Schaltung: 24 V Magnetventil an Mikrokontroller

[Fehlzuender]

Hallo,

ich möchte die Profis einmal auf meinen Schaltungsentwurf schauen lassen, bevor ich Blödsinn zusammenlöte.

Worum geht’s? – Mit einem Ausgangs-Pin eines Atmega8 soll ein 24 V-Magnetventil geschaltet werden. Die 5V-Elektronik soll über einen Optokoppler von den 12V und 24V-Kreisen galvanisch getrennt sein. Der Optokoppler bedient mit 12 V einen Mosfet, der letztlich genug Power für das Magnetventil zulässt (1A, 24 V).

Das ließe sich mit einem Relais sicherlich simpler gestalten, aber ich bilde mir ein, dass ein Mosfet zuverlässiger ist. Falls sich jemand fragt, weshalb ich die 12 V verwende – die ganze Schaltung hängt hinterher an einer Autobatterie, also hab ich die 12 V sowieso.

Bitte seht euch mal den Schaltplan an, ob das so Sinn macht und ob geeignete Bauteile und Widerstandswerte ausgesucht wurden:

R1 10 KOhm als Pull-Down

R2 390 Ohm als Vorwiderstand für Diode in Optokoppler

C1 100 nF Kerko (Dämpfung –Vielleicht überflüssig?

Optokoppler 4N25 (davon hab gerade genug hier rumliegen, Datenblatt: http://www.reichelt.de/index.html?&ACTION=7&LA=3&OPEN=0&INDEX=0&FILENAME=A500%252F4N25.pdf )

R3 500 Ohm als Vorwiderstand für LED

LED (Rot Standard, Betriebsspannung 2,0 bis 2,5 V, Gruppenstrom 25 mA) zur Anzeige des Schaltzustandes

R4 270 Ohm als Vorwiderstand für Mosfet-Gate

R5 10 KOhm als Pull-Down

Mosfet IRF 540 (davon hab ich hier rumliegen, Datenblatt: http://www.reichelt.de/index.html?&ACTION=7&LA=3&OPEN=0&INDEX=0&FILENAME=A100%252FIRF540N_IR.pdf )

Magnetventil 1A, 24 V

Schutzdiode 1N4002


Verbesserungsvorschläge sind gern gesehen!

Vielen Dank,
Johannes

[BMS]

Hallo,
insgesamt sieht das schon ganz ordentlich aus.
Wozu ist der 10k-Widerstand an dem ATmega8-Pin gedacht? Selbst wenn der Pin mal hochohmig wäre, bleibt die LED aus ;)
Den 100nF-Kondensator kann man weglassen. Der verlängert hier etwas die Anstiegszeit und könnte kurze Spitzen rausfiltern, aber damit dürfte eigentlich nicht zu rechnen sein (außer wenn lange Kabel zwischen ATmega und Optokoppler sind und mit Einkopplungen zu rechnen wäre).
Mit der LED auf der Transistorseite wäre ich vorsichtig, der Optokoppler kann diese Last eventuell gar nicht richtig treiben, bzw. nur bei hohem Strom durch die Optkoppler-LED. Das müsste man mal im Datenblatt nachschauen.
Die LED könntest du auch einfach auf die ATmega8-Seite verschieben. Stromsparmöglichkeit: Optokoppler-LED und Signal-LED in Reihe schalten, spart sogar auch noch einen Widerstand ein ;)
Die Beschaltung des MOSFETs stimmt, die Freilaufdiode ist richtig verbaut und der geplante Typ sollte ausreichen. Gatevorwiderstand und Gateableitwiderstand sind vorhanden und die Größenordnungen stimmen auch. Mit 12V am Gate sollte der IRF540 auch vernünftig schalten. Prima ;)

Grüße,
Bernhard

[Fehlzuender]

Hallo Bernhard,
okay den 10k-Widerstand und den Kondensator lasse ich gerne weg.
Die LED habe ich nicht auf die ATmega-Seite gesetzt, weil der ATmega auch noch andere Ausgänge versorgen soll, da wollte ich ihn möglichst entlasten. Kannst du aus dem Datenblatt ersehen, ob ich die LED dort lassen kann? Ich habe keine Ahnung welcher der Werte der ausschlaggebende ist: https://cdn-reichelt.de/documents/datenblatt/A500/4N25.pdf

Unterschiedliche LEDs habe ich auch noch nie in Reihe geschaltet. Käme vielleicht auf einen Versuch an.
Grüße,
Johannes

[Besserwessi]

Wenn das am Auto betrieben werden soll, fehlt ein Schutz gegen Störungen aus dem Boardnetz, etwa eine Widerstand in Reihe und eine Zenerdiode/Transsorb und ein Kondensator dazu. Die Last hinter dem Optokopper ist auch reichlich hoch - viel mehr als etwa 10 mA kann man da kaum Verlangen, das wären 1 K als minimaler Arbeitswirstand. Auf den Extra Widerstand zum Gate kann man verzichten, die Schaltung mit dem OK ist nicht so niederohmig. Die LED vom Optokoppler braucht auch für 10 mA vermutlich schon etwa mehr Strom.

Bei der Freilaufdiode wäre zu überlegen da eine schnelle Diode zu nehmen: dann kann man das Magnetventil nach dem Anziehen mit PWM und reduziertem Strom betreiben für weniger Stromverbrauch und Erwärmung. Meist reicht zum angezogen halten ein viel kleinerer Strom.

[White_Fox]

Kannst du aus dem Datenblatt ersehen, ob ich die LED dort lassen kann? Ich habe keine Ahnung welcher der Werte der ausschlaggebende ist


Phototransistor
Collector-Emitter Voltage, VCEO 30V
Emitter-Collector Voltage, VECO 7V
Collector-Base Voltage, VCBO 70V
Continuous Collector Current, IC 100mA
Detector Power Dissipation, PD 200mW


100mA sind reichlich bemessen. Rund 20mA für die LED plus 5mA Ladestrom, das sollte den Optokoppler nicht sehr stressen. Da kannst du die LED sogar lassen wo sie ist.

[Besserwessi]

Die 100 mA sind bei den Maximum ratings. Das ist nur der Strom der maximal fließen darf, damit nichts kaputt geht. Allein vom Licht der LED fließt aber vermutlich nie so viel Licht. Da ist der Wert vom CTR wichtig. CTR > 20% heißt hier dass der Strom auf der Ausgangseite mindestens 20% des LED Stromes erreichen kann. Wenn man der LED im Optokopper also 20 mA gönnt (viel mehr schafft der µC nicht zuverlässig) sind also nur 4 mA auf der Ausgangsseite garantiert. Real könnten es ggf. 10 mA sein wenn der Optokoppler kalt und neu ist, aber viel mehr eher nicht. Selbst mit den 60 mA die der OK auf der Eingangsseite maximal verträgt sind nur 12 mA garantiert.

Die LED könnte man schon auf die Ausgangseite verlegen: einfach direkt in Reihe zum Optokoppler. Der MOSFET braucht nicht die vollen 12 V zum schalten. 1,5 bis 2 V weniger stören da nicht. Die LED bekommt dann zwar eher kleine 20 mA, sondern nur etwa 2-4 mA, aber das reicht den meisten LEDs um genügend hell zu leuchten. Der Widerstand nach GND bzw. Source des MOSFETs sollte entsprechend eher so bei 2,7 - 3,3 K liegen.

[Fehlzuender]

Vielen Dank Euch!
@Besserwessi: Ja um den Schutz vor Spannungsspitzen muss ich mir auch noch Gedanken machen... kommt später.
Welche Schutzdiode am Ventil würdest du nehmen?
Habe ich deinen Vorschlag mit der Reihenschaltung richtig verstanden, so wie ich es jetzt gezeichnet habe?

[Besserwessi]

Für rund 20 mA auf der Sendeseite bräuchte man etwa 180 Ohm.

Die Schaltung von LED und Optokoppler passt so weit schon - nur die 3 K sind am falschen Platz. Da würden etwa 100-500 Ohm passen, als Teil des Überspannungsschutzes (Kondensator+Transsorb/Zenerdiode).
Der jetzt 10 K Widerstand im Plan sollte auf etwa 3 K reduziert werden, ggf. auch etwas mehr wenn die LED weniger Strom bekommt.

Ein schnelle Diode wäre etwa eine UF400x.

[White_Fox]

Allein vom Licht der LED fließt aber vermutlich nie so viel Licht. Da ist der Wert vom CTR wichtig. CTR > 20% heißt hier dass der Strom auf der Ausgangseite mindestens 20% des LED Stromes erreichen kann.
Hm...wieder was gelernt.
Im Datenblatt ist der CTR aber nur mit >6% angegeben. Der maximale, dauerhafte Diodenstrom darf laut DB aber 60mA betragen. Das hieße doch maximal 3,6mA durch den Fototransistor. Dabei würde der µC am Ausgangspin hoffnungslos überlastet, und die LED kann man mit Glück bei Tageslicht gerade noch so erkennen, außer er nimmt eine extrahelle LED. Dann bleibt immer noch das Problem mit der Überlastung des ATMegas.

Wie wäre es mit einem anderen Optokoppler, z.B. den hier:
http://www.reichelt.de/4N-32/3/index.html?&ACTION=3&LA=446&ARTICLE=2513&artnr=4N+32&SEARCH=optkoppler


Typ. Vorwärtsspannung: 1,25 V
Typ. Vorwärtsstrom: 50 mA
Max. Vorwärtsspannung: 1,5 V
Max. Vorwärtsstrom: 60 mA
Collector-Emitter-Spannung: 30 V
Collector-Strom: 150 mA
Isolationsspannung I/O: 3750 V
CTR: 500 %

[Besserwessi]

Beim 4N25 gibt es wohl je nach Hersteller etwas andere Daten. Vishay gibt CTR >20% , bei 10 mA an.

Mit einem Optokoppler mit mehr CTR geht es dann einfacher, bzw. auch mit 5-10 mA auf der Sendeseite. Es muss nicht gleich eine Darllington Version sein - es gibt auch normale Optokoppler mit 100% CTR, etwa den 4N35.

[H2R2]

Tipp, mit einem integrierten Spulentreiber braucht der Optocoupler nur einen sehr geringen Logikstrom zur Steuerung aufzubringen und schaltet sicher, wenn der Eingang auch eine Hysterese hat, wie z.B. der iC-GE. Die automatische Stromregelung kann auch den Strom nach der Einschaltzeit den Strom absenken. Die intelligent Stromsteuerung ist hier beschrieben: http://www.ichaus.de/wp8_whitepaper_de .

[Fehlzuender]

White Fox und Besserwessi, soweit ich das als Laie sehe, ziehen der 4N32 und der 4N35 aber einen typ.Vorwärtsstrom von 50 mA , was ein bisschen viel für den Mega8 ist. Der darf nur 40 mA pro Pin. Oder es müsste noch ein Transistor zwischen Pin und Optokoppler?

H2R2, danke für das Wort Spulentreiber. Kannte ich noch nicht, beim weitergoogeln bin ich auch noch auf PROFETs gestossen, die wohl auch eine Möglichkeit sind. Allerdings verkomplizieren und verteuern die das ganze ... für die SMDs bräuchte ich dann noch Adapterplatinen damit ich die auf mein Streifenraster bekomme.
Stromsparen ist in dies Fall nicht nötig, es geht um altes landwirtschaftliches Gerät, in dem sowieso Unmengen von Diesel verschwinden...

An meiner LED will ich mich nicht festbeißen, die kann auch hinter den Mosfet.

Edit: noch ein Gedanke: wenn ich vor dem Opto einen Transistor hätte, dann gäbe es möglicherweise einen Opto der die 24V 1A direkt verträgt, sodass ich mir den Mosfet sparen kann?

[White_Fox]

White Fox und Besserwessi, soweit ich das als Laie sehe, ziehen der 4N32 und der 4N35 aber einen typ.Vorwärtsstrom von 50 mA , was ein bisschen viel für den Mega8 ist. Der darf nur 40 mA pro Pin. Oder es müsste noch ein Transistor zwischen Pin und Optokoppler?
Mein Gedanke war eher, den Vorwärtsstrom nicht auszureizen. Sondern nur so viel, das der Optokoppler hinten gerade genug hergibt. Wenn wir mal vom CTR 500% ausgehen, dann reichen 6mA am ATMega-Pin, um 30mA am Ausgang zu treiben. Was für deine Anwendung völlig genügt.