|
Wij hebben een zelfbouw kattenschrikdraad generator ontwikkeld, die weliswaar niet dezelfde hoge spanning genereert als de fabrieksexemplaren, maar voor het afschermen van een standaard tuin goed genoeg is. |
Het werkingsprincipe van de schrikdraad generator
Een misbruikte trafo levert de hoogspanningspuls
Het principe van de schakeling is geschetst in onderstaande figuur. Een astabiele multivibrator AMV wekt een paar keer per seconde een smalle positieve puls op. Deze puls stuurt via de weerstand R1 een vermogenstransistor T1 in verzadiging. Tussen de collector en de positieve voedingsspanning is de laagspanningskant van een normale voedingstrafo opgenomen. De 230 V wikkeling van deze trafo levert de hoogspanning.
Als u een 230 V naar 6 V trafo zou gebruiken en de voedingsspanning van de schakeling zou vastleggen op 6 V, dan zouden er secundair 230 V pulsjes ontstaan. Niet erg indrukwekkend. Maar als u de voedingsspanning opschroeft tot 24 V, ontstaan er in principe secundair pulsjes van 4 x 230 V = 920 V. Nog niet indrukwekkend, maar in ieder geval al een stap in de goede richting.
Een belangrijk onderdeel is de diode D1. Als de stroom door de primaire wikkeling wegvalt, zit de kern nog vol magnetische energie. Een spoel verzet zich tegen het wegvallen van de stroom en zal vanuit die magnetische energie een grote spanning opbouwen in een poging de stroom in stand te houden. Dit noemt men de 'temk', oftewel de 'tegen-elektromotorische kracht'. Deze temk kan momenteel stijgen tot een waarde van een paar honderd volt en de transistor T1 is daar niet tegen bestand. De diode sluit deze temk kort over de wikkeling van de spoel, zodat de spanningswaarden in de schakeling tot normale waarden begrensd blijven.
 |
| Het principe van de schakeling. (© 2018 Jos Verstraten) |
Een vervelende eigenschap die u parten speelt is de magnetische verzadiging van de kern van de trafo. Het aanleggen van een smalle puls van 24 V over een 6 V trafowikkeling veroorzaakt natuurlijk een grote stroom door deze wikkeling. Deze stroom wekt een sterk magnetisch veld op. De bedoeling is nu dat dit veld de ijzeren kern van de trafo flink magnetiseert en dat dit magnetisme in de 230 V wikkeling een hoge pulsspanning genereert. De kans is echter groot dat de ijzeren kern al veel eerder in magnetische verzadiging komt. Alle ijzermoleculen zijn bijvoorbeeld al gemagnetiseerd bij een spanning van 15 V en verhogen van de voedingsspanning boven deze waarde heeft geen volt extra secundaire spanning tot gevolg.
Een tweede probleem is de doorslagspanning van de 230 V wikkeling. Stel dat de ijzeren kern nog niet in magnetische verzadiging zit bij een primaire spanning van 24 V. Dan wordt secundair inderdaad 920 V gegenereerd. Maar is deze voor 230 V bedachte wikkeling daartegen bestand? Geen mens, behalve de fabrikant, kan daar een zinvol antwoord op geven. Vergeet niet dat de trafo in deze toepassing nogal grof wordt misbruikt. Geen enkele trafo-fabrikant die goed bij zijn verstand is zal het gebruik van zijn producten in een dergelijke schakeling toejuichen, laat staan ondersteunen.
Trafo’s in serie/parallel
Om de geschetste problemen te vermijden kunt u overschakelen naar het schema van onderstaande figuur. U zet nu bijvoorbeeld drie identieke trafo’s in. De laagspanningswikkelingen worden parallel geschakeld en aangesloten tussen de voedingsspanning en de collector van de transistor. De 230 V wikkelingen worden in serie geschakeld. Het zal wel duidelijk zijn dat u de trafo’s nu niet tot de uiterste grenzen moet misbruiken. Zelfs als u genoegen neemt met een secundaire spanning van 500 V leveren de drie in serie geschakelde wikkelingen een schrikdraadpuls van 1.500 V op.
 |
| Door het toepassen van meerdere identieke trafo’s kunt u de geschetste problemen omzeilen. (© 2018 Jos Verstraten) |
Zoals bekend leiden vele wegen naar Rome en dit geldt zeker voor de astabiele multivibrator. De gemakkelijkste weg is gebruik te maken van de bekende timer 555. De 555 bevat een flip-flop, twee comparatoren, een ontlaadtransistor en een uitgangstrap. Belangrijk is de weerstandsdeler die is opgebouwd uit drie identieke weerstanden R3/R4/R5. Deze deler zorgt ervoor dat de twee comparatoren de spanningen op de pennen 6 en 2 vergelijken met respectievelijk 1/3 en 2/3 van de voedingsspanning.
Met deze elektronische ingewanden is de 555 een zeer universele schakeling, waar u alle kanten mee uit kunt. In onderstaande figuur is bijvoorbeeld geschetst hoe u de 555 toe kunt passen als astabiele multivibrator. Twee weerstanden R1 en R2 en een condensator C1 zijn in serie geschakeld tussen de positieve voeding Ub en de massa. Het knooppunt van R1 en C1 gaat naar de ingangen van de twee comparatoren in de 555. De werking van de schakeling wordt toegelicht aan de hand van de grafieken rechts in de figuur.
 |
| De 555 geschakeld als astabiele multivibrator. (© 2018 Jos Verstraten) |
U kunt dus besluiten dat op de uitgang een pulsvormige spanning ontstaat en de spanning over de condensator C1 varieert tussen de grenzen 1/3 en 2/3 Ub.
De frequentie van de uitgangspulsen
De AAN/UIT-verhouding van de uitgangspuls is in te stellen door de verhouding tussen R1 en R2 te wijzigen. Als u voor R1 een grote waarde invult en voor R2 een zeer kleine waarde, dan zal de periode t1-t2 klein zijn ten opzichte van de periode t2-t3.
Op deze manier kunt u dus de smalle pulsen genereren die de basis vormen van een schrikdraad generator. De frequentie van deze pulsen hangt natuurlijk af van de waarde van de twee weerstanden, maar ook van de waarde van de condensator. Als u voor C1 een flinke elco kiest, dan zal de schakeling een uitgangsfrequentie genereren van 4 Hz en dus vier smalle pulsjes per seconde opwekken. Officieel mag dat niet, want volgens document IEC 60335-2-76 mag een schrikdraad generator maximaal één keer per seconde een spanningspuls genereren. Bovendien mag deze puls maximaal 0,01 seconde duren. Nu is één puls per seconde ideaal voor sloom groot vee, maar voor het tegenhouden van aalvlugge katten in feite te weinig. Vandaar dat wij gekozen hebben voor vier pulsjes per seconde, er zal vast nooit een IEC-inspecteur gewapend met meetapparatuur voor uw deur staan.
Het volledig schema
Voeding uit 14 V wisselspanning is veilig
Het volledig schema van de schrikdraad module is voorgesteld in onderstaande figuur. Links herkent u de voeding. De schakeling wordt gevoed uit een speciale netstekkervoeding, die secundair een wisselspanning van 14 V genereert. Dat is handig, want u zet de generator (ingebouwd in een waterdichte behuizing) waarschijnlijk ergens in de tuin en de netstekkervoeding ergens in de schuur. Bovendien is het veilig om in de vochtige omgeving van uw tuin niet met de 230 V netspanning te werken. Tussen beide onderdelen kunt u dan een gewoon tweelingsnoertje aanleggen, de polariteit van de voedingsspanning doet er nu immers niet toe. De 14 V wisselspanning wordt gelijkgericht met de dioden D1 tot en met D4 en afgevlakt met de grote elco C1. Deze grote elco doet dienst als ladingsreservoir, die voldoende capaciteit heeft om de grote stroom te leveren die noodzakelijk is om de hoogspanningspuls te genereren. Over de condensator ontstaat een gelijkspanning van ongeveer 18 V, de voedingsspanning voor de eindtrap van de schakeling. De 555 heeft een maximale voedingsspanning van 18 V. Dat is dus kantje-boordje en om alle problemen te vermijden zet u een zenerdiode D5 is serie met de voedingsaansluiting van de 555. De voedingsspanning van het IC blijft dus, zelfs onder de slechts denkbare omstandigheden, onder de limiet.
 |
| Het volledig schema van de schrikdraad module. (© 2018 Jos Verstraten) |
Rond IC1 herkent u de schakeling van vorige figuur. De condensator C3 is het frequentiebepalend onderdeel, de twee weerstanden R2 en R3 verzorgen de laad- en ontlaadstromen. Hun onderlinge verhouding bedraagt 1/100, met als gevolg dat de 555 zeer smalle pulsjes van ongeveer 0,5 ms genereert. Een ideale basis voor het genereren van een schrikdraadpuls!
De eindtrap
De uitgang op pen 3 wordt via R1 aangesloten op de voedingsspanning en stuurt via R4 de transistor T1 in geleiding. De collectorweerstand van deze transistor bestaat uit vier in serie geschakelde 100 Ω weerstanden. Dat heeft niets te maken met te hoge spanning, want die is er op dit punt van de schakeling nog niet, maar alles met vermogen. Een 1/4 W weerstand zou binnen de minuut zwart geblakerd zijn en vandaar dat we het vermogen over vier identieke weerstanden verdelen. Die lage collectorweerstand is noodzakelijk omdat deze meteen de basissturing van de eindtransistor T2 verzorgt. We hebben hiervoor het oeroude 'werkpaard van de elektronica', de 2N3055, van stal gehaald.
Een onverwoestbare macho met maar één minpuntje: een zeer lage stroomversterkingsfactor. Het toegepaste exemplaar bleek niet meer te versterken dan 74, het is dus zaak flink wat stroom in de basis te pompen. Dat gebeurt via de weerstanden R5 tot en met R9, die uit de beschikbare 18 V voedingsspanning een stroom van ongeveer 40 mA in de basis van de 2N3055 spuiten.
De hoogspanningsgenerator
Wij gebruiken vier identieke voedingstrafootjes om uit de beschikbare 18 V een mooie schrikdraadpuls af te leiden. We hebben de goedkoopste trafootjes geselecteerd die we in de catalogus van Conrad konden vinden. Toegepast als voedingstrafo leveren de trafootjes secundair 6 V met een stroomcapaciteit van 150 mA. Als we smalle pulsjes van 18 V over de 6 V wikkeling zetten, genereren deze trafootjes secundair ongeveer 500 V. In principe zou dat 3 x 230 V = 690 V moeten zijn, maar u krijgt hier te maken met de reeds beschreven magnetische verzadiging van de kernen. De 4 x 500 V secundair schakelt u in serie, zodat uw schattige viervoeters getrakteerd worden op een 0,5 ms pulsje van 2 kV en dat vier keer per seconde.
Over de uitgang staat een weerstandsdeler R11/R12. De enige bedoeling hiervan is een testpunt te creëren, waarop u een scope kunt aansluiten om de hoogspanning te bewonderen, zonder dat de voorversterker van de scope het levenslicht verliest.
Tot slot staat over de primaire wikkelingen van de trafo’s nog een LED D6 die gaat knipperen en aangeeft dat in ieder geval het primaire circuit van de schakeling het goed doet. Dat zegt natuurlijk niets over de hoogspanning, maar omdat er secundair maar 500 V over de 230 V wikkelingen ontstaat is de kans op doorslag écht minimaal. Kortom, als de LED knippert kunt u er zeker van zijn dat de hoogspanning aanwezig is, tenzij u natuurlijk ergens een kortsluiting in de schrikdraad weet te fabriceren. Om absolute zekerheid te hebben zou u natuurlijk over de uitgangsklemmnen van de print een neonlampje kunnen hangen in serie met een weerstand van 1 MΩ.
De bouw van de schakeling
De print en de componentenopstelling
In onderstaande figuren treft u het printontwerpje en de componentenopstelling aan.
 |
| De print voor de schakeling. (© 2018 Jos Verstraten) |
 |
| De componentenopstelling voor de print. (© 2018 Jos Verstraten) |
Alle onderdelen passen ruim op de print en de bouw is volledig onproblematisch. In vijftien minuutjes hebt u alles er op gesoldeerd. De 2N3055 wordt met twee M3 boutjes en moertjes op de print bevestigd. Onderstaande foto geeft een impressie van het eindresultaat.
 |
| Het prototype van de kattenschrikdraad generator. (© 2018 Jos Verstraten) |
Als laatste actie moet u de 14 V netstekkertrafo op de print aansluiten. Ook dat onderdeel is gemakkelijk te verkrijgen, het maakt deel uit van het standaard assortiment van Conrad. Deze zogenaamde 'AC-AC Adaptor', zie onderstaande figuur, is de enige netstekkertrafo die wij konden vinden. Deze trafo levert 14 V secundair bij 500 mA, meer dan voldoende voor het voeden van eventueel drie printen.
 |
| De speciale netadapter die 14 V wisselspanning levert. (© 2018 Jos Verstraten) |
In onderstaand oscillogram hebben wij de spanningen op de twee testpunten samengevat. De bovenste trace geeft de uitgangsspanning van de 555, een keurige blokspanning met een 'L'-periode van slechts 0,5 ms. De onderste trace geeft de (uiteraard) zwaar verzwakte schrikdraadpuls. Sluit de uitgang van de print nooit rechtstreeks aan op wat voor soort meetapparaat! De elektronica in de ingangskringen gaat onmiddellijk stuk! Wat opvalt is de prachtige vorm van de uitgangspuls.
 |
| De signaalvormen op beide testpunten. (© 2018 Jos Verstraten) |
Hiervoor verwijzen wij uiteraard naar ons artikel 'Know-how: kattenschrikdraad', waarin wij een uitgebreide handleiding hebben gegeven. Na het oprichten van een drie-draad testinstallatie op een tuinschutting van twaalf meter lengte werd de beschikbare hoogspanning gemeten met een speciale digitale schrikdraadspanning voltmeter, zie onderstaande foto. Op de schrikdraad stond een spanning van 1,9 kV, meer dan voldoende voor het afschrikken van katten. Nogmaals, meet deze spanningspuls nooit met een universeelmeter, deze gaat onmiddellijk stuk!
 |
| De pulsspanning gemeten met een speciale schrikdraadmeter. (© 2018 Jos Verstraten) |
Audio Amplifier Module Board 2x18W
