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?
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...
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.
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?
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.pdfHelge 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-ltspicehttp://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.
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)!
