Wie baut man einen einfachen Styroporschneider?
Welche Fehler kann man dabei machen?
Details hier:

Stromversorgung, verschiedene Alternativen:

Es wird davon ausgegangen, dass für einen Nachbau Übung im Umgang mit elektrischen Geräten vorhanden ist.
Eine Haftung für Schäden an Sachen und Gesundheit wird hiermit ausgeschlossen.
Im Zweifelsfall sind Sachkundige zu befragen!


Ein traditionelles Autobatterieladegerät besteht aus einem genau ausgelegten Trafo mit einer kräftigen Sekundärwicklung, einer Temperatursicherung, einem Brücken-Leistungsgleichrichter, einem sicher optionalen Strommessgerät und einer Sicherung.
Das Gerät hier ist mit 12 V / 4 A eff
auf dem Typenschild benannt. Das sollte eine Leistung von 48 W erwarten lassen. Der Drahtdurchmesser der Sekundärwicklung beträgt 1 mm, was wiederum für eine Auslegung des Ausgangsstroms von 2,5 A spricht (und in der Tat benutzt der Hersteller in seinem letzten Datenblatt für dieses Gerät (2002) die Formulierung "2,5 A arithmetisch" dafür). Der verwendete Trafo sollte vom Kern her ca. 22 W leisten können. Der Gleichrichter ist zum Batterieladen nötig, zum Styroporschneiden nicht. Er "frisst" bei Hochlast Spannung (Spannungsabfall 3 V), was von Nutzen oder auch störend sein kann. Wer "Volt" braucht, könnte also versuchen, die Wechselspannung direkt nach dem Trafo nach außen zu führen.

Ein Netzteil aus einem abgelegten PC ist keine schlechte Stromquelle.

Zum Ausbau zieht man alle Kabelstränge von den Verbrauchern ab und löst die vier Schrauben, mit denen das Netzteil hinten mit dem PC-Gehäuse verschraubt ist. Die abgegebene Leistung ist meistens per Aufkleber angegeben.

Dieses Netzteil - die 3,3 V Speisung ging just kaputt, als ich beschloss, diese Seiten zu schreiben - gibt jetzt nur noch 30 A bei 5 V und 12 A bei 12 V ab. Da hätten wir die 300 W Gesamtleistung schon fast erreicht. Wo sollen denn dann noch die rund 50 W bei 3,3 V herkommen? Nun, die Gesamtleistung ist wirklich auf 300 W begrenzt, und die angegebenen Ampere-Zahlen sind Absolutwerte, die nicht gleichzeitig abgegeben werden können. Die Kabelfarben sind angegeben und immer gleich: Orange: 3,3 V, Rot: 5 V, Gelb: 12 V, Schwarz: Masse bzw. gemeinsames Minus.

Am Stecker erkennt man hier das ATX-Netzteil. Dieses muss im Stecker (hier blauer Draht, oben links) durch eine Brücke Pin 14 (grün) nach Masse (schwarz, z. B. einen benachbarten Pin 13 oder 15) zum Abgeben von Leistung angeschaltet werden, denn ohne diese Brücke verbleibt das Netzteil im Ruhemodus. Wie man sieht, sind kurze Drahstücke eines üblichen 1,5 mm² Kabels als Stecker benutzt worden. Zieht man viel Strom ( > 3 A). so empfiehlt es sich, zwei oder noch mehr parallele Steckkontakte zu belegen, weil die Kabel einzeln zu dünn sind und die Steckverbinder zu schwach.

Zum Betrieb das Netzteil auf eine Seite ohne Luftlöcher legen, damit eine ungehinderte Luftzirkulation gewährleistet ist. Und das Netzteil nur mit dem dreipoligen Original-Netzkabel mit Schutzkontakt betreiben.

S. auch Wikipedia: PC-Netzteil

Ein Laptop-Netzteil kann auch, zumindest für einen Styroporschneider, erhebliche Stromstärken liefern. In diesem Fall sind es 4,74 A bei 19 V.

Mit diesem Netzteil wird der auf der Vorseite gezeigte Styroporschneider bei einem Strom von 2,4 A und der Drahtlänge 0,88 m schon gut beheizt.

Es gilt einen Blick auf den Niedervoltstecker für den PC-Anschluss zu werfen! In den meisten Fällen dürfte das ein Hohlstecker sein. Es gibt aber auch Firmen, z. B. HP, deren Stecker in der Mitte einen dünnen Pin haben und dadurch vom Standard abweichen. Damit kann man wohl kaum arbeiten.

Hier ein Vorschlag, wie man sich aus dem Niedervoltstecker des Laptop-Netzteils Strom besorgen kann.

Die verwendeten Drahtstücke sind gerade gerichtete Büroklammern, die Spirale ist dabei um den Schaft eines Bohrers, mit um 0,5 mm geringerem Durchmesser als der Außendurchmesser des Steckers, gewickelt.

Zum Aufstecken der Anschlüsse das Netzteil stromlos machen! Die äußere Spirale muss fest sitzen, sonst könnte sie rutschen und mit dem Anschluss des Innenteils einen Kurzschluss bilden.

Statt zu Löten sind die Verbindungen dieses mal mit Adernendhülsen gequetscht.

Es gibt im Elektronik-Fachhandel für geringes Geld auch passende Buchsen zum gezeigten Stecker, nur stehen der Beschaffung die hohen Nebenkosten (Versand und Mindestbestellwert, Anfahrt) im Weg.

Der Gleitkontakt auf der Saite kann aus einem mäanderförmig gebogenen Draht (1) bestehen.

Etwas fester hält eine Büroklammer, in die mit einer Flachzange eine Sicke eingebogen wurde (2). Diese "Kerbe" verhindert das Abrutschen.

Beide Anschlüsse sollten schon einigermaßen fest auf der Saite klemmen, sich aber noch verschieben lassen, am Besten mit einer Zange, weil heiß.


Der Schneidedraht:

Warum ist eine Gitarrensaite besser geeignet als Widerstandsdraht? Zum Ersten: Sie ist wahrscheinlich leichter zu beschaffen, weil es sicher mehr Musikalienläden als Widerstandsdraht führende Elektronikläden gibt. Zum Zweiten: Widerstandsdraht leitet den Strom zu gut.

Die Heizleistung wird immer auf die Länge bezogen: 60 W/m wird im Allgemeinen als ausreichend betrachtet. Eine höhere Einstellung führt zu sehr flüssigem Schneiden mit dem Risiko, beim Hakeln oder gar Anhalten der Schneidebewegung ein Loch ins Styropor rund um den Schneidedraht zu brennen. Es ist nicht erforderlich mit glühendem Draht zu arbeiten: Dies führt nur zu den unerwünschten Dämpfen und könnte die Festigkeit des Drahts auf die Dauer ungünstig beeinflussen. Man ist also gut beraten, für unterschiedliche Anforderungen einen Styroporschneider mit einstellbarer Leistung zu bauen.

Widerstandsdraht, oft noch mit der Ergänzung Konstantan, wird in vielen Bauanleitungen als Schneidedraht empfohlen. Das hört sich sehr technisch an, ist aber Unsinn. Denn es geht hier ja nicht um den Bau eines hochkonstanten Hochlastwiderstands, sondern um einen beheizten Draht.

Konstantan wurde entwickelt, um über einen weiten Temperaturbereich einen sehr konstanten Widerstandswert zu halten. Schaut man mal in die Datenblätter eines Herstellers (z. B. Thyssenkrupp-VDM), so findet man Angaben von 0,5 Ohm mm²/m bei 0 - 400 °C. Und bei 400 °C hören die Angaben auf! Diese Temperaturkonstanz ist für Elektroniker fantastisch! Nur sind die 0,5 für einen Schneidedraht etwas wenig: Wie noch gezeigt wird, wäre ein höherer spez. Widerstand schön.

Hier sieht man den Widerstand einer h-Saite in Abhängigkeit von der aufgeprägten elektrischen Leistung. Beide Angaben sind längenbezogen. Man sieht gut, dass der Widerstand mit steigender Leistung zunimmt und ein Vielfaches des Kaltwiderstands von 3 Ohm/m erreicht.
Die Messungen wurden mit einer stabilen Speisespannung von 5 V und 12 V mit dem oben gezeigten PC-Netzteil vorgenommen.
Warum liegen die beiden (fast) Geraden nicht übereinander? Hier kommt wieder die Thermophysik ins Spiel: Bei 12 V ist die Drahtlänge für die selbe Leistung in W/m natürlich deutlich länger als für 5 V. Damit ist die Wärmeabgabe des längeren Stück Drahts höher und dessen Temperatur niedriger. Damit ist auch der Widerstand niedriger. Und genau dieses ist aus dem Diagramm ersichtlich.
Bei den hohen Leistungen am rechten Ende der Kurven glühte der Draht schon dunkelrot.

Hier sind jetzt für den unteren Leistungsbereich die Verläufe des temperaturabhängigen Widerstands über der Leistung aufgetragen.
Dabei sind es bis auf die Gerade des Konstantandrahts [hier wurde einfach der kostante Wert von 5 Ohm/m eingezeichnet] Messwerte für gespannte Drähte in waagrechter Lage in freier Luft.
Man sieht das Wachsen der Widerstandswerte mit der Veringerung des Drahtdurchmessers sowie das Zunehmen der Steigung.

Wie ist das Diagramm zu benutzen? Der spez. Widerstand r in Ohm/m errechnet sich für p in W/m für

e-Saite: r = 0,28 p + 4,39 Ohm/m
h-Saite: r = 0,12 p + 2,45 Ohm/m
g-Saite: r = 0,06 p + 1,76 Ohm/m
0,45er Draht: r = 0,05 p + 0,72 Ohm/m


Der 0,45er Draht ist ein ganz handelsüblicher Eisendraht von der Rolle, wahrscheinlich als 0,5er ausgezeichnet.


Nach so viel Vorbereitung nun einen Blick auf die Stromversorgung. Nach P = U*I = (R*I)*I = I²*R und dem Beziehen auf die Länge mit P/l = p = I
²*r und dessen Umkehrung sieht man, dass für eine gewünschte Leistung p in W/m und einem gegebenen Draht mit dem spez. Widerstand r in Ohm/m ein ganz bestimmter Strom fließen muss. Diesen kann man also als erstes bestimmen, in obigen Diagramm beginnt man also bei z. B. 40 W/m und sieht dann den bei dieser Leistung vorhandenen Widerstand pro Draht- bzw. Saitentyp. Und damit lässt sich der notwendige Strom berechnen. Liegt dieser fest, dann kann man über eine gewählte Drahtlänge L den Widerstand als R = r*l und damit als U = R*I die erforderliche Spannung errechnen.

Der spez. Widerstand eines Konstantandrahts mit 0,3 mm Durchmesser liegt bei 7,1 Ohm/m. Und wie gerade hergeleitet, kann man den erforderlichen Strom für eine gewünschte spezische Leistung ausrechnen:

Tabelle 1:





spez. Leistung:


40 W/m

60 W/m

80 W/m

Schnittverhalten:


etwas zäh

flüssig

sehr flüssig






erforderlicher Strom, gerechnet:

bei 7,1 Ohm/m (Konstantan, s. u.)

2,4 A

2,9 A

3,3 A

erforderliche Spannung

für 1 m Drahtlänge

16,9 V

20,7 V

24,0 V


für 1/2 m Drahtlänge

8,5 V

10,4 V

12,0 V


für 1/4 m Drahtlänge

4,3 V

5,2 V

6,0 V






gemessener Strom bei h-Saite und 12 V

der Widerstand hängt stark von der Temperatur ab;
Erhöhung der Leistung durch Verkürzen der
beheizten Drahtstrecke mit der Büroklammer.

2,3 A

2,5 A

2,6 A


beheizte Länge Draht/Saite

0,7 m

0,5 m

0,4 m


Daraus ergibt sich als Widerstand R in Ohm/m
bei 3 Ohm/m kalt.

7,5

9,6

11,6


Hier sieht man das Problem: Der Strombedarf eines Konstantandrahts steigt bei Leistungserhöhung linear an, während bei "normalem" Stahl der Stromzuwachs wesentlich niedriger ist.

Die konstruktive Aufgabe ist: Finde einen passenden Draht und ein passendes Netzteil für den gewünschten Styroporschneider.

Ist der Durchmesser zu gering, so droht Durchbrennen und Durchreißen. Ist er zu dick, so ist der Widerstand zu gering, um einen passenden Leistungsabfall zu erreichen, denn dickere Drähte leiten Strom einfach besser, das Material ist dabei gleichgültig.

Will man einen Schneider mit einer kurzen Drahtlänge bauen, dann kommt der höhere Widerstand bei Betriebstemperatur schon sehr zu passe, weil in den meisten Fällen nicht die erforderliche Spannung das Problem ist, sondern der hohe Strombedarf. Wer "knapp" mit Strom ist kann es mit der hohen e-Saite versuchen, die einen höheren Widerstand besitzt.


Was man auf alle Fälle sieht: Stromversorgungen mit nur 2 A sind für die h-Saite unterdimensioniert.

Und wo ist der Pferdefuß? Es gibt in der Tat einen: Beim Schneiden wird der Bereich des Drahts, der mit dem Styropor in Berührung kommt, leicht abgekühlt und damit sinkt der Widerstand in diesem Bereich. Gemäß I² * R geht dann auch noch die elektrische Leistung zurück, obwohl wegen des sinkenden Gesamt-Widerstands der Strom zunimmt. Die nicht abgekühlten Zonen lassen den kalten Bereich leistungsmäßig "verhungern". Das tritt aber nur bei sehr aggressivem Schieben des Styropors ein.

Anstatt mit unterschiedlichen Spannungen zu arbeiten kann man die Heizleistung durch Variieren der Drahtlänge einstellen. Dieses wird der häufigste Fall sein. Wie man an meinem "Flitzebogen" sieht, kürze ich die nutzbare Saitenlänge einfach ein, wenn die Versorgungsspannung nicht ausreicht. s. Schaltplan (1)

Und wenn man nur einen kurzen Draht verwenden will: An Stelle eines sehr teuren Potenziometers mit hoher Wattzahl kann man einfach auf einem Brettchen oder einer Leiste ein Stück Saite spannen und benutzt dieses mit der Büroklammerntechnik als variablen Vorwiderstand. s. Schaltplan (2)). Dieser Vorwiderstand wird natürlich genauso heiß wie der Schneidedraht, er darf deshalb nicht auf der Stützkonstruktion aufliegen, sondern muss schweben mit Luftzufuhr von allen Seiten. 1 cm Abstand zur Leiste sollte aber reichen. Variante 3 ist dann die Superausführung: Der kurze Schneidedraht wird mit einem festem Vorwiderstand gegen Durchbrennen gesichert, falls man den variablen Vorwiderstand bis auf 0 zurücknimmt. Das ist das Risiko der Variante 2.

Schaltplan

Am langlebigsten ist es vielleicht, an Stelle der stufenlosen Einstellung über den variablen Vorwiderstand eine gestufte Einstellung zu realisieren. Dieses lässt sich nach dem nebenstehenden Schaltbild relativ leicht erreichen. Dem Schneidedraht ist eine Drahtstrecke aus dem selben Material vorgeschaltet. Dessen Gesamtlänge + die Länge des Schneidedrahts entsprechen dem notwendigen Widerstand für 40 W/m. Wird der obere Schalter geschlossen, dann wirken nur noch R1a + R1 + Schneidedraht für 60 W/m. Und R1 + Schneidedraht lassen 80 W/m zu. Für R1 kann man ggf. den Draht doppelt nehmen, um auf die halbe Leistung zu kommen, denn 80 W/m werden schon ziemlich warm. Da bei 40 W/m der Widerstand auch noch sinkt, muss mehr als das Doppelte der erforderlichen Drahtlänge von 80 W/m gespannt werden.

Für die Schalter nimmt man übliche Kippschalter. Der Vorwiderstand kann auch über mehrere Schrauben und/oder Ösen im ZickZack gespannt werden.


Man sieht also: Mit "minimal Engineering" wird man relativ weit kommen, ohne dass in ein Gelegenheitsprojekt mehr Zeit und Geld investiert werden muss als in das Hauptprojekt.


Kommentare und kritische Anmerkungen zu veröffentlichten Bauanleitungen.




Version: 1.17 Copyright: Rolf Süßbrich, Dortmund, 11.11.2012