Zerhacker (Elektrotechnik)

Begriff, Zweck und Bedeutung

Ein Zerhacker (englisch „chopper“) ist eine elektromechanische Vorrichtung, die aus einer Gleichspannung eine rechteckförmige Wechselspannung erzeugt. Diese Wechselspannung kann anschließend mit einem Transformator auf eine andere Spannung gebracht werden.

Zerhacker wurden früher vor allem eingesetzt, um Röhrengeräte wie Radios und Taxifunkgeräte aus Batterien zu versorgen, etwa in Kraftfahrzeugen. Auch Leuchtstofflampen konnten damit an Gleichspannung betrieben werden. Wegen ihrer Geräuschentwicklung, geringen Lebensdauer, Fehleranfälligkeit und Funkenbildung sind Zerhacker heute nicht mehr gebräuchlich. An ihre Stelle sind Schaltnetzteile und transistorisierte Wechselrichter mit Halbleiterschaltern wie Transistoren getreten.

Eine besondere Anwendung war die Umwandlung sehr schwacher Signale in Wechselgrößen. Dadurch ließen sie sich mit Wechselspannungsverstärkern driftfrei verstärken. Hier konnte die elektromechanische Lösung vorteilhaft sein, weil aktive elektronische Bauteile nicht unbedingt beliebig kleine Spannungen schalten können. Hobbybastler verwenden gelegentlich noch Zerhacker aus handelsüblichen Relais, um mit Batterien hohe Spannungen zu erzeugen.

Elektromechanische Arbeitsweise

Die Gleichspannung, typischerweise 12 oder 24 V, versorgt eine Spule, die als Elektromagnet wirkt. Der Elektromagnet bewegt über einen Anker einen Schalter. Dieser unterbricht den Stromkreis der Spule, sodass das Magnetfeld zusammenbricht. Eine rückstellende Feder bewegt daraufhin den Anker zurück und schließt den Stromkreis erneut. Der Vorgang wiederholt sich ständig: Der Schalter öffnet und schließt periodisch, beispielsweise mit 50 Hz. Dies entspricht dem Prinzip des Wagnerschen Hammers, das auch bei elektrischen Klingeln und Funkeninduktoren mit Gleichspannungsbetrieb verwendet wird.

Ein oder mehrere zusätzliche Kontakte erzeugen dabei die benötigte Wechselspannung. Ein Transformator kann sie anschließend beispielsweise auf eine Anodenspannung für Elektronenröhren hochtransformieren. Hinter der Sekundärwicklung lässt sich die Spannung mit weiteren Kontakten desselben Zerhackers wieder gleichrichten. Diese mit der Schaltbewegung abgestimmte Gleichrichtung heißt Synchrongleichrichtung. Bei einfachen Geräten für geringe Ströme befand sich die Sekundärwicklung direkt auf der anregenden Spule.

Da die Kontakte mechanisch verschleißen, waren Zerhacker als leicht austauschbare Bauteile häufig in einem Stecksockel montiert. Beim Schalten entstehende Funken verursachten außerdem elektromagnetische Störungen.

Erzeugung der Schwingung

Das beschriebene Beispielgerät ist ein Wechselrichter, der aus der Gleichspannung von 6 Volt, der Bordspannung älterer Personenkraftwagen, eine Wechselspannung von 220 Volt erzeugen kann.

Beim Anlegen der Betriebsspannung wird das Relais K1 zunächst über die Primärseite des Transformators mit Strom versorgt und zieht sofort an. Sein Wechselkontakt schließt das Relais dann kurz. Dadurch wird die Spannung über dem Relais Null, sodass es wieder abfällt. Anschließend beginnt der Vorgang von Neuem; der Umschalter wechselt fortlaufend zwischen seinen beiden Positionen.

Die Kontaktzunge trägt an ihrem Ende ein Massestück, das zugleich als Anker dient. Aufgrund dieser trägen Masse kann die Zunge ähnlich wie eine Stimmgabel schwingen. Ihre Eigenfrequenz, also die Frequenz, mit der das mechanische System von selbst bevorzugt schwingt, beträgt typischerweise 50 Hz.

Spannungswandlung und Entstörung

Der Pluspol der speisenden Gleichspannung liegt durch den bewegten Umschalter abwechselnd am Ruhekontakt und am Arbeitskontakt. Dadurch werden die beiden Hälften der Primärwicklung des Transformators abwechselnd an die Gleichspannung angeschlossen. Der Wickelsinn ist so gewählt, dass auf der Primärseite des Transformators eine Wechselspannung entsteht.

In der Sekundärwicklung wird dadurch eine Wechselspannung von typischerweise wenigen hundert Volt induziert. Sie kann mit einem gewöhnlichen Gleichrichter oder mit einem weiteren Kontaktpaar des Zerhackers gleichgerichtet und anschließend als Anodenspannung genutzt werden.

Ein Kondensator auf der Sekundärseite dient der Entstörung und vor allem der Blindstromkompensation. Blindstrom ist ein Wechselstromanteil, der zwischen Quelle und reaktiven Bauteilen hin- und herfließt, ohne dauerhaft Nutzenergie zu übertragen. Der Kondensator wird so bemessen, dass die Belastung der Kontakte und damit die Bildung von Schaltfunken möglichst gering bleibt.