Hallo zusammen! Da dies hier mein erster Beitrag ist, möchte ich mich kurz vorstellen: Mein Name ist Stefan Heuel, ich komme aus dem Sauerland und beschäftige mich seit kurzem mit Microcontrollern. An die Thematik bin ich heran gekommen weil ich für ein Tractorpullingprojekt einen Spulentreiber für ein Einspritzventil entwickeln möchte. Da ich Werkzeugmechaniker gelernt und Maschinenbau studiert habe, sind meine Elektronikkenntnisse eher grobschlächtig. Aber man lernt ja nie aus ;) Jetzt zur eigentlichen Fragestellung: Spulentreiber gibt es reichlich, sogar einige Typen die speziell für die Ansteuerung von Einspritzventilen entwickelt wurden. Nun ist es so, dass mein neu entwickeltes Ventil "etwas" größer ist. Die Spule ist mit d=1mm Draht und N=175 Windungen gewickelt. Der Ohmsche Widerstand liegt bei ungefähr 0,5 Ohm. Die Herausforderung ist nun das Magnetfeld, genauer die magnetische Kraft auf den Kolben so schnell wie nur möglich aufzubauen, dann zu halten und dann wieder so schnell wie möglich abzubauen. Es handelt sich um eine klassische Peak and Hold Ansteuerung realisiert über eine 8kHz PWM. Um das Ventil schnell zu schließen verwende ich eine Schutzbeschaltung mit Schottkydiode und einer 30V Zenerdiode. Das funktioniert soweit auch sehr gut. Allerdings verbrät die Zenerdiode auch im PWM-Betrieb die magnetische Energie der Spule. Ohne die Zenerdiode kann ich das Ventil mit einem Tastverhältnis von ca. 12% offen halten, mit brauche ich 50% und mehr. Dabei fällt soviel Leistung über die Zenerdiode ab das ein 5W-Typ nach kurzer Zeit abraucht. Hier eine Beschreibung eines Spulentreibers: http://www.ichaus.de/upload/pdf/WP8de_Flexible_und_leistungsarme_Ansteuerung_von_induktiven_Lasten.pdf Auf Seite 7 sieht man wie der das macht. Die Zenerdiode wird im Peak und im PWM-Modus überbrückt und nur beim Abschalten wieder in Betrieb genommen. Genau das möchte ich auch machen. Die Überbrückung soll einfach über einen DO des Microcontrollers gesteuert werden. Nur mit welchem Bauteil und welcher Verschaltung kann ich das realisieren? Die Schaltung im Anhang funktioniert (natürlich) nicht. Man sehe mir meine Ahnungslosigkeit nach. Hier mal die Anwendung: http://schluckspecht-pulling.de/2019/08/01/elektrosmog/ Vielen Danke schon mal für eure Hilfe! Gruß Stefan
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Kann es sein, das du einen 2-Quadrantensteller suchst? https://www.mikrocontroller.net/articles/Motoransteuerung_mit_PWM
Der zweite MOSFET ist kontraproduktiv für schnellen Abbau des Magnetfeldes.
Stefan H. schrieb: > Nur mit welchem Bauteil und welcher Verschaltung kann ich das > realisieren? Die Z-Dioede nach Masse zu schalten ist natürlich Unsinn. Ein MOSFET parallel zur Z-Diode ist auch eine Diode, seine Body Diode, und muss natürlich mit S und D in dieselbe Richtung zeigen wie die Diodenleitrichtung der Z-Diode. Das ist bei der Einbaurichtung S nach oben, wie bei dir, aber ohne D3 (und ohne die Verbindung von D3 nach Masse).
1 | +12V ---+----+----+ |
2 | | | S| |
3 | | _V_, I|-- +12V/+22V |
4 | | | | NMOS |
5 | L1 +----+ |
6 | | _|_ |
7 | | /_\ D1 |
8 | | | |
9 | +----+ |
10 | | |
11 | PWM ---|I M1 |
12 | |S |
13 | GND ----+ |
Wenn S des NMOSFET an +12V liegt, kann der NMOSFET nur mit 12V=aus und 22V=ein am Gate geschaltet werden. Hast du eine Spannungsquelle aus der du die 22V machen kannst ? Wenn nein: Es gibt NMOSFET high side Treiber die so eine Spannung per Ladungspumpe machen, dabei viele die nur bei PWM funktionieren (hilft dir nicht, obwohl: Wenn das Stuersignal mit der PWM moduliert unter leichtem Vorlauf wird könnte es gehen) und wenige die den MOSFET dauerhaft einschalten können (dank eingebauter charge pump) wie LTC1154 und MIC5011.
MaWin schrieb: > Wenn S des NMOSFET an +12V liegt, kann der NMOSFET nur mit 12V=aus und > 22V=ein am Gate geschaltet werden. > Hast du eine Spannungsquelle aus der du die 22V machen kannst ? Er könnte die Spannung, die an der Z-Diode abfällt nehmen um damit einen Kondensator zu laden. Dann hat er 30V relativ zu +Ub. Daraus kann man die benötigten 10-12V für den 2. Mosfet erzeugen. Schalten über Optokoppler. Nur muss halt der Kondensator erst mal geladen sein. Ansonsten ein DC/DC Wandler. hinz schrieb: > Der zweite MOSFET ist kontraproduktiv für schnellen Abbau des > Magnetfeldes. Das ist glaube ich der Zweck. Wenn er das Ventil über PWM ansteuert soll der Stromfluss in den Pausen eben nicht über die Z-Diode.
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Stefan H. schrieb: > Die Herausforderung ist nun das Magnetfeld, genauer die magnetische > Kraft auf den Kolben so schnell wie nur möglich aufzubauen, Dazu muss man mit maximaler Spannung an die Spule rangehen, kurzzeitig darf das auch satte Überspannung sein. Danach geht man per PWM auf den Haltestrom runter. > dann zu > halten und dann wieder so schnell wie möglich abzubauen. Dafür braucht man einen hohe Freilaufspannung, im Extremfall sogar eine negative Spannung. > Allerdings verbrät die Zenerdiode auch im PWM-Betrieb die magnetische > Energie der Spule. Logisch, weil deine Schaltung falsch ist. > Auf Seite 7 sieht man wie der das macht. Die Zenerdiode wird im Peak und > im PWM-Modus überbrückt und nur beim Abschalten wieder in Betrieb > genommen. Kann man machen, aber dazu braucht dein MOSFET M2 eine passende Ansteuerung per Pegelwandler. D3 ist Unsinn. https://www.mikrocontroller.net/articles/MOSFET-Übersicht#MOSFET-Treiber Man kann einen MOSFET-Treiber mit Bootstrap nehmen, z.B. IR2101. Da hast du die Ansteuerung für beide MOSFETs in einem, kleinen IC. Allerdings braucht man dann noch eine Ladungspumpe mit NE555 oder so, um die Bootstrapspannung für den oberen MOSFET zu erzeugen. Aber das ist einfach. Siehe Anhang. Der untere MOSFET macht normal die PWM, der obere ist duaerhaft eingeschaltet. Zum schnellen Abschalten werden beide MOSFETs abgeschaltet.
ralf schrieb: > Die Ladungspumpe kann entfallen wenn du einen P-MOSFET verwendest. Na dann zeichne mal den Schaltplan und schau dir die Polaritäten des Stromflusses an. Bodydiode im MOSFET nicht vergessen ;-)
Stefan H. schrieb: > Mein Name ist Stefan Moin Stefan, Klarnamen zu verwenden führt hier gerne dazu, das hier bei MC.net irgendwelche persönlichen Infos aus dem Netz über Dich verbreitet werden. Sei sparsam mit Infos die zur Sache nichts beitragen. Wenn einem die Argumente ausgehen, oder Du mal was geschrieben hast was empfindlichen Gemütern zu ewiger Feindschaft gereicht oder nur weil man einfach Entwicklungsverzögert ist und einem einer dabei abgeht. Mir geht das am Allerwertesten vorbei, aber Du überlegst Dir vielleicht lieber ob Du nicht doch unter Pseudonym schreiben willst. Einige wirklich clevere Leute hier und genug Vollidioten, damit einem manchmal das Lachen im Halse stecken bleibt. Da reicht schon einer, der immer feige in der Hecke sitzt und unter täglich neuen Nicks Deine Beiträge stört. Ansonsten: Willkommen!
Erst mal vielen Dank für die Antworten! Ein 2 Quadrantensteller löst mein Problem nicht wirklich. Das Kurzschließen der Spule erledigt eine Diode hinreichend gut. Ich brauche die Zenerspannung damit mir das Magnetfeld schnell genug zusammenbricht. Eine H-Brücke hatte ich auch schon im Kopf, allerdings kommen die meisten fertigen IC´s nicht mit den Strömen klar. Außerdem wird mir das alles zu kompliziert. Wenn es eben geht wollte ich nur die aller nötigsten Bauteile verwenden. Muss auch kein Mosfet sein. Ich hatte in meiner Ahnungslosigkeit schon an ein SSR gedacht was sowohl Gleich- als auch Wechselstrom kann. Oder ein Triac? Ich habe echt keine Ahnung. Den Vorschlag mit dem P-Mosfet hat mir ein Bekannter gerade auch gemacht. Wenn ich das richtig verstanden habe leitet die Bodydiode die Rückspannung über den Mosfet und macht damit die Z-Diode hinfällig. Richtig? Das bringt micht nicht dann nicht weiter. Gruß Stefan
Da man die Öffnungs- und Schließzeiten der Einspritzventile ja ermitteln kann, kann man den Einspritzbeginn und Einspritzdauer darauf anpassen. Von welchen Motordrehzahlen sprechen wir hier? Gibt es keine geeignete EV zu kaufen? Evtl. hilft ein höherer Einspritzdruck um das Ventil schneller schließen zu lassen. https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/2/29/Injector3.gif
Das Nachführen der Offsetzeiten von Einspritzventilen ist Stand der Technik, klar. Allerdings stehen mir für einen kompletten Zyklus 11ms zur Verfügung. (9000 1/min, Viertakter, maximal 80% Auslastung des Ventils) Mit einer normalen Schottkydiode habe ich Abfallzeiten von 16ms, mit der 30V Zenerdiode sind es 1,5ms. Die Gegenbestromung mit einer H-Brücke sollte noch schneller sein. In den USA gibt es ähnliche Ventile die erstens sehr teuer sind (das ist allerdings zweitrangig) und zweitens nicht den Durchfluss bringen. Mein Ventil bringt voll geöffnet 100ml/Sekunde bei 3Bar. Von der mechanischen Seite könnte ich die Federvorspannung vergrößern. Dann vergrößere ich mir wieder die Öffnungszeit. Das frisst sich gegenseitig auf. Man kann jetzt eine Leistungsfähige Zenerdiode verwenden und alle Bauteile so auslegen das sie den Strom packen der dann über die Zenerdiode verbraten wird. Das bringt mich allerdings nicht weiter. Angenommen ein 12 Zylindermotor hat bei Volllast alle Ventile im Hold-Modus. Die Annahme passt ganz gut da einige Ventile stromlos sind, andere im Peak-Modus. Mit Zenerdiode fließen dann um die 140A. Nur mit Schottkydiode wären es um die 35A. Gruß Stefan
Eine eventuell wieder dumme Frage: Warum keinen PNP Transistor verwenden und die Basis auf Masse legen? Der Transistor leitet im Gegensatz zum Mosfet zwischen Kollektor und Emitter in keiner Richtung. Gruß Stefan
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Die Schaltung mit dem P-MOSFET stell ich mir so vor.
wer mag mal bitte (nur für mich) die Impulsfolge an der Düse für eine Motorumdrehung skizzieren? Ich hab jetzt mit Hold und Peak noch so ein kleitzkleines Veständnisprblem. lieben Dank. LG Äxl
Das Signal das von der Motorsteuerung kommt ist ein klassisches Rechtecksignal. Kleine Düsen aus dem Auto werden mit diesem Signal direkt geschaltet. http://forum.diyefi.org/viewtopic.php?f=9&t=378&start=11 Hier sieht man den Stromverlauf der Peak and Hold Ansteuerung von 5 Einspritzungen. Hier sieht man die Lösung als PWM Ansteuerung: https://www.electronicdesign.com/power/reap-benefits-economizers-solenoidrelay-drivers Gruß Stefan
vielleicht ist dein Spulenkern auch viel zu groß und speichert mehr Energie als du wirklich brauchst, das vegrößert die Lade-, Entladezeiten unnötig. Die gespeicherte Energie muss auch wieder abgebaut werden deswegen machen das deine Freilaufdioden auch nicht lange mit. Auch deine große Drahtstärke muss nicht umbedingt vom Vorteil sein. Wird dein Ventil durch den Benzindruck eher auf oder zugedrückt?
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Also Ventil "mit Schmackes" aufmachen, mit kleinem strom halten, wieder mit "karacho in gegenrichtung" versuchen, das Ventil so schnell wie möglich zu schliessen. Da wird 10mSekunden Brennmaterial eingespritzt und 10Sekunden Pause? Kann man das so populärwissenschaftlich sagen? Dachte wirklich, die Tastverhälnisse lägen nicht bei 50/50...
Der magnetische Kreis ist schon ziemlich gut. Da hat jemand (nicht ich ;) ) der sich richtig gut damit auskennt ne Menge Hirnschmalz rein gesteckt. Versuche mit unterschiedlichen Wicklungszahlen und Stärken verschieben die Probleme nur. Mit vielen Windungen mit dünnem Draht geht zieht das Ventil schon bei 2A an, braucht aber wegen der deutlich größeren Induktivität ewig lange bis es auf ist. Die Schutzbeschaltung ,genauer die Zenerdiode, raucht nur im PWM-Modus ab. Einmal pro Zyklus das Ventil komplett abschalten verträgt die problemlos. Der Spritdruck hilft im geschlossenen Modus ein wenig das Ventil zuzuhalten. Wenn es offen ist wirkt nur noch der Druckverlust über das Ventil, das ist fast nichts. Beide Kräfte sind im Vergleich zur Feder vernachlässigbar klein. Die Tastverhältnisse bei Vollgas des Motors sind eher 80% AN und 20% AUS. Da wird ganz bewusst in Kauf genommen das der Sprit eine ganze Zeit vor das geschlossene Einlassventil gespritzt wird. Im Leerlauf ist das Tastverhältnis bei vielleicht 5% AN und 95% AUS. Da wird dann auch in die einströmende Luft gespritzt. Gruß Stefan
Die Z-Diode würde ich nicht als "Hauptschaltelement" einsetzen, sondern nur als "Sollwertgeber". Besser noch: überlegen, ob der verwendete MOSFET nicht so weit avalanche-fähig ist, diesen im ersten Durchbruch zu betreiben. Oder eben wirklich ne fette Halbbrücke, welche Spannungsgesteuert das Ventil kurzschliesst. (Spannung high-side messen und ab 40-50-60Volt, je nach dem, das der MOSFET abkann und dann kurzschliessen). Noch besser wäre wirklich, verkehrtherum bestromen. Aber wie Du schon schriebst, wird dir das zu kompliziert...
Stefan H. schrieb: > Da wird ganz bewusst in Kauf genommen das der Sprit eine ganze Zeit vor > das geschlossene Einlassventil gespritzt wird. Warum ist es dann ein Problem, wenn die Düse zu lange braucht, um zu schliessen? Wenn es vorher gegen das noch geschlossene Ventil spritzt, lass es doch noch ein wenig gegen das WIEDER geschlossene Ventil blasen. Oder brauchst Du den Druck für die anderen Zylinder?
Das ändert aber immer noch nichts an meinem Problem. Auch mit Zenerdiode als Sollwertgeber ziehe ich mir im PWM-Betrieb die Leistung aus der Spule. Den Avalanchedurchbruch habe ich getestet. Das packt der Mosfet nicht, der ist sofort Schrott obwohl für Avalanche freigegebn. Außerdem würde da auch wieder mein PWM Problem bekommen. Die Abfallzeit ist kritisch weil nach 2-3ms schon wieder die nächste Einspritzung beginnt. Ein Viertakter zündet alle 720°. Bei 80% Auslastung des Ventils ist es ganz grob 580° offen. Dauerhaft offen darf es auf keinen Fall sein weil ich ab dem Moment keine Kontrolle mehr über meine Spritmenge habe. Gruß Stefan
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Ich habs mal durch LT-Spice geschickt und was soll ich sagen? Es scheint zu funktionieren! Blau ist die Spannung über die Zenerdiode. Grün der Strom in der Spule. Ab 10ms schalte ich M2 ein. Erwartungsgemäß steigt der Strom in der Spule an und über die Zenerdiode fällt keine Spannung mehr ab. Ralf, vielen vielen Dank! Gruß Stefan
Ich denke man müsste hier mal den realen Stromverlauf aufnehmen. Dazu wäre ein Shuntwiderstand und ein 2 Kanaloszi Math Funktion(Differenz) oder verstärkt (OPAMP) mit einen 1 Kanal Oszi nötig. Wenn dein Ventil mit 12V angesteuert wird und 0,5 Ohm hat, steigt der Strom erst recht gemächlich bis der Kern in der Sättigung ist danach geht es sehr schnell auf die 24A hoch. Es gibt da noch einen anderen Weg das einschalten des EV etwas zu pushen. Man legt einen fetten Kondensator direkt parallel zum EV und dem NPN dann übernimmt dieser den hohen Einschaltstrom und die dünnen Leitungen begrenzen den Strom wenn der Elko leer wird (analoge Peak an Hold Ausführung) Oder man nimmt eben gleich einen Push/Pull Lösung wie es schon genannt wurde. Entweder man bestrom das Ventil dann rückwärts oder man nimmt eine 2te Batterie um +12V, GND und -12V zu haben dann reicht einfach ein NPN und ein PNP Transistor wo das EV zwischen der Mitte der beiden Transitoren und GND hängt. Also wie ein Lautsprecher damit er in beide Richtungen ausgelenkt wird.
Stefan Heuel schrieb: > Mit einer normalen Schottkydiode habe ich Abfallzeiten von 16ms, mit der > 30V Zenerdiode sind es 1,5ms. > Die Gegenbestromung mit einer H-Brücke > sollte noch schneller sein. Aber nicht bei 12V: da sind es höchstens 24V Gegenspannung. Also weniger als die 30V Z-Diode. Schneller abschalten heißt höhere Z-Spannung. Es gibt auch FETs mit integrierter Z-Diode die ab 45 oder 70V die Spulenspannung limitieren und das Ventil schnell entmagnetisieren. z.B. VNP35N07-E von ST. Für den PWM-Betrieb braucht man dann aber trotzdem eine abschaltbare Freilaufdiode. Stefan H. schrieb: > Die Herausforderung ist nun das Magnetfeld, genauer die magnetische > Kraft auf den Kolben so schnell wie nur möglich aufzubauen, dann zu > halten und dann wieder so schnell wie möglich abzubauen. Will man zusätzlich schnell einschalten braucht man eine (geregelte) Boosterspannung (z.B. 40-80V). Damit wird auch die Einschaltzeit des Ventils unabhängig von der Batteriespannung. Der Aufwand hierfür ist allerdings relativ hoch. (3 FETs / Ventil 2 High-Side Treiber für die FETs und diverse Dioden). Wobei es auch ASICs zur Unterstützung gibt (SC900685AE / L9781). Gruß Anja
Ein entsprechender Shunt liegt schon bereit. Ich warte noch auf die richtigen Bauteile, dann baue ich mal eine Lochplatine auf und verwende zur Verdrahtung entsprechende Leiterquerschnitte. Auch kommt eine ordentliche Stromquelle zum Einsatz. 12V 60Ah Bleibatterie statt 12V 7Ah Gelakku. Das Einschalten des Ventils ist aktuell nicht meine größte Sorge. Was spricht dagegen Das Ventil in Erwartung der nächsten Einschaltung vorab ein wenig zu bestromen? ;-) Dann braucht es nur noch einen recht kleinen Schubs bis es offen ist. Die Nummer mit der Boosterschaltung behalte ich mir mal für später im Hinterkopf. Danke noch mal an alle die mir bisher so gut geholfen haben! Gruß Stefan
Die MegaSquirt Seite kennst Du? http://megasquirt.info/ Vielleicht gibt es dort ja noch die eine oder andere Inspriation. Stefan H. schrieb: > Was > spricht dagegen Das Ventil in Erwartung der nächsten Einschaltung vorab > ein wenig zu bestromen? ;-) Dann braucht es nur noch einen recht kleinen > Schubs bis es offen ist. bei 12% PWM für Haltestrom? Wieviel Zeit gewinnst Du dabei tatsächlich? Bzw. wo liegt der Strom bei dem sicher nicht eingeschaltet wird (bei Vibration). Gruß Anja
Megasquirt kenn ich im groben und ganzen. Das hat ja mittlerweile den Sprung von der DIY-Steuerung hin zu einem professionell vermarkteten Produkt geschafft. Alle Spulentreiber die ich kenne basieren entweder auf dem hier: http://www.ti.com/lit/ds/symlink/lm1949.pdf Der hat ein festes Stromverhältnis von 4:1, außerdem arbeitet er als Regler der den Strom über einen Shunt misst und nachführt. Im Linearbetrieb wird Leistung über den Transistor verbraten, im PWM-Betrieb hab ich wieder das Problem das die Zenerdiode abraucht. Die Nummer ist halt für deutlich kleinere Spulen/Ventile gemacht. Dann gibt es noch den hier: http://www.ti.com/lit/ds/slvsba8g/slvsba8g.pdf Auch hier wieder ein Stromregler. Diesmal mit einstellbarem Peak/Hold Verhältnis. Ein Kollege hat sich von dem Teil mal das Evalboard kommen lassen und versucht das große Ventil über entsprechende Shunts etc. zu steuern. Keine Chance. Außerdem wieder: Zenerdiode im PWM-Betrieb. Gruß Stefan
was hast du für eine Zener-Diode? Probier mal eine stärkere im DO-4 Gehäuse diese kannst du zur Kühlung auf einen Kupferstreifen schrauben. Ich glaube früher neben den 4:1 auch mal einen 8:1 Treiber gesehen zu haben. Der LM1949 muss ja nicht 4A/1A machen du kannst den Hold Strom auch auf 4A einstellen dann Boostet er eben mit 16A.
Hab die Schaltung gerade mal aufgebaut und muss sagen das ich begeistert bin. Es funktioniert genau so wie gewünscht. Die Zenerdiode wird nicht mal warm und im richtigen Moment -dem Abschalten- baut sie rasend schnell das Magnetfeld ab. Vielen Dank an alle die mir hier geholfen haben! Gruß Stefan
in Stichpunkten,ohne Klimmzüge Feder raus, Doppelsolonoid, einen für auf, einen für zu, 2Treiber, antagonistischer PWM Betrieb. Namaste
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