Mit Strommessung — Netzbetrieb⚓
Bei Festeinbau und unzugänglichem Einschalter muss eine Stromdetektierung erfolgen. Zum Rücksetzen nach Zeitüberschreitung bieten sich folgende Möglichkeiten an:
- Durch einen Präsenzdetektor, der permanent einen kleinen Prüfstrom durch den Verbraucher schickt
- Durch einen gesonderten Reset-Taster
- Durch Wegfall der Stromversorgung = Betätigung der Vorsicherung
Die Stromdetektierung muss an den Verbraucher angepasst werden:
- Je nachdem, ob der Verbraucher einen eingebauten Dauerstromverbraucher, etwa ein (weiteres) Kondensatornetzteil enthält, muss die Empfindlichkeit auf den Hauptverbraucher reduziert werden.
- Bei langen Anschlussleitungen muss deren kapazitiver Blindstrom ignoriert werden.
Auch die Einschaltdetektierung muss an den Verbraucher angepasst werden:
- Dauerstromverbraucher wie bspw. Garten-Wasserpumpen brauchen keine Auszeitüberbrückung
- Intervallstromverbraucher wie temperaturgeregelte Heizungen (Ofen, Bügeleisen) müssen ggf. mit einer Auszeitüberbrückung überwacht werden: Will man die Gesamtlaufzeit des Verbrauchers überwachen, müssen die Auszeiten durch den Temperaturregler „wegignoriert“ werden.
Die Stromdetektierung erfolgt:
- Für Ströme bis 1 A am besten mit zwei antiparallelen Schottky-Dioden (Spannungsabfall rund 0,5 V), sicherheitshalber gekühlt (5 W in Summe bei 10 A) und einem galvanisch verbundenen Detektor mit LM339. Oder einem galvanisch verbundenen Mikrocontroller.
- Neu! (Noch ohne Schaltplan) Für Ströme bis 16 A mit dem Hall-Stromsensor
ACS712.
Das ist netterweise potenzialgetrennt.
Zum Digitalsignal wird es
- mit dem Analogvergleicher eines Mikrocontrollers,
- mit dem A/D-Wandler eines Mikrocontrollers und Schaltschwellen-Auswertung,
- mit dem Doppelkomparator LM393.
Aus Aufwands- und Kostengründen kommt nur die Low-Side-Strommessung zum Einsatz. Das heißt, der Komparator befindet sich an der gleichen Spannungsschiene wie der Shunt. Weil die Schaltpläne so gezeichnet sind, dass sich der Shunt im Außenleiter L befindet, sieht das wie eine High-Side-Strommessung aus. Aber letztlich sind L und N vertauschbar. Dies ist für die Inbetriebnahme auch dringend angeraten, falls kein Trenntrafo zur Hand.
Die Präsenzerkennung erfolgt durch Überbrückung des Relaiskontakts mit einem Widerstand, bestehend aus R und C (Blindwiderstand). Die Diode D10 bewirkt eine Selbsthaltung und ist nur bei Bedarf zu bestücken: Im Sicherungskasten vor der Steckdose mit dem Bügeleisen lässt man D10 weg: Abstecken und Wiederanstecken nach einigen 10 Minuten lässt die Steckdose wieder funktionieren. Hingegen bei einer Wasserpumpe hält D10 die Pumpe sicher ausgeschaltet, weil's einen Havariefall darstellt. Durch Überbrücken von C7 setzt man das Relais zurück. P1 stellt die zu erwartende maximale Pausenzeit eines Heizungsreglers ein, Linksanschlag für die Wasserpumpe. P2 stellt die maximale Laufzeit ein.
Ob man für die Abschaltung ein Relais mit Arbeits- oder Ruhekontakt verwendet ist letztlich wahlfrei; die Verwendung des Ruhekontakts hat hierbei den Vorteil, dass der Hochlauf übersichtlicher wird.
Der ganze Aufwand rund um den LM339 erscheint aufwändig, vor allem die unhandlichen 10-MΩ-Potenziometer. Daher eine Version mit Mikrocontroller.
Hier ist vor allem der Betrieb des Relais ein Problem: Mit nur 5 V muss das Kondensatornetzteil erheblich mehr Strom bereitstellen. Dafür gibt es Lösungen mit SFET, Triac usw. Unter Verzicht der zwei Komparatoren ginge auch ein handlicherer 8-Beiner zu verwenden, etwa ein ATtiny13. Denn es genügt ja auch die Auswertung einer Halbwelle. Die doppelte Kondensatornetzteillösung vereinfacht sich außerdem auf eine einfache mit 5 V.
Zusammen mit dem Schaltplan aus Wikipedia und dem BSP149 oder (kleiner) BSS169, einem Verarmungs-MOSFET (!), geht's auch mit einem 24-V-Relais in Energie sparender Reihenschaltung:
Will man den Kondensator des Kondensatornetzteils verkleinern hilft ein (teures) Relais mit 48 oder gar 60 V Spulenspannung und entsprechend geringerer Stromaufnahme. Manchmal gibt es jedoch solche Relais zum Schnäppchenpreis: Wer gern mit Kondensatornetzteilen herumspielt, sollte unbedingt ein paar davon auf Lager haben. Alternativ hilft ein Triac, den der Mikrocontroller in der Nähe des Nulldurchgangs mit schmalen Impulsen zündet. Den muss man aber für die üblichen Leistungen kühlen! Das empfiehlt sich daher für den Bastler eher nicht: Ein sterbender Triac reißt über T2 auch den Mikrocontroller in den Tod.
Soll ein ganzer Trakt überwacht werden, der an einem Fehlerstrom-Schutzschalter hängt, bietet es sich an, statt dem für viele Ampère klobigen Relais einen Fehlerstrom zu provozieren, der nur 30 mA betragen muss. Ob man für Drehstrom einen oder drei Leiter überwacht ist vom Anwendungsfall abhängig. Für die Überwachung von 3 Leitern muss die Schaltung 3× aufgebaut und der Ausgang bspw. über Optokoppler zusammengefasst werden.
Ohne Bild: Eine andere Möglichkeit, den Phasenschieberkondensator zu halbieren, besteht darin, die Relaiswicklung aus einer gesonderten Zweiweggleichrichtung zu versorgen. Diese ordnet man in Reihe zur Mikrocontroller-Versorgung an. Diese Reihenschaltung benötigt nur einen gemeinsamen Kondensator. An der Vollbrücke schließt man die Relaisspule direkt an, die vom Transistor eines Optokopplers (entweder mit Darlingtonausgang oder nachgeschaltetem Transistor zur Stromverstärkung; bei gewünschter Selbsthaltung mit Thyristor- oder Triacausgang) überbrückt wird. Dazu der übliche kleine Kondensator (Richtwert: Zehnfacher Wert des Phasenschieberkondensators), damit die Spannung des kapazitiven Spannungsteilers bei Schalthandlungen nicht in gefährliche Höhen steigt.
Berechnungsbeispiel: Ein sehr gutes Finder-Flachrelais 24 V 6A 250V~ hat 3 kΩ (alt, bei mir gemessen) Spulenwiderstand. Macht einen Strombedarf von 8 mA, der 127 nF Phasenschieberkondensator-Kapazität verlangt. Mit 150 nF liegt man bereits auf der sicheren Seite und hat Alterungs-Reserve. Dann darf die Mikrocontroller-Schaltung „darunter“ auch bei bestromtem Optokoppler maximal 4 mA verbrauchen; alles andere fließt am Querregler (positive Halbwelle) bzw. an der Diode D4 (negative Halbwelle) vorbei.
Master-Slave-Schalter⚓
Eng verwandt mit der Einschaltdauer-Begrenzer mit Strommessung aber einfacher zu realisieren ist der Master-Slave-Schalter: Ein Stromverbraucher steuert einen anderen Stromverbraucher. Da keine nennenswerte Zeitsteuerung erforderlich ist, ist der Mikrocontroller verzichtbar; ein einzelner Komparator genügt. Diese gibt es als Steckdosenleisten zu kaufen, aber hier wird eine narrensichere Lösung mit genau 2 Steckdosen benötigt. Ein kaputter Doppel-Timer dient im Muster als Ausgangspunkt.
Klassisches Beispiel: Beim Einschalten der Bohrmaschine wird der Staubsauger zugeschaltet. Hier wird mit dem Einschalten des Fernsehers Licht zugeschaltet. Keine weiteren Steckdosen, damit niemand auf dumme Gedanken kommt.
Etwas problematisch ist die universelle Festlegung der Schaltschwelle: Da es üblich ist, mit Strommesswiderstand (Shunt) und Bypass-Schottkydioden wie in den Bildern 4-8 zu arbeiten, wird die Schaltschwelle wesentlich vom Wert des Shunt bestimmt, und die Ansprechschwelle lässt sich mit einem Potenziometer nur in einem kleinen, in etwa linearen Bereich einstellen. Der Komparator erfasst wie in den Bildern 5-8 nur den positiven Scheitelwert des Verbraucherstroms, das sollte genügen. Der Komparator muss auch bei leicht negativen Eingangsspannungen korrekt funktionieren und sollte einen Offenen Kollektorausgang haben; das erspart eine Diode für das folgende Zeitglied, das die 10-ms-Lücken überbrücken muss. Da die Relaissteuerung mit einem MOSFET erfolgt, ist das Zeitglied angenehm unproblematisch: Nur ein weiterer Kondensator, denn der Pullup-Widerstand ist ohnehin erforderlich. Das Relais liegt Energie sparend in Reihe zur Stromdetektor-Schaltung.
Quelle Schaltplan und Mikrocontroller-Programm. Firmware-Bug: Die Taste geht nicht, der interne Pullup scheint nicht aktiv zu sein. Hinweise: Statt PIC10F204 geht auch der hier verwendete PIC10F206 (doppelte Flash-Kapazität) mit der gleichen Firmware. Die Potenziometerachse erweist sich als handempfindlich, unbedingt einen isolierenden Knopf verwenden! Besser ein Potenziometer mit Plast-Achse. Ein Trimmer mit Schraubendreherschlitz tut's auch.
Schaltungsbeschreibung:
Im Gegensatz zur Beschreibung oben wurde statt zu
einem Komparator zu einem kleinen Mikrocontroller mit integriertem Komparator
gegriffen.
Das erleichtert später Änderungen, beispielsweise Zeitsteuerungen.
Die LED D6 dient als Bereitschaftsanzeige (= leuchtet immer),
die LED D5 zur Schaltzustandsanzeige (= leuchtet bei eingeschaltetem Slave).
Mit dem Taster S1 kann der Slave-Verbraucher an L2
auch ohne Strom vom Master ein- und ausgeschaltet werden.
Die „Strommessung“ des Master-Verbrauchers an L1 erfolgt am
Shunt
R1, welcher durch zwei stromstarke Schottky-Dioden
D1 und D2 spannungsbegrenzt wird.
Zur Messung des Spannungsabfalls wird der Komparator
des Mikrocontrollers herangezogen, dessen zweiter Eingang vom Schleifer des
Potenziometers P1 zur Schaltschwelleneinstellung gespeist wird.
R2 dient zum Schutz des Mikrocontrollers,
falls D1 oder D2 ausfällt.
Das Kondensatornetzteil
mit Einweggleichrichtung aus R3, C1, D3, D4
und C2 liefert 15 mA.
Dieser Strom wird garantiert durch die Relaiswicklung K1 und
die Z-Dioden D8 und D9 aufgenommen,
letztere falls die LEDs D5-D7 kaputt gehen.
Der selbstleitende MOSFET T1 überbrückt fallweise das Relais
K1 mitsamt LED D5, dadurch sinkt (!) die Leistungsaufnahme
der Gesamtschaltung bei abgeschaltetem Slave, also meistens.
Die Diode D8 schützt die LED D5 bei Schalthandlungen
vor negativen Spannungen.
Der Mikrocontroller IC1 wird mit der Flussspannung zweier
Leuchtdioden D6 und D7 gespeist, wobei D7
hier nur als „Innenbeleuchtung“ fungiert.
Seine Stromaufnahme ist vernachlässigbar, da der Mikrocontroller
praktisch durchgehend schläft und nur sein Watchdog-Timer arbeitet.