Probleme mit Schaltung bzw. Induktiver Spannungsspitze

[Thomas W. (ram99)]

Hallo zusammen,

ich habe mir eine kleine Schaltung auf einer Lochrasterplatine gelötet.
Ziel ist es in einem KFZ einen E-Motor max. 10A und ein Ventil max. 1A 
mit den zwei ProFets (HighSide Switch BTS432E2) zu schalten. Über den 
Eingang „Zündung ein“ wird nur eine 12V Spannung detektiert.

Die Schaltung habe ich aufgebaut und mit ein paar 55W Lampen getestet. 
Soweit so gut, scheint alles zu funktioniere. Jetzt habe ich anstelle 
einer Lampe ein kleines 12V KFZ Relais an einen der ProFets 
angeschlossen. Relais schaltet, beim abfallen vom Relais ist jedoch mein 
Controller abgeschmiert. Nach einem Spannungsreset lief wieder alles nur 
ist der Eingang PB0 futsch. Dieser Eingang vom Controller hat jetzt 
Durchgang zu Masse und ist futsch. Davor konnte ich 12V anlegen (~4V am 
PB0) und der Eingang wurde erkannt. Jetzt messe ich 0V am PB0 da das 
Potenzial auf 0V gezogen wird. Ziehe ich den Controller aus dem Sockel 
kann ich die Spannung auch wieder messen.

Meine Vermutung:
Irgendwie muss beim abfallen vom Relais eine Spannungsspitze auf den PB0 
gekommen sein. Die zwei 1N5059 Freilaufdioden sind in der gleichen
Lochrasterbahn wie auch die Schutzschaltung mit dem R, C und ZenerDiode 
für den PB0. Ich habe versucht das mit den roten Pfeilen zu zeigen.
An dieser Lochrasterbahn ist auch mein Massekabel angelötet – siehe 
Unterseite Platine rot eingekreist (Massebahn).
Eignen sich die 1N5059 überhaupt als Freilaufdioden?

Sieht jemand von euch den Fehler? Ich möchte ungern noch weitere 
Controller verheizen.

Grüße
Thomas

[Markus M. (mmvisual)]

Der Prozessor hat 5V, der Eingang wird mit 5,1V Z-Diode geschützt -> 
geht nicht, die Z-Diode sollte eher 4,1V haben.

R2 ist viel zu klein, der sollte eher 47K sein. Dementsprechend R3 39K 
haben. Damit wird der mögliche Strom durch PB0 deutlich begrenzt.
Zur Sicherheit macht man noch eine Diode von PB0 Richtung +5V vom 
Prozessor, damit, so lange die 5V noch nicht anstehen, der Prozessor 
niemals über PB0 rückwärts versorgt wird.

[Steve van de Grens (roehrmond)]

Du brauchst Freilaufdioden an induktiven lasten.
https://schuelerunterlagen.de/wp-content/uploads/2017/12/Infotext-Freilaufdioden.pdf

Die Freilaufdiode für den Motor soll so viel Strom vertragen, wie der 
Motor aufnimmt. Dann bist du auf der sicheren Seite, dass sie auch hält.

In deiner Schaltung sind die beiden Dioden die du "Freilaufdioden" 
nennst, falsch platziert. Sie leiten die induzierte Energie in die 
Stromversorgung zurück. Leitungswiderstände und Induktivitäten bewirken 
in dem Fall, dass dein GND Potential kurzzeitig einen Sprung nach unten 
macht. Du brauchst aber ein stabiles GND Potential das nicht wild hin 
und her springt.

Ich habe den kritischen Pfad mal in Pink eingezeichnet. Auf dieser 
Leitung kehrt die Stromrichtung beim Abschalten für einen kurzen Moment 
um und verursacht dort einen Spannungsabfall mit entgegen gesetzter 
Polung als vorher.

[Thomas W. (ram99)]

Markus M. schrieb:
> Der Prozessor hat 5V, der Eingang wird mit 5,1V Z-Diode geschützt ->
> geht nicht, die Z-Diode sollte eher 4,1V haben.
>
> R2 ist viel zu klein, der sollte eher 47K sein. Dementsprechend R3 39K
> haben. Damit wird der mögliche Strom durch PB0 deutlich begrenzt.
> Zur Sicherheit macht man noch eine Diode von PB0 Richtung +5V vom
> Prozessor, damit, so lange die 5V noch nicht anstehen, der Prozessor
> niemals über PB0 rückwärts versorgt wird.

Hi,
die zulässige Spannung für die Eingänge geht bis 5,5V bei Vcc 5V laut 
Datenblatt. Deshalb sollten die 5,1 Z-Diode doch okay sein?
Wie ist der PB0 zerstört worden? Ist über den R3 die induzierte Spannung 
an dem Eingang PB0 angelegen bzw. Strom welcher über den R3 erzeugt 
wurde durch den Eingang geflossen? Mit größeren Widerständen könnte der 
Strom natürlich begrenzt werden. Ich bin davon ausgegangen, das die 
induzierte Spannung sich über die GND Leitung den kürzesten Weg nimmt 
und nicht über den PortPin geht.

[Markus M. (mmvisual)]

Thomas W. schrieb:
> Hi,
> die zulässige Spannung für die Eingänge geht bis 5,5V bei Vcc 5V laut
> Datenblatt. Deshalb sollten die 5,1 Z-Diode doch okay sein?
> Wie ist der PB0 zerstört worden? Ist über den R3 die induzierte Spannung
> an dem Eingang PB0 angelegen bzw. Strom welcher über den R3 erzeugt
> wurde durch den Eingang geflossen? Mit größeren Widerständen könnte der
> Strom natürlich begrenzt werden. Ich bin davon ausgegangen, das die
> induzierte Spannung sich über die GND Leitung den kürzesten Weg nimmt
> und nicht über den PortPin geht.

Die 5,5V stimmen nur dann wenn der Prozessor auch mit 5V versorgt wird. 
Wenn hingegen die Versorgungsspannung vom Prozessor noch nicht da ist 
und der PB0 bereits die Spannung hat, dann fliest ein Strom durch den 
PB0 in die 5V Spannung und versucht somit den Prozessor mit Strom zu 
versorgen.
Das geht so lange gut bis der PB0 dann kaputt geht, da die eingebaute 
Schutzdioden im Prozessor nicht im Stande sind den 100µF Kondensator 
(bei den 5V) zu laden.
Daher braucht es eine zusätzliche Diode von PB0 Richtung 5V.

[Thomas W. (ram99)]

Steve van de Grens schrieb:
> Du brauchst Freilaufdioden an induktiven lasten.
> 
https://schuelerunterlagen.de/wp-content/uploads/2017/12/Infotext-Freilaufdioden.pdf
>
> Die Freilaufdiode für den Motor soll so viel Strom vertragen, wie der
> Motor aufnimmt. Dann bist du auf der sicheren Seite, dass sie auch hält.
>
> In deiner Schaltung sind die beiden Dioden die du "Freilaufdioden"
> nennst, falsch platziert. Sie leiten die induzierte Energie in die
> Stromversorgung zurück. Leitungswiderstände und Induktivitäten bewirken
> in dem Fall, dass dein GND Potential kurzzeitig einen Sprung nach unten
> macht. Du brauchst aber ein stabiles GND Potential das nicht wild hin
> und her springt.
>
> Ich habe den kritischen Pfad mal in Pink eingezeichnet. Auf dieser
> Leitung kehrt die Stromrichtung beim Abschalten für einen kurzen Moment
> um und verursacht dort einen Spannungsabfall mit entgegen gesetzter
> Polung als vorher.

Hi,
eine Freilaufdiode habe ich ja mit den 1N5059. In Wirklichkeit sieht die 
GND Bahnen so aus wie in dem neuen Bild.
Die Frage ist halt, ob es dann nicht schlauer wäre die Freilaufdiode an 
der Pumpe und Ventil direkt anzubringen.
So wie meine PCB jetzt aufgebaut ist, müsste ich die bestehenden 
Freilaufdioden entfernen und mit neuen Dioden + eigener GND Versorgung 
anschließen. Würde das so gehen?
Reicht eine normale Gleichrichterdiode wie z.B. die P1000M? Die Pumpe 
und Ventil werden nicht im PWM betrieben somit müsste die Diode nicht 
dauerhaft arbeiten.

[Steve van de Grens (roehrmond)]

Thomas W. schrieb:
> eine Freilaufdiode habe ich ja mit den 1N5059

Wie gesagt an der falschen Position. Sie gehört parallel zur Spule, 
nicht parallel zum Transistor.

Thomas W. schrieb:
> müsste ich die bestehenden
> Freilaufdioden entfernen und mit neuen Dioden + eigener GND Versorgung
> anschließen. Würde das so gehen?

Die gehören nicht an GND.

> Reicht eine normale Gleichrichterdiode

Wenn sie so viel Strom aushält, wie die Last aufnimmt, dann ja.

[Gerald K. (geku)]

Ich würde R2 in zwei Widerstände teilen. Der zweite Widerstand R2b 
sollte zwischen PB0 und Kathode D3 sitzen.

Der Widerstand sollte folgendermaßem dimensoniert werden:

$$R_{2b} > \frac{(U_Z-(V_{cc} +0,5V))}{I_{max}}$$

Imax ist der maximimal Klemmstrom der Eingangsschutzdioden des ATTINY 
(siehe Dateiblatt). Laut 
Beitrag "Re: Strom über Schutzdioden, wie hoch max." keiner 1mA.

Damit wird ein Latchup des Einganges PB0 durch die Induktionsspitzen 
vermieden.

[Thomas W. (ram99)]

Markus M. schrieb:
> Thomas W. schrieb:
>> Hi,
>> die zulässige Spannung für die Eingänge geht bis 5,5V bei Vcc 5V laut
>> Datenblatt. Deshalb sollten die 5,1 Z-Diode doch okay sein?
>> Wie ist der PB0 zerstört worden? Ist über den R3 die induzierte Spannung
>> an dem Eingang PB0 angelegen bzw. Strom welcher über den R3 erzeugt
>> wurde durch den Eingang geflossen? Mit größeren Widerständen könnte der
>> Strom natürlich begrenzt werden. Ich bin davon ausgegangen, das die
>> induzierte Spannung sich über die GND Leitung den kürzesten Weg nimmt
>> und nicht über den PortPin geht.
>
> Die 5,5V stimmen nur dann wenn der Prozessor auch mit 5V versorgt wird.
> Wenn hingegen die Versorgungsspannung vom Prozessor noch nicht da ist
> und der PB0 bereits die Spannung hat, dann fliest ein Strom durch den
> PB0 in die 5V Spannung und versucht somit den Prozessor mit Strom zu
> versorgen.
> Das geht so lange gut bis der PB0 dann kaputt geht, da die eingebaute
> Schutzdioden im Prozessor nicht im Stande sind den 100µF Kondensator
> (bei den 5V) zu laden.
> Daher braucht es eine zusätzliche Diode von PB0 Richtung 5V.

Okay verstanden.
Die Diode einzubauen ist auch kein Ding.
Danke für den Tipp.

[Gerald K. (geku)]

Wichigt ist, dass die Spannung der Zener vom abgeleiteten Strom abhängt. 
Dieser Strom ist in etwa der Strom des Relais. Die Spannung in 
Abhängigkeit vom Strom findet man im DB der Zenerdiode.

[Dietrich L. (dietrichl)]

Steve van de Grens schrieb:
> Wie gesagt an der falschen Position. Sie gehört parallel zur Spule,
> nicht parallel zum Transistor.

Da hast du wohl falsch geschaut: der BTS432E2 ist ein HighSide Switch 
und die Last hängt zwischen Ausgang und GND. Dann ist die Diode richtig.

[Thomas W. (ram99)]

Dietrich L. schrieb:
> Steve van de Grens schrieb:
>> Wie gesagt an der falschen Position. Sie gehört parallel zur Spule,
>> nicht parallel zum Transistor.
>
> Da hast du wohl falsch geschaut: der BTS432E2 ist ein HighSide Switch
> und die Last hängt zwischen Ausgang und GND. Dann ist die Diode richtig.


So hatte ich es mir eigentlich auch gedacht.
Kann ich die Freilaufdiode auf der PCB anbringen wenn diese eigentlich 
parallel zur Last gehört. Der Motor und die Spule sitzen ja irgendwo in 
dem Fahrzeug.

[Dietrich L. (dietrichl)]

Thomas W. schrieb:
> Kann ich die Freilaufdiode auf der PCB anbringen wenn diese eigentlich
> parallel zur Last gehört. Der Motor und die Spule sitzen ja irgendwo in
> dem Fahrzeug.

Die Freilaufdiode gehört in die Nähe des zu schützenden Bauteils, den 
BTS432E2. Dann werden auch die Induktivitäten der Leitungen mit 
abgedeckt.

Ob der Leitungsanteil für die Höhe der Induktionsspannung jetzt relevant 
ist, darüber kann man streiten. Da gab es zu diesem Thema mal eine 
längere Diskussion...

[Thomas W. (ram99)]

Also passt die Position. Um die Spannungsspitze von der GND-Bahn mit den 
anderen Bauteilen weg zu bekommen, könnte ich ja eine eigene GND Leitung 
legen.

[Thomas W. (ram99)]

Gerald K. schrieb:
> Ich würde R2 in zwei Widerstände teilen. Der zweite Widerstand R2b
> sollte zwischen PB0 und Kathode D3 sitzen.
>
> Der Widerstand sollte folgendermaßem dimensoniert werden:
>
>

$$R_{2b} > \frac{(U_Z-(V_{cc} +0,5V))}{I_{max}}$$

>
> Imax ist der maximimal Klemmstrom der Eingangsschutzdioden des ATTINY
> (siehe Dateiblatt). Laut
> Beitrag "Re: Strom über Schutzdioden, wie hoch max." keiner 1mA.
>
> Damit wird ein Latchup des Einganges PB0 durch die Induktionsspitzen
> vermieden.

Uz wäre doch der Zener Wert mit 5,1V. Bei der Rechnung würden dann -0,4V 
rauskommen. Durch I von 1mA = 400 Ohm?
Was du geschrieben hast verstehe ich nicht ganz, so tief bin ich nicht 
drin      weshalb ein kurzes Feedback toll wäre.

[Gerald K. (geku)]

Thomas W. schrieb:
> Uz wäre doch der Zener Wert mit 5,1V. Bei der Rechnung würden dann -0,4V
> rauskommen. Durch I von 1mA = 400 Ohm?
> Was du geschrieben hast verstehe ich nicht ganz, so tief bin ich nicht
> drin      weshalb ein kurzes Feedback toll wäre.

Das tritt ein, wenn die Zenerspannung kleiner als die Versorgungspannung 
+ die Spannung der internen Klemmdioden ist. Wenn man sicher ist, dass 
die Zenerspannung nicht überschritten wird, dann kann man den Widerstand 
weglassen. Die Zenerspannung muss für den zu klemmenden Spitzstrom 
kalkuliert werden (siehe Beilage). Die 5,1V Zenerdiode hat bei 10mA 
5,5V. Das bedeutet, bei ungünstigen Toeranzen kann der Strom sich aud 
die interen Schutzdioden aufteilen.

Laut ELECTRICAL CHARACTERISTICS wird die Zenerspannung von 5,1 bei 240mA 
gemessen, dann sollte es ohne R2b passen!

[Thomas W. (ram99)]

Ich habe die Schaltung jetzt nochmals etwas angepasst – siehe Anhang:
Neuer Eingang für das 12V Eingangssignal ist jetzt PB4. Die Widerstände 
R2 47K und R3 39K habe ich vergrößert.
Wird der IzMin der Z-Diode dann überhaupt noch erreicht mit einem 47K 
Vorwiderstand? Wenn ich es richtig verstanden
habe, benötigt die Z-Diode einen min. Strom um zu funktionieren. Der 
liegt bei ungefähr 20mA was natürlich mit dem
47K nicht mehr erreicht wird.
Zusätzlich habe ich die Diode vom PB4 auf VCC vom Controller gesetzt um 
den Controller vor einer Spannungsversorgung über
den PB4 zu schützen.
Als Freilaufdiode für die Pumpe habe ich jetzt eine stärkere Diode. 
Zusätzlich wird die Induktion nicht mehr auf die Schaltung
geführt, sondern über eine eigene Leitung auf GND außerhalb der Platine.

Mitnehmen werde ich, dass die Z-Diode durch eine z.B. 4,3V Diode 
getauscht werden sollte.
Bleibt momentan nur die Frage, ob durch den 47K R2 der IzMin der Diode 
unterschritten wird und diese deshalb nicht funktioniert?

[Markus M. (mmvisual)]

Sieht gut aus. PB4 ist nun gut geschützt.

PB1 eventuell ein Pull-Up Widerstand an +5V mit 10K.
D3 eine Z-Diode mit 4,7V

[Thomas W. (ram99)]

Markus M. schrieb:
> Sieht gut aus. PB4 ist nun gut geschützt.
>
> PB1 eventuell ein Pull-Up Widerstand an +5V mit 10K.
> D3 eine Z-Diode mit 4,7V

Bei PB1 verwende ich den internen PullUp vom Controller.
Z-Diode mit 4,7V tausche ich aus.

Muss ich mir Sorgen machen wegen dem minimalen Strom wenn der 
Vorwiderstand auf 47K ist? Sollten 6V an der Diode anliegen fließt ja 
nur ein Strom von 27uA durch die Diode!

[Marcel V. (mavin)]

Thomas W. schrieb:
> Sollten 6V an der Diode anliegen fließt ja nur ein Strom von 27uA durch
> die Diode!

Das geht aber noch. Ich hatte mal eine 6V2 Z-Diode über einen 100k an 9V 
angeschlossen, da flossen auch nur 28uA. Die Z-Spannung stimmte trotzdem 
exakt.

Außerdem kommt es bei dir nicht auf Genauigkeit an.

Die 4V7 werden sowieso nie erreicht, weil R3 mit 39k noch zu niederohmig 
ist.

[Thomas W. (ram99)]

Marcel V. schrieb:
> Thomas W. schrieb:
>> Sollten 6V an der Diode anliegen fließt ja nur ein Strom von 27uA durch
>> die Diode!
>
> Das geht aber noch. Ich hatte mal eine 6V2 Z-Diode über einen 100k an 9V
> angeschlossen, da flossen auch nur 28uA. Die Z-Spannung stimmte trotzdem
> exakt.
>
> Außerdem kommt es bei dir nicht auf Genauigkeit an.
>
> Die 4V7 werden sowieso nie erreicht, weil R3 mit 39k noch zu niederohmig
> ist.

Okay, die Platine habe ich laut Schaltplan geändert. Jetzt scheint alles 
zu funktionieren und auch der Relais Dauertest lief ohne Probleme. Als 
Z-Diode habe ich eine 4,7V eingesetzt. Mehr als 2,8V bei 14V Eingang 
kommen aber am Pin nicht mehr an. Der Controller erkennt den Eingang 
aber zuverlässig selbst noch mit 2,5V am Pin. Laut Datenblatt ist 
eigentlich min. 3V (0.6 X Vcc) um ein true zu erkennen.
Nächster Step ist jetzt alles im Fahrzeug zu testen.
Danke für eure Tipps :)

Grüße
Thomas

[Steve van de Grens (roehrmond)]

Thomas W. schrieb:
> Der Controller erkennt den Eingang
> aber zuverlässig selbst noch mit 2,5V am Pin. Laut Datenblatt ist
> eigentlich min. 3V (0.6 X Vcc) um ein true zu erkennen.
> Nächster Step ist jetzt alles im Fahrzeug zu testen.

Die Schwelle hängt Materialstreuungen und der Temperatur ab. Es kann gut 
sein, dass es jetzt scheinbar zuverlässig geht, aber im nächsten Sommer 
oder Winter nicht. Fall es dazu kommt, erinnere dich an diesen Beitrag.

[Thomas W. (ram99)]

Steve van de Grens schrieb:
> Thomas W. schrieb:
>> Der Controller erkennt den Eingang
>> aber zuverlässig selbst noch mit 2,5V am Pin. Laut Datenblatt ist
>> eigentlich min. 3V (0.6 X Vcc) um ein true zu erkennen.
>> Nächster Step ist jetzt alles im Fahrzeug zu testen.
>
> Die Schwelle hängt Materialstreuungen und der Temperatur ab. Es kann gut
> sein, dass es jetzt scheinbar zuverlässig geht, aber im nächsten Sommer
> oder Winter nicht. Fall es dazu kommt, erinnere dich an diesen Beitrag.

Hi, das dachte ich mir auch schon.
Ich werde noch den R2 anpassen um auf über 3V zu kommen.

[Wendels B. (wendelsberg)]

Thomas W. schrieb:
> Ziel ist es in einem KFZ einen E-Motor max. 10A und ein Ventil max. 1A
> mit den zwei ProFets (HighSide Switch BTS432E2) zu schalten. Über den
> Eingang „Zündung ein“ wird nur eine 12V Spannung detektiert.

Eine Auspuffklappe um infernalischen sinnlosen Laerm zu erzeugen und 
dabei nicht erwischt zu werden?

Sehr bedenklich.

[Harald W. (wilhelms)]

Steve van de Grens schrieb:

>> Reicht eine normale Gleichrichterdiode
>
> Wenn sie so viel Strom aushält, wie die Last aufnimmt, dann ja.

Da Freilaufdioden den Spulenstrom ja nur für kurze Zeit leiten
müssen, reichen auch kleinere Dioden. Andererseits sind Silizium-
Dioden so billig, das sie auch gern etwas grösser sein dürfen.

[Manfred P. (pruckelfred)]

Thomas W. schrieb:
> Ich werde noch den R2 anpassen um auf über 3V zu kommen.

Sinnloser Bastelkram. Einen PullUp an den ATTiny, einen BC_irgendwas NPN 
dran und diesen mit Zündung-Plus schalten. Die Invertierung dreht die 
Software.

Wendels B. schrieb:
> Eine Auspuffklappe um infernalischen sinnlosen Laerm zu erzeugen und
> dabei nicht erwischt zu werden?

Na hoffen wir mal, dass wir hier nicht einen dieser rücksichtslosen 
A***er unterstützen.

[Thomas W. (ram99)]

Wendels B. schrieb:
> Thomas W. schrieb:
>> Ziel ist es in einem KFZ einen E-Motor max. 10A und ein Ventil max. 1A
>> mit den zwei ProFets (HighSide Switch BTS432E2) zu schalten. Über den
>> Eingang „Zündung ein“ wird nur eine 12V Spannung detektiert.
>
> Eine Auspuffklappe um infernalischen sinnlosen Laerm zu erzeugen und
> dabei nicht erwischt zu werden?
>
> Sehr bedenklich.

Eigentlich nicht.
Die Frage wäre ja dann auch für was der 10A Motor und Ventil bei einer 
Auspuffklappe wären ?? Funktionieren die Dinger nicht mit einer 
Federrückstellung?
Es geht um ein Luftfahrwerk (Motorrad) welches abhängig der 
Straße/Wünsche auf die Höhe eingestellt werden kann. Mit der Pumpe wird 
Luft in das Fahrwerk gepumpt, das Ventil ist zum ablassen der Luft. 
Momentan wird das alles über einen manuellen Schalter gesteuert. Mit dem 
Kontroller lassen sich Profile hinterlegen.