Die schockierende Wahrheit über transformatorlose Netzteile

Transformatorlose Netzteile tauchen hier auf Hackaday häufig auf, insbesondere bei preiswerten Produkten, bei denen die Kosten für einen Transformator die Stückliste erheblich erhöhen würden. Doch transformatorlose Netzteile sind ein zweischneidiges Schwert. Dieser Titel? Kein Clickbait. Das Herumstöbern in einem transformatorlosen Gerät kann Ihr Oszilloskop in einen rauchenden Haufen verwandeln oder Ihnen einen Stromschlag bescheren, wenn Sie sie nicht verstehen und nicht die richtigen Sicherheitsvorkehrungen treffen.

Aber das ist kein Gruselstück. Transformatorlose Designs sind an ihrem richtigen Platz großartig, und Sie werden wahrscheinlich eines Tages auf eines stoßen, weil sie in allem zu finden sind, von LED-Glühbirnen bis hin zu IoT-WLAN-Schaltern. Wir werden uns ansehen, wie sie funktionieren und wie man sie sicher entwirft und bearbeitet, denn man weiß nie, wann man sie hacken möchte.

Hier ist die Pointe: Transformatorlose Netzteile sind nur dann sicher einsetzbar, wenn das gesamte Gerät eingehaust werden kann und niemand versehentlich mit irgendeinem Teil davon in Berührung kommen kann. Das bedeutet, dass keine physischen elektrischen Verbindungen ein- oder ausgehen – HF und IR sind zulässig. Und wenn Sie damit arbeiten, müssen Sie wissen, dass jeder Teil des Stromkreises unter Netzspannung stehen kann. Lesen Sie jetzt weiter, um zu erfahren, warum!

Ein transformatorloses Netzteil (TPS) ist im Grunde nur ein Spannungsteiler, der die 115 oder 220 VAC von Ihrer Wand auf die gewünschte Spannung herunterteilt. Wenn diese Spannung Gleichstrom sein muss, wird sie über ein paar Dioden gleichgerichtet und möglicherweise auf eine maximale Spannung geregelt, aber dazu kommen wir gleich.

Normalerweise bestehen Gleichspannungsteiler aus einem Widerstandspaar. Zusammen definieren sie den durch den Pfad fließenden Strom, und der obere Widerstand kann dann so gewählt werden, dass er die Differenz zwischen der Eingangsspannung und dem gewünschten Ausgang verringert. Wenn dieser Unterschied in unserem Fall etwa ein oder zweihundert Volt beträgt, wird dieser Widerstand schnell heiß, selbst wenn er nur einige zehn Milliampere durchlassen muss.

Eine bessere Komponente, die oben im Teiler verwendet werden kann, ist ein Kondensator, dessen Reaktanz so gewählt ist, dass er bei jeder Netzfrequenz an Ihrem Wohnort den gewünschten „Widerstand“ ergibt. Angenommen, Sie möchten 25 Milliampere bei 5 V ausgeben, befinden sich in Amerika und müssen 110 V absenken. R = V / I = 4.400 Ω. Unter Verwendung der Reaktanz eines Kondensators ist das C = 1 / (2 * pi * 60 Hz * 4400) = 0,6 μF. Wenn Sie mehr Strom benötigen, verwenden Sie einen größeren Kondensator und umgekehrt. So einfach ist das!

Für ein vollständig ausgearbeitetes TPS-Design sind einige weitere Teile erforderlich. Aus Sicherheitsgründen und zur Begrenzung des Einschaltstroms sind eine Sicherung und ein 1-Watt-Strombegrenzungswiderstand am Eingang eine gute Idee. Ein Entladewiderstand mit großem Wert parallel zum Blindkondensator verhindert, dass dieser seine hohe Spannung hält und Sie schockiert, wenn der Stromkreis vom Stromnetz getrennt wird.

Apropos Kondensator: Er ist ein sicherheitskritischer Teil der Schaltung. Es ist ständig hohen Wechselspannungen ausgesetzt und bei einem Kurzschluss liegt der „5 V“-Ausgang auf Netzspannung und Teile können in Brand geraten. Dies ist eine Aufgabe für einen X-bewerteten Kondensator. Meistens sind sie mit X1 oder X2 gekennzeichnet, wobei X1 höheren Spannungsspitzen standhalten kann. Beides reicht aus. Stellen Sie nur sicher, dass es die Nennleistung X hat und für die Netzspannung ausgelegt ist.

Nach dem Kondensator muss der durchfließende Wechselstrom in Gleichstrom gleichgerichtet werden. Hier funktioniert ein normaler Halb- oder Vollwellengleichrichter: eine Handvoll Dioden und ein Glättungskondensator mit großem Wert. Wenn die Last nicht konstant ist, möchten Sie wahrscheinlich die maximale Spannung, die der Kondensator sieht, mit einer Zenerdiode begrenzen, damit überschüssiger Strom zur Erde abgeleitet wird, wenn die Last weniger als die von uns vorgesehenen 25 Milliampere verbraucht. Diese Teile sehen nur geringe Spannungen, daher gibt es hier keine besonderen Anforderungen.

Beachten Sie abschließend, dass es viele mögliche Konfigurationen dieser Schaltung gibt. Anstatt den größten Teil der Spannung zwischen der stromführenden Leitung und unserem Gerät abzubauen, ist es auch möglich, unser Gerät direkt an die stromführende Leitung anzuschließen, wobei sich der Kondensator im unteren Schenkel des Spannungsteilers befindet – der gleiche Schaltkreis steht auf dem Kopf. Selbstverständlich können die Sicherungen und Sicherheitswiderstände überall im Stromkreis platziert werden. Die Grundlagen sind jedoch dieselben: Der Kondensator fungiert als ein Zweig eines Spannungsteilers, gefolgt von einer gewissen Gleichrichtung und Regelung, während die Last der andere Zweig ist.

Die große Einschränkung bei einer TPS-Schaltung besteht darin, dass sie isoliert sein muss. Für einen eigenständigen IoT-Schalter oder DIY-Lichtdimmer ist das völlig in Ordnung. Ein TPS passt gut zur Funk- oder IR-Steuerung. Alle LED-Glühbirnen verwenden TPS im Inneren, weil sie billig und vollständig versiegelt sind. Wenn Sie jedoch darüber nachdenken, einen Teil dieses Schaltkreises zu berühren oder eine Signalleitung daran anzuschließen, sollten Sie sich stattdessen einen Transformator ansehen.

Warum die völlige Isolation? Beachten Sie, dass der Draht, der als Erdungsbezug des Stromkreises dient, mit dem Neutralleiter Ihres Hauses identisch ist (im Gegensatz zur „heißen“ Leitung). Stellen Sie sich nun vor, Sie würden den Stecker versehentlich falsch herum einstecken. Die Erde ist heiß, und obwohl das Gerät einwandfrei funktioniert, da der Wechselstrom symmetrisch ist, besteht die Gefahr eines Stromschlags, wenn Sie mit der „Erde“ in Kontakt kommen können. Schließen Sie einen USB-Seriell-Stecker an dieses Gerät an, und schon haben Sie Ihren Laptop über die „Masse“-Leitung durchgebrannt. Die erste Verteidigungslinie besteht also darin, polarisierte Stecker zu verwenden, die nicht falsch eingesteckt werden können. Wenn Sie in Europa leben, ist dies möglicherweise keine Option.

Aber selbst polarisierte Stecker reichen nicht aus. In einigen alten Häusern (einschließlich einer Wohnung, in der wir in Washington, D.C. wohnten) sind Neutralleiter und Hotline vertauscht. Auch hier werden Sie es erst bemerken, wenn Sie gleichzeitig „neutralen“ und echten Boden berühren, aber wenn Sie das tun, kann es tödlich sein. Sie können und sollten dies wahrscheinlich jetzt mit einem Multimeter testen. In Bezug auf die Erde sollte die neutrale Leitung unter einer Volt Wechselspannung liegen, während die Hot-Leitung entweder 115 oder 220 VAC anzeigt. Vergleichen Sie diese mit Ihren lokalen Steckertypen.

Selbst wenn Sie die Polarisierung des Steckers richtig wählen, gibt es einen Unterschied zwischen dem Neutralleiter und dem Erdungsleiter Ihrer Steckdose. Die Vorschriften in den USA und der EU besagen, dass der Neutralleiter die stromführende Leitung ist und die Erde unter normalen Bedingungen keinen Strom führen sollte. Fehlerstromschutzschalter (GFCI) setzen dies in der Praxis durch. Dennoch können hohe Lasten an anderer Stelle in Ihrem Haus in Verbindung mit einem nicht vernachlässigbaren Widerstand in der Verkabelung zu einer Spannung von V=IR auf dem Neutralleiter führen. Ein Ungleichgewicht am Versorgungstransformator, der die „Phasen“ des in Ihr Haus eintretenden Stroms aufteilt, kann auch dazu führen, dass die Neutralleiterspannung von der Erde abweicht, je nachdem, wo sie geerdet ist. Kurz gesagt, der Neutralleiter sollte in der Nähe des Bodens liegen, dies ist jedoch nicht garantiert.

Die einzige Möglichkeit, mit diesem Stromkreis absolut sicher zu sein, besteht darin, niemals damit in Kontakt zu kommen. Legen Sie es in eine nicht leitende Box oder eine Metallbox, die mit der Erdung verbunden ist. Wenn es verkehrt herum eingesteckt wird oder der Neutralleiter heiß wird, wird niemand verletzt. Das machen die Profis.

Was kann bei dieser Schaltung sonst noch schief gehen? Wir haben den Blindkondensator so ausgewählt, dass er bei 50 oder 60 Hz den richtigen Widerstand aufweist, bei höheren Frequenzen jedoch einen geringeren Widerstand aufweist. Wenn Sie irgendwo in Ihrem Haus Hochfrequenz-Schaltgeräte haben, können diese unerwarteten Strom durch Ihr TPS leiten. Schnelle Spannungsspitzen in der Stromleitung gehen beispielsweise direkt durch und ihre Dämpfung ist ein Grund für den Eingangswiderstand. Blitzschlag? Blammo! Gibt es sonst noch etwas, was schief gehen kann? Hinterlassen Sie uns einen Kommentar! (Aber erwähnen Sie Mufry nicht.)

Ein transformatorbasiertes Netzteil ist geringfügig teurer und etwas größer als ein gleichwertiges TPS. Wenn Sie das Gerät jedoch nicht vollständig einschließen können oder die Polarität des eingehenden Stroms nicht absolut garantieren können, können Sie ein TPS nicht sicher verwenden. Für den persönlichen täglichen Gebrauch wähle ich immer ein Schaltnetzteil oder ein Steckernetzteil. Ist es nicht ein paar Dollar wert, galvanisch von der Wand isoliert zu sein?

Andererseits befinden sich TPSs in allen möglichen Geräten, die wir gerne hacken, sodass Sie sie im wirklichen Leben erkennen müssen. Suchen Sie nach der Sicherung oder dem großen X1- oder X2-Kondensator und Sie sind auf dem richtigen Weg. (Verfügt es über einen Entladewiderstand parallel? Wenn nicht, könnte es heiß sein.) Der Strombegrenzungswiderstand ist das große Keramikteil, das hinter der X2-Kappe kaum sichtbar ist. Die Sicherung ist für eine Nacht in der Stadt gekleidet und trägt eine einteilige, schwarze Schrumpffoliennummer.

Als nächstes finden Sie den Weg zum Gleichrichtungsbereich – einem Vier-Dioden-Vollweggleichrichter und einem 100-μF-Kondensator in diesem günstigen HF-Wandschalter. Die Dioden zeigen zur positiven DC-Schiene und von der negativen weg.

Schauen Sie sich jetzt nach Zener-Dioden um. Bei diesem HF-gesteuerten Schalter gibt es zwei: einen 25-V-Zener, der zur Aktivierung des Relais verwendet wird, und einen 5-V-Zener, der den IC und die Funkschaltung versorgt. Dies ist eine praktische Funktion der TPS-Schaltung. Da der Kondensator einen gewissen Strom durchlässt, solange die Gleichspannung die Wechselstromspitzen nicht überschreitet, können Sie praktisch jede oder mehrere Spannungen aus demselben Stromkreis herausholen, indem Sie einfach die richtigen Zener auswählen.

Sie sollten die Arbeit an einem eingeschalteten TPS so weit wie möglich vermeiden, es gibt jedoch Möglichkeiten, dies sicher zu tun. Dies ist ein Hauptfall für einen Trenntransformator, der den Transformator im Wesentlichen in den Stromkreis einschaltet, der ihm fehlt. In Ihrem Stromkreis gibt es immer noch ein Kabelpaar mit 115 oder 220 V dazwischen, aber mit dem Transformator können Sie Ihr Oszilloskop zumindest an das Gerät anschließen.

Ohne einen Trenntransformator können Sie mit einem batteriebetriebenen (nicht geerdeten) Multimeter viel erreichen. Schließen Sie das TPS-Gerät an ein Verlängerungskabel mit Schalter an und lassen Sie den Schalter so oft wie möglich ausgeschaltet. So nehmen Sie Messungen vor: Ziehen Sie den TPS-Stecker heraus, löten Sie die Drähte dort an, wo Sie eine Messung durchführen möchten, schließen Sie diese an Ihr Multimeter an, treten Sie zurück und schalten Sie die Steckdosenleiste ein. Sobald Sie die Messung durchgeführt haben, schalten Sie das Gerät wieder aus und warten Sie einen Moment, bevor Sie etwas berühren.

Der einzige Teil eines TPS, der Ladung halten kann, ist der Blindkondensator, und deshalb sollte er über einen Entladewiderstand verfügen. In unserer Beispielschaltung sind 0,6 μF * 1 MΩ = 0,6 Sekunden, und Sie sollten wahrscheinlich mindestens fünf dieser Zeitkonstanten abwarten, bevor Sie etwas berühren, also zählen Sie bis drei. Der HF-Schalter umgeht einen 0,33 μF-Kondensator mit 220 kΩ und ist daher sicherer und schneller. (Es werden auch zwei in Reihe geschaltete SMT-Widerstände verwendet, vermutlich weil die Nennspannung eines einzelnen nicht ausreicht. Intelligentes Design.)

Sie können herausfinden, an welchen Teilen des Stromkreises welche Spannungen anliegen, indem Sie sie in Bezug auf den Erdungsstift der Steckdose messen. Beispielsweise liegt bei einem 560-Ω-Sicherheitswiderstand im Rückleitungszweig die „Masse“ des HF-Schalters tatsächlich etwa 12 VAC über der Erde. Das ist beim Stöbern wissenswert. Nochmals: Schließen Sie Ihre Sonden an, treten Sie zurück, schalten Sie ein, lesen Sie, schalten Sie aus, warten Sie.

Und das ist alles. Sie können nun herausfinden, welche Spannungen im Gerät anliegen, und diese für Ihre eigenen Zwecke nutzen. Stellen Sie einfach sicher, dass bei allem, was Sie tun, alles wieder in das schöne Gehäuse passt. Denn obwohl TPS allgegenwärtig, klein und günstig sind, sind sie potenziell (hihi!) zu heiß zum Anfassen.