Homematic IP Schaltaktor für Markenschalter mit Signalleuchte Teil 1

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Aus ELVjournal 02/2018     0 Kommentare
 Homematic IP Schaltaktor für Markenschalter mit Signalleuchte Teil 1
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Bausatzinformationen
ungefähr Bauzeit(Std.)Verwendung von SMD-Bauteilen.
22OK2/18

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Technische Daten

HmIP-BSL
230 V/50 Hz
5 A max.
0,32 W
1150 W
Ohmsche Last
Wechsler
Starre und flexible Leitung, 0,75–1,5 mm²
Nur in Schalterdosen (Gerätedosen) gemäß DIN 49073-1
868,0–868,6 MHz/869,4–869,65 MHz
10 dBm
SRD Category 2
230 m
< 1 % pro h/< 10 % pro h
IP20
II
5 bis 35 °C
86 x 86 x 52 mm (Tiefe Unterputz: 32 mm)
88g

Ein Wandschalter mit Beleuchtung? Gibt es schon lange – mit Glimmlampe zum Finden im Dunkeln oder zur Kontrolle der Schaltstellung. Unser HmIP Schaltaktor, Kurzbezeichnung HmIP-BSL, bietet ganz neue Optionen: Er kann in zwei unterschiedlich beleuchtbaren Feldern sowohl Signalisationsaufgaben abhängig oder unabhängig vom eigentlichen Schaltaktor wahrnehmen als auch, z. B. weiß hinterleuchtet, als Nacht- und Orientierungsbeleuchtung dienen. Und wie bei dieser Art Homematic IP Geräte inzwischen üblich ordnet er sich dank der flachen Bauweise und der Ausführung als 55-mm-Unterputzgerät in vorhandene Installationslinien ein.

Schaltet, beleuchtet, signalisiert

Der HmIP-BSL sieht zunächst aus wie ein normaler Homematic IP Schaltaktor. Der Clou liegt jedoch in der integrierten Leuchteinheit. Über LEDs kann die aus transluzentem Kunststoff gefertigte Wippe farbig oder weiß hinterleuchtet werden, wodurch sie sowohl zur Orientierung/Beleuchtung als auch zur Signalisierung dienen kann. Die Farben und die Leuchtintensität können für den oberen und unteren Wippenteil getrennt voneinander eingestellt werden. So kann die LED-Einheit, über eine Zentrale konfiguriert, auch zu unterschiedlichen Zeiten differenzierte Funktionen ausführen, etwa am Tage den beiden Schalterwippen eine Meldefunktion zuweisen und in der Nacht als angenehm gedimmtes Nacht- bzw. Orientierungslicht dienen. Denkbar ist auch eine Zustandssignalisierung, wenn etwa eine an den Schaltaktor angeschlossene Beleuchtung nicht im direkten Sichtfeld liegt oder es vergessen werden kann, das Licht auszuschalten. Typischer Fall des ersten Szenarios ist vielleicht eine Hofbeleuchtung, der typische zweite Fall eine Kellerbeleuchtung. Eine weitere interessante Funktion des Aktors selbst ist die Möglichkeit, dass man ihn so konfigurieren kann, dass er bei Betätigung der Wippentaster selbst weitere (bis zu 20) Geräte ansteuern kann bzw. bei seiner Ansteuerung per Funk gleichzeitig weitere an die Zentrale angelernte Aktoren geschaltet werden können. Schließlich wurde, wie schon bei den neu erschienenen Rollladenaktoren der HmIP Serie, eine interne Speichermöglichkeit für die an der CCU2 konfigurierbaren Timereinstellungen geschaffen. So sind die Timereinstellungen lokal gespeichert und bei einem Ausfall einer Zentrale laufen die Zeitprogramme autark weiter – damit sind wir einen Schritt weiter in der Betriebszuverlässigkeit. Natürlich reizt besonders solch ein „bunter Schalter“ kleine Kinder dazu, alle Tasten auszuprobieren. Deshalb gibt es auch hier die Möglichkeit, die Systemtaste, die ja nur für das Anlernen und einen eventuellen Werksreset benötigt wird, so zu konfigurieren, dass für den Normalbetrieb der Werksreset über die Taste nicht ausgeführt werden kann. Die Bedienung der Schaltfunktion erfolgt wie bei anderen Schaltaktoren gewohnt über die Schaltwippe bzw. über Funk. Das Gerät kann konventionelle mechanische Schalter mit 55-mm-Wippe ersetzen und schafft, ohne zusätzlichen Bauraum zu beanspruchen, neben der Funksteuerbarkeit über die Leuchtwippe einen deutlichen funktionellen Mehrwert. Statt eines Wippenadapters und der vorhandenen Markenschalterwippe wird hier eine Elektronikeinheit im 55-mm- Format aufgesteckt. Am Standort des Schaltaktors ist eine wichtige Voraussetzung zu schaffen: Für den Betrieb ist neben der Phase ein Neutralleiter notwendig. Dies muss man insbesondere dann beachten, wenn der Schaltaktor an Standorten eingesetzt werden soll, an denen bisher ein einfacher Schalter installiert war. Denn hier wird oft allein die Phasenleitung zur Last geführt.Der Schaltaktor verfügt aus sicherheitstechnischen Gründen über ein galvanisch trennendes Netzteil. Der Schaltausgang wird durch einen Netzspannung führenden Relaiskontakt (Wechsler) gebildet. Dabei schützt eine interne Sicherung vor Überlast. In der Summe der bisher aufgeführten Eigenschaften erhält man also hier einen überaus flexibel einsetzbaren Schaltaktor mit integrierter Signalleuchte/ Beleuchtungseinheit, der sich sehr vielseitig einsetzen lässt. Weitere Details erläutern wir noch in den Abschnitten zur Konfiguration.

Bedienung

Das Gerät ist so vorkonfiguriert, dass eine Bedienung über eine Seite der Tasterwippe den angeschlossenen Verbraucher einschaltet. Die andere Seite der Tasterwippe schaltet den Verbraucher wieder aus. Ist das Gerät an eine Homematic Zentrale angemeldet, so können über die Tasterwippe auch an die CCU2 angelernte Empfänger angesteuert werden. Zeit- bzw. ereignisgesteuerte Schalterprogramme lassen sich über die Zentrale und später auch über die App konfigurieren. Mithilfe des mittig in der Tasterwippe angebrachten Key-Visual-Tasters („Anlerntaste“) lassen sich die Werkseinstellungen wieder herstellen. Dieser Taster dient auch dazu, den Anlernmodus neu zu starten.

Schaltungsbeschreibung

Die Schaltung des HmIP-BSL besteht aus drei Platinen, von denen zwei in der Unterputzeinheit und die dritte in der Aufputzeinheit untergebracht sind. In Bild 1 bis Bild 3 sind die einzelnen Schaltbilder der drei Platinen dargestellt.

Die Netzteilplatine

Bild 1 zeigt den Netzspannungsteil der Schaltung sowie den Schaltregler und das Relais für die Schaltspannung. 

Bild 1: Schaltbild der Netzteilplatine
Bild 1: Schaltbild der Netzteilplatine

Von der 4fach-Federkraftklemme (KL300) gelangt die Netz-Wechselspannung über die Sicherung SI300 und den Sicherungswiderstand R300 auf den Brückengleichrichter GL300. Der Varistor VDR300 dient zum Schutz vor Spannungsimpulsen und der X2- Kondensator C300 zur Entstörung. Das Relais REL300 hat Umschalterkontakte, mit denen die Schaltspannung zwischen den beiden Anschlussklemmen 1 und 2 gewechselt werden kann. Zur Unterdrückung von hohen Spannungsspitzen beim Ausschalten des Relais ist die Freilaufdiode D304 parallel zu der Spule des Relais angeschlossen. Die Relaisansteuerung erfolgt aus Platzgründen auf einer anderen Platine. Am Ausgang des Brückengleichrichters erhalten wir eine Gleichspannung von ca. 320 V, die über den Übertrager TR300 auf den Drain-Anschluss des Schaltregler-ICs (IC300) gelangt. Die Kondensatoren C301 und C302 übernehmen die Glättung und Siebung der gleichgerichteten Wechselspannung. Das komplexe Schaltregler-IC (IC300) beinhaltet alle wesentlichen Stufen eines Schaltnetzteils. Neben dem integrierten Leistungs-MOSFET, der als Schalter arbeitet, sind hier auch alle Regelungs- und Sicherheitsfunktionen vorhanden. Die über die Primärwicklung liegende Reihenschaltung von D300 und D301 dient zur Begrenzung von Gegeninduktionsspannungen und C303 unterdrückt Impulsspitzen. Das IC erhält seine Versorgungsspannung über eine interne Stromquelle aus dem Drain-Anschluss. Sobald der interne 132-kHz-Oszillator schwingt, werden alle internen Stufen aktiv und der FET-Schalttransistor beginnt zu schalten. Eine interne Regelung, die über den externen Feedback-Anschluss gesteuert wird, sorgt für die Begrenzung des Drain-Stroms, worüber auch letztendlich die Regelung der Ausgangsspannung erfolgt. Die an der Sekundärwicklung anliegende Ausgangswechselspannung wird mit D302 gleichgerichtet und die Elkos C306 und C308 sorgen für die erforderliche Glättung und Pufferung, die Spule L300 dient zur Störunterdrückung. Über den Optokoppler IC301 erfolgt eine Rückkopplung von der Sekundärseite auf die Primärseite, wobei zwei Regelkreise bestehen. Zum einen die Spannungsregelung und zum anderen die Überlast- Strombegrenzung. Die Spannungsregelung erfolgt über die Referenzdiode D303, die den Katodenanschluss so ausregelt, dass am Steuereingang eine Spannung von 2,5 V ansteht. Dieser Anschluss wird über den Spannungsteiler R307 und R308 gespeist. Die Schaltung ist nun so ausgelegt, dass die Referenzdiode die Ausgangsspannung am Messpunkt MP304 auf 12 V ausregelt. Die Regelung erfolgt dabei über den Optokoppler IC301. Die Referenzdiode verändert den Strom durch den Optokoppler so, dass sich 12 V am Ausgang bzw. 2,5 V an ihrem Steuereingang einstellt. Durch den Strom durch die Optokoppler-Diode wird der Stromfluss im primärseitigen Optokoppler-Fototransistor verändert. Letztendlich wird die Spannung am Feedback-Pin (FB) des Schaltreglers IC300 so beeinflusst, dass der Schaltregler genau so viel Energie liefert, wie für eine Ausgangsspannung von 12 V erforderlich ist, d. h., die Ausgangsspannung ist somit ausgeregelt. Ohne Strombegrenzung würde die Schaltung auch unter Überlastbedingungen, d. h. bei einem Ausgangsstrom von mehr als 500 mA, versuchen, die Ausgangsspannung auf 12 V stabil zu halten, und so das Schaltregler-IC und den Transformator überlasten. Daher ist zum Schutz noch eine Strombegrenzung vorhanden. Über den Shunt-Widerstand (Parallelschaltung R302, R304) stellt sich eine dem Ausgangsstrom proportionale Spannung ein und diese Spannung bildet wiederum die Basis-Emitter-Spannung des Transistors T300. Überschreitet die Spannung einen Wert von ca. 550 mV, entsprechend einem Ausgangsstrom von 550 mA, so steuert der Transistor durch und regelt über die Optokoppler-Diode, wie bei der Spannungsregelung, die Ausgangsleistung zurück. Dies hat dann zur Folge, dass die Ausgangsspannung bei zu hohem Ausgangsstrom zusammenbricht und eine Überlastung der Schaltung somit nicht möglich ist.

Die Treiberplatine

In Bild 2 ist das Schaltbild der Treiberplatine dargestellt. 

Bild 2: Schaltbild der Treiberplatine
Bild 2: Schaltbild der Treiberplatine
Auf dieser werden die für den Betrieb des Mikrocontrollers und die zur Versorgung der LEDs benötigten Spannungen erzeugt. Auch befindet sich hier der zur Ansteuerung von Relais REL300 benötigte Transistor T200 samt Basisvorwiderstand R203 und ein Spannungsteiler für die Überwachung der +12 V von der Netzteilplatine. Mit dem Schaltregler IC200 und den dazugehörigen Bauteilen C200 bis C208, R200 bis R202 und der Spule L200 wird aus den von der Netzteilplatine bereitgestellten +12 V die LED-Betriebsspannung von +4 V erzeugt. Die für die restlichen Komponenten verwendete Spannung von +3,3 V wird dann wiederum aus den +4 V mittels eines Linearreglers (IC201) generiert.

Die Controllerplatine

Kommen wir nun zu der letzten Platine, das dazugehörige Schaltbild ist in Bild 3 zu sehen. 

Bild 3: Schaltbild der Controllerplatine
Bild 3: Schaltbild der Controllerplatine
Die komplette Steuerung des HmIP-BSL wird von dem Mikrocontroller IC101 übernommen. Es handelt sich hierbei um einen Controller vom Typ EFM32G210F128. Mit dem Quarz Q1 wird vom Controller ein Arbeitstakt von 24 MHz erzeugt, mit dem er nicht nur schnell arbeiten, sondern auch Timings bei automatischen Abläufen relativ genau einhalten kann. Über die Schnittstelle PRG100 wird der Controller im Werk mit dem Bootloader und der Applikationsfirmware versehen. Per Funk lässt sich Letztere später im laufenden Betrieb aktualisieren. Die beiden Tasten TA100 und TA101 sind den Relais- Schaltausgang zugeordnet und können diesen direkt schalten. Der Taster TA102 ist die Systemtaste und ermöglicht einen Werksreset des Aktors. Bestätigungssignale werden dabei über die Duo-LED D104 neben dieser Taste angezeigt, die später dann den Tasterstößel erleuchten. Für die Funk-Kommunikation ist der Controller per SPI-Schnittstelle mit dem Transceivermodul TRX100 verbunden. Der über die I2C-Schnittstelle angeschlossene nicht flüchtige EEPROM IC102 speichert die einprogrammierten Daten für die Verknüpfung mit anderen Homematic IP Komponenten, sodass die Daten (Profile) auch nach Wegfall der Versorgungsspannung erhalten bleiben. Ebenfalls über die I2C-Schnittstelle angeschlossen ist der LED-Treiber IC100, dieser steuert die auf den LED-Platinen befindlichen RGB-LEDs an. Über die vier Widerstände R105–R108 ist die hardwaremäßige I2C-Adresse fest eingestellt und der Widerstand R109 definiert den maximalen LEDStrom. So weit zur Funktions- und Schaltungsbeschreibung des HmIP-BSL, im zweiten Teil gehen wir auf den Nachbau und die Installation ein.

Wichtiger Hinweis

Vorsicht! Aufgrund der im Gerät frei geführten Netzspannung dürfen Aufbau und Installation nur von Fachkräften ausgeführt werden, die aufgrund ihrer Ausbildung dazu befugt sind. Die einschlägigen Sicherheits- und VDE-Bestimmungen sind unbedingt zu beachten. Durch eine unsachgemäße Installation können Sach- und Personenschäden verursacht werden, für die der Errichter haftet. Das Gerät darf nur innerhalb einer verschlossenen Schalterdose oder Verbindungsdose betrieben werden. Ausführliche Sicherheitshinweise finden Sie in der Bedienungsanleitung, die dem Gerät beiliegt.

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