Geräusch von getakteter Spule unterbinden

max Gast 05.07.2011 11:41 #2252532

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Hallo Forumskollegen,

ich stehe derzeit vor einem kleinen Problem wo ich über ein paar 
Ratschläge sehr dankbar wäre.

Die Ausgangssituation:
In einem Gerät kommt ein Elektromagnet zum Einsatz, welcher eine 
mechanische Verriegelung betätigt. Das Problem ist, dass bei längerer 
Einschaltzeit des Magneten sich dieser relativ stark erwärmt - ist 
prinzipiell kein Problem da dieser für die entstehenden Temperaturen 
spezifiziert ist. Das Problem ist, dass die Möglichkeit besteht, dass 
ein Servicetechniker den Magneten berührt und dabei potentielle 
Verletzungsgefahr durch die hohe Temperatur besteht.
Der Magnet wird über einen FET von einem Mikrocontroller angesteuert und 
ich habe jetzt folgendes realisiert: Beim Einschalten wird der 
Elektromagnet für 100ms voll angesteuert und wenn er angezogen hat, dann 
wird er mit einer bestimmten Frequenz getaktet. Die Haltekraft ist noch 
vollkommen ausreichend und das ganze wäre eigentlich so ganz ok. Die 
Wärmeentwicklung geht dadurch stark zurück.
Mein Problem ist jetzt aber, dass durch die Taktung der Elektromagnet 
eine entsprechende Geräuschentwicklung verursacht welche in der 
Anwendung sehr störend ist. Je nach Frequenz ein mehr oder weniger 
unangenehmes Surren.
Ich habe jetzt natürlich mit verschiedenen Frequenzen experimentiert 
(von 100 Hz bis 20 KHz) Bei 20 KHz ist das Geräusch fast nicht mehr 
wahrnehmbar, jedoch möchte ich diese Frequenz eigentlich nicht mehr 
nutzen, da ich das Toggeln des Pins am Controller per Software im 
Timerinterrupt machen muss und dadurch einiges an CPU Takten 
verschwendet wird. (Aus Kompatibilitätsgründen zu bestehenden Systemen 
möchte ich die Pinbelegung der CPU nicht mehr ändern) Ausserdem wird die 
Situation aus Sicht der EMV bei steigenden Frequenzen auch immer 
schlechter.

Meine Frage ist jetzt folgende: Gibt es irgendeine Möglichkeit wie man 
durch eine möglichst einfache zusätzliche Beschaltung des Magneten die 
Geräuschentwicklung bei der Taktung verringern kann? Derzeit existiert 
nur eine Freilaufdiode bei der Spule des Magneten.

Für etwaige Tipps und Ratschläge wäre ich sehr dankbar!

Viele Grüße

Max

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Uwe Gast 05.07.2011 12:14 #2252591

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R Parallel zu Großem C in Reihe zur Spule, wobei R entsprechend der 
Leistungsabsenkung zu berechnen wäre. Und kein PWM benutzen.
Beim Anschalten fließt durch C ein Großer Einschaltstrom bis der 
Kondensator geladen ist und Hochohmig wird, danach ist der R mit der 
Spule in Reihe und läßt noch den Haltestrom fließen.

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H.Joachim S. (crazyhorse) 05.07.2011 12:25 #2252617

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Leider keine Daten zu dem Magnet...
Falls du keinen 2.Portpin verwenden kannst/willst (2.Mosfet, schaltet 
den Magneten mit verringerter Spannung falls vorhanden oder über einen 
Vorwiderstand, der den Gesamtstrom reduziert), kannst du folgendes 
versuchen:
In die Drainleitung einen Widerstand einfügen, der auf noch 
ausreichenden Haltestrom dimensioniert ist. Diesen mit einem passenden 
Elko überbrücken, der im Anzugsmoment den vollen Strom ermöglicht.

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H.Joachim S. (crazyhorse) 05.07.2011 12:26 #2252618

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ups, zu lange telefoniert nebenbei :-)

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Michael A. Gast 05.07.2011 12:26 #2252620

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max schrieb:
> Ausserdem wird die
> Situation aus Sicht der EMV bei steigenden Frequenzen auch immer
> schlechter.
Wenn du den Magnet mit einer schaltenden Konstantstromquelle betreibst, 
sollte der Strom bis auf die Stromrippel recht konstant sein. Du mußt 
nur schnell genug schalten. Nach oben ist das dann durch die Verluste im 
FET begrenzt. Für die EM-Abstrahlung kommt es auf vernünftige 
Verdrahtung und minimale Leiterschleifenflächen drauf an. Hast du dir 
mal den zeitlichen Stromverlauf an deinem Magneten angesehen?

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Knut B. (travelrec) (Firma: TravelRec.) 05.07.2011 12:28 #2252622

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max schrieb:
> da ich das Toggeln des Pins am Controller per Software im
> Timerinterrupt machen muss und dadurch einiges an CPU Takten
> verschwendet wird.

Das braucht in ASM gerade mal 2...8 Takte, je nach verwendeter MCU. 
Meinst Du, das merkt der Controller überhaupt?

max schrieb:
> Ausserdem wird die
> Situation aus Sicht der EMV bei steigenden Frequenzen auch immer
> schlechter.

Snubber verwenden.

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Max G. (l0wside) 05.07.2011 16:05 #2252982

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max schrieb:

> Ich habe jetzt natürlich mit verschiedenen Frequenzen experimentiert
> (von 100 Hz bis 20 KHz) Bei 20 KHz ist das Geräusch fast nicht mehr
[...]
>  Ausserdem wird die
> Situation aus Sicht der EMV bei steigenden Frequenzen auch immer
> schlechter.

Bei 20 kHz? Welche EMV-Standards musst Du denn erfüllen? Das ist doch 
fast Gleichspannung.

Wenn Du nicht gerade übermäßig steile Flanken hast oder ewig lange 
Leitungen, sollten 20 kHz kein Problem darstellen. Das sollte auch den 
uC nicht an den Rand seiner Möglichkeiten treiben, nicht mal mit 
PWM-Erzeugung in der ISR.

Max

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Christian Erker Gast 05.07.2011 16:14 #2252994

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Lass das takten und kleb nen "Vorsicht Heiss" Aufkleber drauf. SCNR ;)

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Marcus B. (raketenfred) 05.07.2011 16:18 #2253007

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Warum nutzt du nicht 2 Stromquellen:

1. zum Einschalten
2. zum Halten

Verbrät nur einen Pin mehr

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Günther N. (guenti) 05.07.2011 16:31 #2253037

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Das Problem der Spulenerwärmung lässt sich auch ohne Taktung (und somit 
ohne Geräuschentwicklung) des Spulenstromes lösen.Man schalte zwischen 
FET und Spule einen Widerstand welcher den Strom begrenzt.Damit aber im 
Einschaltmoment der nötige höhere Strom fliesst schalte man dem 
Widerstand einen Elko polaritätsrichtig parallel.

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Mike S. (drseltsam) 05.07.2011 17:28 #2253120

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Jo. Da wird dann der Widerstand heiß.

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Tip Gast 05.07.2011 17:34 #2253125

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Mike Strangelove schrieb:
> Jo. Da wird dann der Widerstand heiß.
Jo, aber nicht so doll.
Die Gesamtwärmemenge an Widerstand und Spule ist geringer, als vorher an 
der Spule alleine ;-)

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Lutz Gast 05.07.2011 17:44 #2253137

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Lohnt sich das Takten wärmetechnisch bei z.B. 20 kHz überhaupt noch?

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Johannes O. (jojo_2) 05.07.2011 17:56 #2253155

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Hab vor ein paar Tagen was ähnliches gemacht:
Zwei 12V Elektromagneten müssen eine Last heraufziehen. Bei 12V klappt 
das ganze nicht bzw. es wäre zu langsam. Daher werden sie mit 24V 
angesteuert, es gibt einen kurzen Einschaltpuls von ca. 100 bis 200ms, 
sobald die Magneten angezogen haben wird runtergeregelt (auch per PWM), 
so dass man im Endeffekt den Magnet sogar mit "weniger als 12V" 
betreibt. Sobald er angezogen hat reicht das vollkommen aus.

Würden wir nicht runterregeln würde uns der Magnet bald abrauchen. Das 
pfeifen hatten wir auch bei niedrigeren Frequenzen. Bei 10KHz war das 
etwas unangenehm, mittlerweile sind wir weit darüber. Da hört man nichts 
mehr.
Auslastung? Sogar bei SoftwarePWM und 1MHz auf nem Mini-Controller läuft 
das Problemlos. Du könntest ja evtl. auch einfach nen kleinen PIC oder 
AVR nur fürs PWM einsetzen, falls das dein großer Controller nicht mehr 
schafft (was ich aber kaum glaube...)

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Frank Gast 05.07.2011 18:11 #2253175

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Marcus B. schrieb:
> Warum nutzt du nicht 2 Stromquellen:
>
> 1. zum Einschalten
> 2. zum Halten
>
> Verbrät nur einen Pin mehr

Man könnte den Pin des µC je nach gewünschtem Strom durch den Magnet 
entweder high oder low schalten und auf hochohmig zum ausschalten.

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Peter B. (basejump) 05.07.2011 18:26 #2253195

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Hallo max,

ich kenne die Werte (Induktivität, Widerstand) deiner Spule nicht, aber 
ich habe dir mal ein kleines Bildchen gemalt wie du es etwas leiser 
bekommen kannst.

Angehängte Dateien:

Elektromagnet_PWM_silent.png (42 KB)

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Knut B. (travelrec) (Firma: TravelRec.) 06.07.2011 08:37 #2253803

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                                Magnet C|   ^  Diode
                               .------ o----'
                   N-MOSFET ||-+       |
            PWM o-------o---||-+      ---
          >16kHz        |      |      ---
                       | |     |       |   Snubber
(created by AACircuit v1.28.6 beta 04/19/05 www.tech-chat.de)


So würde ich das machen. Dabei wird keine überschüssige Leistung 
verheizt.

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Geräusch von getakteter Spule unterbinden

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