Kondensatoren für Serienheizkreise

Da es heute praktisch nirgends mehr Gleichstromnetze gibt, bietet es sich an, den bei Allstromradios unvermeidbaren Heizkreis- Vorwiderstand je nach Bedarf oder Zweckmäßigkeit durch einen Heizkreis- Kondensator als kapazitiven Vorwiderstand zu ersetzen.

Hierdurch ergeben sich gleich mehrere Vorteile:

 

Energieersparnis

Die ersten in Europa weit verbreiteten Allstromröhren waren jene der C- Serie mit einem einheitlichen Heizstrom von 0,2 A.

Ein typischer C- Röhrensatz, bestehend aus den Typen CK1, CF3, CBC1, CL4 und CY1 erreicht eine Heizspannung von 97 V, wenn man 12 V für die Skalenbeleuchtung hinzurechnet. Dies entspricht einer Leistung von 97 V * 0,2 A = 19,4 W.

Da aber die restliche Spannung bis zur Netzspannung 230 V (heute) mit einem Vorwiderstand vernichtet werden muss, ist der Gesamtverbrauch an Heizleistung 230 * 0,2 = 46 W, also mehr als das Doppelte.

Verwendet man nun statt eines Vorwiderstandes einen Heizkreis-Vorschaltkondensator, so wird es bei diesen 19,4 W bleiben, da der Kondensator selbst keinen Energieverbrauch hat, indem er nur ständig umgeladen wird.

Zum Bild : Serienheizkreis mit Vorwiderstand : unerwünschte Wärmeentwicklung und Energieverbrauch, Skalenlampen sind gefährdet durch den hohen Einschaltstrom.

Serienheizkreis mit Kondensator : Keine zusätzliche Erwärmung, keine Energieverschwendung und keine durchbrennenden Skalenlampen.

 

Umrüstung von 110 V- Geräte auf 230 V

Eine Besonderheit stellen Geräte mit 0,3 A - Röhrensätze nach amerikanischem Vorbild (z. B. 25L6, 25Z6, 6Q7 etc.) dar, die ursprünglich meistens für 110 V konzipiert waren.

Wird ein solches Gerät mittels Vorwiderstand auf 230 V umgestellt, so werden alleine schon im Heizkreis 230 V * 0,3 A = 69 W verbraucht, obwohl die tatsächliche Heizleistung wesentlich geringer ist. Diese wäre nur 23 W einschließlich Skalenlampe, die restlichen 69 - 23 = 46 W werden nutzlos im Vorwiderstand verbraten.

Verringern der Wärmeentwicklung.

Abgesehen von der Energieverschwendung kann es problematisch sein, die Wärmeentwicklung von z. B. 46 W in obigem Fall in einem oft nur kleinen Gehäuse unterzubringen. Hier ist ein Heizkreis- Vorschaltkondensator die einzig sinnvolle Problemlösung.

• Schoneffekt durch annähernd Konstantstrom zum problemlosen Betrieb der Skalenlampen,
• Ersatz für defekte oder fehlende Vorwiderstände (auch Eisen-Wasserstoff- oder Urdox).

Ein weiterer enormer Vorteil ist, dass wegen der Phasenverschiebung, die durch den steten Umladevorgang im Kondensator verursacht wird, der Heizstrom bei kalten Heizfäden nur minimal höher als ist im Betrieb. So wäre im obigem Fall der Strom gerade nur 10,3 % höher, wenn die Heizfäden im Einschaltmoment 0 Ohm Widerstand hätten. Tatsächlich ist der Kaltwiderstand deutlich höher, so dass selbst diese 10,3 % nie erreicht werden.

Daher sind Urdox-, NTC- und Eisen-Wasserstoffwiderstände, etc. zur Strombegrenzung bei kalten Heizfäden nicht mehr erforderlich !

Für die Skalenlampen sind keine Sondermaßnahmen gegen Überstrom erforderlich. Bei ganz normaler Einschleifung in den Heizkreis ist mit bloßem Augen praktisch kein Helligkeitsunterschied zwischen kalten und warmen Heizfäden erkennbar.

Möglichkeit der Umrüstung auf andere, leichter und billiger erhältliche Röhren.

Beispiel 1 : Die Wiederbeschaffung des Allstrom-Volksempfänger- Röhrensatzes VC1, VL1 und VY1 kann ggf. schwierig und teuer sein, so dass es attraktiv wäre, auf die leichter und billiger beschaffbaren C- Röhren CC2, CL1 und CY1 umzurüsten. Diese sind außer den Heizdaten kompatibel zu den V- Röhren. Es wäre jedoch wenig sinnvoll, diese über einen Heiz- Vorwiderstand zu betreiben, da man dann wieder 46W Heizleistung verbraten würde. Bei Verwendung eines Vorschaltkondensator von 2,83 µF wird jedoch keine Energie außer den 9,2W tatsächliche Röhrenheizleistung verbraucht.

Beispiel 2 : Umrüstung von U- Röhren auf P- Röhren. Die Röhren der P- Serie, einst hauptsächlich für TV- Geräte vorgesehen, zählen zu den am günstigsten erhältlichen Röhren. TV- Gerätesammler gibt es nur wenige, die dafür einen echten Bedarf hätten und Radiosammler können allgemein wenig damit anfangen.

Bildet man jedoch einen 0,3 A_f- Serienheizkreis, so lässt sich aus einer Kombination von P- und E- Röhren mit 0,3 A_f ein kompletter Röhrensatz bereitstellen, so wie auch in TV- Geräten P- und E- Röhren zusammen betrieben wurden.

Ideale Geräte zur Umrüstung auf P- Röhren sind jene mit dem Noval- U- Röhrensatz UCC85, UCH81, UF89, UABC80, UM84, UL84 und UY85.

Diese sind mit minimalem Aufwand umzurüsten auf einen Röhrensatz bestehend aus PCC85, ECH81, EF89, PABC80, PM84, PL84 und PY82. Alle Röhren sind pinkompatibel und bis auf die PY82 datengleich zu ihren U- Typen. Die PY82 entspricht elektrisch genau der UY82 und erfordert keine sonstigen Änderungen. Lediglich parallel zum EF89- Heizfaden muss ein Widerstand 63 Ohm / 1 W geschaltet werden, da die EF89 nur 0,2 A Heizstrom hat und es eine PF89 leider nie gab. Die Skalenlampen müssen natürlich ebenfalls 0,3 A- Ausführungen sein. Der erforderliche Vorschaltkondensator muss den Wert 4,45 µF haben.

Außer der günstigen Beschaffbarkeit dieser Röhren besteht ein besonderer Reiz der Exklusivität. Wer hat schon ein Radio mit P- Röhren ? - Und das sogar noch weniger Verbrauch hat als das gleiche mit U- Röhren !

Die PY82 ist eigens ausgewiesen als Netz- Gleichrichterröhre. Es lassen sich aber auch die gängigen Booster- Dioden wie PY80, PY83 und PY88 verwenden, allerdings ggf. nur mit Verdrahtungsänderungen.

In kleineren Geräten (Philetta) kann man statt der überdimensionierten PL84 auch die PL82 einsetzen, wobei der Katodenwiderstand ggf. zu wechseln ist. Die PL82 hat übrigens die gleiche Charakteristik wie die UL41 !

Als Skalenlämpchen für 0,3 A- Heizkreise sind Fahrrad- Lämpchen 6 V / 2,4 W, entsprechend 0,4 A, besonders geeignet. Da sie hier mit Unterstrom betrieben werden, leuchten sie weniger hell und haben dafür eine fast unbegrenzte Lebensdauer.

Auswahl des Kondensators

Es kommen nur selbstheilende Kondensatoren in Frage, also solche, die bei einem eventuellen Durchschlag keinen dauerhaften Kurzschluss bilden können - dies wäre tödlich für die Röhren !

Auf keinen Fall geeignet sind daher alte Papierwickel- Kastenkondensatoren, auch wenn dort schön "Prüfspannung 500 V" oder 1000 und mehr Volt drauf stehen.

Die Wahl fällt also auf MP- Kondensatoren oder andere selbstheilende Folienkondensatoren, die für mindestens 220 V 50 Hz ausgelegt sind. Kondensatoren ohne Wechselspannungsangabe sollten mindestens 630V-DC- Typen sein, die Praxis zeigt jedoch, dass 400V-DC- Typen klaglos ihren Dienst tun (ohne Gewähr).

Da Kondensatoren mit genau dem berechneten erforderlichen Wert nicht erhältlich sind, muss dieser aus entsprechenden kleineren Werten zusammengesetzt werden. Dabei kann man nicht nach Kondensator-Werten gehen, denn die sind mit 10% Toleranz viel zu ungenau, da der Heizstrom nicht um +/- 3% abweichen soll. Stattdessen muss auf den exakten Strom abgeglichen werden. Für die in obigem Beispiel erwähnten 2,83 µF schaltet man zu einem 2,7 µF- Kondensator kleinere Werte hinzu, bis der Strom möglichst genau stimmt.

Achten Sie bei diesem Abgleich darauf, dass die Netzspannung dabei dem "ortsüblichen" Normalwert entspricht, oft sind es um 227V statt nominell 230V.

Achten Sie bei diesem Abgleich nur auf den exakten Strom, die Heizspannung einzelner Röhren spielt dabei keine Rolle. Es ist hier bedeutungslos, ob eine ECH3 statt 6,3 V hier nur 5,8 oder gar 6,9 V annimmt.

Parallel zu diesem Kondensator muss ein Widerstand geschaltet werden, damit dieser Kondensator beim Abschalten nach einigen Sekunden entladen wird. Für Werte um 1 µF sind ca. 5 MOhm geeignet, bei C- Werten gegen 5 µF sind 1 MOhm OK.

Durch diesen Entladewiderstand wird verhindert, dass man an einem gezogenen Gerätestecker keinen Stromschlag erhält, da solche Kondensatoren sehr lange ihre Ladung halten können.

Ferner wird verhindert, dass zufällig beim Ausschalten der Kondensator gerade noch auf einen hohen Spannungswert geladen war und beim nächsten Einschalten gerade auf ein umgekehrtes Spannungsmaximum geschaltet wird, mit der Folge eines sehr hohen, wenn auch nur sehr kurzen Stromimpulses.

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Berechnung des Kondensators

Hierzu sind mehrere Rechenvorgänge erforderlich.
Es muss zunächst der Wirkwiderstand R des Heizkreises berechnet werden, indem die Summe aller Heizspannungen durch den Heizstrom geteilt wird, in unserem Beispiel mit den C- Röhren sind es 97 V, geteilt durch 0,2 A = 485 Ohm.

Danach muss der Scheinwiderstands Z des gesamten Heizkreises am Netz berechnet werden, indem die Netzspannung durch den Heizstrom geteilt wird, hier also 230 V, geteilt durch 0,2 A = 1150 Ohm.
Durch geometrische Subtraktion ist daraus der kapazitive Blindwiderstand Xc zu errechnen, also : (Scheinwiderstand)² minus (Wirkwiderstand)², und vom Ergebnis die Wurzel zu ziehen,
im Beispiel also : 1150 ² - 485 ² = 1087275, davon \/ = Xc = 1042,73 Ohm.

Nach der Formel C = 1 000 000 / (2 * Π * f * Xc) erhält man den Kondensatorwert in µF,
also im Beispiel : C = 1 000 000 / (2 * 3,14* 50 Hz *1042,73 Ohm) = 3,053 µF.

Wenn man schon viele Geräte mit Heizkreiskondensator ausgerüstet hat und dies ggf. auch in Zukunft noch zu tun gedenkt, ist es vorteilhaft, eine Excel- Tabelle zu erstellen, in welcher alle Rechenvorgänge enthalten sind. Man muss nur die entsprechenden Eintragungen machen und erhält sofort den erforderlichen Kondensatorwert in µF.

Diese Tabelle finden Sie als Anhang hier unten in diesem Post als [ACFLHAs0aiKC.xls.xls], die Sie auf Ihrem Rechner abspeichern können.
Am Besten ändern Sie dabei diese unsägliche Bezeichnung um in eine solche, die eine Aussage hat, z. B. in  [Heizkreiskondensator.xls].
Über eine Funktionsbestätigung, ob die Tabelle auch bei Ihnen läuft, würde ich mich freuen, e-mail an mich genügt.

Hier sehen Sie einen Screenshot der Tabelle. Als Beispiel wurde der C- Röhrensatz eingegeben.

Hierzu die Bedienungsanleitung :

Eintragungen sind in folgende Zellen (hellblau) zu machen:

A3 : ortsübliche meist vorhandene Netzspannung in Volt (meist 227...230V). Die Netzfrequenz 50 Hz ist fest vorgegeben.

A6 : Heizstrom der Röhren in A, also 0,2 für C-Röhren

B3...B14: Eintragung der Röhrentypen und Lämpchen, nur zur Übersicht, ohne Rechenfunktion

C3...C14: Heizspannung der einzelnen Röhren + Skalenlämpchen

Sie erhalten dann folgende Ergebnisse :

Hauptergebnis (hellgrün) :

E11 : Wert (Kapazität) des Vorschaltkondensators in µF


Zwischen- und Nebenergebnisse (violett) :

C15 : die Summe der Einzel-Heizspannungen in V;

D3 : Wirkwiderstand Rf des Heizkreises;

E3 : Scheinwiderstand Zf des gesamten Heizkreises;

E8 : kapazitiver Blindwiderstand Xc;

E14 : der Maximalstrom (Kurzschlussstrom, bzw. der theoretisch höchste Einschaltstrom, wenn die kalten Heizfäden 0 Ohm hätten) als absoluter Betrag in A;

E15 : der Maximalstrom in % über dem Nenn- Heizstrom.

Anlagen:

• Heizkreiskondensator (15 KB)

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Hier sehen Sie nun noch eine Tabelle mit den wichtigsten Allstrom- Röhrenserien mit jeweils bereits ausgerechnetem Heizkreiskondensator bei der entsprechenden Röhrenbestückung und Netzspannung 230 V 50 Hz. Sie können hier sehen, welchen Kondensator Sie in etwa bei einer ähnlichen Bestückung benötigen. Ebenso können Sie anhand dieser Angaben die Richtigkeit der Excel- Tabelle überprüfen oder zur Übungskontrolle verwenden.

Ganz unten finden Sie den Maximal-Einschaltstrom, oben als Absolutbetrag, darunter in %, entsprechend den Feldern E14 + E15.

Röhren- Serie	0,05 A V-Serie	0,1 A U-Serie	0,15 A H-Serie	0,2 A C-Serie	0,3 A (USA)	0,3 A P-Serie
Röhre 1	VCL11 90 V	UBC41 14 V	12BE6 12,6 V	CBC1 13 V	6Q7 6,3 V	PABC80 9,5 V
Röhre 2	VY2 30 V	UCH42 14 V	12BA6 12,6 V	CK1 13 V	6A8 6,3 V	PCC85 9 V
Röhre 3		UF41 12,6 V	12AV6 12,6 V	CF7 13 V	6K7 6,3 V	ECH81 6,3 V
Röhre 4		UL41 45 V	30A5 30 V	CL4 26 V	25L6 25 V	EF89* 6,3 V
Röhre 5		UY41 31 V	35W4 35 V	CY1 20 V	25Z6 25 V	PM84 4,2 V
Röhre 6		Skal 18 V	Skal 6 V	Skal 6 V	Skal 7 V	PL84 15 V
Röhre 7				Skal 6 V		PY82 19 V
Röhre (Skal)						Skal 7 V
Röhre (Skal)						Skal 7 V
Konden-sator	0,692 µf	1,707 µf	2,356 µf	3,053 µf	4,4 µf	4,454 µf
Max.- A Strom%	0,0586 17,2 %	0,1233 23,3 %	0,17 A 13,5 %	0,221 A 10,29%	0,318 A 5,93 %	0,322 A 7,28 %

Wo findet man geeignete Kondensatoren ?

Außer Neukauf findet man für mindestens 220 V 50 Hz Wechselspannung geeignete MP- oder Folienkondensatoren oft in zu entsorgenden Gasentladungslampen (Leuchtstlampen, HQL-, HQI- Lampen, etc.) sowie bei Einphasen-Wechselstrommotoren in den verschiedenartigsten Geräten, z. B. Wasch- und Geschirrspülmaschinen. Diese sind oft für weit höhere Spannungen als 230 V ausgelegt und daher praktisch ewig haltbar.

Auch wer Zugriff auf ausschlachtbare gewerbliche und industrielle Geräte und Schaltungen hat, wird hier fündig werden.

 

Bewährung der Kondensatorheizung

Ich habe ca. 20 Geräte in dieser Technik, die wechselweise ständig in Betrieb sind. Probleme gab es damit bisher noch nie.

 

Warum nicht früher schon Vorschaltkondensatoren ?

Aufgrund der Vorteile, die Heizkreis-Vorschaltkondensatoren bieten, könnte man sich die Frage stellen, warum hat die Industrie nicht schon damals solche Kondensatoren verwendet ?

Grund 1 : Diese Geräte waren ja ausdrücklich als Allstromradios vorgesehen, also gleichermaßen geeignet für Gleich- und Wechselspannungsnetze. Würde man ein Gerät mit Heizkreis- Kondensator an Gleichspannung betreiben, so würde der Kondensator beim Einschalten einen kurzzeitigen Ladestrom verursachen, danach wäre Schluss und die Röhren blieben kalt. Also hätten man bei diesen Geräten eine Umschalt- oder Umsteckmöglichkeit benötigt, um je nach Stromart einen Widerstand oder einen Kondensator zu wählen, was natürlich viel zu teuer gewesen wäre.

Grund 2 : Erst ab ca. den 1950er Jahren gab es MP- Kondensatoren mit selbstheilenden Eigenschaften. Zuvor gab es nur solche, die bei einem Durchschlag einen satten dauerhaften Kurzschluss erzeugten, was für diese Anwendung natürlich völlig unannehmbar war. Zudem waren für Wechselspannung geeignete Kondensatoren in dieser Größenordnung relativ teuer.

Als gegen Ende der Röhren- Ära die Anzahl der Röhren in TV- Geräten immer mehr zurückging, wurden jedoch auch dort von der Industrie oft Heizkreis-Vorschaltkondensatoren verwendet. Zu dieser Zeit gab es nur noch Wechselspannungsnetze und MP- Kondensatoren waren erschwinglich

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Sonderfälle : HF- Drosseln im Heizkreis

Gelegentlich befindet sich eine oder auch mehrere HF-Drosseln im Netzteil eines Allstromgerätes. Befindet sich eine solche außerhalb des Heizkreises wie hier im Bild (L1), braucht diese nicht weiter berücksichtigt werden.

 

Befindet sich diese jedoch direkt im Netzeingang (L1) und somit auch vor dem Heizkreis, muss sie berücksichtigt werden, sobald ihre Induktivität eine bestimmte Größe überschreitet. Ihre Wirkung ist entgegengesetzt zum Kondensator und erhöht durch Reihenresonanz die Spannung.

Man kann ihre Wirkung abschätzen, indem man ihren induktiven Widerstand X_L ermittelt und diesen vom kapazitiven Widerstand Xc des Kondensators (in Excel- Feld E8). subtrahiert.

Der induktive Widerstand X_L errechnet sich nach : X_L = 2 * Π * f * L

Π = 3,14 ; L = Induktivität in H ; f = Netzfrequenz ;

Eine HF-Drossel von 10 mH = 0,01 H hat demnach 2 * 3,14 * 50 * 0,01 = X_L = 3,14 Ohm.

Dieser Wert ist von den im Beispiel ermittelten Xc = 1042,7 Ohm zu subtrahieren, es verbleiben also 1039,6 Ohm. Diese geringe Abweichung kann durch den ohnehin erforderlichen Kondensator- Abgleich ausgeglichen werden, vorausgesetzt, die HF-Drossel ist während dieses Abgleich mit in der Schaltung.

 

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Da die Kondensatorberechnungstabelle sich nun endlich übetragen ließ, soll hier noch das mit in die Excel-Tabelle eingebaute Nebenprodukt Schwingkreis - Berechnungen erklärt werden :

Hier können Sie Berechnungen mit Schwingkreisen vornehmen.

Aus zwei bekannten Werten von Induktivität, Kapazität oder Frequenz können Sie den gesuchten dritten Wert errechnen.

Geben Sie in die Felder B19, B21 oder B23 (hellblau) ihre bekannten (gegebenen) Werte ein. Für den unbekannten Wert geben Sie ? oder X ein. Es dürfen nie in allen drei Feldern Zahlen stehen, da dann auch drei Ergebnisse erscheinen, die Sie nicht mehr zuordnen können.

Den gesuchten Wert (Ergebnis) finden Sie in einem der Felder D19, D21 oder D23 (hellgrün). Bei den nicht gesuchten Ergebnissen erscheint eine Fehlermeldung.

Sie können Ihre bekannten Werte in MHz, pF und µH eingeben oder wahlweise in kHz, nF und mH und erhalten das Ergebnis ebenfalls jeweils in diesen Einheiten.

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