Labortagebuch März 2019

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22.3.19: Lichtempfindliche Si-Dioden




Die Frage war, ob eine ganz normale Si-Diode 1N4148 auch als Fotodiode funktioniert. Immerhin ist sie ja aus Glas, und etwas Licht könnte in die Sperrschicht gelangen. Wenn man ein Multimeter dranhält, ist nichts festzustellen. Man muss sehr viel hochohmiger messen. Für einen schnellen Versuch nehme ich einfach einen JFET als Source-Folger. Ein J113 war gerade da. Wenn ich sein Gate mit dem Taster an GND lege, messe ich 2,10 V. Bei offenen Schalter steigt die Spannung tatsächlich mit der Beleuchtung an. Mit einer hellen LED-Taschenlampe kam ich bis auf 2,13 V. Die Fotospannung der Diode beträgt also 30 mV. Wenn ich dasselbe mit einer grünen LED teste, komme ich auf bis zu 2 V. Die LED liefert also sehr viel mehr Spannung als eine echte Solarzelle, allerdings nur einen sehr geringen Strom in der Größenordnung 10 ... 100 nA. Bei der 1N4148 dürfte der Strom in der Größenordnung 1 pA liegen, weshalb man normalerweise nichts  davon merkt.



Kommentar zur 1N4148 Fotodiode von Norbert Renz
 
Das Licht muss seitlich in die Sperrschicht und hat fast keinen Eintritts-Querschnitt und die Eindringtiefe des bläulichen Ledlichtes ist sehr klein. Die Diode braucht Infrarotlicht. Wenn ich meine Diode mit einem Multimeter prüfe, dann hat sie im Sonnenlicht 80mV und unter meiner  20W-Halogenlampe sogar 120mV. Die Ausrichtung muss wegen der seitlich beleuchteten Fotodiode auch sehr gut sein.


21.3.19: Messung der magnetischen Flussdichte



Wie groß ist die magnetische Flussdichte am Pol meines Magneten? Da gibt es Messgeräte auf der Basis von Hallsensoren, mit denen man das messen kann. Aber auch über die Induktionsspannung oder über die Lorentzkraft müsste man es herausbekommen.  Für die Lorentzkraft gilt:

F = B * I * l       in Einheiten:  1 N = 1 T * 1 A * 1 m

Wenn also durch einen Draht von einem Meter Länge ein Strom von 1 A fließt und er in einem magnetischen Feld mit der Flussdichte 1 T ( 1 Tesla) hängt, wirkt eine Kraft von einem Newton (1 N).  Der Draht darf auch zu einer Spule aufgewickelt werden. Die Größe ist relativ egal,  Hauptsache, die Feldlinien verlaufen rechtwinklig zum Draht.

Also habe ich genau das umgesetzt und einen Meter Spulendraht zu einer kleinen, flachen Spule aufgewickelt. Dann schicke ich einen Strom hindurch, bis die Spule vom Magneten angehoben wird und Pol klebt. Und dann drehe ich den Strom langsam zurück, bis die Spule aufgrund ihrer eigenen Gewichtskraft wieder abfällt. Aus dem Strom und der Gewichtskraft kann ich dann die Flussdichte B berechnen.




Um die Gewichtskraft der Spule zu bestimmen, könnte ich eine präzise Waage gebrauchen. Es geht aber auch ohne, weil die Dichte von Kupfer und die Dicke des Drahtes bekannt ist. Der Draht hat eine Dicke von 0,2 mm. daraus ergibt sich für den 1 m langen Draht ein Volumen von 31,4 mm³ und eine Masse von 0,28 g.  Tatsächlich ist er etwas leichter, weil in dem Durchmesser von 0,2 mm schon die Lackschicht enthalten ist. Das hatte ich kürzlich schon über den Drahtwiderstand abgeschätzt. Auf einer Länge  von 10 cm hat dieser Draht nicht  die erwarteten 54 mOhm, sondern 70 mOhm. Im selben Verhältnis muss auch die Kupfermasse korrigiert werden. Zusammen mit dem geschätzten Masse des Lacks ergibt sich eine Gesamtmasse von 0,23 g und eine Gewichtskraft von 0,023 N.

Für einen flachen Neodym-Magneten wurde ein Haltestrom von 35 mA gemessen.  Nun kann die Flussdichte bestimmt werden:

B = F / (I * l)
B = 23 mN / (35 mA * 1 m)
B = 0,66 T

Ein lang gestreckter Neodym-Magnet hatte sogar 1,0 T und brauchte nur noch einen Haltestrom von 23 mA.  Für einen Eisen-Magneten aus einem Lautsprecher lautete die Messung 275 mA und das Ergebnis 84 mT.

Wenn man Magnete kauft, wird oft die Haltekraft angegeben. Der Zusammenhang zur Flussdichte B ist über die Polfläche A gegeben. Dazu habe ich folgende Formel gefunden:

F = B² * A  / µ0        mit µ0 = 1,2566 * 10-6 N/A²

www.thyssenkrupp-magnettechnik.com/index.php/magnetfeldberechnung.html

Mein kleiner länglicher Magnet mit 1 T hat einen Durchmesser von 5 mm. Daraus ergibt sich eine Fläche A = 19,625 mm² und eine Kraft von 7 N. Der Magnet kann also einen Gegenstand aus Stahl mit einer Masse von ca. 0,7 kg heben. Ich habe zwar nur etwas leichtere Dinge gefunden, aber da war jeweils noch viel Reserve.  Es stimmt also soweit, wenn auch die Stahlsorte einen gewissen Einfluss haben sollte.

Ein Neodym-Magnet mit vergleichbaren Maßen mit 5 mm x 15 mm wurde in einem Magnet-Shop mit einer gehaltenen Masse von 1 kg angegeben. Da lag ich also 30% tiefer, was wegen B² einen Messfehler in der Flussdichte von -17% bedeuten würde. Diese Abweichung könnte dadurch entstanden sein, dass meine Spule etwas größer war als die Polfläche.

Noch ein interessanter Vergleich: In den Spielzeugrichtlinien wird ein magnetischer Flussindex von 0,5 T² mm² als Grenzwert für die Gefährlichkeit von Magneten angegeben, wenn ein Kind mehr als einen davon verschluckt. Dieser Flussindex unterscheidet sich nur um den Faktor 1,2566 (10^6 * µ0) von der Haltekraft F. Das bedeutet, gefährlich ist eine Haltekraft ab 0,4 N, was der Gewichtskraft eines Eisenblocks mit 40 g entspricht.

Nachtrag, 5 Tage später:
Inzwischen sind mir Zweifel an der Genauigkeit meiner Messmethode gekommen. Sie funktioniert eigentlich nur, weil das Feld in der Nähe einer Polfläche stark inhomogen ist. Die einfache Berechnung der Lorentzkraft gilt ja nur, wenn Kraft, Strom und B-Feld jeweils rechtwinklig zueinander stehen. Die Kraft weist aber auf den Magneten zu, also mehr oder weniger in Richtung der Feldlinien. Allerdings biegen die Feldlinien überwiegend radial ab. Der Teil, der radial durch die Spule dringt, trägt zur gesuchten Kraft bei. Das bedeutet, meine Messung müsste systematisch zu wenig Flussdichte zeigen.  Vielleicht muss man die berechnete Flussdichte um bis zu 50% erhöhen.

Ein zweiter Verdacht war, dass bei sehr schwachen Magneten eine zu große Flussdichte herauskommt, weil die Spule selbst ein Magnetfeld erzeugt und den Magneten stärker magnetisiert. Inzwischen konnte ich aber sehen, dass das keine entscheidende Rolle spielen kann. Mein Versuch dazu: Die Spule sollte sich mit mehr Strom an einem nicht magnetisierten Stück Eisen festhalten. Das gelang aber nicht einmal mit einem Strom von 2 A, als die Spule schon bedenklich heiß wurde. Der Vergleich mit anderen Spulen zeigt, dass dazu sehr viel mehr Windungen nötig wären.


11.3.19: Labornetzteile



Bei einem Labornetzteil kommt es für mich auf folgende Eigenschaften an: Es muss leise sein, und es muss analog sein, also kein Schaltnetzteil. Außerdem muss die Spannung präzise und in Stufen einstellbar sein, also nicht über ein Poti. Und schließlich muss es eine zuverlässige und einstellbare Strombegrenzung geben, damit ich auch fehlerhafte Schaltungen gefahrlos testen kann.



All das hat über viele Jahre mein altes SOLATRON PSU AS 1412.2 mit 40V/5A  geleistet. Das Gerät wurde vor ca. 50 Jahren in England gebaut und stand lange Zeit in einer Forschungseinrichtung für Luft- und Raumfahrt. Als es da ausgesondert wurde, hat der Vater meines Freundes es gerettet. Und seitdem hat es über 30 Jahre lang treue Dienste in meinem Labor geleistet. Die Spannung ist in dezimalen Schritten bis 39,9 V einstellbar und sehr präzise. Der maximale Strom kann zwischen 50 mA und 5 A gewählt werden. Das Messgerät zeigt den aktuellen Strom relativ zur Strombegrenzung.

Das Gerät hat einen riesigen Trafo und eine Thyristorsteuerung am Gleichtrichter, mit der die Ladespannung der Siebelkos nur knapp über der Ausgangsspannung gehalten wird. Die Längstransistoren brauchen daher nicht so viel Wärme umzusetzen, und das Gerät kommt ohne Lüfter aus. Inzwischen schwächelt das Netzteil allerdings etwas. Es kommt zu Fehlzündungen der Thyristoren, die mit furchterregenden Geräuschen verbunden sind. Ich vermute, dass dabei die Elkos impulsartig geladen werden, aber am Ausgang bleibt alles stabil. Ich würde es gern zu reparieren versuchen, aber das ist sehr aufwendig.



Inzwischen habe ich einen recht guten Ersatz gefunden. Das Korad KD6005D/P bringt bis zu 60 V bei 5 A (das KD3005D nur 30V). Es ist ebenfalls analog, schaltet aber die Trafospannung in Stufen über Relais um, damit die Verlustleistung gering bleibt. Das Gerät verwendet einen recht leichten Trafo, der allerdings beim Einschalten oft mit einem lauten Knall in die Sättigung geht. Die Seitenwände aus Blech werden dabei zu Membranen und verstärken den Knall, sodass das Einschalten immer eine gewisse Überwindung kostet. Ich habe mir vorgenommen, eine strombegrenzte Startschaltung einzubauen. Vielleicht haben sie mit 300 W für so ein kleines Gerät etwas übertrieben, und vielleicht haben sie es selbst gemerkt und liefern deshalb jetzt lieber nur noch das 30V-Gerät, jedenfalls ist die 60V-Version derzeit schlecht lieferbar. Der Lüfter läuft übrigens immer und wird mit steigendem Strom schneller. Mit einer echten Temperatorregelung hätte man meistens Ruhe. Irgendwann baue ich sowas ein.

Die Bedienung über zwei Inkrementalgeber ist sehr sicher und angenehm. Man muss immer erst auf den Drehknopf drücken und damit das Verstellen freigeben. Mehrmaliges Drücken schaltet das zu verstellende Digit um. Man kann also die Spannung in Stufen von 0,01 V, 0,1 V , 1 V oder 10 V einstellen. Nach einiger Zeit wird der Knopf wieder inaktiv. So wird der gefürchtete Supergau im Labor verhindert, dass nämlich eine Schaltung versehentlich mit zu viel Spannung gegrillt wird. Genauso wird die Strombegrenzung in Schritten zwischen 1 mA und 1 A eingestellt. Sehr angenehm  ist auch die digitale Anzeige der Spannung und des Stroms. Außerdem hat das Gerät eine PC-Schnittstelle und kann über die beiliegende Software oder eigene Programme gesteuert und ausgelesen werden.

Software-Schalter von Robert Fromm

Ich habe das Einschalt-Problem bei meinem s Labornetzteil KD3005P gelöst, indem ich einen Schalter zum Ein- und Ausschalten des Ausgangs eingebaut habe. Dadurch kann ich während des Testens einer Schaltung einfach den Soft-Schalter betätigen und die Schaltung wird stromfrei.  
http://robert-fromm.info/?post=elec_kd3005p_onoff


7.3.19: Kupferkabel mit Aluminium-Kern



Kupferkabel mit einem Aluminium-Kern, dass es so etwas überhaupt geben kann, hätte ich nicht gedacht. Und erst auf einem Umweg bin ich darauf gestoßen, dass ich eine Lautsprecherkabel-Doppellitze habe, die tatsächlich Alu enthält.

Bei meinen Antennendrähten verwende ich unterschiedliche Litzen, die teilweise im Freien mit einfachen Klemmen verbunden sind. Stahlblech auf Kupfer zusammen im Regen ergibt natürlich Korrosion. Es könnte auch an der Verzinnung gelegen haben, die mit dem Kupfer ein galvanisches Element bildet. Eigentlich müsste man alles sorgfältig abdichten. Aber der experimentelle Aufbau und die Möglichkeit des schnellen Abbaus sprechen für die offene Bauweise.

Nun ist mir aber aufgefallen, dass eine der verwendeten Kupferlitzen ganz extrem angefressen war. Ganze Adern waren völlig weg, man sah nur noch einen grauen Rest. Ich musste einige Zentimeter kürzen, um wieder auf blankes Kupfer zu stoßen. Es handelt sich um eine ursprüngliche Doppellitze (rot/schwarz) für Lautsprecherkabel. Mein Verdacht war, dass es kein reines Kupfer ist. In der Vergangenheit bin ich schon öfter auf  Kupferkabel gestoßen, die tatsächlich einen Eisenkern hatten und magnetisch waren. Dieses Kabel ist nicht magnetisch, aber das Kupfer könnte ja anders legiert sein. 

Eine Messung des Drahtwiderstands müsste das zeigen. Dazu habe ich eine Ader der Litze genommen und die Dicke gemessen. Die Schieblehre zeigt einen Durchmesser von 0,2 mm. Damit ist der Querschnitt 0,0314 mm² (24 Adern kommen zusammen auf 0,75 mm²). Ein 1 m  langer Kupferdraht mit 1 mm² sollte einen Widerstand von 17 mOhm haben. Umgerechnet auf 10 cm und 0,0314 mm² käme der Draht auf  54 mOhm.

Dann habe ich 1 A durch den Draht geschickt und in einem mittleren Abschnitt auf einer Länge von 10 cm den Spannungsabfall gemessen. Er betrug 94 mV. Der Widerstand ist also mit 94 mOhm deutlich höher als er sein sollte. Das würde dafür sprechen, dass es sich nicht um reines Kupfer handelt.

Um die Messung zu überprüfen, habe ich einen Spulendraht mit ebenfalls 0,2 mm Durchmesser (allerdings inclusive Lack) untersucht. Er hatte auf 10 cm Länge nur 70 mOhm. Das müsste für reines Kupfer passen, wenn die Lackschicht etwa 15 µm dick ist. Die Messung scheint damit korrekt zu sein. Also spricht einiges dafür, dass das Lautsprecherkabel tatsächlich kein reines Kupfer enthält.

Ob sich die starke Korrosion reproduzieren lässt, teste ich jetzt mit drei Kabelabschnitten, die vorn teilweise verzinnt sind. Ein Kabel steckt in einer Klemme, wo es ein Edelstahlblech berührt. Alles habe ich in ein Glas mit Salzwasser gelegt, damit die Sache schneller geht. Das dünnere schwarze Kabel hat sich übrigens im Freien besser gehalten als das rote und dickere.





Nach zwei Tagen war schon ein Unterschied zu sehen. Während das schwarze Kabel noch kaum verändert aussah, hatte sich das Kupfer beim roten Kabel schon stark verfärbt. Die Klemme machte allerdings keinen deutlichen Unterschied.




Besonders gut kann man den Unterschied an der hinteren Schnittkante der Kabelstücke erkennen. Die Kupferdrähte haben sich beim roten Kabel silbergrau verfärbt, was wiederum den Verdacht erhärtet, dass es sich nicht um reines Kupfer handelt.



Dann kam mir ein Verdacht, und ich habe noch mal ein weiteres Kabelstück scharf abgeschnitten. Und damit wurde es endlich klar: Die Drähte bestehen aus Aluminium mit einem Kupfer-Überzug! Das hatte ich bisher übersehen, weil beim Abkneifen oft die Kupferschicht über die Schnittkante gezogen wird.

Alu ist billiger als Kupfer. Das ist wohl der Grund für diese eigentlich recht aufwendige Technik. Weil ich kein Alukabel erwartet hatte, habe ich es erst übersehen. Aber jetzt wird alles klar. Auch der gemessene Drahtwiderstand ist plausibel, wenn man von einem Alu-Draht ausgeht. Und die Korrosion im Regen ist auch erklärlich. Kupfer und Alu bilden ein galvanisches Element mit ca. 2 V. Da braucht es kein weiteres Metall mehr, das Kabel zersetzt sich bei Feuchtigkeit von allein.

Es gibt noch einen einfachen Test mit einer scharfen Flamme: Kupferdrähtchen schmelzen am Ende zu einer kleinen Kugel, die Alu-Drähtchen verbrennen eher.

Also ist das Alukabel nicht als Antennendraht im Freien einsetzbar? Vielleicht doch, wenn ich die Enden anders behandle und vor Feuchtigkeit schütze. Immerhin hat das Kabel ja den großen Vorteil, dass es deutlich leichter ist. Und der HF-Widerstand dürfte durch den Skineffekt ähnlich gut sein wie bei Kupferlitzen.


Ein Hinweis von Holger Zirkler: 

Das ist keine neue Erfindung. Ich wohne in Thüringen (ehem. DDR), hier kam so was durch den Mangel sehr häufig vor, trug die Bezeichnung:

"AlCu" (Aluminium Kupfer) Kabel: https://de.wikipedia.org/wiki/Kupferkaschiertes_Aluminium

Ich habe heute mal meine Garage aufgeräumt und dabei AlCu-Kabel gefunden, ein Stück habe ich abgeschnitten und fotografiert. Außen augenscheinlich Kupfer, innen Alu (glitzert silbern), darf man dem Schrotthändler natürlich nur als Alukabel abgeben, sonst gibt es Ärger. ;-) Ich bin zwar selbst "Elektroniker für Betriebstechnik", aber bei dieser Ära kann ich (Jahrgang 1983) nun nicht mehr mitreden. Mir wurde von älteren Leuten nur berichtet, dass das hier in der ehem. DDR eine Notlösung aufgrund von Kupfermangel war.


 

 

Nachtrag: CCA (copper-clad aluminium) ist das Strichwort, das ich schon bei der Bestellung des Kabels hätte beachten sollen. Bei Lautsprecherkabeln ist das Thema in Fachkreisen bekannt. Bei diesem Kabelhersteller findet man genauere technische Daten und Anwendungsfälle:  

www.elektrisola.com/de/leitermaterial/aluminium-und-kupferplattiertes-aluminium/cca10.html




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