4-fach Funksteckdosenleiste für das HomeMatic System

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Das Home-Control-System HomeMatic bietet für fast alle Situationen des häuslichen Lebens eine praktische Lösung. Wie gesagt nur fast. Denn wenn man mal einen Blick auf die Auswahl der verfügbaren Schaltaktoren wirft merkt man schnell, dass es kaum praktische Schaltaktoren gibt. Mit praktisch meine ich die Sorte, die man nur auspacken und ohne Werkzeug direkt anschließen kann. Bei genauer Betrachtung bleiben da nämlich nur die Zwischenstecker-Schaltaktoren wie der "HM-LC-Sw1-Pl" und neuerdings auch der "HM-ES-PMSw1-Pl" mit intgrierter Leistungsmessung. Wie der Name bereits vermuten lässt, kann man mit diesen Geräten immer nur ein Gerät schalten. OK man könnte an den Aktor eine Mehrfachsteckdose und daran mehrere Geräte anschliessen, aber diese könnten dann nur alle auf einmal geschalten werden. Was wenn man abends nur mal die kleine Leselampe braucht?

Für den PC gibt es die Steckerleiste EG-PM2 von EnerGenie. Steuern lässt sich diese Leiste durch ein kleines Programm vom Rechner aus und verbunden wird das über den USB Anschluss. Damit hat man schonmal alle kritischen Komponenten wie das Gehäuse und die Relais erschlagen, man müsste nur den USB-Teil durch eine passende HomeMatic Steuerung ersetzen.

Alpha-Version

Nicht lange reden, machen! Es gibt ja den HomeMatic Funk-Schaltaktor, 4-fach - HM-LC-Sw4-WM. Der lässt sich mit etwas Geschick in die EG-PM2 einbauen. Wenn man einen der Steckdoseneinsätze aus der Leiste entfernt ist auch Platz für ein kleines Bedienfeld mit LEDs und Tasten. Die EG-PM2 hat insgesamt 6 Steckdosen. Die erste ganz rechts kann mit dem großen roten Kippschalter an der Leiste an und ausgeschaltet werden, die mittleren 4 sind schaltbar und die Linke ist immer an. Bedingt durch den inneren Aufbau ist es am besten, wenn die letzte (permanent aktive) Dose entfernt wird. Dadurch ergibt sich ein kleiner Bereich in dem Gehäuse der weitgehend frei ist von Netzspannung führenden Teilen.

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Der Schaltaktor benötigt eine Betriebsspannung von 7-15Volt. Das Originalnetzteil der Leiste liefert leider nur 5Volt. Wir haben hier die Innereien eines herumliegenden 12Volt Stecknetzteils verbaut damit ist zwar der Schaltaktor zufrieden nur die 4 Relais in der Leiste mögen solch eine hohe Spannung nicht. Deswegen befindet sich auf der kleinen Lochrasterplatine innen auch ein 5Volt Festspannungsregler "LM 2940 CT5".

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Nun handelte es sich hierbei mehr um ein Proof-of-Concept, denn das Modell hat ganz offensichtlich ein paar Mängel. Zum einen sieht die Lochrasterplatine nicht so besonders toll aus und der Einsatz von Metallschrauben die von innen nach außen durch das Gehäuse führen dürften sich auch mit der Schutzklasse II (Schutzisolierung) der Leiste nicht gut vertragen. Wichtig ist aber das Ergebnis und das lautet: Versuch geglückt und damit für den Praxiseinsatz prinzipiell zu gebrauchen.

Beta-Version

Nun wurde es Zeit größere Brötchen zu backen. Doch dafür mussten die beiden Mängel der Alpha-Version (Optik und Sicherheit) angegangen werden. Um das Optikproblem zu lösen musste irgendwie eine Frontplatte her. Die Standardlösung mittels Frontplattendesigner der Schaeffer AG fällt hier aus, denn vom Preis mal abgesehen ist hier weder Aluminium noch Acryl als Werkstoff geeignet. Eine wirklich gute Idee hatte Mike Harrison von Mike's Electric Stuff in diesem Video. Die Sicherheit wurde durch den Einsatz von Schrauben aus Polyamid wieder hergestellt.

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Wenn man den Schaltaktor als Bausatz kauft spart man etwas Geld dafür muss man aber alle Bauteile in Durchsteckmontage noch selbst einlöten. Das sind aber nur die Schraubklemmen, ein paar Kondensatoren und das Funkmodul. Die Lochrasterplatine der Alpha-Version wird durch professionell gefertige Platinen ersetzt. Die Frontplatten wurden auf dem gleichen Weg gefertigt. Leider gibt es bei PCB-Pool keinen schwarzen Stopplack und Bestückungsdruck treibt den Preis für eine Platine durch die Decke, deswegen sind die Platinen auch naturbelassen. Etwas schwarzen Lack aus der Dose kann man auch selbst drauf sprühen und die Beschriftung ist mit dem P-Touch auch schnell erledigt. Beide Platinen werden dann im Abstand von 4mm miteinander verschraubt. Als Abstandshalter wurden hier jeweils fünf Unterlegscheiben aus Polyamid mit einer Stärke von 0,8mm verwendet. Das Paket passt damit exakt in das Loch, das durch den fehlenden Steckdoseneinsatz freigeworden ist. Unter der Frontplatte verstecken sich vier Kurzhubtaster 6x6mm mit einer Höhe von 7mm und auch vier rote low-current LEDs mit 3mm Durchmesser. Auf der Rückseite befindet sich ein "TS 2940 CP50" das ist die SMD Version des Festspannungsreglers "LM 2940 CT5" und zwei Kondensatoren. Das Bedienteil wird mit Flachbandkabel an den Schaltaktor angeschlossen.

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Wenn man sich das Ganze so anschaut könnte man auf die Idee kommen zu Fragen: "Wieso ist das nur die Beta-Version? Funktioniert doch und sieht von außen auch schon ganz gut aus." Das ist genau der Punkt, es sieht nämlich nur von außen gut aus. Innen hat man aber jede Menge Kabelsalat auch der Zeitaufwand bis man da mit der Montage einer Leiste fertig ist, ist enorm. Das ist aber nicht das einzige Problem denn im Dauerbetrieb stellte sich heraus, dass der Festspannungsregler nicht ausreichend gekühlt wird. Schaltet man alle vier Ausgänge gleichzeitig ein sodass alle vier Relais Strom ziehen wird der Regler mächtig warm und irgendwann greift der interne Übertemperaturschutz und man hat eine lustige Blinkerschaltung. Retten konnten wir diese Variante durch den Austausch des "TS 2940 CP50" durch einen Schaltregler von RECOM "R-78E5.0-0.5". Das R-78E-Modul ist pin-kompatibel zu herkömmlichen TO-220-Linearreglern. Es bietet sich als preisgünstiges, energiesparendes "Drop-In" an. Es benötigt keine externen Komponenten und ist gegen Kurzschluss, Überlast und Überhitzung geschützt.

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Release Candidate

Von der Beta-Version haben wir insgesamt sechs Stück gebaut. Die waren dann irgendwann mal alle im Einsatz und es kam der Bedarf nach weiteren dieser Leisten auf. Also war es Zeit für eine neue Runde. Folgende Dinge mussten aber verbessert werden. Die Verbindung zwischen Bedienteil und Schaltaktor mittels handverdrahtetem Flachbandkabel wollte sich niemand mehr antun. Die Stromversorgung mittels separatem Steckernetzteil und der zusätzliche Spannungsregler sollte weg. Das Netzteil und der Spannungsregler verursachen zusätzliche Kosten nur weil der Schaltaktor nicht mit 5Volt klar kommt. Tollerweise hatte sich in der Zwischenzeit bei EQ-3 auch was getan und wir konnten dieses Problem ganz einfach lösen. Statt dem bisherigen "HM-LC-Sw4-WM" sollte jetzt der neue Schaltaktor "HM-LC-Sw4-Ba-PCB" zum Einsatz kommen. Nicht nur, dass dieser jetzt schon ab 4Volt arbeitet nein auch die vier Relais am Ausgang wurden durch leistungsfähige Open-Drain-Schaltausgänge ersetzt. Jetzt können wir die Relais der Steckdosenleiste direkt ansteuern ohne dabei noch vier weitere Kleinrelais davorschalten zu müssen. Das Problem mit der Spannungsversorgung wäre damit also gelöst und wir können das ohnehin in jeder Leiste enthaltene Schaltnetzteil weiter verwenden. Das Problem wie man das Bedienteil mit dem Schaltaktor vebinden kann ohne dafür einzelne Drähte in die Schraubklemmen am Aktor anzuschließen war aber noch ungelöst. Mir schwebte da eine Variante mit Stiftleiste und Pfostenbuchse vor das wäre eine preiswerte und einfache Lösung. Auf der Bedienteilseite war das auch einfach umsetzbar das Layout ist sowieso von uns also konnte dort auch einfach eine 10polige Stiftleiste eingezeichnet werden. Die Platine vom Schaltaktor lässt das aber nicht zu denn für externe Anschlüsse sind dort nur Schraubklemmen vorgesehen. Allerdings wird ja der neue Schaltaktor als Bausatz geliefert und bei den Bausätzen ist auch der Schaltplan dabei. Was hält uns also davon ab die Platine des Aktors in den Müll zu werfen und einfach eine eigene Variante zu entwerfen die sich direkt ohne große Fummelei in die Steckdosenleiste einsetzen lässt? Die kritischen Bauteile auf dem Aktor sind das Funkmodul, der Mikrocontroller und ein EEPROM der Rest ist Hühnerfutter den man für ein paar Cent bei jedem Elektronik Versender bekommt. Also los gehts! Die Originalplatine aus der Steckdosenleiste ist eine gute Vorlage von der wurde die ungefähre Form und die Position der Bohrungen übernommen. Jetzt kann auch das Bohren von Löchern, um die Platine im Gehäuse zu befestigen entfallen. Bewaffnet mit Layoutprogramm und Schaltplan war die Platine für den neuen Schaltaktor schnell fertig. Nach der Lieferung der Platine schnell probiert ob auch alles passt, dann konnte es auch schon los gehen mit dem Bestücken.

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Das Auftragen von Lötpaste ist mit dem ebenfalls gelieferten Laserstencil schnell erledigt. Jetzt muss nur noch das Hühnerfutter auf die richtigen Pads verteilt werden. Das Löten übernimmt der umgebaute Pizzaofen. Die SMD Bauteile befinden sich alle auf der Unterseite der Platine dadurch können die in einem Rutsch mit dem Reflow-Ofen gelötet werden. Auf der Oberseite befinden sich nur noch ein paar Bauteile die danach von Hand eingelötet werden müssen. Das sind das Netzteil und der Netzspannungsansschluss von der Originalplatine der Steckdosenleiste und das Funkmodul vom Schaltaktor. Außerdem noch eine 10polige Stiftleiste für den Anschluss des Bedienteils und eine Steckerleiste zum Anschluss der Relais. Zum Anschluss der Relais wird ein sogenannter Wire-to-Board Verbinder benutzt der hat die Bezeichnung "B9B-PH-K-S(LF)(SN)" und kann bei element14/farnell unter der Nummer 9491872 bestellt werden. Dadurch das alle vorhandenen Verbinder weiter verwendet werden können, muss man nun nicht mehr von Hand an irgendwelchen dünnen Drähtchen rumschnitzen.

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Eigentlich hätte es das sein sollen. Alles schien fertig und das hier wäre die finale Version gewesen aber wieso das nicht so ist seht ihr auf den nächsten Bildern. Von der Platine für den Schaltaktor hatte ich glücklicherweise nur einen Prototyp bestellt, hier ließ sich die verdrehte Stiftleiste noch korrigieren. Die 10 Frontplatten mit dem schwarzen Stopplack und der verdrehten Beschriftung lagen leider schon fertig vor mir. Also doch wieder ein Label mit dem P-Touch drucken. Falls sich jemand wundert wieso wir dann doch schwarze Frontplatten mit Beschriftung verwenden. Nun die hier sind nicht von PCB-Pool sondern von Basista. Allerdings muss man sagen das Basista an die Qualität von PCB-Pool nicht heran kommt. Während die Platinen von PCB-Pool auf ein viertel Atom genau passen, hakt es bei den Platinen von Basista an allen Ecken. Der Stoplack hat Einschlüsse und die Farbe vom Bestückungsdruck hat überall auf dem Stopplack Spritzer hinterlassen. Nichtmal das Kupfer war auf allen Platinen richtig weggeätzt. Für den Preis und wenn man die Platine nur als Bauteilträger irgendwo in einem dunklen Gehäuse verstecken will durchaus OK aber als Frontplattenersatz eigentlich nicht brauchbar.

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Final-Release

Nachdem die Kinderkrankheiten überstanden waren konnte es endlich richtig los gehen. Also zuerst einmal das Material zusammenstellen. Die Schaltaktoren mussten mit dem Heißluft-Lötkolben bearbeitet werden um den Mikrocontroller und den EEPROM zu entfernen. Die Funkmodule befinden sich bereits lose in den Kisten. Von den Originalplatinen der Steckdosenleiste brauchen wir die Netzteile und die Steckverbinder für den 230V Anschlus. Von Reichelt, Conrad und Farnell kamen die ganzen kleinen SMD-Bauteile wie Widerstände, Transistoren, Dioden, Kondensatoren und so weiter. Das alles wurde dann zusammen schön einzeln in Tüten verpackt damit auch nichts wegkommt. PCB-Pool lieferte dann auch die fertigen und korrigierten Platinen. Wie man sieht sind wir von der Kombiplatine aus Display und Mainboard wieder weg. Wer meint damit etwas zu sparen erlebt nämlich eine böse Überraschung wenn PCB-Pool ihm eine Stegfräsung für 37,50€ berechnet.

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Jetzt kann die Fleißarbeit beginnen. Wer mal im Hochsommer 10 Platinen in zwei Tagen komplett bestückt und gelötet hat weiß so ungefähr wie sich die Fließbandarbeiter bei Foxconn fühlen müssen. Vor allem wenn draußen 34°C herrschen und drinnen alle 30 Minuten der Pizzaoffen die Platinen auf 230°C bringen muss. Nach dem Backen müssen auch hier noch die Steckverbinder, das Netzteil und das Funkmodul eingelötet werden. Nach einem kurzen Test kommt die fertige Platine erstmal wieder ins Tütchen.

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Bei der Platine für das Bedienteil wurde auf den Einsatz von SMD Bauteilen verzichtet. Vor dem Verlöten der Taster und LEDs wird die Platine mit der Frontplatte bereits verschraubt dadurch haben alle Bauteile automatisch den richtigen Abstand zur Platine. Die Fünfer-Stapel Unterlegscheiben wurde durch 4mm Distanzhülsen ersetzt dadurch ist der Zusammenbau erheblich leichter und es purzeln nicht immer 20 Unterlegscheiben durchs Zimmer wenn man das Modul beim Anheben an der falschen Stelle anfasst.

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Da die Steckdosenleiste ursprünglich mal via USB gesteuert wurde befindet sich an Seite jetzt ein Loch wo mal die USB-Buchse gewesen ist. Das Loch haben wir mit Heißkleber gefüllt und das aufgedruckte USB-Symbol mit Schleifpapier entfernt. Jetzt sieht die Oberfläche zwar etwas rau aus aber das wirkt auf dem Foto schlimmer als es in Wirklichkeit ist.

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Die Endmontage ist schnell erledigt. Man muss nur das Bedienteil in das Gehäuse einsetzen und das vorher vorbereite Stück Flachbandkabel mit den Pfostenbuchsen daran anschließen. Das Bedienteil wird mit vier schwarzen M3-Schrauben aus Polyamid befestigt. Das Mainboard wird durch drei Anschlüsse mit dem Rest der Leiste verbunden. Einer ist für die 230V Stromversorgung, der Zweite übernimmt die Ansteuerung der Relais und der letzte Anschluss geht über das Flachbandkabel zum Bedienteil. Zum Schluss noch das Seitenteil einsetzen, den Boden wieder draufsetzen und festschrauben.

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Dateien zum Projekt:
Das Layout für die Hauptplatine im Sprint-Layout 6.0 Format (.lay6 146kB)
Das Layout für die Displayplatine im Sprint-Layout 6.0 Format (.lay6 62kB)
Das Layout für die Frontplatte im Sprint-Layout 6.0 Format (.lay6 4kB)
Link zum kostenlosen Viewer für Sprint-Layout Dateien

Datenblatt des verwendeten Mikrocontrollers (.pdf 1,80MB)
Datenblatt des SMD Quarz (.pdf 158kB)
Datenblatt des HEXFET Power MOSFET (.pdf 199kB)
Datenblatt des LDO Spannungsreglers (.pdf 722kB)

Kommentare:

Cabal am 27.11.2014 - 09:12
Hallo Volker,

Nicht das wir uns hier falsch verstehen. Das wird die Doku für die jetzige Version sein also die mit HM-LC-SW4-PCB. Ich habe zwar das 8-Kanal-Empfangsmodul schon hier liegen bin aber noch nicht dazu gekommen mal damit zu spielen. Mir ist nur aufgefallen, dass die Schaltleistung pro Kanal beim 8-Kanal-Empfangsmodul nur mit 100mA angegeben ist. Die 5 Volt Relais in der Leiste ziehen aber durchschnittlich 108,7mA und beim Einschalten wirds wohl noch etwas mehr sein. Wird also etwas dauern bis hier was mit dem neuen Modul zu sehen sein wird.

Cabal

Volker am 27.11.2014 - 07:44
Hi! Die Steckdosenleiste gibt es bei einen Elektronikversender (der mit dem P am Anfang)für derzeit 27€. Nur so als Tip.
Habe mal eine bestellt und wollte ebenfalls mit dem 8-Fach Aktor arbeiten. Aber dann warte ich noch mal mit dem Umbau bis ihr eine Lösung habt.
Gruß

Cabal am 26.11.2014 - 08:31
Hallo Patrik,

Habe mir dazu schon ein paar Gedanken gemacht, habe dann aber entschieden es nicht zu verkaufen. Da ist einmal der ganze rechtliche Kram der mich davon abhält (Produktsicherheit, Finanzamt) und außerdem dreht sich die Welt ja weiter. Jetzt gibt es von HomeMatic das 8-Kanal-Empfangsmodul HM-MOD-Re-8. Damit wird die Umsetzung viel einfacher, weil man sich den Umbau des 4-Kanal-Funk-Schaltaktor für Batteriebetrieb HM-LC-Sw4-Ba-PCB sparen kann. Ich werde demnächst die Dokumentation hier hochladen dann kann sich das jeder selbst nachbauen.

Cabal

Patrik Groß am 24.11.2014 - 12:25
Hallo,

super umgesetzt, planst du das Teil zu verkaufen bzw. in Serie zu geben? Wäre daran interessiert.

Grüße Partrik Groß

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