Motivation und Anforderung
Eine Master/Slave-Steckdosenleiste fiel bei mir nach ein paar Monaten oder Jahren(?) aus. Ich bin mir noch nicht mal sicher, ob die Garantie abgelaufen war. Nur konnte ich mich nicht erinnern, wann und wo ich diese gekauft hatte. Einfach wegwerfen? Das wäre eine Möglichkeit.
Die andere Möglichkeit wäre, diese zu reparieren. Zumindest wollte ich nachschauen, warum diese ausgefallen war. Der Grund war auch schnell gefunden. Zwei Z-Dioden wurden überlastet und hinterließen einen schwarzen Fleck auf der Leiterplatte. Die originale Schaltung der Steckdosenleiste ist im nächsten Bild ersichtlich.
Originale Schaltung
Der Schaden an der Leiterplatte war überschaubar - das Gerät ließ sich reparieren. Was aber in der Schaltung auch auffiel: Die ganze Steckdosenleiste ist mit zwei Sicherungen a 10 A abgesichert. Der Stromzweig zum Kondensatornetzteil ist aber nicht mit einer weiteren (kleineren) Sicherung abgesichert. Ich halte dies für fahrlässig, da Defekte zu einer thermischen Überbeanspruchung führen können und im schlimmsten Fall einen Brand auslösen können.
Realisierung
Entsprechend der verwendeten Bauelemente überprüfte ich zunächst die Werte des Kondensatornetzteils mit meinem Tool. Die in der Steckdosenleiste verwendeten Bauelemente ergaben folgende Werte:
- Einschaltstromstoß: 5,4 A
- Verlustleistung R21: 0,15 W
- Zeitkonstante von R21 und C3: 360 ms (Dieser Wert zeigt an, wie schnell sich der Kondensator C3 entlädt, nach dem der Stecker der Steckdosenleiste aus einer Steckdose gezogen wurde.)
- Verlustleistung von Rs: 0,3 W
- Verlustleistung der Z-Dioden: 1,45 W (Diese Leistung verteilt sich auf beide Z-Dioden. Im Idealfall genau auf die Hälfte.)
- Ausgangsstrom (Gleichstrom): 60 mA
Die 60 mA Ausgangsstrom sind so hoch bemessen, um einen sicheren Betrieb des verwendete mechanische Relais sicherzustellen. Der Stromverbrauch der übrigen Bauelemente ist nicht relevant. Damit erkauft man sich auch eine relativ hohe Verlustleistung der Z-Dioden.
Kurz zur Funktionsweise: Solange der Strom zur Mastersteckdose den einstellbaren Schwellwert (R10) nicht überschreitet, wird der Transistor T1 das Relais nicht schalten. Die Slave-Steckdosen bleiben stromlos. Der vom Kondensatornetzteil gelieferte Strom findet jetzt keinen Verbraucher mehr und die Z-Dioden müssen nun diesen Strom „verbraten“. Das bedeutet, dass diese Z-Dioden im ausgeschalteten (Slave-)Zustand am meisten thermisch beansprucht werden. Und das immer bzw. solange die Steckdosenleiste mit dem 230 V Netz verbunden ist, unabhängig ob ein Gerät in der Master-Steckdose oder in die Slave-Steckdosen gesteckt wurde oder nicht. Die Dioden haben diese thermische Belastung auf Dauer nicht Stand gehalten und den Dienst quittiert und einen dunklen Fleck auf der Leiterplatte hinterlassen.
Ein bloßes Ersetzen des elektromechanischen Relais kam für mich nicht in Frage. Zu oft beobachtete ich, dass diese Art von mechanischen Relais hängen und nicht sicher schalten. Es kam nur der Einsatz eines SSR in Frage. Diese Überlegungen führten zu folgendem Schaltplan:
Ein Halbleiterrelais (Solid-State-Relais = SSR) hat ein paar wesentliche Vorteile: Der Strombedarf für ein sicheren Betrieb ist viel geringer und ein SSR mit Nulldurchgangsschalter schaltet exakt beim Nulldurchgang der Sinuswelle und damit sind durch den Schaltvorgang hervorgerufene Stromspitzen im geschalteten Stromkreis nicht vorhanden. Und nicht zuletzt: Ein SSR hat eine längere Lebensdauer. Der Nachteil eines höheren Verlust im geschalteten Laststrompfad muss man mit einem Kühlkörper begegnen.
Auch wenn man meint, dass durch den Nulldurchgangsschalter keine Induktionsspannungsspitzen durch den SSR auftauchen können, sind zusätzliche Schutzschaltungen (Snubber-Circuit, Varistor) sinnvoll. Induktionsspannungsspitzen können auch durch Schaltvorgänge im geschalteten Stromkreis erfolgen, die dann eine Zerstörung des SSR zur Folge haben könnte. Dies hatte sprut bei der Schaltung eines Motorventils leidvoll erfahren müssen. Ich spendierte also der ganzen Schaltung noch einen Snubber-Circuit (C5, R24) und einen Varistor (R23).
In der Schaltung ist nun auch eine weitere Sicherung (100 mA) in den Strompfad des Kondensatornetzteils vorhanden. Zum sicheren Betrieb des verwendeten SSR (JC216SC) sind 20 mA ausreichend, vermutlich geht auch weniger. Mit den Werten Udc=24 V, Idc=28mA war ich mehr als auf der „sicheren“ Seite. Damit ergaben sich folgende Werte für das Kondensatornetzteils:
- R21 = 180 kΩ
- C3 = 470 nF (X2-Typ!)
- R20 = 330 Ω
- D4 = D7 = 12 Volt
Den Kondensator C1 musste ich vergrößern, indem ich einen zweiten Kondensator parallel schaltete und insgesamt 1470 µF erreichte. Mit Werten um 220 µF war die Rippelspannung zu hoch und das elektronische Relais „flackerte“. Durch die Trägheit eines mechanischen Relais war diese Gefahr in der ursprünglichen Schaltung nicht gegeben. Negativer Effekt: Es dauert über eine Sekunde bis die Glättungskondensatoren auf die Z-Diodenspannung aufgeladen sind. Das sollte aber für diese Anwendung keinen wirklichen Nachteil darstellen.
Zur Strombegrenzung für den Eingang des Solid-State-Relais ist ein Vorwiderstand von 1,8 kΩ eingesetzt. Es wäre auch ein 1,1 kΩ Widerstand möglich. Die gelbe LED leuchte allerdings bei diesem Widerstand zu grell und ich erhöhte den Widerstand auf 1,8 kΩ.
Nun galt es, diese ganze Schaltung in die Steckdosenleiste bzw. auf der vorhandenen Leiterplatte zu platzieren. Nach einigem Probieren habe ich eine Lösung gefunden, welche aus den Bildern hervorgeht. Dem SSR habe ich auch einen kleinen Kühlkörper spendiert und ist laut Datenblatt in der Lage bis 16 A zu schalten. Thermisch blieb der SSR bei ca. 5 A mit dem kleinen Kühlkörper unbeeindruckt; dennoch reduzierte ich die Werte für die beiden Sicherung F1 und F2 auf 5 A (entgegen den Werten im Schaltplan). Für den Einsatzzweck PC mit Bildschirmen und Drucker, sowie einer LED-Tischleuchte an den Slave-Steckdosen war das mehr als ausreichend.
Detailbilder
Diese Schaltung funktioniert nun seit März 2023 ohne Probleme.
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