Bauteiltod - Hilfe tut not - Problem gelöst!

[Sir_Death]

Ich bin inzwischen echt Ratlos und verstehe nix mehr.

Anforderung: Ein bistabiles Relais soll von einem Arduino gesteuert werden.
Spulendaten: 18V, ca. 650mA Impulsdauer 500ms - Dauersignal ist NICHT zulässig! --> Magic Smoke

Dazu habe ich mir folgende Schaltung zusammengeworfen - natürlich 2x - für jede der beiden Spulen:

Schaltung.jpg

Arduino ist links am 100Ohm Widerstand angeschlossen, beide Spannungsversorgungen (5V Arduino und +18V) Masse ist verbunden.
Der 3k3 gegen Masse ist dafür da, falls die 5V am Arduino fehlen (und daher Ausgang hochohmig), dass der MOSFET nicht aufmacht.

Schaltet lustig & brav klick klack 20,30, vielleicht 40 mal.

ABER DANN:
Erster Ausfall: Beide MOSFETs mutieren zum Ganzleiter - zum Glück hab ich das Netzteil gerade im Auge und sehe den zu hohen Strom, sodass ich gleich abschalten kann. Hmmm....
Dreimal am Kopf kratz, Schaltung überprüf, das passt aber

OK Ersetzen wir einfach mal die 2 MOSFETs und schauen nochmal - klick klack - alles geht 30, 40, 50mal
Kurze Denkpause..
Magic Smoke aus einer Spule. SCHEISSE - warum rinnt da der Strom weiter? - Schnell im Betrieb nen Widerling statt der Spule angeschlossen, damit ich den Fehler suchen kann:
Signal am MOSFET-Gate: 0V --> passt
Signal an der Transistor-Basis 18V --> passt auch
Aber der Arsch von Transistor hat einfach nicht gesperrt! - am (jetzt Widerstand statt Relaisspule) liegen auch die 18V!

Und ich verstehe es nicht.
Kann mir mal jemand einen Tipp geben, wo mein Gehirn-Knoten versteckt ist?


P.S.: großen MOSFET als Low Side Switch geht leider nicht, da gemeinsamer Masseanschluss der beiden Spulen. - Spannung umdrehen +/- gefällt dem Relais nicht - da macht es gar nix.

EDIT meint gerade: Nach einmal 18V aus und wieder ein spielt das Ding wieder so, wie es soll. - wie soll ich auf den verdammten Fehler draufkommen???

[shaun]

Gibt keinen sinnvollen Grund für das Phänomen, wenn die Schaltung wirklich wie gezeigt aufgebaut ist. Hast Du vielleicht einen Massefehler, oder geht der Ausgang von Arduino nicht weit genug runter um den MOSFET sicher zu sperren?
Ich würde zwischen Drain vom MOSFET und Basis vom PNP noch einen Kondensator legen, dann mit Widerstand nach "oben" vor und hinter dem Kondensator - Spulenbrand bei Softwarefehler vermeiden!

[zauberkopf]

EDIT meint gerade: Nach einmal 18V aus und wieder ein spielt das Ding wieder so, wie es soll. - wie soll ich auf den verdammten Fehler draufkommen???

hmm... wenn er wieder nicht spielt.. dann halte doch mal bitte ein Oszi dran.
vermutlich schwingt das das ganze einfach.

[ferdimh]

Ich würde zur Fehlervermeidung (wenn ich den Platz habe) die Versorgung mit einem fetten Elko und einem großen Vorwiderstand versehen.
Dann ist zwar immer noch das ursächliche Problem zu lösen, die vrmtl teuren relais sollten das dann aber überleben

[Chefbastler]

Leg mal ne Supressordiode(ca. 25-40V) parallel zur Spule oder ne Freilauf noch Parallel zum PN Transitor und entsprechend schnellen Kondi in die Versorgung.

Es handelt sich ja um ein Bistabiles Relais mit zwei Wickulungen wahrscheinlich auf dem seben Wickelkörper die antiparallel gewickelt sind. Da ist sind dann bei der grad nicht benutzten Spule Spannungsspitzen in richtiger richtung zu erwarten wenn die andere grad abgeschaltet wird.(Freilaufdiode wird dann in dem moment sinnlos, über die B-C Strecke hauts dann auf den MOSFET).

[shaun]

Theoretisch ja, praktisch liegen da 10k in Reihe, und das Drain eines 60V-MOSFET ist dann so empfindlich nicht.
Trotzdem ein guter Ansatz, ich glaube, ich würde eine Diode in Reihe zwischen PNP und Relaisspule mit Freilaufdiode setzen.

[ferdimh]

Leute... dieser Ansatz ist wirr.
Wenn das Relais signifikant Strom "rückwärts" ballern würde, müsste es zuerst die Freilaufdiode sprengen, denn die fängt ALLES negative aus der Spule ab.
Bei gegebenem Strom (nicht ganz klein) könnte die Freilaufdiode aber evtl bereits zerstört sein.
Ist die geprüft worden?

[zauberkopf]

Stimmt...prüfen und rauswerfen und durch nen rund 28Ohm Widerling ersetzen.
Ist warum nur einen 650mA impuls wenn man fürs doppelte schon nen 1,3A Impuls bekommt ?

[Bastelbruder]

Der 7000er ist mit 10k in Reihe an 60 V nicht zu zerstören, vielleicht so bei 80 V. Woher kommen denn die 18 Volt? Könnte das sein daß die beim Abschalten der Last für ein paar Millisekunden auf 100 V hochschnellen?
Einfach mal eine Zenerdiode mit 24 V parallel zu den 18 V und ihre Gesundheit beobachten. Oder eine 4000er Diode in Reihe mit 1000µF (mit Voltmeter) der sich mit der unglaublichen Spitze auf selbige auflädt...

[Fritzler]

Woher kommt eigentlich der Hirnfurz unbedingt einen 2n7000 nutzen zu müssen statt einem normalen NPN Transistor?
Bei 5VGS schaltete der nichtmal komplett durch, auch wenn da schon 400mA fließen känne (was reicht), aber schön kst anders.
Vllt ist der PNP daher auch im LInearbetrieb und legiert wegen zu hoger Verlustleistung durch?

[shaun]

Der 2N7000 ist da nicht optimal, aber nicht die Ursache des Problems, daher habe ich den mal in Ruhe gelassen.
Das ganze Problem ist wirr, in meinem ersten Posting schrub ich ja schon, dass das Phänomen zumindest des durchlegierenden MOSFET ("Ganzleiter") wenn die Schaltung wie gezeigt aufgebaut ist nicht möglich ist. Höchstens wenn es eine massive Spitze durch schlechte Masseführung aufs Gate gibt. Vielleicht wurde der MOSFET auch einfach nur ausgebaut gemessen...

[Julez]

Der Elektronikchef meiner Firma empfahl mir jüngst ein Löschglied wenn es darum geht, Relais zu schalten, da eine Diode u.U. nicht schnell genug sei...

https://de.wikipedia.org/wiki/Snubber

[Fritzler]

Und sach doch mal welches Relais, vllt steht ja was wichtiges im Datenblatt.

[sysconsol]

Es handelt sich ja um ein Bistabiles Relais mit zwei Wickulungen wahrscheinlich auf dem seben Wickelkörper die antiparallel gewickelt sind. Da ist sind dann bei der grad nicht benutzten Spule Spannungsspitzen in richtiger richtung zu erwarten wenn die andere grad abgeschaltet wird.(Freilaufdiode wird dann in dem moment sinnlos, über die B-C Strecke hauts dann auf den MOSFET).

Leute... dieser Ansatz ist wirr.
Wenn das Relais signifikant Strom "rückwärts" ballern würde, müsste es zuerst die Freilaufdiode sprengen, denn die fängt ALLES negative aus der Spule ab.
[...]

Die 18V Spulenspannung und der nicht zulässige Dauerbetrieb lassen mich eine zu hohe Spulenspannung vermuten.
Warum? Wird seinen Grund haben.

Ich vermute, dass der Anker einen Permanentmagneten enthält.
Wenn der Anker nun mit viel Schwung auf seinen Anschlag prallt und dadurch nachschwingt (prellt), dann entstehen Spannungen in Durchlassrichtung der Freilaufdiode und Spannungen in Sperrrichtung.
Letztere Spannung addiert sich zu den 18V...

Ich denke, dass hier wirklich nur ein Oszi mit Tastteiler 1:10 oder 1:100 hilft.

[Bastelbruder]

Ich wiederhol' nochmal die Frage: Womit wird die Schaltung versorgt?

[eJunkie]

Ich würde gegen mögliche generatorische Effekte ne Suppressordiode nehmen, aber die über den Schalttransistor legen, die kann man dann für Uce max auslegen und die Höhe der Versorgungsspannung spielt keine Rolle, das schützt dann auch gegen Spitzen aus der Versorgung. Und den Mosfet gegen einen Bipolaren tauschen.

[Sir_Death]

Guten Morgen Jungs,

danke für die vielen Tipps.
Sorry, dass ich mich so lange nicht retour gemeldet habe, bin gestern den ganzen Tag mit hohem Fieber gelegen - leg mich auch gleich wieder nieder.

Mal versuchen all eure Fragen zu beantworten:
@shaun: Arduino: wie bereits beschrieben - Mosfet sperrt sicher, da an der Transistorbasis 18V liegen - sonst wären dort ca. 15V
@ zauberkopf: schwingen: dann hätte das aber enden müssen, als ich im Betrieb bei Fehlerfall die Spule gegen einen 100Öhmer ausgetauscht habe - tat es wie beschrieben nicht.
@ferdimh: Elko: verstehe ich gerade nicht, was das bringt. Ich brauche ja eine Spannung von 18V aber nur 500ms! - dann muss sie wieder weg sein. - Bitte um genauere Erklärung!
@Chefbastler: Supressordiode & Freilaufdiode: kann ich mal probieren aber --> shauns nächster Vorschlag gefällt mir besser
@shaun: klingt mir logisch - dann kann es nix retour hauen Richtung Transistor und Mosfet - werde ich machen
@ferdimh: das ist mal eine gute Frage - nein noch nicht geprüft - mach ich mal. Ansonsten kommt dort fürs erste halt mal eine 1N400x rein.
@Zauberkopf: Ähhhh???? - sowohl Widerling als auch Frage verstehe ich leider nicht.
@Bastelbruder: Das wäre ein möglicher Ansatz! - Die 18V kommen momentan noch aus dem Labornetzteil. Hmmm... muss ichmal überlegen, wo ich die 18V ohne Labornetzteil auf die schnelle auftreiben kann
@Fritzler: Hirnfurz: Summe der Ausgangsströme des Arduino - könnte über alles recht knapp werden mit einem NPN
5VGS: Lies mal lieber selber genau nach. - Datenblatt im Anhang. Seite 4 linkes oberstes Diagramm. Für den minimalen Steuerstrom den der BD676 in dieser Anwendung braucht, reichen schon locker 3VGS
Linearbetrieb: Wenn er durchlegiert wäre, dann könnte es nach Spannung aus/ein nicht wieder funktionieren.
@shaun: Massive Spitzen - siehe schon weiter oben - vielleicht Labornetzteil schuld - werde ich mal verifizieren.
MOSFET: sowohl ausgebaut als auch in Funktion gemessen. ganze Schaltung tut wieder nach Spannungsreset, wobei der nicht tuende (in Sinne von nicht sperrend, trotz korrekter Basisspannung) ja der BD676 war
@Julez: Ist eine Möglichkeit
@Fritzler: Wenn es da ein Datenblatt gäbe wäre das super: http://www.kleinbahn.com/shop/product_i ... eiche.html
@sysconsol: zu hohe Spulenspannung: Ich würde eher sagen, für Dauerbetrieb viel zu dünner Draht für den Strom
Anker Permanentmagnet: ja
Ankerprellen: dann müsste da ja eine - bereits vorgeschlagene - Diode vor der Spule die Spitze vom Transitor fernhalten können
@Bastelbruder: Labornetzteil
@eJunkie: Suppressordiode: Ist eine Möglichkeit
MOSFET tauschen: Wie gesagt grenzwertig, bezüglich gesamter Ausgangsstrom Arduino (Ist ein MEGA mit nahezu allen Portpins beschaltet)

Also zusammenfassend sehe ich eine gemeinsame Diagnose, wenn auch die Ursache unterschiedlich sein kann - Spannungsspitzen.
-) Entweder aus dem Netzteil beim Abschalten - hilft anderes Netzteil oder Supressordiode über die ganze Schaltung
-) Oder aus der Spule - hilft eine Seriendiode vor der Spule --> Wobei ich mich Frage, wo die Energie dann hin will/kann??? --> Eventuell Snubber https://de.wikipedia.org/wiki/Snubber
-) Eventuell hat es auch die Freilaufdiode schon zerlegt - werde ich prüfen.

Danke für die vielen Gedanken - mal schauen, wann ich wieder Fit genug bin an das Problem ran zu gehen.

[zauberkopf]

@Zauberkopf: Ähhhh???? - sowohl Widerling als auch Frage verstehe ich leider nicht.

Naja.. die idee mit dem Widerstand war ganz einfach : Snubber ohne C.. weil die Spule ja eh nur kurzzeitig betätigt wird.

@ zauberkopf: schwingen: dann hätte das aber enden müssen, als ich im Betrieb bei Fehlerfall die Spule gegen einen 100Öhmer ausgetauscht habe - tat es wie beschrieben nicht.

Ne.. nicht unbedingt. d.H. nur, das die Spule dann kaum einen einfluss darauf hat.
Halte mal ein Oszi dran.

[Sir_Death]

@Snubber: Achso... eigentlich gar keine blöde Idee. Muss ich nur darauf achten, dass beim schalten mehrerer Weichen gleichzeitig (Fahrstraßen) der Maximalstrom der Netzteile nicht überschritten wird. Snubber mit C hätte dann den Vorteil, dass ich nur einen Stützelko für die Versorgungsspannung brauche, da nur der Schaltzeitpunkt relevant ist, und nicht die vollen 500ms

@Schwingkreis: interessant. Dann hab ich hier im blödesten Fall also mit irgendeinem Bauteil des Labornetzteils einen Schwingkreis? - Gut. Dann sollte ich ehebaldigst die endgültige Versorgung hernehmen, um einerseits Spannungsspitzen und andrerseits Schwingkreise die nicht relevant sind auszuschließen.

Danke für den Tipp!

[zauberkopf]

Halte mal ein Oszi dran.

[shaun]

Geht es hier etwa um einen Weichenantrieb? Ich las da gerade sowas.
In dem Fall muss man noch weiter ausholen, die Strippen vom Steuerteil zur Weiche sind auch noch mal eine ordentliche Induktivität. Entgegen der Theorie vom Eliminieren einer Störung am Entstehungsort, sprich Diode direkt an die Weiche, sollte man hier aber eher Weichen- und Leitungsinduktivität als Reihenschaltung belassen und die Dioden zur Steuerung verlegen, sonst hat man das Problem mit der langen Leitung, die wenn die Diode an der Weiche leitend wird plötzlich stromlos würde, oder eben gerade nicht.

Erstmal: wenn Du 650mA schalten willst, gehört auch eine Freilaufdiode in der Größenordnung rein. Hast Du die?

Der BD676 hat eine Vceo von 45V. Etwas dünn für die Anwendung. BD680 wäre besser denke ich.

Dann haben sich schon einige andere Gedanken zu dem Thema gemacht, hier mal mit Messungen: http://www.railway-lauf.de/pdf-document ... ntrieb.pdf
Hier hat jemand die Diode dann doch an die Quelle gesetzt (Kritik siehe oben): http://mobatechnikblog.blogspot.de/2014 ... trieb.html
Der "Snubberkondensator" ist eigentlich keiner, sondern ein klassicher Entstörkondensator, der den Schalter hf-mäßig kurzschliesst und damit das Auftreten einer hohen HF-Spannung unterbindet.
Ein Snubber muss immer auch irgendwas zum Vernichten der Energie haben, daher RC-Reihenschaltung.
Ich glaube, ich würde eine RC-Reihenschaltung aus 47R und 100n testweise anlegen (Messung ohne/mit) und dann dem Transistor eine Freilaufdiode verpassen, oder eine Z-Diode die in Flussrichtung Freilaufdiode, in Sperrrichtung Z-Diode für das letzte Übel wäre. Und natürlich einen Transistor mit höherer Vceo benutzen.

[Sir_Death]

@shaun: korrekt - ist ja trotzdem ein bistabiles Relais - nur dass der Anker keinen Kontakt schaltet, sondern eine mechanische Bewegung auslöst.

Zuleitungsinduktivität: genau deswegen ist die Diode auf der Platine direkt beim Transistor - war auch mein Gedanke.

Diode in der Größenordnung: 1N4148 ist zugegebenermaßen schwer am Limit http://www.nxp.com/documents/data_sheet ... 1N4448.pdf - aber als non repetive Forward current müsste es sich gerade noch ausgehen. Eine 1N400x wollte ich nicht nehmen, da ich an die Geschwindigkeit gedacht habe. - Aber ich werde (sobald ich mich aufraffen kann) mal messen gehen ob die 1N4148 noch in Ordnung ist oder eh schon tot.

BD676: Von denen hätte ich halt genug in der Bauteilkiste - müsste ich nicht kaufen. Und ich war de Meinung, dass eine Vceo von 45V bei meinen 18V wohl doch reichen sollte.

Die Frage ist: Entstörkondensator bringt mir nicht so viel, da mein Schalter ja der Transistor ist - oder? Ich würde eher wirklich einen Snubber statt (oder zusätzlich?) der Freilaufdiode probieren. Zusätzlich eventuell noch eine 1N400x direkt nach dem Transistor in Flussrichtung, damit es mir nichts retour hauen kann.

P.S.: mal schauen wann ich in den fertiggestellten Projekten etwas präsentieren kann (dieses Projekt hält mich nun schon seit 2010 auf Trab - und sicher noch eine Weile) - Und zur Größe: Es sind 10 in Worten ZEHN Arduino Mega notwendig, damit ich genug Portpins habe (Schieberegister für IOs bringen nix, da ich auch ziemlich viele PWMs benötige - und die Menge an Schieberegister und PWM-Ausgänge kostet in Summe auch nicht weniger als noch ein Arduino Mega beim freundlichen Chinesen)

[shaun]

Wenn Du so viele PWMs brauchst, ist es sicher wirklich am einfachsten, ein Rudel Controller nur damit zu betrauen und das Ganze dann zu vernetzen. Ich würde es so aufbauen, dass die PWM-Einheiten weitgehend dumm sind und möglichst nicht ständig neu programmiert werden müssen, um Änderungen einzubauen.

Ich würde worst case von einer guten Kopplung der Spulen (direkt oder über den sich bewegenden Anker) ausgehen. In dem Fall ist dann eine entgegengerichtete Induktionsspitze in der anderen Spule zumindest denkbar, und die wird von der Freilaufdiode in keinster Weise begrenzt. Ich hätte den Transistor großzügiger ausgelegt und eine Supressordiode über den Transi gelegt, bei Störungen oder pararsitären Schwingungen noch ein RC Glied auch parallel zum Transi, setzt alles allerdings eine steife Versorgung voraus, weil dann alle abgleiteten Ströme auch über die Speisequelle müssen.

In Auto-Steuerungen werden Magnetventile usw. gerne gegen Masse geschaltet mit NPNs oder N-Chs, parallel dazu Snubber und ggf. Leistungs-Z/Supressordiode. Parallel zur Spule liegt dabei keine Diode.

Ich musste für eine Maschinensteuerung mal eine Magnetkupplung 24VDC/4A Ansteuern. Da die sehr schnell trennen muss konnte ich keine Freilaufdiode einbauen. Ich bin um eine Gegentakt-Treiberstufe herumgekommen, indem ich einen IRFP250 und eine 68V-Transil (1,5kW-Typ) eingesetzt habe. Weder Diode noch Transistor werden nennenswert warm, und die Maschine läuft wenn sie läuft den ganzen Arbeitstag. Die erste hat störungsfrei etwas über 10 Millionen Schaltvorgänge hinter sich, die zweite 1/3 davon. Angesteuert wird der MOSFET recht langsam mit einem Spannungsteiler 2k2/4k7 mit 15V Z-Diode zwischen G und S aus der 24V-Schiene.

[Sir_Death]

Danke für die verdammt logisch klingenden Hinweise! Dann werde ich mal beim Schalten der einen Seite auch auf der anderen Seite genau schauen

EDIT: Ich war am Donnerstag Abend scheinbar auch nicht mehr geistig ganz da. Die 650mA waren, als er beide Spulen bestromt hatte - mit der Hälfte por Spule sollte die 1N4148 locker reichen.

[ferdimh]

Naja, naja naja, das sind immer noch 350mA.
Da würde ich keine 4148 nehmen, das ist einfach zu knapp.

[Sir_Death]

Hahahah verdammter Mist - so ein blöder Fehler!

Alle Bauteile nochmal geprüft, Signale gemessen auf Spannungsspitzen, Schaltung nochmal neu aufgebaut. DIESMAL AN ANDERER STELLE DES STECKBRETTES. Alles geht.....

Fehler? - gebrochener Isoliersteg zwischen mehreren Federkammern, und damit Kurzschlüsse an der Unterseite des Steckbretts!!!
Und je nachdem wie ich das Mistding bewegt hatte, mal da mal dort.
Gleich nochmal meine anderen Steckbretter überprüft - siehe da noch so ein Mistding mit dem gleichen Fehler - gleich beide entsorgt.

Danke an euch alle fürs viele Mitdenken und Ideen sammeln!!!