Een standaard elektrische deurbel is erg inefficiënt. Dit komt door dat de bijbehorende transformator altijd aan staat, 24 uur per dag, 365 dagen per jaar, jaar in, jaar uit. Terwijl in totaal enkele minuten per jaar de deurbel rinkelt. De standaard elektrische deurbel verbruikt globaal 2 tot 10 euro per jaar, onnodig. Het wordt voornamelijk omgezet in warmte en in magnetisch velden. Door wat elektronica toe te voegen, kan dit verbruik met ongeveer 10.000 tot 100.000 keer verminderd worden, met als resultaat nog geen honderdste van een eurocent verbruik per jaar! Je hoeft nooit meer uit te schakelen als je weggaat, als je wilt besparen. Je kunt je vertrouwde bel en transformator gewoon blijven gebruiken, ook hoeven in normale omstandigheden geen draden door het huis getrokken worden. Ik dit artikel laat ik zien hoe ik dat gedaan heb.

WAARSCHUWING

Het demonteren van elektrische onderdelen is niet zonder risico. Dit artikel is geen doe-het-zelf handleiding, enkel een verslag van een door mij uitgevoerd experiment. De auteur van dit artikel en OliNo aanvaarden dan ook geen enkele aansprakelijkheid.

Lees ook de commentaren. Niet iedereen is het er over eens dat dit een veilige oplossing is.

Het verbruik van de standaard deurbel

Het ligt vooral aan de transformator, hoeveel het verbruik is. In dit voorbeeld gaan we er van uit dat deze in rust 3 Watt verbruikt. Er zijn ook zogenaamde ringtransformatoren die een veelvoud zuiniger zijn.

De conventionele deurbeltransformator

verbruik tijdens rust (zonder te bellen)

• Verbruik per uur is per definitie 3 Wh per uur ofwel 0,003 kWh per uur.
• Verbruik per dag is 24 * 0,003 = 0,072 kWh per dag. Is gelijk aan 1 uur TV kijken per dag!
• Verbruik per jaar is 0,072 kWh * 365,25 = 26,3 kWh per jaar!
• Kosten per jaar is 26,3 kWh * 0.25 euro = 6,6 euro per jaar!

Een normale deurbel verbruik 26,3 kWh per jaar.

meerverbruik door bellen

de meter 2 minuten per jaar is redelijk, 120 keer een seconde lang. Standaard verbruikt de transformator dan het dubbele, zeg 6 Watt. Dat is 3 Watt extra.

• Verbruik per jaar is 0,003 kWh / 30 (2 minuten is 1/30 uur) = 0,0001 kWh per jaar
• Kosten per jaar is 0,0001 kWh * 0.25 euro = 0,000.025 euro per jaar! Gratis dus.

Het verbruik van de zuinige deurbel

Verbruik tijdens rust (zonder te bellen)

In rust staat de transformator uitgeschakeld, de schakeling verbruikt nog wel een kleine stroom, dit is ongeveer 1,5 micro-ampere of wel 1,5 uA. Omdat deze stroom voornamelijk door condensatoren worden gestuurd, levert de spanningsval over de condensatoren geen energieverlies op. In de schakeling is er nog wel een spanningsval van 10 Volt aanwezig wat wel met energieverlies gepaard gaat. Verder loopt de stroom nog door twee weerstanden heen van elk 1 Megaohm, wat ook energieverlies veroorzaakt.

• Spanning over weerstanden: 0,0000015 * 2 000 000 Ohm = 3 Volt
• Totaal spanningsval met verlies: 10 Volt + 3 Volt = 13 Volt.
• Vermogen over spanningsval van 13 Volt: 13 Volt * 0,0000015 Ampere = 0,0000165 Watt !!
• Verbruik per uur is per definitie 0,000016.5 Wh per uur ofwel 0,0000000165 kWh per uur.
• Verbruik per dag is 24 * 0,0000000165 = 0,000000396 kWh per dag.
• Verbruik per jaar is 0,000000396 kWh * 365,25 = 0,000145 kWh per jaar!
• Kosten per jaar is 0,000145 kWh * 0.25 euro = 0,000036 euro per jaar!

De nieuwe deurbel verbruikt slechts 0,000145 kWh per jaar!

meerverbruik door bellen

2 minuten per jaar is redelijk, 120 keer een seconde lang. Standaard verbruikt de transformator dan het dubbele, zeg 6 Watt, maar in combinatie met de aansturing van het relais is dat 7 Watt. Dat is 4 Watt extra.

• Verbruik per jaar is 0,007 kWh / 30 (2 minuten is 1/30 uur) = 0,000233 kWh per jaar
• Kosten per jaar is 0,000233 kWh * 0.25 euro = 0,000058 euro per jaar! Gratis dus.

Het vergelijken van verbruik

Het totaal verbruik

• Totaalverbruik standaard deurbel: 26,3 kWh per jaar
• Rustverbruik zuinige deurbel in rust: 0,000145 kWh per jaar
• Meerverbruik zuinige deurbel door 2 minuten bellen: 0,000233 kWh per jaar
• Totaalverbruik zuinige deurbel inclusief 2 minuten bellen: 0,000145 kWh per jaar + 0,000233 kWh per jaar = 0,000378 kWh per jaar
• Verhouding standaard deurbel / zuinige deurbel = 26,3 kWh per jaar / 0,000378 kWh per jaar = 69576 !!!

Het rustverbruik

• Rustverbruik bijna gelijk aan Totaalverbruik standaard deurbel: 26,3 kWh per jaar
• Rustverbruik zuinige deurbel in rust: 0,000145 kWh per jaar
• Verhouding standaard deurbel / zuinige deurbel = 26,3 kWh per jaar / 0,000145 kWh per jaar = 181379 !!!

Verhouding nuttig verbruik

Onderstaande berekeningen neemt de totale energie van de transformator en de bel samen, tijdens het bellen, als nuttig energie. Dit is dus 100 %, als er geen energie wordt verbruikt buiten het bellen. Om de vergelijking eerlijk te houden, wordt de energieverbruik van het relais niet als nuttig gerekend.

• verhouding standaard deurbel: 0,0002 kWh per jaar (6 Watt, 2 minuten) / 26,3 kWh per jaar = 0,00076 % (ofwel factor 131.500)
• verhouding zuinige deurbel: 0,0002 kWh per jaar (6 Watt, 2 minuten) / 0,000378 kWh per jaar = 52,9 %

Werking

Standaard deurbel

De veelgebruikte versie van de deurbel bestaat uit een spoel met een kern erin die enigszins los zit. Vlakbij de beweegbare kern is de bel zelf. Als nu een wisselstroom door de spoel loopt, gaat de kern trillen en deze hamers tegen de bel zelf aan. Deze bel werkt vaak op een spanning van rond de 6 Volt.
Om die reden is er ook een beltransformator nodig, vaak bevindt deze zich in de meterkast. Tenslotte moet nog een deurbelknop aangesloten worden. In principe kan deze op twee manieren aangesloten worden:

1. Tussen de primaire spoel van de transformator en het lichtnet: Dit wordt doorgaans niet gedaan, de standaard deurbel is niet waterdicht, als deze nat wordt kan de beller een stroomstoot krijgen vanuit het lichtnet.
2. Tussen de secundaire spoel van de transformator en de bel: Dit wordt doorgaans gedaan. Een natte deurbel geeft dan geen problemen. Het probleem echter is dat de transformator 24 uur per dag, 365,25 dagen aangesloten blijft aan het lichtnet en ook energie verbruikt als er niet gebeld wordt.

Gebruik maken van een relais.

Wat is een relais?

Een relais is een schakelaar met een spoel. De schakelaar wordt bediend door de spoel. Wanneer er voldoen stroom door de spoel loopt gaat de schakelaar over, totdat er geen (of niet voldoende) stroom door de spoel loopt. Zie voor meer info over de relais op Wikipedia. Een relais wordt vaak aangestuurd door 6 Volt gelijkspanning.

relais met batterij

Een voor de hand liggende oplossing om de transformator pas aan te schakelen is door de schakelaar van de relais tussen het lichtnet en de primaire spoel van de transformator te zetten en de spoel van de relais aan te sluiten aan de batterij in serie met de deurbelknop. Nadeel is dat dit batterijen kost en als de batterij zodanig leeg is dat de relais niet overgaat, dan zullen de bezoekers tevergeefs proberen aan te bellen.
vervang batterij door een condensator

Waneer de batterij vervangen wordt door de condensator, dan doemen meteen een aantal vragen op:

1. Hoe wordt deze condensator geladen?
2. Hoe wordt de spanning van de condensator in stand gehouden als de relais stroom trekt uit de condensator?
3. Hoe groot moet de condensator zijn?

Wat is een condensator?

Dat is een elektronisch component waarin je een hoeveelheid elektrische lading in kan opslaan. Zie Wikipedia Elke condensator heeft een lekweerstand. De lekstroom die optreedt is gelukkig erg klein, kleiner dan 1 microampere.

Hoe wordt deze condensator geladen?

De condensator kan in elk geval niet vanuit de secondaire circuit van de transformator geladen worden, want de transformator is uitgeschakeld. De enige stroombron die over blijft is het lichtnet zelf. De laadstroom voor condensator dient wel groter te zijn dan de lekstroom van de condensator. Anders wordt deze niet genoeg opgeladen. Gekozen is voor een laadstroom van 1,5 microampere. De grootte van deze stroom wordt voornamelijk bepaald door twee condensatoren van elk 47 picofarad in serie. Verder staan twee weerstanden van elk 1 megaohm in serie voor de veiligheid. De wisselstroom wordt gelijkgericht door een bruggelijkrichter van 4 diodes. Het duurt ongeveer een uur om een lege condensator te laden totdat deze voldoende gevuld is om de relais te schakelen.

Hoe wordt de spanning van de condensator in stand gehouden als de relais stroom trekt uit de condensator?

Dit gebeurt door een tweede bruggelijkrichter in de schakeling. Deze haalt de stroom uit de secundaire winding van de transformator. Dit is echt nodig want de relais gebruikt (bij mij) rond de 150 milliampere.

Hoe groot moet de condensator zijn?

Er moet genoeg energie in de condensator zitten om de schakelaar helemaal om te krijgen, als dat eenmaal zover is, wordt de condensator geladen via de tweede bruggelijkrichter en is er geen energie uit de condensator nodig.

Het totaal

Hieronder staat het schema van de totale schakeling:

Het totale schema

korte specificaties van de componenten:

• C1, 2 stuks, 47 picofarad, minimaal 230 Volt wisselspanning, ofwel 400 Volt gelijkspanning
• R1, 2 stuks, 1 megaohm, 1/8 Watt
• D1, 4 stuks, siliciumdiode, sperspanning minimaal 12 Volt
• R1, 1 stuk, 10 kiloohm, 1/8 Watt
• D2, 1 stuk, siliciumzenerdiode, sperspanning 9,1 Volt
• R2, 1 stuk, 4,7 ohm, 1/4 Watt
• D3, 4 stuks, siliciumdiode, sperspanning minimaal 16 Volt, maximale stroom minimaal 200 milliampere
• Relais, Maximale spanning 9 Volt, werkspanning 6 Volt, stroom bij werkspanning 150 milliampere, werkelijke inschakelspanning 4 Volt, werkelijke uitschakelspanning 1,2 Volt

korte specificaties van de componenten:

• D1 en D3, de sperstroom dient hooguit 0,1 microampere per stuk te zijn, daarom een siliciumdiode.
• R1, 1 stuk, 10 kiloohm, 1/8 Watt
• D2, 1 stuk, siliciumzenerdiode, sperspanning 9,1 Volt
• R2, 1 stuk, 4,7 ohm, 1/4 Watt
• D3, 4 stuks, siliciumdiode, sperspanning minimaal 16 Volt, maximale stroom minimaal 200 milliampere
• Relais, Maximale spanning 9 Volt, werkspanning 6 Volt, stroom bij werkspanning 150 milliampere, werkelijke inschakelspanning 4 Volt, werkelijke uitschakelspanning 1,2 Volt

In het kort

• De deurbel zelf wordt nog steeds aangesloten om het secundaire deel van de transformator
• De primaire deel van de transformator wordt aan- en uitgeschakeld door het relais
• Het relais wordt weer bediend door de deurbelknop
• De stroom die via de deurbelknop het relais aanstuurt komt uit een elco
• De elco wordt langzaam opgeladen en op spanning gehouden via een zeer kleine (gelijkgerichte) stroom uit het lichtnet, deze stroom bedraagt ongeveer 1,5 microampere
• Deze stroom dient groter te zijn dan de lekstroom van de geladen elco
• De elco wordt tot ongeveer 9 volt opgeladen
• Deze maximale spanning wordt begrensd door de zenerdiode
• wanneer de deurbel geactiveerd wordt, wordt de elco op spanning gehouden door een tweede sterkere (gelijkgerichte) stroom van globaal 100 milliampere (bij deze schakeling ongeveer 170 milliampere)
• Deze stroom komt uit de secundaire deel van de transformator

Bouwen

Voorwaarden en benodigdheden

1. De deurbel zelf met twee bijbehorende aansluitingen
2. De aansluitingen naar de deurbelknop. Een deurbel met verlichting wordt niet ondersteund (de deurbelknop in rust mag geen* stroom trekken)
3. Beide aansluitingen dienen los van elkaar gehaald te worden
4. een deurbeltransformator **

* Stroom moet kleiner zijn dan ongeveer 1 microampere
** er moet genoeg energie overblijven voor de aansturing van de relais binnen de schakeling.

Veiligheid

Ter voorkoming van brand en elektrocutie:

1. Vermijd losse metalen onderdelen, geen losse schroeven en zeker ook geen ijzervijlsel of los soldeersel.
2. Alles moet goed vastzitten
3. Er mag geen mechanische spanning op de draden zitten, gebruik bijvoorbeeld kabelzadels
4. Bekijk of de twee kleine condensatoren elk de netspanning aankan, liefst nog veel hoger
5. Meet de condensatoren goed door.
6. Voor extra veiligheid zijn voor elke condensator nog een weerstand van 1 megaohm parallel geschakeld. Meet ook deze door.

Samenvatting

1. Combinatie Relais en secundaire winding transformator
2. Printplaat maken
3. Printplaat doormeten en controleren
4. Printplaat inbouwen
5. Aansluiten.
6. Testen.
7. Klaar!

Combinatie Relais en secundaire spoel transformator

De transformator meten

Voor de goede werking van de deurbel is het nodig om naar de spanning en inwendige weerstand van de secundaire spoel van de transformator te kijken.

De spoelstroom van het relais moet duidelijk kleiner zijn dan de te leveren stroom van de secundaire spoel van de transformator bij de werkspanning van de het relais. Ook de inschakelspanning van het relais kan het beste kleiner te zijn dan de spanning van de secundaire spoel van de transformator.

Eigenschappen van een relais

Het relais kent eigenlijk twee spanningen: de inschakelspanning (VRI) en de uitschakelspanning (VRU). We concentreren ons op de inschakelspanning, dit is de spanning waarbij de uitgeschakelde relais wordt ingeschakeld. Is de relais eenmaal ingeschakeld, dan wordt deze pas uitgeschakeld als de spanning onder de uitschakelspanning komt. De uitschakelspanning is aanmerkelijk lager dan de inschakelspanning. Het relais heeft een vaste interne weerstand (RR), als je de spanning weet, dan weet je dus ook hoeveel stroom erdoor heen loopt. Vandaaruit is de inschakelstroon (IRI) en de uitschakelstroom (IRU) af te leiden.
De relais die ik gebruik: VRI = 4,5 volt, VRU = 1,5 Volt. Bij 6 Volt loopt er een stroom van 150 mA, dus RR = 6 / 0,15 = 80 Ohm. IRI is dus: 4,5 / 80 = 112,5 mA, en IRU = 37,5 mA.
De opgegeven werkspanning (VRW) van het relais is 6 Volt, de maximaal toelaatbare spanning (VRM) is 9 Volt.

Eigenschappen van de secundaire spoel van een transformator

Wanneer de transformator actief is, dan staat er een wisselspanning. De spanning is het hoogst als de spoel onbelast is (VTS0) De secundaire spoel van een transformator heeft een vaste interne weerstand (RTS). De belaste spanning (VTS(I)) is afhankelijk van stroomsterkte I. VTS(I) = VTS0 – RTS * I.

Combinatie Relais en secundaire spoel transformator

In werkelijkheid is de deurbel zelf al aangesloten op op de secundaire spoel. De spanning (VTSB) is dus al lager dan de onbelaste spanning (VTS0). Deze spanning wordt nog lager als ook het relais ingeschakeld moet blijven (VTSBR). De spoel van het relais wordt gevoed uit de condensator. Om het relais in te kunnen schakelen (als op de deurbel wordt gedrukt), moet op de condensator een hogere spanning staan dan VRI. De spanning van de condensator zakt direct al tijdens het inschakelen van het relais, omdat het inschakelen zelf wat energie kost. dit moet voorzien wordt door extra spanning VRI(C) in de condensator bovenop VRI, dit is VRI(C) Hoe groter de capaciteit van de condensator, hoe kleiner die extra spanning VCE hoeft te zijn. VCE is omgekeerd evenredig met de Capaciteit C.
Wanneer het bellen stopt doordat de deurbel wordt losgelaten, moet er voldoende spanning achterblijven in de condensator, om opnieuw te kunnen bellen. Dit is dus VRI(C).

VTSBR kan niet zomaar vergeleken worden met VRE(C), want de eerste is een wisselspanning en het tweede is een gelijkspanning. VTSBR wordt gelijkgericht (* wortel van 2) en er treed spanningverlies op de de geleidspanning van de diodes (- 2 * 0,6 Volt) en spanningsverlies door de beschermweerstand RB ( – I * RB). Dit resulteert in de spanning op de condensator VC
VC moet minstens zo hoog zijn dan de vereiste VRE(C).

Voorbeeld

• VRI = 4,5 Volt
• VRU = 1,5 Volt
• VRW = 6 Volt
• VRM = 9 Volt
• RR = 80 Ohm
• VRE(C) = 0,5 Volt, wanneer C = 470 µF
• VRI(C) = 5 Volt, wanneer C = 470 µF
• VTS0 = 9 Volt
• VTSB = 6 Volt
• VTSBR = 4,5 Volt

Daaruit volgt: VC = 4,5 * 1,41 – 1,2 – 0,5 = 4,645 Volt En VC,start = 8,7 Volt
Wat gebeurt er als er de eerste keer gebeld wordt?
VC,start is groter dan VRE(C), dus het relais wordt ingeschakeld. De spanning van de condensator zakt naar VC. Het relais blijft ingeschakeld want deze spanning is groter dan de vereiste VRU. Het bellen gaat door totdat de knop wordt losgelaten.
Wat gebeurt er als er de tweede keer gebeld wordt, in een korte tijd?
VC is lager dan de vereiste VRE(C), dus de tweede poging mislukt, de bel klinkt niet.

Oplossen

In dit geval er meerdere oplossingen mogelijk om steeds opnieuw te kunnen bellen:

1. Condensator vergroten tot 2200 µF
2. De bel zelf op een lagere spanning zetten zodat VTSBR hoger wordt dankzij een lagere belasting van de secundaire spoel
3. De aansluiting op een hogere spanning zetten
4. Relais met een lagere VRI, dan wordt VC hoger
5. Relais met een hogere RR, dan wordt VTSBR hoger
6. RB verlagen, dan wordt VC hoger
7. Transformator met een hogere VTS0
8. Transformator met een lagere RTS, dan wordt VTSBR hoger

Printplaat maken

Hiervoor heb ik een printplaat met korte banen gebruikt, er hoeft alleen nog maar gesoldeerd te worden. Kijk eerst waar de gaten geboord moeten worden, deze gebieden dienen bij het solderen gemeden te worden, ook mag er geen stroom kunnen staan op de banen die doorgeboord zullen worden, ter voorkoming van kortsluiting. Let op dat er geen stukjes metaal tussen de spleten zitten, dit kan leiden tot kortsluiting dat tot elektrocutie of brand kan leiden. Label de aansluitingsdraden of gebruik verschillende kleuren, dan kun je later zien welke draden waarop moeten worden aangesloten.

De ingebouwde printplaat

printplaat doormeten en controleren

Tussen de volgende punten mag enkele gelijkstroom gemeten kunnen worden. De gemeten weerstand moet oneindig hoog zijn:

1. tussen beide aansluitpunten voor het lichtnet. De gemeten capaciteit mag niet veel hoger liggen dat 25 picofarad.
2. Voor de onderstaande punten mag de gemeten capaciteit mag niet veel hoger liggen dat 50 picofarad. tussen een willekeurig aansluitpunt voor het lichtnet en een willekeurig aansluitpunt voor de deurbelknop.
3. tussen een willekeurig aansluitpunt voor het lichtnet en een willekeurig aansluitpunt voor de deurbel.
4. tussen een willekeurig aansluitpunt voor het lichtnet en een willekeurig aansluitpunt voor de secundaire winding van de transformator.
5. tussen een willekeurig aansluitpunt voor de primaire winding van de transformator en een willekeurig aansluitpunt voor de deurbelknop.
6. tussen een willekeurig aansluitpunt voor de primaire winding van de transformator en een willekeurig aansluitpunt voor de deurbel.
7. tussen een willekeurig aansluitpunt voor de primaire winding van de transformator en een willekeurig aansluitpunt voor de secundaire winding van de transformator.

In totaal worden 25 combinaties van aansluitingen gemeten.
controleer of de spleten tussen elk gebied minimaal 1 millimeter breed zijn. Concentreer vooral op de spleten waarbij één of beide gebieden een hoge spanning hebben.

printplaat inbouwen

De plastic kastjes met 4 schroefgaten zijn erg handig om in te bouwen. Er zijn 4 gaten om het kastje aan het hout vast te schroeven. En er zijn schroefgaatjes in het kastje zelf, deze steken enkele millimeters naar voeren, zodat er enkele millimeter ruimte is tussen het kastje en het printplaat. Metalen kastjes raad ik ten zeerste af! Dit vanwege het veel grotere risico op kostsluiting dat kan leiden tot brand of elektrocutie.

Aansluiten

De uiteinden van de draden kunnen nu aangesloten worden. Let goed op welke draden aan welke onderdelen worden aangesloten, houd vooral het hoogspanningsdeel en het laagspanningsdeel goed uit elkaar.

Alles is aangesloten

Testen

Steek de stekker erin. Wacht tot maximaal twee uur. In de tussentijd kun je de gelijkspanning meten tussen de aansluitpunten voor de deurbelknop. Als deze 8 Volt heeft bereikt, is de condensator voldoende opgeladen en kun je op de deurbelknop drukken.

Klaar!

Gefeliciteerd met je één van de allerzuinigste electrische deurbellen! Nu is het een kwestie van het wachten op bezoek of op een collecte.

Het resultaat

Conclusie

Het is inderdaad mogelijk om een deurbel 10.000 to 100.000 keer zo zuinig te maken. Hierbij hoeft de deurbel, de deurbelknop en de transformator niet vervangen te worden. De nieuwe schakeling ondersteunt geen verbruikers als een deurbelknoplampje die continue stroom nodig hebben. Het verwachte verbruik van het nieuwe systeem is ongeveer 0,000.38 kWh per jaar. Dat komt overeen met 0,006 eurocent per jaar. Een standaard deurbelsysteem verbruikt meestal 1 tot 10 euro per jaar.
Tijdens het bouwen is vooral veiligheid van belang, verder moet het relais niet al te veeleisend zijn ten opzichte van de transformator, anders werkt de deurbel niet.

---

Joris Brouwer, elektronicus. Mijn homepage.

Gerelateerde artikelen

• Een energie besparende deurbel
• Het gevecht tegen sluipverbruik