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DC-Einschaltstrombegrenzer für 8-40V/max. 5A

Vorwort

Auf der Suche nach einem DC-Einschaltstrombegrenzer für 24V sind wir bei unseren Recherchen auf ein älteren Beitrag der von ELV gestoßen. Da die Firma diese DC-Einschaltstrombegrenzer aber leider nicht mehr herstellt und liefert, machten wir uns an die Arbeit und entwickelten auf Basis des gefundenen Artikels unseren eigenen DC-Einschaltstrombegrenzer. Da dieser in einer Schaltanlage gebraucht wurde, entstand ein kleines Gerät für die Hutschienenmontage.

Beschreibung Einschaltstrombegrenzer 24V 5A
Beschreibung Einschaltstrombegrenzer 24V 5A
Beschreibung Einschaltstrombegrenzer 24V 5A.pdf
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Details

Allgemeines

Einschaltstrombegrenzer für Gleichspannung finden ihre Verwendung, um im Einschaltmoment vor hohen Pulsströmen zu schützen. Denn schon beim Laden von Kondensatoren im Bereich um die 1000 uF können im Einschaltmoment kurzzeitig Ströme vom 10–20 Fachen des eigentlichen Nennstroms fließen. Um ein Auslösen vorgeschalteter Sicherungen zu verhindern und um hohe Pulsbelastungen für die eingebauten Kondensatoren fern zu halten, kommt diese DC-Einschaltstrombegrenzung zum Einsatz.

Einschaltstrombegrenzer bzw. Einschaltoptimierer, finden in der Wechselstromtechnik bereits häufig Verwendung. Bei Elektronischen Schaltkreisen kommt es ebenso wie bei der 230V – Geräten oft zu hohen Einschaltströmen. Das liegt meißt daran, dass Elektronische Geräte intern mit Gleichspannung arbeiten und hierfür Kondensatoren im Netzteil für Spannungsversorgung verbaut werden, diese wirken beim  Einschalten wie ein Kurzschluss und sind somit für die hohen Einschaltströme verantwortlich.

Dessen Kurzschlussstrom hängt von der Güte (ESR = äquivalenter Reihenwiderstand), sowie von der Leistungsfähigkeit der speisenden Quellen und der Impedanz der Verbindungsleitungen ab.

So können bereits bei kleinen Kapazitäten um die 1000uF Einschaltströme um die 100A fließen. Dieser Strom fließt zwar nur für den Bruchteil einer Sekunde, aber teilweise schon lang genug, um u. U. vorgeschaltete Sichergegangen zum Auslösen zu bringen.

Dieses Verhalten findet sich häufig bei Geräte mit längsgeregelte Netzgeräten wie Audio- Endstufen mit hoher Leistung usw. – im Prinzip jedes Gerät mit großen internen Kapazitäten.

Ein hoher Einschaltstrom hat prinzipiell erst mal keinen negativen Einfluss auf den Betrieb dieser Geräte. Der Geräteentwickler muss sich aber dem Problem annehmen und es bei der Entwicklung im Auge behalten. Zum einen muss verhindert werden, dass eine vorgeschaltete Sicherung im Einschaltmoment auslöst und zum anderen wirken sich hohe Pulsströme negativ auf die Lebensdauer der verbauten Kondensatoren aus. Das Auslösen der Sicherung ließe sich natürlich dadurch verhindern, dass einfach der Sicherungswert erhöht wird, dann ist aber die Schutzfunktion der Sicherung für den laufenden Betrieb oft nicht mehr ausreichend gegeben. Deshalb wird in vielen Schaltungen eine Einschaltstrombegrenzung für den DC-Zweig entwickelt und eingebaut.

Es gibt mehrere Möglichkeiten den Einschaltstrom zu begrenzen, die häufigste ist der Einsatz eines NTC’s, der nach einer Zeit mit einem Relais oder eine FET überbrückt wird.

Die hier beschriebene Schaltung möchte eine rein elektronische Lösung vorstellen, in der auf Mechanische Komponenten verzichtet werden kann, indem ein FET (Feld-Effekt-Transistor) die Aufgabe eines geregelten Wiederstandes übernimmt, der nur im Einschaltmoment wirkt.

Die Aufgabe besteht darin, den FET so anzusteuern, dass damit sein Drain-Source-Widerstand dem geforderten Verlauf folgt.

Der Transistor kann je nach der benötigten Verlustleistung in zwei Varianten bestückt werden. Die erste Variante ist ein TO-220 Gehäuse stehend oder liegend ggf. mit oder ohne Kühlkörper. Oder in der DPAK Variante, als SMD direkt auf der Platine, deshalb sind im Schaltplan zwei Transistoren zu sehen (T1/T2).

Schaltungsbeschreibung

Diese Schaltung kommt mit nur sehr wenigen Bauteilen aus. Ein FET übernimmt das langsame Einschalten der Gleichspannung.

T1 ist ein P-Kanal MOS-FET (Metalloxid-FET) vom Typ IRF4905, dieser Typ verhält sich so, dass bei einer Gate-Source-Spannung von 0 V der Transistor sperrt, also hochohmig ist.

Wird die Spannung negativ, wird also die Gate-Spannung kleiner als die Source-Spannung, beginnt der FET ab der Pinchoff Voltage (Schwellenspannung) zu leiten.

Beim IRF4905 liegt dieser Wert laut Datenblatt zwischen 2,0 V und 4,0 V.

Um ein langsames Einschalten des MOS-FETs zu erreichen, darf die Gate-Source-Spannung nur sehr langsam negativer werden.

Dies wird durch eine RC-Schaltung aus C 1 und R 1 erreicht, die für das langsame Absinken der Gate-Spannung verantwortlich ist.

Der Verlauf der Gate-Spannung lässt sich wie folgt beschreiben:

Im Einschaltmoment ist der Kondensator C 1 ungeladen und die Spannung zwischen den Anschlüssen ist 0 V, der Kondensator wirkt wie ein Kurzschluss. In diesem Moment ist die Gate-Spannung gleich der Source-Spannung (UGS = 0 V), der FET sperrt. Über die RC-Kombination aus C 1 und R 1 fließt ein Strom vom Source-Anschluss (DC-Eingang) zur Masse, der den Kondensator langsam auflädt.

Das langsame Aufladen des Kondensators bewirkt ein langsames ansteigen der Kondensatorspannung, was wiederum zu einem langsamen Absinken der Gate-Spannung führt.

Wenn die Kondensatorspannung den Pinch-off-Wert des FETs erreicht, beginnt der FET zu leiten, er verringert seinen Drain-Source-Widerstand von einigen Megaohm in den Ohm- Bereich und die Ausgangsspannung steigt dabei entsprechend an.

Durch die sinkende Gate-Source-Spannung verkleinert sich der Drain-Source-Widerstand, die Ausgangsspannung steigt wiederrum langsam an. Ab etwa -10 V UGS geht der FET in die Sättigung, der Drain-Source-Widerstand liegt nun bei seinem Minimalwert von ca. 10 mOhm. Der Ladevorgang des Kondensators wird dadurch nicht beeinflusst, so dass die Gate-Source- Spannung noch weiter ansteigt.

Lt. Datenblatt liegt die Maximale Gate-Source-Spannungen bei -20 V, weshalb diese Spannung begrenzt werden muss um den FET nicht zu zerstören. Deshalb liegt parallel zum Kondensator eine 15V Z-Diode, die die Spannung auf 15 V begrenzt.

Der Einfluss der zweiten RC-Kombination aus R 2 und C 2 besteht darin, dass sich im Einschaltmoment C 2 im Vergleich zu C 1 sofort auf den Betriebsspannungswert auf läd. Während C 1 langsam Ladung aufnimmt und die Kondensatorspannung steigt, entlädt sich der Kondensator C 2, er arbeitet deshalb dem Absinken des Gate-Potenzials entgegen, dieser Einfluss wirkt sich anfangs aber nur gering aus. Beginnt nun der FET zu leiten, steigt die Ausgangsspannung und damit auch das Potenzial an einem Kondensatoranschluss von C 2. Dieses bewirkt ein schnelleres entladen von C2, der fließenden erhöhte Entladestrom versucht das Potenzial am Gate zu „stützen“. Damit verlangsamt sich der Abfall der Gate-Spannung und verzögert somit den Vorgang des Durchsteuerns des FETs nochmals.

Modul Anschlüsse

Technische Daten

Eingangsspannung:   8 – 40 VDC
Max. Laststrom:          5 A
Anstiegszeit:                 10 ms bis 50 ms, typ. 13 ms @ 24 V
On-Widerstand:         max. 50 mOhm, typ. 20 mOhm @ 24 V
Verlustleistung:          max. 1,25 W @ 5 A, typ. 500 mW @ 24 V, 5 A
Gehäusebauform:     HUT 1-C Gehäuse, 71 x 35 x 90 mm, 1 TE

(Quellenvereis ELV-Leer)


Kaufpreis: 29,90 €

Sonoff Hack für Alexa von Amazon

Download Arduino Sourcecode von Github

In diesem Projekt wird gezeigt, wie man seinen WIFI Sonoff Switch  der Firma ITEAD direkt und ohne Umwege über eine App oder den ITEAD Server, über seine eigen Amazon Alexa ansteuern kann.

Hierfür sind ein paar kleinere Änderungen an der Hard- und Firmware des Sonoff nötig, die nachfolgend gezeigt werden. Nach dem Umbau bietet der Switch viele neue Möglichkeiten.

  • Konfiguration der WIFI Parameter über ein Captiv Portal.
    Zur Inbetriebnahme des Sonoff startet der Switch im Access Point Modus, hier können anschließend alle Betriebsparameter eingegeben werde, die für den Betrieb im eigenen WLAN und mit Alexa notwendig sind.
  • Wurde der Sonoff an das eigenen WLAN gebracht, kann über ein Web Interface der Schalter bedient und der Timer konfiguriert werden.
  • Zusätzlich kann der Sonoff über das in der Konfiguration definieren Schlüsselwort über Amazon Alexa angesprochen und geschaltet werden.

Allgemeines

Vom Sonoff Switch sind zwei verschiedene Modul Varianten verfügbar. Eine mit und eine ohne RF-Funkmodul.
Wir werden uns hier mit dem Modul ohne RF-Funkmodul beschäftigen, da wir nur das WLAN-Modul fü dieses Projekt benötigen.

Etwas neuer auf dem Markt sind nun auch die Sonoff Schalter Steckdosen mit der Bezeichnung Sonoff S20, hier von habe ich ein paar bestellt. Diese können genau so wie die oben beschreibenen Module mit der geänderten Firmware geflasht werden.

Warum ein Sonoff?

Der Sonoff ist nicht der erste seiner Art, also warum er und nicht ein anderer?
Das angesagte Ziel ist es, selbst die Kontrolle zu behalten. Und nicht auf irgend einen Anbieter angewiesen zu sein.
Im Auslieferungszustand ist bereits eine Firmware auf dem Sonoff vorinstalliert, so kann der Switch direkt von einem Smartphone über die App gesteuert werden.

Den Kern des Sonoff bildet ein WiFi Modul Names ESP8266, der kompatibel mit dem Arduino ist.
Somit kann eine neue Firmware leicht mit der Arduino IDE erstellt und direkt von dort in den Mikrocontroller geladen werden.
ITEAD war sogar so nett und hat alle für die Programmierung benötigten Signale herausgeführt 🙂

Lets hack!

Bevor irgend welche Arbeiten an dem Switch durchgeführt, sei es das öffnen des Gehäuses, ein Hardware Umbau oder das flashen, muss unbedingt die Netzspannung entfernt werden!!!
Es besteht LEBENSGEFAHR!!!

Im ersten Schritt wird der Flash RAM Speicher des Sonoff (1 MBit) gegen einen größeren Speicher 4MBit ausgetauscht. So bleib genügend Platz für weitere neue Innovationen.

Dieses YouTube Video zeigt die Vorgehensweise.

Eine genaue Beschreibung über die Programmierung mit der Arduino IDE und dem Austausch des Speichers finden Sie in diesem Link.

Zugriff für die Programmierung des Sonoff bietet ein Stiftleistenslot auf der Platine, der wie folgt belegt ist.

Wichtig:
Der ESP8266 arbeitet mit einer Betriebsspannung von 3.3V Vergessen deshalb nicht vor dem Anschluß ihres Programmiergerät dies auf 3.3V um zu stellen.

Programmer Sonoff (gezählt vom quadratischen Pin)
3V3 1
TX 2 (RX)
RX 3 (TX)
GND 4
 NC 5

Für die Programmierung halten sie den Taster gedrückt und schalten sie anschließend die Spannungsversorgung 3V3 des Sonoff zu. So startet der ESP8266 im Flash Modus.

Pin Belegung des Sonoff

Funktion GPIO NodeMCU
Button 0 3
Relay 12 6
Green LED 13 7
Spare (pin 5) 14 5

Die LED auf der Platine ist aktuell eine rot/grün bi-color led, bei der aber nur die grüne led verwendet wird. Die rote LED ist für die Variante mit dem RF-Modul geplant und, die in meiner Version aber nicht vorhanden ist

Nach dem flashen der neuen Firmware, was erstmalig über die Serielle Schnittstelle erfolgen muss, ist es dann möglich weitere Firmware Updates OTA in den Sonoff zu übertragen.
In der Arduino IDE sollte nach dem konfigurieren des Switches ein entsprechender Eintrag unter Port zu finden sein.