Elektronikwartung MAG 2,5kW/230V

Aufbau

Im Inneren der Elektronikbox befinden sich drei elektronische Schaltungen. Die mit dem Platinenstecker unten ist für die Stabilisierung der Ausgangsspannung auf 230V bzw. die Kontrolle der Ausgangsspannung zuständig. Diese Platine kann auch nach Lösen einer Schraube aus ihrem Stecker gezogen und einzeln herausgenommen werden.

Die beiden anderen Schaltungen (Transformatorplatine und die Kondensatoren unterhalb im Schaltkasten) erzeugen Hilfsspannungen für die Spannungsstabilisierung bzw. dienen der Glättung. Daneben befinden sich natürlich noch die beiden Steckdosen sowie die 12A-Sicherung und die Anzeigeinstrumente in der Box.

Spannungsregelung

Die Regelung der Ausgangsspannung des Aggregats erfolgt durch zwei Platinen, einmal die eigentliche Regelungsschaltung und einmal die Transformatorplatine, welche notwendige Hilfsspannungen erzeugt. Die unterste, dritte Platine enthält lediglich Glättkondensatoren (10000µF, 16V, 85° Temperaturfestigkeit).

Elektronikwartung

Die Elektronik ist eigentlich wartungsfrei - eigentlich. Als ich bei meinem Gerät einmal die Elektronikbox öffnete, zeigte sich, das ein Kondensator auf der Schaltung zur Stabilisierung der Ausgangsspannung verkohlt und sichtlich geplatzt war. Das Aggregat hat jedoch noch einwandfrei funktioniert. Nach dem Motto "Wo ein Kondensator platzt, platzen auch weitere..." habe ich daraufhin alle Kondensatoren auf der Platine gegen neue ersetzt. Die Metallpapier-Exemplare (0,1µF, 0,22µF sowie 0,47µF, Rastermaß 22,5mm und 27,5mm) haben dabei eine Spannungsangabe von 250V, die Elkos (22µF und 100µF) eine von 63V. Speziell Elkos (Elektrolytkondensatoren) tendieren mit der Zeit dazu, auszutrocknen, und büßen dabei einen Teil ihrer Kapazität ein.

Geplatzter Kondensator: (Klick aufs Bild für Vollbild)

Alt gegen Neu: (Klick aufs Bild für Vollbild)

Seit dem Austausch der Kondensatoren ist die Ausgangsspannung noch stabiler geworden: Selbst bei 100% Lastwechsel (0 - 1000W - 2000W) ändert sich die Ausgangspannung um weniger als 2V, sie liegt sehr konstant bei 230V AC.

Neuaufbau und Fehlersuche an der Elektronik

Nachdem mich zwischenzeitlich mehrere Anfragen nach dem Schaltplan der Spannungsstabilisierungsplatine erreicht haben, habe ich diesen aus der Platine rekonstruiert. Teil 1 des Schaltplanes befindet sich hier, der zweite Teil dort. Durch die Hilfe eines ebenfalls interessierten Lesers in der Schweiz gibt es nun auch eine professionelle Zeichnung des Schaltplanes hier. Vielen Dank hierfür noch von dieser Stelle!

Eine Stückliste gibts hier. Wer den Schaltplan plus das Layout sowie weitere Bilder in voller Auflösung haben möchte, findet hier ein ZIP-File (2,4MB) mit allen Details und der Stückliste.

Wer die Platine nachbauen möchte, findet hier das Layout (Lötseite) als PDF-Datei. Einfach auf durchsichtiger Folie ausdrucken und dann auf Platinenmaterial belichten. Die Bohrung für die Befestigungsschraube hat 5mm Durchmesser und befindet sich 41,5mm und 14,5mm von der Ecke mit dem Oszillator (linke obere Ecke wenn die Platine mit den Bauteilen nach oben und dem Steckkontakt nach rechts vor einem liegt) entfernt. Der Abstandshalter zwischen Platine und der darunter liegenden Platte der Elektronik-Einheit hat 8mm Dicke.

Funktionsweise und Fehlersuche an der Spanungsreglerplatine

Nachdem ich eine defekte Spannungsreglerplatine zur Reparatur bekam, konnte ich mich etwas tiefer mit der Funktionsweise der Platine sowie der Fehlersuche darin beschäftigen.
Die Spannungsregelung wird von zwei Platinen durchgeführt, einmal die eigentliche Regelungsplatine und dann die sog. Transformatorplatine, welche die Hilfsspannungen bzw. Anlaufhilfe erzeugt:

Reglerplatine (Klick aufs Bild für Vollbild)

Transformatorplatine (Klick aufs Bild für Vollbild)

Funktionsbeschreibung

Die Spannungsreglerplatine teilt sich in drei Bausteine: Die Referenzspannungserzeugung unten, den Oszillator links oben und die eigentliche Feldspannungserzeugung rechts oben.

Die Transformatorplatine erzeugt im wesentlichen zwei Hilfsspannungen, einmal ca. 72V AC an den Kabelschuhen und einmal ca. 32V AC an den Klemmen 13 und 14. Diese Klemmen werden über die Klemmleiste im Schaltkasten auf den Steckkontakten 1 und 2 in die Regelungsplatine eingespeist. Die 72V AC versorgen später den Oszillatorteil und werden über die kurzen Kabelstecker direkt in die Regelungsplatine eingespeist. Die 32V AC dienen der Referenzspannungserzeugung. Während des Anlaufens wird zudem mitels des Relais auf der Transformatorplatine an Klemme 12 eine Masseverbindung hergestellt, welche den vom Generator erzeugten Strom direkt in die Feldwicklung leitet, sodaß dieser sich quasi selbst erregt. Sobald dadurch die volle Spannung erzeugt wird, zieht das Relais an und unterbricht diese Masseversorgung, d.h. ab da muss die Regelung den Feldstrom bereitstellen.

Referenzspannungserzeugung

Die Spannungsreglerplatine funktioniert wie folgt: Der Referenzspannungsteil erzeugt aus den 32V AC von der Transformatorplatine eine stabile Referenzspannung. Hierzu dienen die Zenerdioden und das Widerstandsnetzwerk rund um T3 (2N1711). Über den Trimmer R7a kann diese Spannung noch leicht beeinflusst werden und damit die Ausgangsspannung zwischen ca. 220V AC und 240V AC geregelt werden. Diese stabilisierte Spannung wird dann von den Transistoren T1 und T2 gegen die unstabilisierte Spannung aus der Transformatorplatine verglichen. Hierzu wird über eine Einweg-Gleichrichtung (Diode D2) die unstabilisierte Spannung gleichgerichtet und im Kondensator C3 geglättet. Es entsteht dann eine Regelungsspannung für den Oszillatorteil.

Oszillator

Der Oszillatorteil besteht aus einem Unijunktions-Transistor, ein Relikt aus den späten 60-igern. Speziell dieser Typ (2N1671) ist sehr schwer zu bekommen, da er lange Zeit als militärisches Material galt und daher nicht frei im Handel erhältlich war. Angeblich liegen diese Teile zu tausenden im Boden von Vietnam, da sie u.a. in Zündern von amerikanischen Fliegerbomben benutzt wurden (?!). Als aktueller Ersatztyp empfiehlt sich der 2N2646, welcher in der Schaltung ebenfalls funktioniert. Der Oszillator schwingt über den Kondensator C5 sowie R14 und R15. Der Oszillator wird in seiner Frequenz von der Regelungsspannung gesteuert. Er schwingt aber auch ohne Regelungsspannung an, man kann den Oszillatorteil daher im Labor prüfen. Die Frequenz beträgt ca. 110-130Hz, je nach den Toleranzen der Bauteile.

Kondensatorspannung C5 (2V/Div, 2ms/Div) (Klick aufs Bild für Vollbild)

Zwischen Gate und MT1 am Triac (0,2V/Div, 2ms/Div) (Klick aufs Bild für Vollbild)

Feldspannungserzeugung

Schlußendlich wird über die Feldspannungserzeugung die eigentliche Feldspannung im Generator über eine Phasenanschnitt-Schaltung aus der Ausgangsspannung erzeugt bzw. geregelt. Der benutzte Triac SC141D ist relativ unkritisch, es sollte jeder Triac mit ausreichender Spannungs- und Strombelastbarkeit (600-800V, Strom unter 3A) funktionieren. Das Gate des Triac wird über den Übertrager TR1 vom Oszillatorbaustein aus getriggert. Die Sättigungsdrossel TR2 limitiert den Strom durch die Feldwicklung auf 2A, der anschließende Gleichrichter G3 erzeugt Gleichspannung. Der Varistor am Ausgang limitiert die Spannung an der Feldwicklung auf 470V. Brennt er durch, so nimmt er gerne den Gleichrichter G3 mit und beide Teile rauchen gemeinsam ab. Dies liegt auch an der mechanischen Nähe, beide Teile heizen sich gegenseitig auf.

Fehlersuche

Bei der Fehlersuche muss sehr systematisch vorgegangen werden, da keine ausführliche Schaltungsbeschreibung sowie keine Referenzspannungen oder Messpunkte, etc. bekannt sind. Ich bin wie folgt vorgegangen und habe damit eine Platine wieder zum Laufen bekommen.

Eine Warnung am Anfang: Für die Tests muss z.T. mit Netzspannung bzw. Spannungen über 42V gearbeitet werden. Diese Spannungen sind lebensgefährlich, daher sind diese Tests/Arbeiten nur Leuten mit Erfahrung bzw. entsprechender Ausbildung zu empfehlen. Das im Folgenden Beschriebene macht daher jeder Leser auf eigene Gefahr!

Hilfsspannungen der Trafoplatine prüfen

Zuerst müssen die von der Transformatorplatine erzeugten Hilfsspannungen geprüft werden. Speist man in diese Platine an den Klemmen 11 und 21 normale Netzspannung ein, so müssen an den Klemmen 13 und 14 ca. 32V AC anstehen. An den offenen Kabelschuhen müssen ca. 72V AC messbar sein. Das Relais muss anziehen, sonst ist der Gleichrichter auf dieser Platine oder das Relais selbst defekt. Für diese Tests muss die Transformatorplatine natürlich ausgebaut oder wenigstens allpolig getrennt werden. Ist eine oder sind beide Hilfsspannungen nicht vorhanden, so ist der Transformator defekt.

Der Transformator kann bei einer Überspannungssituation (defekter / durchgeschlagener Triac auf der Spannungsreglerplatine) zerstört werden, er bekommt dann einen internen Windungsschluss in der Primärseite. Das sieht dann so aus:

Durchgeschmorter Transformator (Klick aufs Bild für Vollbild)

Durchgebrannte Leiterbahn (Klick aufs Bild für Vollbild)

Man beachte, das der Kurzschluss des Trafos hier noch die Leiterbahn in Mitleidenschaft gezogen hat. Der Trafo hat einen EI48 Kern, seine Primärwicklung muss um die 4025 Windungen 0,1mm CU-Lackdraht haben. Die Sekundärwicklungen haben dann 1295 bzw. 578 Windungen, ebenfalls 0,1mm Kupferlackdraht. Man kann sich z.B. hier die Einzelteile für einen neuen Transformator bestellen, muss diesen dann aber selbst bewickeln.

Alternativ kann man den Transformator durch drei gängige Kleintrafos mit EI30-Kern ersetzen. Man wählt hierbei drei kleine Print-Transformatoren, welche auf der Sekundärseite jeweils 2x 18V bereitstellen. Leistungsmässig genügen 1VA-Ausführungen. Zwei dieser Transformatoren werden sekundärseitig in Serie geschaltet und erzeugen dann 72V (=2x2x18), der dritte erzeugt durch Seriellschaltung seiner zwei Ausgangswicklungen 36V (=2x18V). Mittels eines Vorwiderstandes von 560 Ohm werden diese 36V auf die notwendigen 32-33V vermindert. Ein Layout zum selber ätzen findet sich hier. Man bekommt diese drei Transformatoren auf einer Platine mit 60x60mm unter und kann diese dann anstatt des originalen Transformators auf der Trafoplatine montieren:

Trafo-Ersatzplatine (Klick aufs Bild für Vollbild)

Trafo-Ersatzplatine (Klick aufs Bild für Vollbild)

Halbleiter prüfen

Als nächsten Schritt kann man die Halbleiter auf der Spannungsreglerplatine prüfen. Bei den Transistoren T1-T3 müssen jeweils beide internen Dioden funktionieren. Hierzu berührt man mit einem Diodentester die Basis von T3 und misst dann die Dioden-Abfallspannung gegen Emitter bzw. Kollektor. Es müssen jeweils 600-700mV angezeigt werden. T3 ist ein NPN-Transistor, d.h. die Prüfspannung muss an der Basis positiv sein. T1 und T2 sind PNP-Transistoren, daher muss hier die Prüfspannung an der Basis negativ sein. Bei T4 (2N1671) funktioniert dies auch, es sind nur beide Dioden unterschiedlich: Eine hat ca. 650mV, die andere ca. 1100mV. Auch dieser Transistor kann in der Schaltung geprüft werden.

Messpunkte / Spannungen prüfen

Hat man die o.s. Tests durchgeführt (oder die Transistoren ausgetauscht) und liefert die Transformatorplatine die nötigen Hilfsspannungen, so ist als nächstes die Spannungsreglerplatine im Betrieb zu prüfen. Wird an G1 (bzw. an den Klemmleistenkontakten 1 und 2) eine Wechselspannung von 32V AC eingespeist, so müssen an den Kondensatoren C1, C2 ca. 17-18V DC messbar sein. An C3 muss mehr anliegen, ca. 40-50V. Die Zenerdioden rund um T3 müssen die entsprechenden Zenerspannungen aufweisen.
Speist man an den Klemmleistenkontakten 1 und 2 eine variable Gleichspannung ein, so lassen sich an den folgenden Messpunkten diese Spannungen gegen den negativen Pol von C2 (also NICHT Schaltungsmasse - vgl. die Bilder!) messen:

U(Betrieb)	M1 - Basis T3	M2 - Emitter T3	M3 - Basis T1	M4 - Kollektor T2
U=24V	0V	2,7V	12,2V	10,7V
U=27V	0,8V	2,8V	14,0V	12,0V
U=32V	3,7V	3,0V	16,9V	17,5V

Oszillator prüfen

Speist man an den Kabelschuhen bei G2 ca. 72V AC ein, dann müssen an der Zenerdiode Z4 ca. 21V anstehen. Wer ein Oszilloskop zur Verfügung hat, kann versuchen, die Schwingungen des Oszillators sichtbar zu machen. Dazu versorgt man den Oszillator über die Kabelstecker mit einer Gleichspannung zwischen 9 und 32V. An den Anschlüssen von C5 lässt sich dann die Kippspannung des Oszillators sichtbar machen. Da der Übertrager TR1 ebenfalls nur vom Oszillator angesteuert wird, lässt sich zwischen den Anschlüssen Gate und MT1 des Triacs die Steuerspannung darstellen.

Feldspannungserzeugung prüfen

Zuletzt muss dann noch die Feldspannungserzeugung geprüft werden. Hier ist vor allem der Gleichrichter G3 und der Varistor im Visier - der Gleichrichter muss funktionieren, der Varistor darf keinen Kurzschluss erzeugen. Sonst beide austauschen, da einer meistens den anderen mit zerstört. Der Triac muss ebenfalls arbeiten, als Test kann man sein Gate vom Rest der Schaltung isolieren (ein Bein von R17 auslöten), er muss dann sperren, d.h. zwischen seinen restlichen Anschlüssen muss Netzspannung anliegen. Im Normalbetrieb liegen zwischen diesen Anschlüssen ca. 150V AC an.

Wenn diese Tests alle gemacht worden sind, muss die Schaltung eigentlich funktionieren - tut sie es nicht, sind mir aktuell zwei Fehlerbilder bekannt:

Keine Ausgangsspannung

Hier wird meist keine Feldspannung erzeugt. Am Varistor (oder den Klemmen 2 und 3 am Klemmbrett) muss im Betrieb eine Spannung von 65-75V DC anliegen, sonst wird der Generator nicht erregt und erzeugt keine Ausgangsspannung. In diesem Zustand zieht auch das Relais auf der Transformatorplatine nicht oder nicht dauerhaft (klappert) an. Die Feldwicklung im Generator hat einen Widerstand von ca. 330 Ohm, dieser ist zwischen den Leitungen 2 und 3 im Schaltkasten messbar. Gerne gemachter Fehler hier: Beim Einbauen der Platine vergessen, die Kabelschuhe für den Oszillator aufzustecken.

Zuviel Ausgangsspannung

Dieser Zustand kann eigentlich nur unter ganz bestimmten, seltenen Fehlerkonstellationen vorkommen. Zum einen, wenn der Triac defekt ist und durchgeschlagen ist, dann liegt nämlich die volle Ausgangsspannung an der Feldspule. In diesem Fall gibt das Aggregat ca. 340V AC (!) ab und wird auf Dauer auch weitergehend zerstört werden - der Transformator auf der Trafoplatine brennt durch und kann dabei auch Leiterbahnen auf der Trafoplatine beschädigen. Eine zweite Möglichkeit ist, das das Relais auf der Transformatorplatine, das nach dem Anlaufen des Aggregats anziehen soll und so die Hilfsmasse wegschaltet, entweder defekt ist oder nicht anzieht - z.B. weil eine Leiterbahn unterbrochen ist. Dann liegt die Hilfsmasse dauerhaft an und die Spannungsreglerplatine ist quasi abgeschaltet.

Allgemeine Fehler

Auf der Platine sind einige Leiterbahnen sehr dünn ausgeführt. Es kann daher nicht ausgeschlossen werden, das durch Haarrisse in den Leiterbahnen nicht sichtbare Unterbrechungen oder Übergangswiderstände entstehen. Es empfiehlt sich daher, alle Leiterbahnen nachzulöten oder durch aufgelötete Kupferdrähte zu verstärken. Speziell im Teil der Feldspannungserzeugung fließen z.T. bedingt durch die Kondensatoren sehr hohe Impulsströme, welche dann an Übergangswiderständen entsprechende Abfallspannungen erzeugen.

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