Beiträge von thgoebel

Aus dem Bekanntenkreis erreichte mich die Frage, welche Anforderungen an das Netzteil zur 12V-Versorgung des Shelly 4Pro gestellt werden müssen. Diesen Aspekt möchte ich auch hier im Forum erörtern:

Bei der Modifikation des Shelly 4Pro werden die 12V nach dem Primärnetzteil eingespeist. Damit werden direkt die Relais versorgt, und höchstwahrscheinlich auch die Bauteile zur Leistungsmessung. Ebenfalls aus den 12V versorgt wird der Regler für die 3,3V-Versorgung des Logikteils und des WLAN-Adapters. Daher sollte unbedingt ein geregeltes Netzteil für die 12V-Versorgung verwendet werden! Der Strombedarf des 4Pro ist nicht sehr hoch: Es werden max. 110 mA benötigt. Daher kann systemkonform eines der Hutschienen-Netzteile von MeanWell eingesetzt werden. Sollen noch andere Verbraucher mit 12V versorgt werden, geht deren Strombedarf natürlich in die Gesamtrechnung ein.

Ohne Umbau des Shelly 4Pro sind mindestens 30V Gleichspannung erforderlich. Leider sind Netzteile für 36V recht selten, auch in Hutschienen-Bauform. Alternativ bieten sich Netzteile in 48V an, die es z.B. in der Bucht auch für Hutschienenmontage gibt. Einen Handelsnamen hatte ich ja weiter oben genannt. In der Bastelkiste könnten sich 48V-Netzteile für die Versorgung von IP-Telefonen oder ISDN-NTBA finden, die ebenfalls geeignet sind.

Müssen andere Verbraucher mit 24V DC versorgt werden, könnte man auch zwei 24V-Schaltnetzteile einsetzen: Ein stärker dimensioniertes, an das alle Verbraucher angeschlossen werden und dessen Minuspol (z.B.) auf der Bezugsspannungsebene liegt und ein weiteres, kleines 24V-Netzteil in Serie zum ersten, an dem die 48V für den (unmodifizierten) Shelly 4Pro abgegriffen wird. An die Stabilität der 48V-Versorgung werden übrigens keine hohen Anforderungen gestellt, weil der interne Spannungswandler des 4Pro einen weiten Eingangsspannungsbereich aufweist.

Offenbar hat man die Strom- und Leistungsmessung als wichtiger angesehen, als den Betrieb mit 3 potentialfreien Kontakten: Die Messung des Verbraucherstroms ist beim 4Pro über Shunts im Strompfad realisiert - daher wäre eine mehrphasige Messung sehr aufwändig.

Dies hat mich auch vor der Überlegung zurückgehalten, die Relaiskontakte einzeln herauszuführen. Die Leiterplatte gibt das nicht her - da ist zuviel "Beiwerk" (nämlich zur Strommessung)...

Nicht zuletzt aus diesem Grund misst der dreiphasige 3EM über Stromwandler: Das ist viel einfacher zu handhaben!

Was ich nicht verstehe, ist, daß man die realisierte Potentialtrennung zwischen Sensor- und Aktorbereich nicht in der Werbung herausgestellt hat! Das hätte einige zusätzliche Anwendungsmöglichkeiten eröffnet...

Keine Verwendung - schon deshalb, weil man einen 4Pro besitzen muß, sowie den entsprechenden Anwendungsfall! Alles wartet auf den 4Pro+...

Denke mir, daß es vor einiger Zeit wäre es durchaus bemerkenswert gewesen wäre, wenn es ruchbar geworden wäre, daß ein weiterer Shelly-Baustein (neben dem Shelly 1) Potentialtrennung zwischen Relais und Steuereingängen erlaubt? Und der auch noch mit Hutschienenbefestigung gestaltet wäre! Einige Antworten im 4Pro-Bereich dieses Forums hätten anders ausfallen können...

Aber ich will ja nicht klagen - mein Wissendurst ist gestillt und ich habe eine Lösung zum Ersatz einer Gartenbewässerung...

Habe den Schalteingang S4 auf die Erkennung von Kleinspannung umgebaut. Ohne einen der 4 SMD-Widerstände auszulöten, konnte ich mit dieser Beschaltung drei Widerstände parallel schalten; einen habe ich überbrückt. Damit erhält man einen Eingangswiderstand von 15,6kOhm:

Damit erreicht man folgende Messwerte:

U = 9V DC, Ie = 0,5 mA, Schaltfunktion o.k.

U = 12V DC, Ie = 0,7 mA, Schaltfunktion o.k.

U = 15V DC, Ie = 0,9 mA, Schaltfunktion o.k.

U = 18V DC, Ie = 1,0 mA, Schaltfunktion o.k.

U = 20V DC, Ie = 1,2 mA, Schaltfunktion o.k.

U = 24V DC, Ie = 1,5 mA, Schaltfunktion o.k.

Zu beachten ist, daß der Minuspol der Schaltspannung an Klemme N‘, der Pluspol an Klemme Sx (hier S4) gelegt wird!

Mit Wechselspannung:

U = 9V AC (RMS), Ie = 0,5 mA, Schaltfunktion o.k.

U = 12V AC (RMS), Ie = 0,7 mA, Schaltfunktion o.k.

U = 24V AC (RMS), Ie = 1,6 mA, Schaltfunktion o.k.

Zum Herstellen der Brücken lt. Foto habe ich Kupferlackdraht mit lötbarer Lackschicht verwendet. Damit geht das recht einfach. Dennoch ist das Löten nicht trivial - SMD-Werkzeug und eine gute Lupe sind unabdingbar...

Off-topic: Werde das Gefühl nicht los, daß ich hier ein „totes Pferd“ reite! Klar, der Shelly 4Pro ist abgekündigt und kaum noch zu erhalten; der 4Pro+ läßt auf sich warten. Vielleicht sind meine Gedanken und Untersuchungen für den einen oder anderen doch nützlich...

Habe mir eben die CE-Konformitätserklärung des Shelly 4Pro angesehen, die im Bereich „Filebase“ auf dieser Website verfügbar ist. Daraus ist zu entnehmen, daß u.a. auch eine Sicherheitsprüfung vorgenommen wurde und Schaltungs- und Layoutunterlagen eingereicht worden sind. Damit ist auch die Frage zu (b3) beantwortet. Aus der Tatsache, daß die Entwickler Optokoppler bei den Sensorikeingängen verwendet haben, schließe ich, daß der Betrieb mit zwei Spannungsebenen vorgesehen ist - denn andernfalls wäre der Mehraufwand für die Optokoppler vergeudet!

Mein 3EM, der die Ladeleistung meines E-Autis misst, liefert bei sehr geringen Strömen ebenfalls sporadisch negative Power-Faktoren (cos phi). Weil das ausschließlich im Leerlauf der Fall ist, ignoriere ich das und mache die Beschaltung in der Wallbox mit Entstörgliedern (kapazitive Last!) dafür verantwortlich.

Zur Klärung der (bislang ungestellten) Frage, ob - neben dem Shelly 1 - auch der Shelly 4Pro in "gemischten" Schaltungen, d.h. mit einem Netz- und einem Kleinspannungsteil betrieben werden kann, einige Gedanken:

(a) Es konnte gezeigt werden, daß der Sensorik-Bereich des 4Pro vom Aktoren-Bereich galvanisch getrennt ist. Daher kann der 4Pro in der angegeben Weise betrieben werden. Mit einer Einschränkung: Alle Sensoren müssen auf einer Spannungsebene liegen! Es dürfen somit nicht z.B. der Schalteingang S1 mit Kleinspannung und der Schalteingang S4 mit Netzspannung betrieben werden!

(b) Die wichtigere Frage bleibt: Darf der 4Pro auch so betrieben werden?

Das ist von folgenden Aspekten abhängig:

(b1) Zulassung der sicherheitsrelevanten Bauteile

(b2) Einhaltung der Sicherheitsabstände und Kriechstrecken

(b3) Zulassung der Baugruppe Shelly 4Pro

Punkt (b1) ist nach einem Blick in das Datenblatt des TLP291-4 zu bestätigen. Das Optokoppler-Array bildet ja die Schnittstelle zwischen den beiden Spannungsbereichen und stellt damit das sicherheitsrelevante Bauteil dar. Hier ein Auszug aus dem Datenblatt:

(Quellenangabe: Datenblatt der Fa. Toshiba)

Zulassungen für den Baustein liegen somit vor. Ob Alterco das IC mit der für die VDE-Zulassung relevanten Option "V4" einsetzt, darf bezweifelt werden, denn m.W. hat der Shellx 4Pro keine VDE-Zulassung.

Punkt (b2) kann ich nur qualitativ beantworten. Hier die Sicherheitsabstände auf der Oberseite der Leiterplatte:

...und auf der Unterseite:

Das sieht recht gut aus. Nur eine Stelle ist unsichtbar: Wie sieht es unter dem SMD-Bauteil TLP291-4 aus? Das Datenblatt hat eine Ansicht der Lötpads:

(Quellenangabe: Datenblatt der Fa. Toshiba, Link siehe oben)

Diesen Auszug aus dem Datenblatt habe ich um die Leiterbahn ergänzt, die von den IC-Anschlüssen 2, 4, 6 und 8 zur Klemme N' führt (hier ist nur die Verbindung zu Pin 8 dargestellt.) Mit dieser Leiterbahn wird leider der verfügbare Sicherheitsabstand von 5mm geschmälert! Weil die Geometrie unter dem IC nicht einsehbar ist, kann der verbleibende Sicherheitsabstand nur geschätzt werden - es werden wohl 2,5 bis 3mm verbleiben...

Der eigentliche "springende Punkt" ist jedoch die Frage der Zulassung (b3): Wurde der Shelly 4Pro überhaupt einer Zulassungsprüfung unterzogen? Auf dem Hutschienengehäuse sehe ich lediglich ein "CE"-Zeichen. Und bei uns in D ist es so, daß alles verboten ist, was nicht ausdrücklich erlaubt ist...

Hier enden meine Gedanken. Die Frage, ob man "darf", bleibt offen...

...noch schöner wäre gewesen, statt 5 Klemmen 8 zu verbauen, damit je Optokoppler getrennte Eingangsbeschaltungen mögliuch wären. Platz wäre noch vorhanden gewesen...

Zum Abschluss meiner Beschäftigung mit dem Shelly 4Pro habe ich mal die vier Schalteingänge unter die Lupe genommen. Die Eingangsbeschaltung sieht so aus (es wurde nur eine der 4 Klemmen dargestellt, N‘ ist gemeinsam):

Die 5 Klemmen bilden eine, vom Rest des Shelly 4Pro galvanisch getrennte Einheit. Daher habe ich die Klemme N‘ absichtlich mit einem Apostroph versehen - sie ist nicht mit der Klemme N auf der oberen Schaltleiste verbunden. Der Optokoppler TLP291-4 ist mit einer Isolationsspannung von 2,5 kV spezifiziert; alle Abstände auf der LP für diesen Schaltungsteil sind ausreichend bemessen. Die Widerstände für den Spannungsteiler am LED-Eingang des Optokoppler-Arrays sind 4 in Serie geschaltete SMD-Widerstände, damit die erforderliche Spannungsfestigkeit erreicht wird.

Damit wäre es möglich,

(a) die Schalteingänge aus verschiedenen Phasen zu speisen, oder

(b) durch Veränderung der Widerstandswerte die Schalteingänge an Kleinspannung anzupassen. Dies erfordert allerdings SMD-Lötkenntnisse.

Die LED des Optokoppler-Arrays sind bis max. 50 mA If spezifiziert und scheinen recht empfindlich zu sein: Mit den Widerstandswerten für 230V AC fließen keine 2 mA pp! Damit würde sogar ein RCD-Schalter nicht ansprechen, falls man (verbotenerweise) zwei Phasen aus unterschiedlichen Sicherungsbereichen aufschaltete.

Die Ansteuerung mit Gleichstrom sollte ebenfalls kein Problem darstellen, sofern man Plus an S1-4 legt.

Nur zur Sicherheit: Meine Beschreibung der Eingangsbeschaltung zur Stromversorgung des 4Pro:

(Man möge mir die Handzeichnung „quick and dirty“ nachsehen. Aber ich muß einsehen, daß eine Skizze viel besser ist als viele Worte...)

So, der Fall ist klar. Musste keinen Shelly 1 öffnen, sondern nur in mein Laborbuch schauen und ein wenig nachdenken:

Shelly 4Pro ist mit 24V DC zu betreiben - wenn man nur ein Relais gleichzeitig einschaltet! Bereits das einschalten eines zweiten Relais bringt die WLAN-Verbindung zum Absturz. Das ist somit ein theoretischer Anwendungsfall. Shelly 1 und weitere Kandidaten haben dagegen nur ein Relais, sodaß der Betrieb des Buck Converters außerhalb des empfohlenen Eingangsspannungsbereichs möglich ist. Beim Shelly 4Pro wird dagegen die Leistungsfähigkeit des Buck Converters fast voll beansprucht: Der max. Ausgangsstrom ist 120 mA; bei vier aktivierten Relais zieht der 4Pro auf der 12V-Ebene 106 mA.

Bereits ab 30V DC ist jedoch ein stabiler Betrieb möglich - mit allen 4 Aktoren!

Mit Wechselspannung ist der Betrieb (vollumfänglich) erst ab rd. 90 V möglich. Dies ist damit erklärbar, daß die beiden Glättungskondensatoren mit je 4,7 müF zu klein dimensioniert sind, um bei niedrigen Versorgungsspannungen (und den damit verbundenen höheren Eingangsströmen) eine ausreichend geglättete Gleichspannung im Zwischenkreis sicherzustellen. Würde man die Kapazität der Glättungskondensatoren verzehnfachen, wäre ein Betrieb mit (niedrigen) Wechselspannungen ebenfalls möglich. Das würde allerdings Platz erfordern, der besonders bei Shelly 1, 2.5, ... nicht vorhanden ist.

Die umgekehrte Polung habe ich nicht versucht, weil beim 4Pro im Stromweg ab Klemme N eine Diode liegt. Da erschien mir ein solcher Versuch gänzlich nutzlos...

Nochmal: Habe den Spannungsbereich von 24V bis 230V mit einem Regeltrafo abgefahren. Stabiler Betrieb erfordert mindestens 95V AC und 110V DC (am Ladekondensator des Gleichstrom-Zwischenkreises.

Die Eingangsbeschaltung ab den Klemmen L und N ist nämlich recht simpel: Ab Klemme N kommt zunächst der Sicherungswiderstand von 10 Ohm, 2W. Es folgt ein Überspannungsschutz gegen L, anschließend eine Standard-Diode mit der Kathode am ersten Ladekondensator (4,7 müF, 450V). Der Ladekondensator hat seinen negativen Pol an L. Dann folgen eine Serieninduktivität (1mH) und der zweite Ladekondensator. Diese hohe Gleichspannung läuft dann zum Anschluß D (Drain) des Buck Converters. Das entspricht dem Standard-Applikationsbeispiel des Bausteins.

Werde bei Gelegenheit einen Shelly 1 öffnen und mir das Netzteil ansehen, damit wir Theorie von praktischen Erfahrungen trennen...

Danke für die Erläuterung! Dann warten wir mal ab, was wir vom geneigten Publikum hören werden...

Danke für die Zitate! Aber die kannte ich bereits. Leider hat das (jedenfalls bei mir) nicht funktioniert. Sehe ich mir die Daten des eingebauten Buck Converter IC an, kann das auch nicht klappen...

Deshalb eine kleine Umfrage: Wer hat einen Shelly 4Pro mit 25V DC zum laufen gebracht?

Danke für eure Antworten!

Schöne Grüße, Thomas

24V DC? 24VAC?

Ich habe bei meinem Test ohne Umbau mindestens 95V AC an den Klemmen N und L1-L4 gebraucht, bis das Ding stabil lief. Auf die Anleitung, wie der 4Pro mit 24V betrieben werden kann, freue ich mich sehr!

Manchmal wäre es schön, den Shelly 4Pro mit Kleinspannung betreiben zu können: Zum Beispiel für Bewässerungssteuerungen im Garten oder für Aquariensteuerung.

Hier mein Umbau, und die Recherchen dazu:

Der Shelly 4pro wird mit einem Buck Converter LNK304 von Power Integrations mit 12V DC versorgt (Datenblatt im Netz verfügbar). Die zweite Versorgungsspannung von 3,3 V DC wird aus den 12 V abgeleitet. Schaut man sich die Applikation zum LNK304 an, so erkennt man (a) daß die im Shelly 4pro umgesetzte Schaltung weitestgehend dem Applikationsbeispiel entspricht und (b) diese Schaltung rückstromfest ist. Daher kann eine externe 12V Gleichspannungsversorgung einfach am Glättungselko der 12V-Schiene eingespeist werden, ohne daß der (in diesem Betriebsfall nicht genutzte) Buck Converter Schaden leidet. Öffnet man den 4pro, so findet man zur großen Überraschung eine nicht genutzte Klemme: Auf der Klemmleiste für die Schalteingänge ganz links, neben der (zweiten) Klemme "N". Diese ungenutzte Klemme ist mit der Eingangsschaltung des Buck Converters verbunden (nach dem Schutzwiderstand von 10 Ohm) - und so überflüssig, wie ein Kropf. Diese Klemme eignet sich hervorragernd zur Einspeisung der Niederspannung.

Man trennt daher zunächst mit dem Dremel die zur Klemme führende Leiterbahn:

Anschließend lötet man eine Standarddiode (z.B. 1N4004) an den Siebelko und die freie Klemme:

Damit wird die Kleinspannungsversorgung gegen Verpolung geschützt. Außerdem kann so im Betrieb mit Netzspannungsversorgung (das ist weiterhin möglich!) kein Strom auf der 12V DC-Schiene entnommen werden, was u.U. den Buck Converter beschädigen könnte.

Es folgt ein Test und die Bezeichnung der Klemmen:

Die Stromaufnahme des Shelly 4pro bei Versorgung mit 12V DC:

36mA @ alle Relais aus

106mA @ 4 Relais ein

Es bleibt noch eines zu sagen: Die Schalt-Eingänge sind nach dieser Prozedur nach wie vor auf den Betrieb mit 230V AC ausgelegt. Benötigt man diese, sind die Vorschaltwiderstände der Schalteingänge an die Niederspannung anzupassen. Diese sind hier gut zu erkennen:

Die vier Lötpunkte unten links führen zu den Schalteingängen; die Widerstände (wegen der anliegenden Netzspannung sind vier in Serie geschaltet) darüber. Ich benötige die Schalteingänge nicht, daher habe ich hier nicht eingegriffen.