Gras-o-mat


Selbstbau eines elektrostatischen Begrasungsgerätes

Hochspannung !

Warnung:

Ich rate jedem Interessierten ausdrücklich davon ab ein elektrostatisches Begrasungsgerät selber zu bauen!

Wer ein solches Gerät baut muss sich der Gefährdung durch Hochspannung und elektrischen Strom bewusst sein. Beim Betreiben der ungeschützten Leiterplatte besteht ernsthafte Gefahr für Leib und Leben! Ich lehne daher jedwede Verantwortung für Schäden die durch den Nachbau dieses Gerätes, oder Teilen davon, entstehen ausdrücklich ab!

Ein eventueller Nachbau erfolgt also in jedem Fall auf eigenes Risiko!

Diese Seite soll lediglich meinen Bau eines Begrasungsgerätes veranschaulichen, sie erhebt nicht den Anspruch ein in jeder Hinsicht narrensicheres Produkt herzustellen! Wegen der hohen Ausgangsspannung ist das Begrasungsgerät kein Spielzeug und sollte daher auch nicht von Kindern benutzt werden!

Der Nachbau dieser Schaltung geschieht ausschließlich auf eigenes Risiko. Eine Haftung für eventuelle Schäden und Folgeschäden schließe ich kategorisch aus!

Vorgeschichte

elektrostatisches Begrasungsgerät

Auf einer Jahres Tagung des Fremo lief ein Seminar mit dem Bau von Begrasungsgeräten. Leider hatte ich dies im Vorfeld nicht mitbekommen, so das ich mich daran gemacht habe dies nachzuholen. Im Internet fanden sich viele Lösungen die allerdings zum Teil recht komplex aufgebaut waren. Aus all diesen Informationen, und der Aufbauanleitung vom Fremo Seminar, habe ich begonnen mein eigenes Begrasungsgerät zu konstruieren. Hierbei konnte ich auch ein paar Änderungen berücksichtigen.

Meine Anforderungen an das Gerät waren folgende:

  • keine komplizierte Elektronik
  • einfacher Aufbau ohne speziell geätzte Platine
  • Einfach wechselbare Streubsiebe (groß/klein)
  • Statusanzeige durch LED
  • Voll isoliert und galvanisch vom 220V~ Netz getrennt
  • Alles in einem Gehäuse
  • Einschalten der 20kV durch Schalter am Gehäuse
  • Einschalten der 20kV durch separaten Fußschalter
  • Lange Zuleitungen um das Gerät vom feuchten Arbeitsumfeld entfernt aufstellen zu können
  • Alle Verbindungen steckbar
  • Möglichst gefahrlose Bereitstellung der 20kV
  • eindeutige Beschilderung des Gras-o-mat (69kB) als pdf-file
  • brauchbare Bedienungsanleitung des Gras-o-mat (62kB) als pdf-file

Die Schaltung

Der ALTE</b> Schaltplan des Gras-o-mat

Die Schaltung basiert auf dem Umladen von Kondensatoren. Hierbei wird ein Kondensator geladen und über einen weiteren Kondensator wieder entladen. Durch Dioden wird das Umladen gerichtet, so das es zu der angestrebten Spannungsverdopplung kommt. Der Vorteil an dieser Schaltung liegt darin das an jedem Kondensator und jeder Diode nur Eingangsspannung anliegt.

Den Schaltplan und die Stückliste gibt es auch als download:

  • Der ALTE Schaltplan des Gras-o-mat (15kB) als pdf-file
  • Die ALTE Stücklist des Gras-o-mat (44kB) als pdf-file
  • Die NEUE Schaltung

    Der NEUE Schaltplan des Gras-o-mat

    Die neue Schaltung basiert natürlich auch dem ursprünglichen Schaltplan, jedoch die Versorgungsspannung wird anders erzeugt. Anstelle des Transformators TR2, der die zuvor erzeugten 18V~ auf 660V~ transformieren sollte, werden nun 2 Transformatoren TR2/1 und TR2/2 (220V~/18V~) verwendet, deren Ausgänge in Reihe geschaltet werden.

    Hintergrund hierfür ist das für die Transformation wichtige Magnetfeld und den dafür notwendigen Eisenkern im Trafo. Dieser ist auf die angegebenen Spannungen ausgelegt und so geht im Umkehrbetrieb das Magnetfeld in Sättigung und die erwartete Spannungserhöhung am Ausgang wird nicht erreicht. Dies haben wir am realiserten Gerät im Nachhinein gemessen.

    Die Kombination von 220V~ auf 18V~ in TR1 funktioniert, jedoch ergab das Hochtransformieren der 18V~ im 6V~ Trafo (TR2) auf die errechneten 660V~ nur etwa 240V~, bei einer deutlicher Erwärmung von TR2 im Dauerbetrieb.

    Da das Gerät aber auch mit dieser Spannung sehr gut arbeitet habe ich nun vor die Eingangsspannungsversorgung auf zwei Transformatoren mit je 220V~ Ausgangsspannung umzustellen. Diese werden parallel geschaltet und erzeugen so immerhin 440V~ die dann in der baugleichen Hochspannungs Kaskade auf rund 9kV multipliziert wird. Die alte Spannungsversorgung ergab bei der Messung "nur" etwa 4,4kV.

    Den neuen Schaltplan und die neue Stückliste gibt es auch als download:

  • Der NEUE Schaltplan des Gras-o-mat (319kB) als pdf-file
  • Die NEUE Stücklist des Gras-o-mat (93kB) als pdf-file
  • Die Auslegung der Schaltung

    Theoretisch liegen am Eingang ca. 975V~ an, die jeder Kondensator und Diode aushalten muß. Dafür wurden Bauteile gesucht die mindestens für 1000V spezifiziert sind. Die ausgewählten Dioden und Kondensatoren sind für 1600V~ spezifiziert, so das hier ausreichend Sicherheit auf Durchschlagen der Spannung vorhanden ist.

    Die Eingangsspannung beträgt bei meinem Gerät rund 975V~, dies ergibt sich aus dem Umspannen der 220V~ Netzspannung auf 18V~ die in einem "verkehrt herum" angeschlossenen 6V~ Trafo auf 690V~ (effektive Spannung) transformiert wird. Die Leerlaufspannung ist um den Faktor 1,41 höher als unter Last, so ergeben sich rund 975V~ (Spitzenspannung) die in die Hochspannungskaskade eingeleitet wird. Die Prüfspannung der Transformatoren beträgt 1000V, so das auch hier eine Sicherheitsreserve vorhanden ist.

    In der Praxis zeigt sich das die Eisenkerne in den Transformatoren nicht für ein hochtransformieren ausgelegt sind und der Magnetfluß schon weit vorher in Sättigung geht. Natürlich kann man das nicht mit Sicherheit für jeden Transformator sagen, so das für die Berechnung und Auslegung der Bauteile immer von idealer Transformation ausgegangen wird.

    Durch die Verwendung der beiden Transformatoren liegt eine galvanische Trennung vom 220V~ Stromnetz vor. Dies schützt zum einen den Bediener und lößt auch bei Verbindung zur Erde nicht den FI (Fehlerstromschalter) des Hausnetzes aus.

    Die Transformatoren sind für diese Betriebsart natürlich nicht ausgelegt, so ergibt sich die Notwendigkeit mal einen Blick auf die Leistungsdaten zu werfen:

    Der Eingangstrafo transformiert die 220V~ auf 18V~ herab und liefert hierbei maximal 110mA, also 2 W. Die beiden Status LED samt Vorwiderstand benötigen je 30mA, so das zum heraufsetzen der Spannung die restlichen 40mA bleiben. 18V~ multipliziert mit 40mA ergibt eine Leistung von 0,72W. Diese Leistung sollte die beiden Transformatoren mindestens aufweisen um sich nicht allzu sehr aufzuheizen. Die Wahl fiel bei mir auf einen 1W Transformator.

    eine spätere Messung ergab das das Magnetfeld der Transformatoren weit vor erreichen dieser Leistung in Sättigung geht und so die errechneten Spannungen nicht erreicht werden. Das erreichte Hochspannungsfeld reicht aber zum Begrasen vollkommen aus.

    Da ich auf meinen Modulen keine Quadratmeter zu begrasen habe und die Hochspannung nur bei Bedarf einschalte sollte die Erwärmung nicht zu einem Problem führen.

    Die ca. 975V~ werden nun in einer 20-stufigen Kaskade zu einer Kaskadenausgangsspannung von ~20KV addiert. Dies ist dann allerdings keine Wechselspannung sondern Gleichspannung!

    An den positiven (+) Ausgang ist ein 20M Hochspannungs Widerstand geschaltet um im Berührungsfall den Strom auf 20kV durch 10M gleich 1mA zu begrenzen. Da die Kondensatoren vergleichsweise klein sind bricht die Spannung sehr schnell in sich zusammen. Zum Begrasen wird keine Leistung sondern ein elektrostatisches Feld benötigt.

    Aufbau der Platine

    Experimentier Platine

    Als Platine wird einen einfache Experimentier Platine mit Löchern in 2,54mm Raster und ohne Kupferbeschichtung verwendet. Die Bauteile werden mit den Drähten in die Löcher gesteckt und auf der Rückseite umgebogen.

    Unterseite der Kaskarde

    Die Anschlußdrähte der Dioden reichen bis zu den Beinchen der Kondensatoren. Hier ist kein zusätzlicher Draht nötig.

    voll verdrahtete Platine

    Die diagonalen Verbindungen bestehen aus verzinntem Cu-Draht. Rechts sind die beiden Transformatoren und Anschlüsse für Schalter und LED zu erkennen.

    Funktion der Kupplung

    Die Platine wird vor dem Einbau mit Isolierlack für Elektronik Platinen mehrfach überlackiert. Alle Metallteile erhalten einen isolierenden Überzug.

    Das Gehäuse

    Platine im Gehäuse

    Das Gehäuse ist aus Kunststoff und wurde an der Nahtstelle zusätzlich zu den Schrauben verklebt um ein eindringen von Feuchtigkeit beim Umgang mit dem Gerät zu verhindern. Die Schaltung selber wurde mit Isolierlack überzogen.

    Metallteile mit Latex

    Alle Metallteile werden mit Latexmilch zur Isolierung überzogen.

    Gehäuse des Elektrostaten

    Die Beschriftung auf dem Gehäuse beinhaltet neben einem Warnhinweis auch eine kurze Bedienungsanleitung. Die Status LED im Gehäuse zeigen an ob Verbindung zum 220V~ Stromnetz besteht und das Gerät eingeschaltet ist (grün) und ob die Hochspannungskaskade über den Schalter im Gehäuse oder den Fußschalter eingeschaltet ist (gelb).

    Gehäuse des Elektrostaten

    Neben dem Netzanschluß sind die beiden 4mm Anschlüße für den Fußschalter. Auch dieser ist beschriftet.

    Gehäuse des Elektrostaten

    Auf der anderen Seite sind nur zwei Anschlüssse, zum einen der Masseanschluß, zum anderen der 20kV Ausgang.

    Der Fußschalter

    Der Fußschalter

    Der parallel zum Wippschalter im Gehäuse vorgesehene Fußschalter ist optional und wird mit 2 Bananensteckern mit dem Gerät verbunden. Hierdurch ist die Bedienung sehr einfach da beide Hände zum Begrasen frei sind und die Hochspannung durch betätigen des Fußschalters an- und angeschaltet werden kann.

    Geschaltet wird hierbei natürlich nicht die 20kV Leitung oder die 220V~ Zuleitung, sondern die vom Primär Trafo erzeugte 18V~ Spannung.

    Die Streudosen und Kabel

    Die Streudosen

    Die Streusiebe sind aus PVC Abfluß Rohrmuffen. Dies ist zum einen sehr günstig und ermöglicht zum einen den Bau unterschiedlicher großer Streudosen und Siebe mit unterschiedlichen Maschenweiten für unterschiedliche Faserlängen. Das 4mm Stecksystem ermöglicht einen schnellen Wechsel der Streudosen.

    Einzelteile der Streudosen

    In die Rohrmuffen werden aufgebohrte Dichtstopfen mit eingeklebter Drahtgaze aus Aluminium (Fliegengitter) eingesteckt. Die Drahtgaze ist mit einem Kabel mit einer isolierten 4mm Buchse verbunden. Die ermöglicht einen schnellen Wechsel von großen zu kleinen Sieben und ermöglichen auch einen großen Vorrat an Streufasern.

    Die Dichtstopfen

    Die Dichtstopfen werden mit einem Kreisschneider aufgebohrt. Das geht mit einer Handbohrmaschine recht flott. Entgratet werden die PVC Muffen mit einem Abbrechklingen Messer.

    Prägewerkzeug für die Fliegengaze

    Ebenfalls mit einem Kreisschneider werden die "Prägewerkzeuge" für die Fliegengaze aus Tischlerplatte ausgeschnitten. Damit läßt sich die Gaze prima in Form bringen. Was übersteht wird abgeschnitten.

    Prägewerkzeug in Aktion

    Die Streusiebe werden mit dem Prägewerkzeug in die aufgebohrte Muffe gedrückt.

    verklebtes Sieb

    Außen wird die Drahtgaze mit Heißkleber mit dem Dichtstopfen verklebt.

    verklebtes Sieb

    Die Drahtgaze aus Aluminium wird nun mit Heißkleber in den aufgebohrten Dichtstopfen geklebt. Hierbei sollten keine Lücken bleiben durch die sich die Fasern unkontolliert in's Freie bewegen können. Als Anschlußleitungen wird ein 0,5mm² Kabel mit zwei M2 Schrauben mit der Gaze verbunden. Alu und Kupfer lassen sich leider nicht miteinander verlöten. Die Öse am anderen Ende des Kabels ist für die 4mm Einbaubuchse.

    4mm Einbaubuchse

    Mit der 4mm Einbaubuchse wird der Anschluß zum Plus Ausgang des Elektrostaten hergestellt.

    Anschlußkabel

    Die Leitungen bestehen aus dem Laborbedarf und sind entsprechend gut isoliert und hochflexibel. Die Steckverbindungen sind als 4mm Bananenstecker ausgeführt, die Masseleitung weißt an einem Ende eine Krokodilklemme auf.

    Anschlußhaken

    Weil man die Krokodilklemme allein nur schlecht mit der Moduloberfläche verbinden kann habe ich mir diesen Federstahlhaken gebogen. Dieser läßt sich in fast jede Oberflächen einstecken.

    Transport und Lagerung

    alles in einem Koffer

    Das elektrostatisches Begrasungsgerät, Fußschalter, Streudosen und Kabel passen alle in einen Aluminium Koffer aus dem Baumarkt. So ist das Gerät gut untergebracht und kann auch mal zu Treffen transportiert werden.

    Einsatz

    Wiese

    Einsatz des Gras-o-mat

    Wichtig für den sicheren Umgang mit dem Gras-o-mat ist die Bedienungsanleitung des Gras-o-mat, die auch einige Hinweise für erfolgreiche erste Versuche enthält.

    Den Einsatz des elektrostatischen Begrasungsgerätes wird im Bereich Vegetation unter Gras beschrieben.

    ...der Rest ist noch immer eine Baustelle