Schalten und Messen HomeMatic -Funk-Schaltaktor mit Leistungsmessung

Transkript

1 Hausautomation Teil Infos zum Bausatz im ELV-Web-Shop # Schalten und Messen HomeMatic -Funk-Schaltaktor mit Leistungsmessung Das BidCoS -Funkprotokoll, das im HomeMatic-System zum Einsatz kommt, arbeitet ohnehin bidirektional. Warum sollte man nicht diesen Umstand nutzen und einem Schaltaktor neben seiner eigentlichen Bestimmung noch die Erfassung der Leistungsdaten des angeschlossenen Verbrauchers zuweisen? Verknüpft man diese Daten mit bestimmten Aufgaben für den Schaltaktor in der Home Matic- CCU, erhält man ein äußerst vielseitig einsetzbares Gerät. Wir beschreiben diesen Aktor hier als einfach aufzubauenden ARR-Bausatz und zeigen im zweiten Teil des Artikels die Schaltung und den Nachbau. Schaltung Die gesamte Schaltung des HomeMatic-Funk-Schaltaktors mit Leistungsmessung ist auf einer Leiterplatte untergebracht, die direkt mit der Stecker-Steckdosen-Einheit verlötet ist, sodass keine weiteren Verbindungen in Form von Leitungen erforderlich sind. Bild zeigt das Gesamtschaltbild des Geräts. Im Stecker-Steckdosen-Einsatz ist der Schutzleiter des Steckers direkt mit dem Schutzleiter der Steckdose verbunden. Einer der Pole des Steckers ist ebenfalls direkt mit dem entsprechenden Pol der Steckdose verbunden, hier gibt es jedoch zusätzlich einen Abgriff, der auf die Leiterplatte geführt und dort mit der Rundsicherung SI verbunden ist. Der andere Pol des Steckers ist auf der Leiterplatte mit Masse verbunden. Über den Shunt-Widerstand R und über den Kontakt von Relais REL wird die Verbindung zum entsprechenden Pol der Steckdose hergestellt. Die Versorgung der Schaltung findet über die am Stecker anliegende Netzspannung statt. Diese wird über die Sicherung SI zunächst an den Entstörkondensator C und an den Varistor VDR geführt, der die dahinterliegende Schaltung vor Spannungsspitzen schützen soll. Hinter dem Sicherungswiderstand R und nach einer Einweggleichrichtung durch die Diode D folgen ein Schaltnetzteil und ein nachgeschalteter Linearregler. Dabei werden die Vorteile der jeweiligen Technologien gezielt ausgenutzt: Das Schaltnetzteil, bestehend aus IC und zugehöriger Beschaltung, senkt die Spannung mit gutem Wirkungsgrad auf etwa V ab (+UB); der Linearregler IC stellt eine Spannung von +, V mit geringer Restwelligkeit bereit. Die Spannung aus dem Schaltnetzteil (+UB) ist für die Versorgung des Relais REL gut geeignet, da die Restwelligkeit hier nichts ausmacht und die etwas höhere Spannung die Auswahl eines Relais erlaubt, das mit geringem Strom betrieben werden kann. Mit den +, V aus dem Linearregler werden der Mikrocontroller IC, das Transceivermodul TRX und das Energie-Mess-IC IC versorgt. Der Mikrocontroller IC steuert die gesamte Funktionalität des Geräts. Die bidirektionale HomeMatic- Funk-Kommunikation findet über das Transceiver-

2 Hausautomation Steckdose V/A x EIN REL R m Shunt AT SI Stecker C V/ X VDR Ferrit L Ferrit L R 0R R 90K R 90K VDR V/0mW R 90K L Ferrit R D GS00FL SI-R C C IC C R C C 0p n C R9 0p Spannungsmessung R0 C C 0p n C R 0p Strommessung Taster Duo LED CS90 Energie-Mess-IC C0 C grün C TA D R 00R R 0R C9 Q C 0K R C SDA SCL IC R K R K u 00V u 00V BYG0J + C + D VIPerA SOURCE FB DRAIN 00uH L IC R 0R C 0u 0n ZPD9V C + C LL D C D n 0 9 +UB D BYG0J L 0uH C + D C9 C0 C + u ZPDV 00u V Mikrocontroller IC (only open drain) PC0 IC_SDA (only open drain) PC IC_SCL PC USART_RX ADC_IN COMP_INP VREFINT PC USART_TX ADC_IN PC USART_CK IC_SMB CCO ADC_IN COMP_INM COMP_INP PC OSC_IN [SPI_NSS] [USART_TX] PC OSC_OUT [SPI_SCK] [USART_RX] PC ADC_IN USART_CK COMP_INM COMP_INP PA0 [USART_CK] SWIM BEEP IR_TIM* NRST PA* PD0 TIM_CH [ADC_TRIG] ADC_IN COMP_INP PD TIM_ETR ADC_IN COMP_INP COMP_INP PD TIM_CH ADC_IN0 COMP_INP PD TIM_ETR ADC_IN9 COMP_INP PD TIM_CH ADC_IN0 SPI_MISO COMP_INP PD TIM_CH ADC_IN9 SPI_MOSI COMP_INP PD TIM_BKIN ADC_IN RTC_CA LIB SPI_SCK COMP_INP VREFINT PD TIM_CHN ADC_IN RTC_AL ARM SPI_NSS COMP_INP VREFINT A VRef+ VRef+_DAC GND GNDA VRef- GND PE0 TIM_CH RTC_TAMP PE TIM_CHN RTC_TAMP PE TIM_CHN RTC_TAMP PE USART_RX PE DAC_TRIG USART_TX PE ADC_IN COMP_INP COMP_INP USART_CK PE PVD_IN TIM_BKIN USART_TX PE TIM_ETR USART_RX PF0 ADC_IN DAC_OUT (note: *= Pullup bei Reset) PA OSC_IN USART_TX [SPI_MISO] PA OSC_OUT USART_RX [SPI_MOSI] PA TIM_BKIN [TIM_ETR] ADC_IN COMP_INP PA TIM_BKIN [TIM_ETR] ADC_IN COMP_INP PA ADC_TRIG ADC_IN0 COMP_INP PA TIM_CH PB0 TIM_CH ADC_IN COMP_INP* PB TIM_CH ADC_IN COMP_INP PB TIM_CH ADC_IN COMP_INP PB TIM_ETR ADC_IN COMP_INP PB SPI_NSS ADC_IN DAC_OUT COMP_INP* PB SPI_SCK ADC_IN DAC_OUT COMP_INP PB SPI_MOSI ADC_IN DAC_OUT COMP_INP PB SPI_MISO ADC_IN COMP_INP rot STMLCU +UB REL D9 LL R9 BCC A GNDA 0 D VIN- VREF- XOUT IIN+ VREF MHz XIN TX RX IIN- /RESET DO VIN+ MODE IC nicht bestückt EEPROM Schaltnetzteil Linearregler IN LL IC OUT GND Relais- T Ansteuerung C C C C C 0n u 0n 0V Q C9 MHz 0p C C 0u,V u 0V C0 0p TRX +UB nsel SDI SDO SCLK GPIO_0 nirq GND TRX-SL Transceiver Bild : Das Schaltbild des HomeMatic-Funk-Schaltaktors mit Leistungsmessung ELVjournal /0

3 Hausautomation Bild : Platinenfotos der vollständig bestückten Platine mit zugehörigen Bestückungsplänen, links die Oberseite, rechts die Unterseite modul TRX statt. Funkadressen von Verknüpfungspartnern und andere Konfigurationsdaten werden im Mikrocontroller IC intern gespeichert. Das EEPROM IC ist daher eine derzeit ungenutzte Bestückungsoption. Als Benutzerschnittstelle dienen der Taster TA und die Duo-LED D, die ebenfalls vom Mikrocontroller IC verwaltet werden. Für das Messen von Spannung und Strom mit guter Auflösung und Genauigkeit ist das spezielle Energie-Mess-IC IC verbaut. Dieses IC führt intern auch Rechenoperationen aus, sodass an der digitalen Schnittstelle Leistung, Strom, Spannung und Frequenz als fertige Werte für den Mikrocontroller IC bereitstehen. Die Eingangsbeschaltung des Energie-Mess-IC IC für die Spannungsmessung besteht im Wesentlichen aus einem Spannungsteiler (R bis R) und einem Filter (R, R9, C bis C). Eine Netzspannung von 0 V wird vom Spannungsteiler auf mv heruntergeteilt. Der Spannungseingang des Mess-IC arbeitet bis zu mv. Die Strommessung hat ebenfalls einen Filter (L, L, R0, R, C bis C); als Strom- Spannungswandler dient der hochwertige Shunt-Widerstand R. Der Widerstandswert ist mit mω sehr klein gewählt, um die Verlustleistung bei hohen Strömen klein zu halten. Bei A entsteht eine Verlustleistung von lediglich mw. Die Spannung über dem Shunt beträgt dabei mv. Der Eingangsbereich geht bis mv. Dabei wird der hohe Verstärkungsfaktor des Energie-Mess-IC genutzt. Eine Auflösung von Bit entspricht dabei etwa nv. Daher wurde beim Leiterplattendesign auch auf kleine Abstände zwischen Shunt und Mess-IC geachtet, um eine gute Störfestigkeit zu erreichen. Andererseits soll die Verlustwärme des Shunts vom Mess-IC ferngehalten werden. Dazu gibt es zwischen Shunt und Mess-IC Bohrungen in der Leiterplatte, damit Luft zirkulieren kann.

4 Hausautomation Bild 9: So erfolgt das Einsetzen der Kindersicherung, in der Mitte die Sicherungsfeder. Nachbau Bitte beachten: Für die Gehäusemontage ist ein TORX-Schraubendreher, Größe T, erforderlich, dieser kann als Zubehör mitbestellt werden. Der Bausatz wird als besonders einfach aufzubauender ARR-Bausatz (ARR-Fast-fertig-Bausatz) geliefert, an dem keine Bestückungsarbeiten auf der Platine mehr vorgenommen werden müssen. Der Grund für die bereits auch mit bedrahteten Bauteilen vollständig bestückte Platine (Bild zeigt die Platinenfotos und den Bestückungsdruck) ist der bereits werksseitig vorgenommene Abgleich des Strommesszweigs. Da es hier, wie in der Schaltungsbeschreibung erwähnt, um hohe Präzision geht, sollte man auch jede Lötarbeit in diesem Bereich, insbesondere an R, unterlassen. Bei einem Widerstandswert von mω kann jedes Löten eine signifikante Veränderung der Messwerte hervorrufen. Der Stecker-Steckdosen-Einsatz ist bereits vormontiert und in korrekter Position mit der Platine verlötet. Die Montage beginnt mit dem Einsetzen der Kindersicherung inklusive der zugehörigen Feder (Bild 9). Bild 0: Der Antennenhalter ist genau in dieser Einbaulage einzusetzen und die Antenne wie hier gezeigt zu fixieren. Bild : Das Aufsetzen der Tasterkappe muss vorsichtig und exakt im Winkel erfolgen. Danach ist der Antennenhalter nach Bild 0 richtig herum einzusetzen, die Antenne des Transceivermoduls durchzuführen und am Ende mit einem Tropfen Heißkleber zu fixieren. Der Antennenhalter und seine Einbaulage sowie das Fixieren der Antenne Bild : So wird die Platine mit Stecker-Steckdosen-Einheit, Antennenhalter und Tasterkappe in das Gehäuseunterteil eingesetzt. ELVjournal /0

5 Hausautomation Bild : Der im Gehäuse deckel eingesetzte Lichtleiter Bild : Beim Einsetzen des Steckdoseneinsatzes ist die Orientierung der geschlossenen Seite der Schutzleiterführung zu beachten. sind sehr wichtig für die Einhaltung von Abständen zu spannungsführenden Teilen, außerdem hält der Antennenhalter die Platine in Position, wenn das Gehäuse geschlossen ist. Jetzt ist die Tasterkappe entsprechend Bild vorsichtig bis zum Anschlag auf den Taster aufzusetzen. Dabei sollte man Querbelastungen des Tasters vermeiden, da sonst der Tasterstößel leicht brechen kann. Geschieht dies versehentlich bei der Montage, kann der Taster meist dennoch weiterbenutzt werden, da die Tasterkappe oben im Gehäuse abgestützt wird. Die komplettierte Platine kann nun mit Steckereinheit, Antennenhalter und Tasterkappe in das Gehäuseunterteil eingesetzt werden (Bild ). Bevor die Montage weitergehen kann, ist der Lichtleiter, wie in Bild zu sehen, in das Gehäuseoberteil einzusetzen und durch Anschmelzen der Haltepins zu fixieren. Dabei ist vorsichtig vorzugehen, um den Lichtleiter nicht abzubrechen. Ebenso ist eine exakt gerade Lage wichtig, damit sich der Lichtleiter beim weiteren Zusammenbau des Geräts später nicht verhaken kann. Nun erfolgt das Einsetzen des Steckdoseneinsatzes in den Gehäusedeckel. Hierbei ist die geschlossene Schutzleiter-Nut in Richtung Taster einzusetzen (siehe Bild ). Stückliste Widerstände: Präzisions-Widerstand/ mω/ %/SMD R 00 Ω/ %/SMD/00 R 0 Ω/SMD/00 R 0 Ω/SMD/00 R 0 Ω/ %/SMD/00 R kω/ %/SMD/00 R R kω/smd/00 R9 Sicherungswiderstand/ kω/ %/0, W R, kω/ %/SMD/00 R, R 0 kω/smd/00 R 90 kω/ %/SMD/0 R R Varistor/ V/0 mw VDR Kondensatoren: 0 pf/smd/00 C9, C0 0 pf/smd/00 C, C, C, C 0 nf/smd/00 C, C, C nf/smd/00 C, C, C 00 nf/smd/00 C, C9, C0, C C, C, C, C 00 nf/ V/X C µf/smd/00 C, C, µf/00 V/0 C C, C 0 µf/smd/00 C 0 µf/0 V C µf/0 V C 00 µf/ V C Halbleiter: VIPerA/SMD LLABUTR ELV0/SMD CS90-ISZ/SMD BCC GS00FL BYG0J/SMD LL ZPD9,V/SMD ZPDV/SMD Duo-LED/rot/grün/SMD IC IC IC IC T D D, D D, D9 D D D Sonstiges: Chip-Ferrite, 00, 0 Ω bei 00 MHz L, L, L Induktivität, 00 µh/ ma L SMD-Induktivität, 0 µh/90 ma L Quarz,,09 MHz, SMD Q Quarz,,000 MHz, SMD Q Sender-/Empfangsmodul TRX-SL, MHz TRX Relais, x on, 0 VAC, AAC REL Mini-Drucktaster TC-00-0C, x ein, SMD TA Rundsicherung, A, träge, print SI Aufkleber mit HM-Funkadresse, Matrix-Code Gehäuseunterteil HM-ES-PMSw-Pl Gehäusedeckel HM-ES-PMSw-Pl Lichtleiter HM-ES-PMSw-Pl Tastkappe, grau Platinenniederhalter Stecker-Steckdosen-Einheit ohne Sicherungshalter, komplett gewindeformende Schrauben,,0 x mm, TORX T

6 Hausautomation 9 Der Einsatz passt auch nur in dieser Richtung durch kräftiges Drücken in das Gehäuse (Bild ), jedes Klemmen usw. deutet auf eine falsche Einbaurichtung hin jede Gewalteinwirkung vermeiden! Der Einsatz ist so weit einzudrücken, bis seine Oberkante bündig mit dem Rand des Gehäusedeckels ist. Abschließend werden nun das Gehäuseunterteil mit der Platine und das Gehäuseoberteil zusammengesetzt (Bild ), wobei die Tasterkappe genau in die vorgesehene Aussparung passen muss, und mit TORX-Schrauben (Bild ) verschraubt (Bild ). Damit ist die Montage beendet und das Gerät kann in Betrieb gehen. Bild : Der Steckdoseneinsatz richtig herum in den Gehäusedeckel eingesetzt Bild : So erfolgt das Zusammensetzen von Gehäuseunterteil und Oberteil, die Tasterkappe muss sauber in ihrer Aussparung stehen und beweglich sein. Bild : Hiermit wird das Gehäuse verschlossen: Schraube TORX T Bild : Das geschlossene Gehäuse von unten, mit TORX-Schrauben verschraubt ELVjournal /0