In https://www.mikrocontroller.net/articles/230V#Galvanisch_getrenntes_Abfragen_von_230V_Wechselspannung ist ein Kondensatornetzteil (kapazitiver Blindwiderstand) für die LEDs im Optokoppler beschrieben. Ich möchte das Vorhandensein von Netzspannung mit einem Mikrocontroller detektieren (innerhalb 100 ms). Dazu reichen eigentlich auch 50/100 Hz Pulse, und damit auch effizientere Nulldurchgangsdetektoren, die den Optokoppler nur um den Nulldurchgang einschalten. Ich möchte aber den Schaltungsaufwand minimieren, und den Sicherheitsanforderungen entsprechen (welche sind das?). Ein Relais oder ein Trafo ist mir nicht effizient genug, Schaltnetzteile/Spannungswandler (recom, meanwell, murata) sind mit > 200 ms "setup time" zu langsam. Wobei, Traco gibt für tmps-03 < 200 ms an (150 mW @ no load, aber <25A inrush current). Im Artikel wird zwar die Nennspannungsfestigkeit der Bauteile berücksichtigt (230VAC+-10% -> 357,79 Vpp) aber Störungen und Fehlerfälle werden nicht betrachtet. Fehlt z.B. nicht eine (Schmelz)Sicherung? Wann ist eine Temperatursicherung erforderlich? Was ist bei Spannungsspitzen, wenn die 4x200 V der Widerstände überschritten werden? Muss der Kondensator ein X-Typ sein? Ich würde die Schaltung und ein Layout mit KiCAD erstellen und hier hochladen. Standard: FR4 1,6 mm Abstände: https://www.mikrocontroller.net/articles/Leiterbahnabst%C3%A4nde 3 mm primär und 6 mm am Optokoppler Einbau berührsicher in Kunststoffgehäuse mit Zugentlastung für Leitungen (bzw. Kabelverschraubung). Der Optokoppler muss IEC/EN/DIN EN 60747-5-2 bzw. VDE 0884-2:2003-01 entsprechen. HCPL-814-x60E tut dies. Am Ausgang sind ca. 100 uA erforderlich, bei 20% CTR müsste 0.5 mA IF ausreichen - und dies nicht ständig. Bei min. 300 V Spitze dürfte ein Blindwiderstand von ca. 600 kOhm (10 nF) ausreichen?
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Vor ein paar Tagen wurde gerade ausführlich über diverse 230V Front Ends diskutiert. Um wie viele Leitungen geht es bei dir? Falls es mehr als ein paar wenige sind, lass den ganzen Optokopplerzirkus weg und verwende eine einzige isolierte serielle Datenübertragung. Beitrag "Optokoppler an 230VAC" Beitrag "Optokoppler 230V Ansteuerung"
Einzelstück. In den genannten Threads sehe ich nichts zur Sicherheit, ausser Nennspannung und Leistung und .. ok .. 10 kV Impulse. Dieter D. schrieb: > die Widerstände R1 und > R2 zugleich eine Schutzfunktion ähnlich einer Sicherung übernehmen > müssen, wenn der Elko durchlegiert. Das müssen Typen sein, die beim > Durchbrennen nicht niederohmig werden und bleiben. Ansonsten sprengt es > den OK.
Ähh schrieb: > Ich möchte aber den Schaltungsaufwand minimieren, und den > Sicherheitsanforderungen entsprechen (welche sind das?). > Ein Relais oder ein Trafo ist mir nicht effizient genug, Es gibt Trafos mit weniger als 0.4 Watt Verlustleistung. Die erfüllen auf 24x22mm ohne zusätzliche Bauteile alle Sicherheitsanforderungen: www.gerth-trafo.de, Baureihe 153, z.B. bei ELV ab Lager Noch weniger Verluste, aber größer: www.marschner.com, Baureihe VN30.12 > Fehlt z.B. nicht eine (Schmelz)Sicherung? Genau genommen ja, siehe unten. > Was ist bei Spannungsspitzen, wenn die 4x200 V der Widerstände > überschritten werden? Verteilt sich die Spannungsspitze überhaupt gleichmäßig auf alle vier? Ich hätte zu ein bis zwei größeren mehr Vertrauen. > Muss der Kondensator ein X-Typ sein? Egal ob muss, warum sollte man darauf verzichten? Die sind selbstheilend, für Dauerbetrieb am Netz gemacht und haben den Stempel. Es gibt welche mit eingebautem Widerstand zur Strombegrenzung, z.B. Kemet P409, ehemals Rifa PMR209. > Abstände: > https://www.mikrocontroller.net/articles/Leiterbahnabst%C3%A4nde > 3 mm primär und 6 mm am Optokoppler warum nur 6mm? Der Optokoppler gibt doch auch 8mm her, damit wäre alles abgedeckt. Mit SMD-Gehäusen gibt es nur auf einer Platinenseite 230V. > Einbau berührsicher in Kunststoffgehäuse gibt es berührbare Stecker oder Kabel auf der isolierten Seite? > Der Optokoppler muss IEC/EN/DIN EN 60747-5-2 bzw. VDE 0884-2:2003-01 > entsprechen. HCPL-814-x60E tut dies. Am Ausgang sind ca. 100 uA > erforderlich, bei 20% CTR müsste 0.5 mA IF ausreichen Das erscheint mir sehr knapp, die 20% sind bei 25°C, 1mA und 5V Vce spezifiziert. Bei kleinerem Strom sind es keine 20% mehr. Wenn er bis auf unter 1V durchschalten soll oder wenn er warm wird, wird es nochmal weniger. Man kann aber mit den 100uA nicht weiter runter, weil bei 60°C schon mal 10uA Leckstrom fließen. Der SFH6286 hat in der Hinsicht ein wenig mehr Reserve. Und es gibt "Safety and Insulation Ratings", davon liest man selten etwas. Da geht es z.B. darum, dass die Isolation schmilzt, wenn man die LED (oder den Transistor) überlastet. Die ist mit 0.4mm zwar ziemlich dick, aber wohl nicht beliebig temperaturbeständig.
1 | As per IEC 60747-5-5, § 7.4.3.8.1, this optocoupler is suitable |
2 | for “safe electrical insulation” only within the safety ratings. |
3 | Compliance with the safety ratings shall be ensured by means |
4 | of protective circuits. |
Zum Beispiel durch eine Sicherung, die verhindert, dass mehr als 275mA durch die LED fließen. Mit einem Trafo ist in jeder Richtung mehr Luft...
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Bauform B. schrieb: > Es gibt Trafos mit weniger als 0.4 Watt Verlustleistung. Die erfüllen > auf 24x22mm ohne zusätzliche Bauteile alle Sicherheitsanforderungen Ich überlege es mir, dennoch möchte ich den erforderlichen Aufwand für die Lösung mit Optokoppler klären. Bauform B. schrieb: > Verteilt sich die Spannungsspitze überhaupt gleichmäßig auf alle vier? > Ich hätte zu ein bis zwei größeren mehr Vertrauen. Weiß ich auch nicht. Ist aber ein guter Punkt. Also an jede Leitung einen, mit welcher Spannungsfestigkeit? Nennspannung oder Spannungsspitzen (kV)? Und wonach richtet sich der Wert? Zulässiger Impulsstrom durch den Optokoppler? Ansprechverhalten (Ladezeit Kondensator)? Bauform B. schrieb: > Egal ob muss, warum sollte man darauf verzichten? Die sind > selbstheilend, für Dauerbetrieb am Netz gemacht und haben den Stempel. > Es gibt welche mit eingebautem Widerstand zur Strombegrenzung, z.B. > Kemet P409, ehemals Rifa PMR209. Es geht um's Verständnis. Und ggf. um die Baugröße. Was kann passieren, wenn's kein X2 ist? Kurzschluss? Feuer? Die Kemet/Rifa gibt's erst ab 44 nF. Bauform B. schrieb: > warum nur 6mm? Der Optokoppler gibt doch auch 8mm her, damit wäre alles > abgedeckt. Mit SMD-Gehäusen gibt es nur auf einer Platinenseite 230V. Offenbar das Minimum, mehr geht immer. Bauform B. schrieb: > gibt es berührbare Stecker oder Kabel auf der isolierten Seite? Das Ausgangssignal bzw. die Schaltung, die es nutzt, ist im Normalfall auch berührgeschützt. Hintergrund der Frage? Bauform B. schrieb: > Das erscheint mir sehr knapp, die 20% sind bei 25°C, 1mA und 5V Vce > spezifiziert. Bei kleinerem Strom sind es keine 20% mehr. Dann verstehe ich das Datenblatt nicht. https://www.mouser.de/datasheet/2/678/av02-0771en-1827689.pdf Gemäß Figure 5. ist bei 0.5 mA Forward Current das CTR über 30%, das wären 150 uA. Aber das ergibt nur für den "A Rank" Typen Sinn. Also ein Sch... Datenblatt. > Option datasheets are available. Contact your Avago ... Da gibt's dann vielleicht auch Hinweise zur IEC/EN/DIN EN 60767-5-2. Aber meine Fragen stehen auch mit besseren Optokopplern / CTR. Bauform B. schrieb: > Zum Beispiel durch eine Sicherung 5x20 Glassicherungen gibt's offenbar ab 20 mA. Für den Normalbetrieb damit müsste der Serienwiderstand auf etwa 18 kOhm erhöht werden. Oder ein Mittelding mit 32 mA träge.
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Mal ein Schaltplan mit Sicherung und Varistor. Bauteilwerte und Spannungen sind offen. Nehmen wir erstmal 1 mA für den Optokoppler an...
Ähh schrieb: > Ein Relais oder ein Trafo ist mir nicht effizient genug, Dann sind Optokoppler auch nicht geeignet. Zudem sollte man nicht vergessen, das Optokoppler altern.
Harald W. schrieb: > Dann sind Optokoppler auch nicht geeignet. Zudem sollte man nicht > vergessen, das Optokoppler altern. Ca. 12 mW mit den Werten aus Beitrag "Re: Optokoppler für 230V" Vs. 350 mW beim Trafo. Zur Alterung steht im Datenblatt tatsächlich nichts. Bei einem Bruchteil des Maximalstroms sollte es nicht ganz so schnell altern. Bei meiner Anwendung genügt eine Lebensdauer von 2000 h.
Ähh schrieb: > Harald W. schrieb: >> Dann sind Optokoppler auch nicht geeignet. Zudem sollte man nicht >> vergessen, das Optokoppler altern. > > Ca. 12 mW mit den Werten aus > Beitrag "Re: Optokoppler für 230V" > > Vs. 350 mW beim Trafo. Auch bei einem Trafo kann man durch einen Vorwiderstand den Strom fast beliebig runterdrücken. Ich halte einen Trafo auch für deutlich zuverlässiger als einen Optokoppler.
Ähh schrieb: > Mal ein Schaltplan mit Sicherung und Varistor. Alles Unsinn. Im Netz könnte es Überspannungen bis 1500, 2500 oder 4500V heben je nach Position. Eine Optokoppler-LED hält i.A. 1A kurzfristig aus. Ein Vorwiderstand für z.B. 1mA bei 230V~ (230k) reicht also als Schutz für die LED für 230kV Überspannung. Die (z.B. 2.5kV) liegen am Widerstand an, braucht man dafür 13 0805er in Reihe ? Kann passieren, normale 0805 halten 150V dauerhaft und nur 200V peak aus https://www.modelithics.com/models/Vendor/Panasonic/ERJ2GE0R00X.pdf Aber es gibt bessere: https://www.ohmcraft.com/uploads/WP_HighVoltageChipResistors.pdf Da tun's dann 4. Bei der simplen Schaltung ohne Kondensator muss auch keine Überspannung für Kondensatoren (X2) kalkuliert werden. Der failure mode für Widerstände ist open circuit, eine Sicherung ist auch unnötig. Es kommt halt auf den Widerstand an.
Kann man so machen, reicht auch. Alternativ für Energiesparfüxe: R1,R2 13k, R3,R4 2M2, C1 10n. Dann kann kein einzelnes Bauteil zu fatalem Ausfall führen.
MaWin schrieb: > Im Netz könnte es Überspannungen bis 1500, 2500 oder 4500V heben je nach > Position. Wo kann ich mich schlau machen? Normen? Anwendung ist im Haus-Lichtnetz (kürzlich 240 VAC). MaWin schrieb: > Der failure mode für > Widerstände ist open circuit, eine Sicherung ist auch unnötig. > > Es kommt halt auf den Widerstand an. Was sind denn da die Stichworte bzw. Normen, damit ich passende suchen kann? MaWin schrieb: > Bei der simplen Schaltung ohne Kondensator muss auch keine Überspannung > für Kondensatoren (X2) kalkuliert werden. Wie macht man das denn? Helge schrieb: > für Energiesparfüxe: R1,R2 > 13k, R3,R4 2M2, C1 10n. Dann kann kein einzelnes Bauteil zu fatalem > Ausfall führen. Kannst du das bitte genauer ausführen? Wie kommst du auf 26k Serienwiderstand? 2 W eff. bei Kurzschluss von C oder U?
https://de.wikipedia.org/wiki/Spannungsqualit%C3%A4t https://de.wikipedia.org/wiki/%C3%9Cberspannung_(Elektrotechnik) https://www.beuth.de/de/norm/din-en-60664-1/102975565 Überspannungskategorie Kategorie II: Geräte mit Kaltgerätestecker, typische Haushaltgeräte, Elektrohandgeräte; Bemessungsstoßspannung 2500 V Kategorie III: direkt am Netz angeschlossene (fest installierte) Geräte; Bemessungsstoßspannung 4000 V Also 4kV, da ständig am Netz. Andererseits ist ein Überspannungsableiter installiert, der offenbar innerhalb 25 ns auf <1,5 kV limitiert. https://de.wikipedia.org/wiki/Transiente https://de.wikipedia.org/wiki/Elektromagnetische_Vertr%C3%A4glichkeit führt viele Normen auf... https://de.wikipedia.org/wiki/EMV-Pr%C3%BCfung > Die Prüfungen simulieren Netzspannungseinbrüche (englisch voltage dips), Einwirkungen von Schaltstörungen (englisch bursts), elektrostatischen Entladungen (ESD), Einkopplungen von Störungen von benachbarten Geräten und Blitzeinschlägen in der näheren Umgebung (englisch surges). https://www.friwo-shop.de/de/blog/ueberspannungsphaenomene-surge-und-burst Leider fehlen die Abbildungen > Die der Norm zugrundeliegende Impulsform für Stoßspannungen in Energienetzen hat eine Stirnzeit von 1,2µs bei einer Impulsdauer von 50µs (1,2/50µs) für die Leerlaufspannung sowie eine Stirnzeit von 8µs bei einer Impulsdauer von 20µs (8/20µs) für den Kurzschlussstrom. > Elektrogeräte der Schutzklasse II, die in Gebäuden eingesetzt werden, müssen eine Störfestigkeit gegen Stoßspannungen des Schärfegrads 3 aufweisen. > Prüfschärfegrad 3 > Prüf-Leerlaufspannung kV > Leitung – Leitung 1 > Leitung – Erde 2 https://ch.schurter.com/content/download/676318/13546304/file/Fachvortrag_Montena.pdf Leiterplattendesign bezüglich Burst und Surge Fachvortrag 23. März 2010 André Trabold Hat Abbildungen und Angaben zu den "Normimpulsen".
Anderes Problem: mit R1+R2 = 26k, wie von Helge vorgeschlagen, fließen im ungünstigsten Umschaltmoment jeweils (325V) 25 mA, und der Widerstand muss kurzzeitig 8,125 W wegstecken. Was ist davon zu halten? Aber mit 4x 6,8k 2W und 500 V müsste das ja gelöst sein. Schaltung für Simulation mit LTSpice (https://www.analog.com/en/design-center/design-tools-and-calculators/ltspice-simulator.html) im Anhang. Unfertiges KiCAD-Projekt im Anhang. Die Auswahl von Widerständen, die als Sicherung taugen, ist wieder ein anderes Thema, und die Auswahl überschaubar: https://www.vishay.com/resistors-fixed/fusible/ https://www.vishay.com/docs/49376/49376_pt9022.pdf https://www.mouser.de/ProductDetail/Vishay-Dale/CMF555K6000FKEK39/?qs=EU6FO9ffTwezoeBL9mjtfw%3D%3D https://www.mouser.de/datasheet/2/427/cmffuse-1762054.pdf https://www.powerelectronictips.com/fusible-resistors-vs-fuses-faq/ For Europe and international markets, fusible resistors must comply with IEC 60127-8 (in which the component is described as a fuse resistor). https://www.eevblog.com/forum/beginners/what-is-a-fuse-resistor/
Ähh schrieb: > Die Auswahl von Widerständen, die als Sicherung taugen, ist wieder ein > anderes Thema, und die Auswahl überschaubar: Das ist, realistisch betrachtet, ein Zertifizierungsthema. Mir ist noch kein Widerstand unter gekommen, der im Überlastungsfall zu einem Kurzschluss mutiert. Es sollte "lediglich" sicher gestellt sein, dass sich der Widerstand vor einem möglichen Auftrennen der Widerstandsschicht nicht so weit erhitzt, dass er in Flammen aufgeht, sich auslötet oder die Leiterplatte schädigt ;-)
Bähh schrieb: > "lediglich" sicher gestellt Ja, eben. Es wird ein (oder zwei, falls das für den Optokoppler einen Unterschied macht) x kOhm Widerstand gesucht, der Kilovolt erträgt, einige W kurzzeitig (Einschaltspitze, surge/burst), und im Fehlerfall die Leistung bis zum flammenlosen Durchbrennen erträgt. Zusammengepfuscht nach µc-Wiki, mit Teilen aus der Restekiste, wäre ja schnell gemacht. Aber bis die Auslegung ansatzweise normgerecht/sicher passt, die Teile beschafft, das Layout gemacht, und die Platine bestückt ist, sind Tage vergangen, und x Euro ausgegeben (In Kleinserie schafft man es vielleicht für 5 Euro Material). Ich werfe die Flinte ins Korn. Und ordere ein TMPS 03-103 für 13 Euro (ähnliches im Unterputzgehäuse mit Litzen, aber doppelter Preis: TIW 06-103). Das ist halb so groß wie mein angefanges Layout und in der gleichen Preisklasse wie eine "Relaisplatine bestückt 230V" (Relais 5 Euro, 650 mW). Ein Ökö-Printtrafo für 2 Euro braucht noch einen Gleichrichter etc.
Ähh schrieb: > mit R1+R2 = 26k, wie von Helge vorgeschlagen, fließen > im ungünstigsten Umschaltmoment jeweils (325V) 25 mA, und der Widerstand > muss kurzzeitig 8,125 W wegstecken. Das ist nicht schlimm. Der Widerstandskörper heizt sich halt ein paar us lang auf. Das gleiche gilt für die LED-Chips in den Optokopplern. Selbst durch Einschalten im schlechtesten Moment (z.B. Kontaktprellen) ist kein irreversibler Schaden zu erwarten. Deinen C3 kannst weglassen.
Danke euch für die Hilfe! Helge schrieb: > Das ist nicht schlimm. Der Widerstandskörper heizt sich halt ein paar us > lang auf. Das gleiche gilt für die LED-Chips in den Optokopplern. Selbst > durch Einschalten im schlechtesten Moment (z.B. Kontaktprellen) ist kein > irreversibler Schaden zu erwarten. Der OK verträgt bis 50 mA dauerhaft (abs. max.). Die gewählten Widerständen sind "pulse-rated" und können die 8 W offenbar locker über 1 s aushalten (ich glaube, in der Simulation waren es 300 us über 1 W). TE CRGP2512F6K8 https://www.mouser.de/datasheet/2/418/5/NG_DS_9-1773463-9_A-1358566.pdf Helge schrieb: > Deinen C3 kannst weglassen. Der "surge-absorber" parallel zu den Optokoppler-LEDs oder der "sekundäre" Filter-Kondensator? Ich habe 4kV pulse und surge nach Norm noch nicht simuliert. Für die Spannung müsste es dann wohl auch ein X1-Kondensator sein? Screenshots vom KiCAD-Projekt anbei. Erster Wurf. Die Fläche und damit die Kosten kann man sicherlich noch halbieren, wenn man beidseitig bestückt. Ich setze erstmal auf's ACDC-Modul, würde aber Material und PCBs für 3 Stück ordern (und 2 zu Materialkosten weitergeben), wenn hier jemand mitmacht. Die Störungen könnte man offenbar arbiträr aus Daten simulieren: https://electronics.stackexchange.com/questions/195403/spikes-surges-and-noise-sources-in-ltspice http://denethor.wlu.ca/ltspice/#pwl > The PWL source is a Piece Wise Linear function that you can use to create a wave form consisting of straight line segments drawn by linear interpolation between points that you define. Since you can use as many points as you want, you can create a very complex wave form This source type can be a voltage source or a current source. The syntax for this source type is flexible and has several optional parameters. The required parameters are two-dimensional points consisting of a time value and a voltage (or current) value. There can be many of these data pairs, but the time values must be in ascending order, and the intervals between time values need not be regular. oder > The PWL File source reads a file for Piece Wise Linear function parameters.
Kleinere Klemmen wären auch gut. Ich wollte Federkraftklemmen im 5,08 mm Raster von mouser ...
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Anbei ein Layout (einseitig bestückt) mit Wago 236-402 anstelle der Phoenix Contact Klemmen. Nach wie vor nicht mit burst und surge simuliert. Wie der Vorwiderstand dimensioniert wird (von Verlustleistung und Welligkeit des Stroms mal abgesehen) ist mir auch noch nicht klar. Leistung im Fehlerfall? Die 4 Widerstände ertragen jeweils nur 500 V, damit dürften 2,5 kV bzw. 4 kV nicht erreichbar sein. Immerhin mit Sicherung und 3mm Leiterbahnabstand ;-) Ich hätte gerne eure Meinungen zum Layout (Iso-Abstände und sonstige Patzer)!
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