Grenzen der Linienstromversorgung Thema ist als GELÖST markiert

[detlef]

Ich habe mal versucht auszurechnen, wieviele TW39-Fernschreiber ich gleichzeitig mit einem Standardtrafo (15V / 600mA, 9 VA) betreiben kann. Also wenn alle gleichzeitig aktiv sind.

Pro Fernschreiber braucht man 40mA bei 85 Volt. Das sind 3,4 Watt. Das wären dann rein theoretisch 9 VA / 3,4W = 2,6 Fernschreiber.
Das erscheint mir etwas wenig. Kann man das so rechnen und wie hoch sind die Verluste in der Spannungskaskade?

[AREA51HD]

Die 40mA fließen ja nicht auf dauer, es gibt ja sorry für den falschen begriff, Null oder Eins, 40mA oder keine 40mA.
In der Theorie sollte die verteilnung ca. 50/50 sein (Man könnte nun anfangen die Verteilung der Buchstaben, Startbit etc. noch mit reinzurechnen).
Die Spannungskaskade hat einen relativ guten wirkungsgrad, verluste sind primär der Spannungsabfall an den Dioden (0,6 bis 0,8V).
Und der Innenwiederstand der Kondensatoren.
Schätzen würde ich mal einen wirkungsgrad von 15 auf 85V, mit grob 80 bis 90%.

[detlef]

Ja schon. Aber in Ruhe (bestehende Verbindung, aber keine Zeichenübertragung) fließen die 40 mA. Die 50/50 würden gelten, wenn ich einen Lochstreifen sende, ohne Pausen. Sobald man von Hand tippt und kleine Pausen macht, verschiebt sich das in Richtung 40 mA.

Es geht mir da schon um den worst case. Also um eine störungsfreie Funktion aller angeschlossenen Fernschreiber unter ungünstigsten Bedingungen.

Bei den größeren Anlagen habe ich schon einen größeren Trafo drin (15 VA nur für den Linienstrom). Das wären dann rechnerisch 4,4 Fernschreiber (Verluste wiederum nicht berücksichtigt). In Heusenstamm wären wir damit schon am Limit gewesen. Bei solchen Veranstaltungen kann es schon vorkommen, dass alle Geräte gleichzeitig laufen.

Die Frage ist, ob die Spannungskaskade der Stromversorgung irgendwann an eine Grenze kommt, so dass eine weitere Vergrößerung des Trafos nichts mehr bringt.

[damarco]

Das funktioniert so nicht, denn die Kaskade also Spannungserhöhung funktioniert mit Umladen von Kondensatoren. Jede Stufe erhöht den Innenwiderstand und mit jeder Last bricht die Spannung zusammen. Aber aus Messung halte ich auch 4 gleichzeitig aktive Schreiber für realistisch.

Die musst die Kondensatoren auf der Kaskade erhöhen wenn du mehr Strom brauchst und die Dioden müssen den Strom auch vertragen. Nur die Leistung des Trafos zu erhöhen bringt also nichts.

[detlef]

Die musst die Kondensatoren auf der Kaskade erhöhen wenn du mehr Strom brauchst und die Dioden müssen den Strom auch vertragen. Nur die Leistung des Trafos zu erhöhen bringt also nichts.

Also zusätzliche Kondensatoren oder größere Werte? Falls mehr Kondensatoren, wie muss man die dann verschalten, um mehr Strom zu bekommen ohne die Spannung zu erhöhen?

[duddsig]

Also zusätzliche Kondensatoren oder größere Werte? Falls mehr Kondensatoren, wie muss man die dann verschalten, um mehr Strom zu bekommen ohne die Spannung zu erhöhen?

Kondensatoren zu den vorhandenen parallel schalten in der Kaskade, oder halt gegen größere tauschen. Spannung erhöhst Du nur, wenn Du die Kaskade vergrößerst/verlängerst. Prinzipiell bricht die Spannung mit größeren Elkos nicht so sehr zusammen, wegen des oben genannten geringeren Innenwiderstands.

[detlef]

Ok, also konkret würde ich dann die Elkos gegen 2200 µF ersetzen. Die passen gut rein, sind nur etwas höher. Und die Dioden gegen 2A-Typen (1N 5059). Der Trafo ist ja schon größer ausgelegt. Damit müsste ich dann bei einer großen Anlage auf der sicheren Seite sein.

Auf der 5 Volt-Schiene bleibe ich mit 3 Netzwerkkarten und 4 Schnittstellenkarten unter 0,5 A Ampere. Der Traco DC-DC-Wandler schafft sogar 2A. Das ist also alles reichlich dimensioniert.

[damarco]

Die Linienspannung wird aus den beiden 15V Wicklungen des Trafos gewonnen und in der Kaskade ist durch die Kondensatoren viel Energie drauf. Das Problem ist das bei jedem Schreiber die Linienspannung zusammen bricht und es in der Praxis er von den Bedingungen/Geräten abhängt ob 4 oder 6 Schreiber gleichzeitig störungsfrei laufen.

Vielleicht macht es Sinn das Rack dann aufzuteilen und dieses im Teilnehmerverzeichnis zu einzutragen. So wäre eine Verbindung zu anderen Anschluss auch möglich.

Macht doch einfach mal Messung auf welche Spannung diese zusammenfällt wenn alle Schreiber aktiv sind.

[detlef]

Vielleicht macht es Sinn das Rack dann aufzuteilen und dieses im Teilnehmerverzeichnis zu einzutragen. So wäre eine Verbindung zu anderen Anschluss auch möglich.

Genau das soll vermieden werden, weil das bei Veranstaltungen dann jedesmal zwei Netzwerkkarten belegt. Außerdem kann man sich auch nicht immer vor Ort auf die Internetverbindung verlassen. Und bis dann jeder auf dem Stand verstanden hat, welcher Fernschreiber an welcher Anlage hängt und unter welcher Nummer erreichbar ist, ist die Veranstaltung rum. Das habe ich alles schon erlebt.

Ich werde das mal testen und messen.

[Fernschreiber]

Hallo zusammen, hallo Detlef,

dieses Thema habe ich u. a. schon 2016 (mein Einstieg bei i-Telex) mit Fred diskutiert. Mir als Profi auf dem Telekommunikationssektor war
nach Studium der i-Telex Unterlagen sofort klar das die Stromversorgung bezüglich der Spannung schon etwas knapp war. Da ich mit
Gleichspannungen mit 24/60/120 oder bis zu 700V (Fernspeidungen) im Betrieb zu tun hatte (von TV-Grundnetzsendern mal abgesehen) habe ich
damals und auch jetzt in Unterlagen recherchiert, aber diese Anwendung einer Kondensatorkaskade bei 50 Hz bis auf wenige Ausnahmen nicht
gefunden. Die gute Perfprmanz entwickeln die Kaskaden erst bei höheren Frequenzen und sind von der Fliegenklatsche bis zu älteren Monitoren
(in Krankenhäusern wegen EMV) überall präsent. Fred's Lösung ist völlig Ok und er hatte seine Gründe das so zu machen. Soöange ein System
den "normalen" Rahmen der Ausstattung und Verkehr nicht überschreitet läuft es mit 15V Trafo ja gut. Zudem ist es einfacher und billiger zu
realisieren wie ein Trafo mit entsprechenden Wicklungen. Was nun von Detlef für Messen gedacht ist hat mit Heimstationen bezüglich
Verkersfluß nicht mehr viel gemein. Seine Fragen sivd durchaus interessant und geben Grund zu dieser Beschreibung Ich habe dann mal
gerechnet. Es kam folgendes heraus:

12V Wechselstrom ergibt im Leerlauf etwa 17V Spitzenspanung mal 4 (Kondensatorkaskade) = 67V Gleichspannung.
15V Wechselstrom ergibt im Leerlauf etwa 21V Spitzenspanung mal 4 (Kondensatorkaskade) = 85V Gleichspannung.
Diese Werte sind erstmal unabhängig von der Leistung des Trafos und der Verwendeten Kondensatoren.
Nun zum Betrieb (Unterstellt zwei TW39 Schnittstellen):
Ruhebetrieb:
Wie Du ja neulich erfahren hast fließt in dieser Betriebsart ein Ruhestrom von jeweils 5mA, also im Summe 10mA.
Damit wird die bisher betrachtete Spitzenspannung schon belastet und die Spannung bricht etwas ein (z.B.4V weil Innenwiderstand des Trafos
und der Kaskade): Dann ist die Ruhespannung bei 63 bzw.81 V.
Die 63V sind ein extrem kritischer Wert bei dem häufig FSG NL streikten. Daher hier nochmal die in der TW39 Technik zu erwartenden
Spannungen:
Quellenspannung 120V, Leitung inkl. TS und FS 3KOhm. Spannungsabfall an Leitung 3KOhm x 5mA =15V,bleiben also am FSG 105V im Ruhebetrieb,
mit denen sicher Umgepolt und der FS eingeschaltet werden konnte. Von 105V auf 62 V nimmt auch ein Hobbynetz krumm, da die Technik ja die
alte ist.

Es wurde damals auf den Einbau eines 15V Trafos hingewiesen um diese Unannehmlichkeiten zu umgehen. Schon ein interner Anruf, bei dem der
Anrufer ja einen Linienstrom von 40mA verursacht führte beim 12V Trafo gelegentlich dazu, das bei einem Anruf des zweiten Anschlusses in
Summe 45mA fließen und die schon knappen 60V definitiv unterschritten wurden.
Arbeitsbetrieb:
In dieser Betriebsart kommt es auf den Innenwiderstand des Trafos und der Kaskade an, welche Spannung bei welcher Belastung vervügbar
bleibt. Der Übergang Trafo/Kaskade ist hauptverantvortlich für den Spannungsabfall. Besser wie der Trafo alleine kann es also nicht werden.
Deine ursprünglich Rechnung mit der Leistung 3,3W pro aktiven Port ist zwar sehr vereinfacht, da die Kaskade nicht beteiligt ist, kann aber
bzw. muß als grobe Daumenregel für die Auswahl des Trafos angewendet werden. Wenn der Trafo an seine Nennleistungsgrenze kommt, beträgt die
die Ausgangsspannung an der Kaskade nicht mal mehr die Nennspannung von 12 X 4 = 48V bzw. 15 X 4 = 60V, da auch die Diffusionsspannungen
der Dioden 0.7 x4 = 2,8V mehr Gewicht bekommen.
Der 9VA Trafo wäre dan mit 2,7 und der erwähnte 15VA Trafo wäre mit 4,5 Ports betreibbar. Das alles liegt im Nennbereich der Trafos und der
Betrieb 3 oder 5 Ports wäre leistungstechnisch denkbar.

Zwischen fast Leerlauf und Vollast ist also eine Spannungsdifferenz um den theoretischen Faktor 1,414 plud Kaskade entstanden.
Betrachtet man nun die Linienströme, unterliegen auch sie der Spannungsschwankung. Dabei ist es entscheidend ob der jeweilige Strom von
40mA im Einzelbetrieb oder bei Gesamtlast eingestellt wurde. Entsprechend ist dieser dann bei Einzelbetrieb etwas höher oder bei Vollast
niedriger 40mA. Im schlimmsten Fall könnte der dann auf 29mA sinken, was einige FS mit Falschzeichen quittieren.
Nun die Betrachtung der Kaskade:
Der Wirkungsgrad ist sehr abhängig von der Frequenz, dem Strom und der Kapazität der Kondensatoren. Üblicherweise werden diese Kaskaden mit
höherer Frequenz und kleineren Kondensatoren bei Strömen im einstelligen mA Bereich (Kathodenstrahlröhren) genutzt.
Also darf man hier (50Hz) nicht die gewohnte Performanz erwarten.
Es gibt eine Formel(Das grosse Hochspannungs- und Hochfrequenz-Experimentier-Handbuch von Jochen Kronjäger) mit der der Spannungsabfall an
einer Kaskade berechnet werden kann.
U=[I/(F*C)]*[(2/3)*n^3+(1/2)*n^2-(1/6)*n]

Setzt man hier die Grundwerte Ampere,Frequenz (Hz),C in Farad und n=2(zwei Verdopplerstufen) ein, kommt ein erschreckendes Ergebnis heraus:
Bei 50 Hz, 0,2A (5 Ports) und 0,001F fallen 28 V an der Kaskade ab!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!
Bei 100 Hz, 0,2A (5 Ports) und 0,001F fallen 14 V an der Kaskade ab,
Bei 1000 Hz, 0,2A (5 Ports) und 0,001F fallen nur 1,4 V an der Kaskade ab,

Bei 50 Hz, 0,04A (1 Port) und 0,001F fallen 5,6 V an der Kaskade ab,
Bei 50 Hz, 0,08A (2 Ports) und 0,001F fallen 11,2 V an der Kaskade ab,
Bei 50 Hz, 0,12A (3 Ports) und 0,001F fallen 16,8 V an der Kaskade ab,
Bei 50 Hz, 0,16A (4 Ports) und 0,001F fallen 22,4 V an der Kaskade ab,

Das überrascht mich nicht, denn eine andere empirische Formel sagt:
C= [34 *(n+2)*I]/U = [34 * 4 * 0,04]/21 = 0,259 As/V also etwa 0,26 Farad für Betrieb eines Ports
Diesen Kondensatorwert bekommst Du nicht einmal ins Gehäuse, außerdem ist dies ein theoretischer Wert, der in der Praxis zudem nicht
anwendbar ist, wäre die Zeit für die Ladungepumpe (es wird ja alle 20mS immer mit einer Halbwelle geladen und mit der nächsten
hochgeschoben) viel zu groß. Die Lösung wäre ein ein Zerhacker der z.B bei 10KHz schwingt und die gleichgerichteten 15V quasi zu
Wechselstrom höherer Frequenz macht.
Nach Formel U=[I/(F*C)]*[(2/3)*n^3+(1/2)*n^2-(1/6)*n] ergibt sich unter den gegebenen Umständen (1000 mikrofarad) ein Spannungsabfall bei
z.B. 10000 Hz, 0,2A (5 Ports) und 0,001F von nur 0,2 V an der Kaskade.

Um das mal realistisch zu betrachten habe ich die Kaskade mit 1000 Mikrofarad mal nachgebaut und an zwei Trafos gemessen was bei Belastung
rauskommt:

Trafo 45VA 12 V (extrem kleiner Innenwiderstand)------------------Trafo 15VA 15V

------------ U-Wechsel -U-Ausgang---I-----I/Port----U-Kaskade-------U-Wechsel--U-Ausgang---I-----I/Port-----U-Kaskade
--------------------------------------------------------------theor.-----------------------------------------------------------theor.
Leerlauf-----13,44V -----71,4V ------0-------------------------------------15,16V-------81,4V------0
Bezugswert---------------65,0V-------------------------------------------------------------76,0V
-----------------------------------------------------------1MilF 2,2MilF--------------------------------------------------1MilF 2,2MilF
1,5 KOhm-----13,38V----62,6V-----42mA---42mA----5,8V---2,67V------14,70V--------72,3V----48mA---48mA----6,72V----3,15V
750 Ohm------13,33V----54,6V-----84mA---42mA---12,4V---5,35V------14,08V--------63,3V----96mA---48mA---14,00V----6.10V
500 Ohm------13,22V----50,30V---113mA--37mA---15,8V---7,20V------13,70V------- 58,0V----130mA--43mA---18,20V----8,27V
375 Ohm------13,18V----46,60V---132mA--33mA---18,4V---8,40V------13,40V--------53,2V----157mA--39mA---21,98V----10,00V
300 Ohm------13,16V----45,90V---149mA--30mA---20,8V---9,40V------13,30V--------52,8V----165mA--33mA---23,10V----10,50V
(der Bezugswert ist ein manuell festgelegter Wert ab dem die theoretischen mit den gemessenen Spannungsabfällen gut übereinstimmen)

Nun ergibt sich folgendes Bild:
Ein 12V (13V) Trafo ist selbst bei einem 45VA Trafo nicht empfehlenswert, der Innenwiderstand der Kaskade ist so groß das schon bei
Belegung eines einzelnen Ports die 62V Marke erreicht wird. Das hat ab hier die Folge, das wohl kein FSG NL mehr reagiert. Bei 5 aktiven
Ports würde ich sogar den Linienstrom, welcher auf 30mA zusammenbricht als kritisch in Bezug auf die FS betrachten. Daran würde auch die
Verdoppelung der Kondensatoren nichts mehr ändern (Spannungsabfall reduziert sich auf die Hälfte, reicht aber auch nicht bei 5 Ports.
Der 15VA Trafo bricht an seinem Ausgang etwas mehr ein (1,8V gegenüber 0,22V bei 45VA Trafo), hat aber auf Grund der etwas höheren Spannung
einen besseren Anlauf, aber ab der zweiten Belegung wird es knapp, selbst wenn die Kondensatoren verdoppelt würden. Anrufe wären nicht
sicher in der Erkennung (<70V ist nicht sicher) und eine Fehlersuche in so einem diffusen sich ändernden Umfeld wie auf Messen nicht
wirklich erfolgversprechend.
Ein Trafo sollte mit ca. 3,3W pro Port dimensioniert werden, mehr macht keinen Sinn, entweder mit 70V Wicklung (ohne Kaskade) oder 18-22V
Wicklung (mit Kaskade). Der Nennstrom muß aber 40mA *4 *Zahl der Ports betragen, da die Kaskade für die Vervierfachung der Spannung den
4fachen Strom braucht.
Ein genereller Nachteil der Stromversorgung. der sich hier besonders nachteilig bemerkbar macht ist der große Spannungshub zwischen
Einzelbetrieb und z.B. 5-Kanalbetrieb. Justiert man die Ports bei Vollast auf 40mA, ist der Strom bei einzelbetrieb wesentlich höher und
umgekehrt. Die I-Telexports mit Optokoppler können das ab und erzeugen nur Zeichenvetzerrungen im Mikrosekundenbereich. Was aber die
Empfangsmagneten bei starkem Ünterstrom machen wird sofort sichtbar. Ein weiterer Problempunkt ist der Ripple, also die Welligkeit der
Spannung. Diese steigt mit der Belastung extrem an und kann dazu führen das Zeichen verstümmelt werden weil Linienströme untereinander
temporär imteragieren.

Mein persönliches Fazit:
Anlagen für solche speziellen Events sollten eine vernünftige stabilisierte 120V Linienstromversorgung bekommen und dann ist Ruhe. Alles
andere (höhere Trafospannungen, Clustern gehend/kommend) ist Unsinn, verschiebt das Problem und rächt sich wenn man es nicht braucht. In
meinen 3 Vst'n werkeln für diesen Zweck entweder professionelle DC/DC Wandler oder Eigenbauten mit selbstgewickelten Transformatoren und
Sperrschwingern. Ich kenne bislang nur ein i-Telexsystem bei Olaf, das er mit entsprechenden Wandlern auf der Platine auf stabilisierte
120V umgerüstet hat. Die Wandler gibt es z.B. bei Conrad.
Außergewöhnliche Anforderungen brauchen außergewöhnliche Lösungen, sonst ärgert man sich immer wieder.

Ich erwarte nicht das jeder das hier geschriebene versteht, aber es zeigt doch vielleicht das man auch gut durchdsachte System nicht
einfach hochskalieren kann, nur weil es mechanisch so schön passt. Ich denke da auch an den I2c-Bus, der im Hintergrund alles zusammenhält.
Der ist praktisch auch nicht beliebig belastbar, weder elektrisch wie auch logisch.
Ich las gerade das Detlef auch mal nachmessen will, bin mal auf die Ergebnisse gespannt.

Mit freundlichen Grüßen

Willi