Can't touch this!


Erstellt: 2010-07-20Letzte Änderung: 2016-01-30 [vor 1 Jahr, 10 Monaten, 17 Tagen]

Can't touch this! Diese kleine Schaltung schleift die Netzspannung vom Eingang durch zu einem Verbraucher. Dabei erkennt sie die Phase und sorgt dafür, dass diese immer an der gleichen Ausgangsklemme anliegt. Primäres Einsatzgebiet dieser Schaltung ist die Verwendung an einem Stelltrafo.

Info 2016-01-30 • Hier noch weitere wichtige Hinweise zu Personenschutz und Sicherheit!

Beschreibung

Ich habe mir bei Ebay einen 1kVA-Stelltrafo gekauft. Dabei handelt es sich um keinen Trenntrafo, sondern einen Spartrafo; der eine Pol des Outputs ist also fest mit einem Pol des Inputs verbunden.

Um gefahrenlos mit diesem Stelltrafo arbeiten zu können, muss dieser gemeinsame Pol zwingend mit dem Nullleiter der Steckdose verbunden werden.

Um nicht vor jedem Einstecken des Steckers die Phase suchen zu müssen, wird diese Schaltung zwischen Steckdose und Stelltrafo geschaltet. Sie "ordnet" die Leitungen, sorgt also dafür, dass am Output die Phase immer an der gleichen Klemme anliegt. So muss man den Stelltrafo nur einmal richtig mit der Schaltung verkabeln und ist bei jedem Einstecken des Steckers sicher, dass man den Output des Stelltrafos jederzeit gefahrlos Berühren kann.

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Funktionsweise

Die Schaltung hat drei Inputs A, B, PE und drei Outputs L, N, PE.

Information
KürzelDeutschEnglischBeschreibung
LPhaseLive wire230V~ gegen N, PE - Nicht berühren!
NNeutralleiterNeutral wireSpannungsloser Gegenpol zu L. Berührung gefahrlos.
PESchutzerdeProtective earthGeerdet. Berührung gefahrlos.

PE Input wird an PE Output durchgeschleift.

Im abgeschalteten Zustand der Schaltung (s.U.) ist A mit L und B mit N verbunden.

Ein kapazitives Netzteil stellt eine Spannung von ca. 24V bei 30mA Ausgangsstrom zur Verfügung. Der Blindwiderstand des 1µ-Kondensators (siehe auch WARNUNGEN!) begrenzt den Strom auf einen für unsere Zwecke brauchbaren Wert. Der 100R-Lastwiderstand begrenzt den Ladestrom des Kondensators bei erstmaligem Einstecken der Schaltung. Zwei Dioden richten die Spannung gleich, welche durch einen Elko geglättet und bei Störungen durch einen VDR grob begrenzt wird. Über einen Transistor kann ein Relais eingeschaltet werden; dieses braucht eine Spannung von 24V und hat einen Widerstand von 820R.

Berechnung des Netzteils:

(Vom Relais benötigter Strom.)

(Benötigter Blindwiderstand des Eingangskondensators.)


Als nächsten Wert hatte ich 470nF zur Hand. Da wir nur eine Einweggleichrichtung haben, muss die Kapazität jedoch doppelt so hoch sein, da nur die Hälfte der Eingangsspannung passieren kann. Ich habe also zwei 470nF-Kondensatoren parallelgeschaltet. Im Schaltplan habe ich daher den nächsthöheren Wert 1µF eingezeichnet.

Das Relais vertauscht - wenn eingeschaltet - am Output A mit B.

Der Transistor muss also immer dann durchgeschaltet werden, wenn der Input B die Phase ist; dann vertauscht das Relais beide Ausgangsklemme und die Phase B liegt am Output L an - dort wo sie hingehört.

B ist eindeutig die Phase, wenn eine Spannung zwischen B und PE gemessen werden kann. In unserer Schaltung ist B unser Bezugspunkt, also Ground. Wir richten die Spannung zwischen PE und B mit einer Diode gleich, begrenzen den Strom über einen 220k-Widerstand auf ca. 500µA - so viel braucht der Transistor, um durchzusteuern - und vernichten die überschüssige Spannung in einer 5V1-Zenerdiode.

An der Basis liegt nun - sollte B tatsächlich die Phase sein - eine halbgleichgerichtete Spannung von 5,1V an. Über einen Elko wird diese geglättet, damit der Transistor und damit auch das Relais nicht "flattert". Ein 1M-Widerstand verhindert Störungen an der Basis für den Fall, dass B der Neutralleiter ist, also keine Spannung anliegt.

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WARNUNGEN!

Personenschutz und Sicherheit

Ein interessierter Besucher und Mitarbeiter beim TÜV SÜD lies mir folgende Erläuterung zur Sicherheit des hier vorgestellten Gerätes zukommen: :-)

Wie du bereits erwähnt hast, wird ein Pol durchgeschleift. Deine Schaltung sorgt dafür, dass dies immer der N-Leiter ist. Eine geringfügige Risikominderung hast du dadurch, da du durch deine Schaltung weißt, wo die Phase liegt (wie du beschrieben hast).

Galvanisch getrennt bist du natürlich nicht und du kannst in z.B. folgenden Situationen einen elektrischen Schlag bekommen:
  • Berühren der roten Ausgangsklemme (vorausgesetzt der Stelltrafo ist intern phasenrichtig verbunden).
  • Berühren der schwarzen Ausgangsklemme bei zu hoher Differenzspannung zwischen N und PE. Diese Spannung beträgt üblicherweise nur wenige mV bis wenige V. Im Normalfall bei TN-C-Netzen oder TN-C-S Netzen bei hoher Netzbelastung (insbesondere bei langen Leitungen). Im Fehlerfall bei Leitungsbruch über den Geräteinnenwiderstand.
Ein Fehler (Berühren des Leiters / Kurzschluss / Erdschluss) führt zur Gefahr! Der Vorteil eines Schutztrenntrafos mit Isolationsüberwachung ist eben die galvanische Trennung. Also egal welchen der beiden Leiter man berührt (solange nicht beide gleichzeitig), man erhält keinen elektrischen Schlag.
  • Um hier einen Schlag zu bekommen müssen zwei Fehler auftreten: Berührung des Leiters + anderer Leiter muss mit einem geerdeten Teil verbunden sein (also das Kabel ist z.B. abgefallen und berührt das Gehäuse).
Wertlos ist eigentlich ein Trenntrafo ohne Iso-Überwachung. Erstmal hast du die galvanische Trennung und alles ist gut. Irgendwann tritt Fehler 1 auf und bleibt unbemerkt (Berührung Gehäuse und ein Leiter; hier wird aus dem IT Netz plötzlich ein TN Netz). Dann tritt Fehler 2 auf: Jemand berührt den anderen Leiter.

Mit freundlichen Grüßen / Kind regards

Michael Ewinger

Haftung

Information Diese Schaltung ist direkt an Netzspannung anschlossen! Jeder Teil der Schaltung kann auf Netzpotential liegen! Auch wenn innerhalb der Schaltung eine Spannung von ca. 24V herrscht, ist ihr Potential - je nach Steckerpolung - auf Netzspannungsniveau angehoben! Sie darf im Betrieb keinesfalls berührt werden und sollte in ein sicheres Gehäuse verpackt werden! Nur erfahrene Elektroniker dürfen diese Schaltung nachbauen! Diese Schaltung sollte nach dem Aufbau unbedingt in ein berührungssicheres Gehäuse eingebau werden!

Ich gebe KEINERLEI GARANTIE für Funktionalität oder Sicherheit dieser Schaltung und übernehme KEINERLEI HAFTUNG bei eventuellen Sach- oder Personenschäden. Siehe Impressum!

Eingangskondensator

Information Der Eingangskondensator, der in dieser Schaltung der Begrenzung des Eingangsstroms dient, sollte unbedingt ein X2-Typ sein. Im Netz können mitunter sehr hohe Spannungsspitzen auftreten; im Störfall brennen diese Kondensatortypen bei einem Durchschlag nicht ab.

Einschaltvorgang

Information Durch die in der Schaltung vorhandenen Kondensatoren verzögert sich das Anziehen des Relais und ein paar hundert Millisekunden. Die Schaltung darf also nie eingesteckt werden, während man sie berührt!

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Aufbau

Schaltplan

Schaltplan

Fotos

Ein schönes Gehäuse hat das ganze leider noch nicht bekommen. Das muss unbedingt nachgeholt werden, siehe WARNUNGEN!

Die Schaltung kann recht kompakt aufgebaut werden. Nimmt man gleich den passenden Eingangskondensator und evtl. auch ein kleineres Relais, so wird die Sache noch einmal kleiner.
Eingangs- und Ausgangsseite. Eine der Eingangs- und Ausgangsklemmen bleibt unbenutzt.

Die Klemmen und das Relais stammen übrigens aus dem Bauteilbestand von WARP-1. ;-)
Die Verkabelung; nicht schön, aber durchaus robust. Wenn man genau hinschaut, erkennt man, dass ich an verschiedenen kritischen Stellen Lochrasterkupferaugen entfernt habe, um den Sicherheitsabstand zu vergrößern.

So, jetzt kann es heißen: Stop - Hammertime! :-D

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