Hallo, ich habe vor einen Lichtschalter durch einen Mikrocontroller zu ersetzen, um das Licht per Funk oder auch kabelgebunden schalten zu können. Der neue "Lichtschalter" soll einen Verbraucher schalten (evtl. sogar Dimmen) können und die effektive Leistung messen (also die, für die man auch bezahlt). Leider ist mein Wissen als Informatiker in der Leistungselektronik und was Wechselstrom betrifft etwas begrenzt und habe desshalb mehrere Fragen, bei denen ihr mir sicher weiterhelfen könnt. 1. Stromversorgung: Damit der Aufbau wirklich in so eine Unterputzdose passt und man keine Kabel von außen sehen soll, würde ich gerne auf ein externes Netzteil verzichten. Das Netzteil zur Stromversorgung des Mikrocontrollers soll direkt mit auf die Platine bzw. auf eine zweite Platine, die man dann aufeinander stecken kann. Ich denke eine Spannung von 6 Volt (die man mit einem Spannungsregler auf die benötigten 3,3V regelt) und einem Strom von maximal 500mA sollten für das Netzteil ausreichend sein. Welche Möglichkeiten habe ich, um eine solche Stromversorgung aufzubauen? Spontan würde sich sagen einen Trafo, einen Gleichrichter mit Kondensatoren und dann der Spannungsteiler, wobei so ein Trafo relativ groß ausfällt. Eine weitere Möglichkeit wäre es, ein kleines Schaltnetzteil aufzubauen, wodurch der Trafos kleiner ausfällt. Als dritte Möglichkeit bin ich auf AC/DC Wandler gestoßen (siehe http://www.peak-electronics.de/deutsch/acdcwandler.html). Leider habe ich die nur von der Firma Peak gesehen. Diese sind schön klein und machen vom Prinzip her genau das, was ich will. Spricht etwas gegen diese Lösung? Bieten diese eigentlich eine galvanische Trennung? Ist eine galvanische Trennung in meinem Fall überhaupt erforderlich bzw. sogar Vorschrift? 2. Strommessung: Zur Ermittlung der Leistung muss der Strom des Verbrauchers gemessen werden. Das kann wohl über mehrere Methoden gemacht werden: - durch einen Shunt, wie in einem herkömmlichen Multimeter (keine galvanische Trennung) - mit Hilfe einer Spule, durch die eine Leitung des Verbrauchers geführt wird - mit Hilfe von Hall-Sensoren, was mir etwas aufwendig erscheint Als einfachste Lösung erscheint mir die Spule um eine Leitung zum Verbraucher, da hier ein paar Windungen, die man per Hand um den Leiter wickelt ausreichen sollten oder? Durch einen Operationsverstärker könnte die entstehende Spannung dann so verstärkt werden, dass diese mit dem AD-Wander des Mikrocontrollers messbar und auswertbar ist. Welche Lösung haltet ihr für die sinnvollste? 3. Spannungsmessung: Des Weiteren muss die Netzspannung gemessen werden, um die effektive Leistung zu ermitteln. Dies würde ich im einfachsten Fall durch einen sehr hochohmigen Spannungsteiler mit einem Gleichrichter realisieren. Die entstehende Spannung könnte dann einfach durch den AD-Wandler des Mikrocontrollers ausgewertet werden, jedoch ist ohne weiteres auch keine galvanische Trennung möglich ist. Hier wieder die Frage, ob eine galvanische Trennung notwendig, erforderlich bzw. sinnvoll ist. Welche Möglichkeiten habe ich noch, die Netzspannung mit einem Mikrocontroller zu messen? Wie realisiere ich eine galvanische Trennung, falls diese erforderlich ist? 4. Leistungsermittlung: Wenn ich nun mit dem Mikrocontroller die ungefilterten Werte für Spannung und Strom ermittelt habe, wie kann ich daraus die effektive Leistung berechnen, für die ich auch bezahle? Oder macht es Sinn Strom und Spannung durch einen Filter stark zu mitteln, dass der Mikrocontroller nur noch den Strom mit der Spannung multiplizieren muss? Wäre das Produkt daraus die effektive Leistung? 5. Schalter/Dimmer: Zum Schalten des Verbrauchers reicht normalerweise ein Relais, allerdings würde ich ungern ein Relais auf Grund der Größe, der Schaltgeräusche und des Verschleiß verwenden. Aus diesem Grund erscheint mir ein Triac der von Mikrocontroller über einen Optokoppler angesteuert wird am sinnvollsten. Dieser wäre dann auch in der Lage den Verbraucher zu dimmen. Gibt es weitere Möglichkeiten? Wenn ich das richtig verstanden habe müsste ich zum Dimmen des Verbrauchers: - zum einen den Nulldurchgang der Netzspannung feststellen, was entweder mit der Spannungsmessung (ohne Mittelwertbildung) möglich wäre oder durch eine separate Schaltung, so dass der Miktrocontroller bei jedem Nulldurchgang einen Interrupt bekommt - zum anderen müsste ich feststellen, ob es sich bei dem Verbraucher um eine induktive oder capazitive Last handelt, damit entweder das Phasenabschnitt- oder das Phasenanschnitts-Verfahren angewendet werden kann. Wie kann eine induktive bzw. capazitive Eigenschaft des Verbrauchers ermittelt werden? Ist dies mit der Spannungs- und Strommessung (ohne Mittelwertbildung) möglich, indem der Mikrocontroller auswertet, wie Strom und Spannung zueinander in der Phase verschoben sind? So, ist ne ganze Menge Text geworden. Ich würde mich freuen, wenn sich jemand bereit erklärt mir die ganze Sache etwas näher zu bringen. Insbesondere ist mir wichtig zu wissen, in wie fern die ganze Schaltung vom Netz galvanisch getrennt sein sollte. Vielen Dank schonmal. lg, Chris
Bevor Du der Erfinder des Zweitfahrrades wirst, schau mal zu www.elv.de was dort schon brauchbares zu finden ist.
Ja es gibt bestimmt sowas in der Art, aber um mich in dieser Richtung etwas weiter zu bilden, wollte ich das schon ganz gern selber mal Versuchen.
Stromversorgung mit einem Kondensatornetzteil, die ganze Schaltung auf Netzpotential und die Ein-/Ausgänge über Optokoppler. http://de.wikipedia.org/wiki/Kondensatornetzteil Strommessung hängt sehr vom zu messenden Strom ab. Kleine Leistungen mit Shunt, höhere induktiv. Spannungsmessung mit dem eingebauten AD-Wandler. Die Leistung U I cos phi mit einem Controller ausrechnen. Der Phasenwinkel phi kann über die Zeitverschiebung zwischen Strom und Spannung gemessen werden. Phi >0 heisst induktiv. Schalten mit einem Triac. Das ganze in die Größe eines Lichtschalters zu kriegen wird das größte Problem sein.
Pink Shell schrieb:
> Schalten mit einem Triac.
Mit einem Triac ist nur eine Phasen-ANSCHNITTsteuerung realisierbar.
Einige Komponenten brauchen aber zum Dimmen eine ABSCHNITT-Steuerung;
das ist nur mit einem HV-FET (mit Gleichrichter davor) zu realisieren.
Danke für deine Antwort. Das hilft mir schonmal einiges weiter. Ja, das ganze in eine unterputzdose zu bekommen wird nicht einfach. Ich habe mir vorgestellt zwei aufeinandersteckbare Platinen zu entwickeln. Eine mit Netzteil, Triac, Strom- und Spannungsmessung, und auf der zweiten nur der Mikrocontroller mit allem was dazu gehört (Schnittstellen, e Reset-Schaltung, Quarz, Taster...) Was genau meinst du mit: ... die ganze Schaltung auf Netzpotential und die Ein-/Ausgänge über Optokoppler ? Wäre die Schaltung nicht wesentlich sicherer, wenn die Schaltung geerdet, also auf PE geschaltet, wird? Ich denke die maximale Leistung sollte 3500 Watt betragen, also eher eine induktive Messung per Spule. Dazu sollten doch sicher ein paar Wicklungen genügen. Den Strom würde ich über einen Widerstand leiten und die abfallende Spannung per OP verstärken und mit dem AD-Wandler des Mikrocontrollers messen. Problem ist nur, dass da ja auch negative Spannungen auftreten, die ein AD-Eingang nicht verkraften würden... Also muss das noch gleichgerichtet werden? Gleiches Problem bei der Spannungsmessung. Wie die Genauigkeit dann später sein wird, ist nicht so wichtig, schön wäre allerdings einen Unterschied zwischen einer 60 W und 100 W Glühbirne sehen zu können. Phi>0 heißt induktiv -> Phi<0 ist dann also kapazitiv?
@Spezi: Wie machen es denn so universelle Dimmer, die induktive, ohmische und kapazitive Lasten dimmen können? Ich meine mal gelesen zu haben, dass immer ein Triac verwendet wird, nur das Verfahren (Einschalt und Ausschaltzeitpunkt) ist anders.
Phasenabschnittdimmer benutzen MOSFETS, da man diese wieder rechtzeitig ausschalten kann. Mehr da http://download.gira.de/data2/elektronik-handbuch.pdf
1. Deine Stromversorgung muss nicht galvanisch getrennt sein, wenn Du die zur Datenübertragung genutzten Leitungen galvanisch trennst. Allerdings lassen sich die Datenleitungen einfacher z.B. per Optokoppler oder Übertrager trennen. Es reicht also Vorwiderstand/Kondensator, Gleichrichter, Z-Diode und ein Elko. 2-4. Strom und Spannung zu messen ist noch recht einfach. Wirkleistung ist schon ein wenig schwieriger. Vor allem, wenn es sich nicht um sinus-förmigen Strom handelt. Bei einer Phasenanschnittsschaltung ist es kein Sinus mehr. Du musst also, um möglichst nah an den richtigen Wert heranzukommen, in möglichst kleinen Abständen Strom und Spannung messen, mit Vorzeichen multiplizieren und die einzelnen Werte eines bestimmten Zeitraums aufaddieren. Bei der Messung musst Du berücksichtigen, daß Du sowohl positive, als auch negative Spannungen messen musst. Gleichrichtung ist nicht angesagt, da Du diese Information benötigst! Bei der Spannungsmessung hättest Du dann auch gleich den Nulldurchgang. Es gibt Stromwandler (z.B. LTS 15-np - danach googlen), diese liefern eine Ausgangsspannung zwischen 0 und 5V bei 2,5V ohne Stromdurchfluss. Der schafft 15A und arbeitet mit einem Hallsensor (misst also auch Gleichstrom) Allerdings denke ich, daß ein Shunt reicht. Du musst dann eben nur mit ein paar Widerständen dafür sorgen, daß sowohl Spannnung, als auch Strom mit einem Offset von 2,5V beim uC landen. 5. Wenn Du den uC direkt aus dem Netz betreibst, benötigst Du auch keine galvanische Trennung zum Leistungsteil (Triac) Eine kapazitive Last liegt vor, wenn der Strom der Spannung voreilt, induktiv ist es umgekehrt. Christoph Bechtel schrieb: > Wäre die Schaltung nicht wesentlich sicherer, wenn die Schaltung > geerdet, also auf PE geschaltet, wird? Nimmt sich nichts. Und normale Dimmer stehen auch komplett unter 'Saft'. Nur die Schnittstellen sollten dann galvanisch getrennt sein. Halte ich aber für einfacher machbar, als eine Stromversorgung und die Ansteuerung des Leistungsteils galvanisch zu trennen. Gruß Jobst
Hallo Jobst, vielen Dank für deine Antwort. Damit hast du mir so einige Fragen beantwortet. Bezüglich der galvanischen Trennung habe ich gedacht, es ist vielleicht einfach sicherer, falls man doch mal etwas von der Steuerelektronik berührt. Ich mein, dass man den AC Teil nicht anfassen sollte ist ja klar, aber beim DCC Teil mit 5Volt neigt man gerade beim rumexperimentieren leicht dazu einfach mal mit demm Finger zu testen, wie warm der Mikrocontroller ist. Wäre nicht schön, wenn man dabei eine gewischt bekommt oder die ganze Schaltung zerstört wird. Ansonsten ist es natürlich ohne galvanische Trennung einfacher zu realisieren und im Fall von Funk als Verbindung benötigt man nicht mal dort eine galvanische Trennung. Um nochmal auf die AC/DC Wandler von PEAK (siehe Link oben) zurück zu kommen. Haben diese eine galvanische Trennung? Im Datenblatt habe ich nichts dazu gefunden. Was haltet ihr von AC/DC-Wandlern? Bieten auch andere Hersteller sowas an? Ich denke die Strommessung mit einem Stromwandler ist wirklich am sinnvollsten, da muss dann nur ein Offset mit Widerständen erzeugt werden und dann kann der Mikrocontroller das direkt digitalisieren. Aber wie geht eine Spannungsmessung von statten? Ich kann mir da momentan nicht vorstellen, wie eine solche Schaltung aussehen müsste, vor allem weil ja auch das Vorzeichen benötigt wird. Kann mir jemand weiterhelfen, wie man 230V AC Spannung mit dem AD-Wandler eines Mikrocontrollers misst, mit und ohne galvanische Trennung? Gruß, Chris
Achso, bezüglich der Dimmerschaltung habe ich in dem von oszi40 genannten Dokument herausgefunden, dass Universaldimmerschaltungen, die für induktive, kapazitive und ohmsche Lasten geeignet sind aus zwei entgegengesetzt geschalteten MOSFETs bestehen, die je nach Lastart (wird beim (ersten) Einschalten ermittelt) entweder als Phasenabschnitt oder Phasenanschnitt betrieben werden. Wie so eine Schaltung im Detail aussieht, weiss ich noch nicht, aber ich hoffe dazu finde ich noch Informationen. Wenn also jemand solch eine Schaltung selbst entwickelt hat oder mal wo gesehen hat, würde mich freuen einen lick darauf werfen zu können. lg, Chris
Christoph Bechtel schrieb: > Hallo Jobst, > > vielen Dank für deine Antwort. Damit hast du mir so einige Fragen > beantwortet. > Bezüglich der galvanischen Trennung habe ich gedacht, es ist vielleicht > einfach sicherer, falls man doch mal etwas von der Steuerelektronik > berührt. Ich mein, dass man den AC Teil nicht anfassen sollte ist ja > klar, aber beim DCC Teil mit 5Volt neigt man gerade beim > rumexperimentieren leicht dazu einfach mal mit demm Finger zu testen, > wie warm der Mikrocontroller ist. Wäre nicht schön, wenn man dabei eine > gewischt bekommt oder die ganze Schaltung zerstört wird. > Ansonsten ist es natürlich ohne galvanische Trennung einfacher zu > realisieren und im Fall von Funk als Verbindung benötigt man nicht mal > dort eine galvanische Trennung. Solange Du an dem Teil herumentwickelst, benutzt Du selbstverständlich einen Trenntrafo ;-) Und wenn Du die CPU-Temperatur haben möchtest, kannst Du ja noch einen Temperatursensor mit aufs Board packen ... Mir ist noch eingefallen, daß man die Datenübertragung ebenfalls nicht galvanisch zu trennen braucht. Die Datenleitungen liegen auch schon. Man muss die Daten nur auf die Netzleitung hochfrequent aufmodulieren. ;-) > Ich denke die Strommessung mit einem Stromwandler ist wirklich am > sinnvollsten, da muss dann nur ein Offset mit Widerständen erzeugt Nein, die bringen den Offset schon mit. > werden und dann kann der Mikrocontroller das direkt digitalisieren. > Aber wie geht eine Spannungsmessung von statten? Ich kann mir da > momentan nicht vorstellen, wie eine solche Schaltung aussehen müsste, > vor allem weil ja auch das Vorzeichen benötigt wird. > Kann mir jemand weiterhelfen, wie man 230V AC Spannung mit dem > AD-Wandler eines Mikrocontrollers misst, mit und ohne galvanische > Trennung? Einen Widerstand zur zu messenden Spannung, einen zu 5V, einen zu Masse. Die beiden zuletzt genannten sind gleich groß. So ähnlich läuft es bei einem Shunt dann auch ab. Gruß Jobst
Schau Dir den Chip STPM01 an und die dazugehörige Dokumentation (Datenblatt, Appnotes) an: http://www.st.com/stonline/books/ascii/docs/10853.htm Auch wenn Du den Chip nachher nicht verwendest, kannst Du Dir einiges davon abschauen. fchk
Hallo, danke für die vielen Antworten und Anregungen. Ich habe mir mal die Phasenabschnittsdimmer-Schaltung DI 300 von ELV genauer angeschaut und denke, dass ich den eigentlichen Dimmerteil sowie den Stromversorgungsteil so oder so ähnlich auch für meine Schaltung verwenden kann. Zu finden ist die Schaltung hier: http://www.elv-downloads.de/service/manuals/DI300/37378-DI300.pdf - Seite 5 Allerdings habe ich zu der Schaltung ein paar Fragen: 1. Die Versorgungsspannung für den IC wird über drei Widerstände, einer Diode, einer Zener-Diode, einem Kondensator und nachgeschaltetem Spannungsregler erzeugt. Die 10V für den Spannungswandler bleiben doch nur erhalten, solange der FET nicht durchschaltet. Schaltet der FET durch baut sich die Spannung nach und nach ab und der IC hat irgendwann keine Versorgungsspannung mehr, sprich, wenn ich mit dem Dimmer eine Lampe dauerhaft einschalten will, reicht die Spannung irgendwann nicht mehr aus um die Steuerlogik zu betreiben. Oder sehe ich das irgendwie falsch? 2. Ich hatte mir gedacht, dass die 10V vom Mikrocontroller gemessen werden müssten und gelegentlich wenigstens für einen kurzen Augenblick die Last abgeschaltet werden, um den Kondensator zu refreshen. Wäre das eine Lösung (falls das Problem überhapt besteht)? 3. In der Schaltung vom DI 300 muss die Stromversorgung nur einen IC mit wahrscheinlich wenigen mA versorgen. In meinem Fall wären es wohl um die 100 bis 200 mA. Reicht da eine Anpassung der drei "Vorwiderständen" und der Dioden auf eine höhere Verlustleistung? 4. Wie kann ich eine passende Dimensionierung berechnen? 5. Lässt sich die DI 300 Dimmerschaltung durch den Einsatz eines Mikrocontrollers und einer Zero Crossing Detection neben Phasenabschnittsdimmer auch als Phasenanschnittsdimmer benutzen? Der Mikrocontroller soll über eine Strom und Spannungsmessung ermitteln um welche Last (induktiv oder kapazitiv) angeschlossen ist und dementsprechend das richtige Verfahren wählen. Lieben Gruß, Chris
D6 verhindert die Entladung von C4, wenn der Mosfet angesteuert wird. >In meinem Fall wären es wohl um die >100 bis 200 mA. Reicht da eine Anpassung der drei "Vorwiderständen" und >der Dioden auf eine höhere Verlustleistung? Das wir nichts werden. Solche Sachen kann man nur bei kleinen Strömen machen, sonst hast Du in der Schalterdose eine höhere Leistung umzusetzen als am Verbraucher...;-) MfG Paul
Hallo Paul, ja, natürlich verhindert die Diode D6 eine Entladung von C4, aber ich meinte wenn der FET dauerhaft schaltet (Lampe brennt ungedimmt), dann wird C4 doch nie wieder aufgeladen und entläd sich, da der IC etc mit Strom versorgt werden muss. Was heißt kleinere Sachen? Eventuell riechen mir auch 20mA aus, wo liegt da ungefähr die Grenze? Eine alternative mit wenig Schaltungsaufwand wäre also nur ein Kondensatornetzteil, oder was kann man noch machen?
Dann kann es nicht so sein, daß der Mosfet dauerhaft "offengehalten" wird. Man käme ja sonst aus diesem Zustand nicht wieder heraus. Mit 200mA wird es mit einem Kondensatornetzteil auch nicht gehen. Der Kondenstor müßte ja eine recht hohe Kapazität haben und wird dann mechanisch so groß, daß er nicht mehr in eine Schalterdose passt. Xc=1/(2*Pi*f*C) Ein Trafo ist ebenfalls mechanisch zu groß dafür. Die Devise kann nur sein: In der Steuerung so wenig wie möglich Strom zu ziehen, so daß man mit der o.g. Schaltung auskommt respektive einen Vorschaltkondensator mit kleinerer Kapazität braucht. MfG Paul
Hey ihr, Ich denke dass ein schaltnetzteil evtl. recht große Streuungen hat und den controller beeinflussen könnte. Zur dimmung: wenn du nur einen Lichtschalter ersetzen willst, kannst du doch einfach die Paket-Abschnitt-Steuerung anwenden. Also nicht die Phase anschneiden sondern nur pro Sekunde eine bestimmte Anzahl der Wellen durchlassen. Beim messen der Spannung würde ich ein optokoppler mit ad-wander einsetzen, zur galvanischen Trennung. Also möchtest du wirklich deine Stromleitung abisolieren zur Messung vom Strom? Ich denk da hat deine Versicherung was dagegen, wenn dir dein Stromnetz anfängt zu fackeln *g Falls du weiter kommst, sag bescheid- bin an sowas ähnlichem. Grüße fabi
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