Fragen zu Relaismodulen mit Raspberry

[Sinol]

Moin,
ich hätte ein paar Fragen zum schalten von Relais mit dem Raspberry Pi 3B mit Home Assistant.
Geschaltet werden sollen 4 Relaismodule mit jeweils 8 Relais in einem Van. Das Bordnetz hat 12V (genauer 13V und +, wenn grade geladen wird). Der Pi soll direkt an der Bordbatterie sitzen, die Relaismodule sollen verteilt im Van sitzen, an den Abzweigkästen von den Stromkreisen.
Mit diesen Relaismodulen werden Geräte geschaltet, die kontinuierlich max. 10A ziehen. Einschaltstrom könnte beim Kühlschrank die 10A überschreiten.


Ich bin nun so weit, dass der Pi mit Home Assistant bereits läuft, ein Relaismodul bereits angeschlossen ist und ich die ersten Test-Automatisierungen mit LED-Leuchten betreibe. Das Relaismodul ist dabei extern mit 5V gespeist, nicht über den Pi.


1. Für die externe Einspeisung von den 5V benötigt man leider an jedem Relaismodul einen 12V-5V-Wandler. Gibt es Relaismodule, die mit den etwas schwankenden 12V aus dem Bordnetz klar kommen? Das wäre doch viel einfacher und effizienter.

2. Gibt es lautlose Relaismodule? Das von mir bezogene Relaismodul hat Optokopper verbaut, ich glaube die könnten in meinem Fall unnötig sein?
In einem Haus mag das Klickgeräusch nicht störend sein, in einem engen Van schon

3. Welcher Kabelquerschnitt ist für die Steuerleitung zu empfehlen? Die Abstände Vom Pi zum Relais sind jeweils etwa 3-4m. Ich wollte einfach von eBay So Etwas in der Art bestellen, könnte aber etwas überdimensioniert sein? Weil die Kabel dann zum Schluss eh an ein fertiges Jumperkabel geklemmt werden, welche einen viel geringeren Querschnitt haben. Selbst Konfektionieren schließe ich bei den Mini-Dingern mal aus.

4. Wie schützt man am Ende die Relaismodule? Ich finde dazu irgendwie im ganzen Netz nichts. Macht das keiner? Ich würde die mindestens in eine Abzweigdose stecken, hab aber keine Idee, wie man die richtig darin befestigen könnte...

Es kommen wahrscheinlich noch Fragen dazu, die mir grade nicht einfallen.

 

[Michael-Menten]

SSR
meistens 12V oder 24V Logik, gibt es aber auch mit 5V bzw 3.3V.

Falls du günstige Kabel "Steuerleitung" suchst nehm cat. 7 ethernet. Twistedpair einzeln geschirmt mit gesamt Schirm.

 

[spcqike]

1. klar. nimm einfach ein Modul mit 12V Relais. https://www.ebay.de/itm/283926324985?hash=item421b53e6f9:g:PREAAOSwQYFe80Ln&var=585369135022

2. in dem Fall brauchst du solid state relais. keine mechanischen. aber die kosten mehr. wenn du da 10A schalten möchtest, brauchst du aber größere als ich auf eBay grade finde (als Modul, einzeln sehen sie so aus)
Optokoppler sind nie unnötig, wenn sie auf dem Modul vorhanden sind. Sie trennen dein Signal (vom Raspberry) galvanisch von der Betriebsspannung der Relais. hat dein Relais eine Macke, kommt eine Spannungsspitze über VCC, schalten alle 8 gleichzeitig ab, weiß der Geier, bekommst du damit keine Schweinerein auf deine Datenleitung. Gleichzeitig lässt sich eine Schaltung/PCB damit gleichzeitig mit mehreren Relais bestücken. ist wahrscheinlich billiger als für jeden Relaistyp ein eigenes PCB vorzuhalten.

3. das Kabel sieht doch gut aus. spar dir die Jumper und löte direkt am Modul an. Jumper sind zu lose, können ab fallen, grade im KFZ wenn es wackelt und vibriert.

4. die Module haben an den Ecken extra 4 Löcher zur Befestigung. einfach anschrauben und gut. ggf. ein Leergehäuse dafür nehmen.

edit: ganz vergessen, die verlinkten SSRs schalten nur VAC. also keine 12VDC.

 

[Sinol]

Danke für den SSR-Tipp.
Hab mich mal kurz grob schlau gemacht und herausgelesen, dass SSR wohl mehr Verlustleistung haben.
Korrekt? Das ist im Van ein entscheidender Faktor, weil die Kapazität begrenzt ist.
Habt ihr eine (ganz grobe) Abschätzung, mit wie viel Verlust ich bei SSR beispielweise mit einer 12V 7,5A (90W) Wasserpumpe rechnen muss, wenn aktiv/nicht aktiv?
BTW was haben die anderen Relais überhaupt für einen Verlust? Da hab ich noch nichtmals drüber nachgedacht 🤔

Der Preis für SSR wäre für den höheren Komfort zu vernachlässigen. Evtl. könnte ich es auch nur für oft geschaltete Geräte einsetzen und für alles andere das vorgeschlagene 12V-Relais (da hätte ich auch drauf kommen können 🤪).

Anlöten ist eine gute Idee, recht hast du. Wird gemacht.

 

[spcqike]

Der Verlust hängt vom Widerstand im geschaltenen Zustand ab. P=R*I²
Kommt also auf die jeweilige Lösung an.

Du kannst auch nach MosFETs gucken. die gibt es ebenfalls in diversen Größen und Leistungsstufen, als fertiges Modul oder auch einzeln.

"schnell und einfach" zwischen die Masse (oder Spannung) des Verbrauchers klemmen, je nach Modell. Aber auch da, je nach verbautem FET die Verlustleistung / Kühlung beachten. ein IRF44N hat 17,5mOhm Widerstand, bei 10A Last also knapp 2W Verlust, wenn ich das richtig im Hinterkopf habe.

 

[Michael-Menten]

(einfache) Relais haben eine Spule die dauerhaft mit Strom versorgt werden musss. Zum anderen hab ich keinerlei Erfahrung wie sich solche billig relais im Auto schlagen von daher am besten Autoteile kaufen, die entsprechend auf Vibrationen getestet sind.

"schnell und einfach" zwischen die Masse (oder Spannung) des Verbrauchers klemmen, je nach Modell.

Naja. Wird vermutlich gut gehen, kann jedoch im Desaster enden ohne weitere Beschaltung.
Am ende des Tages ist ein SSR auch nur ein glorifizierter mosfet.

 

[Sinol]

Ich bin wahrscheinlich der Letzte, der die Theorie elektrischer Bauteile in Frage stellen sollte, aber warum gibt es nicht einen Hybrid, der keine dauerhafte Stromversorgung benötigt? Sowas wie ein Relais, nur mit zwei Spulen, und diese müssten nur einen Impuls bekommen und schalten den mechanischen Schalter um, fertig.
Naja gut, wenn das so einfach möglich wäre, gäbe es das bestimmt.

Tja naja ich bin auch grade am überlegen, ob ich die Geräte nicht auf die Relais auf "normally closed" lege. Weil ich die meisten der Geräte eigentlich im Dauerbetrieb habe und wenn ich z.B. das Relais vom Kühlschrank dann öffne (Kühlschrank aus) dann hab ich eh einen Energieüberschuss von der PV-Anlage.
Aber so richtig gefällt mir das alles nicht.

Diese Mosfets klingen da schon deutlich besser, ich finde nur nichts Fertiges wo ich nicht noch irgendwas dranlöten muss, wofür ich dann wieder tagelang Tutorials angucken muss um nichts falsch zu machen 😵

 

[Michael-Menten]

Gibt es.
Stromstoßrelai müssten auch dauerhaft strombrauchen, jedoch nur einmalig ein Signal. Gibt dann noch die Variante mit Magnetismus, die wirklich nur einmal Strom braucht zum Schalten.

Zum anderem gibt es dann noch den Tyristor als Bauteil.

Wie gesagt bei Auto immer drauf achten, dass die Bauteile geeignet sind. Festkörper wie mosfets können auch Schaden nehmen, jedoch sind die meistens unempfindlicher als ihre mechanischen Equivalente.

Solch ein Modul kurz selbst zu bauen ist nicht schwer. Optokoppler, Mosfet, Widerstand, etwas Schutzschaltung falls nötig. Das ganze dann an JLCPCBa und zwei Wochen später kommt es fertig montiert zudir.

 

[spcqike]

Ich bin wahrscheinlich der Letzte, der die Theorie elektrischer Bauteile in Frage stellen sollte, aber warum gibt es nicht einen Hybrid, der keine dauerhafte Stromversorgung benötigt? Sowas wie ein Relais, nur mit zwei Spulen, und diese müssten nur einen Impuls bekommen und schalten den mechanischen Schalter um, fertig.
Naja gut, wenn das so einfach möglich wäre, gäbe es das bestimmt.

So etwas gibt es. Zu Hauf. Nennt sich Bi-stabiles Relais. Entweder haben sie zwei Spulen, eine zum anziehen und eine zum abfallen lassen. Oder sie haben eine Spule und man muss die Polarität ändern damit sie anzieht bzw. abfällt.
Es gibt sogar welche, die haben nur eine Spule, ne feste Polarität und eine aufwendige Mechanik. Die können beim ersten Impuls anziehen, beim zweiten abfallen. (So wie das Fernlicht im Auto. Dort war früher nämlich genau sowas verbaut)

Die Kosten aber mehr als die blauen 5 Cent Knaller, die auf den chinesischen Modulen verbaut sind.

Davon gibt jedoch weniger. Die Notwendigkeit hat sich wohl mit dem Aufkommen der ICs und microcontroller reduziert. Genug Strom ist im KFZ ja in der Regel vorhanden um ein Relais dauerhaft zu bestromen.

Edit: bedenke, auch Relais haben haben die Verlustleistung (Spannungsabfall über den Kontakt und ggf Stecker, bei einer steckverbindung oder Verschraubung). Wenn du bspw 2W Verlust hast und den Verbraucher nur 30 Minuten am Tag aus machen möchtest zum Energie sparen, verbrauchst du dennoch 47Wh in den aktiven 23,5h zusätzlich. Das schmälert die Ersparnis bzw. erhöht ggf den Verbrauch bei gering Verbrauchern.

 

[Sinol]

Also ich bin durchaus gewillt, Geld für die Schalter auszugeben.
Dieses Relais was ich besorgt hatte war halt Plug & Play und über Amazon zu beziehen, daher fiel die Wahl darauf.

Im Auto ist i.d.R. eine leistungsstarke Lima verbaut, die während der Fahrt bei Bedarf läuft. Ich denke, das ist aber schon etwas anderes, als bei mir im Wohnbereich des Vans. Da muss man mit der PV-Insel-Anlage klarkommen und wenn man Strom sparen kann, ist das schon besser.
Natürlich wäre das beste, einfach keine Relais zu verbauen, aber ich hab mich halt jetzt für SmartHome im Van entschieden und will das so effizient wie möglich umsetzen 🙌

Sehe ich das jetzt richtig, dass der eigentliche Verlustfaktor bei Relais in den Verbindungen liegt und nicht in der Spannungsversorgung der Magnetspule?
Also würde ein Gerät, das auf dem Relais auf "normally closed" liegt, wenn es läuft, trotzdem eine hohe Verlustleistung haben? Irgendwie erstaunlich, dann müsste man auch WAGO-Klemmen wo es geht einsparen 🤔

Das mir den Mosfets muss ich mir nochmal genauer angucken.
Wenn die bei Vibrationen besser geeignet sind und zudem weniger Verlustleistung haben, ist das schon zu bevorzugen.
Ich hab noch nichts Fertiges zum anstecken an den Pi gefunden und das ist grade mein Problem, das Löten von elektronischen Bauteilen möchte ich gerne Profis überlassen weil ich die saubere Ausführung für sehr sicherheitsrelevant halte.

 

[Michael-Menten]

Sehe ich das jetzt richtig, dass der eigentliche Verlustfaktor bei Relais in den Verbindungen liegt und nicht in der Spannungsversorgung der Magnetspule?

Nö. Schau ins Datenblatt. Bei 10A ist das ungefähr gleich wobei der Kontaktwiderstand mit der Zeit zunimmt.
Wenn ich die Wahl hätte würde ich Festkörper (mosfet) nehmen über mechanische Bauteile da dazu neigen zuverlässiger zu sein.

Vorteil von den Relais ist, die sind gesockelt sind und Ersatzteile bekommst du weltweit an gefühlt jeder Raststätte/Werkstatt. Würde nur die Finger lassen von den noname blauen China Teilen. Nehm lieber ein zentralen "Sicherungskasten"/Schaltkasten mit Sockeln und ordentliche Markenware von authorised reseller/Distributoren bezogen (expliziet nicht ebay oder amazon).

 

[spcqike]

Die Verlustleistung hängt wie gesagt von zwei Dingen ab. Dem Widerstand (Leiter(Länge, Material, Querschnitt) und den Übergängen (klemmstellen, verbinder, Kontakte im Relais, innenwiderstand bei Bauteilen wie FETs)) und dem Strom. P=U*I, U=R*I, P=R*I^2.
Relais und FETs haben üblicher Weise Widerstände zwischen 20-100mOhm. Bei deinen 10A macht das also 2-10W Verlust. (Zusätzlich zum Spannungsabfall von 0,2-1V, was deinem Verbraucher dann fehlt)

Wir bauen auch Relais, die 80-100W Leistung im normal Betrieb brauchen (für die Spule), die haben aber so große Kontakte und Mechaniken, die brauchen einfach die Leistung um sauber zu schalten. Die können dann bis zu 1.500A für ein paar Sekunden schalten.

Beim Hausstrom hat man die Effekte natürlich auch, nur sind 0,1Ohm da nicht so „tragisch“ da die Last selten 10A zieht. (2.300W, da wäre der zusätzliche Verlust dennoch nur 10W) die großen Verbraucher wie der Herd sind unter anderem deshalb ja auch fest angeschlossen. Der Übergangswiderstand in der Steckdose ist ja auch nicht 0 und steigt potentiell im Alter an. Zumindest bei öfteren rein/raus / benutzen

 

[Sinol]

P=U*I, U=R*I, P=R*I^2

Jut also 👁️
Bei welchem Hersteller sollte man die MOSFETS dann besorgen? Bei dem Haufen Geld den ich in die Elektrik schon jetzt gesteckt hab, sollte ich hier dann nicht mehr sparen und auf Qualität achten, denke ich.

 

[spcqike]

Beim kleinteil Händler deines Vertrauens.

Amazon und Ebay würde ich für ein KFZ nicht empfehlen. Zumindest nicht wenn der Händler nicht in Deutschland ansässig ist.

 

[Michael-Menten]

Sofern du über 60€ bist bei den großen: Mouser, Digikey, etc.
wenn du drunter bist TME oder R&S. Reichelt ist hart an der Grenze zu fast wie ebay.

Im Idealfall beziehst du vom Hersteller. Für klein Mengen illusorisch. Das nächst beste sind dann Distributoren, die auf der Herstellerwebsite selbst als authorized genannt werden.

Im Hintergrund gibt es verschiedene Wege wie die Händler die Ware beziehen. Die eine Möglichkeit ist direkt vom Hersteller. Fakes sind da sehr selten, jedoch immer noch nicht ausgeschlossen. Die nächste wären Broker hier kommen fakes schon häufiger vor. Die schlechtesten Fall irgendwo aus China.

 

[LochinSocke]

Obacht, die Spannung am Boardnetz ist dreckig. Beim Motorstart können auch mal nach dem Spannungseinbruch zum Start Spitzen von 40V kommen.

 

[Sinol]

Mit Bordnetz meinte ich die Aufbaubatterien, sorry hab mich falsch ausgedrückt.
Es sind zwei parallel geschaltete selbst gebaute 12V Lifepo4-Akkus mit jeweils 280Ah, geladen wird über Solar (über Victron MPPT), über Landstrom (Victron Multiplus) und über einen 90A Ladebooster (Votronic). Die Geräte lassen sich alle konfigurieren und sind auf max. 14,2V eingestellt.
Es wird also, trotz dass die Spannung nicht ganz konstant ist, niemals zu 40V kommen. Hoffe ich mal.

Ich finde mich in den Elektronikshops so gar nicht zurecht.
Bei Digikey hab ich Mosfet-Transistoren gefunden, aber die niedrigste verfügbare Spannung ist 40V...
Bei RS-Online find ich die Kategorie nicht, bei TME ebenso
Ich bin bereit, auch 100€ für ein Modul auszugeben, das einfach meine 12V-Geräte schaltet und mit den 3,3V des Pi kompatibel ist...
Es muss doch irgendwo ein fertiges Modul zu kaufen geben, ich kann doch nicht der einzige sein der sowas verbauen will.
Evtl. ist so ein Standard-12V-Relais-Modul doch nicht so schlecht?

 

[LochinSocke]

Also du willst Gleichstromgeräte schalten, kein Wechselstrom? Und ganz sicher voll schalten, kein PWM geflacker oder so?

Ich nehme für sowas NPN Mosfets IRF 3708, die schalten schon ab 2,8V sicher durch. Wenn du etwas mit Motor betreiben wilst, brauchst du auch Freilaufdioden.

https://www.infineon.com/dgdl/Infin...N.pdf?fileId=5546d462533600a4015355df7cf5193c

 

[spcqike]

aber die niedrigste verfügbare Spannung ist 40V...

Schau ins Datenblatt. Die Spannung ist sehr wahrscheinlich die spannungsfestigkeit. Also die maximale Spannung die du zwischen Source und Drain anlegen darfst. Du kannst auch 1,8V oder weniger damit schalten.

Deine Gatespannung sollte auch so ab 5V losgehen. Da kann er wohl aber noch nicht seinen maximalen Strom schalten.

Ich nehme oft den IRFZ44N. Der kann aber nur 49A. Aber theoretisch kann man auch zwei oder drei FETs parallel nutzen.
https://www.infineon.com/dgdl/Infin...N.pdf?fileId=5546d462533600a40153563b3a9f220d

Um Probleme beim schalten zu umgehen (um sauber und schnell durchzuschalten) solltest du auch mosfet Treiber nehmen.

Aber ja. Relais tun es auch. Die FETs waren ja nur die lautlose Alternative

 

[Sinol]

Wird mir ja nichts anderes übrig bleiben.
Also eure Empfehlungen sind super, kann ich mir auch gut vorstellen, vor allem den IRF 3708, aber es ist halt ein elektronisches Bauteil und kein fertiges Modul, das ich an den Raspberry hängen kann. Wenn ich jetzt noch lerne, wie man einigermaßen richtig und sauber solche Bauteile auf eine Platine lötet und was ich überhaupt dafür alles brauche, sind wieder ein paar Monate rum. 🤔 Freilaufdiode, Mosfet-Treiber, ka... Ich will nur, dass das gekaufte Ding Geräte an- und ausschaltet.
Evtl. finde ich ja einen Dienstleister, der mir sowas anfertigt. Nur die Beschreibung was ich da eigentlich haben will, wird auch wieder schwer. 🥳
Ich glaube ich verlege im Van erstmal die Steuerleitungen und entscheide mich später für eine Schaltmöglichkeit, sonst ist bald schon Winter.