Ansteuerung einer Relaismatrix

High- Side- Treiber, z.b. UDN 2981
https://www.reichelt.de/index.html?ACTION=446&LA=0&q=udn

MfG

Freut mich!

MfG
Johannes

ralf schrieb:
> Du brauchst noch 64 Entkopplungsdioden.

Ralf hat recht, die Relaismatrix ist letztendlich wie ein Netzwerk aus 
Widerständen. In der Zeichnung gibt es beispielhaft 2 bestromte 
Anschlüsse (fett dargestellt) für Relais K5. Außerdem werden über K2 und 
K8 (-) sowie über K4 und K6 (+) weitere Relais bestromt (gestrichelt 
dargestellt).
Je eine Diode in Reihe mit jeder Spule behebt das Problem.
Bei ohmschen Verbrauchern (z.B. multiplexte Numitron-Röhren) 
funktioniert das, bei Relais wird im Abschaltmoment die 
Induktionsspannung in Sperrichtung dieser Diode wirksam, was mit hoher 
Wahrscheinlichkeit zu deren sofortigem/baldigem Ableben führt.
Es ist also jeder Relaisspule eine Diode parallelzuschalten. Siehe Bild.
Möglich wäre wohl auch der Einsatz einer Z-Diode mit U z > U rel in 
Reihe mit der Spule. Müsste man probieren (Schutzdioden im ULN/UDN 
aktivieren!).

Gruß
Johannes

Johannes R. schrieb:
> Je eine Diode in Reihe mit jeder Spule behebt das Problem.
> Bei ohmschen Verbrauchern (z.B. multiplexte Numitron-Röhren)
> funktioniert das, bei Relais wird im Abschaltmoment die
> Induktionsspannung in Sperrichtung dieser Diode wirksam, was mit hoher
> Wahrscheinlichkeit zu deren sofortigem/baldigem Ableben führt.
> Es ist also jeder Relaisspule eine Diode parallelzuschalten.

Von der Notwendigkeit dieser zusätzlichen Diode bei jedem Relais bin ich 
nicht so recht überzeugt. Imho reicht eine Diode pro Relais (eben damit 
die Matrix funktioniert) aus.

Wenn man dann beim Abschalten zuerst den ULN2803 abschaltet (und 
High-Side noch einen Moment angeschaltet lässt) wird über die im ULN2803 
eingebaute Dioden die Energie der Relaisspule auf +12V ausgegeben.

Hab ich einen Denkfehler?

Mawi schrieb:
> Wenn die Bedingung gilt, dass der High-Side-Treiber (UDN
> 2981) mit einer Verzögerung nach dem Low-Side-Treiber (ULN2803)
> abgeschaltet wird, sollte die Induktionsspannung sich während dieser
> Zeit über die Freilaufdiode des ULN2803 abbauen können.

Der High-Side-Treiber UDN 2981 hat auch entsprechende Dioden, analog zum 
ULN2803, nur eben nach GND. Man kann in dieser Konstellation beide 
gleichzeitig abschalten.

Der Relaistrom bricht dann sogar noch schneller ein, weil er gegen die 
Versorgungsspannung + 2 Diodenstrecken arbeitet (anstatt einer 
Diodenstrecke allein).

@Tilo, @Mawi:

Denkt daran, dass D1 (s. Bild) zur Entkopplung nötig ist.
Im Abschaltmoment schützen zwar die Dioden im ULN/UDN die 
Schalttransistoren, trotzdem steht die Induktionsspannung U_ind an D1 
an, die damit die volle Spannungsspitze abkriegt!
Denkt nochmal drüber nach.

MfG
Johannes

Edit: @Mod: Bitte zweites Bild löschen, danke!

Johannes R. schrieb:
> Denkt daran, dass D1 (s. Bild) zur Entkopplung nötig ist.
Richtig. Ganz genau so, wie wenn die Matrix nur Ohm'sche Verbraucher 
hätte.

> Im Abschaltmoment schützen zwar die Dioden im ULN/UDN die
> Schalttransistoren, trotzdem steht die Induktionsspannung U_ind an D1
> an, die damit die volle Spannungsspitze abkriegt!
> Denkt nochmal drüber nach.
Falsch.

Es scheint hier ein grundsätzliches Verständnisproblem zu geben, wie die 
Induktionsspannung denn überhaupt entsteht.
Die hohe (!) Spannungsspitze, die jeder beobachten kann wenn er mal eine 
Spule ohne Schutzdiode abschaltet entsteht in einer richtig entworfenen 
Schaltung gar nicht.

Es ist nicht so, dass die Spule beim Abschalten denkt: so, jetzt mach 
ich mal ordentlich Spannung! (Wie viel eigentlich?)

Der Denkansatz zum Verständnis ist anders: Prinzipiell möchte die 
Relaisspule den im Moment fließenden Strom erhalten. Der ändert sich 
nur, wenn entsprechend lang eine entsprechende Spannung an der Spule 
anliegt.

Beim Einschalten ist das einfach, da versteht jeder, dass (bei gegebener 
Versorgungsspannung) der Strom nur langsam steigt.

Beim Ausschalten ist es eben genau umgekehrt, es braucht Zeit * Spannung 
(diesemal mit anderer Polarität), damit der Strom bis auf 0 sinkt. Zur 
Not wird diese Spannung eben von der Spule erzeugt.

Daher kommt dann der hohe Induktions-spannungs-puls: Wenn wir plötzlich 
keinen Weg mehr für den fließenden Strom anbieten, dann muss eben die 
Spannung hoch, theoretisch bis ins unendliche, praktisch bis die 
Isolation irgendwo nachgibt.

Man kann auch mit dem Energiesatz argumentieren: in der Spule ist 1/2 
LI² gespeichert und diese Energie muss irgendwie - über das Integral U*I 
dt, d.h. über eine gewisse Zeit lang, abgebaut werden.

Wenn man aber einen Pfad für den Spulenstrom anbietet kann man auch die 
Höhe der Induktionsspannungsspitze berechnen.

Anbei ein Bild, in dem die Spannungen der entsprechenden Masche 
eingezeichnet sind.
Es ergibt sich damit:
Uind = Ud1 + Ud4 + Uv + Ud3
(Den Innenwiderstand der Spule und Spannungsversorgung mal 
vernachlässigt)

Nehme ich als Vorwärtsspannung der Dioden 1V an so beträgt Uind gerade 
mal 15V. Abzüglich Ud1 ist das dann auch die Sperrspannung, die die 
anderen D1-Dioden in der Matrix aushalten müssen.

Wo geht in diesem Fall die Energie der Spule hin? In die Verlustleistung 
der Dioden (3*Ud*Id), sie wird im Innenwiderstand der Spule verheizt UND 
sie wird in die Versorgungsspannung zurückgespeist. Deshalb muss die 
Spannungsversorgung an der Kathode von D3 mit einem Kondensator 
gepuffert sein, der die Energie aufnimmt. Alternativ könnte an D3 zu GND 
auch ein Widerstand oder eine Z-Diode angeschlossen werden. (Die 
Spannungsverhältnisse könnt ihr ja jetzt ausrechnen)

Und da wären wir dann auch beim Hinweis zum Platinenlayout: Der Pfad 
D3-Kondensator-D4 sollte niederimpedant sein, d.h. kurz.

Als Denksportaufgabe überlasse ich euch, über die Maschen nachzudenken, 
die

a) mit der vorgeschlagenen Schutzdiode
b) beim zuerst einseitigen Abschalten der Treiber
entstehen.

Gleichzeitig kann man darüber nachdenken, warum der Relaisstrom bei b) 
langsamer und bei a) noch langsamer abfällt als ohne Diode und 
gleichzeitigem Abschalten

@Tilo R.

Hast recht, die Spule wirkt im Betrieb als "Stromsenke" und nach 
Abschaltung als Stromquelle mit gleicher Stromrichtung aber gegenpoliger 
Spannung.
Ich war nur von der umgepolten Spannung ausgegangen, nicht von der 
Stromrichtung.
Asche auf mein Haupt! (Reicht ein halber Eimer???  ;-))  )

Gruß
Johannes

Mawi schrieb:
> Das mit dem Kondensator verstehe ich nicht ganz. Zwischen Kathode von D3
> (Also V+) und GND wäre der Kondensator doch dauerhaft geladen. Inwiefern
> würde dieser dann eine Einspeisung aus der Spule in die Versorgung
> verhindern?
Richtig, der hängt dauerhaft geladen an der Versorgungsspannung. Die 
Einspeisung verhindern kann er nicht, aber ein bischen wegpuffern.
Aus Sicht der Versorgung sieht das ja so aus: die ist belastet durch den 
Laststtrom Relais. Und im Ausschaltmoment dreht sich das ganze sehr 
schnell vom Stromverbraucher zur Stromquelle. Und diese "Störung" möchte 
man glätten.
Das Relais liefert kurzfristig ja den gesamten Nennstrom zusätzlich in 
die Schaltung. Was, wenn das keiner verbraucht? Kann der Spannungsregler 
damit umgehen?
Und der Kondensator hilft dann, das aufzunehmen.
(Ich rechne manchmal auch überschlägig aus, um wie viel Volt die 
Versorgungsspannung steigen würde, wenn die ganze Energie 1/2 LI² oben 
drauf in diesen Kondensator gehen würde. Leider stehen 
Relaisinduktivitäten selten im Datenblatt.)

>
> Tilo R. schrieb:
>> Und da wären wir dann auch beim Hinweis zum Platinenlayout: Der Pfad
>> D3-Kondensator-D4 sollte niederimpedant sein, d.h. kurz.
>
> Wieso muss der Pfad kurz sein?
Das ist wie mit Abblockkondensatoren. Da soll man auch nicht zuerst mit 
der Leitung Spazierenfahren.

Johannes R. schrieb:
> Asche auf mein Haupt! (Reicht ein halber Eimer???  ;-))  )

nicht nötig :-)
Wir haben alle schon mal was falsch eingeschätzt!

Grüße, Tilo