Ballast voor Schakelklokken

Wereldwijd zijn er miljarden mechanische schakelklokken in gebruik, en met een eenvoudige aanpassing kun je het verbruik van zo'n klok met ongeveer 90% terugbrengen.

Theorie: Werking van de Schakelklok

Schroef je zo'n schakelklok open, dan zie je de belangrijkste delen voor de werking. Het rode blokje is de schakelaar waarmee de aangesloten apparaten worden aan en uitgezet. Met bruine draden is hij verbonden aan een van de stekkerpinnen en de contrastekkerbus daarboven. De schakelaar wordt bediend door de ruitertjes op de grote draaischijf aan de buitenkant: een ingedrukt ruitertje zet de schakelaar aan. De draaischijf moet natuurlijk eenmaal per etmaal rond, en daarvoor zorgen het motortje (spoel boven schakelaar) en de vertragende tandwielen (rechtsonder).

Het motortje gebruikt energie uit het lichtnet, en zorgt voor een ongelofelijk nauwkeurige werking. De frequentie van het lichtnet wordt namelijk heel precies op 50Hz gehouden en daarom draait het motortje altijd precies 4320000 keer rond in een etmaal.
Door dit kleine motortje mag niet teveel stroom lopen. Een paar milliAmpere is genoeg, en als je het rechtreeks op het lichtnet zou aansluiten, gaat het meteen kapot. Daarom is de motor aangesloten via een ballast-weerstand, die je op de foto kunt zien zitten als een verdikking in de zwarte draad naar de motor. De weerstand zorgt ervoor dat de stroom beperkt wordt, het motortje gaat niet kapot maar kan tientallen jaren achter elkaar zijn rondjes blijven draaien. In alle klokjes die ik bekeken heb, wordt maar een van de net-draden onderbroken door de schakelaar (enkelfasig schakelen).

Even rekenen hieraan: Om te voldoen aan internationale regels, wil de fabrikant dat het verbruik van de klok minder is dan 1 Watt. Bij een netspanning van 230 tot 250 Volt, mag de stroom daarom maximaal 4mA zijn (door de weerstand is de cos-phi vrijwel gelijk aan 1). De totale weerstand van een schakelklok (die je ook kunt opmeten door een ohmmeter tussen de stekkerpennen te houden) is daarom ongeveer 60 kiloOhm. De dunne draad in het motortje zorgt voor een weerstand van enkele kΩ, de ballastweerstand heeft meestal een waarde van 47 of 56 kΩ.
Van het verbruik van de schakelklok neemt de motor ongeveer 10% op en de rest, 90%, gaat verloren in de ballast.

Een Condensator als Ballast

In plaats van de weerstand, kun je als ballast een condensator gebruiken. Een condensator beperkt wel de stroom, net als een weerstand, maar neemt zelf geen vermogen op. Het vermogen dat de schakelklok verbruikt, wordt dus beperkt tot het verbruik van het motortje en dat is maar een heel klein deel van het totaal.
Klokje openschroeven, zorgvuldig de condensator monteren, klokje weer dicht en klaar!

Even rekenen hieraan: Om een stroom van 4mA door te laten, moet de impedantie Z van de condensator ongeveer 60kΩ zijn. De impedantie van een condensator met capaciteit C is bij frequentie f, gegeven door Z = 1/(2 π f C), waaruit je kunt afleiden C = 1 / (2 π f Z). Voor f nemen we de frequentie van het lichtnet, 50Hz, en de uitkomst is dan 53e-9, een waarde van 53nF (nanoFarad). De goed verkrijgbare standaardwaarde van 47nF ligt hier dicht genoeg bij en is goed bruikbaar.

Zelfs als er een iets kleinere stroom door het motortje gaat, loopt de klok door en he verbruik is dan nog lager. Een van de klokken gebruikte met een 47nF ballast 72mW, met een 33nF ballast 51mW, en met een 22nF ballast nog maar 26mW (en liep niet meer met een 15nF ballast).

Is het het waard?

Jazeker. Kort samengevat, een schakelklok gebruikt zijn kostprijs aan stroom in ongeveer 1 a 2 jaar. Omdat hij jarenlang in bedrijf kan blijven, is het zeker de moeite om het verbruik te beperken, zelfs als hij daardoor iets duurder wordt om te maken.

Even rekenen hieraan: Een condensator kost ongeveer 20ct, en zoveel zal de productie van een klok dus duurder kunnen worden. Daarmee bespaar je ongeveer 2/3 tot 3/4 Watt, de kosten van energiebesparen zijn dus 30ct per Watt.
Voor het stimuleren van het bouwen van een kerncentrale (1500MW) reserveert de regering 5 miljard euro, dus ruim 3 euro per Watt; de echte bouwkosten en de exploitatie moeten dan nog beginnen. Het bouwen van een kolencentrale kost ongeveer €1,50 per Watt en het aanleggen van zonnepanelen 10 euro per Watt.

Op jacht naar de goede condensator

Bij mijn klok-experimenten heb ik gemerkt dat condensators in klokken snel slijten, en je moet de condensator dus met zorg kiezen. Wat gaat er mis? Een condensator die kapot gaat, kan "doorslaan". Een condensator die doorslaat, maakt een directe verbinding en als dat gebeurt, is het direct einde klok (waarde 2 euro), maar dat is mij nog niet overkomen.

Wel heb ik gemerkt dat de capaciteit van de condensator afneemt. De oorzaak hiervan zijn de zg. power spikes, kortdurende pieken van hoge spanning op het lichtnet. De condensator wordt dan (heel kort) tot zeer hoge spanning geladen, waardoor een klein stukje ervan kan verdwijnen. Dit komt ook in koffiemachines voor als het Senseo-syndroom.

Poging 1: De gele condensator. In 2019 heb ik voor het eerst een condensator-ballast gebruikt en heb een 30nF condensator in een klok gebouwd. Deze was van het gele soort dat veel radioverzamelaars op voorraad hebben, werkspanning 630V. Na een jaar bedacht ik me dat deze waarde eigenlijk te laag is en heb ik hem door een 47nF condensator vervangen.

Poging 2: Een groene condensator. In november 2020 heb ik een groene 630V condensator van 47nF, gekocht bij AliExpress, ingebouwd. Toen ik deze twee jaar later opmat, bleek de waarde nog maar 30nF te zijn!

Poging 3: Een X2 type. Voor directe aansluiting op het lichtnet wordt vaak een X2 (veiligheids) condensator aangeraden, omdat die zo zijn ontworpen dat ze niet kunnen doorslaan. Het motortje van de klok is zo dus heel goed beschermd. Helaas beschermt de condensator zichzelf niet zo goed tegen power spikes, want al in juli 2023 (na acht maanden!) liep de klok niet meer.

Poging 4: Een 1000V condensator. Tijdens een "standaard lichte power spike" (een spanning van 2,5kV gedurende 50µs) kan de condensator tot boven de 800V worden geladen. Een condensator met werkspanning 1000V kan de lichte spike dus hopelijk goed doorstaan. Een zakje van 10 stuks 33nF wordt door Ali bezorgd voor ongeveer 3 euro.
Na ongeveer vier maanden gebruik mat de condensator nog 32,7nF dus een lichte teruggang.

Poging 5: Twee kV-condensators. Op 18 december 2023 heb ik in de klok met serienummer xx528 twee condensators van 47nF bij 1000V in serie geplaatst, het verbruik is dan maar 29mW. Hopelijk is door de serieschakeling de veiligheid tegen doorbranden optimaal. Ook verwacht ik een goede bescherming tegen spikes. De capaciteit van de ballast is natuurlijk de helft van een condensator, dus 23,5nF (gemeten met de M8: 23,62nF).

Alternatief: Een Digitale Schakelklok

Digitale timers hebben meer mogelijkheden en gebruiken minder stroom dan mechanische. Groot voordeel is dat je een weekprogramma kunt instellen, waarmee je apparaten in het weekend kunt afschakelen op tijden dat je ze doordeweek nodig hebt. Verder verschillen de modellen natuurlijk in hun opties, sommige kunnen bv automatisch op zomer/wintertijd overgaan, of kennen wisselbare programma's.

De timer op de foto komt bij AliExpress vandaan en heeft een eigen gebruik van 0,6W. Dat is minder dan een standaard mechanische timer, maar (fors) meer dan een timer met ballast-condensator.

Technische losse eindjes

Is er geen blusweerstand nodig? Als je de klok uit het stopcontact haalt, kan de condensator nog opgeladen zijn en een onaangenaam geprik geven als je de stekkerpennen aanraakt. De waarde van de condensator is zo klein, dat het niet echt gevaarlijk is. Je kunt dit voorkomen door parallel aan de condensator een weerstand van 500kΩ tot 1MΩ te plaatsen.

Waarom doen klokfabrikanten dit niet allang? Op deze vraag heb ik nog geen goed antwoord kunnen krijgen. Dat de technische problemen (slijtage) rond ballastcondensators onoverkomelijk zijn lijkt me onzin, want ballastcondensators worden heel veel toegepast (bv. in LED-lampen en in deze Wattmeter).
Een condensator (zeker een goeie slijtvaste) is wel iets duurder dan een weerstand. Consumenten kijken vaak niet verder dan de aanschafprijs en kopen liever een klok van 3 euro die per jaar 3 euro stroom neemt dan eentje van 3,50 die per jaar 50 cent stroom neemt.

Gerard Tel.