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Hausautomatisierung - USB Steckdosenleiste

USB-Steckdosenleiste, wozu?
An meinem häuslichen Server hängen mehrere USB Festplatten. Immer wenn ich unterwegs war und über mein VPN auf die Daten meiner Platten zugreifen wollte waren diese natürlich aus. Da kam mir die Idee, eine Steckdosenleiste zu bauen, welche ich über USB/RS232/LAN an- bzw. ausschalten kann. Fertig gibt es solche Geräte zwar mittlerweile auch, jedoch benutzen diese meist eine fertige Software welche nur schwer angepasst werden kann. Meine Steckdose soll mit ganz normalen Befehlen über ein Terminal Programm bedient werden. Somit kann man die Steckdosenleiste von jeder Plattform aus steuern. Es ist somit auch recht einfach die Leiste über eine PHP Seite zu bedienen. Gerade auf meinem Linuxserver bietet sich das an. Mit Hilfe des X-Port (Einem LAN/RS232 Umsetzer) könnte man die Steckdosenleiste später auch direkt über eine LAN Verbindung steuern.
Alternativ kann man sich auch ein Modul für FHEM schreiben (Was ich bis jetzt noch nicht getan habe).

Vorabüberlegungen:
Zuerst musste geklärt werden, welche Funktionen ich benötige. Prinzipiell war für mich nur eine Funktion relevant, und diese ist das An- und Abschalten der einzelnen Steckdosen. Und damit meine ich nicht die gesamte Leiste sondern Dose für Dose. Das ganze soll jedoch auch ohne angeschlossenen PC möglich sein. Da die Steckdosenleiste über einen Mikrocontroller gesteuert wird, bieten sich jedoch noch andere Funktionen an, welche später nach und nach umgesetzt werden können:

Master/Slave Schalter
Zeitschaltuhr
Strommessung

Wahl der Steckdosenleiste:
Nun es gibt zwei wichtige Punkte die die Wahl der Steckdosenleiste etwas erschwert haben. Zum Einen benötige ich genug Platz für die Elektronik und zum Anderen müssen die einzelenen Dosen einzeln verkabelt sein. Die meißten Steckdosenleisten vom Grabbeltisch haben nur zwei durchgängige Messingschienen. Nach einiger Suche habe ich im Blödmarkt ein Modell gefunden, welches mir äußerlich als geeignet erschien. Der Preis lag mit 25 Euro zwar recht hoch aber mitgenommen habe ich die Leiste trotzdem. Nach dem Zerlegen zu Hause stellte sich auch herraus, dass die Leiste sehr gut geeignet ist!

offene Steckdosenleiste

Es besteht natürlich auch die Möglichkeit aus einem Alu Kabelkanal eine Steckdosenleiste selber zu bauen, aber damit wollte ich meine Zeit vorerst nicht verschwenden.

Das Netzteil:
Das Schalten der Steckdosen übernehmen Relais. Die Sache mit Triacs zu realisieren bringt den Nachteil mit sich, dass diese wegen ihrer hohen Verlustleistung gekühlt werden müssen. Relais sind dagegen unkompliziert, benötigen jedoch auch etwas mehr Strom. Pro 12V Relais sind das rund 30 mA. Bei einer 5er Steckdosenleiste machen dies schnell 150mA wenn alle Relais angezogen sind. Der Mikrocontroller benötigt auch ein wenig Strom, der ist jedoch im Gegensatz zu den Relais eher vernachlässigbar. Man könnte die Leiste natürlich auch über USB speisen, jedoch soll die Leiste auch funktionieren, wenn der Rechner mal nicht angeschlossen ist. Daher habe ich mich entschieden ein kleines Netzteil einzubauen was einierseits die 12V für die Relais liefert und den Mikrocontroller auch mit Strom versorgt (5V). Als Trafo habe ich ein Printtrafo von Reichelt genommen. Die restlichen Bauteile habe ich aus meiner Bastelkiste. Für das Netzteil wurden folgende Bauteile verwendet:

Printtrafo 12V/300mA (Reichelt Best. Nr.: 387.12-1)
Brückengleichrichter
Elko 25V/1000uF (wegen der hohen Leerlaufspannung des Trafos lieber 25V nehmen!)
Festspannungsregler 5V (LM7805 z.B.)
0,33uF Kondensator
0,1uF Kondensator
Feinsicherung 300mA T

	Schaltplan Netzteil
	fertige Netzteil Platine

Die Steuerplatine:
Die Steuerung der Steckdosenleiste übernimmt ein Mikrocontroller der Firma Atmel. Ich hatte in der Schublade noch ein AVR ATmega8, man kann die Sache natürlich mit jedem beliebigen Mikrocontroller realisieren. Wichtig ist hier nur, dass dieser eine serielle Schnittselle besitzt und genügend Ein- und Ausgänge. Für die Steckdosenleiste werden 5 Ausgänge (jeweils die Relais) und 5 Eingänge (jeweils die Taster) benötigt. Man kann natürlich auch einen Controller verwenden, der direkt eine USB Schnittstelle besitzt. Da ich mich damit jedoch noch nie beschäftigt habe, bin ich den sonst üblichen Weg über den FT232 USB <-> Seriell Umsetzer gegangen.
Den Schaltplan und die Platinenvorlage zum Ätzen habe ich mit Eagle entworfen.

Eagle Projektdateien:

Download

Ich bin leider kein Spezialist in Sachen Platinen erstellen, dafür mache ich das zu selten. Wer hier Verbesserungen hat, kann mir diese gerne zusenden und ich stelle sie dann hier unter euren Namen bereit. Es wäre z.B. sinnvoll, den 7805 mit auf die Platine zu bringen und dafür den 7812 für die Relaisspannung auf die Netzteilplatine. Der Gedanke kam mir aber zu spät :-(

	fertig geätzte Platine
	fertige Netzteil Platine

Die Relais:
Als Relais habe ich 8A Relais verwendet. Ich habe mich für zweifach Relais entschieden. Das heißt pro Relais können zwei Leitungen geschaltet werden. Der Grund dafür war der Gedanke, dass ich beide Leitungen der Steckdose schalten möchte. Die meißten Steckdosen schalten nur eine Ader. Da es mehr oder weniger der Zufall bestimmt welche Ader gerade Phase und welche der Neutralleiter ist, schalte ich sicherheitshalber beide Adern. Die Relais habe ich bei Reichelt Elektronik bestellt.
Um eine sichere Verbindung der Netzstromleitungen zu garantieren habe ich die Relais auf kleine Platinen gelötet. Zusätzlich habe ich gleich die Freilaufdiode mit eingelötet. Diese Freilaufdiode ist bei einem Relais pflicht und schützt den µC bzw. die Schalttransistoren vor den zerstörerichen hohen Spannungen, die beim Abbau des Magnetfeldes der Relaisspule (durch Eigeninduktion) entstehen können.
Wichtig ist hier auch der Abstand zwischen den Netzstromleitungen auf der Platine! Ein Abstand von ca. 2,5 mm bietet genug Sicherheit. Ich habe vorsichtshalber die nicht benötigten Lötaugen abgepfeilt.

Ralais-Platinen

Einbau der Relais, Taster, LED's und des Netzteils:
Als Vorbereitung wurden noch die benötigten Löcher für die Taster und LED's in die einzelnen Steckdosen gebohrt. Um die LED's direkt an den Ausgängen des µC zu betreiben wurden Low Current LED's verwendet. Diese LED's benötigen lediglich einen Strom von 2mA.

Löcher für LED und Taster

Für die Montage der einzelnen Komponenten bietet sich Heißkleber ganz gut an. Allerdings sollte man gerade bei Kunststoffgehäusen darauf achten, dass sich diese durch die enorme Hitze des Klebers verformen können! (Ja ja ja, das geht schneller als man denkt, ich kann da ein Lied von singen ...)

	Einbauten und Verkabellung
	Jetzt fehlt nur noch das Gehäuse
	Etwas durcheinander, aber unten sieht man noch die Controller Platine und oben den Kabelsalat

Die Steckdose wird leider sehr warm wenn alle Relais angezogen sind. Der kleine Trafo hat wohl doch etwas zu kämpfen. Im Großen und Ganzen funktioniert aber alles.

Die Software:
...

Stückliste:

Anzahl	Beschreibung	Shop	Best.-Nr.	Gesamtpreis
1	Steckdosenleiste Powerversal von Kopp	Media Markt	---	25,00
5	Relais 8A/230V 2 Wechsler	Reichelt	FTR F1CL012R	5,25
1	Trafo 12V 3,6VA	Reichelt	387.12-1	2,75
5	Low Current LED 3mm 2mA	Reichelt	LED 3MM 2MA RT	0,42
5	Taster	Reichelt	TASTER 9305	0,70
1	Controller Platine	selbst ätzen	---	---
1	Atmel ATMega8	Reichelt	ATMEGA 8-16 DIP	1,35
1	FTDI FT 232	Reichelt	FT 232 BL	4,25
1	USB Einbaubuchse	Reichelt	USB BW	0,15
1	Quarz 6 MHz	Reichelt	6,0000-HC49U-S	0,18
1	Quarz 3,6864 MHz	Reichelt	3,6864-HC49U-S	0,18
5	BC337	Reichelt	BC 337-40	0,20
6	Widerstand 470 Ohm	Reichelt	1/4W 470	0,60
4	Kondensator 27 pF	Reichelt	KERKO 27P	0,24
2	Widerstand 27 Ohm	Reichelt	1/4W 27	0,20
1	Widerstand 100 Ohm	Reichelt	1/4W 100	0,10
1	Widerstand 1,5 kOhm	Reichelt	1/4W 1,5K	0,10
1	Widerstand 10 kOhm	Reichelt	1/4W 10K	0,10
2	Kondensator 100 nF	Reichelt	MKS-02 100N	0,30
2	Kondensator 10 nF	Reichelt	MKS-02 10N	0,26
1	Kondensator 33 nF	Reichelt	MKS-2-5 33N	0,08
1	Kondensator 4,7 µF	Reichelt	RAD 4,7/35	0,04
1	UKW Spule
5	Diode 1N 4148	Reichelt	1N 4148	0,10

Gesamt:				42,55