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Homematic Aktor Schnellreparatur

Das bekannte und beliebte Smarthome System HomeMatic von eQ-3 ist mittlerweile auch schon in die Jahre gekommen und bei vielen Usern schon lange im Einsatz. Viele Komponenten sind, wie der im Bild dargestellte Aktor, meist in Unterputzdosen unter Schaltern oder umgeben von reichlich Drahtwerk eingebaut. Damit die sie auch jederzeit einsatzbereit sind, müssen sie natürlich permanent mit Energie versorgt werden. So kann es schon vorkommen, dass die in dem Aktor verbauten Komponenten aufgrund der Alterung auch einmal den Geist aufgeben. Ist der Aktor beispielsweise seit drei Jahren in Betrieb, so bedeutet das, er hat schon 26280 Betriebsstunden hinter sich. (24h * 365Tage * 3Jahre). Und welche Komponenten hier am anfälligsten sind, kann sich der geübtere Elektroniker sicher schon vorstellen.

Eigentlich wollte ich diesen Aktor eines Kollegen nur schnell begutachten und wenn rentabel reparieren, aber dann dachte ich mir, dass ja sehr viele von diesen Teilen im Umlauf und verbaut sind. Selbst in meinen vier Wänden laufen seit Jahren einige dieser Module. Und irgendwann werden auch diese ihre Probleme bekommen. Also macht es sicher Sinn, die Erfahrungen der Reparatur hier zu posten.

Im konkreten Fall handelt es sich um einen Dimm Aktor HM-LC-Dim1T-FM. Ein Ein-Kanal Aktor für den Einbau in Unterputzdosen. Das Fehlerbild: Die LED am Aktor beginnt nach Anlegen der Spannung zu Blinken – sonst keinerlei Funktion. Er lässt sich weder in den Anlernmodus versetzen noch auf Werkseinstellung zurücksetzen. Die Blinkfrequenz ist in etwa 2x pro Sekunde.

HM-LC-Dim1T-FM mit gelöstem Deckel

Zuerst ist der Deckel des Aktors zu lösen. Er wird mit vier Rastnasen gehalten und lässt sich recht einfach heraus Klicksen. Jetzt sind zwei übereinander liegende Platinen zu erkennen. Zwischen den Platinen liegt eine Kunststoffplatte. Die elektrische Verbindung zwischen den beiden Platinen wird durch Drahtbrücken hergestellt. Das „Platinen Paket“ lässt sich einfach aus dem Kunststoffgehäuse herausziehen. Jetzt sind alle Drahtbrücken entlang der Kanten zu entlöten. Es genügt natürlich, die Brücken nur an einer Platine zu lösen ;).

In den beiden, oben dargestellten Bildern ist die Controller-Platine zu erkennen. (Das ist die mit dem BidCos-Modul) auf dieser befindet sich auch der Atmel Mikrocontroller. Dieser Platine benötigt jetzt ein wenig Zuwendung. Man muss vielleicht noch wissen, wie die Spannungsversorgung für die Niedervoltelektronik des Aktors erzeugt wird. Aus der Netzspannung wird mit Hilfe eines Spannungsteilers aus Kondensator und Widerstand und einer Diode eine Zenerdioden-Stabilisierung erzeugt und mit Hilfe eines Kondensators geglättet. Diese daraus gewonnene Gleichspannung ist die Quelle für die Niedervoltelektronik. Diese ist natürlich nur in einem sehr schmalen Band belastbar. Und genau in dieser Schaltung liegt das altbekannte Problem. Der Elko. Er verliert durch Alterung und Austrocknung seine Kapazität. Eine saubere Gleichspannung am Controller ist dann nicht mehr möglich. Die Elektronik geht in einen undefinierten Zustand.

In diesem Fall habe ich gleich vier Elkos erneuert. Um diese zu erreichen muss zuerst das Funkmodul von der Stiftleiste abgelötet werden. Mit ein wenig Löterfahrung sollte das kein Problem darstellen. Die Lötaugen lassen sich dann mit einer Entlötlitze einfach wieder reinigen. Jetzt sind die vier Elkos mit den folgenden Positionsnummern zu erneuern. (Es sind zwar nicht alle defekt, aber es kann nicht schaden, sie zu tauschen, wenn das Funkmodul schon einmal herunten ist)

  • C3 mit 10µF 16V  105°
  • C7 mit 10µF 16V  105°
  • C10 mit 100µF 16V  105°
  • C21 mit 100µF 16V  105°

Bei den Bauformen sollte man sich unbedingt an die Größe der originalen Kondensatoren halten, da das Platinen Paket sonst nicht mehr in das Gehäuse passen könnte. Sind die Kondensatoren erneuert, dann war es das (in diesem Fall) auch schon. Das Platinen Paket zusammengelötet – und ein schneller Test – und siehe da, der Aktor bootet wieder wie gewohnt. Der Zeitaufwand für die Reparatur ist mit ca. 30min und für die Kondensatoren mit etwa einem Euro zu rechnen…

Homematic CCU – Tuning

Die CCUs der Homematic kommunizieren mit ihren drahtlos angebundenen Sensoren und Aktoren über das 868MHz ISM Band. Hier ist die Sendeleistung und die Senderate klar definiert. So kommt es durchaus häufiger vor, dass bei vielen Geräten, die unterschiedlich weit von der Zentrale entfernt sind, auch Kommunikationsfehler auftreten. Einige diese Fehler sind dabei auf die Feldstärke an der CCU- Antenne zurückzuführen. Die Wellenlänge in Luft beträgt bei 868MHz in etwa 0,345m. Die Antenne in der CCU und in den Aktoren ist auf Lambda/4 ausgelegt. Das sind ca. 8,6cm, die als Unipol im Gehäuse liegen. Diese Antenne ist einfach und funktionell. Allerdings kann der Antennengewinn und somit die Reichweite der Homematic durch einbauen einer anderen Antenne einfach gesteigert werden.

CCU2 mit externe 868MHz Antenne

Es gibt zu diesem Thema im Netz schon einige Lösungen und Umbauten. Hier beschreibe ich meinen Umbau auf eine externe Antenne. Die Antenne soll extern befestigt werden. Eine SMA-Buchse ermöglicht das Anschließen unterschiedlicher Antennen. In diesem Beispiel habe ich mich für eine 868 MHz Helix Antenne mit Knickgelenk entschieden. Die SMA Buchse ist eine fertig konfektionierte MH113 50Ohm Buchse mit 1,13mm Koaxialleitung und MHF1 Stecker.

SMA Buchse mit Koaxkabel

Der MHF1 Stecker wird nicht benötigt und kann von der Koaxialleitung „abgeschnitten“ werden. Bei diesem, nun offenen, Kabelende muss der Innenleiter und Schirm zum Anlöten vorbereitet werden.

Offenes Ende des Koaxialkabels

Jetzt ist die CCU2 an der Reihe. Der Deckel ist schnell entfernt und die Platine freigelegt. Unten links im Bild ist das RF-Modul der Homematic mit dem Antennendraht zu erkennen. Zuerst wird die originale Antenne entfernt und ein wenig vom Lötstoplack der Masseplane entfernt. An dieser Stelle wird dann der Schirm des Koaxialkabels festgelötet.

Geöffnete CCU2

Das vorbereitete Stückchen Koaxialkabel mit dem SMA Stecker wird nun am RF-Modul angelötet. Hierbei kommt der Innenleiter an das RF-Pad mit dem vorher die Antenne verbunden war und das Schirmgeflecht an die freigekratzte Masseplane.

RF Modul mit entfernter Antenne
Koaxkabel am RF – Modul festgelötet

Die elektrische Verbindung ist somit hergestellt. Eine kleine Unstimmigkeit gibt es hier allerdings noch, bzw. habe ich mich hier noch nicht schlau gemacht: Die originale Antenne war ein einfacher Draht. Das würde bedeuten, es gibt eine Impedanz Anpassung am Ende des RF-Modul LNAs und des High-Z Drahtes. Die Koaxialleitung mit dem SMA Stecker hat allerding ebenfalls eine charakteristische Impedanz von 50 Ohm. Das würde bedeuten, es gäbe (oder gibt) hier eine Fehlanpassung. Das wiederum würde wieder Reflexionen an der Leitung und somit wiederum Leistungseinbußen hervorrufen. Im Gesamtsystem wird aber trotz vermutlicher Fehlanpassung eine Reichweitensteigerung erreicht. (Die wiederum könnte man aber mit einer korrekten Netzanpassung nochmals steigern… dazu müsste man sich das RF-Modul genauer ansehen) 

Montageloch im CCU2 – Deckel

Jetzt muss nur noch ein geeignetes Loch für den SMA – Stecker in den Gehäusedeckel gebohrt werden. Dann kann man den SMA Stecker festschrauben. Nach dem Zusammenbau der CCU ist nun nur mehr die Antenne aufzuschrauben und der Umbau ist erledigt.

868 MHZ Helixantenne mit 50Ohm SMA Stecker

Einen Funktionstest, bzw. einen Nachweis der Steigerung der Empfangs- Sendeleistung kann man überprüfen, indem man die RSSI-Pegel der angelernten Sensoren und Aktoren vor und nach dem Umbau vergleicht. Hier hilft „devconfig“, ein kleines Tool in der Homematic Software, das mittels SSH freigeschaltet werden kann:

 
echo CP_DEVCONFIG=1 >> /etc/config/tweaks

 

Homematic Zählersensor an S0-Ausgang

Mit dem von HomeMatic angebotenen Energiezähler-Erfassungssystem kann man mit Hilfe unterschiedlicher Zählersensoren die Anzeigen- bzw. Zähleinheiten der Energieversorger ablesen und für eigene Datenerfassungssysteme aufbereiten. Dies geschieht auf unterschiedliche Weise. Es kann die Drehscheibe (Ferraris Scheibe) eines Wirbelstromzählers abgetastet werden, oder der Led-Blinkimpuls von modernen elektronischen Zählern, sowie auch mittels Reedkontakt die Zählimpulse der mechanischen Gaszähler. Dies kann alles mit dem HomeMatic Funk-Zähler Erfassungssystem HM-ES-TX-WM bewerkstelligt werden. Für die unterschiedlichen Zählertypen sind unterschiedliche Sensoren erhältlich, die alle über eine 6polige Western-Modular-Steckverbindung angeschlossen werden können. Die Sensortype wird dabei vom Funksender automatisch erkannt und stellt in seinen Softwareeinstellungen die entsprechenden Umrechnungsoptionen (Impulse/kWh, Umdrehungen/kWh, m³/kWh) dar.

Hat man jetzt zum Beispiel einen eigenen elektronischen Subzähler verbaut, so kann natürlich auch mit dem LED-Sensor die Impuls LED abgefragt werden, um so zu den Daten des Zählers zu gelangen. Die meisten elektronischen Hutschienenzähler haben aber auch einen sogenannten S0-Ausgang, der einen potentialfreien (open-collector) Ausgang über Schraubklemmen zur Verfügung stellt. Wenn man die Schaltung des LED-Sensors ein wenig geändert neu aufbaut, so kann der S0-Ausgang des Hutschienenzählers anstelle der Fotodiode angeschlossen werden. Der Sensortyp wird dann weiterhin korrekt erkannt und am Funk-Zähler Erfassungssystem angezeigt.Mit dieser Schaltung erkennt der HM-Sender den LED-Sensor. Anstelle der Fotodiode wird die Kollektor-Emitter-Strecke des Hutschienenzählers angeschlossen. Die ganze Schaltung wird auf eine kleine Platine gebracht, diese dann geätzt und bestückt.

Mehrere Platinen direkt aus dem Ätzbad… Danach erfolgt der Zuschnitt und das Beschichten mit Lötlack.

Die Platinen sind nun zugeschnitten, lackiert und können jetzt bestückt werden.

Mit Bauteilen versehen, fehlen jetzt nur mehr die Zuleitungen.

Es sind nun alle Leitungen angelötet. Zum Schutz vor Kurzschlüssen wird die Platine mit einem Schrumpfschlauch überzogen. Jetzt kann alles angeschlossen und eingebaut werden.

An den S0-Ausgang des Hutschienenzählers angeschlossen, kann es dann gleich losgehen. Im Homematic-Funksender oder in den Geräteeinstellungen der CCU2 muss nur mehr die dem Zähler entsprechende Impulsanzahl pro kWh eingestellt werden. Diese Information sind in den Datenblättern des Zählers zu finden. Sie sind aber auch fast immer direkt auf den Zählern zu finden. In diesem Fall erzeugt der Zähler 1600 Impulse/kWh.

 

Edit  07/2019: Nach einigen Anfragen stelle ich eine Skizze der Belegung des RJ12 Stecker (6pol) online.

Impuls aus Dauerphase

Eine schnelle Lösung suchte ich für folgendes elektrotechnisches Problem: Ein Grenzwertschalter eines Anemometers liefert als Ausgang ein, von der Winddauer des Sensors abhängiges Signal. Das Signal ist eine geschaltete Netzphase, die, für die Dauer der erfassten Windschwelle plus einer Nachlaufzeit von 3-120 Sekunden, am Ausgang ansteht.

Dieses Signal soll nun aber als Eingang für einen Homematic Schaltaktor verwendet werden, der ebenfalls eine Netzphase als Schalteingang benötigt. Das ansich passt ja schon perfekt. Man muss nur für beide Geräte die gleiche Phase klemmen. ABER: Der homematic Aktor unterscheidet am Eingang unterschiedliche Modi: Einen kurzen „Tastendruck“ z.B. 0.1 < 0.9s, einen langen „Tastendruck“ zB 1 – 2s und einen Tastendruck >4s.  Der letzte Modus versetzt den Homematic-Aktor in den „Anlernmodus“ in dem er mit einer CCU oder Sensor verbunden werden kann. Das macht man üblicherweise nur einmal beim Einrichten der Anlage.

Nach Möglichkeit sollte also ein Anliegen der Schaltphase am Homematic-Aktor Eingang für eine bestimmte Zeit erfolgen, die die vier Sekunden nicht überschreiten darf. Das jedoch wird dem Wind, der über den Grenzwertschalter erfasst wird, ziemlich egal sein… Der bläst einfach solange er will 😀

DSC_2444Also benötige ich eine kleine Schaltung, die mir nach Anlegen einer Netzspannung unbekannter Dauer einen Ausgangsimpuls mit einer bestimmten Pulsdauer (zB. 0.5s) erzeugt. Das soll die Skizze darstellen. L ist hierbei das Ausgangssignal des Grenzwertschalters und L´ ist der gewünschte Impuls am Homematic-Aktor Eingang.

 

 

impulsFolgende Schaltung soll das Problem lösen: Ein frequenzabhängiger Widerstand (Z) in Reihe mit einer Zenerdiode… Also ein Kondensator in Reihe zu einer 12V Z-Diode dient als Spannungsteiler, der mir eine 12V Versorgung aus der Netzspannung erzeugt. Die 1N4007 zusammen mit dem 100uF Kondensator richtet gleich und glättet die Spannung. An dieser Quelle hängt jetzt ein weiterer Kondensator in Reihe mit der Relaisspule. Wird die Spannung jetzt angelegt und ist der 470uF Elko nicht geladen, so fließt durch ihn und die Spule für kurze Zeit ein Strom, und die Spule zieht an. Sobald der Elko geladen ist (5Tau), fließt kein Strom mehr und die Spule fällt wieder ab. -> und genau das wollen wir ja. Die Zeitkonstante wird durch die Kapazität des Kondensators und des Spulenwiderstandes der Relaisspule bestimmt. Die parallel zu den Kondensatoren geschalteten Widerstände dienen zum Entladen der Kondensatoren im spannungsfreien Zustand. Die hier dargestellte Anordnung erzeugt einen Schaltimpuls von in etwa 500ms und ist nach 10s wieder bereit…

Hier ist die auf einer Lochrasterplatine schnell aufgebaute Schaltung dargestellt:

DSC_2445

DSC_2446