Störung beim Schalten eines Relais

[Holger E. (holger_engel)]

Hallo Zusammen

Ich habe ein Problem mit einer bestehenden Schaltung und hoffe auf eure 
Hilfe.

Schaltungsbeschreibung:

Es geht um eine Schaltung mit einem Widerstands-Heizelement, dieses wird 
mit Netzspannung versorgt.

Die Leistungsregelung erfolgt über ein Panasonic PhotoMOS Relais welches 
mit einer PWM angesteuert wird.
Das Heizelement kann über ein Relais elektrisch komplett getrennt 
werden.

Es ist außerdem noch eine Stromerfassung über einen Hall Strom-Sensor 
ACS712 sammt eigenen SPI-ADC auf der "heißen Seite" und galvanischer 
Trennung über Optokoppler vorhanden. Versorgt über einen extra ACDC 
Wandler.

Auf der galvanisch getrennten Seite befindet sich ein Mikrocontroller, 
mehrere Spannungsregler etc. dieser Schaltungsteil wird über ein 24V 
Netzteil versorgt.
Das Freigabe-Relais K1 wird über einen 6V Spannungsregler 
versorgt.(abgeleitet von den 24V)

Es sind diverese Varistoren z.B. über die Schaltkontakte von K1 verbaut. 
Diese sollen wohl zur Funkenlöschung dienen.

Ein weiteres Relais K2 soll zur Umschaltung zwischen 230V und 110V 
dienen(Reihen/Parallelschaltung der Widerstände des Heizelemnts), dies 
hat aber für die Betrachtung hoffentlich keine Bedeutung, da dieses 
Relais im betrachteten Fall nicht schaltet.
Die schematische Schaltungsdarstellung zeigt das Relais K1 im nicht 
aktivierten Zustand.


Problembeschreibung:

Nun habe ich folgendes Problem, sobald das Freigabe-Relais aktiviert 
wird gibt es einen Störimpuls auf 24V sowie allen davon abgeleiteten 
Spannungen also auch z.b die 6V Versorgung für das Relais oder die 3,3V 
Versorgung für den Mikrocontroller.

Der PhotoMOS ist zu diesem Zeitpunkt nicht eingeschaltet. Bild1 zeigt 
auf Kanal_1 die 6V für das Relais und Kanal_2 zeigt die 24V Versorgung.

Stecke ich das Heizelement ab verschwindet die Störung. Bild2 zeigt 
diesen Fall, es ist nur ein kleiner Einbruch der Spannung beim 
Einschalten zu sehen. Dürfte also nicht an der Spule liegen?

Testweise habe ich einmal alle Varistoren und den NTC entfernt. Aber 
eine wirkliche Besserung hat es nicht gegeben, Bild3.

Wenn ich die 24V Versorgung über ein Labronetzteil mache ändert dies 
ebenfalls nichts. Auch ein Versorgen der Schaltung mit einem Trenntrafo 
bringt keine Besserung.

Frage:

Könnte diese Störung dadurch entstehen, dass das Heizelement quasi beim 
Einschalten nur einseitig an Spannung hängt? (die zweite Seite wird ja 
durch den gesperrten PhotoMOS getrennt)

Wirkt das dann evtl. als Antenne. Oder evtl. eher Funkenbildung beim 
Schließen der Relais-Kontakte?

Wie gehe ich am besten vor um die Ursache zu bestimmen und im besten 
Fall die Störung zu beseitigen?

Ich wäre euch sehr dankbar wenn ihr ein paar Tipps für mich hättet, 
meine Kentnisse aus der Analogtechnik liegen leider schon ein paar 
Jährchen zurück. Die Schaltung wurde nicht von mir entwickelt.

Vielen Dank und viel Grüße

[HildeK (Gast)]

Holger E. schrieb:
> Könnte diese Störung dadurch entstehen, dass das Heizelement quasi beim
> Einschalten nur einseitig an Spannung hängt? (die zweite Seite wird ja
> durch den gesperrten PhotoMOS getrennt)
Nein. Die entsteht dadurch, dass jetzt plötzlich ein größere Strom 
fließt.

> Wirkt das dann evtl. als Antenne. Oder evtl. eher Funkenbildung beim
> Schließen der Relais-Kontakte?
Ja, kann sein. Funkenbildung gibt es aber nur beim Ein- bzw. 
Ausschalten. Das sind zumindest Quellen für Störungen. Die müssen sich 
aber nicht negativ auswirken, wenn der Aufbau entsprechend durchgeführt 
wird. Es gibt z.B. auch induktive oder kapazitive Kopplungen durch 
ungünstige Leiterführung. Und, man kann die Wirkung von Funken an 
Kontakten auf die Umgebung durch Snubber reduzieren.

> Wie gehe ich am besten vor um die Ursache zu bestimmen und im besten
> Fall die Störung zu beseitigen?
Erst mal korrekt messen. Schön lange Masseclips am Tastkopf könnten 
sowas auch auf der Anzeige produzieren, ohne dass überhaupt was 
Relevantes vorliegt.

> Ich wäre euch sehr dankbar wenn ihr ein paar Tipps für mich hättet,
> meine Kentnisse aus der Analogtechnik liegen leider schon ein paar
> Jährchen zurück. Die Schaltung wurde nicht von mir entwickelt.
Kochrezepte gibt es nicht, vor allem nicht, ohne z.B. den Aufbau zu 
kennen. Hast du mit den "gemessenen Störungen" überhaupt ein 
Funktionsproblem? Wenn ja, wie äußert sich das?

[Holger E. (holger_engel)]

Kurze Anmerkung, ich weiß nicht ob das klar rüber gekommen ist.
Die Störung tritt immer nur im Einschaltmoment des Relais auf. Und 
dauert auch nur so lange wie auf den Oszillogrammen zu sehen.(100-200ns)

HildeK schrieb:
>> Ich wäre euch sehr dankbar wenn ihr ein paar Tipps für mich hättet,
>> meine Kentnisse aus der Analogtechnik liegen leider schon ein paar
>> Jährchen zurück. Die Schaltung wurde nicht von mir entwickelt.
> Kochrezepte gibt es nicht, vor allem nicht, ohne z.B. den Aufbau zu
> kennen. Hast du mit den "gemessenen Störungen" überhaupt ein
> Funktionsproblem? Wenn ja, wie äußert sich das?

Danke für Deine Antwort.

Ein Strom sollte eigentlich nicht fließen, da der OptoMOS ja sperren 
sollte.

Es gibt ab und zu Resets vom Mikrocontroller.

Vom Mikrocontroller ist noch eine USB Schnittstelle herausgeführt, 
getrennt über einen Adum3160. Jetzt ist mir aufgefallen, dass sobald ich 
die Schaltung über einen USB-Hub mit dem PC verbinde Probleme beim 
Einschalten des Relais auftreten können.
Manchmal steigen andere USB-Geräte welche am Hub hängen, manchmal der 
ganze Hub. Bei Messungen hab ich dann auf den Signal und 
Versorgungsleitungen der USB-Leitung festgestellt dass eine Störung beim 
Schalten des Relais zu sehen ist.
Die Störung sieht auf diesen Leitungen genauso aus wie auf den internen 
Versorgungsleitungen.

Verbinde ich bei einem Tastkopf die Masse mit der Spitze und halte den 
Tastkopf in die Nähe der Schaltung während das Relais schaltet ist 
ebenfalls ein starker Ausschlag zu sehen.

Ich habe für Tests auch mal das Oszi über eine USV angeschlossen welche 
vom Netz getrennt war, quasi Akkubetrieb also.
Auch hier ist mit der Masse an der Spitze die Störung sichtbar.

Tausche ich das Ganze, also Schaltung am Akku und Oszi am Netz, habe ich 
das gleiche Verhalten.

[oszi40 (Gast)]

Holger E. schrieb:
> Versorgung über ein Labronetzteil mache ändert dies
> ebenfalls nichts.

Dann würde ich mal über Stützkondensatoren nachdenken. Evtl. sind die zu 
weit weg vom µC oder der gesamte Schaltungsaufbau hat ein 
Abstandsproblem?

[Holger E. (holger_engel)]

oszi40 schrieb:
> Holger E. schrieb:
>> Versorgung über ein Labronetzteil mache ändert dies
>> ebenfalls nichts.
>
> Dann würde ich mal über Stützkondensatoren nachdenken. Evtl. sind die zu
> weit weg vom µC oder der gesamte Schaltungsaufbau hat ein
> Abstandsproblem?

Werde das nochmal genauer ansehen, aber bestenfalls kann ich damit die 
Störungen/Resets am Mikrocontroller verbessern. Gegen die Problematik 
mit dem USB-Bus hilft das wohl nicht?


HildeK schrieb:
>> Wie gehe ich am besten vor um die Ursache zu bestimmen und im besten
>> Fall die Störung zu beseitigen?
> Erst mal korrekt messen. Schön lange Masseclips am Tastkopf könnten
> sowas auch auf der Anzeige produzieren, ohne dass überhaupt was
> Relevantes vorliegt.

Wie kann ich denn generell messtechnisch feststellen ob diese Störungen 
nun wirklich real sind?

Geht das mit einem Oszi, oder ist hierfür zwingend ein 
Spektrumanalysator oder ähnliches nötig?

[Mani W. (e-doc)]

Holger E. schrieb:
> Kurze Anmerkung, ich weiß nicht ob das klar rüber gekommen ist.
> Die Störung tritt immer nur im Einschaltmoment des Relais auf.

Da drängt sich die Frage nach dem Basisvorwiderstand auf...

[Holger E. (holger_engel)]

Mani W. schrieb:
> Holger E. schrieb:
>> Kurze Anmerkung, ich weiß nicht ob das klar rüber gekommen ist.
>> Die Störung tritt immer nur im Einschaltmoment des Relais auf.
>
> Da drängt sich die Frage nach dem Basisvorwiderstand auf...

Meinst Du den Vorwiderstand am NPN-Transistor welcher das Relais 
schaltet? Die Beschaltung dazu habe ich hier angehängt.

Falls der Vorwiderstand bzw. die Relais-Ansteuerung ein Problem 
darstellt, müsste dann die Störung nicht immer auftreten? Also auch in 
dem Fall wo ich das Heizelement nicht anschließe?

[oszi40 (Gast)]

Holger E. schrieb:
> Gegen die Problematik
> mit dem USB-Bus hilft das wohl nicht?

Es gibt PC-Netzteile mit und ohne Schutzleiterverbindung zur Masse. Ohne 
Deinen Aufbau näher zu kennen: Bei USB-Bus ist immer die Frage, ob er 
wirklich galvanisch getrennt wurde. Evtl. hat der PC eine andere Masse 
als Dein Oszi und es gibt eine Spannungsdifferenz / Masseschleife, die 
Deinen "Hüpfer" im Oszillogramm verursacht hat?

[Mani W. (e-doc)]

Tete mal, die Spannungsversorgung des Heizelementes von der übrigen
Schaltung zu trennen und nicht über den gemeinsamen Netzfilter zu
versorgen...

[Dominik (Gast)]

Hmm, sehr interessant.

Also das was mir komisch vorkommt sind deine Varistoren. Ich kenn mich 
mit den dingern zwar nicht supertoll aus, aber ich wenn der knick in der 
Kennlinie bei 300V ist , dann schließen die dir den mosfet und das 
relais kurz. 230V effektiv -> 325V Spitze.

Dann wärs so, dass im Fall von K1 aus der Strompfad 2 Varistoren 
überbrücken müsste, was sich nicht ausgeht. Schaltet K1, ist nur mehr 
der Varistor über den Mosfet im weg, und es läuft Stom über deine Last.

Komisch wär dann aber, wieso die Sicherungen nicht durch den Varistor am 
anfang abbrennen.

Lg

[Lothar M. (Firma: Titel) (lkmiller) (Moderator)]

Dominik schrieb:
> Also das was mir komisch vorkommt sind deine Varistoren. Ich kenn mich
> mit den dingern zwar nicht supertoll aus, aber ich wenn der knick in der
> Kennlinie bei 300V ist
300V-Varistoren sind für 300VAC ausgelegt:
http://de.farnell.com/epcos/b72214s0301k101/varistor-76-0j-300vac/dp/1004391
Oder eben 230V-Varistoren für 300VDC:
http://de.farnell.com/littelfuse/v14e230p/metal-oxide-varistor-300v-595v/dp/1154646

[Holger E. (holger_engel)]

oszi40 schrieb:
> Holger E. schrieb:
>> Gegen die Problematik
>> mit dem USB-Bus hilft das wohl nicht?
>
> Es gibt PC-Netzteile mit und ohne Schutzleiterverbindung zur Masse. Ohne
> Deinen Aufbau näher zu kennen: Bei USB-Bus ist immer die Frage, ob er
> wirklich galvanisch getrennt wurde. Evtl. hat der PC eine andere Masse
> als Dein Oszi und es gibt eine Spannungsdifferenz / Masseschleife, die
> Deinen "Hüpfer" im Oszillogramm verursacht hat?

Habe verschiedene Varianten/PCs getestet und auch die Massen durch 
zusätzliche Leitungen verbunden um sicher sein.

Mani W. schrieb:
> Tete mal, die Spannungsversorgung des Heizelementes von der übrigen
> Schaltung zu trennen und nicht über den gemeinsamen Netzfilter zu
> versorgen...

Du meinst inkl. dem Stromsensor, Relais usw. alles mal extra versorgen?
Welche Teile hast Du im Verdacht?

Anbei mal ein Bild vom Heizelement und wie es geöffnet aussieht.

[Mani W. (e-doc)]

Holger E. schrieb:
> Du meinst inkl. dem Stromsensor, Relais usw. alles mal extra versorgen?
> Welche Teile hast Du im Verdacht?

Kann ich nicht genau sagen, möglicherweise stößt sich der Stromsensor
mit dem Netzfilter, den NTC würde ich weglassen und dass der 
Überspannungs-
schutz Auswirkungen hat, glaube ich gar nicht...


Was ist überhaupt, wenn alles so bleibt ohne Netzfilter und ohne NTC?

[G. O. (aminox86)]

Ich möchte nicht der 6V-Regler an K1 sein.

[Holger E. (holger_engel)]

Mani W. schrieb:
> Was ist überhaupt, wenn alles so bleibt ohne Netzfilter und ohne NTC?

Werde ich testen.

G. O. schrieb:
> Ich möchte nicht der 6V-Regler an K1 sein.

Warum?

[LüLüLüLord (Gast)]

G. O. schrieb:
> Ich möchte nicht der 6V-Regler an K1 sein.

Haha. :D Richtig guter Kommi. Das war direkt auch mein Gedanke.

[Holger E. (holger_engel)]

LüLüLüLord schrieb:
> G. O. schrieb:
>> Ich möchte nicht der 6V-Regler an K1 sein.
>
> Haha. :D Richtig guter Kommi. Das war direkt auch mein Gedanke.

Ihr meint wegen den etwa 1,5W Verlustleistung?

[der schreckliche Sven (Gast)]

Spendiere doch einfach mal dem Opto-Mos ein RC-Glied, um den 
Spannungsanstieg zu dämpfen. 100nF und 100 Ohm.

[Mani W. (e-doc)]

Holger E. schrieb:
> LüLüLüLord schrieb:
>> G. O. schrieb:
>>> Ich möchte nicht der 6V-Regler an K1 sein.
>>
>> Haha. :D Richtig guter Kommi. Das war direkt auch mein Gedanke.
>
> Ihr meint wegen den etwa 1,5W Verlustleistung?

Laut meinem Buch benötigt der 7806 min. 8,6 Volt Eingangsspannung
und die maximale Eingangsspannung wird mit 21 Volt angegeben!


Holger E. schrieb:
> Das Freigabe-Relais K1 wird über einen 6V Spannungsregler
> versorgt.(abgeleitet von den 24V)

Warum nimmst Du nicht gleich ein 24V Relais oder zumindest ein 12V
Relais mit 7812 (dabei darf die Eingangsspannung 27V betragen)

Abgesehen davon geht das auch mit einem entsprechenden Vorwiderstand
an der Spule des Relais...

[Holger E. (holger_engel)]

der schreckliche Sven schrieb:
> Spendiere doch einfach mal dem Opto-Mos ein RC-Glied, um den
> Spannungsanstieg zu dämpfen. 100nF und 100 Ohm.

Ich habe den OptoMOS inkl. dem Varistor entfernt, die Störung tritt 
weiterhin auf, somit ist der OptoMOS als auch der Stromsensor wohl nicht 
dafür verantwortlich.

Mani W. schrieb:
> Holger E. schrieb:
>> LüLüLüLord schrieb:
>>> G. O. schrieb:
>>>> Ich möchte nicht der 6V-Regler an K1 sein.
>>>
>>> Haha. :D Richtig guter Kommi. Das war direkt auch mein Gedanke.
>>
>> Ihr meint wegen den etwa 1,5W Verlustleistung?
>
> Laut meinem Buch benötigt der 7806 min. 8,6 Volt Eingangsspannung
> und die maximale Eingangsspannung wird mit 21 Volt angegeben!

Es ist kein 78xx sondern ein LM317

Mani W. schrieb:
> Holger E. schrieb:
>> Das Freigabe-Relais K1 wird über einen 6V Spannungsregler
>> versorgt.(abgeleitet von den 24V)
>
> Warum nimmst Du nicht gleich ein 24V Relais oder zumindest ein 12V
> Relais mit 7812 (dabei darf die Eingangsspannung 27V betragen)
>
> Abgesehen davon geht das auch mit einem entsprechenden Vorwiderstand
> an der Spule des Relais...

Die Relaisspule ist ein 5V Typ und ein Vorwiderstand ist vorhanden, es 
liegen also tatsächlich auch nur 5V an der Relaisspule an.

Aber ich gebe dir natürlich recht, man hätte hier natürlich gleich ein 
24V Relais nehmen sollen, wie gesagt wurde die Schaltung von mir nicht 
entwickelt und ist bereits so gegeben.

Ich habe testweise mal je einen 0,1µF Kondensator über die 
Schaltkontakte von K1 gelötet.

Auch wenn ich nun den OptoMOS + Varistor wieder einlöte ist die Störung 
besser.

Damit ist die Störung deutlich geringer geworden. Also evtl. doch 
Funkenbildung beim Schalten der Relais Kontakte?

Meine Frage nun, da der OptoMos ja nun weg ist sollte ja nun definitv 
kein Strom mehr durch das Heizelement fließen.
Kann sich dann trotzdem ein Funke bilden?

[der schreckliche Sven (Gast)]

Holger E. schrieb:
> Ich habe den OptoMOS inkl. dem Varistor entfernt, die Störung tritt
> weiterhin auf,

Wirklich entfernt, keine Verbindung mehr, oder überbrückt?
In beiden Fällen sollte nichts außergewöhnliches passieren.
Irgendwas ist da faul.

[Noch einer (Gast)]

Hast du mal den Netzstecker umgedreht? Ergibt es einen Unterschied, ob 
du Phase oder Neutralleiter schaltest?

[Holger E. (holger_engel)]

der schreckliche Sven schrieb:
> Holger E. schrieb:
>> Ich habe den OptoMOS inkl. dem Varistor entfernt, die Störung tritt
>> weiterhin auf,
>
> Wirklich entfernt, keine Verbindung mehr, oder überbrückt?
> In beiden Fällen sollte nichts außergewöhnliches passieren.
> Irgendwas ist da faul.

Ja, von der Platine heruntergelötet.

Noch einer schrieb:
> Hast du mal den Netzstecker umgedreht? Ergibt es einen Unterschied, ob
> du Phase oder Neutralleiter schaltest?

Ja, habe ich schon versucht. Die Polarität ändert nichts an der Störung.

[der schreckliche Sven (Gast)]

Holger E. schrieb:
> Ja, von der Platine heruntergelötet.

Wenn Dein Schaltplan wirklich stimmt, schaltet das Relais nur noch Luft.

[Mani W. (e-doc)]

Ich denke da jetzt an den alten Spruch:

Wer misst, misst Mist...


Ich nehme mal an, dass die Schaltung ansonsten einwandfrei funktioniert,
nur der Oszi zeigt einen leichten Absacker...

Ich denke, das liegt am Messaufbau...

Interessant ist es aber doch, und ich hoffe, dass die Ursache auch
irgendwann zu tage tritt...


PS: Falls Led-Leuchtmittel im Haus während der Messung laufen sollten,
auch in anderen Räumen, würde ich diese alle mal ausschalten und dann
wieder messen...

Denn mit Leds im 230V Bereich habe ich unzählige schlimme Erfahrungen
gemacht, vom Radio über Analogsteuerungen sowie Filtern und 
Verstärkern...

Einen Versuch wäre es zumindest wert...

[Peter D. (peda)]

Ich würd mal sagen, da hilft nur der echte Schaltplan und Bilder vom 
Aufbau und der Leitungsführung.
Sonst ist alles nur Stochern im Nebel.
Wichtig sind auch sämtliche anderen Verbindungen zum MC (LCD, Tasten, 
ISP, RS-232, USB usw.).
Relais über MC zu schalten ist keine Raketentechnik, das kriegt (fast) 
jeder hin.

[Mani W. (e-doc)]

Noch ein Tip aus der Praxis:

Laptop oder Stand-PC samt Bildschirm mindestens 3 Meter entfernt von
der Schaltung betreiben oder mal ausschalten, denn da ist manchmal der
Hund begraben und man sucht sich dämlich, weil irgendwelche Frequenzen
im MHz-Bereich die (empfindliche) Schaltung zudeckeln...

LSR oder Glühlampen am Entwicklungstisch sind da angesagt, und alle
anderen LED-Lampen im Haus ausschalten...

Ja, ich wiederhole mich nicht umsonst, und sonst wie Peter schon
schrieb...

[Mani W. (e-doc)]

Und was ist jetzt heraus gekommen?

Oder ist das wieder mal so ein Thread, der die Grundfrage

UNBEANTWORTET

lässt...

[Mani W. (e-doc)]

Keine Antwort ist auch eine...

[Holger E. (holger_engel)]

Sobald ich die Lösung gefunden habe werde ich sie natürlich auch hier 
reinstellen.
Leuchtmittel, PCs etc. kann ich mittlerweile auch ausschließen.
Ob die Störung tatsächlich so aussieht wie auf den Oszillogrammen kann 
ich nicht sagen, nur dass die Auswirkungen der Störung auf dem USB Bus 
real beobachtet werden können. Soll heißen, es steigen während der 
Schaltvorgänge immer wieder mit dem USB Hub verbundene Geräte oder gar 
der ganze Hub aus. Auch wenn das USB Kabel der Schaltung nicht mit 
dieser verbunden ist sondern das Kabel nur in der Nähe der Schaltung 
liegt, ist natürlich dann eine super Antenne.

[Gefahr auf der Pferdekoppel (Gast)]

> Auch wenn das USB Kabel der Schaltung nicht mit
> dieser verbunden ist sondern das Kabel nur in der Nähe der Schaltung
> liegt, ist natürlich dann eine super Antenne.

Beispui: Zwoa Häuter (räusper) äh, zwei Leiter in unmittelberer Nähe 
zueinander (erst recht, wenn sie ein Stückchen parallel (ver)laufen) 
sind als Hengst und Stute anzunehmen - sie Kop......n.

(Eine Einkopplung von einem zum anderen Kabel ist so leicht möglich. 
Auch bei relativ niedrigen Frequenzen...)

[Sebastian H. (sebastian_h54)]

3 Jahre sind um, ich habe ein ähnliches Problem, was dafür sorgt, dass 
mein ESP32 neu startet, wenn ich ein 230V Relais schalte.

Was ist jetzt hier noch rausgekommen?

[Stefan F. (Gast)]

Sebastian, das wird sicher besser laufen, wenn du einen neuen Thread 
beginnst, mit Schaltplan und Fotos vom Aufbau, wo man die Leitungen und 
Leiterbahnen der Stromversorgung sieht.