Labortagebuch Mai 2024
Die Versuche von Hans Martin Sauer haben mich inspiriert: https://www.sauerampfer-online.de/zinkdiode/diode.html Nun wollte ich auch mal etwas mit Zinkoxid probieren. Zur Hand war gerade der verzinkte Eisendraht von der Korkenhalterung einer Sektflasche. Ein Stück davon habe ich auf der rotglühenden Herdplatte geröstet, als die beste Ehefrau gerade außer Reichweite war. Die Oberfläche änderte sich von glänzend nach dunkelgrau. Aber das reichte offenbar nicht, denn irgendwelche Halbleitereffekte konnte ich nicht finden. Deshalb habe ich das Ende des Drahtes mit einem Gasbrenner bis zur hellen Rotglut erhitzt. Dabei bildete sich gelbes Zinkoxid..
Mit Gegenelektroden aus Kupfer, Edelstahl und mit versilbertem Kupferdraht konnte ich dann einen Effekt erkennen. Der Komponententester am Oszilloskop zeigte eine sehr schöne, deutlich gekrümmte Kennlinie.
Aber leider konnte ich keine Diode erkennen, denn die Kennlinie ist symmetrisch und passt am besten zu einem Varistor. Ähnliche Versuche habe ich auch mit einer verzinkten Gewindeschraube gemacht, mit dem gleichen Ergebnis. Herr Sauer hatte ein anderes Material vorgeschlagen, verzinktes Lochband aus dem Baumarkt, das für Montagezwecke verwendet wird. Im Netz habe ich dann gelesen, dass es ganz unterschiedliche Verfahren der Verzinkung gibt. Vermutlich waren meine Muster nicht optimal für diesen Zweck.
Der Versuch erinnert mich an einen Hinweis
aus dem Amateurfunk: Man sollte vermeiden, Dachrinnen in Kontakt mit Sendeantennen
zu bringen, weil durch Oxidation Zink-Halbleiter entstehen können, die dann das
Sendesignal verzerren und Oberwellen erzeugen.
Mein schönes kleines DVM ist einem Kurzschluss zum Opfer gefallen. Wie konnte das nur passieren! Ganz einfach, ich hatte den 10A-Bereich verwendet und wollte danach die Netzspannung messen. Dabei steckten die Kabel leider noch im 10A-Anschluss. Ein Blitz, ein Knall, Sicherung raus und DVM kaputt, peinlicher Fehler. Es gab offensichtlich einen großen Lichtbogen, der Leiterbahnen und ganze Lötstellen verdampft hat.
Ein ähnliches Erlebnis von Hans-Joachim Pokel
Angefangen hat es damit, dass ich einen Stecker für eine 9V-Batterie brauchte. Dazu verwende ich immer die Anschlüsse von leeren 9V-Batterien. Und ich hatte noch eine, die zwar 10 Jahre im Rauchmelder ihren Dienst tun sollte, aber nach 2 Monaten leer war. Nach dem Delaborieren stelle ich fest, dass eine der Zellen einen dicken Bauch hatte.
Das war also der Grund für den Ausfall. Beim Umdrehen der Zelle stellte ich fest, dass die Anschlusslasche ungenau aufgeschweißt wurde und einen weichen Kurzschluss verursacht hatte.
Ich stand neulich vor einem ähnlichen Problem, wie Herr Jürgen Heidbreder aus dem Beitrag im Tagebuch 11/17, auch wenn dieser Beitrag schon einige Jahre zurück liegt. Bei größeren Ausgangslasten bin ich auf ein doch eher sehr eigenartiges Problem gestoßen. Wie Herr Heidbreder in dem Beitrag berichtete, verwendete er ein generelle Strombegrenzung für die angeschlossen Lasten. Mit einem einem solchen MOSFET wie dem genannten IRFR024 sollte eigentlich einiges mehr an Last zu bewältigen sein. Leider und eigenartiger Weise wohl geschuldet auch einer leistungsfähigeren Spannungsquelle musste ich eine erhebliche Erwärmung des MOSFETs schon bei Lastströmen schon knapp über 0,8 A feststellen. Der MOSFET wurde deutlich wärmer, oder man konnte schon sagen, es machte fast Aua wenn die Schaltung längere Zeit in Betrieb war.
Also bin ich der Sache mal auf den Grund gegangen, und konnte ermitteln, dass dieser Aufbau mit Trockenzellen 3 x AA wirklich nicht geeignet ist, mit periodischen Impulslaststörmen größer 720mA zu arbeiten. Nicht nur dass durch R4, wie im originalen Aufbau, der Gate-Ladestrom sehr gering ist, sondern auch die gesamte Spannungsversorgung neigte bei nicht mehr ganz frischen Trockenzellen dazu, soweit abzusinken, dass der MOSFET zu einer Schaltresonanz neigte, was ihm thermisch sehr stark belastete, wohl auch weil ein Stützkondensator für den OPV fehlte.
Aus diesem Grund begann ich erst einmal das Problem Ladestrom anzugehen. Der verwendete OPV LM358 war wirklich nicht der Kandidat, welcher unter diesen Bedingungen einer z.T. einbrechenden Versorgungsspannung geeignet ist, ausreichend hohe Gate-Umladeströme zu liefern. So fielen mir die "rail to rail" OPVs der MCP6000er Serie auf. Also versuchte ich es damit. Das stellte schon einmal eine erhebliche Verbesserung dar. Aber dennoch, wenn die Vcc der Gesamtschaltung nur minimal unter 3,9 V fiel, traten ähnlich Probleme auf. Wieder hing dieser MOSFET in einer instabilen Situation fest. Da meine Absicht war, diese nicht mehr mit Trockenbatterien zu betreiben sondern auf Li-Akkus wie den 18560zu setzen, weil auch die Betriebsdauer bei mir eine untergeordnete Rolle spielte (45 min sind vollkommen ausreichend ) musste ich nun noch einen geeigneten MOSFET finden. Und auch die Basisschaltung sollte erheblich in der Größe reduziert werden. Da der Single Gatter OPV MCP6001 in Abhängigkeit von der tatsächlichen Vcc einen Ausgangsstrom zwischen 15 und 23 mA liefern kann, verkürzte sich die Umladezeit erheblich.
Bisher waren MOSFETs für mich nur Monster, in TO-200 oder liegend als DPAK². bei einer längeren Recherche bei verschiedenen Online Elektronikversandhändlern bemerkte ich, es gibt auch recht leistungsfähige MOSFETs in SOIC-08. Meine Entscheidung fiel auf den TSM120N06LCS. Deswegen musste eine kleine Platine her. Meine ersten Versuche noch mit einen SOIC-DIP Adapter zeigten, ohne einen Stützkondensator am OPV war immer noch nicht der bestmögliche Zustand erreicht. Ich ergänzte die Schaltung um einen 220nF-Ablockkondensator für den OPV. Sowie von einem Bekannten erfuhr ich, welcher sich mit AirLight Systemen und extremen PWM basierten Lichtsystemen im vielfachen Lastbereich 15 A@ 12 V beschäftigte, dass eine kleine Parallelkapazität Gate-Source bei ihm zu einer nennenswerten Verringerung der MOSFET Temperatur und einem besseren Schaltverhalten, besonders bei der Abschaltung (to LOW ) führt. So entstand diese modifizierte Schaltung.
Einen wirklich messbaren Unterschied bezüglich der thermischen Belastung
des MOSFETs konnte ich bei der variierten Positionierung von C2 vor oder nach
R6 nicht feststellen. Lässt man allerdings diesen Kondensator C2 ganz weg,
erwärmt sich der MOSFET nach ungefähr 30 min Betriebszeit @1,5 A um fast 10 K
(Kelvin) mehr. Durchschnittlich, aber auch wiederum abhängig von der
tatsächlichen Last, arbeitet der Aufbau mit einen Selbsterwärmungstemperatur
von ca. 50 °C. Damit konnte ich die Schaltung ohne Lastvorwiderstände auf ca.
10x20 mm schrumpfen. Bestückt ist die Platine beidseitig, der MOSFET hat die
gesamte Rückseite fast für sich alleine.
Moderne Kohleschicht- oder Metallschichtwiderstände gehen praktisch nie kaputt, außer wenn sie durchbrennen wie dieser. Man sieht im hinteren Teil einen Riss, an dem er offensichtlich unterbrochen wurde. Mich hat interessiert, warum die Endkappen so stramm sitzen, dass sie sich niemals lösen. Diese Kappe musste ich einschneiden, damit sie gelöst werden konnte. Damit ist klar, die Kappen sind einfach nur fest aufgepresst, bevor die Schutzlackierung aufgebracht wurde
Die Bauform gab es schon sehr lange, weit vor 1950. Allerdings war damals die Befestigung der Drähte anders, sie wurden vom Blech umbördelt, während sie heute angeschweißt sind. Aber der grundsätzliche Aufbau aus einem Keramikstäbchen mit einer Widerstandsbeschichtung war damals schon gleich.
Zwischendurch gab es ca. in den späten 1950er Jahren bis ca. in den 1960er Jahren eine andere Bauform, die komplett in Kunststoff eingepresst wurde. Einen solchen Widerstand habe ich mit der Flachzange zerdrückt. Innen sieht man ein kleines Glasröhrchen, das außen mit einer Kohleschicht belegt sind. Die Drähte ragen bis in die Röhrchen hinein. Man kann sich vorstellen, dass die Anschlüsse anfällig gegen Beschädigungen sind. So ein Widerstand war die Ursache eines Ausfalls in einem alten Röhrenradio. Vermutlich wegen der dauerhaft hohen Temperatur im Betrieb hatte sich der Widerstand von 100 k auf 300 k erhöht.
Weitere Bauformen von Günther Zöppel
Durch den Beitrag über die alten Widerstände angeregt, habe ich mal meine Bastelkiste durchforstet und bin auf ähnliche "Schätzchen" gestoßen.