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Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Steckdose per µC Schalten, kleiner Vergleich


Autor: Leo B. (luigi)
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Hallo zusammen,

ich bin mir dessen bewusst, dass es schon zig Forenbeiträge zum schalten 
einer normalen Schuko-Steckdose (220V 16A) gibt, (Schuko = 
Schutzkontakt) doch leider hilft mir keiner der Beiträge wirklich bis 
zum Schluss weiter.

Wie zu erwarten geht es darum mehrere Steckdosen (mittels einem AVR 
ATMega88 über einen DMX-Bus) ein und aus zu schalten. Dabei ist nicht 
bekannt, ob an der Dose eine induktive, kapazitive oder ohmsche Last 
hängen wird.

Da ich mir aber noch nicht sicher bin wie ich schalten möchte, werde 
ich mal anbei meine pro-con-Liste posten und auf Anregungen und Tips 
eurerseits hoffen. Vielleicht hat ja jemand Erfahrungen, die er mit mir 
teilen möchte.
Zur Liste:

# Als erster Punkt, das Relais :
+ einfach und sicher zu verbauen
+ geringer Widerstand/Verlust
+ mehr oder weniger geeignet für alle Arten von Verbrauchern
  (induktiv, kapazitiv, ohmsch)
- relativ unzuverlässig (Kontakte können "verkleben")
- permanenter Stromfluss durch die Magnetspule im eingeschalteten
  Zustand bei den üblichen monostabilen Relais
- relativ groß
- relativ teuer (~5€ pro geeignetes Relais soweit ich nicht
  falsch informiert bin)

# als zweites käme mir die Triak-Lösung wie bei den Dimmern
  (nur ohne Spule) in den Sinn:
+ klein, einfach, billig
+ quasi fertige Schaltungen (incl. Ansteuerung durch µC) im Netz
  verfügbar
- hoher Verlust speziell bei großen Lasten => Kühlung nötig
  => relativ groß
- soweit ich das gelesen und verstanden habe, nicht wirklich für
  induktive und kapazitive Lasten geeignet

# als drittes kam mir dann die FET-Lösung in den Sinn
  (2 FETs Antiseriell, Gates verbunden):
+ geringe Verluste => keine besondere Kühlung
+ sehr kleines, und langlebiges Konzept
+ bei bekannter Last sogar für Dimmer geeignet (was erstmal
  nicht geplant ist)
- soweit mir bekannt "trennen" FETs nicht zu 100%, was Kriechströme
  nach sich zieht.
- geeignete FETs könnten teuer werden.


Wär nett wenn ihr mich korrigieren, ergänzen, oder sonst irgendie 
Beratschlagen könntet.

Danke
MfG Leo



Am Rande: Fertige schaltbare Steckdosen (z.B. per Funk) kommen höchstens 
als Vorbild in Frage, ich will ja meinen Spaß und Erfolg auch selbst 
haben und Lernen will ich auch was dabei.

 Offtopic 
Zu meiner Person: ich bin 23 Jahre, studiere Elekrotechnik und bin mir 
ausdrücklich der Lebensgefahr beim Arbeiten mit und an Netzspannung 
bewusst.
Ich wäre euch dankbar wenn die durchaus angebrachten Warnhinweise in 
höchstens einem Link zu einem der zahlreichen Threats verpackt werden 
könnten.
Bei meinen Recherchen bis hierhin habe ich gefühlte 50% Warnungen 
gelesen und fühle mich daher diesbezüglich gut informiert. Auch 
eventuellen Nachbauern empfehle ich, sich erst der Lebensgefahr bewusst 
zu werden, bevor die Steckdose geöffnet wird.

Autor: Andreas D. (Gast)
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Nur so als Anregung mal das Stichwort „Solid-State-Relais“.

So eins z.B.:

http://www.reichelt.de/?ARTICLE=15439;PROVID=2028

Ist für viele Anwendungsfälle ganz gut geeignet. Aber das Für und Wider 
muss man halt von Fall zu Fall immer individuell abwiegen.

Anbei noch ein paar Gedenken die ich mir vor längerem mal dazu gemacht 
habe:

... Prinzipiell kann dies mittels zweier verschiedener Elemente 
erfolgen. Entweder mit einem klassischen Relais oder einem 
Halbleiterrelais (engl. solid state relay) auf Basis von Thyristoren 
beziehungsweise einem Triac (prinzipiell eine Antiparallelschaltung von 
zwei Thyristoren). Beide Methoden bieten unterschiedliche Vor- und 
Nachteile.

Bei einem Relais ist wegen dem niedrigem Kontaktwiderstand (100 mΩ) bei 
dem zu schaltendem Strom von 16 A der Verlust an den Kontakten mit ca. 
1,6 W noch relativ gering. Da es sich um ein mechanisches Bauteil 
handelt, unterliegt es natürlichem Verschleiß. Dies führt zu einer 
Lebenserwartung von ca. 100.000 Schaltvorgängen. Zusätzlich wird im 
angezogenen Zustand durch den Spulenwiderstand weitere Leistung 
verbraucht. Dies könnte durch Verwend-ung eines bistabilen Relais, bei 
dem ein kurzer Spannungsimpuls zum Umschalten genügt, vermieden werden. 
Bistabile Relais können jedoch für das Steckdosenmodul nicht eingesetzt 
werden, da Modelle mit vergleichbarer Schaltleistung über den 1 ½-fachen 
Platz benötigen.

Ein Solid-State-Relais auf Halbleiterbasis hat eine wesentlich größere 
Lebenserwartung, da es nahezu keinem Verschleiß unterliegt. Hinzu kommt 
die zu einem vergleichbar leistungsfähigem Relais geringere Baugröße 
(Faktor ca. 1:2). Der große Nachteil ist jedoch eine hohe 
Verlust-leistung. Durch den PN-Übergang ist ein Spannungsabfall von ca. 
0,7 V unvermeidbar, aus dem bei 16 A ein Verlust von ca. 11 W folgt. 
Diese Leistung müsste in Form von Wärme über einen ausreichend 
dimensionierten Kühlkörper abgeführt werden. Einzig der Schaltsstrom und 
der daraus resultierende Verlust sind gering.

Mit Halbleiterrelais besteht darüber hinaus die Möglichkeit, die 
Wechselspannung während des Nulldurchganges zu schalten, wodurch 
störende Impulse vermieden werden. Solid-State-Relais-Bausteine 
übernehmen diese Aufgabe völlig selbstständig. Das Schalten im 
Nulldurchgang muss also nicht durch eine spezielle externe Beschaltung 
realisiert werden. Durch die hohe Reaktionszeit (in der Regel in der 
Größenordnung von 20 ms) ist ein Schalten im Nulldurchgang bei Relais 
mit Magnetspule nicht möglich. ...


Wie gesagt alles nur so als Anregung.

P.S. Keine Garantie auf Vollständigkeit :-).

Autor: Paul2 (Gast)
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Kauf Dir einfach Funksteckdosen im Baumarkt und frickel das um.
Alle internen Signale liegen auf Netztpotential !
Daher ist es wichtig, eine saubere Isolation herzustellen.
Dazu sollte ein Optokoppler verwendet werden, der entsprechende 
Zulassungen hat, namentlich IEC/EN/DIN EN 60747-5-5 .

Das ist z.B. der  SFH615A-3X006 (Vishay), erhältlich bei RS Components.

Autor: Gonzo (Gast)
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Bei ELV gibt es einen Bausatz/Schaltplan zu dem Thema. Eventuell wäre es 
ja aufschlussreich diesen zu analysieren.

http://www.elv.de/Kleine-Spannung-schaltet-gro%C3%...

Autor: mr. mo (Gast)
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warum eigentlich immer 220V? ^^ also bei mir kommt 230V aus der 
steckdose, ist aber auch egal.

würde auch in richtung solid state relais tendieren, aber mal eine 
fertige funksteckdose auseinander zu bauen wird auch einen schritt in 
die richtige richtung sein :)

Autor: Maddin (Gast)
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Thema bistabile Relais:

Das mit der Größe passt so nicht, es gibt sie tatsächlich im gleichen 
Formfaktor. Die Aussage passt eher zum Preis, aber auch da gibt es eine 
Alternative:

http://www.pollin.de/shop/dt/Mjk1OTU2OTk-/Baueleme...

Das ist ein sehr leistungsfähiges und verhältnismäßig sehr günstiges 
Relais vom Markenhersteller.

m.

Autor: Maddin (Gast)
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@mr. mo

aus der Stecksose kommt höchstens ein Strom und das nur wenn man ein 
wenig nachhilft...

Eine Möglichkeit besteht darin den Finger in das richtige Loch zu 
stecken, dann haben wir hier auch gleich ruhe!

m.

Autor: David (Gast)
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Hallo Leo B.

> # als zweites käme mir die Triak-Lösung wie bei den Dimmern
>   (nur ohne Spule) in den Sinn:
> + klein, einfach, billig
> + quasi fertige Schaltungen (incl. Ansteuerung durch µC) im Netz
>   verfügbar
> - hoher Verlust speziell bei großen Lasten => Kühlung nötig
>   => relativ groß
> - soweit ich das gelesen und verstanden habe, nicht wirklich für
>   induktive und kapazitive Lasten geeignet

Wenn Du nur schaltest, nicht dimmst, sind induktive und kapazitive 
Lasten mit Triacs kein Problem.

> # als drittes kam mir dann die FET-Lösung in den Sinn
>   (2 FETs Antiseriell, Gates verbunden):
> + geringe Verluste => keine besondere Kühlung
> + sehr kleines, und langlebiges Konzept

Z.B. beim IPW60R045CP von Infineon wären das unter idealen Bedingungen
2 x 45mOhm x 16A = 1,44V Spannungsabfall x 16A = 23Watt. Das mußt Du auf 
jeden Fall wegkühlen.

> + bei bekannter Last sogar für Dimmer geeignet (was erstmal
>   nicht geplant ist)

Wenn man eine induktive Last abschaltet, in der gerade Strom fließt, 
dann will der Strom weiterfließen. Wenn er das nicht kann, entsteht eine 
hohe Spannungsspitze, die die MOSFETs zerstören könnte.
Bei gelegentlichen Schaltvorgängen, je nach Induktivität der Last, kann 
das wegen der Avalancheeigenschaften der MOSFETs gutgehen. Beim Dimmen, 
also ein Schalten in jeder Halbwelle, überleben die MOSFETs nicht lange.

> - soweit mir bekannt "trennen" FETs nicht zu 100%, was Kriechströme
>   nach sich zieht.

Eigentlich unter 100uA.

> - geeignete FETs könnten teuer werden.

Ja.

Ein weiteres Problem bei MOSFETs sehe ich im Kurzschlußfall. Je nach 
Netzimpedanz fließen da mehrere 100A. Ein Leitungsschutzschalter braucht 
einige Millisekunden zum Auslösen, eine Sicherung ist eher noch 
langsamer. Das überlebt ein MOSFET nicht, siehe SOAR-Diagramm im 
Datenblatt.

Triacs sind auf kurzzeitige (mehrere 10ms) Überströme ausgelegt und 
überleben den "abgesicherten" Kurzschluß.

David

Autor: Maddin (Gast)
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...man nehme IGBTs mit entsprechender Schutzbeschaltung und 
Gleichrichter.

http://www.pollin.de/shop/dt/MzkwOTY4OTk-/Baueleme...

m.

Autor: David (Gast)
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Hallo,

Maddin schrieb:
> ...man nehme IGBTs mit entsprechender Schutzbeschaltung und
> Gleichrichter.

Das würde bei 16A x (VCEsat 1,5V + (2 x 1V VF Diode)) 56 Watt 
Verlustleistung bedeuten.

Außerdem gilt beim IGBT im Kurzschlußfall das gleiche wie für einen 
MOSFET.
Siehe meinen Beitrag weiter oben.

David

Autor: Alexander Schmidt (esko) Benutzerseite
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Andreas D. schrieb:
> Bei einem Relais ist wegen dem niedrigem Kontaktwiderstand (100 mΩ) bei
> dem zu schaltendem Strom von 16 A der Verlust an den Kontakten mit ca.
> 1,6 W noch relativ gering.
100mΩ * (16A)^2 =25.6W nicht 100mΩ * 16A = 1,6V

Bei einem guten Relais liegt der Widerstand bei ca. 10mΩ und daraus 
resultierend 2,5 Watt.


> Ein Solid-State-Relais auf Halbleiterbasis hat eine wesentlich größere
> Lebenserwartung, da es nahezu keinem Verschleiß unterliegt.

Kein Verschleiß stimmt, aber dafür ist es bei Überstrom oder -spannung 
sehr viel schneller kaputt als ein Relais.

> Der große Nachteil ist jedoch eine hohe Verlust-leistung. Durch den
> PN-Übergang ist ein Spannungsabfall von ca. 0,7 V unvermeidbar,

Es sind zwei Übergänge und daher ca. 1,5V.

> P.S. Keine Garantie auf Vollständigkeit :-).
Stimmt

Autor: Leo B. (luigi)
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Danke, für euren top Beiträge. Herzlichen Dank.

Nach allem was ich lese muss ich mich offensichtlich, wie so oft, auf 
einen Kompromiss einlassen. Aber was erwarte ich, perfekte Bauteile muss 
ich halt erst noch erfinden ;)

Nun, bezüglich meines "Problems" bin ich zwar weiter aber noch nicht 
ganz am Ende. Also fest steht, dass offensichtlich industrielle Lösungen 
auf mechanische Relais setzen. Verständlich, die wollen i.d.R. auch 
keine unendliche Haltbarkeit.
Für mich kommen also nurnoch Relais in Frage.
Wobei ich mich mit den Halbleiterrelais noch nicht auskenne.
Im Wikiartikel
http://de.wikipedia.org/wiki/Relais#Halbleiterrelais
werden einem/mir im 2. Absatz OptoMOS- bzw. PhotoMOS-Relais recht 
schmackhaft gemacht. Mehr als den Artikel habe ich allerdings 
diesbezüglich noch nicht gelesen. Ich werde mich daher in diese Richtung 
erst einmal schlau machen.
Klingt aber eigentlich nach "meiner" Lösung.

Bzgl. des oben genannten maximalen Stroms werde ich dann wohl auch etwas 
zurück stecken. 16A brauche ich dann doch eher selten, ich werde mich 
daher eher in Richtung 8-12A Sicherungen umsehen. Für einen üblichen 
Haushalt mit Zentralheizung sollten 8-12A Sicherungen auch reichen (ich 
muss da mal meine Verbraucher zusammenrechnen).

Also vielen Dank bis hierhin nochmal.
Für weitere Anregungen bin ich gerne offen.

lg Leo

Autor: Harald Wilhelms (Gast)
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Leo B. schrieb:

> Da ich mir aber noch nicht sicher bin wie ich schalten möchte, werde
> ich mal anbei meine pro-con-Liste posten und auf Anregungen und Tips
> eurerseits hoffen. Vielleicht hat ja jemand Erfahrungen, die er mit mir
> teilen möchte.
> Zur Liste:
>
> # Als erster Punkt, das Relais :
> + einfach und sicher zu verbauen

ACK

> + geringer Widerstand/Verlust

ACK

> + mehr oder weniger geeignet für alle Arten von Verbrauchern
>   (induktiv, kapazitiv, ohmsch)

ACK

> - relativ unzuverlässig (Kontakte können "verkleben")

Das würde ich so nicht sagen. Wenn man keine extremen Lasten,
z.B. 1000W-Lampen schaltet, ist die Zuverlässigkeit durchaus
vergleichbar. Für extreme Ansprüche an Sicherheit gibts ja
auch noch sog. Sicherheitsrelais mit zwangsgeführten Kontakten.

> - permanenter Stromfluss durch die Magnetspule im eingeschalteten
>   Zustand bei den üblichen monostabilen Relais

Nun, wenn die inzwischen <1W Ansteuerleistung stört, kann
man immer noch auf bistabile Relais übergehen. Da aber
die angezogene Zeit bei den meisten Anwendungen deutlich
geringer ist, als die abgefallene Zeit, lohnt sich das
im allgemeinen nicht.

> - relativ groß

Moderne Relais sind eher kleiner als Triac-Steuerungen,
insbesondere, wenn man noch den Kühlkörper mit berücksichtigt.

> - relativ teuer (~5€ pro geeignetes Relais soweit ich nicht
>   falsch informiert bin)

Nun, wenn man auf den Restpostenmarkt zurückgreift, gibts passende
Relais ab etwa 1EUR, sonst ab etwa 3EUR.

Ein weiterer Vorteil von Relais ist die absolute galvanische Trennung
und die einfache Möglichkeit für Mehrfachkontakte. Ausserdem noch
die zuverlässige Abtrennung im ausgeschaltetem Zustand.
Wenn man nicht dauernd im Abstand von wenigen Minuten grosse Lasten
schalten muss, gibts eigentlich keine Alternative zu modernen Relais.

> # als zweites käme mir die Triak-Lösung wie bei den Dimmern
>   (nur ohne Spule) in den Sinn:

(Die Spule dient nur zur Entstörung)

> + klein, einfach, billig

Das trifft nur auf kleine Lasten bis ca. 1A zu.

> + quasi fertige Schaltungen (incl. Ansteuerung durch µC) im Netz
>   verfügbar

Naja, da ist ein Relais ja wohl noch einfacher. Das einzige, was
man da als Anfänger vergessen kann, ist die Freilaufdiode.
Für Anfänger sehe ich es auch noch als kritisch an, das auch
die Ansteuerung 230V-Kriterien genügen muss. Die einzige
Alternative zu Relais mit ähnlich geringen Aufwand wäre ein
MOC3xxx-Ic bei Lasten von bis zu 0,5A.

> - hoher Verlust speziell bei großen Lasten => Kühlung nötig
>   => relativ groß

ACK

> - soweit ich das gelesen und verstanden habe, nicht wirklich für
>   induktive und kapazitive Lasten geeignet

Doch schon, aber nur mit schaltungstechnischen Zusatzaufwand.

> # als drittes kam mir dann die FET-Lösung in den Sinn
>   (2 FETs Antiseriell, Gates verbunden):
> + geringe Verluste => keine besondere Kühlung
> + sehr kleines, und langlebiges Konzept
> + bei bekannter Last sogar für Dimmer geeignet (was erstmal
>   nicht geplant ist)

Diese Lösung ist m.E. nur etwas für Spezialfälle. Gerade
wenn man sowas stör- und ausfallsicher bauen will, ist
noch Zusatzaufwand nötig. Auch die Ansteuerung ist nicht ganz
trivial.

> - soweit mir bekannt "trennen" FETs nicht zu 100%, was Kriechströme
>   nach sich zieht.

Das trifft auch auf Triacsteuerungen zu.

> - geeignete FETs könnten teuer werden.

Nun, FETs werden laufend billiger. Speziell für Spannungen bis 50V
sehe ich da je nach Schaltung gewisse Vorteile gegenüber Relais.

Relais haben den grossen Vorteil, das man sie problemlos einsetzen
kann, auch wenn man noch gar nicht weiss, was überhaupt geschaltet
werden soll. Da gibt es keine Alternative.

> Am Rande: Fertige schaltbare Steckdosen (z.B. per Funk) kommen höchstens
> als Vorbild in Frage, ich will ja meinen Spaß und Erfolg auch selbst
> haben und Lernen will ich auch was dabei.

Nun, der grosse Vorteil dieser Steckdosen ist, das sie auch von Laien,
die sich noch nicht mit 230V-Verdrahtung auskennen, problemlos
eingesetzt werden können.

> Zu meiner Person: ich bin 23 Jahre, studiere Elekrotechnik und bin mir
> ausdrücklich der Lebensgefahr beim Arbeiten mit und an Netzspannung
> bewusst.
> Ich wäre euch dankbar wenn die durchaus angebrachten Warnhinweise in
> höchstens einem Link zu einem der zahlreichen Threats verpackt werden
> könnten.

Eigentlich spielt die Art der Ausbildung da keine grosse Rolle.
Wichtig ist m.E. das man die relevanten Dinge wirklich von einer
Person direkt vor Ort gezeigt bekommt und nicht glaubt man könne
das in irgendwelchen Foren im Internet lernen. Ich habe den ersten
Kontakt zu 220V-Schaltungen ab einem Alter von etwa 10 Jahren durch
meinen Vater, einem gestandenen Elektromeister bekommen. :-)
Gruss
Harald
PS: Die in anderen Threads genannten Solid State Relais zähle
ich mit zu den Triac-Steuerungen. Sie sind nur etwas einfacher
in der Ansteuerung.

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