R[Ω]	U[V]		C[μ F]	U[V]
47	5,1		47	5,2
100	5,8		100	5,8
220	6,5		220	6,4
470	7,0		470	6,7
1000	7,3		1000	6,9
∞	8,4
Tabelle 1: C = 100 μF			Tabelle 2: R = 100 Ω

Folgerung:
Je kleiner der Widerstand umso kleiner ist die mittlere Ausgangsspannung am Gleichrichter. Ohne Belastung erreicht sie näherungsweise die Amplitude der angelegten Wechselspannung. Ein kleinerer Kondensator bewirkt, dass die entnehmbare Gleichspannung sinkt. Außerdem steigt die Welligkeit, wie man mit dem Oszillographen nach Versuch 1 zeigen kann. Vergleicht man die Ausgangsspannungen mit denen eines Einweggleichrichters unter gleichen Bedingungen, so fällt auf, dass am Zweiweggleichrichter bei höherer Belastung die Ausgangsspannung weit weniger absinkt wie bei einem Einweggleichrichter. Sie schwankt insgesamt nicht so stark. Die Welligkeit ist geringer. Daher können Brückengleichrichter, wie man Zweiweggleichrichter häufig nennt, auch als Netzteil für Audiogeräte wie Transistorradios, Walkmans, MP3-Player eingesetzt werden.

2.2.3 Kaskadengleichrichter

Versuch 1:
Aufbau:
Man baut auf der Platte eines Elektronikkastens die Schaltung nach Abb. 1 ohne Voltmeter zusammen und verbindet sie mit der Spannungsquelle und dem Oszillographen. Die Kondensator haben eine Kapazität C₁ = 1000 μF und C₂ = 100 μF, der Widerstand einen Wert R = 100 Ω.

Abb.1: Kaskadengleichrichter

Durchführung:
Man schaltet alle Geräte ein. Dann entfernt man zuerst den Widerstand, dann den Kondensator C₂ aus der Schaltung.
Beobachtung:
Auf dem Oszillographen beobachtet man auf dem 2. Kanal Osz2 die Kurven in Abb.2. Auf dem 1. Kanal Osz1 liegt die angelegte Wechselspannung an.

Abb.2: Oszillographenbilder

Erklärung:
Ohne Widerstand (grüne Kurve in Abb.2) lädt sich der Kondensator auf die doppelte Amplitude der Wechselspannung U₀, also auf

U₀ = 2*U_eff*sqr(2)
   = 2*6V*sqr(2)
   = 17 V

auf. Ohne Kondensator C₂ (rote Kurve in Abb.2) müsste am Widerstand die gleichgerichtete Wechselspannung abzüglich der an den beiden Dioden abfallenden Spannung 2*U_D anliegen. Dabei folgt der Stromverlauf am Widerstand, also auch die Spannung am Oszillographen dem Spannungsverlauf der Gleichspannung. Es ergäbe sich eine maximale Spannung U von

U = U₀ – 2*U_D
  = 17 V – 1 V
  = 16 V.

In Wirklichkeit ist die gemessene Spannung kleiner, nämlich nur 14,8 V. Der Kondensator C₁ gibt seine Ladung nach den Gesetzen für die Reihenschaltung von Kondensatoren nicht vollständig an den Kondensator C₂ weiter. Damit fällt an ihm eine kleine Restspannung ab. Liegen beide Bauteile, Kondensator und Widerstand am Ausgang des Gleichrichters, so erhält man den blauen Kurvenverlauf. Übersteigt die Ausgangsspannung des Gleichrichters die am Kondensator noch anliegende Spannung, so lädt er sich auf. Außerdem treibt die Ausgangsspannung des Gleichrichters dann einen Strom durch den Widerstand. Da die Ausgangsspannung aber schwankt, also regelmäßig wieder unter die Spannung am Kondensator fällt, versucht der Kondensator die Spannungslücken auf zu füllen. Er entlädt sich zum Teil. Die entnehmbare Spannung ist im Schnitt höher als beim Einweggleichrichter. Dafür weist sie eine hohe Welligkeit auf. Sie lässt sich aber auch in diesem Falle mit einem größeren Kondensator verringern, aber nie ganz unterdrücken, denn die Spannung am Kondensator sinkt in der spannungslosen Zeiten des Gleichrichterausgangs stets um einen gewissen Wert ab.

Versuch 2:
Aufbau:
Man entfernt in der Schaltung von Versuch 1 (s. Abb.1) den Oszillographen und baut das Voltmeter ein.
Durchführung:
Man benutzt zunächst als Kondensatoren C₁ = 1000 μF und C₂ = 100 μF und tauscht die Widerstände aus. Man liest jeweils die Spannung ab. Dann behält man den Widerstand mit R = 100 Ω bei und wechselt die Kondensatoren.
Beobachtung:
Man erhält folgende Messtabellen:

Tabelle 1:
C₁ = 1000 μF, C₂ = 100 μF
  Tabelle 2: R = 100 Ω

Folgerung:
Je kleiner der Widerstand umso kleiner ist die mittlere Ausgangsspannung am Gleichrichter. Ohne Belastung erreicht sie näherungsweise die doppelte Amplitude der angelegten Wechselspannung. Ein kleinerer Kondensator C₂ bewirkt, dass die entnehmbare Gleichspannung stark sinkt. Außerdem steigt die Welligkeit, wie man mit dem Oszillographen nach Versuch 1 zeigen kann. Die Ausgangsspannung lässt sich in einem weiten Bereich einstellen durch eine geeignete Wahl der beiden Kondensatoren. Die Welligkeit ist allerdings hoch im Vergleich zu den beiden anderen Gleichrichtern. Daher werden Kaskadengleichrichter nur verwendet, wenn die Belastung gering ist, also nur wenig Strom bei einer bestimmten Spannung benötigt wird. Typisches Anwendungsbeispiel ist die elektrische Zahnbürste (vgl. A. Reichert: Aus dem Innenleben einer elektrischen Zahnbürste).

2.2.4 Reedwechselrichter

Abb.1 zeigt den genauen Schaltplan für einen mechanischen Zerhacker.

Abb.1: Reedwechselrichter

Abb.2: Verschaltung auf
einer Lochrasterplatine

Der Wechselschalter ist als Reedkontakt mit einem Eingang E und zwei Ausgängen A₁ und A₂ ausgelegt. Die LED’s ersetzen den Trafo in der Prinzipschaltung in Abb.2 im Kapitel 2.1.2. Sie leuchten abwechselnd je nach Polung der Wechselspannung. Die Verschaltung auf einer Lochrasterplatine entnehmen Sie Abb.2. Die fertig verschaltete Platine schraubt man auf zwei kleine Holzleisten der Größe 1cmx1cmx4cm, die man auf den Boden einer Mon-Cherry-Dose klebt. Für die Zuleitung der Gleichspannung und die Ableitung der Wechselspannung befestigt man am Deckel eine rote Telefonbuchse für den Pluspol, eine schwarze für den Minuspol der Gleichspannung und zwei gelbe für die Pole der Wechselspannung. Die beiden LED’s werden mit Hilfe zweier Fassungen aus Kunststoff oder Chrom ebenfalls am Deckel befestigt. Sie dienen dazu, die Wechselspannung sichtbar zu machen. Den Reedschalter klebt man mit etwas Tesafilm auf die Innenseite des Deckels. Die Buchsen und die Ausgänge des Reedkontaktes werden über ein Stück Schaltlitze mit den entsprechenden Anschlüssen auf der Platine verbunden. Die LED’s lötet man nicht direkt auf die Platine, sondern steckt sie in die Fassungen und verbindet sie mit etwas Schaltlitze mit den Löchern auf der Platine, die in Abb. 2 den Anoden bzw. Kathoden der LED’s entsprechen. Zum Schluss stellt man mit einem Stück Schaltlitze eine Verbindung zwischen der schwarzen Buchse und dem Eingang des Reedschalters her. Den fertigen Reedwechselschalter zeigt Abb.3.

Abb.3: Reedwechselrichter

Versuch 1:
Aufbau:
Die Schaltung aus Abb.3 verbindet man mit einer Gleichspannungsquelle von 5V.
Durchführung:
Man fährt mit einem Magneten über den Reedschalter langsam hin und her.
Beobachtung:
Zu Beginn leuchtet die rote LED, beim Bewegen des Magneten die grüne. Je nachdem wie die Ausgänge des Reedschalters mit den Anschlüssen A₁ und A₂ auf der Platine verkabelt wurden, können sich die LED’s auch genau umgekehrt verhalten. Entfernt man den Magneten, so leuchtet wieder die rote LED bzw. die grüne.
Erklärung:
Der Magnet schaltet den Reedkontakt um. Damit wird der Minuspol der Gleichspannung mit der anderen Ausgangsbuchse der Wechselspannung verbunden. Sie kehrt ihre Polung um. Bewegt man den Magneten vom Reedkontakt weg, so geht der Reedschalter wieder in seinen Ausgangszustand.

Für den zweiten Versuch benötigt man zusätzlich eine Spule mit 100 Windungen, einem Durchmesser von ca. 5cm und einer Höhe von etwa 2cm (s. Abb.3). Man wickelt dazu auf eine leere Teflonrolle mit lackiertem Kupferdraht 100 Windungen. Die Rolle klebt man in eine kleine Plastikdose, in deren Deckel man Telefonbuchsen für die Kabelenden befestigt. Sie werden miteinander verlötet. Man kann auch noch weitere Abgriffe der Windungen, etwa nach 3, 10 und 50 Windungen einbauen. Die Spule eignet sich dann auch als KW/MW-Empfangsspule für die Versuche zum Radio.(vgl. A. Reichert: Radiosender/Radioempfänger)

Versuch 2:
Aufbau:
Man legt die Spule auf den Reedkontakt und schließt sie an eine Wechselspannung oder an eine pulsierende Gleichspannung mit 2-4 V an. Der Reedwechselrichter wird mit 5 V Gleichspannung versorgt. Die gelben Ausgangsbuchsen werden mit einem Oszillographen verbunden. Durchführung:
Man schaltet alle Geräte ein und betrachtet die Kurve auf dem Oszillographen.
Beobachtung:
Man hört ein Klappergeräusch des Reedkontaktes wie von einer Klapperschlange. Auf dem Oszilloskop beobachtet man bei einer Wechselspannung von 50 Hz die Kurve in Abb.4, bei pulsierender Gleichspannung verdoppelt sich die Periodendauer auf 20 ms.

Abb.4: Ausgangsspannung am Reedwechselrichter

Erklärung:
Die Wechselspannung verläuft nicht ganz rechteckförmig, da die Kondensatoren sie aufgrund ihrer Ladecharakteristik ein wenig glätten. Die Frequenz der Ausgangsspannung beträgt 100 Hz, ist also doppelt so hoch wie die der angelegten Wechselspannung. Der Reedkontakt schaltet unabhängig von der Polung des Elektromagneten, also 100 mal pro s um. Bei pulsierender Gleichspannung beträgt die Frequenz der Wechselspannung dagegen nur 50 Hz, da der Reedkontakt 50 mal pro s zwischen dem Ein- und Ausschaltzustand wechselt.

2.2.5 Thyristorwechselrichter

Abb.1 zeigt den konkreten Aufbau eines Thyristorwechselrichters. Er setzt sich aus zwei Teilen zusammen, dem eigentlichen Wechselrichter im oberen Teil der Schaltung und einem Multivibrator. Die Verschaltung auf einer Lochrasterplatine zeigt Abb.2.

Abb.1: Thyristorwechselrichter

Abb.2: Verschaltung
auf einer Lochrasterplatine

Die fertig verschaltete Platine schraubt man auf zwei kleine Holzleisten der Größe 1cmx1cmx4cm, die man auf den Boden einer Mon-Cherry-Dose klebt. Für die Zuleitung der Gleichspannung und die Ableitung der Wechselspannung befestigt man am Deckel eine rote Telefonbuchse für den Pluspol, eine schwarze für den Minuspol der Gleichspannung und zwei gelbe für die Pole der Wechselspannung. Die beiden LED’s werden mit Hilfe zweier Fassungen aus Kunststoff oder Chrom ebenfalls am Deckel befestigt. Sie dienen dazu, die Wechselspannung sichtbar zu machen. Die beiden Potis verschraubt man ebenfalls im Deckel der Dose. Dann verbindet man über Schaltlitze die Anschlüsse auf der Platine mit den entsprechenden Bauteilen am Deckel. Die fertige Schaltung zeigt Abb.3.

Abb.3: Thyristorwechselrichter

Versuch 1:
Aufbau:
Die Schaltung aus Abb.3 verbindet man mit einer Gleichspannungsquelle von 5V.
Durchführung:
Man schaltet die Versorgungsspannung ein und dreht an den beiden Potis.
Beobachtung:
Die beiden LED’s blinken wechselseitig auf. Verstellt man Poti 1, so leuchtet die rote LED länger oder kürzer, beim Poti 2 die grüne. Bei gleicher Stellung der Potis blinken die LED’s symmetrisch.
Erklärung:
Der Multivibrator schaltet die Thyristoren in seinem Takt um. Mit den Potis kann man die Schaltzustände des Multivibrators verlängern und verkürzen und damit die Durchschaltzeiten der Thyristoren.

Versuch 2:
Aufbau:
Die Schaltung aus Abb.3 legt man an eine Gleichspannungsquelle von 5V. Die gelben Buchsen werden mit einem Oszillographen verbunden. Durchführung:
Man schaltet alle Geräte ein und betrachtet die Kurve auf dem Oszillographen und dreht die Potis bis zum Anschlag zu.
Beobachtung:
Man erhält die Kurve in Abb.4.
Erklärung:
Die Ausgangsspannung verläuft fast rechteckförmig, da sie nicht durch Kondensatoren geglättet wird. Warum die Amplitude etwas sinkt, ist nicht ganz klar.

Abb.4: Ausgangsspannung am Thyristorwechselrichter

2.2.6 H-Brückenwechselrichter
Abb.1 zeigt den konkreten Aufbau eines H-Brückenwechselrichters.

Abb.1: H-Brückenwechselrichter

Er besteht wie der Thyristorwechselrichter aus zwei Teilen, dem eigentlichen Wechselrichter im oberen Teil der Schaltung und einem Multivibrator. Die Verschaltung auf einer Lochrasterplatine zeigt Abb.2.

Abb.2: Verschaltung auf
einer Lochrasterplatine

Die fertig verschaltete Platine schraubt man auf zwei kleine Holzleisten der Größe 1cmx1cmx4cm, die man auf den Boden einer Mon-Cherry-Dose klebt. Für die Zuleitung der Gleichspannung und die Ableitung der Wechselspannung befestigt man am Deckel eine rote Telefonbuchse für den Pluspol, eine schwarze für den Minuspol der Gleichspannung und zwei gelbe für die Pole der Wechselspannung. Die beiden LED’s werden mit Hilfe zweier Fassungen aus Kunststoff oder Chrom ebenfalls am Deckel befestigt. Sie dienen dazu, die Wechselspannung sichtbar zu machen. Die beiden Potis verschraubt man ebenfalls im Deckel der Dose. Dann verbindet man über Schaltlitze die Anschlüsse auf der Platine mit den entsprechenden Bauteilen am Deckel. Die fertige Schaltung zeigt Abb.3.

Abb.3: H-Brückenwechselrichter

Versuch 1:
Aufbau:
Die Schaltung aus Abb.3 verbindet man mit einer Gleichspannungsquelle von 5V.
Durchführung:
Man schaltet die Versorgungsspannung ein und dreht an den beiden Potis.
Beobachtung:
Die beiden LED’s blinken wechselseitig auf. Verstellt man Poti 1, so leuchtet die rote LED länger oder kürzer, beim Poti 2 die grüne. Bei gleicher Stellung der Potis blinken die LED’s symmetrisch.
Erklärung:
Der Multivibrator schaltet die Transistoren in seinem Takt aus und ein. Mit den Potis kann man die Schaltzustände des Multivibrators verlängern und verkürzen und damit die Durchschaltzeiten der Transistoren.

Versuch 2:
Aufbau:
Die Schaltung aus Abb.3 legt man an eine Gleichspannungsquelle von 5V. Die gelben Buchsen werden mit einem Oszillographen verbunden. Durchführung:
Man schaltet alle Geräte ein und betrachtet die Kurve auf dem Oszillographen und dreht die Potis bis zum Anschlag zu.
Beobachtung:
Man erhält die Kurve in Abb.4.

Abb.4: Ausgangsspannung am H-Brückengleichrichter

Erklärung:
Die Ausgangsspannung zeigt eine Mischung aus einer sinusförmigen und einer rechteckförmigen Ausgangsspannung. Sie wird durch das Schaltverhalten der Transistoren und die zu ihnen parallel geschalteten Kondensatoren bestimmt. Die genauen Zusammenhänge sind kompliziert. Verändert man nämlich die Werte der Kondensatoren, so besitzt die Ausgangsspannung eine andere Form.

2.2.7 Colpittswechselrichter

Abb.1 zeigt den konkreten Schaltplan eines Colpittsoszillators. Die Verschaltung auf einer Lochrasterplatine macht Abb.2 deutlich.

Abb.1: Schaltplan
Colpittsoszillator

Abb.2: Verschaltung
des Colpittsoszillators

Die fertig verlötete Platine schraubt man auf zwei kleine Holzleisten der Größe 1cmx1cmx4cm, die man auf den Boden einer Mon-Cherry-Dose klebt. Für die Zuleitung der Gleichspannung befestigt man am Deckel eine schwarze Buchse für den Minuspol und eine rote für den Pluspol. Um die Ausgangswechselspannung entnehmen zu können, benötigt man außerdem zwei gelbe Buchsen, die man ebenfalls am Deckel verschraubt. Den Piezolautsprecher klebt man mit mehreren Streifen Tesafilm auf die Innenseite des Deckels. Vorher muss man an ihn zwei Litzen löten, eine auf den Rand und eine auf die Mitte. Dann verbindet man über Schaltlitze die Anschlüsse auf der Platine mit den entsprechenden Bauteilen am Deckel. Die fertige Schaltung zeigt Abb.3.

Abb.3: Colpittsoszillator

Versuch 1:
Aufbau:
Die Schaltung aus Abb.3 verbindet man mit einer Gleichspannungsquelle zwischen 3 V und 15 V.
Durchführung:
Man schaltet die Versorgungsspannung ein.
Beobachtung:
Aus dem Lautsprecher ertönt ein Signal. Es ist umso lauter, je größer die Betriebspannung ist.
Erklärung: Die Schaltung liefert durch Rückkopplung ein sinusförmiges Ausgangssignal im Tonbereich. Dass das richtig ist, zeigt Versuch 2.

Versuch 2:
Aufbau:
Die Schaltung aus Abb.3 verbindet man mit einer Gleichspannungsquelle zwischen 3 V und 15 V. An die gelben Buchsen schließt man einen Oszillographen an.
Durchführung:
Man schaltet die Versorgungsspannung und den Oszillographen ein. Beobachtung:
Man erhält die Kurve in Abb.4.

Abb.4: Ausgangsspannung am Colpittswechselrichter

Erklärung:
Die Primärseite des NF-Überträgers und die beiden Kondensatoren bilden einen Schwingkreis. Um ihn zu entdämpfen, wird ein Teil der Schwingkreisspannung auf den Emitter des Transistors rückgekoppelt, der somit im Takte des Schwingkreises ein- und ausgeschaltet wird. Ist er eingeschaltet, so wird dem Schwingkreis Energie zugeführt, sperrt er, so kann der Schwingkreis frei schwingen. Insgesamt baut sich eine sinusförmige pulsierende Gleichspannung auf, die durch den Überträger in eine echte Wechselspannung umgewandelt wird. Die Frequenz der Wechselspannung wird durch die Induktivität der Primärspule des NF-Überträgers und die beiden Kondensatoren bestimmt. Sie beträgt mit den angegebenen Bauteilen f = 400 Hz.

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3. Anwendungen

3.1 Netzteil

Elektronische Geräte wie Handys, MP3-Player, Radios, Walkman oder auch LED-Lichterketten benötigen kleine Gleichspannungen. Will man sie daher am Netz mit 230V-Wechselspannung betreiben, so braucht man ein Netzgerät. Bei geringer Anforderung an die Güte der Gleichspannung reicht ein Gerät nach Abb.1 aus.

Abb.1: einfaches Netzgerät

Es besteht aus vier Baugruppen:

1. einem Kleintrafo mit einem oder mehreren Sekundärausgängen für verschiedene Spannungen,

2. einem Brückengleichrichter aus vier Dioden oder in Form eines integrierten Bausteins,

3. einem Kondensator und

4. bei mehreren Sekundärspannungen einem Wahlschalter.

Diese vier Einheiten kann man in Abb.1 deutlich erkennen. Den genauen elektronischen Aufbau entnehmen Sie Abb.2.

Abb.2: Schaltplan des Netzgerätes

Zunächst wird die Wechselspannung auf 3 – 12 V heruntertransformiert, dann mit vier Dioden gleichgerichtet und mit dem Kondensator geglättet. Dabei wechselt die Polung an den Eingängen des Gleichrichters wegen der Netzfrequenz von 50Hz in jeder Sekunde 100 mal. Liegt am linken Eingang plus und am rechten minus an, verdeutlich durch die roten Plus- und Minuszeichen, so leiten die beiden roten Dioden den Strom, bei umgekehrter Polung die grünen. So ist gewährleistet, dass der obere Ausgang des Netzgerätes stets der Pluspol und der untere der Minuspol ist. Mit dem Kondensator wird die so gewonnene pulsierende Gleichspannung geglättet. Den Verlauf der Ausgangsspannung bei Belastung habe ich im Artikel Transformator auf dieser Internetseite genauer untersucht (s. A. Reichert: Transformator).

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3.2 Trickschaltung mit Dioden

Mit ein paar Bauteilen lässt sich eine Trickschaltung aufbauen, die auch jeden Physiker auf den ersten Blick verblüfft. Abb.1 zeigt den Schaltungsaufbau.

Abb.1: Trickschaltung mit Dioden

Versuch:
Aufbau:
Man baut die Schaltung mit einem Elektronikbaukasten auf oder lötet sie auf einer Lochrasterplatine zusammen.
Durchführung:
Man schließt erst den Schalter S₁, dann Schalter S₂ und zum Schluss beide gleichzeitig.
Beobachtung:
Ist Schalter S₁ geschlossen, so leuchtet nur die rote LED₁, ist Schalter S₂ geschlossen, so brennt die grüne LED₂. Sind beide Schalter geschlossen, so leuchten beide LED’s gleichzeitig. Erklärung:
Obwohl die LED’s und die Schalter in Reihe liegen, kann man mit dem roten Schalter die rote LED und mit dem grünen die grüne LED zum Leuchten bringen. Der Grund dafür sind die beiden Dioden D₁ und D₂, die parallel zu den Schaltern liegen. Ist nur S₁ geschlossen, so kann der Strom über den Schalter S₁, die Diode D₂ und den Widerstand R₂ zur roten LED LED₁ fließen, wenn der untere Pol der Stromquelle plus führt (rote Polung in Abb.1). Sie leuchtet, da für sie die Spannungsquelle gerade richtig gepolt ist. In der positiven Halbwelle (grüne Polung in Abb.1) leuchtet sie nicht, da die Diode D₂ sperrt. Die grüne LED₂ dagegen leuchtet in keiner der beiden Halbwellen, da sie in der 1. Halbwelle selbst sperrt und in der zweiten Halbwelle die Diode D₂ sperrt. Ist nur Schalter S₂ geschlossen, so kann die grüne LED bei grüner Polung der Spannungsquelle leuchten, da der Stromkreis über R₁, LED₂, S₂ und D₁ geschlossen ist. Die rote LED leuchtet dagegen nicht. Bei der roten Polung der Spannungsquellen leuchtet keine der beiden LED’s, da die Diode D₁ sperrt. Sind beide Schalter geschlossen, so leuchtet in der einen Halbwelle die rote, in der zweiten die grüne LED. Die Widerstände R₁ und R₂ müssen den Strom durch die LED’s auf den zulässigen Wert von etwa 20 mA bei einer Spannung von 2V begrenzen. Für sie gilt daher:

R = (6V-2V)/0,02A
  = 200Ω.

Zwei vietnamesische Schüler meines Physikleistungskurses haben mich vor Jahren mit einer Erweiterung der Schaltung sehr verwirrt. Sie wünschten mir mit viel sagender Miene viel Spaß mit dem kleinen Geschenk. Wie sich nach langem Ausprobieren und Überlegen herausstellte, hatten sie in einer 4,5V Taschenlampenbatterie eine Monozelle durch einen kleinen Wechselrichter ersetzt, so dass die Batterie am Ausgang Wechselspannung lieferte. Außerdem manipulierten sie zwei kleine Glühbirnchen und zwei Mikroschalter, in dem sie in alle vier Bauteile Dioden einlöteten. Schloss man diese Reihenschaltung aus zwei Schaltern und zwei Glühbirnchen an die Batterie an, so konnte man mit dem einen Schalter die eine Lampe und mit dem anderen Schalter die andere Lampe zum Leuchten bringen. Damit die Batterie beim Stehen durch die Elektronik nicht so schnell leer wurde, hatten sie außerdem einen Quecksilberschalter eingebaut, so dass die Batterie nur funktionierte, wenn sie auf der Seite lag. Das alles war so perfekt gemacht, dass man mit bloßem Auge von außen die Manipulationen nicht erkennen konnte. Dem Geheimnis kam ich erst auf die Schliche, als ich die vermeintlich normale Batterie an einen Oszillographen anschloss. Ich möchte nicht wissen, wie viele Stunden die Schüler für diese Trickschaltung gebraucht haben. Leider wurde die Schaltung durch Unwissenheit eines Kollegen zerstört. Er verwechselte sie mit einer normalen Batterie, nachdem ich sie nach einer Demonstration in der Sammlung vergessen hatte.

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3.3 Autowechselrichter

Abb.1: Autowechselrichter

Abb.1 zeigt einen kleinen Wechselrichter der Firma Voltcraft (Bezugsquelle Conrad-Electronic), wie er für Autos verwendet wird. Er wird an die Steckdose des Zigarettenanzünders angeschlossen und liefert an seinem Ausgang eine Wechselspannung von 50 Hz bei einer Dauerleistung von 100W und einer kurzzeitigen Spitzenleistung von 200W. Um die Form der Spannung mit der Sinusspannung des Netzes vergleichen zu können, führt man folgenden Versuch durch.

Versuch:
Aufbau:
Man baut die Prüfschaltung nach Abb.2 auf.

Abb.2: Prüfschaltung

Durchführung:
Man schließt sie über eine Sicherheitssteckdose zunächst an den Ausgang des Wechselrichters an. Der Wechselrichter wird auf der Eingangsseite mit einer Autobatterie, einem Solarmodul oder einem geglätteten Gleichspannungstrafo verbunden, die an ihrem Ausgang 5A und 12V liefern können. Anschließend legt man die Prüfschaltung über einen Trenntrafo ans Netz. Dabei ist ein Trenntrafo unbedingt erforderlich, da man sonst mit der Erde des Oszillographen Probleme bekommt und die Sicherung und/oder der FI-Schalter auslösen. Beobachtung:
Man erhält auf dem Oszillographen die Kurven in Abb.3. In beiden Fällen fließt ein Wechselstrom I_eff = 0,177A.

Abb.3: Prüfspannungen

Auswertung:
Die rote Kurve zeigt den Verlauf der Sinuswechselspannung im öffentlichen Netz, die blaue den Verlauf der Spannung am Wechselrichter. Da beide recht ähnlich sind, kann man mit dem Wechselrichter fast alle Geräte betreiben, die fürs Stromnetz geeignet sind, also z.B. eine Lampe etwa für Reparaturen am Auto oder beim Campen aber auch kleinere Fernsehgeräte usw. Bei einigen Geräten muss man beachten, dass die Spitzenleistung beim Einschalten die zulässige Spitzenausgangsleistung des Wechselrichters nicht übersteigt. Das kann vor allem bei Geräten der Fall sein, die Elektromotoren enthalten, wie z.B. Bohrmaschinen. Stromnetz und Wechselrichter liefern den gleichen Effektivwert der Spannung. Dazu errechnet man zunächst die Amplitude U_N der Wechselspannung aus dem Netz und dann den Maximalwert der Ausgangsspannung U_W des Wechselrichters. Es gilt:

R_ges = 230V/0,177A
     = 1300Ω.

Aus den Kurven liest man für den Maximalwert der Spannung am Widerstand R bei Netzspannung U_RN und bei der Spannung des Wechselrichters U_RW ab:

U_RN = 2,5V

U_RW = 2,1V.

Für die Maximalwerte der Gesamtspannungen U_N und U_W erhält man damit

U_N = R_ges*U_RN/R
   = 1300Ω*2,5V/10Ω
   = 325V

U_W = R_ges*U_RW/R
   = 1300Ω*2,1V/10Ω
   = 273V

Bei Sinusspannung gilt zwischen dem Effektivwert U_eff und der Amplitude U₀ der Spannung folgender Zusammenhang:

U_eff = U₀/sqr(2)
     = 325V/sqr(2)
     = 230 V.

Für die Ausgangsspannung des Wechselrichters kann man den Effektivwert wie folgt errechnen:

U_eff = sqr(U₀²*t/T)

wobei t die Zeit ist, in der die Spannung während einer Periode einen bestimmten Wert hat und T der Periodendauer entspricht. Für die Periodendauer der Wechselspannung gilt:

T = 1/f
  = 1/50 Hz
  = 0,02 s
  = 20 ms.

Aus der Kurve nach Abb.3 liest man ab, dass die Ausgangsspannung des Wechselrichters während einer Periode

t = 14,2 ms

der Zeit maximal und den Rest der Periode null ist. Damit erhält man für den Effektivwert:

U_eff = sqr((273V)²*14,2ms/20ms)
     = 230V.

Der Wechselrichter hat noch eine Besonderheit. Er liefert an einem USB-Ausgang zusätzlich eine geglättete Gleichspannung von 5 V bei einem Strom von 500 mA für elektronische Geräte oder zum Laden von Handys. Die restlichen technischen Daten entnehmen Sie der folgenden Tabelle.

Nenneingangsspannung	12V =
Eingangsspannungsbereich	10 bis 15V =
maximaler Eingangsstrom	15A
Standby-Stromverbrauch	250mA
Ausgangsspannung	230V~/50Hz, modifizierte Sinusform
Dauerausgangsleistung	100W, 150W für 30 Minuten
Spitzenausgangsleistung	200W
Leistungseffizienz	90%
USB-Ausgangsleistung	5V =/500mA
Ausschaltschwellenwert bei niedrigem Batteriestand	9,5±0,5V =
Überhitzungsschutz	60±5°C
Sicherung	250V/15A
Betriebstemperatur	5 bis 45°C
Lagertemperatur	0 bis 50°C
Abmessungen	65x170mm
Gewicht	480g

Tabelle 1: Technische Daten des Autowechselrichters¹⁾

Beim Betrieb muss man beachten, dass die Batterie stark belastet wird. Eine typische Autobatterie besitzt eine Ladungskapazität von

Q = 45 Ah.

Bei einer Leistung des Wechselrichters von

P = 100 W

ergibt sich eine Stromaufnahme auf der Gleichspannungsseite von

I₀ = 100W/12V
   = 8,33 A.

bei einer Leistungseffizienz von 100%. Berücksichtigt man den in der Tabelle angegebenen Wirkungsgrad von 90%, so erhält man für den tatsächlichen Strom

I = 8,33A/0,9
  = 9,26 A.

Damit wäre die Batterie nach

t = 45 Ah/9,26A
  = 4,9 h

komplett leer. Nach Möglichkeit sollte man den Wechselrichter mit eingeschaltetem Motor, also bei laufender Lichtmaschine benutzen. Dabei darf er jedoch während des Startvorgangs nicht angeschlossen sein, da die Stromversorgung des Zigarettenanzünders während des Startens unterbrochen wird und beim Wiedereinschalten hohe Spannungsspitzen auftreten können, die das Gerät zerstören könnten. Außerdem sollte man den Standby-Stromverbrauch beachten. Auch er kann die Batterie entladen, und das immerhin nach

t = 45Ah/0,25A
  = 180 h
  = 7,5d.

Steht das Auto also etwas mehr als eine Woche, ohne es zu benutzen, so ist die Batterie durch den angeschlossenen Wechselrichter auch ohne Verbraucher bereits leer. Ähnliche Wechselrichter werden in der Solartechnik eingesetzt, allerdings meist mit höherer Leistung und einer besser angepassten Sinusspannung.

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4. Literatur

1) Bedienungsanleitung Wechselrichter PI 100-12 USB, Hrsgb.: Voltcraft, Lindenweg 15, D-92242 Hirschau