Zur Identifizierung der Leiter L1, L2 und L3 einer Drehstrom-Installation.
Zum drahtlosen Handgerät Phasenfinder II weiter unten
Eine Drehrichtungserkennung ist damit nicht vorgesehen oder möglich. Das kann die Leistungsmesser-Software machen.
Es werden für den Betrieb keine Akkus, Batterien oder sonstige kurzlebige Bauelemente verwendet.
Rechts im Schaltplan befindet sich das Handgerät mit dem schnabelförmigen E-Feld-Sensor. Die Wechselspannung des Leiters wird über den kapazitiven Spannunsteiler aus Koppelkapazität und Schirmkapazität verringert und mit dem Schutzwiderstand 2,2 MΩ dem Schmitt-Trigger-NAND-Einzelgatter zugeführt. Dessen Eingangsschutzdioden begrenzen die Spannung auf CMOS-Pegel. Das Gatter ermöglicht den Anschluss beliebig langer Verlängerungsleitungen ohne kapazitiven Einfluss.
Der Schnabel besteht aus doppelseitigem Leiterplattenmaterial, dessen Außenseite zwecks Entkopplung zu benachbarten anderen Adern geerdet ist.
Auf dem Handgerät befinden sich drei Leuchtdioden, die bei Koinzidenz (Gleichtakt) mit der jeweiligen Referenzphase verlöschen.
An das Basisgerät angeschlossen wird das
Handgerät
mit einer beliebig langen 9-poligen SubD-Verlängerungsleitung,
wie sie im PC-Bereich für serielle Schnittstellen üblich war und ist.
Im Basisgerät wiederholt sich die kapazitive Ankopplung an die drei Phasen. Die kapazitiv-ohmschen Spannungsteiler sollten die gleichen Werte aufweisen wie im Handgerät (konstruktiv bedingt). Das vom Handgerät kommende CMOS-Signal wird mit dem oberen XOR-Gatter invertiert und den drei Phasenvergleichern (3 untere XOR-Gatter) zugeführt. Bei idealer Phasengleichheit ist der Ausgangspegel ständig LOW, ansonsten mehr oder weniger HIGH (siehe Diagramme im Schaltplan rechts unten). Die anzeigenden Leuchtdioden sind ohne Vorwiderstände an den Ausgängen der XOR-Gatter angeschlossen, für praktikablen Einsatz im Handgerät. Der CMOS-Schaltkreis 4030 ist dafür hochohmig genug.
Zur Stromversorgung dient ein kapazitiver Blindwiderstand 470 nF (im Schaltplan 220 nF) in Verbindung mit einer nachfolgenden Gleichrichter-, Sieb- und Stabilisierungsschaltung.
Das bisschen Schaltung passt auch bequem in das Gehäuse eines CEE-Steckers.
Im Ansteckmoment des CEE-Steckers kann es passieren, dass der Neutralleiter N Spannung führt. Diese ist auf der SubD-Buchse herausgeführt, dort mittels falscher Anschlusskabel (Stecker-Stecker) berührbar. Deshalb der Hinweis, erst Stecker in die Steckdose, dann Handgerät anschließen.
Beim Nachbau sollte statt N durchgehend der Schutzleiter PE verwendet werden, sowie zur Stromversorgung ein Potenzial trennender kleiner Transformator. Beim Verbleib des kapazitiven Blindwiderstandes gegen Schutzerde kann ein Fehlerstrom-Schutzschalter auslösen. Da derartige Schutzschalter im Industriebereich unüblich sind, kann auch diese Art der (gegenüber einem Trafo äußerst energieeffizienten) Stromversorgung bestehen bleiben
Ein ähnliches Gerät bot die amerikanische Firma TASCO an. Es ersetzt den Draht durch eine Funkverbindung, benötigt dafür 9-V-Blockbatterien. Beide Teilgeräte werden berührungslos betrieben; der Betrieb eines Basisteils direkt am Stromnetz ist nicht vorgesehen. (Die galvanische Verbindung mit der Netzspannung wird für die präzise Leistungsmessung bei uns ohnehin benötigt.) Zusätzlich ist das Gerät in der Lage, die Drehrichtung zu erkennen.
Nun müsste es doch ziemlich einfach sein, mit der Netzfrequenz einen Mikrocontroller-Oszillator abzustimmen und damit die Phasenlage zu bestimmen.
Wie sich in praktischen Tests herausstellte, ist selbst mit einer quarzstabilen Referenzfrequenz nur eine Phasenhaltezeit im unteren Sekundenbereich möglich.
Sagen wir mal, nach 30 Sekunden kann die Phase der Netzfrequenz um 60° gewandert sein, und eine zuverlässige Zuordnung ist nicht mehr möglich. Dazu ist die Netzfrequenz einfach nicht stabil genug. Die Rede ist hier vom vergleichsweise frequenzkonstanten kontinental-europäischen Netzverbund, nicht von Russland.
Nun erklärt sich auch, warum professionelle Geräte drahtgebunden oder mit Funkverbindung arbeiten.
Siehe auch: Netzfrequenzmessung.de.
Die Zuordnung der Portpins kann in der
Firmware
wahlfrei erfolgen.
Voreingestellt ist eine Belegung für diesen Schaltplan.
Der RC-Oszillator ist nur von mäßiger Qualität.
Daher ist die Phasenhaltezeit bisweilen kleiner als 1 Sekunde.
Man muss also schnell von Phase zu Phase wechseln.
Um berührungslos(!) die Drehfeldrichtung zu bestimmen, reicht es aber allemal.
Im Innern sind der 74HC14 und einige passive Bauelemente verschwunden. Der ATtiny13 ist mit seiner Pinreihe 1..4 (auf 4..7) einseitig fliegend auf der Platine verdrahtet. Der Rest ist feiner Kupferlackdraht.
Dem ATtiny13 fehlen einfach noch zwei Beine für den Quarz. Daher die gleiche Konstruktion noch einmal mit dem 14-beinigen ATtiny24.
Was ich mit den überzähligen 4 Pins mache ist unklar. Immerhin ein dediziertes SPI-Interface für Firmware-Updates.
Die Quarzfrequenz kann im weiten Bereich ausgewählt werden; für einen Uhrenquarz (32,768 kHz) ist's aber noch nicht vorgesehen.
Hält man den Phasenfinder mehr als 0,6 s an einen Leiter, sollte er sich auf die Netzfrequenz aufsynchronisieren. Angezeigt wird dies dadurch, dass nur noch LED 1 leuchtet.
Fortwährend wird bei Eingangssignal die Phasenlage gemessen und auf den 3 LEDs — interpoliert mit verschiedenen Helligkeiten — ausgegeben. Nimmt man den Phasenfinder vom Leiter weg, blinken davon typisch 2 LEDs in unterschiedlicher Helligkeit für 7 Sekunden, um die zuletzt gemessene Phasenlage abschätzen zu können.
Dann blinken alle 3 LEDs noch weitere 5 Sekunden, um anzuzeigen, dass das Gerät für eine erneute Synchronisation bereit ist.
Dann schaltet sich das Gerät mit einer gemessenen Schlafstromaufnahme von 0,3 µA ab.
Klar, die nächste Generation Phasenfinder arbeitet mit einer Funkverbindung mit einem Takt angebenden Funksender. Der Sender passt locker in einen Schukostecker und wird so auch versorgt. Den Empfänger in einen PeakTech 1025A unterzubringen ist hingegen schon ziemlich sportlich.
Wird erst bei Bedarf gebastelt!
