6fach strommessender Binärausgang 230V 16A

Last modified by Florian Völzke on 2017/09/12 23:48

Features

  • 6 Schalt-Ausgänge 230V~ / 16A
  • mit großzügig dimensionierten Relais für lange Lebensdauer bei hohen Einschaltströmen (für Schaltnetzteile) bzw induktiven Lasten
  • Effektivwert-Strommessung je Kanal von 10mA bis 21A
  • Bistabile Relais
  • Stromaufnahme aus dem Bus nie größer 20mA
  • Handbedienung mit Zustandsanzeige
  • Umfangreiche Applikation als Schaltaktor mit
    • Zeitfunktionen
    • Preset
    • Szenen
    • Logik
    • Prioritäts- & Sicherheitsfunktionen
    • Grenzwert
    • Stromerkennung
    • Schalten abhängig vom Stromwert
    • Versand des Stromwerts über den Bus
    • Zustandsspeicherung bei Busspannungsausfall
    • Schaltvorgängen bei Busspannungsausfall oder Busspannungswiederkehr

Out6-cs vorne.jpg

Beschreibung

Der 6-fach Aktor passt in ein 6 TE Gehäuse. Um den Bus mit der Stromaufnahme bei Schaltvorgängen nicht außerordentlich zu belasten, wird Schaltenergie in großen Kondensatoren zwischengespeichert und die Relais werden mit einer ladungsabhängigen PWM geschaltet. Damit können auch viele Aktorkanäle einer KNX-Installation gleichzeitig geschaltet werden, ohne dass das KNX-Netzteil überfordert wird.
Als Controller kommt ein 4TE Top-Controller mit ARM LPC1115 zum Einsatz, der gleichzeitig auch die Taster und LEDs für die Handbedienung trägt.
Das Konfigurationsinterface dieses Gerätes ist kompatibel zum SA/S 8.16.6.1 von ABB (Version 3.2). Nur die Kanäle A bis F sind mit Funktion und nur in der Betriebsart "Schaltaktor" (kein Heizungsaktor).

Strommessung

Der Aktor hat eine Effektivwert-Strommessung. Der sinnvolle Messbereich beginnt etwa bei 7mA. Lasten von 1,6W können also bereits erkannt werden. Die obere Grenze des Messbereichs ist 21A bei sinusförmiger Stromaufnahme, was ausreichend Reserven auch für "hässlichere" Kurvenformen bedeutet. Die Auflösung des Messwerts ist 1mA, die Messungenauigkeit liegt bei 4% vom Messwert +/-5mA.

Die Art der Messung des Aktors ist elektrisch recht einfach und verlagert viele Probleme der Effektivwert-Messung in die Software. Der Strom durch die Ausgänge wird mit Stromwandlern gemessen, dies sind Transformatoren für Strom. Ein Strom von beispielsweise 1A auf Netzspannungsseite erzeugt einen Strom von 1A/1500=0,66mA auf der Sekundärseite. Dieser erzeugt über einen Widerstand einen Spannungsabfall, der dann gemessen wird. Um die Genauigkeit bei kleinen Strömen zu verbessern gibt es zwei Messbereiche mit unterschiedlichen Verstärkern vor zwei ADC-Eingängen des ARM-Controllers. Die Umschaltung der Messbereiche geschieht automatisch. Damit nicht 12 ADC-Eingänge für 6 Kanäle benötigt werden, werden die Signale durch einen Multiplexer geführt. Der Schlüssel für die genaue Effektvwert-Messung besteht darin, den momentanen Strom sehr oft zu messen, um auch sehr unregelmäßige und pulsförmige Kurvenformen korrekt zu erfassen. Aus den Messwerten wird dann der Effektivwert berechnet.

Dieses Prinzip ist von der Schaltungstechnik her viel einfacher als Schaltungen, die den Effektivwert rein elektronisch ermitteln. Es werden jedoch viele AD-Wandlungen benötigt und diese müssen auch verarbeitet werden. Der ARM-Controller ist dafür leistungsfähig genug.

Warnhinweis

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Vorsicht beim Arbeiten an 230V Netzstrom, es ist lebensgefährlich!

Die Ausgangskanäle sind für bis zu 230V Wechselspannung ausgelegt. Dies gilt sowohl für die Strommessung, als auch für die Trennung der Kanäle untereinander. Bei Gleichstrom funktioniert die Strommessung nicht.
Die Spannungsbegrenzung auf 230V erlaubt kein Schalten von unterschiedlichen Phasen auf benachbarten Kanälen. Ebenso darf keine Schutzkleinspannung einerseits und Netzspanungs andererseits an Nachbarkanälen anliegen.
Der Schaltkontakt stellt bei offenem Kontakt nur eine Funktionsisolierung her, das heißt zum sicheren Abschalten beispielsweise bei Arbeiten an der Installation muss die vorgeschaltete Sicherung abgeschaltet werden. (Dies gilt übrigens bei nahezu allen Schaltgeräten, ob käuflich oder Selbstbau.)

Besonderheiten bei der Zwischensspeicherung von Schaltenergie

Der große Vorteil des Konzepts ist, dass in einer Installation die maximal mögliche Anzahl gleichzeitig schaltbarer Ausgangskanäle nicht mehr abhängig vom Maximalstrom des Netzteils ist. Wird die Energie zum Schalten direkt aus dem Bus entnommen, so schlägt sich jeder Schaltvorgang unmittelbar auf dem Bus als kurze Stromspitze nieder. Bei gleichzeitig schaltenden Kanälen summiert sich dies und kann das Netzteil überfordern. Wenn man beispielsweise an eine "Alles Aus" Funktion für die Hausinstallation denkt, kann dieses Szenario vorkommen.
Um solche Probleme zu verhindern beschränkt die KNX-Spezifikation die maximale Stromaufnahme aus dem Bus rigoros.
Einen Nachteil der strengen Limitierung der Stromaufnahme vom Bus und der Zwischenspeicherung der Schaltenergie ist es, dass die Kondensatoren nach einer Anzahl von Schaltvorgängen entladen sind. Dann wird eine Nachladezeit benötigt, bis wieder ein Schaltvorgang ausgeführt werden kann. Das Schalten des Relais wird dann kurz verzögert. Der vorliegende 6-fach Aktor kann bei einer Busspannung von 28V Energie für 7 Schaltvorgänge speichern (bei höherer Spannung auch mehr). Sind die Kondensatoren entladen, kann ca jede Sekunde ein Schaltvorgang ausgeführt werden. Die Funktion "Schalten bei Busspannungsausfall" sollte sparsam eingesetzt werden, da für jeden so konfigurierten Kanal Energie für einen Schaltvorgang reserviert werden muss. Diese steht nicht mehr für den Normalbetrieb zur Verfügung. Je nach Anwendung kann die gewünschte Funktionalität auch über einen Schaltvorgang bei Busspannungswiederkehr realisiert werden.

Aufbau

Die notwendigen Bauteile sind in den Stücklisten (BOM, Bill of Material) aufgelistet. Da die Controller-Platine universell eingesetzt werden kann, sind weiter unten Hinweise für die gewählte Bestückung aufgeführt.

Als Werkzeug ist ein feiner Seitenschneider ohne Facette (wie z.B. Knippex 78 03 125) sinnvoll. Mit ihm können nicht nur Bauteildrähte abgelängt werden, sondern auch notwendige Modifikationen am Gehäuse vorgenommen werden.

Als Gehäuse wird das "HUT 6-C" von Reichelt verwendet. Durch die Anordnung der Klemmen ergibt sich bei der Montage auf einer Hutschiene folgende Ausrichtung: Die Schaltausgänge sind oben, die Busklemme unten. Von dieser Anordnung wird ausgegangen, wenn im folgenden von oben und unten geschrieben wird.

Modifikationen am Gehäuse

  • Im Unterteil müssen die beiden oberen Montagebolzen entfernt werden. Sie kollidieren ansonsten mit Lötstellen.
  • Ebenfalls im Unterteil befinden sich zwei Schlitze direkt dort, wo die Hutschiene hinter dem Gehäuse sitzen würde. Diese Schlitzen müssen großzügig mit mindestens 2 Lagen Isolierband abgeklebt werden. Die reine Luftstrecke zu Isolierung reicht nicht aus.
  • Im Oberteil des Gehäuses müssen die 4 Montagepunkte in der mittleren Etage vollständig entfernt werden. Sie kollidieren ansonsten mit den Lötstellen der Stromsensoren.
  • Ebenfalls im Oberteil müssen die beiden Rastschnapper abgeschnitten werden, die an der Seite mit den Schraubklemmen sind. Das Gehäuse muss danach zum Verschließen verschraubt werden.

Aufbau Controller-Platine

TopCtrl_top.jpgTopCtrl_bot.jpg

Die Controller-Platine hat verschiedene Bestückmöglichkeiten. Nachfolgend die Variante für den Schaltaktor:

  • als D9, D10 eine der Dioden: RB060M, PMEG6010CEH, STPS1L60, MBRS140
  • da die +3,3V Spannung auch die Referenzspannung für den ADC ist, sollten die Widerstände R2 und R5 1% Genauigkeit (oder besser) haben. Die Höhe der Spannung beeinflusst die Strommessung.
  • der 100µF Elko C7 bleibt unbestückt
  • LED1 mit R3 als Betriebsanzeige sind optional
  • Taster S1, S5 sind unbestückt
  • Alle Taster müssen sorgfältig mittig auf ihrer Bestückposition eingelötet werden. Ansonsten kann es sein, dass sie später im Deckel klemmen
  • die LEDs LED2, LED6 mit R6 und R10 sind für den Betrieb nicht notwendig, sie geben jedoch Debug-Informationen aus: LED6 leuchtet, wenn eine Applikation programmiert wurde. LED2 leuchtet, wenn der Schaltaktor im Normalbetrieb ist (Applikation programmiert, Spannungen stimmen, Startverzögerung abgelaufen)
  • für die Rückmessung der Busspannung wird der Lötjumper in Stellung 1-2 geschlossen. Das ist eine Brücke vom mittleren zu dem Anschluss, der in Richtung Mikrocontroller zeigt. R16 36kR 1%, R17 3kR 1%, D15 unbestückt, C11 10nF
  • S9, LED10 und R27 bleiben unbestückt
  • Der Verbinder P3 bleibt unbestückt
  • D13 bleibt unbestückt
  • wie im Schaltplan beschrieben, kann entweder der Oszillator oder das Quarz eingesetzt werden
  • Für den Programmierstecker wird eine abgewinkelte Stiftleiste eingesetzt. Dann reicht es, zum Programmieren die Platine einseitig aus den Haltern auszuklipsen und leicht anzuheben.

Aufbau out6-cs-ctrl

Bei der mittleren Platine des Sandwich, out6-cs-ctrl genannt, werden die Stromwandler T1 bis T6 erst später beim Zusammenbau der Platinen eingelötet. Auch die Elkos C14, C15 und C16 sollten vorerst noch nicht eingelötet werden.

Ctrl_Base.jpg

Aufbau out6-cs-base

Die Bestückung der unteren Platine ist bis jetzt nur mit den großen Relais HFE10 getestet worden. Wie bei der mittleren Platine werden hier die Anschlüsse für die Stromwandler erst beim Zusammenbau gelötet. Danach kann es notwendig sein, einige Leiterbahnen mit Kupferdrähten zu verstärken. Mehr dazu weiter unten.
Als Verbinder zum KNX-Bus kann eine Schraubklemme bestückt werden, dies ist die rechte Bestückposition X7. Werden Lötstifte eingesetzt, so wird einer bei P1 ganz links und einer zwei Löcher weiter rechts bestückt. Die Elkos C1 und C2 werden so bestückt, dass sie auf den ICs IC3 und IC4 zu liegen kommen.
Die überstehenden Drähte auf der Lötseite der Platine müssen auf ca. 1,5mm gekürzt werden. Ansonsten liegt die Platine nicht sauber unten im Gehäuse auf und der gesamte Aufbau wird dann zu hoch.

Zusammenbau und Bestückung der Stromwandler

Als erstes werden die Abstandshalter in die Platine out6-cs-ctrl eingeklipst. Dies sind in SLS-3D-Druck hergestellte Teile aus Polyamid. Der quaderförmige "Fuß" des Abstandshalters ist dann auf der Unterseite der Platine, der Rest auf der Oberseite. In die obere Ebene der Abstandshalter wird später die Controller-Platine eingeklipst. Der untere Teile der Abstandshalter bestimmt den richtigen Abstand zu den Relais. Dennoch sollte jetzt kontrolliert werden, ob genügend Abstand vorhanden ist: Wenn man die Platinen händisch zusammenhält, sollte zwischen den Betätigern der Relais und der Platine ein sichtbarer Spalt sein. Böse Falle: Beim HFE10 steht der Betätiger ein wenig weiter aus dem Gehäuse heraus, wenn das Relais ausgeschaltet ist. Das ist die Schaltstellung zu den Spulenanschlüssen hin. Sollte der Platz zu knapp sein, hilft z.B. die Zwischenlage von Isolierband.

Trafos-Draehte.jpg

Jetzt werden die Stromwandler vorbereitet: Wie in der out6_cs-base V1.1 BOM.csv steht, werden je Wandler ein 64mm Stück Aderleitung 1,5mm2 benötigt. An den Enden werden 6mm abisoliert. Über die Aderleitung wird ein 52mm Stück Isolierschlauch gezogen. Das ist notwendig, um eine ausreichende Isolierung zwischen der Netzspannung und dem KNX-Bus zu erreichen.
Zum Biegen des Drahtes wird ein kleines Hilfsmittel benötigt. Benutzt man nur die Stromwandler, um den Draht zu biegen, kann die Isolierung beschädigt werden. Betrachtet man die Stromwandler, so hat das Durchsteckloch auf einer Seite abgerunde Kanten, auf der anderen ist es jedoch scharfkantig (auf der beschrifteten Seite). Hier würde der Druck beim Zurechtbiegen des Drahtes die Isolierung beschädigen. Als sinnvoll hat sich ein Hilfsmittel aus einem Stück Platinenbasismaterial herausgestellt: Von einem kleinen Stück wird an einer Seite eine Seite zu einem Viertelkreis rundgefeilt. Die andere Seite wird nur kurz entgratet.

BiegehilfeBiegehilfe aus einem Stück BasismaterialStromwandler.jpgStromwandler mit zurechtgebogenem Draht

Beim Biegen wird dieses Stück Platine dann auf der beschrifteten Seite des Stromwandlers aufgelegt und der Draht über die abgerundete Kante gebogen. Am Anfang braucht es etwas Übung, um das Platinenstück, den Stromwandler und das Drahtstück zu halten und zu biegen. Letztendlich sollten beide Enden des Drahtes nahezu gleich lang sein. Jetzt sollten die beiden Drahtenden noch parallel zueinander sein. Damit sie in die Platine passen, müssen sie noch seitlich etwas verbogen sein. Hier sollte man sorgfältig sein: Wenn die einzelnen Drähte und Stromwandler  sauber ausgerichtet sind, lässt sich das Platinensandwich leicht zusammensetzen.

Trafos eingesteckt.jpg

Dazu werden die 6 Stromwandler mit ihren gerade gebogenen Drähten in die untere Platine eingesetzt. Dabei sollten die beschriftete Seite der Wandler bei allen in eine Richtung zeigen, welche ist jedoch egal. Dann wird die mittlere Platine out6-cs-ctrl aufgesetzt und die Pins aller Stromwandler eingefädelt. Zur Stabilisierung wird das Ganze mit Klebeband fixiert. Nun werden die Stromwandler, bei den äußersten angefangen, in die Platine out6-cs-ctrl eingelötet. Damit jeder einzelne Stromwandler sauber auf der Platine aufliegt, kann man von unten gegen die Drähte drücken, die auf der Platine out6-cs-base noch nicht verlötet sind. Jetzt wird die Ausrichtung der Platinen noch mal kontrolliert und nachjustiert. Liegen die Platinen sauber übereinander? Die Stromwandler sollten direkt an den Relais anliegen. Die Platinen sollten seitlich bündig enden, keine überstehen.
Nun werden noch die dickeren Drähte zum Transport der Relaisspannung zwischen den beiden Platinen eingelötet: Auf der out6-cs-ctrl ist das an den Lötpunkten P3, P4, P5. Hierfür kann man den nackten Draht aus der Aderleitung benutzen - oder auch einen leicht dünneren.
Nach einer letzten Kontrolle der Ausrichtung der Platinen werden die ganzen Drähte der Stromwandler auf der unteren Platine verlötet. Sauber verlötet ist so eine Verbindung, wenn auch auf der anderen Seite der Lötung das Lötzinn das Pad bedeckt hat, das Zinn also durch das ganze Lötauge gekrochen ist.
Die überstehenden Enden der verlöteten Drähte werden mit einem scharfen Seitenschneider, am besten einer ohne Facette, gekürzt. Auch auf der Platine out6-cs-ctrl müssen ebenfalls Pins gekürzt werden: Die Pins der Stromwandler an der Außenkante der Platine. Ansonsten würde hier der Deckel anstoßen.
Die Elkos C14, C15 und C16 werden jetzt eingelötet. Dafür werden die Beinchen zurechtgebogen und schon vor dem Einlöten so gekürzt, dass sie nur ein wenig unten aus der Platine herausgucken. Der Elko C16 liegt auf den Elkos C14 und C15, braucht also längere Beinchen. Verlötet werden müssen sie von der Bestückungsseite aus, in den Spalt unten wird man kaum mit dem Lötkolben hineinkommen.

Der Platinenstapel ist damit fertiggestellt. Abschließend sollten noch die stromführenden Leiterbahnen auf der Relaisplatine mit Kupferdraht verstärkt werden. Auch bei Verwendung von Platinen mit 70µm Kupferbeschichtung ist die Erwärmung bei Maximallast ansonsten grenzwertig. Die entsprechenden Leiterbahnen sind nicht mit Löststopplack abgedeckt, zusätzlicher Draht kann also leicht aufgelötet werden.
Als sinnvoll hat sich folgende Variante herausgestellt: Alle Leiterbahnen, die von den Schraubklemmen abgehen, werden mit 1mm2 Kupferdraht verstärkt bis zum Lötauge des Stromwandlers bzw. bis zum Relais. Bei den kurzen Leiterbahnstücken zwischen Stromwandler und Relais ist dies nicht notwendig. Wem ein 1mm2 mit 1,1mm Durchmesser zu sperrig ist, kann auch zwei 0,5mm2 Drähte mit 0,8mm Durchmesser parallel löten. Dann ist auch sichergestellt, dass sich die Platine sauber in das Gehäuse einlegen lässt.

Es werden noch zwei Flachbandkabel benötigt, die Verbindung zum Controller und eine zur Relaisplatine.
Alle Quetschverbinder werden ohne Zugentlastung eingesetzt, diese würde die Bauhöhe zu stark erhöhen.

Für die Verbindung der Controller-Platine bis dem out6-cs-Stapel wird ein kurzes Stück Flachbandkabel benötigt. Hierbei werden die Pfostenbuchsen auf unterschiedliche Seiten des Flachbandkabels aufgequetscht. Auf die Polung achten! Die Länge des Kabels ist etwas knifflig, hat es die falsche Länge, sitzt nachher die Controller-Platine seitlich versetzt und die Bohrungen des Deckels passen unter Umständen nicht. Hier hilft Sorgfalt und evtl vorsichtiges Zurechtbiegen des Kabels. Das Kabel sollte von der Mitte eines Steckverbinders zum anderen etwa 26mm lang sein. Nach dem Anquetschen der Verbinder kann es noch geschlitzt werden, um es etwas flexibler zu machen: Dazu wird das breite Flachbandkabel in mehrere, jeweils 4polige aufgetrennt, von Stecker zu Stecker.
Weder der Steckverbinder am Controller, noch der auf der Platine out6-cs-ctrl haben Schutzkragen, die ein falsches Einstecken des Kabels verhindern. Also besser zweimal kontrollieren, ob der Verbinder nicht versetzt aufgesteckt wurde!

Wenn alles passt, kann als letzter Schritt die Controller-Platine einfach in die Abstandshalter eingeklipst werden.

Gehäusebearbeitung

In die Frontplatte müssen noch die Löcher für die Taster und für kleine Lichtleiter bei den LED-Positionen gebohrt werden. Am einfachsten geht dies mit der Bohrschablone out6_cs-drill-aid. Sie wird mit den Pfeil nach rechts zeigend in den Frontplattenausschnitt des Deckel geklemmt, dann geben die markierten Bohrungen die richtigen Positionen für die Löcher vor. Die Schablone kann umgedreht werden, die eine Seite hat kleine Löcher zum Vorbohren, die andere die großen Löcher. Neben den Löchern steht der richtige Bohrdurchmesser für das endgültige Loch. Vorsicht: Es sind Löcher für alle Taster und LEDs der Controller-Platine vorhanden. Jedoch werden nicht alle benötigt. Also vorher überlegen, welche von den Löchern benötigt werden. Für die Taster wird ein etwas exotischer Bohrdurchmesser benötigt: 3,7mm. Im Baumarkt wird man den kaum finden, eher im Werkzeughandel oder halt Online. Für den Programmiertaster kann man noch ein kleines Feature einbauen: Benutzt man hier einen flachen Taster und bohrt durch die Frontplatte nur ein kleines Loch, z.B. 2mm, so hat man einen gewissen Schutz gegen ungewolltes oder auch unbefugtes Betätigen. Es ist dann allerdings notwendig, das kleine Loch von der Innenseite des Deckel noch mal zum Teil größer aufzubohren. Ansonsten klemmt Programmiertaster.

Mit einem Extra kann man dafür sorgen, dass das Gerät nicht nur die Features eines gekauften hat, sondern auch fast so aussieht: Einer in 3D-Druck gefertigten Aufnahme für die Standard-EIB-Steckverbinder. Andererseits kann auf der Platine auch eine normale Schraubklemme bestückt werden, dann wird das Buskabel geschraubt.

Out6-cs komplett.jpg

Status der Entwicklung

Mit der Version 1.1 der Platinen sind alle bekannten Fehler behoben worden.

Die Firmware ist mit den Funktionen als Schaltaktor fertiggestellt.

Öffentliche Beta-Phase - Tester sind herzlich willkommen!

Häufige Fragen

  • Warum 6 Kanäle?
    Der Binärausgang benötigt 1TE je Kanal. In 4TE hätten jedoch nicht alle Bauteile für 4 Kanäle Platz gefunden. Ein 8 Kanal Gerät mit 8TE Breite hätte den Nachteil, dass man eine übliche 12TE Tragschiene dann nicht voll ausnutzen kann.
  • Warum diese großen Relais?
    Diese Art von Relais wird auch in käuflichen Schaltaktoren verwendet, in der "Industrieausführung". Sie verträgt besonders gut hohe Einschaltströme oder induktive Lasten und sollte auch unter solchen Belastungen lange Lebensdauern erreichen. Mit den inzwischen allgegenwärtigen Schaltnetzteilen sind hohe Einschaltströme eine der Hauptprobleme für Schaltaktoren.
  • Das Layout hat auch die Bestückmöglichkeit für kompaktere Relais. Kann man die auch verwenden?
    Das ist denkbar, das Pattern passt für HFE20 Relais von HongFa. Allerdings gibt es noch keine Abstandshalter für diese abweichende Relaisgröße.
  • Warum Abstandshalter aus 3D-Druck?
    Im Gehäuse ist es zu knapp für übliche Abstandshalter von der Stange. Auch können manche Befestigungspunkte im Gehäuse nicht benutzt werden.
  • Wann gibt es eine Variante mit der Funktion als Heizungsaktor?
    Das ist vorst nicht geplant. Hat jemand Bedarf für diese Funktion? Findet sich vielleicht sogar jemand, der diese Funktionalität ergänzen will?

Downloads

icon_database_22.png Firmware

LPC1115 4TE Top-Controller

icon_eagle_22.png Schaltplan V1.1

icon_board_22.png Board V1.1

icon_database_22.png Github-Projekt mit allen Informationen

Kontrollplatine out6-cs-ctrl

icon_eagle_22.png Schaltplan V1.1

icon_board_22.png Board V1.1

icon_database_22.png Github-Projekt mit allen Informationen

Relaisplatine out6-cs-base

icon_eagle_22.png Schaltplan V1.1

icon_board_22.png Board V1.1

icon_database_22.png Github-Projekt mit allen Informationen

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Created by Florian Völzke on 2017/09/07 22:48