Einfacher Zerhacker

Was ist eigentlich ein Zerhacker und wofür wird er benötigt? Der Begriff ist wohl etwas mehrdeutig. Lesen mehr dazu in diesem Beitrag.

Nur soweit zu Beginn:

Es hat nichts damit zu tun, dass Irgendetwas klein gehackt wird.

Stellen Sie sich vor, Sie wollen mit einer möglichst simplen Gleichspannung eine höhere Wechselspannung zu erzeugen. Sie haben sich schon in die Grundlagen eingelesen, ein paar Bauteile besorgt, und jetzt halten Sie ein Relais, einen Transformator und ein Steckbrett in der Hand.

Der Moment ist spannend: Wie schaffe ich es, dass diese Bauteile zusammen eine hohe Wechselspannung erzeugen?

Ein Zerhacker ist eine Schaltung, die genau das tut – Gleichspannung in Wechselspannung umwandeln. Und sie ist eine faszinierende Lösung. Besonders der Moment, in dem Sie zum ersten Mal das Klicken des Relais hören und das Relais im ständigen Wechsel die Spannung durch den Transformator jagt, hat etwas Beeindruckendes. Jetzt wird eine Spannung im Trafo erzeugt und in eine wesentlich höhere Wechselspannung umgewandelt.

Es ist ein sehr spannendes und interessantes Experiment. Zwar wird kaum jemand diese Schaltung ernsthaft für längere Zeit einsetzen wollen. Aber sie funktioniert. Und sie hat einen historischen Hintergrund, auf den ich weiter unten in diesem Beitrag noch eingehen möchte.

In diesem Beitrag erfahren Sie, wie ein einfacher Zerhacker funktioniert, wie Sie ihn selbst aufbauen können und wie er Spannungen umwandelt.

Erfahren Sie, wie eine mechanische Schaltung auf beeindruckend einfache Weise Wechselspannung erzeugt und welche weiteren Möglichkeiten es gibt, diese Technik zu modernisieren. Als erstes sehen Sie das Schaltbild für den Zerhacker. Wie Sie sehen können, ist es eine sehr einfach aufzubauende Schaltung.

Einfache Schaltung für den Zerhacker
Einfache Zerhackerschaltung, weitere Hinweise im Text

Der Zerhacker als elektronische Schaltung

Zerhacker gibt es für sehr unterschiedliche Zwecke. Es gibt solche zum Zerhacken von Gemüse und anderen Lebensmitteln oder solche, die aus einer Gleichspannung eine Wechselspannung machen sollen. Um letztere geht es hier. Zerhacker wurden früher eingesetzt, um Röhrenradios mit einer Batterie betreiben zu können. Es waren Autoradios, die teilweise oder komplett mit Röhren bestückt waren. Röhren benötigen in den meisten Fällen hohe elektrische Spannungen, um einwandfrei zu arbeiten. Diese Spannungen stehen im Fahrzeug normalerweise nicht zur Verfügung, also wird die Bordspannung in eine höhere Anodenspannung (quasi die Arbeitsspannung für Elektronenröhren) umgewandelt. Dies funktioniert wie im nächsten Abschnitt beschrieben.

Wie der elektrische Spannungswandler funktioniert

Lesen Sie hier, woraus der Zerhacker besteht und wie er arbeitet.

  • Ein einfacher Zerhacker besteht aus einem Relais, welches beim Anlegen der Betriebsspannung über die Primärseite eines Transformators mit Strom versorgt wird und dementsprechend einen Schaltkontakt betätigt. Das Relais zieht also zunächst an.
  • Wie oben im Schaltbild zu sehen, wird aber die Spule des Relais kurzgeschlossen, sobald der Wechslerkontakt betätigt wird. Das Relais schließt somit praktisch seine eigene Wicklung kurz, woraufhin es wieder abfällt und in seine Ausgangsposition zurückgeht.
  • Der ganze Vorgang beginnt nun von vorne, da die Relaisspule erneut über die Primärseite des Transformators mit Spannung versorgt wird. Es entsteht ein fortlaufender Vorgang, bei dem der Umschalter im Relais ständig seine Position wechselt.
  • Befindet sich das Relais bzw. dessen Schaltkontakt in seiner Ruhestellung, so fließt die Gleichspannung am Eingang der Schaltung über die obere Hälfte der Primärwicklung des Transformators zurück an den Minuspol der Spannungsversorgung. Schaltet das Relais und somit der Arbeitskontakt, so fließt der Strom kurzzeitig über die untere Hälfte der Primärwicklung. Es werden also beide Hälften der Primärwicklung abwechselnd mit Strom versorgt, wodurch in der Sekundärwicklung des Transformators eine Wechselspannung, induziert wird.

Der Transformator als Spannungswandler

Die Höhe dieser Wechselspannung hängt vom Windungsverhältnis des Transformators ab. Die Ausgangsspannung wird in der Regel wesentlich höher als die Eingangsspannung sein, um am Ausgang der Schaltung die benötigte Anodenspannung für die Röhrenschaltung bereitstellen zu können. Die Wechselspannung muss nun noch in eine Gleichspannung umgewandelt werden.

Zerhacker als Probeaufbau auf dem Steckbrett

Auf diesem Bild ist ein Testaufbau eines Zerhackers zu sehen. Die Glimmlampe am Ausgang des Transformators zeigt die hohe Ausgangsspannung an. Als Relais wurde ein herkömmliches Wechslerrelais verwendet. Wie man sieht, funktioniert die Schaltung. Allerdings ist sie nicht für den langfristigen Einsatz gedacht. Das Relais macht während des Betriebs der Schaltung einen ziemlichen Lärm beim ständigen Aus- und Einschalten des Stroms für den Transformator.

Es ist nur ein reiner Versuchsaufbau, der das Funktionsprinzip verdeutlichen soll. Es gibt heute wesentlich elegantere Möglichkeiten, um eine relativ geringe Batteriespannung in eine höhere Gleichspannung umzuwandeln, und zwar auf elektronischem Wege. So könnte man beispielsweise einen elektronischen Spannungswandler bzw. Wechselrichter aufbauen, der den gleichen Zweck erfüllt wie ein herkömmlicher Zerhacker. Eine solche Schaltung arbeitet auch ohne mechanische Teile und somit verschleißfrei und wesentlich leiser.

Elektronische Spannungswandler als moderne Lösungen für Wechselrichter

Ein elektronischer Spannungswandler nutzt meist Transistoren oder MOSFETs, um die Gleichspannung in eine Wechselspannung umzuwandeln. Diese Bauteile schalten extrem schnell und präzise. Das verbessert die Leistung der Schaltung, reduziert die Größe und arbeitet ohne Verschleiß durch sich abnutzende Kontakte, die in den klassischen Zerhackerschaltungen zu finden sind.

Elektronische Wechselrichter, wie sie in vielen modernen Geräten verwendet werden, können darüber hinaus viel höhere Frequenzen erzeugen, was die benötigten Transformatoren kleiner und kompakter macht. Den gleichen Vorteil nutzt man heute in Schaltnetzteilen, die ebenfalls mit hohen Frequenzen arbeiten und kompakter aufgebaut werden können als lineare Netzteile. Mehr zu diesem Thema können Sie in einem anderen Beitrag nachlesen, in dem es um Schaltnetzteile geht.

Diese modernen Schaltungen bieten eine zuverlässigere und langlebigere Lösung im Vergleich zu mechanischen Zerhackern und sind geeignet für Anwendungen, bei denen Effizienz und Platzersparnis wichtig sind, wie etwa in Netzteilen, Ladegeräten oder Solarwechselrichtern.

Vergleich verschiedener Schaltungstypen wie Zerhacker, NE555-IC und andere

Die klassische Zerhacker-Schaltung mit einem Relais ist ein Paradebeispiel für eine mechanische Lösung, die simpel und leicht verständlich ist. Doch es gibt mittlerweile zahlreiche andere Schaltungstypen, die den gleichen Zweck erfüllen.

Zum Beispiel lässt sich der NE555-Timer-IC, ein äußerst beliebter integrierter Schaltkreis, als astabile Kippstufe verwenden, um eine pulsierende Spannung zu erzeugen. Diese kann dann, ähnlich wie beim Zerhacker, eingesetzt werden, um einen Transformator anzusteuern. Der Vorteil des NE555-ICs liegt in seiner Präzision und Flexibilität, da die Frequenz und das Tastverhältnis durch den Einsatz von Kondensatoren und Widerständen leicht angepasst werden können.

Eine weitere moderne Alternative sind Halbleiterschaltungen auf Basis von MOSFETs oder IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistor). Auch diese Bauteile schalten elektronisch und ermöglichen eine viel effizientere Umwandlung von einer Gleichspannung in eine Wechselspannung. Sie kommen besonders in Hochleistungsanwendungen wie Solarwechselrichtern oder USV-Einrichtungen (unterbrechungsfreie Stromversorgung) zum Einsatz. Im Vergleich zum mechanischen Zerhacker sind sie wesentlich langlebiger, leiser und für höhere Spannungen und Ströme geeignet.

Praxistipps und Fehlersuche

Beim Aufbau einer klassischen Zerhacker-Schaltung gibt es einige typische Fehler, die besonders Einsteigern das Leben schwer machen können. Hier sind einige Praxistipps, die Ihnen helfen, diese zu vermeiden:

Das Relais

Achten Sie darauf, dass das Relais für die richtige Betriebsspannung ausgelegt ist. Ein Relais, das für 12 Volt ausgelegt ist, funktioniert nicht zuverlässig mit einer 9-Volt-Spannungsquelle.

Kontaktverschleiß als Fehlerquelle

Die Kontakte in mechanischen Relais nutzen sich mit der Zeit ab, da sie mehrere Male in der Sekunde schalten. Wenn Ihre Schaltung plötzlich nicht mehr richtig funktioniert, überprüfen Sie, ob die Kontakte abgenutzt sind (wenn möglich).

Fehlende Freilaufdiode

In Schaltungen mit Relais entsteht beim Öffnen des Relaiskontakts oft eine Spannungsspitze, die andere Bauteile beschädigen kann. Eine Freilaufdiode parallel zur Relaisspule kann dies verhindern.

Spannungsschwankungen als Fehlerursache

Falls die Schaltung nicht gleichmäßig funktioniert, überprüfen Sie die Spannungsversorgung. Gerade bei Experimenten mit Steckboards können unzuverlässige Verbindungen Schwierigkeiten machen.

Der Transformator ist nicht geeignet

Der verwendete Transformator muss auf die Spannung der Schaltung abgestimmt sein. Ein ungeeigneter Transformator liefert keine ausreichende Ausgangsspannung oder arbeitet ineffizient.

Historischer Kontext: die Bedeutung der Zerhacker-Schaltungen in der Röhrenradio-Ära

Zerhacker-Schaltungen hatten ihre Blütezeit in der ersten Hälfte des 20. Jahrhunderts, besonders in den 1930er und 1940er Jahren, als Röhrenradios weit verbreitet waren. Diese Radios benötigten hohe Spannungen für die Elektronenröhren, typischerweise 100 bis 300 Volt, um ordnungsgemäß zu funktionieren. In Fahrzeugen oder anderen mobilen Anwendungen stand jedoch nur eine niedrige Gleichspannung von 6 oder 12 Volt zur Verfügung. Also musste man Wege finden, um diese hohen Spannungen mithilfe einer Batterie zu erzeugen.

Zerhacker-Schaltungen waren die Lösung, um die niedrige Bordspannung in die benötigte hohe Anodenspannung umzuwandeln. Dabei spielte der Zerhacker die Hauptrolle. Er wandelte die Gleichspannung in eine pulsierende (ein- und ausschaltende) Gleichspannung um, die dann mithilfe eines Transformators auf das erforderliche Spannungsniveau gebracht wurde. Diese Schaltungen waren zwar robust aufgebaut, aber auch relativ laut und anfällig für Verschleiß durch das mechanische Relais, das ständig den Strom für den nachgeschalteten Transformator ein und wieder ausschalten musste.

Mit dem Aufkommen moderner Elektronik, insbesondere Transistoren und integrierten Schaltungen, wurden mechanische Zerhacker nach und nach durch die wesentlich effizienteren elektronische Spannungswandler ersetzt. Dennoch sind Zerhacker-Schaltungen wie die hier vorgestellte ein interessantes Lernprojekt für alle, die sich mit den Grundlagen der Elektronik beschäftigen möchten.

Interessiert Sie das Thema Spannungswandler? Her gibt es einen interessanten Beitrag, in dem eine Leuchtstoffröhre aus einer alten Energiesparlampe an 12 Volt Gleichspannung betrieben wird.

Oder wollen Sie wissen, was ein Step-up-Wandler ist und wie dieser Spannungen in wesentlich höhere Ausgangsspannungen umwandelt? Dann lesen Sie mehr darüber im Beitrag über Step-up-Wandler.

Sogar ein Verstärker-IC lässt sich umfunktionieren, um eine Spannung fast zu verdoppeln. Lesen Sie in diesem Beitrag, wie das mit einem Verstärker-IC wie dem TDA2003 gemacht wird.