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Schaltungsauslegung für Schalten mit dig italem Ausgang

Hallo,

da ich studientechnisch eher aus der Informatik-Richtung komme (Computational Engineering) und nur sehr oberflächliche Elektronik-Kenntnisse besitze wollte ich euch um Hilfe bitten.

Ich möchte eine induktive Last (hydraulisches Quetschventil, 850 mA bei

12 V DC) über einen digitalen Ausgang vom PC aus ein- und ausschalten. Hierzu verwende ich das I/O-Gerät "NI USB-6009" von National Instruments (Produktseite:
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Es verfügt über digitale Ausgänge, welche als open-collector oder active-drive konfiguriert werden können. Beim open-collector-Betrieb haben sie 5 V DC, bei active-drive 3.3 V DC. Der Maximalstrom beträgt 8.5 mA pro Kanal (das Gerät wird ausschließlich über USB versorgt).

Wegen des begrenzten Stroms habe ich mir überlegt die Last über ein Relais zu schalten, welches wiederum von einem Transistor geschalten wird dessen Basis mit dem digitalen Ausgang verbunden ist im active-drive Betrieb. Ich verwende hierzu den NPN Darlington Transistor "BD 679A" (Datenblatt:

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Mein Relais hat einen Spulen-Widerstand von 700 Ohm und eine Spulen-Leistung von 0.206 W bei 12 V DC. Es wird über ein 12V AC/DC Netzteil (Schaltnetzteil - falls das einen Unterschied macht) betrieben, dessen Minus-Ausgang ich mit dem Masse-Ausgang des digitalen Ausgangs verbinden würde um ein gemeinsames Bezugspotential zu haben (macht man das so?).

Den von mir erstellten Plan dieser Schaltung findet ihr hier (PDF):

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Ich habe nun etwas recherchiert und bin bei der Dimensionierung des Basiswiderstands folgendermaßen vorgegangen (Matlab-Code):

V_CE_sat = 0.9; % V DC Collector-Emitter saturation Voltage h_FE = 250; % DC current gain of transistor V_BE_sat = 1.35; % V DC Base-Emitter saturation-voltage

V_CC = 12; % V DC Supply voltage for load P_load = 0.206; % W Power of the load V_BB = 3.3; % V DC Supply voltage for base

R_load = V_CC^2 / P_load; % Ohm Resistance of the load I_C_sat = (V_CC - V_CE_sat)/R_load; % A Collector current

I_B_min = I_C_sat/h_FE; % A Minimum base current at saturation I_B_min = 3*I_B_min; % multiply by 3 to be safe V_R_B = V_BB - V_BE_sat; % V DC Voltage drop at base resistor R_B = V_R_B/I_B_min; % Ohm Resistance of Base Resistor

Das Ergebnis ist: 10.2 kOhm für den Basiswiderstand.

Die Werte des Transistors habe ich aus den Kennlinien abgelesen (Figure

6 und Figure 8 im Datenblatt). Ich habe mich für einen Darlington-Transistor entschieden, da alle "normalen" Transistoren die ich fand ein zu kleines h_FE von 10 oder 20 hatten (bei Sättigung wohlgemerkt).

Meine Frage ist nun: habe ich die Werte richtig abgelesen und den Basiswiderstand korrekt berechnet? Weiterhin: Ist mein Vorgehen prinzipiell sinnvoll oder macht es z.B. mehr Sinn den Ausgang als open-collector zu verwenden?

Außerdem möchte ich Relais und Transistor vor Überspannung beim Abschalten schützen, indem ich eine Rectifier-Diode ("1N 4001" Datenblatt:

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jeweils parallel dazu verbinde. Ist das sinnvoll bzw. habe ich die Diode richtig dimensioniert?

Mit einer Antwort würdet ihr mir wirklich sehr weiterhelfen.

Danke schonmal und Gruß, Benjamin

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Benjamin Wiese
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Benjamin Wiese :

Funktioniert. Kannst für den Tranistor einen BC827-40 oder -25 nehmen, der reicht für die knapp 20mA Relaisstrom aus. Darlington nicht nötig. Diode ist auch ok. Der passende Widerstand aus der Normreihe hat 10kOhm. Man muss da nicht teure

10.2k Widerstände benutzen ;-).

M.

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Matthias Weingart

Benjamin Wiese schrieb:

Ganzes Geraffel weglassen, AQZ102 nehmen. Vorwiderstand für die LED und Freileufdiode fürs Magnetventil sind natürlich noch nötig. Als erheblichen Vorteil hast du dann galvanische Trennung zwischen Last und Steuerkreis.

Gruß Dieter

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Dieter Wiedmann

Matthias Weingart schrieb:

BC547C

Gruß Dieter

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Dieter Wiedmann

Am 16.02.2011 13:09, schrieb Dieter Wiedmann:

Vielen Dank Dieter und Matthias für eure Antworten! Ich bin froh, dass ich keinen elementaren Fehler gemacht habe :-)

Dieter, das AQZ102 ist eine gute Idee, allerdings kann ich es aus Kosten- und Montagegründen (ich werde viele solcher Ventile ansteuern) nicht verwenden.

Du hast mir auch noch den BC547C empfohlen. Sehe ich das richtig, dass dort bei Sättigung h_FE = 10 ist und das bedeutet, dass ich für einen Collector-Strom von 20 mA einen Basisstrom von mindestens 2 mA brauche?

Ich hatte nämlich vor, mein I/O-Gerät möglichst wenig zu belasten und bei dem BC547C müsste ich ja sicherheitshalber ca. 4 mA statt 2 mA ansetzen. Kann ich denn problemlos den von mir gewählten Darlington-Transistor verwenden? (Ich frage weil ihr mir ja beide zu einem anderen Transistor geraten habt)

@Matthias: die von dir genannten Transistoren konnte ich leider nirgends finden - vielleicht gibt es die Serie nicht mehr?

Gruß, Benjamin

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Benjamin Wiese

Benjamin Wiese :

Hmm so ein Relais kostet ja auch Geld?

Der BC547C hat ein hfe von 420-800. Reicht also dicke aus. Weiss ja nicht wo Du die 10 her hast? Der Darlington hat den Nachteil des höheren Spannungsabfalls und damit der höheren Verlustleistung. Bei 20mA spielt das aber keine Rolle.

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Jo kann sein ;-), hatte den nur noch so im Kopf, weil die in meiner Bastelkiste rumliegen.

M.

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Matthias Weingart

Benjamin Wiese schrieb:

Dann nimm halt ULN2803, der reicht für 8 Relais, und hat die Freilaufdioden schon drin.

Besser wärs aber dennoch mit galvanischer Trennung via Optokoppler. Du könntest dazu vierfach OKs nehmen, und dahinter dann keine Relais, sondern MOSFETs.

Gruß Dieter

Reply to
Dieter Wiedmann

Am 16.02.2011 16:55, schrieb Matthias Weingart:

Den Wert für h_FE von 10 habe ich aus dem Datenblatt:

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Seite 3 Figure 2: Dort steht I_C/I_B = 10 und zwar bei "Saturation" - was ja der Zustand ist in dem ich den Transistor betreiben will. Oder habe ich da was falsch interpretiert?

Gruß, Benjamin

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Benjamin Wiese

Wozu galvanische Trennung? Die Spule des Magnetventils wird ja wohl keine Verbingung zum Gehäuse haben.

Ich würde das ganze einfach mit nem Logic-Level Mosfet schalten. Freilaufdiode ist natürlich nötig.

z.B. sowas:

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Gruß

Stefan DF9BI

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Stefan

my snipped-for-privacy@web.de (Benjamin Wiese) am 16.02.11:

Ja. Mit dieser massiven Übersteuerung wird die niedrigst mögliche Sättigungsspannung erreicht. Beim Schalten mit Bipolartransistoren reicht aber idR zweifache Übersteuerung. Jedenfalls bei langsamen Vorgängen wie Relaisansteuerung. Ob da nun 100 mV oder 200 mV abfallen, ist bei dieser kleinen Leistung peng.

Rainer

--
Allerdings sparen die Firmen dann doch lieber an Klopapier
und anderen Dingen, wovon die Führungsetage etwas versteht.
(Jakob Krieger in dchm)
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Rainer Knaepper

Benjamin Wiese :

Das Diagramm zeigt nur das Verhalten, wenn man den Basisstrom 1/10 so gross wie den Kollektorstrom macht. Ist also nur die Darstellung eines Falles. Welchen Wert hfe hat, (je nach Selektion) steht auf S. 2 unter DC current gain. Und dann kannst Du noch in den Grafiken 1 und 7 ablesen, wieviel hfe unter verschiedenen Betriebsbedingungen vom dort angegeben Wert abweicht (relativ dazu, also =1 entspricht z.B. dem hfe=520 in der o.g. Tabelle)

M.

Reply to
Matthias Weingart

Danke an alle - ich glaube jetzt hab ich verstanden wie das Datenblatt zu interpretieren ist.

Grüße, Benjamin

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Benjamin Wiese

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