Das Thema „Einschaltdauer-Begrenzer“ wird öfters in Diskussionsrunden erörtert, ohne eine endgültige Zusammenfassung aller Eventualitäten. Dabei gibt es für jede zu überwachende Geräteart gesonderte Randprobleme zu beachten.
Zunächst muss zwischen solchen für batteriebetriebene Geräte und netzbetriebenen Geräten unterschieden werden. Bei batteriebetriebenen geht es darum, dass „vergessene“ Ausschalter die wertvolle Batterie ruinieren. Vor allem bei Messgeräten und Taschenlampen. Bei Autos mit der robusten Starterbatterie geht es um den Erhalt der Startfähigkeit. Bei Netzbetrieb geht es um die Reduktion der Brandgefahr (Bügeleisen, Lötkolben, Rollladen-Motor), der Überschwemmungsgefahr und der Stromkosten (Wasserpumpe).
Am einfachsten ist der Einbau des Einschaltdauer-Begrenzers in das jeweilige Gerät, insbesondere, wenn es einen gesonderten Einschalter aufweist. Beispiel: Kaffeemaschine. ⇒ Lösung ohne Strommessung
Als Vorsatzgerät muss auf die typischen Eigenheiten des Gerätes Rücksicht genommen werden: Am einfachsten für ein Bügeleisen ist ein „Ansteckdauer-Begrenzer“, der gemeinsam mit dem Bügeleisen eingesteckt und abgezogen wird und an der Bügeleisenschnur verbleibt. Dieser ist genauso konstruiert wie jener für den Einbau in eine Kaffeemaschine. ⇒ Lösung ohne Strommessung
Will man jedoch den Einschaltdauer-Begrenzer an der Wand oder im Sicherungskasten belassen, muss bei einem Bügeleisen beachtet werden, dass der Bimetallschalter die Heizung regulär ein- und ausschaltet, darauf darf der Begrenzer nicht reagieren. ⇒ Lösung mit Strommessung
Der dritte große Anwendungsfall sind Wasserpumpen. Gemeint sind solche, bei denen der Einschalter (Druckschalter + Leerlaufschutz) nicht zugänglich ist. Also Gartenwasserpumpen für die Zisterne. Eigentlich handelt es sich dabei um kompakte Hauswasserwerke. ⇒ Lösung mit Strommessung
Ein Randproblem stellen Rollladen-Motoren (vergleichbar: Garagentorantrieb, Einfahrtorantrieb) dar. Solange sie manuell unter Beobachtung betätigt werden, kann auf eine Verklemmung (bspw. durch Vereisung) reagiert werden, bevor größerer Schaden entsteht. Das ist der Grund, warum Rollladen-Schalter heutzutage nur Tastfunktion ohne Selbsthaltung haben. Hingegen in Abwesenheit oder von DAUs betätigte Antriebe sollten mit einer Zeitbegrenzung ausgestattet sein! Hoffentlich realisiert die Steuereinheit diese bereits in Software!
| Kriterium | Fall 1 | Fall 2 |
|---|---|---|
| Spannungsbereich | Netzbetrieb: 230 V~ | Batteriebetrieb: 1..24 V= |
| Zeitbasis | RC-Glied | Mikrocontroller |
| Einschalt-Detektion | Spannung vorhanden / nicht vorhanden | Strommessung |
| Extras | keine | Flackern (Licht), Pausenüberbrückung (Bügeleisen) … |
| Neustartfunktion | Wegfall des Triggers | Taste |
| Schaltglied | Relais | Transistor oder Triac |
| Kontaktseite | Ruhekontakt bzw. selbstleitender MOSFET | Arbeitskontakt |
| Stromversorgung | direkt (Längsregler oder Kondensatornetzteil) | potenzialgetrennt (Trafo) |
Hierbei handelt es sich um „Spannung-Vorhanden-Zeitbegrenzer“. Die Zeitmessung startet mit dem Zuschalten der Spannungsversorgung, und das Rücksetzen erfolgt durch den Wegfall derselben.
So etwas ist nur dann einsetzbar, wenn:
In den folgenden Schaltplänen ist mit L1 stets der phasenseitige Anschluss des geschalteten Verbrauchers gemeint, wie auch bei Einbaudimmern üblich. Hingegen bezeichnet N1 den Anschluss eines von außen gegen N (Neutralleiter, Sternpunkt) angeschlossenen Schalters.
Im Fall des Falles lag nur ein 24-V-Relais ohne Ruhekontakt in der Bastelkiste.
Daher ist o.a. Schaltung nicht einsetzbar.
Der Thyristor T4 übernimmt die Selbsthaltung.
Dieser darf nicht ohne weiteres durch eine Thyristorkombination aus 2 Transistoren entgegengesetzter Zonenfolge ersetzt werden,
da diese Kombination zur spontanen Überkopfzündung neigt.
Der eingesetzte Typ erwies sich als empfindlich genug, mit minimal 20 µA Gatestrom über P1 zu zünden.
Zusätzlich ist eine externe Schaltmöglichkeit mit geringem Gleichstrom vorgesehen.
Dort wird im Fall der Wasserpumpe der Druckschalter angeschlossen.
Das Musterexemplar erreicht mit dem Potenziometer P1 eine
Begrenzungszeit von etwa 4 Minuten.
Die LED D4 leuchtet schwach, wenn das Relais angezogen ist,
und leuchtet hell bei Zeitüberschreitung.
Für den Einbau in eine Hartplastdose aus DDR-Beständen. D2 entlädt den zeitbestimmenden Elko C5 bei Wegfall der Versorgungsspannung über R10 oder K1.
Die Stromaufnahme an 230 V~ ist gemessen 22 mA~, die Leistungsaufnahme konstant 0,7 W. Das hätte man auch energieeffizienter lösen können, da habe ich nicht aufgepasst. Zum Energiesparen empfiehlt es sich daher, die Schaltmöglichkeit an E1 und E2 nicht zu nutzen und diese Anschlüsse zu brücken. Das Einschalten erfolgt dann primärseitig; bei Zusammenlegung von L mit dem Relaiskontakt zweckmäßigerweise an N, dann kann das Relais auch Betriebsrelais sein und schont den vorhandenen Einschalter (bspw. der Kaffeemaschine). Zudem erhöht primärseitiges Einschalten die Lebensdauer des Blindleistungs-Kondensators C1.
Um eine besonders leistungsstarke Tiefbrunnenpumpe schalten zu können,
wurde ein kleines Drehstromschütz für Hutschienenmontage vorgesehen.
Dazu passend die Steuerschaltung + Einschaltdauerbegrenzer
ebenfalls in ein Hutschienengehäuse für die Montage daneben.
Wegen der erforderlichen Stromergiebigkeit der Stromversorgung für das Schütz
wurde das sonst übliche Kondensatornetzteil durch ein konventionelles
mit Trafo ersetzt.
Daraus ergibt sich berührbare Schutzkleinspannung.
Wie oben übernimmt der Thyristor
T4 die Selbsthaltung.
Die externe Schaltmöglichkeit mit geringem Gleichstrom erscheint ideal,
um im Druckschalter den klobigen Schaltapparat mit riesiger Hysterese
durch einen kleinen Mikrotaster zu ersetzen,
der in den „Genuss“ von berührsicherer Schutzkleinspannung kommt.
Die LED leuchtet schwach, wenn das Schütz anzieht, und leuchtet hell auf, wenn die Zeit überschritten wurde. Das Schütz sollte max. 100 mA bei 24 V ziehen, sonst müssen Trafo und C2 entsprechend größer dimensioniert werden. Mit dem 1-MΩ-Potenziometer P1 ist die Einschaltzeit zwischen 2 Sekunden und 1:45 Minuten einstellbar. Im Pumpenschacht steht es auf Maximum.
Die Standby-Stromaufnahme wird allein vom Transformator TR1 bestimmt. Mit guten Exemplaren erreicht man 0,5 W Leistungsaufnahme oder weniger. Dabei gilt leider: Je älter, desto besser.
Bei der Energiebetrachtung der o.a. Schaltung fiel
mir eine bedeutend einfachere Lösung ein, die das Relais kurzerhand kurzschließt.
Man kann sogar auf die 24-V-Z-Diode D1 verzichten, wenn C1
auf den Strombedarf der Wicklung des Relais K1 abgestimmt wurde.
Das Relais dient außerdem als Betriebsrelais, wenn der Zeitbegrenzer an N1 eingeschaltet wird. Der sehr kleine Wert des Ladekondensators C2 sorgt für zügiges Einschalten des Relais; seine Induktivität sorgt ohnehin für wechselstromarmen Stromfluss. Der Thyristor T4 muss bei kleinen Anodenströmen von 5 mA halten und trotzdem einiges an Maximalstrom vertragen, da im Betriebsfall netzseitige Schalthandlungen nur von R4 und R7 gebremst werden. Aus demselben Grund lässt sich hier eine Zeitüberschreitungs-LED nur schwierig einbauen. D3 sollte eine Schwellspannung deutlich kleiner als die Ansprechschwelle von K1 haben, sonst funktioniert die Abschaltung bei schwächelndem (= alterndem) C1 nicht mehr.
Bei Festeinbau und unzugänglichem Einschalter muss eine Stromdetektierung erfolgen. Zum Rücksetzen nach Zeitüberschreitung bieten sich folgende Möglichkeiten an:
Die Stromdetektierung muss an den Verbraucher angepasst werden:
Auch die Einschaltdetektierung muss an den Verbraucher angepasst werden:
Die Stromdetektierung erfolgt:
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.
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.
Bei Batteriebetrieb muss die entsprechende Wächterschaltung die wichtige Randbedingung erfüllen, bei Unterspannung und Zeitüberschreitung verschwindend wenig Strom zu verbrauchen.
Nach langem Hin und Her einer guten Schaltungslösung komme ich schließlich zum Einsatz eines Strom sparenden Mikrocontrollers. Dieser kann folgende Nebenfunktionen mit erfüllen:
Für Spannungen bis 5,5 V kann der Mikrocontroller direkt an die Batterie angeschlossen werden. Für etwas mehr (6 V) tut es eine Siliziumdiode oder (besser und zweckmäßiger) eine LED in Reihe. Beim beliebten 9-V-Block benötigt man 2 weiße LEDs oder besser einen querstromarmen Spannungsregler. Da die Selbstentladung eines Alkaline-9-V-Blocks bei 7 µA liegt (wenn ich mich nicht verrechnet habe, das sieht mir zu hoch aus), muss der Längsregler einen Querstromverbrauch deutlich darunter haben. Da ein ATtiny5 mit 0,1 µA PowerDown-Stromaufnahme spezifiziert ist, lohnt sich hierfür auch ein Spannungsregler in der gleichen Größenordnung. Sonst ist es der Spannungsregler, der die Batterie leersaugt und ruiniert!
Für das (Ab-)Schaltelement wird man in aller Regel einen MOSFET mit geringem Kanalwiderstand RDSon verwenden. Da dabei n-Kanal-Typen den geringeren Kanalwiderstand aufweisen als „komplementäre“ p-Kanal-Typen wird man versuchen, den negativen Anschluss des Verbrauchers zu trennen. Das ist — insbesondere in Fahrzeugen — selten möglich, und wenn man sich den Luxus eines Spannungswandlers sparen möchte, kommt dann nur ein p-Kanal-Typ infrage.
Zum Thema passend, gefunden im Internet. Für 9-V-Blockbatterien. Geschickterweise verwendet diese Schaltung die LED als Referenzspannungsquelle. Keine Abschaltung!
Wird eine Schaltung mit 9-V-Block gespeist und benötigt einen Low-Drop-Längsregler (meist 5 V), bietet es sich an, einen mit Shutdown-Eingang auszuwählen und eine Timerschaltung mit dem dafür beliebten Schmitt-Trigger-NAND 4093, einem Schaltkreis der 4000-er-CMOS-Serie mit Null Ruhestrom und 3..18 V zulässiger Betriebsspannung aufzubauen.
Schon seit langen bei PKWs Standard, möchte man sowas auch für ältere Fahrzeuge oder — wie hier — einen Traktor. Dabei werden vier parallel geschaltete 12-V-LEDs mit ihrem Summen-Nenn-Konstantstrom betrieben, was die LEDs sicher vor Spannungsspitzen aus der Lichtmaschine schützt und die Steuerung auf der Low-Seite einfach gestaltet. Auch hier kommt ein Mikrocontroller für minimalen Ruhestromverbrauch und einfacher Schaltung zum Einsatz. Diesmal der 6-beinige PIC10F200, in Assembler programmiert.
Keine Abschaltung, aber der entscheidende Stromdetektor ohne Spezialbauteile wurde schon mal von mir „erfunden“ und aufgebaut. Zum Einsatz kommt ein Komparator mit Open-Collector-Ausgang, bei mir ein DDR-typischer Sechsbeiner B761. Beim Auto kommt eine (einfacher realisierbare) Low-Side-Strommessung nicht infrage.
Für eine zeitgesteuerte Abschaltung ersetzt man den Komparator durch einen Doppel-Komparator, typischerweise LM393. Der zweite Komparator arbeitet dann als Zeitglied und steuert mit seinem Ausgang den p-Kanal-MOSFET als Schalter an. Etwas Kopfzerbrechen erfordert dann das Wiedereinschalten.
Für einen LiIon-Akkupack ist es zweckmäßig, wenn so etwas gleich im Akkupack integriert ist, weil Unterspannung die jeweilige Zelle umgehend ruiniert. Ist seltsamerweise nicht Standard bei Werkzeugakkus. Mit bei JLCPCB gefertigter Platine.
