LED Beleuchtung mit Shelly RGBW2 Problem und Lösung

Abstract: Shelly RGBW2 Controller steuern per PWM die Leistung der angeschlossen LED-Streifen. Bei längeren (>?m) Zuleitungen kann es durch die Leitungs-Induktion beim gleichzeitigen Abschalten aller Kanäle zu einer Überspannung am DC-Eingang des Controllers kommen, die den Spannungswandler durchbrennen lässt.
Mit einer Induktion und einem Kondensator können die Spannungsspitzen ausgefiltert werden.

Für ein Gartenhaus und eine Überdachung soll eine RGBW-LED-Streifen Beleuchtung installiert werden.
Ausserdem für eine Außenküche 4 einzeln ansteuerbare LED-Streifen.
Zur Steuerung habe ich Shelly RGBW2 Controller gewählt.

Gartenhaus und Überdachung RGBW: Strombedarf nach Farbe 24V [BTF-LIGHTING 5050 RGBW 🔗] 1 Meter-Abschnitt gemessen:

FarbeStrom 1m (A)Vor-Widerstände pro Segment
Rot0,182 * 330 Ω
Grün0,162 * 150 Ω
Blau0,202 * 150 Ω
Weiß0,222 * 150 Ω
Summe0,76
Strombedarf nach Farbe

Berechnungen für Überdachung

Bei der Überdachung sollen 2 * 6 Streifen mit jeweils 2,7 Meter Länge gesteuert werden können. Jeweils 6 Streifen werden von einem Controller bedient, der sich möglichst nahe zu den Streifen befindet. Das IP-65 geschützte 24V 600W Netzteil befindet sich ca. 4m vom entferntesten Controller. Der Leitungsquerschnitt zum und von den Controllern beträgt 3*2,5mm2 zum Verteiler oben und jeweils 3mm2 zu den Controllern.
Die Maximal-Leistung für 6 Streifen ergibt sich zu (großzügig gerechnet mit 1m Messdaten)
P = 24V * 0,76A * 2,7 * 6 = 295W.
Nach der Verkabelung mit 6 Streifen am Labornetzteil gemessen 24V * 8,3A = 199W. Der Einfluss der Widerstände der Kabel und besonders der Leiterbahnen in den Streifen sorgt für eine deutliche Reduzierung des errechneten Werts.

Verkabelung in Dose
LED-Anschluss

Shelly RGBW2 Controller Eckdaten

Spannungsversorgung 12 oder 24V
Ausgangsleistung bei 24V 288W – kombinierte Leistung, 90W pro Kanal
Der weiße Kanal braucht maximal 24V * 0,22A * 2,7 * 6 = 85,5W also unter den 90W

Shelly RGBW2 brennt durch?!

Was für ein Frust, eigentlich alles richtig berechnet und verkabelt, zunächst alles prima, aber bei 100% Weiß und 100% RGB mit Weiß blitzt es im Controller kurz auf und dann ist der Spannungswandler [EUP3458 🔗] im Controller durchgebrannt! Im Bild das Bauteil 326W1. Bei den defekten Shellys leuchten nun alle LEDs volle Pulle, sind aber nicht mehr steuerbar, der Controller ist offline.
Habe die aktuelle Shelly-Firmware v1.14.0-gcb84623 am Start.
Synopsis: [https://www.mikrocontroller.net/topic/533236 🔗]

Spannungswandler defekt
Innenleben Shelly RGBW2
Innenleben Shelly RGBW2

Im Labor Messen und grübeln

Warum brennt der Spannungswandler durch, der kann 1,2A und die Stromaufnahme bei 24V ist nur 18mA.

Die 4 fetten Leistungs-N-Kanal Transistoren schalten die Farbkanäle auf GND, je länger desto mehr Licht.

Ich habe den weißen (orange) und blauen (blau) Kanal bei in der App eingestellten 100% gemessen und im Signal nur 90% Pulsweite gefunden! Ab 90% wird die Pulsweite nicht größer. Die anderen Kanäle werden genauso nie dauerhaft durchgeschaltet. Mit der Tasmota Firmware soll die Pulsweite 100% betragen (µC Forum).

Shelly bei 100%?
Shelly bei 100%?

Spannungsspitzen auf der Versorgungsleitung im Labor messen

Messaufbau: Analoges Labornetzteil 24V, 1m Streifen gemessen: 0,7A.
Wenn alle Kanäle 100% haben ergibt sich wegen der Leitungsinduktion dieses Bild auf der Versorgungsspannung (blau) und dem Kondensator am Eingang des Spannungsreglers (orange):

Beim gleichzeitigen Ausschalten aller Transistoren muss die Energie im Magnetfeld der Zuleitung ja irgendwo hin (Induktion) dadurch erhöht sich die Spannung am Eingang des Controllers dramatisch. Die Diode und die zwei Kondensatoren am Eingang können nur begrenzt die Spannungsspitzen abfangen, bereits bei 1m Streifen und kurzer Zuleitung sind die Effekte zu sehen. Wäre wenigstens ein Kanal dauerhaft durchgeschaltet, könnte er die Energie der Spannungsspitze aufnehmen.

Überspannung durch zu viel Induktion  wegen langer Leitung?

Ich habe 16,2m Streifen und ca. 4m Zuleitung (gemessen: 4µH) zum Controller, denke die Spannungsspitzen waren tödlich.

Am Objekt Messen und meine Lösung

Messverkabelung
54,8V Überspannung am Controller!
54,8V Überspannung am Controller!

Am Controller mit ca. 4m Leitung zum Netzteil konnte ich Spitzenspannungen von 54,8V messen, das halte ich für die Ursache des Spannungswandler-Sterbens .

Das Schaltnetzteil ist brav
Das Schaltnetzteil ist brav

Am Schaltnetzteil konnte ich nur Spannungsspitzen von 2V messen, sind sicher nicht das Problem

Spitzenfilter mit Induktion und Kondensator

Lösung: Induktion & Kondensator
Lösung: Induktion 33µH & Kondensator 470µF 50V

Eine 33µH Drossel an der +24V (rosa-) Leitung, die die LED-Streifen versorgt vor einem 470µF 50V Kondensator am DC-Eingang des Shelly (rote Leitung).
Die Drossel federt die Spitzen weg und der Kondensator ist die träge Masse für konstante Spannung.

Super saubere Versorgungsspannung
Super saubere Versorgungsspannung
  • Gelb: Die weiterhin hohen Spannungsspitzen auf der +24V Leitung.
  • Blau: Die Spannung am DC-Eingang nach der Filterung, auch mit 1V Auflösung kaum was zu sehen!

Hinweis: Meine Auswahl der Bauteile ist nicht ordentlich berechnet und vermessen, sondern geschätzt und aus rumliegenden Teilen zusammen gebastelt und getestet.
Wahrscheinlich ist meine Filterlösung total überdimensioniert, aber mir ging es hier nicht um die Kostensenkung in einer Serie, sondern um den Abschluss meines Dramas.

Temperaturcheck unter Volllast. Der ESP8266EX wird 47.8°C und der Spannungswandler 43.4°C warm. Umgebungstemperatur 18,9°C. Die Leistungstransistoren werden trotz hohen Strom nicht sonderlich warm.

Der ESP 8266EX wird heiß
Der ESP 8266EX wird heiß

Und es geht auch ohne zusätzlichen Verstärker (hoffentlich nachhaltig)

Kondensator passend zur Wagoklemme
Kondensator passend zur Wagoklemme

GND-Anschuss am Shelly nachlöten

Ich habe den 2,5 mm2 GND-Draht fest angezogen, dabei habe ich wohl die Lötstelle überfordert. Der Anschluß ließ sich fortan leicht drehen.

Deutlich im Bild zu erkennen ist die gelöste Verbindung.
Musste die Lötstelle nachlöten.
Ob im Betrieb durch den Übergangswiderstand die Lötstelle so heiß werden würde um dies selbst zu erledigen?

GND-Anschluß hat sich gelöst
GND-Anschluß hat sich gelöst

Ärger mit RGBW-LED-Streifen

Die Shellys sind nicht das einzige Problem, bei den LED-Streifen musste ich vielfach Bypässe legen damit sie funktionieren.
ToDo: Bilder

Um den hohen Strom auf der +24V Leitung zu meistern wird wohl die Rückseite verwendet und die Verbindung von der Vorderseite durchkontaktiert. Beim Durchschneiden der Streifen und Anschließen der Kabel wird diese Durchkontaktierung leicht beschädigt und funktioniert nicht mehr richtig.