Überlegungen zu den Schaltausgängen des Shelly UNI

Im UNI sind die beiden Schaltausgänge mit Optokopplern TLP172GM realisiert:

Der Hersteller Toshiba nennt diese Bauteile „photo relay“:

(Quellenangabe: Datenblatt der Fa. Toshiba)

Zwei MOSFET mit optisch empfindlichem Gate sind in Serie geschaltet, eine LED aktiviert diese. Die Daten sagen uns: Strom im on-Zustand max. 110mA, max. Spannung im off-Zustand 280V (empfohlen, Grenzwert bei 350V), Verlustleistung max. 300mW, R(on) max. 35 Ohm. Das sind ordentliche Werte. Parallel zu den beiden Ausgängen der Optokoppler wurden zwei Suppressordioden (TVS) angeordnet, die die Optokoppler vor Überspannungen schützen sollen. (Gegen zu hohe Ströme schützen die TVS natürlich nicht, auch nicht gegen zu hohe Verlustleistung der Optokoppler.)

Diese Suppressordioden (D7/D8, SMD-Bezeichung YP) haben (leider!) eine Nennspannung von 36V. Das wollte ich zunächst nicht glauben und habe die Teile mit meinem Kennlinienschreiber „unter Spannung“ gesetzt:

(Horizontaler Maßstab: 5V/div.)

In entgegengesetzter Polarität:

(Gleicher Maßstab)

Man erkennt, daß die TVS bei rd. 38V leiten!

Hier noch ein Foto der Meßanordnung:

Was heißt das für uns als Anwender des Shelly UNI? Wir werden „ausgebremst“, können die Leistung, die die Optokoppler bieten, nicht ausnutzen! Nicht mal der Betrieb an 48V, wozu ich noch „Kleinspannung“ sage, ist möglich. Die Optokoppler wären sogar für die Schaltung eines kleinen Schützes mit 230V AC-Spule durchaus geeignet - wären da nicht die Schutzabstände! Wie man aus den beiden Fotos von Vorder- und Rückseite des UNI erkennen kann, wurden (ohne Not!) keine ausreichenden Abstände eingehalten. Eigentlich schade…

Sorry, wenn ich da leider noch eins drauflegen muß: Studiert man die Datenblätter für „Photo Relays“. verschiedener Hersteller, offenbaren sich die Unterschiede zwischen den Optokopplern mit MOSFET-Ausgang: Die Typen mit max. Betriebsspannung bis 60 oder 80V haben i.d.R. on-Widerstände von rd. 3 Ohm; bei den Hochvolt-Typen (max. Spannung bis 300V) liegen die on-Widerstände um den Faktor 10 höher! Entsprechend verhalten sich die zulässigen Verlustleistungen in den Optokopplern und die zulässigen Betriebsströme: Bei den Typen mit Betriebspannungen bis 80V dürfen etwa 0,5A geschaltet werden!

Fazit: Setze ich einen Optokoppler mit 350V Auslegungsspannung ein und „bremse“ ihn mittels TVS-Dioden auf 40V herunter, vergeude ich Geld und erreiche schlechtere Werte in meinen Produktspezifikationen. Ich baue somit ein schlechteres Produkt!

Zitat von macwalta

Ist vermutlich eine Kostenfrage.

Leider scheint es nicht so einfach zu sein! Der „schwächere“ Koppler TLP172AM mit 60V U(off) und 0,5A I(on) ist um 3 Cent günstiger, als der verwendete TLP172GM. Preisvergleich bei einem großen Distributor (Mouxxx), jeweils für das einzelne Stück…

Die Erklärung: Bauteil-Verfügbarkeit! Der (für den Entwurf günstigere) TLP172AM ist erst im November 2021 wieder lieferbar (jedenfalls bei Mouxxx). Die TVS-Dioden mit 40V Begrenzung waren offenbar bereits eingelagert und sollten für den TLP172AM passen. So ist man wohl auf den Hochvolt-Typ TLP172GM umgestiegen und hat die Spezifikation für den Shelly UNI angepasst: Strom I(on) jetzt max. 110mA…

Sind da nicht im vergangenen Jahr zwei Halbleiter-Werke in Asien abgebrannt?