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Als ich 2005 bei Elektor anfing, lernte ich bald unseren Autor Thomas Scherer kennen. Thomas hatte die Ehre, in der goldenen Ära der Elektronik, den 80ern, Elektor-Redakteur zu sein – bevor junge Technik-Nerds begannen, Computer zu programmieren, statt mit Bauteilen zu basteln. Thomas wusste daher viel mehr als ich; sein Spezialgebiet waren LEDs und Beleuchtung sowie Netzteile und Batterien. Im Laufe der Jahre berichtete Thomas über verschiedene Batterietechnologien, darunter auch sehr vielversprechende, die in Forschungslaboren entwickelt wurden. Jetzt, im Jahr 2026, ist Thomas meine natürliche Wahl, um einen Artikel über verschiedene Batterietypen und deren Vor- und Nachteile zu schreiben (Seite 20). Allerdings müssen wir beide feststellen, dass es in den letzten Jahren keine sensationellen Veränderungen gab. Bei Lithium-Batterien liefern die klassischen
NMC-Zellen immer noch die besten Spezifikationen, die Sie auf dem Markt finden können – und sie müssen in gewisser Weise mit Samthandschuhen angefasst werden. In einem Webinar ermahnte Thomas uns, diese regelmäßig zu laden, um negative Folgen zu vermeiden. Daraufhin erstellte ich eine Liste aller Batterien in meinem Haushalt. Da ich viel mit mobiler Ausrüstung bastle, fand ich mehr als 60(!) Stück – daher habe ich sie sorgfältig nummeriert. In dieser Ausgabe haben wir natürlich noch viel mehr zu bieten – angefangen mit der genialen rauscharmen Stromversorgung von meinem Kollegen Ton Giesberts (Seite 6). Weitere interessante Projekte sind ein besonders stromsparender Sensorknoten, eine einstellbare und flexible DC-Last, ein Netzfrequenzmesser und vieles mehr! <
BU ZZZ Around ........
„Power-Tech ist zurück in Europa. Erneuerbares Lithium von Vulcan Energy für E-Autos, ICECAPThermoelektrik und BTRY-Batterien sind vielversprechend, stehen jedoch vor der Herausforderung der Skalierung.“
Udo Bormann — Marketing-Manager
„Gutes Power-Design geht über Bauteile und Simulationen hinaus. Es kommt auf präzise, gut dokumentierte technische Entscheidungen an.“
Glaucileine Vieira — Editor
„Power- und Energietechnologien werden durch intelligentere Leistungselektronik, KI-Optimierung und skalierbare erneuerbare Energien schnell vorankommen.“
C. J. Abate — Content Director
Chefredakteur: Jens Nickel (V. i. s. d. P.) | Content Director: C. J. Abate | Redaktion: Hans Adams, Asma Adhimi, Roberto Armani, Eric Bogers, Rolf Gerstendorf (RG), Ton Giesberts, Saad Imtiaz, Alina Neacsu, Dr. Thomas Scherer, Jörg Starkmuth, Clemens Valens, Brian Tristam Williams | Regelmäßige Autoren: David Ashton, Stuart Cording, Tam Hanna, Ilse Joostens, Prof. Dr. Martin Ossmann, Alfred Rosenkränzer | Grafik & Layout: Harmen Heida, Sylvia Sopamena, Patrick Wielders | Herausgeber: Erik Jansen | Technische Fragen: redaktion@elektor.de
Unser Team
Rauscharmes Labor-Netzteil
Teil 1: Eine stille Quelle für empfindliche Schaltungen
3 Impressum
42 Bemerkenswerte Bauteile – die Serie Varistoren
50 Aller Anfang ... ... führt zu einem Ende
84 Aus dem Leben gegriffen Die Flut der Versuchungen
86 Projekt 2.0
Korrekturen, Updates und Leserbriefe
88 2026: Eine KI-Odyssee Wenn Modelle die Hardware bestimmen
Hintergrund
20 Batterien 2025
Technik und Unterschiede bei Lithium-Batterien
31 Abwärtswandler von 48 V auf 5 V Geschichte einer Schaltungsentwicklung
57 Elektor Live! Expert Day 2025
63 Fnirsi DPS-150 Kompakte und tragbare Stromversorgung und Wandler
82 Ein Lüfter für die Mini-Reflow-Platte Nichts ist so gut, dass man es nicht verbessern könnte
98 Stromversorgung ohne Kabel mit Induktionstechnik
102 KI-gestütztes autonomes Fahren Die RDW Self Driving Challenge 2024
Projekte
6 Rauscharmes Labor-Netzteil (Teil 1) Eine stille Quelle für empfindliche Schaltungen
26 Einstellbare elektronische Last Gleichstromlast statisch und dynamisch
34 Autonomer Sensorknoten v2.0
Teil 2: Hardware-Validierung und Leistungsoptimierungen
44 Grafische Netzfrequenzlupe
Die Netzqualität überwachen
68 Einstellbare USB-C-Stromquelle
Machen Sie aus Ihrem USB-C-Ladegerät ein einstellbares Netzteil
72 Einfacher Lade- und Kapazitätstester
Mit zwei günstigen „Off-the-Shelf“-Modulen
74 Sprechender Farbdetektor
Mit MP3-Player-Modul und KI-generierter Stimme
79 PbMonitor v2.0
Einführung in das aktualisierte BatterieÜberwachungssystem
92 Präzisions-Picoamperemeter (Teil 2)
Zusammenbau, Kalibrierung und Test
110 Soundkarte als Signalgenerator PC als DCF77-Testsender
Einstellbare USB-C-Stromquelle
Machen Sie aus Ihrem USB-C-Ladegerät ein einstellbares Netzteil
Die Netzqualität
Einstellbare elektronische Last Gleichstromlast statisch und dynamisch
Industry
18 STM32 Edge AI Contest 2025
Die Gewinner
52 Multilayer Power Suppression Beads
Breitbandige Entstörung bei hoher Spitzenstrombelastbarkeit
60 Energy Harvesting zur Beschleunigung von IoT- und IIoT-Anwendungen
So entkoppelt Energy Harvesting das IoT vom Stromnetz
BONUS-INHALT
Lesen Sie die kostenlose Elektor-BonusAusgabe Strom und Energie!
> Spannungsüberwachung mit Mikrocontroller
> Solarenergie für Elektronik
> Verdrahtung und Kalibrierung eines 10-µA-High-SideStromsensors
> Infografiken: Strom und Energie
www.elektormagazine.de/ strom-energie
Vorschau
Elektor März/April 2026
Das nächste Heft ist wie immer randvoll gefüllt mit Schaltungsprojekten, Grundlagen sowie Tipps und Tricks für Elektroniker. Schwerpunkt wird das Thema Embedded und KI sein.
> Scrutiny: Open-Source-Debugging-Tool
> BLEnky: Bluetooth Low Energy leicht gemacht
> Programmierung: KI erstellt eine Bibliothek
> Signalgenerierung mit RP2040-PIO
> Hey Elektor: KI-Spracherkennung
> Gesichter zählen mit einer MaixCam
> Symmetrische DC-Last
> Audio-Transceiver-Platine: Taktabstimmung
Die März/April-Ausgabe des Elektor-Magazins erscheint voraussichtlich am 11. März 2026.
Die Zustellung der Druckexemplare an Elektor-Gold-Mitglieder hängt von den jeweiligen Versandzeiten ab.
IM FOKUS
Rauscharmes Labor-Netzteil
Teil 1: Eine stille Quelle für empfindliche Schaltungen
Von Ton Giesberts (Elektor)
Diese vollständig analoge, einstellbare, mittelstarke symmetrische Stromversorgung kommt ohne Schalt- oder Digitalkomponenten aus. Sie bietet eine Ausgangsspannung, die sich zwischen 0 V und ±22 V regeln lässt, sowie einen Ausgangsstrom von 0 A bis 1 A. Da sie jede Form von Schaltelektronik vermeidet, erreicht die Konstruktion ein äußerst geringes Rauschniveau. Zur Anzeige beider Ausgangsspannungen und -ströme kommen vier MiniaturDrehspulinstrumente zum Einsatz.
Die meisten modernen Labor-Netzteile und AC-Adapter verwenden Schaltregler-Technik. Selbst die besten Beispiele zeigen zwangsläufig hochfrequente Störungen und andere Schaltartefakte an ihrem Ausgang, die die Messung empfindlicher analoger Schaltungen beeinträchtigen und niederpegelige Messungen stören können. Um dies zu vermeiden, ist das Konzept hier ein vollständig analoges Netzteil. Obwohl es weniger effizient ist als seine Schaltregler-Pendants, ist der geringere Wirkungsgrad für den Einsatz auf dem Prüfstand von geringer Bedeutung und sorgt für sauberere und zuverlässigere Messergebnisse.
Bild 1. Klassische DrehspulEinbaumessgeräte benötigen keine Hilfsenergie und verursachen keinerlei Störungen.
Da viele analoge Schaltungen eine symmetrische Versorgung benötigen, liefert dieses Design positive und negative Ausgangsspannungen gleicher Größe. Es steht eine kleine Justierung zur Verfügung, um eventuelle Ungleichgewichte auszugleichen. Natürlich ist auch eine variable Strombegrenzungsfunktion enthalten.
Analoge Messgeräte
Um das vollständig analoge Konzept beizubehalten, zeigen vier Miniatur-DrehspulMessgeräte die Ausgangsspannungen und -ströme an (Bild 1). Obwohl ihre Genauigkeit und Auflösung begrenzt ist, besteht ihr Vorteil darin, dass sie keine Hilfsspannung benötigen. Jeder Strommesser ist innerhalb der Regelkreis-Rückführung platziert, sodass sein Innenwiderstand die Ausgangsspannung nicht beeinflusst.
Drei Transformatoren
Um die Kühlkörpergröße zu minimieren, sollte die Eingangsspannung des Netzteils
Bild 2. Übersicht des rauscharmen Netzteils.
idealerweise der Ausgangsspannung folgen. Unter Berücksichtigung der Spannungsabfälle an Gleichrichtern, Filterinduktivitäten, Sicherungen, Restwelligkeit an den Glättungskondensatoren und Reglerabfallspannung muss die Eingangsspannung mindestens 3,5 V höher als die Ausgangsspannung sein. Nur eine Schaltreglerlösung könnte dies effizient erreichen – aber das würde dem Zweck des Designs widersprechen.
Eine praktikablere analoge Alternative ist die Verwendung eines Leistungstransformators mit mehreren Sekundärspannungen und das Umschalten auf eine höhere Spannung, wenn nötig. Zwei Sekundärwicklungen sind das Minimum; drei sind besser und verringern die Kühlkörpergröße deutlich. Die Verwendung
separater Kühlkörper für jede Ausgangsstufe verbessert zudem die Kühlung und vereinfacht den Aufbau.
Statt eines einzelnen Transformators mit sechs Sekundärwicklungen, der schwer zu finden wäre, werden drei identische, vergossene Ringkerntransformatoren verwendet. Sie werden auf einer eigenen Platine montiert, die auch die Relais-Schaltung für das Umschalten der entsprechenden Sekundärspannung trägt. Dieser modulare Ansatz vereinfacht den Aufbau und ermöglicht es, die Transformatorplatine separat von der Haupt-Netzteilplatine zu positionieren.
Eine Übersicht über das komplette rauscharme Netzteil ist in Bild 2 dargestellt. Wie Sie sehen können, besteht das Netzteil aus
drei separaten Leiterplatten: einer Netzfilterplatine, einer Transformatorplatine und einer Spannungsreglerplatine. Wir beginnen unsere ausführliche Besprechung oben rechts – beim Netzfilter.
Der Netzfilter
Die Netzspannung trägt eine Vielzahl von Störungen und Interferenzen. Für ein rauscharme Netzteil muss sie daher sorgfältig gefiltert werden. In den meisten Fällen sind Gleichtaktstörungen stärker ausgeprägt als Gegentaktstörungen, letztere können oft mit einem einfachen RC- oder LC-Tiefpassfilter entfernt werden. Um die Unterdrückung von Gleichtaktstörungen zu verbessern, verwendet dieses Design zwei Gleichtaktdrosseln statt einer.
Batterien 2025
Technik und Unterschiede bei
Lithium-Batterien
Von Dr. Thomas Scherer (Deutschland)
Batterien sind aus der technischen Entwicklung der Menschheit nicht wegzudenken. Ohne sie gäbe es keine mobile Verfügbarkeit elektrischer Energie. Nicht nur für Smartphones und Laptops, sondern besonders auch für Elektroautos und Solarspeicher sind Batterien kritische Komponenten, von deren Kapazität, Gewicht, Volumen, Stabilität und Preis viel abhängt. Grund genug, sie in Elektor zu beleuchten.
Auch Batterien unterliegen – zum Glück –dem Wandel der Zeit und wurden im Laufe der technischen Entwicklung immer besser. Jeder hat sie und in jedem Haushalt kommen sie in erstaunlich hohen Zahlen vor. Schon in meinem Einfamilienhaus ist die Anzahl der Geräte mit Batterien beachtlich. Telefone: 4, Smartphones: 3, Smartwatches: 2, Fernbedienungen: 8, Rauchmelder: 5, Taschenlampen: 5, Heizkörperthermostate: 10 und Messgeräte: 7. Hinzu kommen noch zwei E-Bikes, ein E-Scooter sowie die ordinäre Blei-Batterie des Autos, das demnächst neben der Anschaffung eines Solarspeichers vielleicht voll elektrifiziert wird. Hinzu kommt ein Vorrat an Knopf-, AA- und AAA-Zellen. Eine wilde Mischung von weit über fünfzig Batterien unterschiedlichen Typs, wie in den meisten modernen Haushalten üblich. Ohne Batterien geht heutzutage nichts mehr. Auch Elektor hat sich schon öfter mit dieser
Thematik beschäftigt. Ein erster ElektorArtikel zu Lithium-Batterien [1] ist immerhin schon gut 40 Jahre alt!
Terminologie und Geschichte
Alles begann bekanntlich mit einem Frosch, dessen Muskeln bei Kontakt mit unterschiedlichen Metallen zuckten, wie Luigi Galvani 1780 entdeckte [2]. Er hatte damit unwissentlich das erste „galvanische Element“ konstruiert, wie Alessandro Volta 1792 herausfand, als er von Galvanis Experimenten hörte. Er erkannte, dass es sich dabei um (Kontakt-)Elektrizität handelte. Damit war die sogenannte Primärzelle geboren, die durch chemische Prozesse elektrische Energie erzeugt. Nur acht Jahre später baute er die sogenannte Volta’sche Säule – einen Stapel aus Kupferund Zink-Platten mit dazwischenliegendem porösen Material, das mit einem flüssigen Elektrolyten getränkt war (Bild 1). Die
mehrfache Wiederholung im Stapel (also einer „Batterie“ im ursprünglichen Sinne des Wortes) diente wie noch heute der Spannungserhöhung. Diese frühen Wissenschaftler wurden terminologisch durch den Galvanismus (Lehre von der Umwandlung chemischer in elektrische Energie) und das Volt als Einheit der elektrischen Spannung in der Technikgeschichte verewigt. Es dauert nicht lange, bis Johann Wilhelm Ritter 1803 eine wiederaufladbare Form und damit die sogenannte Sekundärzelle erfand. Nach weiteren 50 Jahren erfand Wilhelm Josef Sinsteden den Bleiakku. Nicht lange darauf wurden solche Akkus für den Betrieb der ersten Telefonnetze als sogenannte Zentralbatterien in Vermittlungsstellen fundamental. Um 1900 gab es schon eine Reihe erster Elektroautos auf der Basis großer und (zu) schwerer BleiBatterien (Bild 2), weshalb sich für über 100 weitere Jahre erst einmal Verbrennermotoren durchgesetzt haben.
Durch die Geschichte bedingt sprechen
Bild 1. Historische voltasche Säule (Quelle: Luigi Chiesa, CC BY-SA 3.0 [7]).
wissenschaftlich orientierte Techniker von Primärzellen, wenn sie nicht aufladbar sind und bei der Erzeugung elektrischer Energie ihre Materialen aufbrauchen bzw. chemisch bis zur Unbrauchbarkeit der Zelle umwandeln. Von Sekundärzellen ist dann die Rede, wenn die Zelle so konstruiert ist, dass die chemischen Umwandlungen elektrisch reversibel sind, die Zellen also wieder aufgeladen werden können. Daneben existiert ein Sprachgebrauch, der zwischen aufladbaren „Akkus“ (bzw. lang „Akkumulatoren“, von lateinisch accumulare = ansammeln) und nicht aufladbaren „Batterien“ unterscheidet, obwohl letzterer Begriff vom französischen battre = schlagen stammt und als batterie eine Reihe gefechtsbereiter Kanonen und im übertragenen Sinne einfach eine Reihe bezeichnet. Allerdings ist das kein echter Gegensatz, denn alle Zellarten können „in Reihe“ geschaltet werden. In englischen Sprachraum wird üblicherweise unterschiedslos von einer „battery“ gesprochen, wenn mehrere in Serie geschaltete oder selbst einzelne Zellen gemeint sind. Der Begriff wird übrigens auch noch militärisch für Kanonen genutzt. Zwischen Primär- und Sekundärzellen wird nicht differenziert. Im Zuge der fortschreitenden Internationalisierung hat sich dieser umfassende Begriff in den letzten Jahrzehnten allerdings verbreitet, und so wird mittlerweile auch in Deutschland fast nur noch von „Batterien“ gesprochen. Bei der Autobatterie – heute noch zu 90 % ein Bleiakku – war das schon immer der Fall. In den Niederlanden ist die Terminologie ähnlich. Und selbst in Frankreich, wo zwischen pile (kleine Batterie) und batterie (große Batterie) unterschieden wird, scheint dieser Verallgemeinerungsprozess unaufhaltsam. Da es zudem ja auch nur ein einziges Schaltzeichen gibt (Bild 3), ist nachfolgend generell von Batterien die Rede.
Kriterien
Die unterschiedlichen Batterietypen unterscheiden sich vor allem durch die eingesetzte Chemie bzw. die unterschiedlichen Materialien für die Elektroden und den Elektrolyten. Daneben spielen auch Feinheiten des inneren Aufbaus und die Bauform eine Rolle. Für verschiedene Anwendungen stehen unterschiedliche Eigenschaften im Vordergrund. Für kleine, mobile Geräte wie
Fernbedienungen werden üblicherweise Primärzellen wie früher Zink-Kohle- und heute Alkali-Mangan-Typen eingesetzt. Diese „Wegwerfartikel“ sind – vom ökologischen Aspekt abgesehen - weitgehend unproblematisch und werden in diesem Beitrag nicht weiter beachtet. Nachfolgend geht es vor allem um Sekundärzellen, und aufgrund ihrer Bedeutung liegt der Schwerpunkt auf Lithium-Batterien. Bei smarten, mobilen Geräten spielt aufgrund des durch ihren Mikrocontroller bedingten, relativ hohen Energieverbrauchs die Kleinheit (oder genauer: das EnergieVolumen-Verhältnis, die sogenannte „volumetrische Energiedichte“ in Wh/l) die entscheidende Rolle, damit man mit
3. Eines für alle – die Elektronik kennt nur ein einziges Schaltzeichen für Primär- oder Sekundärzellen, das über unterschiedlich lange Linien die Polarität der Elektroden symbolisiert.
einer Batterieladung durch den Tag kommt. Diese Eigenschaft ist auch bei elektrisch betriebenen Fahrzeugen wichtig, da z. B. Elektroautos bei mitgeführten Energiemengen von 20 bis über 100 kWh ansonsten viel verbauten Raum spazieren fahren müssten, der nicht für Passagiere oder den Kofferraum zur Verfügung steht. Bei Elektroautos sind allerdings auch weitere Kriterien relevant: zuvorderst die Stabilität, worunter die Anzahl der Ladezyklen bis zu einem definierten Energiespeichervermögen (meist 80 oder 75 % vom Neuwert) verstanden wird. Dann ist auch das Verhältnis von Energie und Gewicht, die sogenannte „gravimetrische Energiedichte“ in kg/l zu nennen, denn beispielsweise ein Tesla Model Y ist mit rund 2 t samt 100-kWh-Batterie aus fast 5.000 Einzelzellen schwerer als der alte LohnerPorsche mit seinem 24-kWh-Blei-Akku. Der Akku macht hier immerhin rund 1/3 des Gesamtgewichts aus, und das Gewicht determiniert u. a. Features wie Beschleunigungsvermögen und Energieverbrauch im Betrieb. Last but not least spielen auch die Kosten eine enorme Rolle, denn das zurzeit für alle Batterien von Elektroautos notwendige Lithium ist teuer und macht den Löwenanteil an den Mehrkosten relativ zu vergleichbaren Verbrennerautos aus. Ein für das Marketing enorm wichtiger Punkt ist auch die Schnellladefähigkeit. Das ist durchaus verständlich, denn es macht einen praktischen Unterschied, ob man nach 300 km nur 10 oder lange 45 Minuten zum Aufladen braucht, um die Fahrt fortsetzen
Bild 2. Der 1,8 t schwere Lohner-Porsche von 1900, angetrieben von vier Radnabenmotoren mit je 1,5 kW. Neben dem Fahrer ist Ferdinand Porsche zu sehen.
Bild
Einstellbare elektronische Last
Gleichstromlast statisch und dynamisch
Von Alfred Rosenkränzer (Deutschland)
Die Vorteile einer einstellbaren
Gleichstromlast beim Testen einer Stromversorgung liegen auf der Hand: Man muss nicht mit einer Sammlung unterschiedlicher Lastwiderstände operieren, sondern kann die gewünschte Strombelastung bequem einstellen. Wenn die Last zusätzlich noch das Feature bietet, einstellbar schnelle Lastwechsel vorzunehmen, kann man damit sogar die Reaktion der Quelle testen.
Für die dynamischen Fähigkeiten muss eine elektronische Last zumindest zwischen zwei einstellbaren Werten hin- und herschalten können. Dazu muss die Schaltung eine Art Funktionsgenerator enthalten. Das ist durchaus elektronischer Aufwand, den man vielleicht scheuen mag, wenn man solche Eigenschaften nur wenige Male im Jahr benötigt. Man kann diesen Aufwand aber einfach reduzieren, wenn man zur Dynamisierung des Stromverlaufs einen Funktionsgenerator nutzt, den ohnehin jeder Elektroniker zur Verfügung hat, der mit Audiosignalen oder sonstiger analoger Elektronik zu tun hat. Die Last braucht dann lediglich einen Steuereingang und ihre Schaltung vereinfacht sich beträchtlich. Außerdem bietet ein externer Funktionsgenerator ein weiteres Plus: Üblicherweise bietet er neben Rechtecksignalen am Ausgang auch sinus- und dreieckförmige Signale, was zusätzliche Messmöglichkeiten erlaubt. Perfekt geeignet ist ein hierzu herangezogener Funktionsgenerator, wenn sich der untere und der obere Spannungswert (und damit der Strom) getrennt einstellen lassen. Anderenfalls lassen sich diese Werte aber auch aus der Amplitude und dem Offset des generierten Signals berechnen.
Prinzip
Ausgehend von diesen Vorüberlegungen hält sich der Schaltungsaufwand in Grenzen. Bild 1 zeigt das Blockdiagramm. Ein 5-V-
Spannungsregler fungiert als Referenzspannungsquelle für die statische Einstellung des Stroms per Poti. Mit einem Relais wird zwischen dem statischen Wert des Potis und dem Eingang für den Funktionsgenerator umgeschaltet. Das nachgeschaltete Bessel-Filter begrenzt die Anstiegs- bzw.- Abfallzeit des steuernden Generatorsignals auf sinnvolle Werte. Sein Ausgangssignal steuert die Endstufe bzw. die steuerbare Stromquelle.
In diesem Projekt gibt es gleich zwei von diesen Endstufen, die zur Stromverdopplung auch parallelgeschaltet werden können. Jede ist für 5 A ausgelegt, was zusammen einen Maximalstrom von 10 A ergibt. Reichen 5 A oder weniger, dann genügt die Bestückung einer Endstufe. Die Endstufen sind als spannungsgesteuerte Stromquellen konzipiert, die den fließenden Strom als Spannungsabfall an einem Shunt-Widerstand erfassen. Der Spannungsabfall wird dann – um den Faktor 10 verstärkt – als Ist-Wert an die Regelung geliefert. Am Messausgang erscheint der Strom beider Endstufen addiert als Spannung, die mit einem Oszilloskop inspiziert werden kann.
Schaltung
Bild 2 zeigt die Umsetzung der Blockschaltung in konkrete, verschaltete Bauelemente. Die 5-V-Referenzspannung stammt vom integrierten Spannungsregler IC7. Mit P2 (plus R2) wird die Maximalspannung des
Bild 1. Das Blockschaltbild der elektronischen Last.
Bild 2. Aufgrund des externen Funktionsgenerators ist die konkrete Schaltung der elektronischen Last nicht besonders komplex.
Grafische Netzfrequenzlupe
Die Netzqualität überwachen
Von Kurt Schuster (Deutschland)
Nicht erst seit dem Totalausfall der Stromversorgung auf der iberischen Halbinsel im vergangenen Frühjahr ist die Qualität der elektrischen Energieversorgung ins öffentliche Blickfeld gerückt. Die Netzfrequenz ist ein guter Indikator für die Übereinstimmung von in ein Stromnetz eingespeister und nachgefragter Energie. Dieses Messgerät zeigt den Verlauf der Netzfrequenz und Störereignisse über maximal 24 Stunden auf einem EPaperDisplay an.
Netzfrequenz und Netzspannung sind wichtige Indikatoren für die Auslastung eines Verbundnetzes. Innerhalb eines solchen Netzes müssen Frequenz und Phase der erzeugenden Komponenten exakt gleich sein. Treten Abweichungen auf, beginnen die Erzeuger, „gegeneinander“ zu arbeiten, was im Extremfall zu schweren Schäden bis hin zum Ausfall des Netzes oder Teilen davon führen kann. Dieses hochdynamische System aus vielen Erzeugern und Millionen von Verbrauchern muss deswegen ständig überwacht und im Gleichgewicht gehalten werden.
Durch vermehrte dezentrale Einspeisung erneuerbarer Wind- und Sonnenenergie ist diese Aufgabe wesentlich komplizierter geworden und dadurch schwerer zu tarieren. Das lässt sich insbesondere an Sonn- und Feiertagen mit wechselnden Wind- und Sonnenverhältnissen mitverfolgen. Obwohl oder gerade weil die Netzlast – bedingt durch weniger industriellen Stromverbrauch – geringer ist und durch wechselnde Wetterverhältnisse in rascher Folge Stromüberschuss oder -mangel herrschen, haben die Frequenzhüter Mühe, die Balance zu halten. Die Schwankungen bringen das Netz öfter als früher – als noch überwiegend kontinuierliche Erzeuger wie Wasser-, Kohle- und Atomkraft in das Netz einspeisten – an die Grenzen der festgelegten Toleranzen.
So hat sich seit dem Beginn des großen Solar- und Balkonkraftwerkbooms die Volatilität der Netzfrequenz deutlich sichtbar verändert. Den großen Blackout in Teilen Spaniens und Portugals am 28. April 2025 konnte ich gewissermaßen „live“ mitverfolgen. Wie Bild 1 zeigt, stieg die Netzlast um 12:33 Uhr stark an und die Netzfrequenz fiel um 0,3 % ab, wobei Werte ab ±0,4 % schon als kritisch gelten. Langfristige größere Fluktuationen, wie sie Bild 2 zeigt, treten dagegen häufig auf und sind recht unproblematisch.
Bild 2. Häufig vorkommende längerfristige Fluktuationen, hier vom 20.03.2025.
Bild 1. Beginn des Blackouts in Spanien, mit einer Auflösung von 5 s (a) beziehungsweise 1 s (b) betrachtet.
Egal, ob man die Frequenz des europäischen Verbundnetzes an einer Steckdose in Deutschland, Frankreich oder Italien verfolgt, wird der Kurvenverlauf zu jedem Zeitpunkt der gleiche sein. Somit kann man überall im Netz live verfolgen, wie es gerade um die Netzqualität bestellt ist. Kleine Anmerkung: Es gibt auch unabhängige Netzabschnitte des europäischen Verbundnetzes, die durch Gleichstromwandlung abgekoppelt sind und eigene Phasenlagen aufweisen.
Netzfrequenzlupe mit Pico und E-Paper
Nach einer einfachen LED-Zeile zur Beobachtung der Netzfrequenz in Elektor 01/2012 [1] und einer erweiterten Version in Elektor 04/2014 [2] zur kontinuierlichen Aufzeichnung des Frequenzverlaufes am PC kommt hier ein Stand-alone-Gerät zur Dauerüberwachung der Netzfrequenz. Die Idee dazu wurde geboren, als die ersten günstigen E-PaperDisplays mit schnellem Bildaufbau und höherer Auflösung auf den Markt kamen. Diese Displays bieten einen hervorragenden Kontrast, brauchen wenig Strom und behalten ihre Anzeige auch nach Ausfall der Versorgungsspannung bei. Sollte der verbaute Speicher-Elko zur Überbrückung von Netzausfällen leerlaufen, bleibt der Frequenzverlauf weiterhin sichtbar.
Eine erste Version der Netzfrequenzlupe entstand mit einem ATmega1284 im DIP40-Gehäuse, der als einziges Mitglied der ATmegaSerie mit 16 KByte genügend SRAM bietet, um die Display- und Frequenzdaten zu buffern. Eine Aufzeichnungsschleife von 24 Stunden Dauer ist aber erst seit dem Umstieg des Projektes auf den Raspberry Pi Pico mit 264 KByte SRAM möglich.
Meine Beobachtung der Netzfrequenz läuft seit August 2019 ununterbrochen, wobei das Display die sekündlichen Updates gut verkraftet hat. Im Vergleich mit einem unbenutzten Exemplar ist die Anzeige lediglich ein wenig grauer geworden.
Der Inhalt des Displays
Die Kurve im Anzeigebereich des Displays (Bild 3) stellt die leicht und intuitiv fassbare Netzlast dar. Über der Mittellinie liegende Werte bedeuten eine hohe und unterhalb liegende eine niedrige Last. Oder anders herum, die obere Hälfte zeigt die (zu) niedrige Frequenz und die untere die (zu) hohe Frequenz. Der Verlauf der Netzfrequenz ist nahezu nie glatt und pendelt ständig um den Idealwert von 50 Hz herum. In einem 50-Hz-Netz kann eine Abweichung von ±0,1 % als normal (tolerierbar) angesehen werden; erst ab ±0,4 % wird es kritisch. Sollte wirklich einmal ein konstant glatter Frequenzverlauf exakt im Idealwert auf der Mittellinie angezeigt werden, haben Sie vermutlich eine PV-Anlage mit Batteriespeicher, die gerade im Notstrombetrieb arbeitet.
Tabelle 1. Netzfrequenz bei hoher, ausgeglichener und niedriger Last.
Anzeige f in Hz Abweichung Last d in % t in µs
Oben 49,84 -0,32 +64 Hoch
Mitte 50,00 ±0 ±0 Ausgeglichen
Unten 50,16 +0,32 -63 Niedrig
Die durch grüne Punkte in Bild 3 markierten Anzeigeelemente bedeuten:
1. Zeitbasis und Zeitraum des Anzeigebereichs
Die Zeitbasen lassen sich durch langes Drücken der Tasten umschalten.
Tabelle 2. Zeitbasen und Anzeigebereiche.
Zeitbasen 1 s 5 s 15 s 30 s 100 s Anzeigebereich 5 min 25 min 1,25 h 2,5 h 15 h
2. Fehlerzähler
Sie werden bei Bedarf für fehlende, abnormale oder gestörte Halbwellen eingeblendet. Die Ursachen der Störungen können Schaltvorgänge in Kraft- und Umspannwerken sowie bei großen Verbrauchern sein, sie kommen jedoch eher selten vor. Wesentlich häufiger sind lokale Deformationen des Spannungsverlaufs im hauseigenen Netz. Schaltnetzteile, Wechselrichter sowie Ein- und Ausschaltvorgänge großer Verbraucher verursachen Spikes, die die Messung der Netzfrequenz stören und die Fehlerzähler triggern können. Diese Ereignisse werden gezählt und im Zeitverlauf als senkrechte Linien (Bild 4) dargestellt. Fallen die Fehlerereignisse nach und nach aus dem Buffer, werden die Zähler reduziert, stehen sie wieder auf null, werden sie nicht mehr angezeigt.
Sollten solche Störungen mehr oder weniger häufig oder zeitweise massiv auftreten, scheint es ratsam, sich auf Ursachensuche zu begeben. Aus dem Haus des Autors wurden ein chinesischer Billiginverter sowie eine simple, brachial geregelte Heizdecke verbannt, da sie massive Netzstörungen verursachten und eine sinnvolle Netzfrequenzmessung unmöglich machten. Der nur gelegentlich verwendete Laserdrucker dagegen durfte bleiben, obwohl Ein- und Ausschalten seines Heizelements ebenfalls Störungen verursachen. Auch könnten sich in älteren Hausinstallationen locker gewordene Schraub- und Klemmkontakte in Verteilern bei Last durch erhöhte Fehlerraten bemerkbar machen.
3. Seitennummer / Anzahl der Seiten
Mit kurzem Tastendruck blättert man in der Anzeige durch die Daten,
Bild 3. Displayinhalt und Bedienelemente.
Bild 4. Ein Fehlerereignis wird durch eine senkrechte Linie angezeigt.
Einstellbare USB-CStromquelle
Machen Sie aus Ihrem USB-C-Ladegerät ein einstellbares Netzteil
Von Willem den Hollander (Schweiz)
Im Gegensatz zu früheren Versionen bietet der USB-CStandard erhebliche Fortschritte: ein intelligentes Protokoll zur Spannungs- und Stromsteuerung sowie eine deutlich höhere maximal übertragbare Leistung.
Dieses Design ermöglicht es Ihnen, ein USB-CLadegerät der neuesten Generation zu kontrollieren und als einstellbares Netzteil zu nutzen. Sehen wir uns an, wie das gelingt.
USB-C-Ladegeräte werden heute zum Standard. USB Type-C ist ein universeller Standard für das Laden und die Datenübertragung, der weit verbreitet ist. Die Ladegeräte unterstützen eine hohe Leistungsabgabe – bis zu 100 W – und können somit Telefone, Tablets und Laptops laden.
Der Standard [1] beschreibt das PD-Protokoll (USB Power Delivery), das es USB-CGeräten ermöglicht, die Leistungsanforderungen auszuhandeln und ein flexibles sowie effizientes Laden zu gewährleisten. Ein früherer Artikel in Elektor [2] beschrieb eine frühe Version eines PD-Sink-Controllers, mit dem man ein USB-C-Ladegerät auf mehrere diskrete Spannungen einstellen konnte. Laut dem neuesten Standard kann ein USB-Ladegerät jede Spannung innerhalb bestimmter Grenzen liefern. In diesem Artikel wird eine Schaltung mit einem der neuesten
PD-Sink-Controller beschrieben, die – zusammen mit einem USB-C- Ladegerät – als einstellbares Netzteil dienen kann.
Hintergrund
Der Standard beschreibt vier verschiedene PDOs (Power Delivery Objects):
> Fixed PDO (feste Ausgangsspannung)
> PPS PDO (Programmable Power Supply)
> Fixed EPR PDO (Expanded Power Range)
> AVS EPR PDO (Adjustable Voltage Supply)
Normale PDOs können Spannungen bis zu 20 V liefern. EPR-PDOs können Spannungen im Bereich von 15 bis 40 V liefern. Derzeit sind USB-C-Ladegeräte, die mehr als 20 V liefern, nicht sehr verbreitet. Daher arbeitet
die hier vorgestellte Schaltung nur mit festen und programmierbaren PDOs.
Ein PD-Sink-Controller kommuniziert mit dem USB-C-Ladegerät, um die gewünschte Ausgangsspannung und Strombegrenzung zu programmieren. Nach einer Marktrecherche habe ich einen fortschrittlichen IC gefunden, der diese Funktion übernehmen und nach diesem neuesten Protokoll effektiv kommunizieren kann. Es handelt sich um den AP33772S, einen USB-PD3.1-EPR-Sink-Controller von Diodes Incorporated, der über eine I 2 CSchnittstelle [3][4] verfügt. In meinem Design wird dieser Chip vom Nutzer über einen kleinen Mikrocontroller mit angebrachtem Dreh-Encoder bedient.
Schaltung
Das Schaltbild des einstellbaren USB-CNetzteils ist in Bild 1 dargestellt. Die Schaltung folgt der vom Hersteller des AP33772S vorgeschlagenen Richtlinie, mit der Ausnahme, dass in diesem Design nur ein MOSFET verwendet wird. Hier fließt der Strom nur in eine Richtung, die Strombegrenzung erfolgt durch Abschalten des MOSFET. Der AP33772S wird über den I2C-Bus eingerichtet. Ein PIC18F04Q40 von Microchip übernimmt dies. Der DrehEncoder ermöglicht die Eingabe durch den Nutzer, und ein kleines, über I2C gesteuertes OLED-Display dient zur Anzeige von Einstelloder Ausgangswerten.
Die am Display angezeigte Ausgangsspannung wird mit dem internen A/D-Wandler
des Mikrocontrollers gemessen. Dies geschieht durch Abtastung der Spannung des Spannungsteilers aus den Präzisionswiderständen R11 und R12, die auf 1/8 der Ausgangsspannung eingestellt sind. So wird sichergestellt, dass am A/D-Eingang von U2 nicht mehr als 5 V anliegen. Zudem ist das Teilungsverhältnis von 1/8 im digitalen Bereich ideal, da Division durch oder Multiplikation mit 8 nur eine Verschiebung einer Binärzahl um drei Stellen erfordert. Der Strom wird vom PD-Controller über den Shunt-Widerstand R5 (5 mΩ) gemessen und vom Prozessor über den I2C-Bus ausgelesen. R6 (0 Ω in diesem Design) muss zur Version von U1 passen; bei früheren Generationen dieses Chips sollte er 100 Ω betragen. Das können Sie einfach im Datenblatt [4] nachschlagen. R7 ist der VOUT-Widerstand von U1 zur Messung der Ausgangsspannung am Source von Q1, dem MOSFET-Schalter in Reihe.
D2 zeigt den aktuellen Status des EPR-SinkControllers (Tabelle 1). Das Vorhandensein
von Ausgangsspannung wird durch die grüne LED D3 angezeigt.
Stromversorgung
Sind die 5,1-kΩ-Widerstände (R1 und R2) an den Leitungen CC1 und CC2 vorhanden, liefert ein USB-C-Ladegerät beim Einschalten 5 V, sodass der Controller-Chip betrieben werden
kann. Das Vorhandensein der Eingangsspannung wird durch die blaue LED D1 angezeigt. Aus dem Datenblatt des AP33772S geht hervor, dass dieser IC einen LDO-Regler an Bord hat, der 5 V mit einem maximalen Strom von 30 mA liefern kann. Der Prozessor und das Displaymodul verbrauchen einen Strom von nur ca. 5 mA, sodass sie problemlos daraus
Status LED-Anzeige VOUT Bemerkungen INIT N/A OFF Verbunden und AP33772S-Initialisierung
CHARGING Atmen (4 s) ON Erfolgreiche Aushandlung oder Eintritt in den Non-PD-Mode; Ladebeginn
MISMATCH Dauerlicht OFF VSELMIN-Fehler (VREQ < VSELMIN)
MOISTURE Langsames Blinken (2 s) OFF Abnorme Impedanz (Feuchtigkeit?) erkannt
FAULT Schnelles Blinken (0,6 s) OFF Fehler (OVP, OCP, UVP oder OTP tritt auf)
Bild 1. Schaltbild des einstellbaren USB-Netzteils.
Tabelle 1. LED-Pin des AP33772S.
versorgt werden können. Auch wenn die Ausgangsspannung des Ladegeräts auf nur 3,3 V – die minimale Versorgungsspannung des Displays – eingestellt ist, funktioniert alles weiterhin einwandfrei.
J2 ist der ICSP-Steckverbinder zur Programmierung des PIC. Er ist mit J3 auf der Leiterplatte kombiniert, da entweder der eine oder der andere verwendet werden muss. Tatsächlich ist J3 im normalen Betrieb der Schaltung gebrückt, um den Mikrocontroller U2 zu versorgen. Beachten Sie, dass der Jumper J3 während der Programmierung von U2 entfernt werden muss, da U1 in diesem Prozess möglicherweise nicht genügend Strom liefert.
Hardware
Bild 2 zeigt beide Seiten der Leiterplatte mit der Schaltung. Abgesehen vom Programmierstecker, dem Display und dem Encoder sind alle Bauteile SMD. Der USB-C-Stecker und der AP33772S -IC müssen entweder in einem Ofen oder auf einer Heizplatte verlötet werden. In meinem Fall wurde Letzteres genutzt. Die Platine passt in ein kleines, kostengünstiges RL6105-Gehäuse von Hammond.
Firmware
Die Firmware, die in Assembler geschrieben wurde, ist einfach und kann unter [5]
zusammen mit den Gerber-Dateien für die Leiterplatte heruntergeladen werden. Nach der Einrichtung der Ports werden einige Timer, zwei logische Zellen und drei Interrupts aktiviert. Die Hauptprogrammschleife besteht nur aus NOPs.
Der erste Interrupt erkennt die Drehbewegung des Encoders. Der zweite wird ausgelöst, wenn der Schalter für eine kurze oder längere (2 s) Zeit gedrückt wird, und der dritte wird einmal pro Sekunde durch einen Timer aktiviert. Letzterer ist nur aktiv, wenn der Ausgang aktiv ist. Er liest und zeigt Ausgangsspannung und -strom an.
Betrieb
Beim Einschalten liest der PD-Controller alle verfügbaren PDOs des Ladegeräts aus. Die eines typischen USB-C-Ladegeräts sind in Bild 3 dargestellt. Beim Start oder nach einem Reset ist das erste PDO aktiv. Dies dient der Kompatibilität mit älteren USB-Ladegeräten. Durch Drehen des Encoders werden alle PDOs nacheinander angezeigt. Die ersten drei sind feste PDOs (erste drei Screenshots in Bild 3). Die letzten beiden sind programmierbar; eines davon ist unten rechts auf demselben Bild zu sehen. Die Option, eine Spannung zu programmieren, wird als Spannungsbereich auf dem Display angezeigt.
Wenn der Schalter gedrückt wird, während ein festes PDO auf dem Display angezeigt wird, wird der Betriebsmodus gewechselt, sodass die Strombegrenzung eingestellt werden kann (oberes Bild in Bild 4). Der Stromwert ist in Schritten von 0,25 A einstellbar. Wird der Schalter bei einem programmierbaren PDO am Display betätigt, wird der Spannungs-Einstellmodus gestartet, wie im
Stückliste
Widerstände
(0805, sofern nicht anders angegeben)
R1, R2 = 5,1 kΩ
R3 = 10 kΩ
R4, R8, R9 = 100 kΩ (1206)
R5 = 5 mΩ (1206)
R6 = 0 Ω (siehe Text)
R7 = 100 Ω
R10 = 10 kΩ NTC
R11 = 9,1 kΩ, 1 %
R12 = 1,3 kΩ, 1 %
R13 = 1 kΩ
Kondensatoren
(0805, sofern nicht anders angegeben)
C1, C3 = 10 µF (1206)
C2, C4 = 100 nF (1206)
C5 = 1 µF
C6…C8 = 100 nF
C9 = 10 nF
C10…C12 = 1 nF
Halbleiter
U1 = AP33772SDKZ
U2 = PIC18F04Q40-SL
U3 = OLED-Display 0,91“
Q1 = SI4164DI N-Ch. MOSFET
D1 = LED blau (1206)
D2 = LED rot (0805)
D3 = LED grün (1206)
Verschiedenes
SW1 = Dreh-Encoder mit Schalter
J1 = USB-C-Steckverbinder
J2 = Header, 6-polig
J3 = Jumper
Bananenbuchse, rot, Panelmontage
Bananenbuchse, blau, Panelmontage
Gehäuse (Hammond RL6105)
Knopf
Leiterplatte
Bild 2. Die bestückte Leiterplatte mit dem rückseitig montierten LCD.
Bild 3. Verschiedene PDO-Beispiele – feste und einstellbare (unten rechts).
