Teardown Shelly plus 0-10V (Dimmer) und Messungen des PWM-Signals

Vor einigen Tagen kam mein Shelly plus 0-10V Dimmer an:

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Bemerkens- und lobenswert ist, daß auf vermeidbaren Kunststoff bei der Verpackung verzichtet wurde! Die Passform in der Schachtel besteht jetzt aus Papier:

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Öffnet man das Gehäuse, sieht man eine „übersichtliche“ Anordnung von Bauteilen:

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Vieles kommt uns von Generation 2 Shellies bekannt vor: Die beiden Step-Down-Regler für 12V und 3,3V sind Standard. Eine Picofuse 500mA (träge), der übliche VDR und zwei 3,3µF/400V-Elkos (in gelb). Der Siebelko für die 12V-Schiene ist ein 330µF/16V Typ (in braun). Alle drei Elkos stammen von YongMing. Ein neues Bauteil ist der Optokoppler EL817. Ein Datenblatt dazu ist bei Fa. Reichelt zu finden:

https://www.reichelt.de/index.html?ACTION=7&LA=3&OPEN=0&INDEX=0&FILENAME=A500%2FEL817-EVL.pdf

Die Unterseite der Leiterplatte enthält nur ein IC – den ESP32:

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Inbetriebnahme

Habe zunächst den Gedanken verfolgt, den Shelly, der ja keine Spannung 0 bis 10V liefert, sondern einen PWM-modulierten, potentialfreien Schalter besitzt, eigenständig und aktiv zu betreiben. Dazu steckt man ein Add-On "plus" auf, welches die erforderlichen 10V DC galvanisch getrennt bereitstellt:

Schaltbild 1mA.jpeg

In dieser Schaltungsanordnung liefert die Kombination eine Spannung an „PWM“ ab: Bei der Reglerstellung „Brightness 100%“ liegen 10V an; bei „Brightness 0%“ 0V. Die Logik stimmt also soweit…

Gespeist habe ich den Shelly für die Messungen mit 24V DC. Wie üblich, wird +24V an Klemme N angeschlossen; GND/Minus an Klemme L. Die Stromaufnahme bei 24V-Speisung beträgt rd. 50mA.

Wie sieht das Signal an den Anschlüssen „PWM“ aus?

SCR370.PNG

Ein Rechtecksignal mit einem Tastverhältnis von 50% und einer Amplitude von knapp 10V. Leider ist die ansteigende Flanke recht „rund“. Das ist auch der Grund für die zu geringe Anzeige des (gemessenen) Tastverhältnisses von 48,1% (Angabe „Dty+:“). Auf die Ursache dieses Effektes kommen wir noch zu sprechen…

Der im Diagramm angegebene Wert “Mean: 4,75V“ ist der gemessene Mittelwert der Spannung, die sich aus dem PWM-Signal ergibt. Ein DMM mit „TrueRMS“ wird den gleichen Wert anzeigen!

Der Wert für „RMS“ (Effektivwert) ist mit 6,76V erheblich höher. Das ist kein Fehler, denn der Effektivwert eines symmetrischen Rechtecksignals berechnet sich nach der Formel:

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Für den Mittelwert gilt diese Formel:

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Legende:

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Wir erwarten daher einen Effektivwert von 7,07V bei dem Tastverhältnis von 50%!

Oszillogramme anderer Tastverhältnisse folgen im nächsten Beitrag!

Oszillogramme anderer Tastverhältnisse:

SCR386.PNG

SCR368.PNG

SCR375.PNG

Bei dieser Einstellung macht sich bereits der Einfluß des langsamen Anstiegs der Signalflanke bemerkbar: Das PWM-Signal erreicht bereits nicht mehr 10V!

Das wird noch schlimmer:

SCR377.PNG

Hier beträgt die Amplitude nur mehr 7,42V!

Vergrößert man den Zeitmaßstab, erkennt man den Einfluss der Anstiegszeit:

SCR378.PNG

Wir messen eine Anstiegszeit von mehr als 33µs! Die tatsächliche Anstiegszeit wäre noch größer, wenn der Impuls lange genug dauern würde, um das Plateau zu erreichen. So beginnt bereits am Ende des Anstiegs die abfallende Flanke.

Dadurch wird die Umsetzung der Vorgabe („Brightness“ in Prozent) in ein Tastverhältnis bzw. einen Mittelwert einer Spannung recht ungenau. Hat das etwa mit der Ansteuerung des Optokopplers zu tun?

Schauen wir uns die interne Schaltung an:

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Die Spannung auf der „LED-Seite“ des Optokopplers, gemessen an Pin15 des ESP32, sieht so aus:

SCR399.PNG

Ein sehr sauberes Rechtecksignal. Die Flanken sind mit je 9ns als steil zu bezeichnen:

SCR400.PNG

SCR401.PNG

Woher rührt die drastische Verlängerung der ansteigenden Flanke? Einblick ins Datenblatt des EL817 offenbart die Rolle des Lastwiderstands auf der „Phototransistorseite“ des Optokopplers:

Der Lastwiderstand beträgt in der gewählten Schaltung 10kΩ! Denkbar ungünstig…

Fortsetzung im nächsten Beitrag...

Ein Versuch mit einem Lastwiderstand von 1kΩ brachte allerdings eine Ernüchterung:

SCR392.PNG

Die volle Amplitude von 10V wird nicht mehr erreicht! Dies liegt am hohen R_on des Phototransistors, welcher nicht in die Sättigung gerät, weil die LED nur mit knapp 3mA betrieben wird.

Dies ist aus dem Kennlinienfeld leicht zu erkennen:

EL817-EVL_Seite_07.png

Bei knapp 3mA I_F und einem Strom I_C = 5mA befinden wir uns nicht mehr im Darstellungsbereich des Diagramms!

Eine Tabelle zeigt die Freiheitsgrade:

Rolle des Lastwiderstands.png

Der Strom durch die LED (I_F) kann mit einer äußeren Beschaltung nicht erhöht werden. Daher muß der kleinstmögliche Lastwiderstand gesucht werden, mit dem eine optimale Anstiegszeit möglich ist.

Dies scheint bei einem Lastwiderstand von 3,2kΩ gegeben zu sein: Dann fließt ein Kollektorstrom von 3mA; die Amplitude des PWM-Signals ist mit 9,9V noch ausreichend.

Die erreichbare Anstiegszeit liegt dann, wie die Meßwerte zeigen, bei rd. 20µs:

T-rise-fall.png

Hier ein Oszillogramm mit Brightness 10% und einem Lastwiderstand von 3,2kΩ:

SCR406.PNG

Die Abweichungen des Tastverhältnisses und des Mittelwerts der Spannung bei der drei verschiedenen Lastwiderständen zeigen klar, daß R_L = 3,2kΩ am geeignetsten ist:

Fehlerkurven.png

Der Ausreißer bei 1% Brightness ist unter den gegebenen Umständen leider unvermeidbar.

Die Tabelle der Meßwerte für R_L 3,2kΩ:

Messung 3,2kOhm.png

Weil das Add-On „plus“ 3mA Referenzspannung liefern kann, kann diese Schaltung verwendet werden:

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Schaltplan A

Mit der Parallelschaltung des internen Widerstands R1 und 4,7kΩ extern ergibt sich der gewünschte Lastwiderstand von 3,2kΩ.

Alternativ kann die PWM auch am Lastwiderstand abgegriffen werden. Man erreicht damit eine Umkehr der Logik: Die Einstellung „90% Brightness“ entspricht dann 1V bzw. einem Tastverhältnis von 10%. Die Schaltung:

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Schaltplan B

Es verlockt, den Mittelwert des PWM-Signals mit dem Add-On-eigenen Analogeingang zu messen. Dazu muß man die blaue Verbindung im Schaltplan A einfügen. Das Ergebnis ist jedoch enttäuschend: Die angezeigte Spannung „zappelt“ – in kurzen Abständen wird ein Wert angezeigt, der um rd. 0,5V größer oder kleiner als der erwartete Wert ist. Ein Blick aufs Oszilloskop offenbart, daß das PWM-Signal von Störimpulsen überlagert ist, die asynchron zur PWM-Frequenz von 500Hz auftreten:

SCR414.PNG

Dies scheint ein Hardware-„Bug“ zu sein…

Weitere Schaltungsvarianten

Wer das Add-On „plus“ nicht verwenden möchte, sondern eine externe Spannungsquelle, kann dies tun. Wichtig ist die Wahl des Lastwiderstands! 3,3kΩ haben sich als Optimum erwiesen.

Ausblick

Ein Praxistest mit einem Meanwell-Dimmer folgt; ebenso ein Test mit meinem Belimo-Stellantrieb.

Wünschenswert wäre eine Änderung der Ansteuerung des Optokopplers, damit der äußere Lastwiderstand auf Werte kleiner 3,3kΩ gesenkt werden könnte! Dazu müsste der Vorwiderstand der LED des Optokopplers auf 100Ω reduziert werden, damit der Phototransistor auf der Sekundärseite in die Sättigung gerät. Aber das kann nur der Hersteller…

Dank

Herzlichen Dank an Sascha Rühling, Inhaber von shellyparts, der mir einen Shelly plus 0-10V kostenlos zur Verfügung gestellt hat!

Auf dringenden Wunsch eines einzelnen Herrn eine Skizze, wie eine Schaltungsanordnung mit einem externen 12V-Netzteil und Speisung des Shelly plus 0-12V Dimmer aussehen könnte:

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Diese Anordnung wurde noch nicht getestet!