Vor einigen Monaten habe ich bereits einen Artikel veröffentlich, in dem ich beschrieben habe, wie man elektrische Verbraucher (in der Regel Leuchten) per Funk an einen existierenden Lichtschalter ankoppelt, ohne dabei die Hausinstallation verändern zu müssen.
Der Vorteil ergibt sich in großen Räumen, die nur mit mehreren Lampen gemütlich zu beleuchten sind. Diese Lampen möchte man alle gemeinsam mit dem vorhandenen Lichtschalter schalten können, jedoch ohne neue Leitungen zu verlegen.
Die Version 2 dieser Schaltung ist ähnlich wie schon die Version 1 möglichst einfach gestaltet. Sie funktioniert aufgrund einiger Veränderungen jedoch etwas zuverlässiger, wenn viele Funkempfänger mit einem Lichtschalter geschaltet werden (3 oder mehr).
Einleitung
Dieser Artikel ist eigenständig und erfordert nicht die Kenntnis der Version 1. Es schadet aber nicht, den Artikel Lichtschalter mit Funk erweitern (Version 1) mal zu lesen.
Vorab erstmal die Funktionalität der hier vorgestellten Schaltung:
- Viele Lampen werden mit einem Lichtschalter gemeinsam geschaltet, ohne die Lampen direkt verkabeln zu müssen. Die Hauptbeleuchtung wird konventionell an der Zimmerdecke angeschlossen. Weitere Akzentleuchten werden mit Funksteckdosen an der nächstgelegenen Steckdose angeschlossen. Parallel zur Hauptbeleuchtung wird die hier vorgestellte Schaltung, ein Funksender, angeschlossen. Die Bauform ist so klein, dass die Schaltung in einer sowieso zur Anwendung kommende Aufputzdose oder unter der Deckenblende der Lampe Platz findet.
- Beim Einschalten am Lichtschalter sendet der Funksender ein Ein-Kommando an alle Funksteckdosen.
- Beim Abschalten am Lichtschalter wird ein Aus-Kommando gesendet.
- Zusatzfunktion: Wird der Lichtschalter kurz ein- und innerhalb von einer Sekunde wieder ausgeschaltet, bleibt das Hauptlicht aus, aber die Akzentleuchten schalten ein. Somit kann man über den Lichtschalter sogar verschiedene Lichtszenarien schaffen.
- Weitere Zusatzfunktion der digitalen Variante (s.u.): Wird der Lichtschalter kurz aus- und innerhalb von einer Sekunde wieder eingeschaltet, geht das Hauptlicht an, aber die Akzentbeleuchtung bleibt aus.
Prinzip
Alles baut auf einem Funksteckdosenset auf. Man kann es natürlich dabei belassen, aber das ist erstens nicht DIY und zweitens muss man ja immer noch die Fernbedienung bedienen, die sicher wieder irgendwo unter dem Sofa liegt oder deren Batterie leer ist.
Diese Funksteckdosen sind nicht die allerbilligsten, aber auch nicht zu teuer. Das Set mit 3 Steckdosen kostet 20 €. Noch billigere Produkte sehen oft nicht vertrauenswürdig. Jedenfalls würde ich nicht zu Produkten greifen, für die keine Verlustleistung spezifiziert ist. In diesem Fall ist die Verlustleistung mit <0,5 Watt je Steckdose angegeben. Das ist ok.
Die Fernbedienung habe ich mal geöffnet. Die enthaltene Platine ist nicht sonderlich eng gefüllt. Sie verfügt über 8 Leiterschleifen, die zusammen mit der Gummitastatur elektrische Taster ergeben. Wichtig ist hier, dass jede Funksteckdose über eine Taste auf der Fernbedienung eingeschaltet und über eine zweite Taste abgeschaltet wird.
Die andere Seite der Platine. Mit dem Schalter lässt sich ein Kanal kodieren, so dass von diesem Typ 4 Fernbedienungen im gleichen Sendegebiet unabhängig voneinander funktionieren sollen.
Die Funksteckdosen können nun ohne Kabel zu verlegen bei den jeweiligen Verbrauchern platziert werden. Jetzt muss nur der Sender so modifiziert werden, dass er an den vorhandenen Lichtschalter angeschlossen werden kann und zudem in der Lage ist, die gesamte Beleuchtung inklusive oder exklusive Hauptlicht einzuschalten.
Vorsicht, die hier gebaute Platine steht im Betrieb unter lebensgefährlicher Spannung! Nachbau auf eigene Verantwortung! Fern halten von anderen Personen, insbesondere Kindern!
Varianten
Bei der Entwicklung der überarbeiteten Schaltung unterlag ich einem Dilemma: Das Problem ist, dass Microcontroller (kurz µC) so extrem billig sind. Warum das ein Problem ist? Weil in jeder Popelsschaltung mit noch so primitiver Funktion µC’s stecken. Ich habe nichts gegen µC’s und mag sie sogar sehr gerne. Andererseits ist es auch mal schön, analoge Schaltungen zu entwickeln und zudem keine Software zu brauchen. So habe ich also eine analoge Schaltung entwickelt, die besser als die Version 1 funktioniert. Aber bei einem nüchternen Vergleich zu einer Microcontrollerlösung fällt die analoge Variante aufgrund ihres größeren Bauteil- und damit Herstellungsaufwandes wieder unter den Tisch: So habe ich eine weitere digitale Schaltung entwickelt, die noch ein wenig besser funktioniert und zudem günstiger ist.
Im folgenden möchte ich dennoch beide Varianten vorstellen. Da ich nur die digitale Schaltung aufgebaut habe, existiert zu der analogen Schaltung kein Platinenlayout. Sie ist aber auf dem Steckbrett getestet.
Analoge Variante: Schaltplan mit Erläuterung
Hier also die analoge Schaltung. Wie gesagt habe ich diese Schaltung nicht umgesetzt. Der Nachbau empfiehlt sich nur für Leser, die nicht über ein Programmiergerät verfügen (was aber für ca. 10 € beschafft werden kann). Ansonsten kann im nächsten Kapitel mit der digitalen Variante weitergelesen werden.
(Bild anklicken zum Vergrößern)
Die analoge Schaltung im Bild oberhalb funktioniert wie folgt:
Zunächst kann die Schaltung in Teile gegliedert werden, die hier deutlich erkennbar sind, da sie nicht direkt mit Linien miteinander verbunden sind.
Oben befindet sich die Spannungsversorgung. Diese muss 12V für die Fernbedienungsplatine bereitstellen, damit die Batterie entfallen kann. Außerdem muss sie einen Puffer enthalten, da ja keine Netzspannung mehr anliegt, wenn der Lichtschalter abgeschaltet wurde, aber dann noch das Aus-Kommando an die Funksteckdosen zu senden ist.
Der Puffer ist über Diode D3 und Kondensator C5 realisiert. Die Diode verhindert nach dem Abschalten, dass der verhältnismäßig große Kondensator sich rückwärts entlädt, d.h. die gespeicherte Ladung steht der Schaltung für den Betrieb für einige Sekunden zur Verfügung.
Ein wesentlicher Unterschied zur Version 1 ist hier, dass der Puffer vor dem Spannungsregler U1 sitzt. Das bietet den Vorteil, dass die Spannung nicht sofort nach dem Abschalten einzubrechen beginnt und das Funksignal nur mit verminderter Leistung gesendet würde. Hier bricht vorerst nur die 25V-Spannung zusammen, aber solange, bis sie ca. 14V erreicht hat, stehen hinter dem Spannungsregler stabile 12V zur Verfügung. Der Kondensator C5 wird allerdings aufgrund seiner höheren Spannungsfestigkeit räumlich größer, was als kleiner Nachteil in Kauf genommen werden muss.
Der große Schaltungsteil links unten ist etwas verzwickt, obwohl nicht viele Bauteile zum Einsatz kommen. Hier hat das Problem mit der Zusatzfunktion, bei der der Lichtschalter ein- und sofort wieder ausgeschaltet wird, um nur das Akzentlicht zu schalten, einen neuen Lösungsansatz gefordert. Wer sich erinnert: In Version 1 war die Funktion ebenfalls enthalten. Dort wurde die Zeitkonstante einfach über ein RC-Glied gelöst und im Prinzip analog die Schaltschwelle eines Transistors erreicht. Problematisch war das dann, wenn das RC-Glied noch nicht ganz entladen war (was etwas dauerte) und wieder ein- und ausgeschaltet wurde. Dann war die Zeitkonstante wegen vorhandener Teilladung kürzer und die Abschaltunterdrückung funktionierte auch nicht sauber.
Darum hier ein anderer Ansatz: Die Transistoren T2 und T4 mit den Widerständen R2, R4, R6 und R7 bilden ein diskretes Flipflop. Dieses hat zwei definierte Zustände. Entweder der eine oder der andere Transistor ist geschaltet. Mit diesem binären „Merker“ soll die Schaltung vom Zustand „gerade erst eingeschaltet“ in den Zustand „schon länger an“ wechseln. Ein Zurückwechseln ist im Betrieb nicht vorgesehen, nur durch Spannungsfreiheit. Im Zustand „gerade erst eingeschaltet“ bewirkt ein Abschalten, dass das Akzentlicht eingeschaltet bleibt. Der Zustandswechsel des Flipflops tritt nach ca. 1 Sekunde ein und ermöglicht also erst, dass ein Aus-Kommando gesendet werden kann.
Der Kondensator C3 sorgt dafür, dass das Flipflop richtig initialisiert wird. Er ist beim Einschalten stets ungeladen und zieht daher im ersten Moment die Basis von T4 gegen Masse. Dadurch wird T2 leitend und T4 sperrend. Wenn T4 sperrt, liegt Spannung zwischen R7 und R10 an, sodass der Transistor T5 das Ein-Kommando auf der Funkfernbedienungsplatine bedient.
Um das Flipflop umzuschalten, muss der Transistor T3 die Basis von T2 gegen Masse ziehen.
Die Zeitkonstante wird auch wieder mit einem RC-Glied bereitgestellt. Über R3 wird C2 geladen. R3 ist außerdem an der ungepufferten Spannung angeschlossen, damit das Laden beim Abschalten am Lichtschalter sofort beendet wird.
Sobald der Kondensator C2 auf ca. 0,7V aufgeladen ist, schaltet T3 durch und schaltet das Flipflop um: Nun sperrt T2 und leitet T4. Da T4 leitet, liegt keine Spannung mehr an R10 an und es wird kein Ein-Kommando mehr gesendet. Da T2 nun sperrt, liegt eine Spannung zwischen R2 und R1 an, wodurch der Transistor T1 durchschaltet und den Kondensator C2 (aus dem RC-Glied) relativ schlagartig entlädt. Dadurch ist das RC-Glied sozusagen zurückgesetzt worden und nicht noch teilgeladen, wenn die Schaltung das nächste Mal eingeschaltet wird.
Das Aus-Kommando wird gesendet, wenn der Transistor T6 sperrt und somit ein Basisstrom über R11 in T7 fließt. T6 sperrt genau dann, wenn er seinerseits keinen Basisstrom bekommt und das ist nur dann der Fall, wenn weder die ungepufferte Spannung anliegt, sonst fließt der Basisstrom durch R9 in T6, noch der Transistor T4 sperrt, denn sonst fließt der Basisstrom durch R7 und R8 in T9. Funktional ausgedrückt bedeutet das, dass nur ausgeschaltet werden kann, wenn das Flipflop bereits gekippt ist und die ungepufferte Versorgung wegfällt, sprich der Lichtschalter abgeschaltet wurde. Wird aber der Lichtschalter abgeschaltet, bevor das Flipflop gekippt ist, also vor Ablauf von ca. 1 Sekunde nach dem Einschalten, bleibt das Abschaltkommando unterdrückt… wie gewünscht.
Weiterhin existieren kleine Schaltungsteile rechts im Bild. Der Teil mit den Transistoren T8 und T9 realisiert eine Entladung der gepufferten Spannung, wenn diese bereits so gering ist, dass sie nichts mehr bewirkt. Dadurch ist die Schaltung nach dem Abschalten und dem Absetzen des Aus-Kommandos schnell wieder sauber initialisiert. Wie es funktioniert: Die Widerstände R12 und R13 bilden einen 10:1 Teiler, d.h. teilen die gepufferte Spannung am Mittelabgriff durch 11. Der Transistor T8 leitet, sobald an seiner Basis mindestens ca 0,7 V anliegen. Das ist der Fall, solange die gepufferte Spannung mindestens ca. 7,7V beträgt. Sobald die gepufferte Spannung kleiner wird, sperrt T8 und leitet T9, der die gepufferte Spannung über einen recht niedrigen Widerstand R15 entlädt. Da R15 dann doch groß genug ist, ist das Aufladen des Pufferkondensators kein Problem, wo ja auch erstmal der Spannungsbereich bis 7,7V durchlaufen werden muss.
Ganz rechts auf dem Plan ist eine Status-LED und der Anschluss der Senderplatine aus der Funkfernbedienung dargestellt.
Digitale Variante: Schaltplan mit Erläuterung
Wie gesagt habe ich letztendlich diese digitale Variante umgesetzt. Sie erfordert zwar das Einspielen einer Firmware in den Microcontroller, aber bietet bei wesentlich geringerem Bauteileumfang und damit weniger Bestückungsaufwand eine nochmal solidere Funktion. Verbessert ist funktional gegenüber der analogen Variante:
- Zusatzmodus: Wenn das Licht eingeschaltet ist, kann man durch Abschalten und innerhalb von einer Sekunde Wiedereinschalten des Lichtschalters die Akzentbeleuchtung abschalten, während das Hauptlich eingeschaltet bleibt. Hier existieren also 3 Lichtszenarien, die alle über den Lichtschalter geschaltet werden können: nur Hauptlicht, nur Akzentlicht oder beides.
- Die Funkkommandos werden gepulst gesendet, also nicht permanent wie bei der analogen Variante. Die Funksteckdosen schalten zuverlässiger.
(Bild anklicken zum Vergrößern)
Die digitale Schaltung im Bild oberhalb funktioniert wie folgt:
Zunächst kann die Schaltung in Teile gegliedert werden, die hier deutlich erkennbar sind, da sie nicht direkt mit Linien miteinander verbunden sind.
Oben befindet sich die Spannungsversorgung. Diese muss 12V für die Fernbedienungsplatine bereitstellen, damit die Batterie entfallen kann und 5V für den Microcontroller. Außerdem muss sie einen Puffer enthalten, da ja keine Netzspannung mehr anliegt, wenn der Lichtschalter abgeschaltet wurde, aber dann noch das Aus-Kommando an die Funksteckdosen zu senden ist.
Der Puffer ist über Diode D3 und Kondensator C3 realisiert. Die Diode verhindert nach dem Abschalten, dass der verhältnismäßig große Kondensator sich rückwärts entlädt, d.h. die gespeicherte Ladung steht der Schaltung für den Betrieb für einige Sekunden zur Verfügung.
Ein wesentlicher Unterschied zur Version 1 ist hier, dass der Puffer vor dem Spannungsregler U1 sitzt. Das bietet den Vorteil, dass die Spannung nicht sofort nach dem Abschalten einzubrechen beginnt und das Funksignal nur mit verminderter Leistung gesendet würde. Hier bricht vorerst nur die 25V-Spannung zusammen, aber solange, bis sie ca. 14V erreicht hat, stehen hinter dem Spannungsregler stabile 12V zur Verfügung. Der Kondensator C3 wird allerdings aufgrund seiner höheren Spannungsfestigkeit räumlich größer, was als kleiner Nachteil in Kauf genommen werden muss.
Und im Gegensatz zur analogen Variante ist hier nicht mehr viel los. Die Ein- und Aus-Kommandos werden direkt über die Transistoren T2 und T3 vom Microcontroller bedient. Genaugenommen handelt es sich hier aber nicht um je ein Kommando pro Transistor, sondern T2 kodiert, ob ein- oder ausgeschaltet wird und T3 bedient ein TE, was für Transmit Enable steht. Diese Dinge haben mit dem IC auf der Fernbedienungsplatine zu tun.
Weiterhin muss der Microcontoller noch frühzeitig Kenntnis über das Abschalten am Lichtschalter erlangen, denn wenn die Versorgung absackt ist es zu spät. Das macht er über einen hochohmigen Teiler R1 und R2, der an die ungepufferte Spannung greift, die ja sofort einbricht, wenn der Strom abgeschaltet wird. R3 ist übrigens mit zwei Widerstandswerten beschriftet, weil es egal ist, welchen von beiden man nimmt. „1k“ ist schön rund und hat jeder da, „1k8“ ist identisch mit dem Vorwiderstand R7 der Status LED, so dass man ggf. weniger verschiedene Bauteile bestellen muss.
Der Rest ist etwas Grundbeschaltung für den Microcontroller. Über den Steckverbinder P3 wird der Microcontroller mit einem ISP-Programmierer programmiert. Ein Quarz für den Takt kann entfallen, da die internen RC-Taktgeber im Microcontroller für den Zweck gut genug sind. Der Controller taktet mit einem gemütlichen Takt von 128 kHz.
Ganz rechts auf dem Plan ist eine Status-LED und der Anschluss der Senderplatine aus der Funkfernbedienung dargestellt.
Hier gibt es die Firmware und Informationen zur Konfiguration der Fuses des Mikrokontrollers.
Firmware v1 (46,4 KiB, 1.291 mal heruntergeladen)
Firmware v1, Fuses-Einstellungen
Stückliste
Hier gibt es eine Stückliste für beide Varianten und auch Version 1 ist zur Gegenüberstellung enthalten.
Bestellliste für Reichelt.de (33,8 KiB, 2.440 mal heruntergeladen)
Stückliste mit Reichelt.de-Bestellnummern für
- Version 1
- Version 2 – Analoge Variante
- Version 2 – Digitale Variante
Aufbau
Der Aufbau folgt gemäß der digitalen Variante. Keine Panik, es sieht so chaotisch aus, weil hier einige Dinge übereinander liegen. Das grüne Feld symbolisiert die Platine aus der Funkfernbedienung, die über den dicken Kondensatoren liegt. Im grünen Feld sind auch die Anschlusspunkte für die Litzen grob eingezeichnet, aber das folgt später noch im Detail.
Der Schaltplan hat ja eben gezeigt, dass es sich sogar um weniger Komponenten handelt als in Version 1.
Die Platinenform bleibt identisch wie in Version 1. Die Klemme K1 habe ich gedreht, so dass die Leitungen nun von unten angeschlossen werden.
