Fensterkontakte an Tasterschnittstelle

[Hendrik]

Im Verlauf des Threads wurden von verschiedenen Leuten unterschiedliche Aspekte angesprochen, und bevor Dinge vermischt werden, versuche ich mich hier mal an einer Gliederung. Das ist bewusst keine direkte Antwort auf irgendeine Frage.

Also, was wollen wir?

1. Unser Fensterkontakt wird versehentlich mit 230V in Kontakt gebracht. Alle KNX-Geräte sterben, und auch die Katze, die gerade in der Garage mit einer offenen Busklemme geschmust hat, muss nun beerdigt werden. Ist ein reelles Risiko. KNX ist SELV, wir sind stolz auf die Prüfspannung unserer grünen Leitung, und behelfen uns hier mit einer galvanischen Trennung möglichst nah am KNX-Gerät. Schützt auch die Selfbus-Platine vor Spannungsspitzen. Platine dafür im oben verlinkten Thread. Achtung: Hilft nicht gegen die folgenden Punkte.
2. Die Katze ist uns egal, aber die Kombination aus niedriger Spannung (3V3), hohem Eingangswiderstand und langer Leitung macht uns Angst: Wenn wir Störsignale in der Anschlussleitung bekommen, geht dann ständig der Rollladen hoch und runter? Abhilfen könnten sein: Kürzere Anschlussleitung, höhere Spannung, RC-Filter am Eingang. Kürzeres Kabel geht nicht, weil das Fenster zu groß und die Unterputzdose zu weit weg ist. Höhere Spannung ist doof, weil dann die Reedkontakte noch schneller verdunsten. Und wenn ich den Strom erhöhe, bekomme ich auch mehr Lichtbogen?!?
3. Kurzzeitige Spannungsspitzen grillen den uC. Ja, dagegen kann man sich mit einem Varistor wie von Christian verlinkt schützen, siehe oben.
4. Ach was, eine Katze habe ich nicht, und die Leitung ist geschirmt. Aber der Reedkontakt war teuer und die Kontakte vertragen es nicht, wenn er schaltet.

Wenn der letzte Punkt uns schlaflose Nächte bereitet, möchte ich folgende Gedankenanstöße geben:

• Wider alle Unkenrufe sind die Reedschalter dafür gebaut zu schalten.
• Mit wievielen Schaltzyklen rechnen wir? Zweimal lüften pro Tag, macht 15000 Schaltzyklen in 20 Jahren. Der Reedschalter meines Fahrradtachos macht einen Schaltzyklus alle zwei Meter, also 10000 Schaltzyklen pro Tag (10km Arbeitsweg pro Richtung) und hält seit Jahren.
• Mit welcher Spannung werden die Dinger denn sonst so betrieben? 24V? Der erstbeste Fensterkontakt, den ich gerade gefunden habe, ist von Gira und wird spezifiziert mit 40V Betriebsspannung, 100V maximaler Schaltspannung, 0.5A maximalem Schaltstrom. Und sie sterben nicht wie die Fliegen. Zum Vergleich: Unser TS-ARM hat hochohmige 3.3V.
• J-Y(St)Y hat eine Kapazität von rund 100nF/km. Ich wollte eben mal 10 Meter simulieren und habe 1nF an meinen armen Reedschalter (Reichelt MK 17C-SMD, 170V Schaltspannung, 0.5A Schaltstrom) geklemmt, an eine TS-ARM angeschlossen (in8-bcu1, pull-down), das Oszilloskop angeklemmt und sehe: Nichts. Beim Schließen prellt er ein bisschen und ich bekomme ganz kurz eine Spannung von -1.2V. Bei Öffnen: Kein Prellen, kein Überschwingen, gar nichts.

Viele Grüße,

Hendrik

[Doumanix]

Hehe, schöner Beitrag, Hendrik

Ich beziehe deine Überlegungen jetzt nochmal auf meinen Fall:
1. hab ich ja ausgeschlossen.
2. öhh ... da hab ich noch gar nicht drüber nachgedacht. Genau für solche Fälle baut man sich doch nen Pull-Schießmichtot, um die undefinierten Zustände zu vermeiden? In dem Fall würde ein pull down nochmal am IO Sinn machen, um so ein Szenario zu vermeiden, dass irgendwas plötzlich ungewollt schaltet, richtig?
3. Tja, den µC würde ich schon gerne schützen. Wenn ich jetzt 5 Meter Kabel habe und beim Nachbarn fährt der Blitz rein ... wie viel Strom wird dann induziert? Hilft mir die Schaltung dann, wie von dir ergänzt? Oder geht dann mein Einbaumodul über den 3,3V Ausgang ggf. hops?
4. Da hab ich wegen der kleinen Spannung von 3,3V keine Bedenken. Und der Reed würde sich ja auch bei einem Blitz im Nachbarhaus nix scheren, da er ja eh geschlossen ist und nicht genau in dem Moment auf und zu macht...

Katze hab ich Gott sei dank keine, die würd mir bei all den Überlegungen glatt ein wenig leid tun

Grüße
Christian

[edit] Wie komme ich auf den Pull-Down? Weil ich denke, dass da weniger Strom fließen würde, wenn die Fenster ja schließlich zu 99% geschlossen sind.

[Hendrik]

Hallo Christian!

2. öhh ... da hab ich noch gar nicht drüber nachgedacht. Genau für solche Fälle baut man sich doch nen Pull-Schießmichtot, um die undefinierten Zustände zu vermeiden? In dem Fall würde ein pull down nochmal am IO Sinn machen, um so ein Szenario zu vermeiden, dass irgendwas plötzlich ungewollt schaltet, richtig?

Ja, ein pull-up- oder pull-down-Widerstand soll dafür sorgen, den Eingang in einem wohldefinierten Zustand zu halten. Unser uC hat eingebaute pull-Widerstände, die wir ja auch benutzen. In der in8-bcu1 Software haben wir standardmäßig pull-down aktiv, d.h. wir schalten gegen die 3V3-Leitung des Eingangsmoduls. Die in16-bim112 verwendet pull-up Widerstände und man schaltet gegen GND, aber das Prinzip ist das gleiche. So sieht ein pull-down schematisch aus:



Nun ist die Preisfrage: Wie groß macht man diesen Widerstand? Wenn der Schalter geschlossen ist, wäre es gut, wenn er unendlich groß wäre, weil dann kein Strom fließt. Wenn der Schalter offen ist, ist es besser, wenn der Widerstand ganz klein ist, weil dann störende Ladungen, die irgendwie auf dem offenen Stück Leitung zwischen Schalter und uC landen, direkt abfließen können statt sich dem Eingang des uC als Spannung zu präsentieren. Sprich: Je kleiner der Widerstand, desto störunempfindlicher die Schaltung, aber auch desto höher der Stromverbrauch bei geschlossenem Schalter. Je größer der Widerstand, desto sparsamer und anfälliger die Schaltung.

Beim LPC111x fließen 50uA, wenn man 5V an einen Pin mit pull-down anlegt oder einen Pin mit pull-up mit Masse verbindet. Da ist also ein 100k pull-down drin. Wenn Du merkst, dass es Probleme gibt, könnte man zum Beispiel den Pin über einen weiteren Widerstand mit Masse verbinden, um den pull-down effektiv kleiner zu machen.

3. Tja, den µC würde ich schon gerne schützen. Wenn ich jetzt 5 Meter Kabel habe und beim Nachbarn fährt der Blitz rein ... wie viel Strom wird dann induziert? Hilft mir die Schaltung dann, wie von dir ergänzt? Oder geht dann mein Einbaumodul über den 3,3V Ausgang ggf. hops?

Induziert wird eine Spannung, kein Strom. Diese Spannung hängt proportional von der Querschnittsfläche der Leiterschleife ab, die vom Magnetfeld des Blitzes (oder was auch immer sonst stört) durchflossen wird. Sprich: Wenn die Querschnittsfläche null ist, ist die induzierte Spannung null. Deswegen machen verdrillte Leitungen Sinn (twisted pair ...). Solange Du nicht die Hinleitung oben am Rollladen und die Rückleitung unten an der Fensterbank zu Deinem Schalter führst, hast Du damit bestimmt kein Problem. Bei einem Blitz im Nachbarhaus hat die Elektroinstallation andere Sorgen, glaube ich.

Aber wie gesagt: Wenn Du Dir Sorgen um den 3V3 Ausgang machst, dann häng' da noch ein Ferrit davor. Oder sogar Ferrit + Varistor. Aber ich denke, das ist Overkill. Direkt am Ausgang sitzt auf der TS-ARM C104, der dämpft sicher einiges weg. Die Platine selbst verbraucht ein paar Milliampere (LPC1115 bei 12MHz und 3V3: 3mA) und wirkt damit wie ein kleiner pull-down Widerstand. Der Schaltregler wird runterregeln, wenn ihm die Spannung am Ausgang zu hoch wird. Da hätte ich keinen Stress.

[edit] Wie komme ich auf den Pull-Down? Weil ich denke, dass da weniger Strom fließen würde, wenn die Fenster ja schließlich zu 99% geschlossen sind.

Ich verstehe die Frage nicht. Was meinst Du?

Viele Grüße,

Hendrik

[Doumanix]

Hi Hendrik,

danke für die ausführliche Erläuterung.
Die Zeichnung hilft mir, den internen Pull-Up / Pull-Down zu verstehen.

In der in16-bim112 kann ja per INVERT zwischen Pull-Up und Pull-Down gewählt werden, das hab ich hinbekommen und funkt wie gewünscht.

Nach all deinen Ausführungen frage ich mich, wie sehr notwendig denn überhaupt eine Absicherung zwischen Reed und Einbaumodul ist. Oder konstruiere ich hier ein Gefahrenpotenzial, das an den Haaren herbeigezogen ist?

Ich hänge mal ein schematisches BIld an, wie es bei mir oft aussehen wird:

typisches Fenster mit Reed.jpg (35.52 KiB) 5691 mal betrachtet

Ich verstehe die Frage nicht. Was meinst Du?

Vergiss das ... ich dachte die Werte zwischen Pull-Up und Pull-Down Widerstand würden sich unterscheiden.

Grüße
Christian

[Florian]

• Mit welcher Spannung werden die Dinger denn sonst so betrieben? 24V? Der erstbeste Fensterkontakt, den ich gerade gefunden habe, ist von Gira und wird spezifiziert mit 40V Betriebsspannung, 100V maximaler Schaltspannung, 0.5A maximalem Schaltstrom. Und sie sterben nicht wie die Fliegen. Zum Vergleich: Unser TS-ARM hat hochohmige 3.3V.
• J-Y(St)Y hat eine Kapazität von rund 100nF/km. Ich wollte eben mal 10 Meter simulieren und habe 1nF an meinen armen Reedschalter (Reichelt MK 17C-SMD, 170V Schaltspannung, 0.5A Schaltstrom) geklemmt, an eine TS-ARM angeschlossen (in8-bcu1, pull-down), das Oszilloskop angeklemmt und sehe: Nichts. Beim Schließen prellt er ein bisschen und ich bekomme ganz kurz eine Spannung von -1.2V. Bei Öffnen: Kein Prellen, kein Überschwingen, gar nichts.

Viele Grüße,

Hendrik

Bei der Langlebigkeit von Reed-Kontakten geht es genau um den angegebenen maximalen Schaltstrom, hier 0,5A. Die dürfen nicht überschritten werden.
Und da kommen dann die Kapazitäten mit in's Spiel. Wenn die niederohmig an den Reed angeschlossen sind, dann kann der Einschaltstrom diese Grenze überschreiten. Das Ganze hängt natürlich von der Höhe der Kapazität, der Impedanz der Anschlüsse und der Schaltspannung ab. Wenn es nur um Kabelkapazität geht, dann ist das bei den kleinen Spannungen vermutlich überhaupt kein Problem. Ansonsten könnte ein kleiner Vorwiderstand am Reed schon Wunder bewirken.

[Hendrik]

Ich denke nicht, dass man in so einem Aufbau Probleme bekommt (Christians Fenster).

Ich selbst habe trotzdem einen etwas anderen Aufbau, aber das ist vor allem durch die Art Kontakte bedingt, die ich an meinen Fenstern nachrüsten konnte, ohne größeren Aufwand zu betreiben. Eine galvanische Trennung habe ich nur an einigen ausgewählten Orten, wie z.B. dem Klingelknopf. An den Fenstern sitzt bei mir zwischen Reed-Schaltern und TS-ARM noch ein MSP430, der nichts anderes tut als ein bisschen Logik zu betreiben (Doppelflügelfenster: Signale für verriegelt, gekippt, geöffnet jeweils für links und rechts, und außerdem für das Gesamtfenster kombiniert den "am weitesten geöffneten" Zustand, also geöffnet wenn mindestens ein Flügel geöffnet ist, gekippt wenn mindestens ein Flügel gekippt ist -- zum Lüften und für die Heizung). Dafür brauchte ich eh eine Platine, und da die Bauteile für ein wenig Schutzschaltung nichts kosten, sind auch welche drauf.

Was den Reedschalter selbst betrifft, so mache ich mir bei unseren Spannungen bei ein paar Metern Kabel tatsächlich keine Sorgen.