Entkoppeln von 2 Teilschaltungen

[Jürgen H. (Firma: privat) (zappa2)]

Projekt ist die Steuerung des bistabilen Ventils (MV). Das MV wird
mittels Umpolung in die jeweils andere Richtung geschaltet.

Ich habe 2 Teilschaltungen entworfen, die jede für sich tadellos
funktionieren.

Die obere Teilschaltung ist die Endstufe eines uC, die kurze
Auf-/Zu-Schaltimpulse sendet.

Die untere Teilschaltung soll bei Wegfall der Versorgungsspannung das
Ventil in eine definierte Endlage ("MV Zu") schalten.

Mein Problem ist, dass das MV nur ein einziges Mal schaltet, wenn beide
Teilschaltungen miteinander verbunden sind. Hat jemand eine Idee, wie
ich die beiden Schaltungen voneinander entkoppeln kann, ohne dass dies
eine stromintensive Schaltung wird (Batteriebetrieb)?

Ich habe schon mit Sperrdioden und Thyristoren experimentiert, leider
ohne Erfolg.

[HildeK (Gast)]

Ich hatte schon versucht zu antworten - dann war der Thread plötzlich 
weg ...

Was mir sehr negativ auffällt: Die LEDs in den Optokopplern sind 
parallel geschaltet! Das ist schlecht, denn es kann dazu führen, dass 
bei leicht unterschiedlicher Flussspannung der LEDs die eine gut 
leuchtet, die andere aber ev. sehr schwach und damit nicht schaltet.

Also: entweder die mit dem selben Signal angesteuerten LEDs in Serie + 
Vorwiderstand schalten, wenn das Eingangssignal groß genug ist, oder 
jeder LED einen eigenen Vorwiderstand spendieren.

[Stefan F. (Gast)]

Das ist eine Karmikaze Schaltung. Der rechte blaue Optokoppler ist immer 
an. Wenn jetzt der Eingang 1 auf High geht, hast du einen Kurzschluss.

Da das nie passieren darf, musst du Eingang ein weglassen. Dann tut die 
Schaltung aber nicht mehr, was sie soll.

Du solltest besser ein paar Logikgatter oder einen µC verwenden, um die 
verbotenen Zustände auszuschließen.

Wie der Ausgang des linken Optokopplers funktionieren soll, ist mir 
schleierhaft. Kann es sein, dass dein Plan einen ganz groben Fehler 
enthält und so gar nicht dem entspricht, was du zeichnen wolltest?

[Wolfgang (Gast)]

Jürgen H. schrieb:
> Ich habe 2 Teilschaltungen entworfen, die jede für sich tadellos
> funktionieren.

Wenn man jetzt wüsste, wie groß deine Betriebsspannung ist ...

Warum schaltest du die LEDs parallel und nicht hintereinander. Selbst 
bei 3.3V sollte das noch passen.

> Mein Problem ist, dass das MV nur ein einziges Mal schaltet, wenn beide
> Teilschaltungen miteinander verbunden sind.

Ist doch klar, weil dein Optokoppler rechts unten immer durchgeschaltet 
ist, solange die Versorgungsspannung anliegt. Dein Schaltung wird also 
die "1"-Stellung nicht verlassen können. Sobald der "2"-Puls kommt, 
erzeugst du einen Kurzschluss mit dem dritten Optokoppler (von oben).

p.s. Wozu wurden eigenlich Bauteilnummern erfunden - damit redet es sich 
deutlich einfacher.

[Jürgen H. (Firma: privat) (zappa2)]

Erst mal vielen Dank für Eure Hinweise.

Also wie bereits erwähnt, arbeiten beide Schaltungen separat genau so, 
wie ich mir das gedacht habe.

Die Optokoppler unten sind Öffner, oben Schließer. Es kann deshalb 
eigentlich  zu keinem Kurzschluß kommen. Die Öffner sollen die 
Ladungspumpe vom Rest der Schaltung trennen.

Wolfgang schrieb:
> Wenn man jetzt wüsste, wie groß deine Betriebsspannung ist ...

+5V

Wolfgang schrieb:
> Warum schaltest du die LEDs parallel und nicht hintereinander. Selbst
> bei 3.3V sollte das noch passen.

3,3V reichen nicht, weil das MV mind. 4,5V benötigt. Die Reihenschaltung 
der LED werde ich mal testen, habe ich einfach dran gedacht - Asche auf 
mein Haupt.

[Stefan F. (Gast)]

> Die Optokoppler unten sind Öffner

Wenn das so wäre, hätten sich immer noch keinen Sinn da sie dann immer 
offen sind. Dein Schaltplan entspricht mit Sicherheit nicht deinem 
Aufbau.

[ventil (Gast)]

Jürgen H. schrieb:
> Ich habe schon mit Sperrdioden und Thyristoren experimentiert

Mit SPERRDIODEN?
Es ist das normale Verhalten einer Diode, daß sie in einer Stromrichtung 
leitend ist, in der anderen sperrt.
Bei manchen Dioden werden auch Seiteneffekte dieses Verhaltens genutzt, 
zum Beispiel bei der Kapazitätsdiode, der Z-Diode oder gar der 
Tunneldiode.
Aber was bitte, ist denn nun genau das hervorstechende Merkmal einer 
Sperrdiode?

ps. komisch, meine Rechtschreibkontrolle meckert nicht über Sperrdioden, 
wer nur hat den Quatsch ins Wörterbuch getan...?

[Mani W. (e-doc)]

Die Parallelschaltungen ALLER 3 Optokoppler-Led-Paare ist nicht gut,
um nicht sagen zu müssen, Quatsch...

[Gerd E. (robberknight)]

Warum hast Du Dich für die Variante mit den Halbleiterrelais entschieden 
und verwendest keine fertige H-Brücke oder 2 Halbbrücken?

Die Halbleiterrelais erscheinen mir unnötig teuer und es sieht mir nicht 
danach aus, als ob Du eine galvanische Trennung an dieser Stelle 
wirklich brauchst.

Für H-Brücken gibt es fertige Treiber die sich um das Verhindern der 
verbotenen Zustände kümmern.

[Jürgen H. (Firma: privat) (zappa2)]

Gerd E. schrieb:
> Warum hast Du Dich für die Variante mit den Halbleiterrelais entschieden
> und verwendest keine fertige H-Brücke oder 2 Halbbrücken?

Hallo Gerd!

Ich wusste gar nicht, dass es so etwas schon fertig gibt. Ich habe meine 
Elektronikausbildung vor 25(!) Jahren abgeschlossen, und seit dem nur in 
der Client-Server-Programmierung gearbeitet. In der Zwischenzeit gibt es 
Sachen, von denen wir seinerzeit nur träumen konnten. Sorry, gehört 
nicht hier her.

Na jedenfalls vielen Dank für diesen wirklich super Tipp! Ich habe mir 
sofort eine H-Bridge MOSFET 2xN 2xP geordert, und wirklich ein 
Schnäppchen! Minimalster Aufwand und gleicher Effekt zum Bruchteil des 
Preises.

Hast Du evtl. noch eine Idee, wie ich die Ladungspumpe dazu bewegen 
kann, NACH Wegfall der Betriebsspannung das MV in die definierte Endlage 
zu schalten? Wie gesagt, stand-alone funktioniert die Geschichte super, 
nur im Zusammenspiel mit der normalen Auf-Zu-Schaltung nicht.

PS: Ein funktionierender Tipp bringt Dir ein Fläschchen leckeren Whiskey 
ein... - wenn Du magst.

[Stefan F. (Gast)]

Ohne Betriebsspannung kann man kein Signal ausgeben, so einfach ist das. 
Du bräuchtest schon eine Batterie oder zumindest einen dicken 
Kondensator.

Die Erkennung des Ausfalls und das Erzeugen des Signals würde ich mit 
einem kleinen µC erledigen. Sicher geht das auch irgendwie mit einer 
Logikschaltung.

Eventuell geht es mit einem simplen Relais (2xUM), welches dein MV bei 
Stromausfall mit dem Notfall-Kondensator verbindet und zugleich von der 
H-Brücke abkoppelt.

[Gerd E. (robberknight)]

Stefan hat natürlich Recht daß zum Abschalten Energie benötigt wird. Ich 
vermute mal, daß dafür die Ladungspumpe und der Kondensator gedacht ist 
und in dem die Energie zum Abschalten vorgehalten werden soll.

Zum sicheren Abschalten sehe ich 2 Lösungsvarianten:

1.) Der Mikrocontroller, der jetzt schon die Steuerung übernimmt, wird 
über Spannungsregler und Diode an der bisherigen Versorgung zusätzlich 
aus dem Kondensator versorgt. Die Diode an der bisherigen Versorgung 
stellt sicher, daß die Energie aus dem Kondensator nicht rückwärts in 
die reguläre Versorgung fließt und nur den µC versorgt.

Der µC hat einen Eingangspin, mit dem er auf die reguläre Versorgung 
"schaut" und damit einen Ausfall erkennt. Er nimmt dann seinen ganz 
normalen Programmcode um das MV umzuschalten.

Vorteil dieser Lösung ist daß die bestehende Logik zum Umschalten mit 
Behandlung der verbotenen Zustände und Dead-Time mitgenutzt werden kann.

Nachteil ist, daß wenn der µC zu viel Strom verbraucht, der Kondensator 
nicht mehr reicht. Das geht also bei nem kleineren µC, z.B. 
Atmega-Klasse, gut. Wenn das dagegen ein dickes "Raspi-Schlachtschiff" 
ist, wird das nix.

2.) Du verwendest extra Logik-ICs die den Spannungsausfall erkennen und 
dann dem µC die Hohheit über die Steuerung der H-Brücke entziehen und 
selbst die H-Brücke korrekt ansteuern. Auch hier muss natürlich die 
Dead-Time beachtet werden. Und für normale Logik-ICs (z.B. 74HC) 
brauchst Du auch einen Spannungsregler wie oben.

Diese Lösung würde ich nur wählen, wenn Variante 1 gar nicht geht.

Noch ein zusätzlicher Punkt den ich beachten würde: die Ladungspumpe 
braucht direkt nach dem Einschalten etwas Zeit bis der Kondensator 
geladen ist und genug Energie gespeichert hat um das MV wieder sicher 
abschalten zu können. Wenn in diesem Moment die Stromversorgung wieder 
wegfällt, hast Du ein Problem wenn Du das MV schon in den unsicheren 
Zustand geschaltet hast. Du solltest also die Spannung des Kondensators 
messen und erst dann umschalten, wenn die Ladespannung hoch genug ist.

Dafür z.B. einen Spannungsteiler nehmen und über den mit dem ADC des µCs 
messen.

[Gerd E. (robberknight)]

Anbei zur Anregung noch ein Ausschnitt aus einer Schaltung von mir zur 
Ansteuerung eines bistabilen Relais. Das verwendet auch nur eine 
Wicklung die umgepolt werden muss.

Man beachte C25. Durch den spare ich mir die H-Brücke und komme nur mit 
einer Halbbrücke (Q10 und Q11) aus. Außerdem wird ohne zusätzliche 
Pulsschaltung oder sonstiges nur dann Strom verbraucht wenn wirklich 
geschaltet werden muss.

C25 speichert außerdem gleich die zum Ausschalten nötige Energie. Das 
ist bei meiner Schaltung wichtig, da dort nach Wegfall der 
Versorgungsspannung erst nach einiger Zeit ausgeschaltet werden soll. 
Daher der Low-Leakage Kondensator.

"Relais-Supply" liegt bei mir auf 10 bis 24V, da war die Ansteuerung mit 
bipolaren Transistoren einfacher als mit FETs. Das ist übrigens noch ein 
weiterer Vorteil dieser Schaltung: obwohl es sich um ein 12V-Relais 
handelt, kann ich es ohne Schäden mit 24V schalten. Die Energie ist 
durch den Kondensator begrenzt, fließt nur einmal beim Ein- bzw. 
Ausschalten und liegt daher noch gut im Toleranzbereich des Relais.

@Jürgen: Du könntest es bei Dir ähnlich machen und Dein MV nicht mit den 
5V schalten, sondern immer aus der durch die Ladungspumpe erhöhten 
Spannung.

[Jürgen H. (Firma: privat) (zappa2)]

Euch erst mal wieder besten Dank!

Gerd E. schrieb:
> zum Abschalten Energie benötigt wird. Ich
> vermute mal, daß dafür die Ladungspumpe und der Kondensator gedacht ist
> und in dem die Energie zum Abschalten vorgehalten werden soll

Ja klar. Und ganz nebenbei wird alles komplett über Batterie betrieben, 
muss also in jeder Phase möglichst stromsparend agieren.

Gerd E. schrieb:
> Der µC hat einen Eingangspin, mit dem er auf die reguläre Versorgung
> "schaut" und damit einen Ausfall erkennt. Er nimmt dann seinen ganz
> normalen Programmcode um das MV umzuschalten.

Das werde ich unmittelbar nach Eintreffen der MOSFET-H-Bridge mal 
testen; habe einfach keine Ahnung, ob die Ladungspumpe das zeitlich 
schafft, den ATMEGA (den ich in der Tat nehme) dessen IRQ-Behandlung 
machen zu lassen und anschließend über die Brücke dem MV 'die richtige 
Richtung' zu verpassen. Der Ladungspumpe darf man meinen Recherchen 
zufolge ja auch nicht beliebig größere Cs verpassen.

PS: Alles andere ... off-List.

[Gerd E. (robberknight)]

Jürgen H. schrieb:
> Und ganz nebenbei wird alles komplett über Batterie betrieben,
> muss also in jeder Phase möglichst stromsparend agieren.

Die Frage ist wieviel Ehrgeiz Du hier für das Stromsparen entwickeln 
möchtest. Da kann man sich ziemlich austoben.

Du Ladungspumpe dürfte, wenn sie die ganze Zeit läuft, einiges an 
Verlusten erzeugen. Wenn Du die Variante aus meinem Schaltplan oben 
verwendest, könntest Du z.B. die Ladungspumpe zeitgesteuert schalten. 
Also einmal am Anfang zum Umschalten des MV und danach dann nur alle 
paar Minuten mal kurz zum Nachladen des Kondensators.

>> Der µC hat einen Eingangspin, mit dem er auf die reguläre Versorgung
>> "schaut" und damit einen Ausfall erkennt. Er nimmt dann seinen ganz
>> normalen Programmcode um das MV umzuschalten.

Die Info mit Batterieversorgung fehlte mir. Ich vermute jetzt mal Du 
möchtest primär den Zustand "Batterie leer" erkennen und abfangen, nicht 
daß jemand die noch gut gefüllte Batterie absteckt.

Das wird mit einer einfachen digitalen Pin-Abfrage am Atmega nicht gut 
funktionieren. Denn der Pin schaltet irgendwo zwischen 0,7*Vcc und 
0,3*Vcc erst auf Low um. Die Batteriespannung geht ja nur langsam runter 
und wenn sie in diesem Bereich landet, hat die Ladungspumpe vermutlich 
schon länger nichts mehr zu Pumpen gehabt.

Da bräuchtest Du also einen Spannungsteiler und den ADC um die aktuelle 
Batteriespannung zu messen.

> Das werde ich unmittelbar nach Eintreffen der MOSFET-H-Bridge mal
> testen; habe einfach keine Ahnung, ob die Ladungspumpe das zeitlich
> schafft, den ATMEGA (den ich in der Tat nehme) dessen IRQ-Behandlung
> machen zu lassen und anschließend über die Brücke dem MV 'die richtige
> Richtung' zu verpassen.

Hmm. Wie schnell erwartest Du denn daß die Spannung fällt? Wenn es, wie 
oben vermutet, um das langsame Fallen der Batteriespannung geht, mache 
ich mir da überhaupt keine Sorgen. Selbst wenn Du den ADC aus 
Stromspargründen nur einmal die Minute messen lässt, würde das noch 
locker reichen.

> Der Ladungspumpe darf man meinen Recherchen
> zufolge ja auch nicht beliebig größere Cs verpassen.

Klar. Wobei Du aber auch wieder zwischen dem geschalteten Kondensator 
(bei Dir links) und dem Ausgangskondensator (bei Dir rechts) 
unterscheiden muss. Bei letzterem kannst Du deutlich höher gehen.