Forum: Mikrocontroller und Digitale Elektronik Dimensionierung Pufferkondensator High Side Schalter


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von Tony S. (tooony)


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Hallo in die Runde,

für die Auswahl und Dimensionierung von Pufferkondensatoren für 24V High
Side Schalter benötige ich Hilfe bzw. einige Erfahrungswerte:

In der Applikation sollen Heizelemente mittels High Side Schaltern
geschalten und gesteuert werden. Ein Heizerkanal schaltet dabei ein
Heizelement. Als High Side Schalter kommen Profets von Infineon zum
Einsatz (pro Heizerkanal ein Profet). Die Profets werden durch einen
Mikrocontroller (5V) via PWM gesteuert. Die PWM Freuqenz zur Ansteuerung
eines Profets liegt im Bereich 1..10Hz.

Geschalten werden Heizelementen mit 24V bei maximal 6A. Wie sollte ein
Pufferkondensator in der 24V Versorgung vor dem Profet ausgelegt werden
(pro Heizerkanal)? Welche Kapazität sollte der Pufferkondensator
mindestens besitzen? Was muss außerdem beachtet werden (Stichwort ESR)?
Nach welchem Ansatz / welcher Formel kann die Dimensionierung erfolgen?

Vielen Dank im Voraus für eure Hilfe und Erfahrungswerte!

Gruß,
Tony

von MaWin (Gast)


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Tony S. schrieb:
> Wie sollte ein Pufferkondensator in der 24V Versorgung vor dem Profet
> ausgelegt werden (pro Heizerkanal)?

Der Kondensator liefert den Strom im Moment des Einschaltens BEVOR das 
Netzteil auf die erhöhte Stromanforderung reagiert hat und über die ggf. 
lange Zuleitung liefern konnte.

Es geht also nur Mikrosekunden. Die Kapazitat kann also sehr klein sein, 
üblich sind 100nF, bei langem kabel und langsamem Netzteil dürfen es 
auch 10uF sein, aber zu gross heisst er wirkt schlecht am Impulsbeginn, 
also wählt man so klein wie möglich, so gross wie nötig ind kann das mit 
einem Oszilloskop überprüfen und bewerten welches Teil besser 
funktioniert.

von Tony S. (tooony)


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MaWin schrieb:
> Die Kapazitat kann also sehr klein sein,
> üblich sind 100nF, bei langem kabel und langsamem Netzteil dürfen es
> auch 10uF sein

Danke für dein Feedback! Aus dem Bauch heraus hätte ich einen 10..100nF 
Kerko direkt am VCC Pin des Profet platziert und davor noch einen 
4,7..10uF Elko. Wäre dies eine sinnvolle Kombination? Gibt es eine 
Faustformel für eine erste Näherung?

Gruß,
Tony

von Tony S. (tooony)


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Hallo in die Runde,

leider muss ich bei diesem Thema nochmal nachfragen. Aktuell habe ich an 
jedem der 4 High Side Schalter für die Heizer die folgenden 
Pufferkondensatoren (Kombination Kerko und Elko) ausprobiert:

- Kerko 10..100nF
- Elko 4,7..10uF

Leider ist mein Problem damit noch nicht gelöst. Das Problem sieht wie 
folgt aus:

Die Platine wird mit 24V (DC) von einem externen Netzteil versorgt. Auf 
der Platine gibt es dann mehrere Power Paths. Über die einzelnen Power 
Paths werden unterschiedliche Verbraucher und Interfaces versorgt, 
beispielsweise:

- Power Path 1: On Board (Schaltregler 5V, Mikrocontroller, 
Schaltkreise, etc.)
- Power Path 2: Lüfter
- Power Path 3..6: Heizer
- Power Path 7: Externes Messgerät

Das Problem bezieht sich nun auf das externe Messgerät und die Heizer. 
Das externe Messgerät wird durch die Platine mit 24V versorgt. Über 
Ethernet und eine Drittsoftware wird das Messsignal ausgelesen. Wenn 
während einer Messung die Heizer angeschalten sind, ergibt sich jedoch 
folgendes Bild:

Die Heizer werden via High Side Schaltern und mittels PWM vom 
Mikrocontroller gesteuert. Wenn die Solltemperaturen der Heizer erreicht 
sind, werden die Temperatur logischerweise nur noch gehalten. Hierbei 
ist der PWM Duty Cycle sehr gering (PWM Frequenz: 10Hz). Folglich 
schalten die High Side Schalter nur impulsartig die Heizer. In diesem 
Szenario ist das Messsignal des externen Messgeräts sehr deutlich mit 
einem Störsignal behaftet (extremes Rauschen). Wenn die Heizer noch 
hochlaufen und die High Side Schalter mit einer PWM Duty Cycle von ca. 
>10% arbeiten, tritt das Problem nicht auf - nur wenn die Temperaturen 
gehalten werden.

Im Gegentest habe ich das externe Messgerät mit einem separatem Netzteil 
betrieben. Hierbei tritt das Problem nicht auf.

Jeder Power Path ist mit einem Verpolungsschutz via P-Mosfet beschalten. 
Im Anhang ist der Power Path für einen Heizer abgebildet, sowie dessen 
High Side Schalter.

Die aktuell verwendeten Pufferkondensatoren haben leider keine 
Verbesserung ergeben. Wie könnte die Spannungsversorgung des Systems 
konzipiert werden, um dieses Problem zu beseitigen? Eine Vermutung ist 
aktuell, dass sich die Verbraucher im Gesamtsystem ebenfalls an den 
Pufferkondensatoren bedienen (während des Schaltmoments der Heizer). 
Wäre eine Ideale Diode in jedem power Path ein möglicher Ansatz?

Vielen Dank für eure Mühe und Erfahrungswerte!

von Falk B. (falk)


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Tony S. schrieb:

> - Kerko 10..100nF

10nF sind Unsinn, 100nF ggf. OK.

> - Elko 4,7..10uF

Geht so.

> Die Heizer werden via High Side Schaltern und mittels PWM vom
> Mikrocontroller gesteuert. Wenn die Solltemperaturen der Heizer erreicht
> sind, werden die Temperatur logischerweise nur noch gehalten. Hierbei
> ist der PWM Duty Cycle sehr gering (PWM Frequenz: 10Hz).

Wie gering? 1%? 1Promille? Solche Smart Switches können nicht sehr kurze 
Pulse schalten, da gibt es eine Mindestpulsbreite. Wenn man die 
unterscheitet schaltet der Schalter entweder gar nicht oder es passieren 
komische Dinge.

> Folglich
> schalten die High Side Schalter nur impulsartig die Heizer.

Das schalten sie auch bei größeren Tastverhältnissen.

> In diesem
> Szenario ist das Messsignal des externen Messgeräts sehr deutlich mit
> einem Störsignal behaftet (extremes Rauschen).

Wie sieht denn das Signal nominal aus? Welche Spannung?

> Wenn die Heizer noch
> hochlaufen und die High Side Schalter mit einer PWM Duty Cycle von ca.
>>10% arbeiten, tritt das Problem nicht auf - nur wenn die Temperaturen
> gehalten werden.

Oder du siehst es nicht.

> Im Gegentest habe ich das externe Messgerät mit einem separatem Netzteil
> betrieben. Hierbei tritt das Problem nicht auf.

Hmm.

> Jeder Power Path ist mit einem Verpolungsschutz via P-Mosfet beschalten.
> Im Anhang ist der Power Path für einen Heizer abgebildet, sowie dessen
> High Side Schalter.
>
> Die aktuell verwendeten Pufferkondensatoren haben leider keine
> Verbesserung ergeben. Wie könnte die Spannungsversorgung des Systems
> konzipiert werden, um dieses Problem zu beseitigen?

Dazu muss man erstmal herausfinden, wie das Problem entsteht. Wenn dein 
Meßgerät mit externem Netzteil keine Störungen hat, kann es schon sein, 
daß über die Versorgung Störungen im Meßgerät erzeugt werden. Dabei 
stellt sich dann die Frage, ob deine Leistungsstufen zuviele Störungen 
erzeugen oder ob dein Meßgerät zu empfindlich ist. Oder ob es ein 
Problem mit der Masseführung gibt, da kann man auch viel falsch machen.

Über welche geschalteten Ströme für deine Heizer reden wir denn hier?

> Eine Vermutung ist
> aktuell, dass sich die Verbraucher im Gesamtsystem ebenfalls an den
> Pufferkondensatoren bedienen (während des Schaltmoments der Heizer).

Sicher. Aber deine "Puffer" sind bei der Größe bestenfalls für 
Mikrosekunden gut, der Rest muss vom Netzteil kommen. Das kann ein 
Problem bei der Masseverteilung werden.

> Wäre eine Ideale Diode in jedem power Path ein möglicher Ansatz?

Nein.

Zeig mal ein Bild deines Aufbaus bzw. eine Skizze. Vor allem in Bezug 
auf die PHYSIKALISCHE Verkabelung deines Aufbaus.

von Falk B. (falk)


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Ok, deine Heizer ziehen 6A. Naja, das ist schon was.

von Tony S. (tooony)


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Danke für deine Rückmeldung. Ich geh im Folgenden auf deine Anmerkunegn 
ein.

Falk B. schrieb:
>> - Kerko 10..100nF
>
> 10nF sind Unsinn, 100nF ggf. OK.
>
>> - Elko 4,7..10uF
>
> Geht so.

Wie groß würdest du die Pufferkondensatoren für einen High Side Schalter 
mit einer Last von bis zu 6A bei 24V dimensionieren? Gibt es eine 
Faustformel zur Abschätzung?

Falk B. schrieb:
> Wie gering? 1%? 1Promille? Solche Smart Switches können nicht sehr kurze
> Pulse schalten, da gibt es eine Mindestpulsbreite. Wenn man die
> unterscheitet schaltet der Schalter entweder gar nicht oder es passieren
> komische Dinge.

Die PWM arbeitet mit 10 Hz. Die theoretisch kleinste Impulsdauer beträgt 
ca. 0,4µs. Die PWM wird im Controller via Timer mit 255 Schritten 
verarbeitet. Ein Schritt ist demnach bei einer 10 Hz PWM knapp 0,4ms 
wenn ich mich jetzt nicht verrechnet habe.

Einen minimalen Duty Cycle festzulegen wäre sicherlich sinnvoll, aber 
der wird nicht das Problem lösen, da der Schaltimpuls ja so oder so da 
ist.

Falk B. schrieb:
> Wie sieht denn das Signal nominal aus? Welche Spannung?

Bei dem externen Messgerät handelt es sich um ein Massenspektrometer. 
Dieses bekommt von der Platine via Terminal Block nur 24V. Ein PC mit 
Drittsoftware greift via Ethernet auf das Messgerät zu und zeigt das 
Signal. Hierbei handelt es sich um ein Spektrum. Normalerweise ist 
dieses Spektrum scharf. Wenn die Heizer die Temperatur nur noch halten, 
ist der spektrale Verlauf gleichermaßen erkennbar, aber die Kurve ist 
total verrauscht. Nach meinem Wissen arbeitet die Elektronik des 
externen Messgeräts mit sensiblen ADCs usw. Wenn die Heizer aus sind 
bzw. noch die Temperatur anfahren, ist das Signal in der Drittsoftware 
ebenfalls scharf.

Falk B. schrieb:
> Dazu muss man erstmal herausfinden, wie das Problem entsteht. Wenn dein
> Meßgerät mit externem Netzteil keine Störungen hat, kann es schon sein,
> daß über die Versorgung Störungen im Meßgerät erzeugt werden. Dabei
> stellt sich dann die Frage, ob deine Leistungsstufen zuviele Störungen
> erzeugen oder ob dein Meßgerät zu empfindlich ist. Oder ob es ein
> Problem mit der Masseführung gibt, da kann man auch viel falsch machen.
>
> Über welche geschalteten Ströme für deine Heizer reden wir denn hier?

Die 24V vom externen Netzteil werden via Terminal Block auf die Platine 
gebracht. Dort verteilt es sich dann über die einzelnen Power Paths zu 
den Verbrauchern. Im Falle des externen Messgeräts geht die Versorgung 
über einen Verpolungsschutz via Mosfet und dann direkt wieder zu einem 
Terminal Block. Das Kabel zur Stromversorgung des externen Messgeräts 
istca. 0,5m lang. Verkabelt sind 24V und GND.

Falk B. schrieb:
> Sicher. Aber deine "Puffer" sind bei der Größe bestenfalls für
> Mikrosekunden gut, der Rest muss vom Netzteil kommen. Das kann ein
> Problem bei der Masseverteilung werden.

Wie groß sollten in meinem Fall die Puffer für jeden Heizer gewählt 
werden? Für die externen Verbraucher, wie bspw. das externe Messgerät 
oder die Lüfter, werden in den Power Paths aktuell keine Elkos genutzt. 
Könnte dies das Problem (mit)verursachen?

Anbei habe ich ein Blockschaltbild angehangen, welches die 
Stromversorgung des Systems bzw. der Platine zeigen. Die Kabellängen 
sind alle unter einem Meter. Andere externe Sensoren usw. habe ich nur 
angedeutet. Diese kann ich auch ausschließen, da diese bei der 
systematischen Fehlerursache (mit oder ohne Sensor) keine Änderung 
hervorgerufen haben.

Vielen Dank für eure Mühe!

: Bearbeitet durch User
von Falk B. (falk)


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Tony S. schrieb:

> Wie groß würdest du die Pufferkondensatoren für einen High Side Schalter
> mit einer Last von bis zu 6A bei 24V dimensionieren? Gibt es eine
> Faustformel zur Abschätzung?

Nicht direkt, denn es geht hier ja nicht um einen Pufferkondensator für 
ein 50Hz Netzteil mit Trafo und Gleichrichter. Dort kann man das relativ 
einfach berechnen. Hier aber nicht, denn es geht um ein Puffern 
höherfrequenter Ströme. Das wird deutlich aufwändiger. Meistens packt 
man das in eine Simulation oder mißt es im realen Aufbau nach. Letzteres 
ist die einfache Variante.

> Die PWM arbeitet mit 10 Hz. Die theoretisch kleinste Impulsdauer beträgt
> ca. 0,4µs.

Autsch! Wozu glaubst du, diese 0,4us = 400ns zu brauchen?

> Die PWM wird im Controller via Timer mit 255 Schritten
> verarbeitet. Ein Schritt ist demnach bei einer 10 Hz PWM knapp 0,4ms
> wenn ich mich jetzt nicht verrechnet habe.

Ja was denn nun? 0,4us (MIKROsekunden) oder 0,4ms (Millisekunden)
Eher letzteres. Aber auch das ist für die einige Smart Switches arg 
kurz, dort liegt die minimale Pulsbreite meist im Bereich 1ms und höher.
Was sagt das Datenblatt?

 > Einen minimalen Duty Cycle festzulegen wäre sicherlich sinnvoll, aber
> der wird nicht das Problem lösen, da der Schaltimpuls ja so oder so da
> ist.

Kann sein, muss nicht.

> externen Messgeräts mit sensiblen ADCs usw.

Sicher.

> Wenn die Heizer aus sind
> bzw. noch die Temperatur anfahren, ist das Signal in der Drittsoftware
> ebenfalls scharf.

OK.

>> Über welche geschalteten Ströme für deine Heizer reden wir denn hier?
>
> Die 24V vom externen Netzteil werden via Terminal Block auf die Platine
> gebracht. Dort verteilt es sich dann über die einzelnen Power Paths zu
> den Verbrauchern. Im Falle des externen Messgeräts geht die Versorgung
> über einen Verpolungsschutz via Mosfet und dann direkt wieder zu einem
> Terminal Block. Das Kabel zur Stromversorgung des externen Messgeräts
> istca. 0,5m lang. Verkabelt sind 24V und GND.

Hmm, naja, wenn deine Heizer alle in Betrieb sind und synchron schalten, 
sind das 4x6A=24A. Da rappelt schon was. Eine Möglichkeit ist, daß diese 
24A Pulsstrom, auch bei kleinen und kleinsten Pulsbreiten, auf der 
Masseleitung zwischen Netzteil und deiner Platine einen Spannungsabfall 
erzeugen (galvanische Kopplung). Diese Störspannung mag dein Meßgerät 
nicht und fängt an zu rauschen, eben weil das Massepotential rauscht.

Dagegen gibt es mehrere Mittel.

1.) Getrenntes Netzteil für dein Meßgerät, das ist immer eine gute Idee, 
getrennte Versorgung für "dreckige" Leistungsstufen und "empfindliche", 
analoge Meßschaltung.

2.) Getrennte Masseleitung direkt vom Netzteil zum Meßgerät ohne Umweg 
über deine Platine, ebenso mit +24V

3.) Große Pufferkondensatoren für +24V direkt am Smart Switch, so in der 
Größenordnung von 1000-4700uF.

4.) Phasenverschiebung in den PWMs, d.h. die Einschaltflanke der vier 
PWMs wird um je 90 Grad verschoben. Liegen die Einschaltflanken nicht 
mehr zeitlich übereinander.

> Wie groß sollten in meinem Fall die Puffer für jeden Heizer gewählt
> werden? Für die externen Verbraucher, wie bspw. das externe Messgerät
> oder die Lüfter, werden in den Power Paths aktuell keine Elkos genutzt.
> Könnte dies das Problem (mit)verursachen?

Ja.

Welche Maßnahme am Ende den Erfolg bringt, muss man testen.

von Solmar (Gast)


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Tony S. schrieb:

> Anbei habe ich ein Blockschaltbild angehangen, welches die
> Stromversorgung des Systems bzw. der Platine zeigen. Die Kabellängen
> sind alle unter einem Meter. Andere externe Sensoren usw. habe ich nur
> angedeutet. Diese kann ich auch ausschließen, da diese bei der
> systematischen Fehlerursache (mit oder ohne Sensor) keine Änderung
> hervorgerufen haben.

Stellen deine Power Paths im Blockschaltbild die +24V und zugehörige GND 
Verbindungen dar, oder nur die +24 Volt? D.h. sind die GND Leitungen der 
einzelnen Pfade ab Einspeisepunkt auf der Platine getrennt geführt?

So ganz klar ist das für mich aus deinem Blockschaltbild und deinen 
Erklärungen nicht hervorgegangen.

von Tony S. (tooony)


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Falk B. schrieb:
> Ja was denn nun? 0,4us (MIKROsekunden) oder 0,4ms (Millisekunden)
> Eher letzteres. Aber auch das ist für die einige Smart Switches arg
> kurz, dort liegt die minimale Pulsbreite meist im Bereich 1ms und höher.
> Was sagt das Datenblatt?

Sorry, da habe ich mich vertippt. Die Heizer PWMs laufen mit jeweils 
10Hz. 10Hz -> 100ms; PWM Schritte im Mikrocontroller: 256 (0..255); 1 
Schritt bzw. kleinstes Tastverhältnis ist 100ms/256 = 0,39ms.

Falk B. schrieb:
> Hmm, naja, wenn deine Heizer alle in Betrieb sind und synchron schalten,
> sind das 4x6A=24A. Da rappelt schon was.

Falk B. schrieb:
> 4.) Phasenverschiebung in den PWMs, d.h. die Einschaltflanke der vier
> PWMs wird um je 90 Grad verschoben. Liegen die Einschaltflanken nicht
> mehr zeitlich übereinander.

Da hast du recht! An jedem Heizerkanal sind andere Heizelemente dran. 
Einmal ein Heizschlauch, einmal eine Heizmatte, usw. Alle haben andere 
Eigenschaften bzw. alle sind unterschiedlich schnell. Deshalb sind im 
Anheizszenario alle PWMs bezüglich des Tastverhältnisses unterschiedlich 
(zumindest die meiste Zeit). Nur wenn alle Heizer Temperatur haben und 
folglich alle PWMs ein ähnlich kurzes Tastverhältnis haben, werden alle 
Heizer synchron geschalten und die 4 mal 6A kommen zusammen. Die 90 Grad 
Phasenverschiebung im Haltemoment ist eine gute Idee!

Falk B. schrieb:
> 3.) Große Pufferkondensatoren für +24V direkt am Smart Switch, so in der
> Größenordnung von 1000-4700uF.

Eine Frage dazu bzw. allgemeiner Natur im Zusammenhang mit der Antwort 
von MaWin:

MaWin schrieb:
> Es geht also nur Mikrosekunden. Die Kapazitat kann also sehr klein sein,
> üblich sind 100nF, bei langem kabel und langsamem Netzteil dürfen es
> auch 10uF sein, aber zu gross heisst er wirkt schlecht am Impulsbeginn,
> also wählt man so klein wie möglich, so gross wie nötig

MaWin hatte vorgeschlagen, die Kondensatoren so klein wie möglich zu 
wählen. Vor welchem Hintergrund wären größere Kondensatoren am 
Impulsbeginn hinderlich?

Solmar schrieb:
> Stellen deine Power Paths im Blockschaltbild die +24V und zugehörige GND
> Verbindungen dar, oder nur die +24 Volt? D.h. sind die GND Leitungen der
> einzelnen Pfade ab Einspeisepunkt auf der Platine getrennt geführt?
>
> So ganz klar ist das für mich aus deinem Blockschaltbild und deinen
> Erklärungen nicht hervorgegangen.

Im Blockschaltbild stellen die Pfeile nur schematisch die 24V dar. Das 
Board verfügt aktuell über eine komplette Massefläche.

: Bearbeitet durch User
von HildeK (Gast)


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Wenn ich das so lese, dann käme mir nicht der Gedanke, dass 100nF oder 
ein paar µF das Problem lösen können. Vielleicht noch im Zusammenhang 
mit einer Spule als LC-Filter, die den schnellen Stromanstieg reduziert 
...

Zudem verstehe ich nicht, wieso so kurze Schaltzeiten notwendig sind. 
Der im Schaltbild genannte ProFet hat 500µs max. Turn on und Turn off 
Zeiten. Wird also schwierig mit 400µs-Impulsen.
Muss das Heizelement tatsächlich mit 10Hz PWM betrieben werden? 
Heizungen sind eher träge, auch 1Hz ist noch immer schnell. Dann wäre 
die kürzeste ED 4ms. Eine Heizung, die bis zu knapp 150W ausgelegt ist, 
wird kaum einen Gegenstand im Gramm-Bereich heizen müssen.

Falk B. schrieb:
> 3.) Große Pufferkondensatoren für +24V direkt am Smart Switch, so in der
> Größenordnung von 1000-4700uF.

Wenn das Messgerät auf die geschalteten Ströme reagiert, dann sollte man 
doch das Puffern. Verpolschutz ist ja drin, danach ein fettes C, das den 
Einbruch für das Messgerät beim Schalten der Lasten abfängt. Denn das 
ist es wohl, was es braucht; der Test mit extra Netzgerät zeigte das ja. 
Und natürlich die Versorgungsleitungen für das Messgerät so gut wie 
möglich trennen von dem Leistungsteil, um Einkopplungen zu verringern.

Tony S. schrieb:
> Wäre eine Ideale Diode in jedem power Path ein möglicher Ansatz?

Dein Schaltbild zeigt doch einen Block Verpolschutz, das ist doch im 
einfachsten Fall eine Diode? Ist die jetzt drin oder nicht?
Ja, für das Messgerät wäre das notwendig, siehe oben.

von Tony S. (tooony)


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HildeK schrieb:
> Zudem verstehe ich nicht, wieso so kurze Schaltzeiten notwendig sind.
> Der im Schaltbild genannte ProFet hat 500µs max. Turn on und Turn off
> Zeiten. Wird also schwierig mit 400µs-Impulsen.
> Muss das Heizelement tatsächlich mit 10Hz PWM betrieben werden?
> Heizungen sind eher träge, auch 1Hz ist noch immer schnell. Dann wäre
> die kürzeste ED 4ms. Eine Heizung, die bis zu knapp 150W ausgelegt ist,
> wird kaum einen Gegenstand im Gramm-Bereich heizen müssen.

Ja da hast du recht, die Frequenz werde ich herunter nehmen. Im Grunde 
werden in dieser Applikation Metallblöcke bzw. Räume beheizt. Hierbei 
ist die Genauigkeit der Regelung nicht herausfordernd.

HildeK schrieb:
> Dein Schaltbild zeigt doch einen Block Verpolschutz, das ist doch im
> einfachsten Fall eine Diode? Ist die jetzt drin oder nicht?

In einem Beitrag weiter oben habe ich den Schaltungsausschnitt eines 
Power Paths für einen Heizer gezeigt. Dort ist ein einfacher 
Verpolungsschutz via P-Mosfet drin. Genau dieser Verpolungsschutz 
befindet sich in jedem anderen Power Path auch, sprich auch vor dem 
externen Messgerät. Dann wäre es ja so, dass man im Power Path des 
externen Messgeräts eine ideale Diode einsetzen sollte und danach einen 
dicken Elko (680..1000uF?), damit der Strom nicht in die allgemeine 24V 
Versorgung zurückfließt, wenn diese immer kurz einsackt durch die 
Heizer?

HildeK schrieb:
> Wenn ich das so lese, dann käme mir nicht der Gedanke, dass 100nF oder
> ein paar µF das Problem lösen können. Vielleicht noch im Zusammenhang
> mit einer Spule als LC-Filter, die den schnellen Stromanstieg reduziert
> ...

Den LC-Filter vor die Heizer nehme ich an? In welcher Dimension würdest 
du den LC-Filter ansetzen?

von 2aggressive (Gast)


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Tony S. schrieb:
> damit der Strom nicht in die allgemeine 24V
> Versorgung zurückfließt, wenn diese immer kurz einsackt
Auch ich rieche ein (das) Problem eher im Spannungsabfall auf deinen 
GND-Leitungen. Das könntest du ja in der Kaltstartphase (PWM100%) mal 
mit einem DMM direkt nachmessen.
Falls dem so sei: da helfen keine Elkos, sondern nur ein anders, 
gezieltes Layout und überlegte Strippenführung.
Oder einfach:
Ein für deinen Messkreis dediziertes NT löste doch dein Problem bereits, 
womöglich solltest du das als Dauerlösung beibehalten.

Am Thema vorbei, aber auffällig: das sind recht viele 
Verpolschutzschaltungsblöcke, dort könntest du womöglich auf einen 
einzigen (dann halt dickeren) abspecken.

von HildeK (Gast)


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Tony S. schrieb:
> . Genau dieser Verpolungsschutz befindet sich in jedem anderen Power
> Path auch, sprich auch vor dem externen Messgerät. Dann wäre es ja so,
> dass man im Power Path des externen Messgeräts eine ideale Diode
> einsetzen sollte und danach einen dicken Elko (680..1000uF?), damit der
> Strom nicht in die allgemeine 24V Versorgung zurückfließt, wenn diese
> immer kurz einsackt durch die Heizer?

Im Prinzip meinte ich das, aber die 'ideale' Diode ist hier nicht 
brauchbar. Die verhindert nämlich nur die Verpolung, aber keinen 
Rückfluss des Stromes, solange sich nur ein Spannungseinbruch ereignet, 
der Wert aber weiterhin positiv bleibt!
Geht denn da keine normale Si- oder Schottkydiode? Braucht das Messgerät 
so viel Strom, dass das eine Rolle spielt oder ist es auf genau 24.0V 
angewiesen? An den Heizkreisen kannst du ja zur Vermeidung von größeren 
Verlusten die 'ideale' Variante lassen.

Wie 'dick' der Elko sein muss, hängt davon ab, wie viel Stromm das 
Messgerät benötigt und wie viel Spannungseinbruch es verkraftet.

Schließe auch die Versorgung des Messgerätes möglichst direkt an die 
24V-Quelle an, so dass sich die Lastströme von den 24V- und 
GND-Leitungen nicht auf den selben Leitungen wie die des Messgerätes 
fließen.

Ein paar mehr Infos über das Messgerät wären schon nützlich ...

von HildeK (Gast)


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Tony S. schrieb:
> Den LC-Filter vor die Heizer nehme ich an? In welcher Dimension würdest
> du den LC-Filter ansetzen?

Zu spät gesehen.
Ja, in die Heizleitung. Eine Dimensionierung kann ich dir nicht geben, 
man wird viel Induktivität brauchen und das bei dem Strom - die Spulen 
werden groß ...
Ich würde mal mit 100μH / 1000μF anfangen, vorher jedoch die o.g. 
Vorschläge testen.

von Alex D. (daum)


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Tony S. schrieb:
> Im Blockschaltbild stellen die Pfeile nur schematisch die 24V dar. Das
> Board verfügt aktuell über eine komplette Massefläche.

Eine Massefläche für alle Verbraucher gemeinsam ist in diesem Fall auch 
nicht optimal, dadurch können deine Heizelemente das Messgerät stören.
Es wäre besser, wenn das Messgerät eine eigene Masseleitung bekommt, die 
nur direkt am Anschluss deines Netzteils mit den restlichen 
Masseleitungen verbunden wird.

von Tony S. (tooony)


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Hallo in die Runde,

zunächst nochmal vielen Dank für zahlreichen Hinweise und 
Hilfestellungen.

Hier ein Update zu diesem Problem:
Nachdem eine experimentelle Versuchsreihe mit verschiedenen Elkos - 
konkret 1000uF, 2200uF und 4700uF pro Heizer; 1000uF vor dem Messgrät; 
Verbindung der Masse nur direkt am externen Netzteil - zunächst keine 
Verbesserung gebracht hatte, ist leider aufgefallen, dass die Heizer 
nicht mit den angenommenen 1..10Hz laufen, sodern mit 15Hz.

Demnach wurden die High-Side-Schalter der Heizer mit 15Hz PWM viel zu 
schnell geschalten. Bei der 15Hz PWM sind die Impulsbreiten bei einem 
Duty Cycle unter ca. 35% kürzer als die Ton/Toff Zeit des 
High-Side-Schalters.

Eine Anpassung der Heizerfrequenz auf 1Hz (genügt bei trägern Heizern 
vollkommen) hat das Problem so gut wie gelöst. Mit der 1Hz PWM und 
zusätzlichen Elkos vor jedem High-Side-Schalter von 1000uF...2200uF und 
1000uF vor dem Messgerät ist die Messung im Messgerät jetzt genauso, wie 
wenn man dieses standalone betreibt mit einem separatem Netzteil.

Einige weiterführende Fragen im Zusammenhang mit dieser Thematik sind 
mir jedoch noch begegnet:

Jeder Power Path läuft wie bereits beschrieben über eine 
Eingangsbeschaltung bestehend aus Sicherung, TVS und 
Mosfet-Verpolungsschutz. Ist die Reihenfolge von Sicherung, TVS und 
Mosfet an dieser Stelle sinnvoll gewählt?

Hintergrund: Würde man verschiedene Komponenten bezüglich der Power 
Paths nun zusammenlegen (vorher getrennte Power Paths), dann würde der 
Power Path über den Mosfet-Verpolungsschutz laufen und die Sicherungen 
kommen erst nach dem Mosfet vor den einzelnen Komponenten. Alternativ 
wäre eine größere Sicherung vor dem Mosfet, die den gesamten Power Path 
absichert, aber ohne Einzelabsicherung vor den Komponenten. Was sind 
eure Erfahrungswerte hierzu bzw. was ist in der Praxis üblich?

Vielen Dank für eure Hilfe!

: Bearbeitet durch User
von Tony S. (tooony)


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2aggressive schrieb:
> Am Thema vorbei, aber auffällig: das sind recht viele
> Verpolschutzschaltungsblöcke, dort könntest du womöglich auf einen
> einzigen (dann halt dickeren) abspecken.

Um dies nochmal aufzugreifen: Ein Zusammenfassen auf einen bzw. einige 
wenige Verpolungs-FETs und damit eine Zusammenlegung von Power Paths 
fasse ich gerade ins Auge. Jedoch steh ich vor folgendem Problem 
(angelehnt an meinen vorherigen Beitrag):

Die Platine stellt Spannungsversorgung und Interfaces bereit für eine 
Hand voll externer Komponenten. Jede Komponente ist aktuell jeweils über 
solch einen Power Path beschalten, bestehend aus

Konnektor externes Netzteil -> Eingangsspannung -> Sicherung -> TVS -> 
FET -> Konnektor/on Board Verbraucher

Lege ich nun externe Verbraucher zusammen und versorge diese über einen 
gemeinsamen Power Path, muss die Sicherung vor dem FET entsprechend 
größer werden. War meine bisherige Herangehensweise zu übervorsichtig 
gedacht? Was sind eure Praxiserfahren hierzu? Wie wird das 
beispielsweise bei PC Mainboards gemacht? Hat dort jeder Lüfter-Port / 
jede Lüfter-Port-Gruppe usw. eine separate Polyfuse?

: Bearbeitet durch User
von 2aggressive (Gast)


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Tony S. schrieb:
> Lege ich nun externe Verbraucher zusammen und versorge diese über einen
> gemeinsamen Power Path, muss die Sicherung vor dem FET entsprechend
> größer werden.
Und der Drahtquerschnitt auch, bei deinen Strömen eigentlich kein 
Problem.

Tony S. schrieb:
> Wie wird das beispielsweise bei PC Mainboards gemacht?
PC-Netzteilseitig: Da alle Leistungssteckverbinder mechanisch 
verdrehsicher ausgelegt sind kann auf Verpolschutz verzichtet werden. 
Gute Netzteile schalten sich bei Überlast/Überstrom einfach ab.

Fallstrick Überstrom und Drahtquerschnitt bei "single 12 V power rail", 
Zitat aus Wikipedia:"
...mit weiteren Wicklungen für die 12-V-Schienen und stärkeren 
Schalttransistoren. Als Schaltnetzteil sind sie technisch wie 
Siamesische Zwillinge verschaltet, um die Bauteilkosten zu begrenzen 
sowie bei identischen Kabelquerschnitten Kurzschlussfestigkeit zu 
gewähren. Netzteile mit zwei Hauptübertragern sind ebenfalls hergestellt 
worden. Die verschiedenen Ausgänge für 12 V sind mit 12V1, 12V2, 12V3, 
12V4, definiert nach EPS-Spezifikation gekennzeichnet.[10] Im oberen 
Leistungssegment gibt es Netzteile mit einer einzigen 12-V-Schiene, die 
bei manchen Modellen über 100 A liefern kann. Das ermöglicht bei 
gleicher Leistung eine höhere Flexibilität, da beim Anschließen der 
Komponenten nicht auf die richtige Lastverteilung zwischen den einzelnen 
12-V-Schienen geachtet werden muss. Dieses Feature wird als single 12 V 
power rail beworben."
https://de.wikipedia.org/wiki/PC-Netzteil

> Hat dort jeder Lüfter-Port /
> jede Lüfter-Port-Gruppe usw. eine separate Polyfuse?
Das kommt aufs Mainboard (hier vergleichbar mit deiner Konstruktion) an, 
malerweise sind zB alle USB-Anschlüsse einzeln (oder in kleinen Gruppen) 
gegen Überstrom abgesichert, beim Kurzschluss im Mauskabel darf deren 
dünne Strippe nicht abfackeln.

In deinem Fall solltest du also auch auf der Ausgangsseite passend 
schwache Sicherungen (ggf sogar Temperatursicherungen -Modell 
Kaffeemaschine-) vorsehen, jede einzelne Heizung (mit entsprechend zu 
derem Nennstrom passenden Querschnitt verdrahtet) könnte ja Schadhaft 
werden. Du schriebst etwas von verschiedenen Räumen: leicht vorstellbar 
ist ja auch ein in die Wand gekloppter Nagel, also Leitungskurzschluss.

von Tony S. (tooony)


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2aggressive schrieb:
> In deinem Fall solltest du also auch auf der Ausgangsseite passend
> schwache Sicherungen (ggf sogar Temperatursicherungen -Modell
> Kaffeemaschine-) vorsehen, jede einzelne Heizung (mit entsprechend zu
> derem Nennstrom passenden Querschnitt verdrahtet) könnte ja Schadhaft
> werden. Du schriebst etwas von verschiedenen Räumen: leicht vorstellbar
> ist ja auch ein in die Wand gekloppter Nagel, also Leitungskurzschluss.

Danke für deinen Hinweis. So habe ich es jetzt auch umgesetzt: Dicke 
Sicherung (Polyfuse) mit TVS und Eingangskerko, Verpolungsschutz und 
dann die Unterverteilung mit schwachen Sicherungen. Wobei die 
Dimensionierung so ausgelegt ist, dass die Schwache Sicherung (ebenfalls 
Polyfuse) hinsichtlich Haltestrom und Auslösestrom deutlich geringer 
ist, als der maximale Haltestrom der dicken Sicherung.

Falk B. schrieb:
> 2.) Getrennte Masseleitung direkt vom Netzteil zum Meßgerät ohne Umweg
> über deine Platine, ebenso mit +24V

Bei meinen Tests habe ich herausgefunden, dass Pufferkondensatoren in 
der Region 4000..4700uF das gewünschte Ergebnis liefern. Hierbei würde 
ich nun pro High-Side-Schalter 2..3 Elkos (Nennspannung 35V für 24V 
Systemspannung) vorschalten. Ist es hierbei sinnvoller mehrere Elkos 
parallel zu schalten oder besser einen dicken Elko? Muss der Elko aus 
eurer Erfahrung heraus LowESR sein, damit der Strom schnell rein und 
raus geht? Da die Elkos in dieser Applikation etwas dicker sind, sollten 
auf Grund der mechanischen Stabilität besser THT Modelle genutzt werden?

Wird bei dieser Elko-Größenordnung eine Entladeschaltung notwendig?

Vielen Dank für eure Erfahrungswerte!

: Bearbeitet durch User
von Tony S. (tooony)


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Hallo in die Runde,

für die Umsetzung der Leistungsschalter für die 4 Heizer, sieht das 
aktuelle Konzept pro Kanal wie folgt aus:

Eingangsspannung -> Polyfuse, TVS -> Verpolungsschutz mit P-Mosfet -> 
2x2200µF Elkos -> High Side Schalter BTS6133D

Bei ersten Versuchen zeigt sich durch die Elkos ein großer 
Einschaltstrom. Welche einfachen Möglichkeiten gibt es, um diesen zu 
verringen? Aktuell denke ich daran, nochmal einen BTS6133D vor die ELkos 
zu schalten (pro Kanal), um ein gewisses Power Sequencing zu erreichen 
und den Einschaltstrom zu vierteln. Eine NTC-Lösung habe ich mir 
ebenfalls angeschaut. Jedoch fehlen mir hierzu die Erfahrungswerte bzw. 
die Einschätzung, inwieweit ein NTC-Lösung in dieser Leistungsdimension 
zu dimensionieren ist.

Vielen Dank für eure Hilfe!

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