Nachtlicht

Nachtlicht

Beruflich war ich in vielen Teilgebieten der Nachrichtentechnik tätig, vom Schnurlostelefon bis Satellitenübertragung. Bis vor Kurzem war ich der Meinung, dass für jemand mit dieser Berufserfahrung das Verständnis für eine Hausinstallation ein Kinderspiel ist. Dem war nicht so, wie der folgende Sachverhalt zeigt, der meine grauen Zellen über Wochen beansprucht hat.

Das Haus, in dem ich wohne, hat 6 Stockwerke und ein Stiegenhaus ohne Fenster. Daher sind untertags 53 Leuchtstoffröhren in Betrieb. Des Nachts wird umgeschaltet auf schwächer leuchtende Glühlampen, die durch Drücken auf eine der rot beleuchtenden Taster für 3 Minuten leuchten. Eines Tages machte mich ein Nachbar aufmerksam, dass das Stiegenhaus in der Nacht komplett dunkel ist und auch die Taster nicht rot leuchten. Eigentlich sollten in so einer Situation sich die Notbeleuchtungen einschalten, die mit einem Akku mehrere Stunden leuchten, doch das war nicht der Fall. Mit der Absicht das Licht wieder in Gang zu setzen, eilte ich in den Keller zum Sicherungsschrank. Erstaunlicherweise war kein FI und kein Leitungsschutzschalter auf Aus. Beim händischen Abschalten der LS für das Stiegenhaus flammten alle Notbeleuchtungen auf, beim Einschalten der LS erloschen sie wieder, ohne dass eine der regulären Leuchten zu leuchten begann. Ich schloss daraus, dass die Netzspannung vorhanden war und da trotzdem kein Licht leuchtete irgendwo eine Leitungsunterbrechung für alle Leuchten vorhanden sein musste, vermutlich im Sicherungsschrank.

Der Sicherungsschrank enthält ein Gewirr von Drähten. Um mir einen Überblick zu schaffen, fotografierte ich den Drahtverhau aus verschiedenen Perspektiven und erstellte anhand der Fotos einen Stromlaufplan. Auf einer am Boden liegenden Verpackung einer 3-Minuten-Schaltuhr fand ich eine Zeichnung der Innereien dieses Schalters und integrierte die wesentlichen Teile dieser Zeichnung in meinen Stromlaufplan.

Da das Taglicht funktionierte, musste der Fehler in der 24h-Schaltuhr oder in der 3-Minuten-Schaltuhr liegen. Dass diese Verpackung im Schaltkasten lag, verstärkte meine Vermutung auf diese Uhr, die anscheinend kürzlich ausgetauscht worden war.

Ein Elektriker wurde gerufen, kam und setze eine neue 3Minuten-Schaltuhr ein, das Nachtlicht funktionierte, die roten Lampen leuchteten, alles ok. Aber nicht für Lange. Einige Stunden später war es wieder zappenduster. Der Elektriker kam neuerlich, tauschte die Schaltuhr neuerlich und das Spiel begann von vorne. Auffallend war dabei, dass diese 3Minuten-Uhr nach einiger Zeit viel zu heiß war. Warum? War die Ursache die Relaisspule im Schalter? Eine Untersuchung des ausgebauten Schalters ergab, dass ein Anschlussdraht der Spule abgeschmolzen war. Wie der Stromlaufplan zeigt, liegt die Netzspannung am Relais und den in Serie liegenden offenen Taster und den parallel dazu liegenden Glimmlämpchen. Wird eine Taste gedrückt kann ein großer Strom durch die Spule fließen, das Uhr-Relais zieht an und schaltet das Nachtlichtrelais, das Spannung an die Leuchten legt. Das Uhr-Relais schaltet sich sofort wieder ab, sodass der große Einschaltstrom von 1,4 A (I=230V/160Ω=1,4A) es nicht erwärmen kann.

Auf der gefundenen Verpackung war auch ein Glimmlämpchen abgebildet mit dem Zusatz 50mA. Wie ich später herausfand, ist das die höchstzulässige Glimmlampenlast, was bedeutet, dass an der Spule im Ruhezustand höchstens 8V anliegen dürfen (U=0,05Ax160Ω=8V), der gemessene Wert lag jedoch bei 20V, was 125mA entspricht.

Mein erster Verdacht: Glimmlämpchen: Das rote Positionslicht in einem Taster braucht zu viel Strom, weil z.B. eine Hauspartei ein Glimmlämpchen durch ein Glühlämpchen mit gleichem Gewinde ersetzt hat. Der Befund war eindeutig, die Spule bekam im Ruhezustand eine Spannung ab, die kleiner war als die Netzspannung (sonst würde das Relais anziehen) aber groß genug um mehr als 50mA zu verursachen und nach einiger Zeit die Spule zu zerstören. Der Elektriker klemmte die Spannungszufuhr von der Schaltuhr ab und zu unserer Überraschung war an der Spule und den Tastern immer noch eine kleine Spannung zu messen. Er empfahl als kurzfristige und praktikable Lösung eine Uhr mit einer zulässigen Glimmlampenlast von 150mA zu verwenden. Gesagt getan, die neue Schaltuhr brannte nicht ab, aber es leuchteten sowohl die Leuchten als auch die roten Tasterlämpchen dauernd. Es fand keine Abschaltung des Lichts nach den eingestellten 3 Minuten statt, also konnte das auch keine Dauerlösung sein. Ein Glühlämpchen anstelle eines Glimmlämpchens wurde in keinem Taster gefunden.

Der Elektriker fragte, seit wann das Problem bestünde, da die Anlage ja seit Jahren problemlos funktioniert hatte. Da fiel mir ein, dass vor wenigen Tagen andere Elektriker im Haus waren und einige defekte Leuchten gegen neue tauschten. Bei den betroffenen Leuchten wurden sowohl die Leuchtstofflampen als auch die Glühlampen durch LED-Leuchten ersetzt. Im Gespräch wurde auch geklärt, dass die Leitungen zu den Tasten und die Leitungen zu den Leuchten, die ja verschiedenen Stromkreisen angehören, über weite Strecken in denselben Installationsrohren verlaufen. Mir kam der Verdacht, dass trotz der getrennten Stromkreise, die LED auf die Leitungen zu den Tastern und Glimmlampen einwirken.

Mein zweiter Verdacht: Einkopplung: Die neuen LED-Leuchten benötigen zum Betrieb eine Spannung von wenigen Volt. In modernen LED-Leuchten wird diese Spannung mittels billiger Schaltnetzteile (getakteter Netzteile) erzeugt. Diese zerhacken die Spannung derart, dass in jeder Spannungshalbwelle von 10ms nur z.B. während 2ms Strom fließt. Das wusste ich aufgrund meiner vor Jahren durchgeführten Messung mit einem Oszilloskop an einem Schaltnetzteil.

Dieser stoßweise Strom, der neben der Grundfrequenz von 50 Hz auch viele Oberwellen (150, 250, 350 Hz) enthält, koppelt in die parallel geführten Leitungen und verursacht dort eine Störspannung bzw. einen Störstrom. Dieser addiert sich mit dem Strom der regulären Glimmlämpchen. Auf Dauer ist dieser Summenstrom zu viel für die Spule des 3Minutenschalters und lässt sie abbrennen. Dazu fand ich noch folgende Bestätigung: Wenn alle Leuchten einschließlich der LED-Leuchten in Betrieb genommen waren, wurde die von der 3Minuten-Uhr zu den Tasten führende Leitung abgeklemmt und eine Spannungsmessung an der abgeklemmten Leitung zu den Tasten vorgenommen. Sie ergab eine ungeklärte Spannung von 10V Wechselspannung.

Es könnte aber auch sein, dass die Spitzenspannung weit höher liegt als 10V, da Multimeter RMS messen und nicht die Spitzen von Spannungsimpulsen. Ein Indiz für Spannungsspitzen, die größer sind als die Zündspannung der Glimmlampen, war, dass manche Schalter schwach leuchteten. Bei genauem Hinsehen stellte sich allerdings heraus, dass bei diesen Schaltern anstelle einer Glimmlampe eine LED eingebaut ist, die ja keine Zündspannung benötigt und schon bei geringen Spannungen leuchtet.

Um Klarheit über die Art der Störspannung zu gewinnen wäre es hilfreich deren Spannungsform zu kennen und die Lage zu den Spannungen der drei Phasen. Dazu wurde ein Oszilloskop verwendet, das vier BNC-Eingangsbuchsen hat. Aber Achtung bei dieser Messung: Wenn das Oszilloskop über ein Netzteil mit Wechselstrom betrieben wird oder über ein USB-Kabel mit einem Computer mit Wechselstrom verbunden ist, ist es nicht erlaubt, die Wechselstromquelle direkt zu messen, weil es andernfalls zu einem Kurzschluss kommen kann, da in diesem Fall der Messungsschutzleiter und der Schutzleiter des Netzkabels miteinander verbunden sind.

Mit dem Oszilloskop sind demnach nur Messungen gegen Erde (Schutzleiter PE) möglich.

Außer den Spannungen der 3 Phasen ist die Störspannung (grün) zu sehen. Trotzdem bleibt weiterhin unklar, ob diese auf eine galvanische Kopplung oder eine induktive oder kapazitive Kopplung zurückzuführen ist. Dessen ungeachtet bleibt vor allem die Frage, wie die Fehlfunktion des 3Minuten-Schalters beseitigt werden kann.

Da das Relais einen zu hohen Strom bekam, bestand die Möglichkeit, durch die Parallelschaltung eines Widerstandes den Strom im Relais zu reduzieren oder durch einen Serienwiderstand die Spannung am Relais zu vermindern.
Die zuletzt eingebaute 3Minuten-Schaltuhr unterscheidet sich gegenüber den alten Schaltuhren nicht nur durch einen höheren zulässigen Glimmlampenstrom, sondern auch dadurch, dass sie nicht zwischen N- und L-Steuerung umschaltbar ist, sondern den Unterschied zwischen N und L automatisch erkennt und in beiden Fällen richtig reagiert. Da mir für diesen Fall unklar ist, wie sich eine Parallelschaltung zu einer oder möglicherweise mehreren Relaisspulen auswirkt, habe ich die Serienschaltung versucht. Ein dafür geeigneter Widerstand sollte als Startversuch um die 200 Ohm haben und 200mA vertragen, d.h. 8W oder mehr Dauerleistung. Für den Einschaltstrom beim Drücken einer Taste könnten für den Bruchteil einer Sekunde mehrere 10W auftreten. Um bezüglich der Belastbarkeit auf der sicheren Seite zu sein, habe ich eine 60W Glühlampe als Vorwiderstand verwendet und diese zwischen den Anschluss 4 und die Tasterleitung geschaltet (in den Schaltbildern an der Stelle der Worte „Leitung abgeklemmt“). Der geringe Strom bringt die Glühbirne nicht zum Leuchten. An der Glühbirne fallen im Ruhezustand etwa 30V ab, gemessen mit einem Vielfachmessgerät. Um auch die Kurvenform zu sehen, habe ich ein (aus Sicherheitsgründen batteriebetriebenes) Einkanaloszilloskop beschafft. Die Kurvenform und die angezeigten Werte der Spannung an der Glühlampe zeigen, dass der Effektivwert 34Vrms und der Wert von Spitze zu Spitze 78Vpp betragen. Die Form lässt eine Gleichrichtung im Zeitschalter vermuten.

Mit der Glühbirne in der Tasterleitung funktioniert der 3Minuten-Schalter so wie er soll, das Nachtlicht wird durch Druck auf eine der rot leuchtenden Tasten eingeschaltet und nach Ablauf der eingestellten Zeit wieder ausgeschaltet.

Möglicherweise wäre eine andere Lösung die Netzteile der LED-Leuchten mittels Power Factor Correction oder Power Factor Compensation (abgekürzt PFC) zu entstören, sodass keine Störspannung in parallel geführte Leitungen ein gekoppelt wird. Doch diese Variante stand im vorliegenden Fall nicht zur Diskussion.

Zum Abschluss sollte die Glühbirne durch einen Widerstand ersetzt werden. Da sie ein Kaltleiter ist, ist der Widerstand bei 34V geringer als in ihrem normalen Betriebszustand (880 Ohm bei 230V). Ich habe daher dem Hauselektriker vorgeschlagen, anstelle der Glühbirne einen Widerstand mit 500 Ohm / 5 Watt in die Tasterleitung einzufügen. Auch so funktioniert das Nachtlicht.