zuverlässig und leistungsfähig.

Hier noch was fürs Poesiealbum...




Weil es richtig ist:

WARNUNG: Bei Arbeiten an elektrischen Anlagen besteht Lebensgefahr!
Diese Geräte dürfen nur von fachkundigen Personen montiert und in Betrieb genommen werden. Arbeiten und Eingriffe am Nieder­spannungs­netz dürfen nur von einer ausgebildeten Elektrofachkraft unter Einhaltung der entsprechenden Richtlinien durch­geführt werden.


Sonnige Grüße Jens

[spocintosh]

Kannst du die Kosten verraten? Ist ja im Vergleich zum PS Audio schon vielleicht interessant...
Und wieso hast du dich gerade für diese Schaltung entschieden, wo es doch offenbar auch ein Dutzend andere gibt, wie wir hier letztens erfahren haben?

(Und bitte nimm den Akut, der nutzloserweise ein ohnehin falscher Apostroph sein will, aus der Überschrift...ich krieg direkt 'ne Leberzirrhose...)

[Florida Boy]

(...) Erst mal rechnen...
Hier das Ergebnis...
(er folgt ein Schaltplan)

Was wurde berechnet?
Wie kommst du auf 4x47mF?
Kannst du die verbauten Dioden näher beleuchten?

[Jensi]

Kannst du die Kosten verraten? Ist ja im Vergleich zum PS Audio schon vielleicht interessant...
Und wieso hast du dich gerade für diese Schaltung entschieden, wo es doch offenbar auch ein Dutzend andere gibt, wie wir hier letztens erfahren haben?

(Und bitte nimm den Akut, der nutzloserweise ein ohnehin falscher Apostroph sein will, aus der Überschrift...ich krieg direkt 'ne Leberzirrhose...)

...ich kann es versuchen...

Gehäuse ca. 25€
Elko´s und Dioden ca. 15€
Kleinteile 5-10€

Macht insgesamt ca. 50,-€ und ein bisschen Arbeit.

Für die Schaltungsauswahl habe ich ein bisschen recherchiert. Was sagen die Elko Hersteller?
Bei der Firma Kummer Kondensatoren habe ich folgendes gefunden...

...also besser nur eine Diodenstrecke.
Ich brauche einen kleinen ESR, parallel verschaltete Elko´s. 
Fertig war die Schaltung.

Das kann man sicherlich auch anders auslegen oder beurteilen, damit sind andere Lösungen auch möglich, aber nicht für mich.

[SABA-FAN]

naja. was muss da viel gerechnet werden.? man braucht ca. 100uF /Watt

[Jensi]

(...) Erst mal rechnen...
Hier das Ergebnis...
(er folgt ein Schaltplan)

Was wurde berechnet?
Wie kommst du auf 4x47mF?
Kannst du die verbauten Dioden näher beleuchten?

Alle drei Fragen beantwortet das letzte Bild "Jensi sein Filter"...

[misfits]

Klasse Arbeit und sehr sauber aufgebaut

[Jensi]

naja. was muss da viel gerechnet werden.? man braucht ca. 100uF /Watt

…puh, das wären 368mF…

Aber die Regel kenne ich aus einer alten B&O Dokumentation.

Am Ende entscheidet der tolerierte Spannungsfall über die Größe des Kondensators und seinen ESR.

[scope]

…puh, das wären 368mF…

Brummt die Waschmaschine?

[Jensi]

…puh, das wären 368mF…

Brummt die Waschmaschine?

Der böse Mann hat Waschmaschine zu meinem Verstärker gesagt… 

[scope]

---

DER genehmigt sich diese Ströme aber nicht. Daran ändert auch der 3,5 KVA RKT erst mal nichts.
Wenn er es täte, und permanent 3KW in Wärme verpulvern würde (also nur wenn), dann würde ich ihn als Deko verwenden. Ganz ohne Netzkabel.

Stell dir vor, deine Viper läuft zur Show nur im Standgas....Da ist der Verbrauch auch nicht so enorm wie er theoretisch sein könnte. Autovergleiche sind doch toll...oder?
Andererseits heizt der Lavamat ja auch nicht durchgehend.

[Jensi]

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DER genehmigt sich diese Ströme aber nicht. Daran ändert auch der 3,5 KVA RKT erst mal nichts.

Stell dir vor, deine Viper läuft zur Show nur im Standgas....Da ist der Verbrauch auch nicht so enorm wie er theoretisch sein könnte. Autovergleiche sind doch toll...oder?
Andererseits heizt derder Lavamat auch nicht durchgehend.

Hihi, den Waschmaschinenvergleich fand ich witzig, Würfelförmig mit einem Fenster vorne drin, passt, hihi

Mein Auto verbraucht im Stand viel mehr Sprit auf 100Km als bei Vollgas.

[spocintosh]

Ich stand vor Längerem mal zu dem Thema in Kontakt mit dem Trafohersteller Plitron in Canada, die haben dazu damals ein White Paper veröffentlicht.
Gibt es nicht im Netz, sondern nur in gedruckter Form...und jetzt hier zum DL:
https://kdrive.infomaniak.com/app/share/...3e896ff9c2

Ist dann ein Jahr später auch noch ein AES Paper draus geworden:
https://kdrive.infomaniak.com/app/share/...032733261d

Vielleicht interessiert's ja jemanden. Ich fand es damals gut, dass sich endlich mal damit befasst wurde.

[scope]

Die Strecke habe ich nicht erwähnt, und eine Viper braucht im Stand immer weniger Benzin, als sie unter anderen Bedingungen verbrauchen könnte. Es bleibt dabei.

[Jensi]

Die Strecke habe ich nicht erwähnt, und eine Viper braucht im Stand immer weniger Benzin, als sie unter anderen Bedingungen  verbrauchen könnte. Es bleibt dabei.

Ich weiß schon warum ich keine amerikanischen Autos fahre, bei meinem deutschen Fabrikat geht im Stand der Motor aus und verbraucht nichts. Das ist besser als weniger.

Die Geschichte mit dem 3,5kVA Trafo und der Grundlast ist natürlich uneingeschränkt richtig. 
Aber, weiter oben steht „keine Limitierungen“…

[scope]

bei meinem deutschen Fabrikat geht im Stand der Motor aus

Vergleichbar mit Krell's "Sustained Plateau" Bias, und DA finde ich sowas auch gut.

Den Müll gibt es nicht nur deutschen Autos. Zm Glück dauaerhaft (!) zu deaktivieren mit "Zusatzplatine".
Ich muss noch immer eine Taste zum Abschalten drücken,vor jeder Fahrt

OK...Back to DC im Netz. Aber da kann ich nun gar nicht mitreden... Gibts hier nicht, gab es nie.
Hoer gibt´s nur billige PV Anlagen, die extrem stören können.

[Florida Boy]

Klasse Arbeit und sehr sauber aufgebaut

Ja schon, nur wirft das halt die eine oder andere Frage auf.

Wenn ich ,,Jensi sein Filter" richtig interpretiere, sehe ich dort die Durchlassspannung einer Diode zum durch sie fließenden Strom. Wenn ich da mal die unnützen Linien weglasse, bleibt ...


Die rote 16A-Linie habe ich mal eingefügt, da sie die relevante Größe ist: Zum einen sind diese 16A das, was der heimische Sicherungsautomat im Maximum erlaubt und deckt sich auch mit dem Wunsch nach (230V x 16A) 3680W Anschlussleistung.
Gehe ich von einer Durchlassspannung von einem Volt bei 16 Ampere aus, macht das eine Verlustleistung von (1V x 16A) 16 Watt pro Diode, 32 Watt in Summe, die in Wärme umgesetzt werden. Ob sich da ein geschlossenes Gehäuse und Dioden ohne Kühlkörper so gut machen?
Weiterhin wird angeführt, eine Verpolspannung von 0,8V sei bei einem Elko tolerabel, liegt jedoch im konkreten Fall sichtlich über einem Volt. Mehrere Dioden parallel könnten Abhilfe schaffen, es wird aber nicht weiter darauf eingegangen. Wenn ich also die Elko-Wahlkriterien richtig deute, wurde die Kapazität mit dickem Daumen mal verfügbarem Platz gewählt. Da finde ich die Aussage von ,,100µ pro Watt" irgendwie handfester, auch wenn ich generell Elkos dort für albern halte, denn ein Delta von 0,4% (1V zu 230V) muss nicht kompensiert werden.

Nichts spricht gegen den Brückengleichrichter mit 10-Ohm-Widerstand.
(Abb. Rotel RB-880 MkIII)

[Jensi]

bei meinem deutschen Fabrikat geht im Stand der Motor aus

Vergleichbar mit Krell's "Sustained Plateau" Bias, und DA finde ich sowas auch gut.
...

Oh ja, Dan D' Agostino hat Kreationen erschaffen die den Krell angemessen sind. Geiler Typ.

Wo muss man wohnen, dass das so ist?

---

Klasse Arbeit und sehr sauber aufgebaut

Ja schon, nur wirft das halt die eine oder andere Frage auf.

Wenn ich ,,Jensi sein Filter" richtig interpretiere...

Nein, das tust Du nicht. Damit ist alles von dir Folgende falsch.
Wer mit "unnützen Linien" denkt, sollte nochmal an die Analyse der Schaltung gehen, die hast Du nicht verstanden.

[Pufftrompeter]

Wer mit "unnützen Linien" denkt, sollte nochmal an die Analyse der Schaltung gehen, die hast Du nicht verstanden.

Ich habe eine revolutionaer-geniale Idee: 

Wie waere es, wenn Du die Schaltung nicht nur zeigst und darueber richtest, wer sie verstanden hat und wer nicht, sondern sie und ihre prinzipielle Funktionsweise AUCH MAL ERKLAERST? 

Ich weiss - ein long shot und nachdem Du 3x darueber lamentiert hast, dass keiner die Schaltung richtig versteht, obwohl jedes Detail mehrfach redundant schon 5x hinreichend genau erlaeutert wurde, auch gar nicht der Kern, Sinn und Zweck der ganzen Uebung ... 

Aber dennoch - DAS waere doch mal echter Knaller: Erklaeren statt raten lassen. Erleben wir das noch ... oder ist der Ansatz in seiner Einfachheit zu wenig elitaer?

[spocintosh]

Ok, deine Beiträge sind ja schon interessant, aber dein Tonfall ist irgendwie wenig verbindend. Geht das nicht auch 'n bisschen freundlicher? In einem Forum geht es um MITeinander, nicht um GEGENeinander. Von Letzterem haben wir in diesem Land ja wohl schon genug.
Und es hat dir doch keiner was getan...zumindest hier nicht.

[Dynaudio-Fangirl]

Hallo Jens,

das weiße Steckergehäuse gefällt mir gut. Die Dimensionierung und der Aufbau wirft bei mir Fragen auf.

Die „Regel“ mit den 100uF pro VA kenne ich auch, Saba-Fan kennt sie, Du auch, aber Du nimmst nur die Hälfte. Deine Kennlinie zeigt, das Du richtig liegst, aber warum? Was ist an der Regel die “alle“ kennen falsch?

Die Schutzdioden finde ich „risikoreich“ montiert. Das eine Bein der Dioden ist vorbildlich kurz an den dicken Draht gelötet, das andere Bein erst ein gutes Stück nach der Verjüngung. Ob diese selbst gebaute Sicherung ausreichend dimensioniert ist? Ich glaube nicht, hast Du das beachtet? 
Bei axialen Dioden sind die Beine dicker.

Danke für die Einstellung und Gruß Fangirl

[Florida Boy]

Warum ich mäkel?

Nur mal angenommen, der DC-Blocker soll ein Kondesator-Netzteil (K-NT) sein, dann wäre der ,,Dicke-Daumen-Wert" von 100µ/W durchaus ok.
Da ich kein Oszi habe, kann ich es nur simulieren.



Bei der ersten Simulation deaktiviere ich die beiden Dioden und nehme als Kapazität das, was Jens verbaut hat (4x47mF).



Interessant: Jens hat mit 51µF/W auch gute 230Vac erreicht. Wie kommt das?
Ich will aber erstmal nach etwas anderem schauen: Die Ausgangsspannung eines K-NT ist nur von der angeschlossenen Last abhängig. Ich reduziere daher die Last von 3680 auf 23 Watt.



Lediglich die Ausgangsspannung ist auf rund 230Vac angestiegen. Erkenntnis: Die Ausgangsspannung kann bei Minderlast nicht über die Eingangsspannung ansteigen. Diese Erkenntnis ist wichtig, wenn das K-NT nur eine geringere Sollspannung von bspw. 117 Vac erreichen soll:



Fällt bei diesem K-NT die Last ab, also der angeschlossene Verbraucher weg, steigt die Ausgangsspannung von 117 auf die vollen 230Vac an.

Offensichtlich ist an der Faustformel 100µ/W nicht allzuviel drann. Trotzdem will ich die Kapazität auf die ,,empfohlenen" 368mF und die Last wieder auf 3680 Watt erhöhen.
In den weiteren Kurven will ich nur noch den oberen Bereich der positiven Halbwellen so zwischen 220 und 235Vac darstellen und den Cursor weglassen, damit sich der erreichte Wert direkt ablesen lässt.



Die 230Vac werden Dank des nicht idealen Kondensators nicht mehr erreicht. Ist das eine Frage der Kapazität? Nein. Ich erhöhe die Faustformel auf 1000µF/W, simuliere also mit 3,86 Farad und passe die Skalierung entspr. an.



Selbst mit einer Verzehnfachung lassen sich über einen Kondensator nicht (mehr) die 230Vac erreichen, wobei 229,95Vac aber durchaus als solche durchgehen dürfen. Erkenntnis: Die Kapazität des K-NT (230V zu 230V) kann unendlich hoch sein, ohne je den Ausgangswert zu erreichen.
Die anschließende Frage lautet somit, wie niedrig kann die Kapazität sein? Dazu müssen wir aber erstmal eine tolerable Abweichung definieren. Wieviel darf es denn sein?
Darum nochmals die 188mF (Jensis Kapazität) herangezogen:



229,73Vac im Mittelwert macht eine Abweichung von 0,12%. Das ist schon sehr niedrig. Die IEC 60038 besagt, dass die Netzspannung von 230Vac um +/-10% schwanken darf, wobei sie in D schon seit Jahrzehnten nur zwischen +/-2,5% liegt. Das sind etwas über fünf Volt. Ich würde hier die Untergrenze mal auf 2,3V setzen, exakt 1%, weniger ergibt kaum einen Sinn. Im oben gezeigten K-NT für 117Vac lautet die Faustformel 2,3µF pro 10 Watt, das sind 460nF pro Watt für 230V. Haut das hin? Ich simuliere mit (3680 x 0,46) 1692µF.



Tut sich sichtlich etwas schwer. Der Elko braucht scheinbar etwas länger; geben wir ihm mehr Zeit. Simulation mit 190ms statt 90ms.



Schau an. Knapp unter 228Vac.
Erkenntnis: Bei einer realistischen Toleranz von 1% reichen also rund 0,5µF pro Watt aus.
Kleiner Haken ist, dass der Kondensator für 230Vac geeignet sein muss. Da bleiben nur Motorkondensatoren. Habe jetzt mal den hier gefunden:



Wird sicher Weitere geben, nur ist die Suche mühselig. 1000µF sind etwas wenig, da braucht es zwei der gezeigten Kanne.
Damit ist erstmal die Einzelbetrachtung der Kondensatoren abgeschlossen, wenden wir uns den Dioden zu.

Deren Anforderungen sind recht einfach: Während eine leitet, sperrt die andere. Die eine leitende Diode muss den gesamten Strom von 16A leiten und die sperrende die Netzspannung von 230Vac zurückhalten. Aber ... es wird hier mit der Spitzenspannung gerechnet und die liegt um SQR(2) höher.
230Vac x 1,414 = 325Vpp. Die Mindestanforderung an die Dioden liegt also bei 400V als nächst möglichen Wert.
Viel simulieren (und messen) lässt sich da nicht:


...


Der Spannungsabfall über die Dioden beträgt etwa 1,1V. Wer hier die sonst üblichen 0,6V bis 0,7V erwartet vergisst, dass die Dioden beim Durchleiten von 16A (!) heiß werden. Schottky-Dioden zeigen zwar im untersten Strombereich eine geringere Durchlassspannung, die aber bei hohen Strömen = hoher Wärme der der konventionellen Dioden gleicht. Nimmt sich also nichts.

Dann will ich auch noch kurz den Effekt zeigen, den die Dioden auf die Netzspannung ausüben. Dies aber nur in übertriebener Form, damit man es überhaupt/besser sieht. Dazu reduziere ich die 230Vac auf 23Vac und füge je neun weitere Dioden ein.



Die dünne rote Linie nur als Maßstab.
Die Dioden schnüren die Wechselspannung ,,allseitig" ein und verlängern damit den Nulldurchgang. Das sieht ziemlich übel aus, darum noch schnell mit einem 10-Ohm-Widerstand die Dioden überbrücken.



A-haaaaa. An der Reduktion kann der Widerstand nichts ändern, aber den Nulldurchgang wieder ,,auf Linie" bringen.
Erkenntnis: Kondensator wie Dioden können die Gleichspannung wirkungsvoll abblocken.

Schauen wir uns die Kombination beider Verfahren an. Unter Umständen geht auch die Überlegung vieler davon aus, den durch die Dioden entstandenen Spannungsabfall mit einem Kondensator ausgleichen zu wollen?
Ich will zuvor aber noch auf einen besonderen Umstand eingehen. Der oben gezeigte 1000µF/300Vac-Kondensator ist kein Elko, auch wenn er in einem Alu-Becher denen sehr ähnlich sieht. Dank Jens wissen wir - naja, zumindest die aufmerksamen Leser dieses Fadens - dass die Elko-Hersteller eine Verpolspannung von max. 0,8V für akzeptabel halten. Auf diese Denke würde ich mich aus reiner Bequemlichkeit nicht einlassen, zumal die hier ermittelte Spannung bei mindestens 1,1V liegt. Wenn unbedingt Elkos statt Kondensatoren (hier also immer gleichbedeutend mit ungepolt verwendet) na dann macht man halt aus zweien einen Bipol (bipolaren Elko). Ich simuliere also mit zwei bipolaren Elkos a 94mF (2x47.000µF).
Der Knackpunkt ist nun die Frage, über wen der Strom fließt? Über die Elkos oder über die Dioden?
Die Simulation sieht somit wie folgt aus:



Und das Ergebnis:



Ui, blaue Spannung (linke Skale) und roter Strom (rechte Skale) sind verschoben. Erkenntnis: Den Strom teilen sich Elkos und Dioden brüderlich. Der zeitliche Versatz entsteht durch die Elkos, die eine Phasenverschiebung von 30° produzieren. Hatte ich oben nicht erwähnt.

Die entstehende Spannung ist - glaube ich - klar geworden, die lasse ich mal weg und betrachte die Ströme genauer. Dann will ich am Schaltbild noch eine Änderung vornehmen: Werden Elkos in Reihe geschaltet, halbiert sich ihre Kapazität: in Anlehnung an Jens' verfügbarer Kapazität reduziert sie sich somit auf 47mF. Soll aber nicht weiter stören, ist ja wie gesagt relativ unkritisch.
Die Simulation:



Das ganze oben angeführte Gelaber nur für diese eine Darstellung:*



Zum Vergleich:
Der Strom am K-NT mit 47mF:



Und die drei Teilströme am reinen Gleichrichter-Blocker mit 10R-Widerstand:



(A_C meint hier den Strom am Widerstand und geht in der Darstellung unter.)

*Ich meine exakt diese Darstellung im Netz schon mal gesehen zu haben.

Es sind nicht die Dioden oder die Kondensatoren, sondern die Kombination aus beidem.

[uk64]

Bei der ganzen Simulation ist der Stromverlauf durch die Last im Wechselstromkreis immer noch sinusförmig. In der Realität sitzt hinter dem Trafo ja irgendwo ein Gleichrichter mit Ladekondensator und schon ist es aus mit dem sinusförmigen Stromverlauf.

Gruß Ulrich

[spocintosh]

Ui. Ich versteh zwar fast nichts davon, aber es eröffnet sich folgende Frage:
Wie verhält sich denn die von Bongiorno geerbte Schaltung, die ich oben verlinkt hatte?
Könntest du die genauso simulieren oder ist das 'n Mörderaufwand?

[Jensi]

Hallo Jens,

das weiße Steckergehäuse gefällt mir gut. Die Dimensionierung und der Aufbau wirft bei mir Fragen auf....

Hallo Fangirl,

na wenigstens das Gehäuse passt, hihi. Auch da sagen 6 von 10, "Warum ist es nicht schwarz?"

Die "100uF Regel" ist genau so gültig wie meine Rechnung, beides funktioniert.
Die 100uf-Regel ist eine Entwickler-Regel, von Leuten die Geräte entwickeln. Seit Jahrzehnten bauen wir keine x Geräte mehr für jede auf der Welt vorkommende Netzspannung, sondern wir bauen eins und können es z.B. umschalten.
Siehe hier...






...wie Du in der Schaltung rechts siehst, ist da ein 1000uF Kondensator als Hochpass vor dem Trafo eingepflegt. Was Du noch siehst ist die Umschaltung der Netzspannung. Die Netzspannung darf sich ändern, der Kondensator kann es nicht. 
Der Hochpass "sieht" die Netzspannung nicht, er sieht den Strom. Der Strom ist bei 110V Versorgung ziemlich genau das doppelte vom 220V Strom.
Um nun auf alle "Eventualitäten" vorbereitet zu sein, orientiert sich der Entwickler am höchsten Strom, also der kleinsten Netzspannung. Wenn man dann 0,5V Spannungsfall über dem Kondensator als Grenze betrachtet, kommt man auch rechnerisch bei 100uF pro VA raus.
Mein Gehäuse gibt durch den Stecker und die Buchse vor in welchem Spannungsbereich das Teil betrieben wird (ca. 230V), ich akzeptiere bei Nennlast (16A)  0,4V Spannungsfall, 50Hz ist klar, der Rest rechnet sich dann ganz von selbst auf etwa 180mF. Genommen habe ich 188mF. In der Baugröße bekommt man auch 82mF Kondensatoren, damit sind auch 328mF im gleichen Gehäuse möglich. Das ist dicht dran an der 100uF-Regel, bringt aber bei 230V / 16A keinen Vorteil im Betrieb.


Dein zweiter Teil ist spannend!
Nein, weder ernsthaft beachtet noch berechnet. Das kann falsch gewesen sein und wird nach meiner Rückkehr aus dem Urlaub analysiert. 
Ich werde berichten...

Sonnige Grüße Jens