USV für Homematic-CCU2 und Raspberry mit wirkungsvollem Überspannungsschutz

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USV für Homematic-CCU2 und Raspberry  mit wirkungsvollem Überspannungsschutz
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[google-translator]Motivation für eine unterbrechungsfreie Stromversorgung (USV) ?

Das Stromnetz ist in den meisten Gegenden Deutschland eine relativ zuverlässige Sache. Langanhaltende Stromunterbrechungen sind sehr selten. Aber kurze Stromunterbrechungen sind gar nicht so selten. Beispielsweise habe ich in meiner Wohnung eine GSM-Schaltbox, die per SMS geschaltet werden kann. Funktioniert recht gut, hat aber nur einen Nachteil, daß bei jeder kleinsten Stromunterbrechung eine Info-SMS abgeschickt wird. Seit Beginn des Jahres habe ich schon mehr als 10 solcher SMS bekommen !! Und das scheint wohl auch so richtig zu sein, denn wenn man diesen Artikel liest:
http://vik.de/pressemitteilung/items/aktuelle-vik-untersuchung-zeigt-stromversorgungsqualitaet-unter-hohem-druck-mehr-als-90-prozent-der-stromunterbrechungen-werden-.html
dann ist eine kurze  Stromunterbrechung ein gar nicht seltenes Phänomen. Darüberhinaus scheinen neben dem eigentlichen Stromausfall auch andere Probleme wie Überspannung, Unterspannung, Spannungsspitzen und hochfrequente Steuersignale zu stromausfallähnlichen Störungen zu führen. Deshalb habe ich mich entschieden, auch für meine Homematic eine sog. „unterbrechungsfreie Stromversorgung“ anzuschaffen, die genau diese Probleme beseitigen soll.

Welcher Energiespeicher für die USV?

Nach umfangreicher Google-Befragung und der verschiedenen Diskussionen  zum Thema USV im Homematic-Forum  z.B. hier : http://homematic-forum.de/forum/viewtopic.php?f=31&t=17398&start=30&hilit=usv  habe ich eine eigene USV mit Verwendung von Supercaps gebaut. Der Grund für Supercaps war die erkennbaren Lebensdauer Probleme mit chemischen Energiespeicher wie Bleibatterien, NiMH- und Lithium-Akkus bei einer notwendigen Dauerladung des Energiespeichers. Und da mittlerweile die Supercaps oder Doppelschicht-Kondensatoren sowohl preislich als auch größenmäßig sehr günstig geworden sind, habe ich mich für diese Art des Energiespeichers entschieden. In der stillen Hoffnung, daß diese Energiespeicher eine deutlich höhere Lebensdauer besitzen und keinerlei Wartung benötigen 😉

Die Schaltung

Allerdings hat so ein Kondensator anwendungstechnisch seine Tücken, weil die Spannung quadratisch mit dem Energieinhalt abnimmt. Demgegenüber haben die chemischen Akkus über einen weiten Energiebereich eine fast konstante Spannung! Um also die Energie eines Kondensators gut auszunutzen ist ein Spannungswandler (DC/DC-Konverter)  erforderlich, der den relativ großen Spannungshub des Speicherkondensators in eine konstante Spannung (bei uns 5V) umsetzen kann.Das folgende Bild zeigt den Schaltplan meiner  5V-USV:

usv_CCU2_1

Von dem Netzteil wird die USV mit 5V versorgt. Über eine Schottky-Diode mit nur 0,3V Spannungsabfall wird ein sog. Step-up DC/DC Konverter angesteuert, der daraus eine konstante Spannung von 5V macht. Das funktioniert mit dem von mir eingesetzten Modul selbst bei Eingangsspannungen bis runter  zu etwa 1,5V erstaunlich gut! Allerdings sollte man exakt das gleiche Modul verwenden, weil es sehr unterschiedlich leistungsfähige DC/DC-Konverter im Markt gibt. Dazu habe ich bestimmt 5 verschiedene solcher Fertigmodule (sog. Breakouts) detailliert durchgemessen. Das beste Modul war das hier im Bild gezeigte Modul aus der „Bucht“: http://www.ebay.de/itm/400770776961?_trksid=p2057872.m2749.l2649&ssPageName=STRK%3AMEBIDX%3AIT oder Suchen nach Stichworten wie:  „Step Up Power Supply Module“

Für die Überbrückung des Stromausfalls werden insgesamt vier 100F(!) Doppelschicht-Kondensatoren eingesetzt. Da diese normalerweise nur 2,7V ertragen, sind sie für eine 5V-Versorgung entsprechend dem Schaltplan in Reihe verschaltet. Zusätzlich sind zur sog. Symmetrierung noch Widerstände und Zenerdioden notwendig. Die Zuschaltung bei Stromausfall erfolgt automatisch mit der zweiten Schottky-Diode vom Typ BYV10.

Zum Überspannungsschutz ist eine wirkungsvolle sog. Suppressordiode vom Typ 1N5908 eingebaut. Damit und in Verbindung mit dem DC/DC Konverter dürften Überspannungen aus dem Netz kaum zur CCU „durchschlagen“. Angezeigt wird der Status der USV mit einer DUO-LED. Leuchtet sie gelb, dann  ist alles o.k. bzw. die CCU2 wird mit 5V versorgt und vom Netzteil sind auch 5V da. Leuchtet sie rot, dann ist die Netzversorgung ausgefallen.

Eingebaut habe ich dieSchaltung in ein Kleingehäuse. Eine gedruckte Platine lohnt bei den  wenigen Bauteilen wohl kaum! Für den versierten Elektroniker ist der Aufbau sicher kein Problem. Aber bei der Verschaltung der Supercaps darauf achten, daß sie über einen Widerstand vorher entladen wurden, weil sonst Kurzschlüsse etc. zu einer Beschädigung führen können. Das ist genauso wie bei Akkus!
gehaeuse1

Etwas Theorie

Die Energie des Kondensators nimmt während des Entladens näherungsweise linear ab (siehe blaue Kennlinie im nachfolgenden Bild). Die auf 5V aufgeladenen Kondensatoren können theoretisch die CCU2 etwa 10min versorgen. Mit Verlusten und mit Berücksichtigung einer für den DC/DC-Konverter noch gut verwertbaren Minimalspannung von 2.0V ist zwar nicht die gesamte Kondensatorenergie nutzbar, aber  bei der hier gewählten Konstellation sind doch beachtliche  84% der Kondensatorenergie zur Notstromversorgung nutzbar!

entladekurve2
Meßergebnisse

Letztlich entspricht die theoretische Entladekurve auch dem praktischen Entladeverhalten. In Verbindung mit der CCU2 kann eine Zeit von 9 Minuten überbrückt werden, wenn die Kondensatoren vorher vollgeladen sind. Meßwerte für einen Raspberry-Notbetrieb habe ich noch nicht ermittelt. … wird wohl etwas weniger sein!

 

Update: Mit preisgünstigen „super capacitors“ mit 500F (2 Stück für 10€!) wären sogar deutlich mehr als 20 Minuten möglich!
http://de.aliexpress.com/item/Free-Shipping-2pcs-Super-Capacitor-Black-2-7V-500F-Farad-Capacitor-Power-Capacitor-10001/32292279913.html?recommendVersion=1

 

Haftungs- und Sicherheitshinweise

Beim Nachbau müssen natürlich alle wichtigen einschlägigen Sicherheitsvorschriften für den Umgang mit gefährlichen Spannungen  eingehalten werden. Fundierte theoretische und praktische Fachkenntnisse der Elektrotechnik und für den Umgang mit gefährlichen Spannungen sind unverzichtbar!!

Durch eine unsachgemäße Installation gefährden Sie ihr Leben und das Leben ihrer Mitmenschen! Darüberhinaus riskieren Sie erhebliche Sachschäden , welche durch Brand etc. hervorgerufen werden können ! Für alle Personen- und Sachschäden durch falsche Installation etc. ist nicht der Hersteller sondern nur der Betreiber verantwortlich.

Ich verweise hier unbedingt auf  die  „Sicherheitshinweise und Haftungsausschluss„-Seite dieses Blogs.