Controllerschaltung im KFZ einsatz und Entstörmaßnahmen

[Powell]

Hallo zusammen,

ich habe eine Controllerschaltung für den Einsatz im KFZ gebastelt, genauergesagt handelt es sich um Go-Karts die mit Zweitaktermotoren ausgestattet sind, etwa vergleichbar mit Motocrossmotoren oder ähnlichen Mopedmotoren.

Ich habe nun folgendes Problem: Meine Schaltung fängt sich immense Störungen durch die Zündung ein. In meinem Fall äußert es sich darin, dass der Controller bei laufendem Motor mehrere Eingangssignale in der Minute registriert und den entsprechenden Befehl ausführt, obwohl tatsächlich gar kein Eingangssignal gegeben wurde, außerdem bekommt der Controller ebenfalls mehrmals pro Minute einen Reset.

Zu meiner Hardware: Den Schaltplan könnt ihr euch in der angehängten Datei anschauen. Der Controller bekommt zwei Eingangssignale über Portb.3 und .4, die mit je einem externen Pullup ausgestattet sind. Durch einen Taster werden sie auf GND gezogen und mit debounce in der Software ausgewertet. Die Schaltung ist auf einer ca. 50x100mm einseitigen Leiterplatte aufgebaut und wird in einem 50x100x120 großen Aluminiumgehäuse mit Kunststoffdeckeln eingebaut. GND der Leiterplatte ist nicht mit dem Aluminiumgehäuse verbunden und ebenfalls nicht mit der Fahrzeugmasse verbunden, gegen die die Zündspannung wirkt.
Das Gehäuse ist in etwa 50cm Entfernung zum Motor und damit Zündkabel montiert. Aus dem Gehäuse gehen Leitungen für Spannungsversorgung und Signaleingänge mit einer Länge von 1,20m bzw. 2m. Die Leitungen sind allesamt ungeschirmt und werden in etwa 60cm entfernung vom Motor auf dem Kartrahmen verlegt.

Ich habe nun wirklich kaum Ahnung von Störungen und Entstörmaßnahmen, und kann daher nur seeehr wage Vermutungen aufstellen, und hoffe von euch evtl. eines besseren belehrt zu werden.

Folgendes ist meine Theorie:

Durch den Zündfunke entsteht in der Umgebung des Zündkabels ein starkes elektrisches (oder magnetisches?) Feld. Durch dieses Feld wird eine Spannung in sich in der Umgebung befindlichen Leitungen induziert. Diese Spannung liegt dann zwischen der betroffenen Leitung und dem Potential an, gegen das die Zündspannung anliegt (Fahrzeugmasse) (???).

Es sollte nun die Möglichkeit geben mit Kondensatoren und/oder Spulen direkte Maßnahmen auf der Platine gegen Störsignale zu treffen. Hierzu will ich aber gar nicht erst Vermutungen aufstellungen, da ich hiervon weniger als wenig Ahnung habe - ihr seit hierzu gefragt :-k

Weiterhin gibt es die Möglichkeit das Gehäuse zu schirmen, dazu muss man irgendein Potential der Schaltung mit dem Aluminiumgehäuse verbinden - hierzu ebenfalls keine Vermutungsaufstellung weil keine Ahnung - was hat es damit auf sich?

Die Dritte Möglichkeit ist noch, die Leitungen zu schirmen, hierzu wieder die wage Vermutung, dass die oben angesprochene induktion im Schirm stattfindet statt in den Leitungen, was diese induzierten Spannungen verhindert - wie gesagt, wage Vermutung. Wo muss nun dieser Schirm an der Leitung aufgelegt werden? Am Gehäuse? Und muss das noch mit einem Potential auf der Leiterplatte verbunden werden?

Ok, das sollte für den Anfang als Input reichen, ich hoffe auf rege Diskussionsbeteiligung und gute Ideen, wie gesagt, ich bin was diese Thematik angeht noch absoluter Laie.

Vielen Dank im Voraus,

[Robbersoft]

Entstördrossel an 12V+, deine Portleitungen einseitig gegen Masse und evtl. Gehäuse abschirmen.

[teslapower]

das könnte dich interessieren:
http://www.dse-faq.elektronik-kompendium.de/dse-faq.htm#F.23

MFG teslapower

[Powell]

Hallo zusammen,

@Robbersoft: danke für deinen Vorschlag, du müsstest ihn mir bitte noch mal genauer erläutern. Wie gesagt: Laie was das angeht. Wie muss diese Entstördrossel wo in die Schaltung eingefügt werden und welche Spule mit welcher Induktivität brauche ich dafür?
Genauso mit den Porteingängen: Was bedeutet "einseitig gegen Masse bzw. Gehäuse abschirmen"?

[teslapower]

Du hast den Link nicht wirklich beachtet?! Steht doch alles drin!
Es gibt auch bei Atmel eine Application Note für Automotive...

[Powell]

Hi,

hmm, ok hatte mir den Link schon mal angeschaut. Bin aber eher davon ausgegangen, dass hier das Hauptaugenmerk eher darauf gelegt wurde, dass das Bordnetz wegen Lima-Einspeisung, Anlasser etc. so unsauber ist. Im Kart hat man keine Lima und keinen Anlasser, sondern eine extra Batterie nur für Elektronik. Im Gegenzug werden die Zündanlagen aber nicht auf Entstörung sondern gute Performance optimiert, da es im gegensatz zu straßenzugelassenen KfZ keine Gesetzesvorgaben bezüglich Entstörmaßnahmen gibt - daher hatte ich mir eine möglichst allgemein gehaltene und gut verständliche Erklärung dieser Phänomene erhofft, damit ich mir meinen eigenen Reim drauf machen kann.
Aber gut, ich werd mal die Vorschläge dort ausprobieren und schauen ob sich was draus machen lässt.

[D.Düsentrieb]

Hallo Paul

Warum schirmst du nicht einfach die Zündleitung und den Zündkerzenstecker ab? Das wird (zumindest bei alten) Militärfahrzeugen auch gemacht, die Funkgeräte mitführen. Die hatten vollständig abgeschirmte Zündverteiler, Kabel und Kerzenstecker. Somit würdest du das Übel direckt an der Wurzel packen.

Gruess Toni

[Powell]

Hi Toni,

Das geht? Nunja wenn das so ist werd ichs mal ausprobieren, wäre natürlich spitze wenn das klappt. Besser würde es mir natürlich trotzdem gefallen wenn ich es schaltungstechnisch lösen könnte - und wenn mir jemand mal erklären würde was man eigentlich unter "Störungen" versteht ;)

[digger]

Hallo Powell,

Ich denke, so spezielle Zündkabel schlagen ganz gut ins Budget..?
Du kannst vorerst noch manches an der Schaltung verbessern.

D11 kann weg, D2 reicht als Verpolschutz.
Dadurch ist Gnd der Schaltung auf dem selben Potential wie das Chassis, das erleichtert weitere Entstörmassnahmen.
Das Gehäuse würde ich auf jeden Fall erden, es wirkt sonst wie eine Antenne.

D1 hat keine Strombegrenzung, wenn die Z-Spannung überschritten wird und könnte eventuell abrauchen. Besser durch einen Varistor
S07/K14 oder S10/K14 ersetzen.
(Falls d1 eine Z-Diode ist,manchmal hat man ja nicht das richtige Eagle-Symbol parat.)

Vcc am Tiny nochmal mit 100nF abblocken
Der Reset-Eingang kann noch einen externen Kondensator 0,1 bis 0,47µ gegen Masse vertragen,
am besten Tantal, Elko geht aber auch.

Die Leitungen zum Taster kann man entstören, indem man Reihenwiderstände ( pi*Daumen 47-200 Ohm)
einfügt. Zusammen mit einem Kondensator am Port-Pin ergibt sich ein Tiefpassfilter.
Um den genau zu dimensionieren müsste man wissen in welchem Bereich sich die Zündfrequenz/Drehzahl bewegt.

Erstmal viel Erfolg
Digger

[teslapower]

Vcc am Tiny nochmal mit 100nF abblocken
hat er doch

so, jetzt kopier ichs extra nochmal hier rein


2A SB340 7805 +5V/1A
1A Drossel 1N4001 78M05 +5V/500mA
+------+
UBat --Sicherung--47uH--+--|>|--+--|Regler|--+--
| | +------+ |
Transil P6KE22A 220uF/35V | 100nF
| | | |(siehe Spannungsregler-Datenblatt)
Masse ------------------+-------+------+-----+--



+-|>|- +5V
|
Eingang --10k--+--10k--+--| µCEingang
| |
10nF +-|<|- GND
|
GND


und D11 muss natürlich weg

[D.Düsentrieb]

Hallo Powel

Die günstigste Version, die Zündkabel abzuschirmen, wäre villeicht ein Abschirmgeflecht (gibts zB. bei Conrad) das einfach über die Zündkabel gezogen, und auf einer seite an Masse gelegt wird. Es muss natürlich beachtet werden, dass die Kabel unbeschädigt sind. sonst könnte es zu Zündaussetzern kommen, falls das Kabel durchschlägt. Dazu noch abgeschirmte Kerzenstecker, die man bei jedem Mopedmechaniker bekommt und schon hat man eine abgeschirmte Zündleitung. Die Zündspule; vermute ich, ist sowieso unter dem Schwungrad oder einer Abdekung und muss nicht speziell abgeschirmt werden.

Dies wäre sicher ein Versuch wert, bevor die ganze Schaltung überarbeitet werden muss und schlägt auch nicht allzufest aufs Budget.

Ich möchte hier niemandem zu nahe treten, aber ich denke, dass dies die bessere Lösung ist, weil ja keine Spannungsspitzen usw.von Generatoren, Elektromotoren oder Relays die Versorgungsspannung beeinträchtigen und diese gefiltert werden muss. Bitte belehrt mich, wenn dem nicht so sein sollte. Ich bin nur Fahrzeugelektriker und kein Elektronikgenie......

Gruss Toni

[kalledom]

Hallo Toni,
dann finde ich es aber schon merkwürdig, daß Millionen elektronische Geräte (den Boardrechner im KFZ selber mal ausgenommen) in Millionen Fahrzeugen mit Zündspulen störungsfrei funktionieren, obwohl Zündkabel und Kerzenstecker nicht abgeschirmt sind.

[D.Düsentrieb]

Hallo Karl-Heinz
In einem normalen KFZ hat es auch ein Bordnetz, dass eben aus unzähligen verbrauchern und nem Stromerzeuger besteht. an diesem Bordnetz ist auch die BATTERIEZÜNDUNG dran, die sowol primär,- als auch sekundärseitig ins Bordnetz einstreut. Solch eine Zündanlage wird auch entstört, indem man Zündkabel die einen Wiederstand von ca 5 K Ohm haben verwendet, um den max. Strom zu begrenzen. In einem GoKart wird vermutlich nur ein normales Hochspannungskabel mit Kupferlitze verwendet, da ja auf keine Elektronik und so Rücksicht genommen werden muss, dafür aber die volle Zündspannung zur verfügung steht.

Beim beschriebenen GoKart gibt es das so aber nicht. Die Zündanlage ist ein Magnetzünder, der seine Spannung selber erzeugt. Die Schaltung, die nachträglich verbaut wurde, wird aber von einer Batterie gespiesen. Soweit ich das mitgekriegt habe, gibt es nicht mal nen Generator, der die Batterie nachlädt. Folglich gibt es auch keine verbindung von der Zündanlage zur verbauten Elektronik. Also kein Bordnetz.

[Powell]

Hi zusammen,

danke erstmal für all eure Beiträge.

@ Digger: Zur D11: Ich hatte mal aufgeschnappt, dass es besser wäre, wenn die Elektronikmasse nicht gleich Fahrzeugmasse ist.

Klärt mich bitte auf, der Punkt ist wirklich sehr wichtig: Ist es Abschirmungstechnisch besser, wenn Elektronik GND gleich dem Potenzial ist gegen das die Zündspannung anliegt?

Gehäuse Erden heißt also mit Fahrzeugmasse verbinden?

Was den Tiefpassfilter angeht wird er beim Elektronikkompendium (siehe Post von Teslapower) mit 10k 10nF 10k ausgeführt. Was das Frequenzspektrum angeht bewegt sich die Motordrehzahl zwischen 35 und 200 Hz, allerdings schwingt das Zündsignal auch noch etwas nach, ich weiß also nicht genau was man dann als Frequenz annehmen sollte...

[Powell]

Korrekt Toni, Keine Lichtmaschine etc., keine Verbindung von Zündung zu Elektronik.

[kalledom]

Meiner Meinung und meinen Erfahrungen nach muß ALLES einen Bezugspunkt haben, und zwar einen gemeinsamen.
Wenn in Elektroanlagen Elektronik (mit oder ohne µC) eingebaut wurde, mußte ich bisher den GND immer mit dem Schutzleiter verbinden, der wiederum am Gehäuse und allen anderen leitenden Teilen angeschlossen war. Es gab einen günstigen Punkt, an dem die 230V mit Schutzleiter zum Schaltnetzteil geführt wurden, der GND aus dem Schaltnetzteil kam und eine Schraube am Gehäuse zu Verfügung stand. Das war die ideale Zusammenführung von SL, GND und Gehäuse aus elektronischer Sicht.
Aus elektrischer Sicht (VDE) gab es am Elektroschrank einen Punkt (Schraube), von dem aus Schutzleiter (6...10mm²) an weitere leitende Teile der Anlage geführt wurde.
Somit verteilte sich der Schutzleiter sternförmig von einem Punkt aus, Schleifen wurden unterbunden. Das Gleiche gilt für den 'elektronischen' Sternpunkt.
Ansonsten stürzte bei jeder statischen Entladung im Raum die Elektronik ab oder wurde sogar zerstört.
Es war sogar möglich, daß es bei offenen 19"-Einschüben zu Störungen kam, die nach Schließung durch Frontplatten (mit Metall-Nippeln) und einer Rückwand nicht mehr auftraten.
Alle Sensoren und Aktoren waren über Optokoppler galvanisch von der Elektronik getrennt. Trotzdem konnten bei Blitz-Entladungen mit einem Prüfgerät Spitzen in der Elektronik gemessen werden. Ausfälle waren dabei selten.
PS: Der Zündfunke breitet sich elektro-magnetisch aus; das ist bei jedem elektrischen Funken. Deshalb müssen in diesem Fall meiner Meinung nach die elektro-magnetischen Wellen abgeleitet werden, bevor sie die Elektronik erreichen. Das geht nur über das Metallgehäuse, das gut mit dem Chassis verbunden ist.

[digger]

"@ Digger: Zur D11: Ich hatte mal aufgeschnappt, dass es besser wäre, wenn die Elektronikmasse nicht gleich Fahrzeugmasse ist."

Da stimme ich dir zu, solange die Controllerschaltung eine eigene Spannungsversorgung hat.
Das erhöht aber den Schaltungsaufwand (Optokoppler), sobald irgendein Signal aus der Fahrzeugelektrik ausgewertet werden soll (Zündung, Öltemperatur...).

Die Grenzfrequenz der Tiefpassfilter würde ich unterhalb der
kleinsten Drehzahl z.B 20Hz ansetzen, dann ist man auf der sicheren Seite und die Taster sind damit auch entprellt.
f=1/(2piRC) --> R=3,6k C=2,2µ oder 1,69k/ 4,7µ
Die Eingangsspannung am Tiny bei gedrücktem Taster wäre dann 1,32 bzw. 0,72 V.

Grüsse
Digger

[Powell]

Die Controllerschaltung hat ja eine eigene Spannungsversorgung. Und es müssen auch keine Signale ausgewertet werden - das System ist komplett autark. Also lasse ich D11 drin? Widerspricht aber kalledoms aussage...

Was den Tiefpassfilter angeht: Bei der o.g. El-Ko Schaltung wird mit 2 R a 10k gearbeitet und dazwischen 10nF. Warum dort 2 Widerstände?
Wenn ich mal nachrechne ist dieser Filter für ca. 1,6 Khz ausgelegt!?

Die Rechnung von Digger macht mir einen Symphatischeren Eindruck, das werde ich auf jeden Fall ausprobieren. Noch eine Frage zur positionierung der Bauelemente: Den C so dicht am Controllerpin wie möglich, ja? Und den Widerstand? Direkt an die Klemme oder auch so nah wie möglich an den Pin oder ist es egal?

[JonnyP]

Eigentlich wurde hier schon fast alles gesagt, aber nicht ausgeführt.
D11 ist Blödsinn. Die Massen miteinander verbinden, denn eine schwebende (floting) Schaltung ist nur eine Antenne. Zenerdiode D1 braucht einen Reihenwiderstand. In die 12V-Leitung eine Drossel. Kondensatoren direkt am Tiny. Die Pullup-Widerstände würde ich ein bischen "härter" machen und auf 4k7 ändern. Die Inputs zum Tiny mit abgeschirmten Kabeln. Wenn das nicht ausreicht muss eben der Sender zusätzlich entstört werden, mit abgeschirmten Zündsteckern und -kabeln.

[Powell]

Hi,

die Schaltung funktioniert jetzt! Danke für eure Hilfe.
Habe eine 50µH Drossel eingesetzt und die Schutzbeschaltung für die Eingänge entsprechend dem Vorschlag aus dem Elektronikkompendium.
Außerdem den Reset direkt auf Vcc.