Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik (Black) Magic bei Reed-Relay Schaltung


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von Klaus (Gast)


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Hallo alle, das hier ist ein follow-up post zu meinem letzten hier 
(Beitrag "Reed-Relays 'verklebt': Lastproblem?") - 
allerdings mit updates, die meiner Meinung nach einen neuen thread 
(titel) verdient haben.

Ich habe eine Schaltung aufgebaut, deren Kernelemente ich im angehängten 
Bild zusammengefasst habe. In kurz: der einzige Zweck der Schaltung ist 
es, die +5V line einer USB verbindung physisch zu kappen, durch eine 
einfache NPN-Transistor + Reed Relay Schaltung. Das geschieht aus 
Sicherheitsgründen (um andere Teile der Schaltung vor einem failure zu 
bewahren. Das ist hier irrelevant, aber ich erwähne es nur um Fragen zur 
Sinnhaftigkeit zuvor zukommen).

Außerdem in der Schaltung befindet sich ein medizinscher USB Isolator, 
der PC+Schaltung von einem Gerät isoliert, mit dem der Nutzer direkt 
interagiert.

Als Reed Relais habe ich das hier verwendet (kann bis 1,25A 
DC):https://docs.rs-online.com/d68b/0900766b81580421.pdf

In meinem vorherigen thread (siehe link oben) hatte ich angenommen, dass 
das relais 'verklebt', da es nach dem Einschalten an blieb (die USB 
supply leitung also nicht geöffnet wurde, wenn der Transistor den 
Reedstrom abgestellt hat - durch leichtes Klopfen auf das Relais sich 
dies allerdings lösen lies.

Nun zur schwarzen Magie:

In dem Versuch das ganze besser zu verstehen, habe ich heute einige 
Messungen durchgeführt. Siehe auch Bild.

1) Der Strom durch den Transistor/Reedschalter ist 10mA wenn 
durchgeschaltet (Logisch High an Messpunkt (3) ).
2) Wenn abgeschaltet (Logisch Low an Messpunkt (3) ), ist der Strom 
durch den Transistor <1mA (Auflösung des Fluke Multimeters).
3) Wenn das Relay durschaltet, fließen durch die USB +5V power line 
220mA zum device.
4) Ich habe mit Oszi diverse Teststellen vermessen. Es waren keine 
Spannungs/Strompeak an der USB 5V line messbar die das Relais verkleben 
lassen würden.
5) Trotzdem auch mit einer 1N5908 stabilisiert (macht keinen 
Unterschied).
Weitere nennenswerte Punkte
6) Die +5V am Reed-Schalter sind NICHT die +5V vom USB, sondern aus 
einem Power supply auf eigenem GND (gleiche masse wie der Transistor)
7) Das USB GND ist getrennt vom GND der Schaltung - der USB Isolator 
trennt weiterhin die USB Grounds zwischen Eingangs- und Ausgangsseite.
8)Der Potentialunterschied zwischen beiden GNDs liegt bei ~ 40mW 
(gemessen DC)


Das Relay schaltet wie es soll ein, bloß nicht ab - SELBST WENN 
MESSLEITUNG (1) PHYSISCH UNTERBROCHEN WIRD. Aus diesem Grund dachte ich 
an verkleben durch ein Problem mit der Last/dem Schaltstrom.

Nun zur schwarzen Magie:

A) !! Wenn ich mit dem Multimeter den USB strom (Messpunkt (2)) messe, 
also das Multimeter mitsamt Leitungen in (2) einfüge, dann macht das 
Relay wie es auch soll auf bei Low an der base des Transistors. !!

B) Identischer Aufbau ohne Multimeter zum strom messen in (2): Der 
Reed-Schalter bleibt zu, egal ob TBase ein L oder H sieht (bleibt nach 
dem ersten H zu).

C) Wenn kein Multimeter in (2) den Strom misst, und der Reed-Schalter 
auch bei TBase = L zu bleibt, öffnet er
C1) wenn ich dann auf das Relais klopfe
C2) wenn ich den PC seitig den USB Stecker herausziehe und wieder 
einstecke (wohlgemerkt: nicht beim rausziehen, sondern erst wieder beim 
reinstecken).

Ich bin ratlos. Vorallem, weil das ein strom messendes Multimeter den 
Unterschied zu machen scheint, und zwar reproduzierbar. Woran kann das 
liegen? Die Induktivität / der widerstand der Messleitung?

von Achim S. (Gast)


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Klaus schrieb:
> Vorallem, weil das ein strom messendes Multimeter den
> Unterschied zu machen scheint, und zwar reproduzierbar. Woran kann das
> liegen?

Was für ein Multimeter hast du? Viele Multimeter haben im kleinen 
Strommessbereich (bzw. im Autorange bevor das Relais durchschaltet) 
einen Innenwiderstand von einigen 10Ohm bis 100Ohm. Der 
Einschaltstrompuls, wenn dein Relais eine kapazitive Last anschaltet, 
kann dadurch um diverse Größenordnugnen gebremst werden. Außerdem 
schluckt dann der Innenwiderstand des Multimeters die Energie, nicht die 
Kontaktfläche des Relais.

Klaus schrieb:
> 5) Trotzdem auch mit einer 1N5908 stabilisiert

Die schützt gegen Spannungspeaks, nicht gegen Strompeaks.

Klaus schrieb:
> Als Reed Relais habe ich das hier verwendet (kann bis 1,25A
> DC

Es kann diese 1,25A aber nicht schalten. Sondern nur tragen, wenn es 
schon durchgeschaltet ist.

von Klaus (Gast)


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Achim S. schrieb:
> Was für ein Multimeter hast du?

Fluke 117 müsste das sein!

von Teo (Gast)


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Hört sich nach einer Vormagnetisierung an. Hast du da mal deutlich mehr 
als 5V an die Relaisspule angelegt oder mit nem Neodym-Magnet dran rum 
gespielt?

von Klaus (Gast)


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Teo schrieb:
> Hört sich nach einer Vormagnetisierung an. Hast du da mal deutlich mehr
> als 5V an die Relaisspule angelegt oder mit nem Neodym-Magnet dran rum
> gespielt?

hmm! nee hab ich nicht. Neodym hab ich hier, kann ich mal machen. Wie 
wahrscheinlich ist sowas? Wäre ja nicht das, was man von so einem neuen 
Relais erwartet...

von Teo (Gast)


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Klaus schrieb:
> hmm! nee hab ich nicht. Neodym hab ich hier, kann ich mal machen. Wie
> wahrscheinlich ist sowas? Wäre ja nicht das, was man von so einem neuen
> Relais erwartet...

Las das mal!
Reeds gehen kaputt wenn man sie zu hohen Magnetfelddichten aussetzt, sie 
werden magnetisiert und zeigen dann das von dir beschriebenes Verhalten.

von Achim S. (Gast)


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Klaus schrieb:
> Fluke 117 müsste das sein!

dessen "feinster Messbereich" ist 6A - ok, da dürfte der Innenwiderstand 
eher im Bereich 50mOhm als 50Ohm liegen.

Aber vielleicht reichen die paar hundert mOhm des gesamten Messaufbaus 
tatsächlich aus, um den Unterschied zu machen. Kannst ja mal anstelle 
des Multimeters einen 1Ohm Widerstand (oder mehrere davon parallel) in 
den Stromkreis legen und schauen, wie sich das auswirkt.

von Klaus R. (klaus2)


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Kapazitive Last und damit verkleben, wette?

Klaus.

von Klaus (Gast)


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Ich hatte schon einen 10 ohm widerstand in Reihe (hatte keinen 1ohm), 
der wurde dann etwas zu heiß ;)


Klaus R. schrieb:
> Kapazitive Last und damit verkleben, wette?

Ja aber wie erklärt sich dann das 'entkleben' durch ab und wieder 
anstecken des usb Stecker? Leuchtet mir einfach nicht ein...
Die Last ist ein USB Gerät mit LIPO, aber ich dachte nicht, dass es den 
über USB lädt.. da muss ich nochmal schauen.
Was dann?

Beitrag #6582143 wurde von einem Moderator gelöscht.
von Jens M. (schuchkleisser)


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Klaus schrieb:
> Was dann?

Ein vernünftiges Relais nehmen, das auch was schalten kann.
Ein billiges von Finder oder Schrack reicht.

Hat der Hersteller des Iso-Adapters eigentlich freigegeben, das du mit 
einer gefrickelten Verlängerungsleitung ganz am USB-Standard vorbei nur 
die Powerline trennst?

Normal müssen auch die Datenleitungen getrennt werden, und zwar vor den 
Stromleitungen, beim Wiederherstellen der Verbindung dagegen müssen die 
Daten danach verbunden werden.

von Peter D. (peda)


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Reed-Relais sind für Leistung ungeeignet.
Man nimmt sie nur für empfindliche Signale oder Hochspannung (10kV).

von Achim S. (Gast)


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Klaus schrieb:
> Ja aber wie erklärt sich dann das 'entkleben' durch ab und wieder
> anstecken des usb Stecker? Leuchtet mir einfach nicht ein...

Diesen Thread hast du aufgemacht, weil dich gewundert hat, dass das 
zusätzliche Messgerät das Kleben verhindert. Hier ist jetzt die 
einhellige Meinung, dass wahrscheinlich das Relais zum Schalten deiner 
kapazitiven Last ungeeignet ist, und dass das Messgerät wahrscheinlich 
durch die Reduzierung des Einschaltstrompulses wirkt. Damit ist dieser 
Anteil der scharzen Magie wenigstens gelöst, oder?

Was das Verhalten des klebenden Relais auf verschiedene weitere Schritte 
angeht: wenn du ein Bauteil am Rand (oder jenseits) seiner 
Spezifikationen betreibst, dann ist sein verhalten oft "seltsam" und 
nicht ohne weiteres in jedem Aspekt zu erklären. Wenn dein Anliegen ist, 
das Ganze vollständig zu verstehen, dann fange mal mit systematischen, 
zeitaufgelösten Messungen der Ströme und Spannungen in deinem System an. 
Und das bei unterschiedlichen Einschaltstrombegrenzungen.

Wenn es dir stattdessen "nur" um stabil funktionierendes System geht: 
wähle ein besser geeignetes Relais.

Klaus schrieb:
> Die Last ist ein USB Gerät mit LIPO, aber ich dachte nicht, dass es den
> über USB lädt..

Entscheidend für den Einschaltstrompuls dürfte einfach die 
Eingangskapazität des Geräts sei. Wozu dann später die 200mA Dauerstrom 
verwendet werden, ist weniger wichtig - solange es wirklich bei 200mA 
bleibt.

von Klaus R. (klaus2)


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...und der 1 Ohm Test fehlt auch noch.

Klaus.

von Achim S. (Gast)


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Klaus R. schrieb:
> ...und der 1 Ohm Test fehlt auch noch.

den hatte ich dabei mitgemeint ;-)

Achim S. schrieb:
> Und das bei unterschiedlichen Einschaltstrombegrenzungen.

von Klaus (Gast)


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Achim S. schrieb:
> Klaus R. schrieb:
>> ...und der 1 Ohm Test fehlt auch noch.
>
> den hatte ich dabei mitgemeint ;-)

Den mache ich jetzt! Aber selbst wenn das klappt: ist der ~220mV Abfall 
in der USB +5V power line unproblematisch?

von Jens M. (schuchkleisser)


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Klaus schrieb:
> ist der ~220mV Abfall
> in der USB +5V power line unproblematisch?

USB darf 5V +-5% also 4,75 bis 5,25V haben, völlig ohne Probleme.
In der Realität geht noch deutlich mehr.

: Bearbeitet durch User
von Klaus (Gast)


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Also - oh Wunder, 1 Ohm in der Leitung und es funktioniert.
Ich werde jetzt einen 200mOhm Widerstand als quick fix nehmen (von dem 
ich hoffe, dass er seinen Job genauso gut tut wie 1Ohm, nur eben weniger 
Spannungsabfall in der USB Supply Leitung).
Für die Zukunft würde ich auch andere Relais in Betracht ziehen, mir war 
ehrlich gesagt nicht klar, dass Reed Relais die bis 1A unterstützen 
nicht zum Schalten wie hier verwendet werden sollten..

von Peter D. (peda)


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Klaus schrieb:
> mir war
> ehrlich gesagt nicht klar, dass Reed Relais die bis 1A unterstützen
> nicht zum Schalten wie hier verwendet werden sollten..

Nun, Deine Last enthält einen Kondensator und der ist entladen, stellt 
also im Einschaltmoment einen Kurzschluß dar.
Es können also bequem kurz mal 100A fließen, weil auf der 
Versorgungsseite auch ein Kondensator den Strom liefert.

von Klaus R. (klaus2)


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...es liegt nicht am RR sondern an dir, der da zu wenig background hatte 
:) Das ist kein Vorwurf, dient nur zur Selbstreflexion.

Klaus.

von Klaus (Gast)


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Peter D. schrieb:
> Nun, Deine Last enthält einen Kondensator und der ist entladen, stellt
> also im Einschaltmoment einen Kurzschluß dar.
> Es können also bequem kurz mal 100A fließen, weil auf der
> Versorgungsseite auch ein Kondensator den Strom liefert.

Klaus R. schrieb:
> ...es liegt nicht am RR sondern an dir, der da zu wenig background hatte
> :) Das ist kein Vorwurf, dient nur zur Selbstreflexion.
>
> Klaus.

Ja klar, background hilft immer! ;)
Allerdings ist mir immernoch unklar wie jetzt eine ordentliche Lösung 
bei sowas aussieht um so strompeaks zu begrenzen. Eine Induktivität? 
(mal ganz abgesehen vom Relais)

von Achim S. (Gast)


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Klaus schrieb:
> Allerdings ist mir immernoch unklar wie jetzt eine ordentliche Lösung
> bei sowas aussieht um so strompeaks zu begrenzen.

zuerst würde ich mal schauen, wie die geschaltete Last genau ausschaut 
und ob Sie den USB-Vorgaben entspricht. Für USB 2 liest man öfters von 
einer maximalen Eingangskapazität von 10µF. Wie groß ist die in deiner 
Last?

Je nach konkreter Last kann man dann z.B. was mit Induktivität oder 
Dämpfungs-Ferrit oder simplem Widerstand machen, oder einen Soft-Start 
implementieren (siehe z.B. Abschnitt 2.4.2 von 
https://ftdichip.com/wp-content/uploads/2020/08/AN_146_USB_Hardware_Design_Guidelines_for_FTDI_ICs.pdf

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