HINWEIS: In diesem Blogbeitrag werden Schaltungen beschrieben, in denen mit Netzspannung und Netzpotentialen gearbeitet wird. Arbeiten mit Netzspannungen sind LEBENSGEFÄHRLICH und dürfen nur mit entsprechenden Kenntnissen und Befugnissen durchgeführt werden!
Als klassische Variante, einen ohmschen Netzverbraucher (z.Bsp. Glühlampen) in ihrer Helligkeit zu steuern, wird üblicherweise ein Triac in einer Phasenanschnitt- oder Phasenabschnittsteuerung verwendet. Diese Schaltung ist einfach aufzubauen, kostet wenig und man kann durch Änderung der Zeitkonstante eines RC-Gliedes (durch Ändern des Widerstandes mit Hilfe eines Potentiometers) die Spannungsform an der Last beeinflussen. Dies geschieht durch „An- oder Abschneiden“ der „Sinuswelle“ zu einem gewünschten Zeitpunkt. Die daraus resultierende, verbleibende „Wellenform“ versorgt die Last mit Energie. Da die „Sinuswelle“ nun jedoch nicht mehr „vollständig“ ist, ist auch die effektiv übertragene Energie zur Last kleiner. Das bedeutet weniger Spannung liegt an der Lampe an. Somit sinkt auch die Lampenhelligkeit. Hierzu findet man reichlich Informationen im Netz. Will man eine solche Phasenanschnittsteuerung nun jedoch nicht mit einem Potentiometer steuern, sondern mit einem Microcontroller oder einer externen analogen Spannung von zum Beispiel 0-5V, so ist hier ein erweiterter Schaltungsaufwand notwendig.
Auf eine ganz andere Weise ist die hier dargestellte Schaltung aufgebaut. Hier wird nicht mit einem Triac die negative bzw. positive Halbwelle angeschnitten, sondern mit einem FET der Pfad in einem Brückengleichrichter durchgeschaltet. Der FET selbst wird per PWM (PulsWeitenModulation) angesteuert. Die PWM wiederum erzeugt der Einfachheit halber ein Atmega Microcontroller. Durch die frei wählbaren PWM Grundfrequenzen sind hier sehr schnelle und somit auch flackerfreie Schaltvorgänge realisierbar.
Die Skizze soll die simple Funktionsweise veranschaulichen: Im Bild ist der Stromkreis dargestellt. Der Verbraucher liegt in Serie mit dem Brückengleichrichter an der Phase L und dem Neutralleiter N. Im Querpfad des Brückengleichrichters befindet sich ein Schalter (in der realen Anwendung ein angesteuerter Mosfet). Wird der Schalter S nun nicht betätigt, bleibt also offen, kann durch die Dioden kein Strom fließen. Weder die positive noch die negative Halbwelle finden einen geschlossenen Stromkreis. Anders sieht es jedoch aus wenn der Schalter S geschlossen wird. Dies ist in der rechten Skizze dargestellt. Der Strompfad einer Halbwelle ist in Rot, der der anderen Halbwelle in blau dargestellt. Der Strom fließt und die Lampe leuchtet. Das Besondere daran ist es nun, verfolgt man die Stromrichtung beider Halbwellen durch den Schalter, so kann man erkennen, dass bei beiden Halbwellen dieselbe Stromrichtung vorliegt. Damit ist es nun möglich mit einem Transistor oder FET, eine Wechselspannungsquelle zu schalten. Das Ein/Aus Verhältnis (also PWM) des Schaltsignals, kann somit wieder die effektive Spannung an der Last beeinflussen.
Und genau eine solche Schaltung habe ich hier aufgebaut. Der Atmega-Microcontroller erzeugt ein PWM Signal, das über einen Optokoppler den Mosfet ansteuert. Somit sind ganz einfach per Software alle möglichen Schalt- und Dimm-Szenarien realisierbar. (z.Bsp. Steuerung der Lampenhelligkeit über eine Analogspannung am ADC des µC …)
Im Bild rechts ist ein Testaufbau des Dimmers (Laststellers) dargestellt. Die Versorgungsspannung des µC wird hier noch durch einen AC/DC Converter realisiert, um eingangsseitig eine galvanische!! Trennung vom Netz herzustellen.
sehr gut durchdacht. Ich will gerade einen Nachbau wagen. Wofür werden die „setpoint in „-Anschlüsse verwendet?
hi,
der Setpoint-Anschluß geht an den ADC Eingang des Atmega. Das bedeutet, ich kann den Dimmvorgang z.Bsp. auch mit einer externen, analogen Spannung steuern.
Den Eingang habe ich als Option für externe Spielereien hinzugefügt. Der ADC des Atmega kann ja 10bit auflösen – das macht eine feine (1024steps) Auflösung für die PWM …
Die Gleichrichterdioden 1N4007 können einen Strom von 1A liefern. Dementsprechend ist die schaltbare Leistung begrenzt. Gibt es eine Angabe der Maximalleistung aus Praxisversuchen?
Genau, die 4007er kann einen mittleren forwardcurrent von 1A aushalten. Für unsere Anwendung (Glühlampen mit 100W als Heizquelle für Sensorexperimente) völlig ausreichend.
Die maximale Belastbarkeit wurde hier nicht erprobt. Da sollte dann auch ein Augenmerk auf den FET gelegt werden, wie schnell die Ladung am Gate abgebaut werden kann und was der FET an Verlustleistung aushalten kann.
Der Gleichrichterbrücke (bzw. die Dioden) zu dimensionieren sollte hier einfach zu lösen sein.
Hi,
schonmal mit LED Lampen (dimmbaren) probiert?
Hi,
die Last wird mit einer DC-PWM angesteuert, wenn die LED-Lampen (bzw. deren integriertes Vorschaltgerät) an gepulster DC funktionieren, dann gehts. Habe aber noch keine LEDs damit angesteuert…
Danke für die Idee und Schaltung! Ich will mir einen „Dimmer“ für meinen Ventilator bauen um ihn in meine Hausautomation zu integrieren.
Ist es wichtig, dass N und L richtig anliegen, oder kann man sie Vertauschen?
Hallo,
es spielt keine Rolle wie Nulleiter und Phase an der Schaltung anliegen. Die Dimmerschaltung und besonders ihr Verbraucher der Ventilator sind ja quasi eine „Insel“ und haben keinen weiteren Bezug zum TN Netz. Das kann man sich so vorstellen, wie eine dimmbare Stehlampe – hier ist es ja auch egal wie herum man den Schukostecker in die Steckdose steckt.
Danke für die Antwort! Ich habe versucht mir die Potentiale vorzustellen wenn N und L vertauscht sind: Also L fix bei 0V und N bei +/- 325V und ob Vgs immer positiv ist. Blöde Idee. 😀 Jetzt sehe ich es: Wichtig ist nur, dass Vgate immer positiv gegenüber Vsource (=Vgnd) ist, und das ist es dank des Ausgangs „Hochpassnetzteils?“ (+10V DC). Elegante Schaltung. Danke.
Wow, tolle Schaltung. Aber eine Frage habe ich dann doch: Wie gut vertragen es die Glühbirnen, so geschaltet zu werden? Macht es Sinn, den Ausgang zu filtern?
Den Glühbirnen ist es ziemlich egal, die funktionieren schon seit einigen Jahren – habe aber auch keine Lebensdauerstudie gemacht. (im KFZ Bereich werden die Glühbirnen schon seit Jahren mit PWM angesteuert…)
Was eher zu beachten ist der Eingang wenn man die Schaltung im Netz betreiben will, ist die EMV-Richtlinien. Gleich wie bei Triac-Schaltungen kommen hier steile Schaltflanken vor -> also breitbandige kabelgebundene Störungen die in das Netz einwirken. Ausserdem zu beachten: was passiert mit der Netzimpedanz… also wenn jemand plant eine solche Schaltung komerziell zu bauen, dann wird eine EMV (und weitere) Zertifizierung notwendig. Um den Einbau eines angepassten Netzfilters mit Y-Kondensatoren und Drosseln etc. wird man nicht umherkommen…
Schön gemacht. Aber wäre nicht eine Synchronisierung mit dem Nulldurchgang der Netzspannung günstig? Auch mit der hohen PWM-Frequenz würde ich vermuten, dass es zu Unregelmäßigkeiten kommen kann, wenn die Steuerung quasi frei läuft.
Bei einer Glühlampe ist hier absolut nichts festzustellen, dafür ist der Glühdraht zu träge – das Dimmen läuft optisch von 0-100% durch, auch wenn die Birne erst bei >30Vrms zu glühen beginnt.
Ich könnte mir Vostellen, dass es bei LED Lampen auffallen könnte – da hängt es aber wieder davon ab, wie die DC-Versogung in der Lampe geglättet ist …
Aber das Teil habe ich damals für die einfache Steuerung einer Glühlampe, die als Heizkörper eingesetzt wird und über 0-10V DC gesteuert werden soll gebaut.
Hallo !
Erstmal großes Lob für die Schaltung.
Ich würde diese gerne für eine Anwendung nutzen,
wo eine max. Spannung von 24VAC im Spiel wäre
und anstatt der Glühbirne ein Allstrommotor angesteuert
werden soll…
Müsste ich dafür Bauteile anders dimensionieren im
Leistungsteil ? Stuern soll das ganze ein Arduino, da
sollte alles genauso klappen.
Gruß Billy
Hallo,
um die Schaltung mit einem Allstrommotor zu betreiben, müsste man sich das Verhalten des Motors bei mehrfachem An- und Abschnitt innerhalb einer Periode ansehen.
Je nach Frequenz des PWM Signals werden beide Halbwellen der Versorgungsspannung ja mehrfach zerstückelt – und das asynchron zum Netznulldurchgang.
Das bedeutet natürlich die induktive Last des Motors spielt hier eine große Rolle. Der jeweils invertierte Abschaltimpuls müsste entsprechend abgefangen werden. Dann ist auch noch die Frage, welchen Strom nimmt der Motor? Den sollten, die Dioden der Brücke und natürlich auch der Fet aushalten.
Das nächste Problem wird die aus der Netzspannung erzeugte 10V Hilfsspannung für das Gate des Fet sein, die könnte/sollte man bei 24VAC einfacher mit einem linearen Spannungsregler erzeugen.
Vielleicht wäre es ja einfacher, da es sich ja um einen Allstrommotor handelt, ihn mit DC zu betreiben und eine entsprechende DC-Ansteuerung zu basteln?
Moin !
Danke für die Antwort. Ich werde das einfach mal versuchen.
Ich benötige die Schaltung für Märklin-Loks, genauer für die
Signalbeeinflussung. Ich habe sowas vorher schonmal mit einem Attiny45 gebaut, der über „Zerodetection“ , ext.-Interrupt und Timer0 einen Triac durchsteuert. Das klappte soweit. Mich hatte jetzt hier die „MOS-FET“-Sache sehr interessiert, da eine Ansteuerung mit PWM einfacher wäre als bei mir mit Zero,Int0 und Timer0.
Gruß & Danke
Hallo Bihlo,
ich musste aud gesundheitlichen Gründen leider alle Projekte niederlegen. Nun kann ich nach fast 2 Jahren endlich weitermachen und hätte noch ein paar Fragen :
Wie Du schon gesagt hattest sollte ich die 10V Hilfsspannung mit einem Festspannungsregler (z.B. 7810XX) aufbauen. Das wäre kein Problem. Was ich nicht verstehe , ist wie die Verbindung zu GND erfolgt. Die Hilfsspannung wird ja vom Zweig „AC IN_L“ abgegriffen. GND für diesen Teil liegt aber auf der Seite mit den 4 Dioden im Zweig mit dem FET. Diese beiden Teile haben doch theoretisch keine Verbindung, solange der FET die Verbindung nicht öffnet ? Oder spielt dies keine Rolle, weil auf der Seite der Schaltung Wechselspannung liegt ?
Was die restlichen Faktoren angeht, wie Strom des Motors, liege ich bei ca. 2A – das sollte soweit gehen. Auf DC kann ich leider nicht umstellen, da ich die Bahn nicht auf DC umstellen möchte. Dies würde zahlreiche andere Probleme mitbringen.
Ich wäre über Hilfe sehr erfreut.
Viele Grüße Billy
Hi,
es gibt hier grundsätzlich zwei seiten mit potentialen:
die LIVE-Seite:
– hier gibt es KEINE galvanische trennung vom Netz – hier wird die Leistung geschaltet!!!!!
die 10V auf der LIVE-Seite werden aus einem kapazitiven spannungsteiler gewonnen und nicht mit einem Festspannungsregler oder LDO !!!
CX1 und R2 sind dabei der Teiler, D6 macht eine Einweggleichrichtung und C1 glättet die Spannung mit R4 begrenzt den Strom durch die Zenerdiode D5 (Zenerspannung ist 10V!!) und diese 10V beziehen sich auf den GROUND(dieser GND und die 10V sind auf der live-seite und daher NICHT von der Netzseite getrennt !!) Daher auch der Optokoppler OK1 der die Netzseite von der Controllerseite trennt.
die galvanisch getrennte seite:
– hier arbeitet der microcontroller. dessen versorgungsspannung wird mit einem eigenen kleinen netztransformator samt stabi generiert. diese spannung ist vollkommen GETRENNT von der Netzseite. Die übergabe der PWM signale vom controller zum fet passiert über den optokoppler
es gibt in diesem aufbau also zwei unterschiedliche grounds. einen potentialfreien Ground auf der microcontrollerseite und einen Ground auf der Netzseite. Diese Grounds dürfen AUF KEINEN FALL zusammengeschaltet werden.
Die gesamte LIVE Seite ist im Falle einer Berührung lebensgefährlich.
Wenn jemand mit Netzspannung arbeitet muß er entsprechende Kenntnisse und Befugnisse haben und sich der Gefahren bewusst sein!!!!!!
Hallo Ingmar!
Danke für die Antwort 😉
Du hast mich glaube ich missverstanden…
Die Potentialtrennung ist mir schon klar – Optokoppler etc.
Auch das AMEL5-5SMAZ habe ich registriert. Alles gut.
Ich hatte ja 2019 schonmal diesbzgl. gepostet. Da hattest Du mir geantwortet. Es ging darum, dass ich nicht mit 230V~ arbeiten möchte auf der „LIVE“ Seite, sondern mit
24V~ Da besteht keine Gefahr, was die 230V-Lebensgefahr angeht. Die 24VAC sind schon galvanisch abgetrennt.
Bei meinen TRIAC-Schaltungen sind die Potentiale der Last-Seite und der uC-Seite auch durch den MOC3020 getrennt.
Das ist alles klar…
Worum es mir ging, war die Frage mit der Hilfsspannung 10V für’s Gate. Du hattest mir damals gesagt, dass ich diese bei 24VAC eher mit einem Linearen Spannungsregler realisieren sollte. In Deinem Eagle-Schaltplan ist bei der Hilfsspannungsschaltung das GND-Symbol auf der „LIVE“ Seite zu sehen. Dieses GND bezieht sich ja auf das GND-Symbol im Zweig des FET. Meine Frage war, ob oder wie da Verbindung besteht/bestehen kann, wenn der Fet doch den Kreis mit den 4 Dioden geschlossen hält…? Oder anders gefragt, wie holt sich die Hilfsspannungsschaltung GND/0V ? Das leuchtet mir (noch) nicht ein.
Vieleicht kann ich Dir mal meinen Eagle Schaltplan per Mail senden, wie ich mir das nach Deinen Ausführungen gedacht habe…? Evtl kann ich dort auch markieren, was genau ich meine/nicht so richtig verstehe.
Gruß Billy
Hallo Billy,
ja ich denke wenn du mir mal deinen schaltplan schickst.
du kannst mir eine mail unter „ingmarsretro (et) gmail (dot) com“ schicken
skizze
im bild unten habe ich mal den geschlossenen kreis einer halbwelle um den teiler markiert, dann erkennt man worauf sich die 0V beziehen