Forum: Mikrocontroller und Digitale Elektronik Controller Eingang, Schutzschaltung für KFZ per Optokoppler


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von Stefan E. (stefan_e20)


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Hallo liebe Forum Mitglieder,

ich hab, vor allem mit eurer Hilfe, vor einiger Zeit eine kleine 
Steuerung mit einem dsPic33 entworfen.
Diese wird in einem KFZ verwendet und funktioniert seit vielen Stunden 
einwandfrei als LIN-CAN Gateway.
Beitrag "LIN-CAN Gateway / Bauteilauswahl"
Vielen Dank auch nochmal hierfür!

Wie es so ist, kommen nach und nach weitere Ideen dazu.
Inzwischen befindet sich auch ein Highside Switch auf der zweiten 
Version.
Für einen Bekannten benötige ich nun einen Eingang um eine Funktion 
erweitern zu können.
Da die Umgebung in seinem Auto (älteres Rennfahrzeug) sehr rauh ist, hab 
ich mich für einen Optokoppler entschieden.
Mir ist bewusst, dass ein ordentlich geschützter Spannungsteiler 
ebenfalls möglich wäre, allerdings möchte ich den Controller so gut es 
geht schützen.
Da der Controller unabhängig des Eingangs andere Funktionen ausführt, 
wäre es schlecht, wenn er auf Grund eines Fehlers am Eingang komplett 
ausfallen würde. Erfahrungsgemäß passieren die wildesten Sachen bei 
solchen Autos im Eifer des Gefechtes...

Ich hab mal eine kleine Schaltung für den Eingang angehangen.
Könnt ihr mir vielleicht das kurz ansehen, ob das so sinnig ist oder 
noch was beachten sollte oder übersehen hab?

Der Optokoppler ist ein PC817:

Max. IF = 50mA / Max. VF = 1,4V / Min. CTR 50% bei IF 5mA

IF = 10mA / Typisch VF = 1,2V

Die Diode (D1) und TVS Diode (D2) habe ich bereits im Bereich der 
Spannungsversorgung und hab diese ebenfalls spendiert, um eine möglich 
Verpolung oder "Load dump" zu schützen.


Den Widerstand für den Optokoppler hab ich wie folgt berechnet:

(U-VF)/IF=R

(14,4V-1,2V)/0,01A=1320 Ohm ~ 2x 620 Ohm


Max. Spannung 36V:

(U-VF)/R=I

(36V-1,2V)/1240Ohm=28mA


Min. Spannung 8V:

(8V-1,2V)/1240Ohm=5,4mA


Die Z-Diode (Z1/16V) soll die Spannung begrenzen.

Sorry, jetzt beim nochmal durchlesen frag ich mich grad, macht das Sinn 
oder grill ich mir da nur den R1 weg?
Ich glaub die letzte Nacht war zu kurz... Ich schau mir den Z1 nochmal 
an.

: Bearbeitet durch User
von Thomas F. (igel)


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Stefan E. schrieb:
> Könnt ihr mir vielleicht das kurz ansehen, ob das so sinnig ist

Nein.

Da Fahrzeugseite und Controllerseite an einer gemeinsamen Masse hängen 
gibt es keine galvanische Trennung und du kannst den Optokoppler gleich 
ganz weglassen.

von Michael B. (laberkopp)


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Stefan E. schrieb:
> macht das Sinn

Nun, dein Optpkoppler muss nur 330uA schalten, dafur reicht auch dem 
schlechtesten 1mA.
Mach also aus 620 Ohm eher 6k2.
Die OpzikoplerLED hält meistens 50mA aus, dann reichen die 13.4k 
Vorwiderstand bis 670V, du brauchst keine Spannungsbegrenzung per 
Transil.
Su brauchst noch nicht mal eine Vorstabilisierung per Z-Diode.
Ein Verpolschutz wäre ohne die beiden Dioden aber nicht per Reihendiode, 
sondern nur per Antiparalleldiode erreichbar. Bei 13.4k Vorwuderstand 
und 1A Spitzenstrom der meisten Diodenvreicht das bis -13kV, also auch 
locker aus.

Bleibt noch die Frage, ob man auf uC Seite wirklich bei 330uA bleiben 
will oder nicht doch eher 1mA (dann mit 3.6k LED Vorwiderstand), und ob 
man nicht lieber den Emitter an Masse hätte, das invertiert das Signal 
zwar, macht den Optokoppler aber unempfindlicher gegenüber Masseversatz.

von Otto K. (opto_pussy)


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Stefan E. schrieb:
> Max. Spannung 36V

Als Schutzschaltung genügt ein 3k3 / 0,6W Widerstand und eine 
antiparallelgeschaltete 1N4148 vor dem Optokoppler LED, um für 36V und 
Falschpolung gewappnet zu sein.

von Harald W. (wilhelms)


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Thomas F. schrieb:

>> Könnt ihr mir vielleicht das kurz ansehen, ob das so sinnig ist
>
> Nein.
>
> Da Fahrzeugseite und Controllerseite an einer gemeinsamen Masse hängen
> gibt es keine galvanische Trennung und du kannst den Optokoppler gleich
> ganz weglassen.

So isses.
Zumal im KFZ Störungen auch oft über die Masse kommen.

von Matthias S. (Firma: matzetronics) (mschoeldgen)


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Harald W. schrieb:
> Zumal im KFZ Störungen auch oft über die Masse kommen.

Andererseits geht so ein GPIO direkt ins Herz des MC. Es ist also schon 
nicht dumm, sich über einen Schutz Gedanken zu machen. Der Controller 
meines E-Autos z.B. wird komplett mit Optokopplern getrennt und 
funktioniert seit 30 Jahren so.

: Bearbeitet durch User
von Stefan E. (stefan_e20)


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Vielen Dank für eure Antworten!

Ich hab das Schema geändert und nochmal angehangen.

Bei einer Minimum Spannung von 8 Volt wäre der LED Strom (IF) 1,8mA und 
Kollektorstrom 3,6mA. Das sollte auf jeden Fall reichen.
(8V-1,2V)/3600 Ohm = 1,8mA / CTR ~ 200% bei IF von 1,8mA

Hab den Emitter auch auf Masse gelegt, da an den Eingang 
höchstwahrscheinlich ein Taster kommt.
Dann hängt der auch nicht permanent an der Masse.

Ich würde das ganze auf dem Steckbrett mal testen oder gibt's noch 
bedenken von eurer Seite?

von Thomas F. (igel)


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Stefan E. schrieb:
> Ich hab das Schema geändert und nochmal angehangen.

Beitrag "Re: Controller Eingang, Schutzschaltung für KFZ per Optokoppler"

Deine Schaltung hat immer noch eine gemeinsame Masse und damit ist der 
Optokoppler weiterhin sinnfrei.

Stefan E. schrieb

> Ich würde das ganze auf dem Steckbrett mal testen

Was willst du denn testen? Die Schaltung funktioniert nicht da auf der 
rechten Seite R5 gar nicht verbunden ist;-)

Stefan E. schrieb:
> Erfahrungsgemäß passieren die wildesten Sachen bei
> solchen Autos im Eifer des Gefechtes...

Na dann versuche zum Testen mal einen Kurzschluss des GND-Anschlusses 
auf 14V Bordnetzspannung. Das ist ein typischer Fehler wie er im Auto 
schon mal auftreten kann.
(Nach deiner Schaltung wird dann Rauch aufsteigen)

von Otto K. (opto_pussy)


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Stefan E. schrieb:
> Kollektorstrom 3,6mA.

Ich komme bei einem 10k Pull-Up Widerstand auf 0,33mA.

Stefan E. schrieb:
> Hab den Emitter auch auf Masse gelegt

Damit invertierst du die Logik!

Thomas F. schrieb:
> Deine Schaltung hat immer noch eine gemeinsame Masse und damit ist der
> Optokoppler weiterhin sinnfrei.

Das halte ich aber für vertretbar.

von Michael B. (laberkopp)


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Stefan E. schrieb:
> Ich hab das Schema geändert und nochmal angehangen.

Ich finde das besser so.

Eventuell noch die 10k verringern, z.B. auf 3k6.

von Matthias S. (Firma: matzetronics) (mschoeldgen)


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Thomas F. schrieb:
> Na dann versuche zum Testen mal einen Kurzschluss des GND-Anschlusses
> auf 14V Bordnetzspannung.

Ja und? Was soll dem Optokoppler oder dem nachgeschalteten MC dann 
passieren? Gar nichts. Da geht höchstens was anderes im Fahrzeug kaputt 
- vermutlich nur eine Sicherung.

Ich verstehe nicht, warum der Optokoppler hier so mies gemacht wird. Der 
muss ja nicht unbedingt immer auch die Masse auftrennen, sondern es 
reicht doch, wie hier, das er den GPIO schützt. Ausserdem bildet er 
einen Widerange Levelkonverter mit nur 3 Bauteilen.

: Bearbeitet durch User
von Lothar M. (Firma: Titel) (lkmiller) (Moderator) Benutzerseite


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Matthias S. schrieb:
> Ich verstehe nicht, warum der Optokoppler hier so mies gemacht wird.
1. Er ist unnötig.
2. OK haben große Fertigungsschwankungen.
3. Und OK altern. Siehe z.B. dort:
- 
http://www.lothar-miller.de/s9y/archives/101-Perconta-HU-6-meldet-Nebenuhren-stromlos.html

> es reicht doch, wie hier, das er den GPIO schützt.
Das geht auch ohne OK. Ich habe hunderttausende Eingänge ohne OK am 
laufen. Absolut ohne Auffälligkeiten.

von Matthias S. (Firma: matzetronics) (mschoeldgen)


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Lothar M. schrieb:
> Das geht auch ohne OK.

Sicher, aber eben auch mit OK. Die Alterung lässt sich durch 
entsprechende Dimensionierung kompensieren. Und es sind einfach wenige 
Bauteile, die sowohl als Levelkonverter und auch als Schutz des GPIO 
fungieren.
Wie gesagt, das wird in meinem Auto auch so gemacht und nach 30 Jahren 
funktioniert das immer noch bestens - von wegen Alterung.
Ich hänge mal ein Bild des Car Controllers an - dänische Wertarbeit :-)

von Stefan E. (stefan_e20)


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Otto K. schrieb:
> Ich komme bei einem 10k Pull-Up Widerstand auf 0,33mA.

Richtig, ich hab den Satz falsch geschrieben.
Über den Optokoppler können dann 3,6mA fließen, aber ist natürlich vom 
Widerstand davor begrenzt. Hab auch nicht bedacht, dass bei 3,3V der 
Strom doch so gering ist. Da wären 3k6 schon besser, wie auch Michael B. 
geschrieben hat.

Otto K. schrieb:
> Damit invertierst du die Logik!

Kein Problem, kann dann in der Software gemacht werden. Allerdings hängt 
dann der Eingang des Controllers nicht mehr direkt auf der Masse und 
wäre somit ein wenig besser geschützt oder?

Lothar M. schrieb:
> Das geht auch ohne OK. Ich habe hunderttausende Eingänge ohne OK am
> laufen. Absolut ohne Auffälligkeiten.

Ich muss nicht unbedingt den Optokoppler einsetzten.
Aus meiner Sicht ist es ein einfaches Layout ohne viele Komponenten.
Das mit der Alterung hatte ich nicht auf dem Schirm, weshalb ich auch 
gern im Forum nachfrage und dankbar für genau diese Tipps bin.
Der Controller wird vermutlich nicht riesen Betriebsstunden bekommen wie 
Steuerungen die 24/7 laufen.

Ich bin aber sehr offen für einen Vorschlag einer alternativen 
Schaltungen um den Eingang ein wenig zu schützen ohne einen OK.

Viele Grüße Stefan

von Thomas S. (Firma: Chipwerkstatt) (tom_63)


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Stefan E. schrieb:
> Da die Umgebung in seinem Auto (älteres Rennfahrzeug) sehr rauh ist, hab
> ich mich für einen Optokoppler entschieden

Meine Unterstützung dazu hast Du. So wird das auch in anderen Bereichen 
gemacht. Ob gemeinsame Masse hin oder her. Dein Eingang und Deine ganze 
Schaltung auf der Platine um den Prozi ist damit geschützt. Im 
Maximalfall zerlegt es halt den Optokoppler.

Lass die Super-Experten hier denken wie se wollen. Die haben anscheinend 
noch keine Erfahrung mit 'rauher Umgebung'.

von Lothar M. (Firma: Titel) (lkmiller) (Moderator) Benutzerseite


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Thomas S. schrieb:
> Lass die Super-Experten hier denken wie se wollen.
Hört sich irgendwie ein wenig überheblich an.

> Die haben anscheinend noch keine Erfahrung mit 'rauher Umgebung'.
Der Schein trügt. Ich war auch schon recht erfolgreich im Tuningbereich 
unterwegs. Direkt die Injektoren vom Common-Rail eingelesen und 
angesteuert. Ganz ohne OK. Die "Rauhigkeit" an dieser Ecke kannst du 
sicher selber einschätzen.

: Bearbeitet durch Moderator
von Stefan E. (stefan_e20)


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Ich möchte durch meinen Beitrag hier keine Kompetenzen in Frage stellen!

Sollte es in einem Forum nicht so sein, dass jeder seine Bedenken äußern 
und diese dann fachlich betrachtet und diskutiert werden darf?

Letztendlich ist keiner allwissend und vielleicht kommt dem ein oder 
anderen eine Idee, die auch seine Berechtigung hat oder sogar eine 
bessere Lösung ist. Am Schluss geht es immer um das abwägen von Vor- und 
Nachteilen oder Kosten.
Ab und zu sieht man auch den Wald vor lauter Bäumen nicht.

Vielleicht ist der Optokoppler wirklich nicht die ideale Lösung, aber 
die Kritiker des Optokopplers haben auch keine alternative Schaltung in 
den Raum gestellt, um diese zu betrachten und die eventuellen Vorteile 
zu sehen oder zu Diskutieren.

Dies ist meine persönliche Meinung und vielleicht auch der Grund, 
weshalb oft in Foren immer wieder gleiche Themen aufkommen, da oft 
kritisiert und keine alternative vorgeschlagen wird.

Ich bin auf jeden Fall dankbar für all eure Beiträge bis jetzt.

von Thomas F. (igel)


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