9140: Lautes Knacken beim Ausschalten

      Zenerdioden werden bei Impulsen gern zickig!

      Die Energie in der Spule muss möglichst schnell umgesetzt werden.
      Da empfiehlt sich eine Freilaufdiode mit Widerstand in Serie.
      Der Widerstand lässt sich einfach überschlagsmäßig abschätzen.
      Der Strom durch das Relais wird bekannt sein.
      Beim Ausschalten fließt anfangs auch dieser Strom.
      Widerstand so berechnen, daß die Spannung etwas geringer als im angezogenen Zustand ist.
      Ich habe jetzt ideal "gerechnet", den ohmschen Spulenwiderstand vernachlässigt.

      Andreas
      Was bedeutet DL2JAS? Amateurfunk, www.dl2jas.com

      Hallo Andreas,

      Dein Vorschlag funktioniert gut.

      Hier erfolgreich "getestet":
      100 Ohm in Serie mit der Freilaufdiode (für Originalrelais mit 170 Ohm Spulenwiderstand).
      Damit steiler Abfall des Relais-Stroms und trotzdem nur 6V 15V (korrigiert)induzierte Gegenspannung beim Abschalten.

      Gruß
      Reinhard

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      Version Elko hat andere Gründe!

      Damals waren Dioden teurer als Kondensatoren.
      Mit dem parallelen Kondensator verhindert man lediglich die unerwünschte Spannungsspitze.
      Ähnlich wie bei Freilaufdiode wird die Energie nur im ohmschen Spulenwiderstand verheizt.
      Zudem ist auch noch Energie im Kondensator gespeichert.
      Der von mir angesprochene Widerstand ist eine zusätzliche Senke, "Strommülleimer".

      Andreas
      Was bedeutet DL2JAS? Amateurfunk, www.dl2jas.com

      Hier noch ein Vergleich der induzierten Gegenspannung und der Halbwertszeit des Stromabfalls (die mechanische Kontaktöffnungszeit ist noch länger) für den SABA 9140:

      - ohne Freilaufdiode
      - mit Freilaufdiode
      - mit Freilaufdiode und dazu anti-serieller Zenerdiode 15 V / 0,5W
      - mit Freilaufdiode und dazu seriellem Widerstand (100 - 390 Ohm)

      Danach Faustregel für den Widerstand seriell mit der Freilaufdiode: R = ca. 2x Spulenwiderstand der Relaisspule



      Die ohne Freilaufdiode induzierte Gegenspannung ist für den Schaltttransistor gefährlich hoch (bis 169 V)

      Die Freilaufdiode erhöht die Zeit für 50% Relais-Stromabfall auf das Fünfzehnfache!
      Die zusätzliche Zenerdiode zur Freilaufdiode bringt eine Verkürzung dieser Zeit auf ein Drittel.
      Ein zusätzlicher Widerstand zur Freilaufdiode (statt Zenerdiode) verkürzt die Zeit auf 40%.

      Gruß
      Reinhard

      PS:
      Die Abweichung bei der angegebenen induzierten Spannung gegenüber meinen vorherigen Angaben liegt an der vorher von mir falsch gewählten Position des Messpunktes, sorry!

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      Im Detail betrachtet (wie bei SABA 9140):
      • Spannung +12V geht beim Einschalten bei t=50 ms über Vorwiderstand (15 Ohm) an den Eingang der Relaisspule V(spule_ein).
      • Die Relais-Spule hat einen ohmschen Innenwiderstand von 170 Ohm und eine Induktivität von 0,2 H.
      • Die Spannung am Spulenausgang ist V(spule_aus), der Spulenausgang wird über den Schalttransistor T nach dessen Einschaltverzögerung (0,6 Sekunden) auf Masse gelegt, so dass danach ein Spulenstrom von ca. 56 mA fliesst und das Relais nach der Einschaltverzögerung anzieht. Das Einschalten des Schalttransistor wird über ein Zeitglied (Ladekondensator parallel zu Entladewiderstand) verzögert, der die Einschaltverzögerung von 0,6 s für den Schalttransistor bestimmt.
      • Ist statt einer Freilaufdiode ein Kondensator (z.B. 2 µF) parallel zur Spule gelegt (um den Gegenspannungsimpuls beim Ausschalten zu dämpfen), sinkt beim Durchschalten des Transistors die Spannung kurzzeitig stärker ab (Peak nach unten bei V(spule_ein), da sich der Kondensator lädt und durch dessen Ladestrom kurzzeitig ein etwas höherer Spannungsabfall am Vorwiderstand entsteht.
      • Durch den Spulenvorwiderstand (15 Ohm) sinkt die Spulenspannung am Eingang V(spule_ein) auf ca. 10 V ab, wenn 56 mA Spulenstrom fliessen (wenn der Schalttransistor durchschaltet). Die Spannung am Spulenausgang V(spule_aus) fällt beim Durchschalten des Transistors auf fast 0 V, da der Spulenausgang über den Schalttransistor niederohmig an Masse gelegt wird.
      • Beim Ausschalten des Receivers bei t= 2,05 s wird V(spule_ein) schlagartig 0V. Ebenso schlagartig wird die Masse des Relais-Moduls von der Netzteilmasse getrennt (nur bei SABA 9140). Am Spulenausgang baut sich dabei eine der Änderung des magnetischen Feldes (folgt der Spulen-Stromänderung) proportionale positive Spannung (Spannungsimpuls) V(spule_aus) von ca. 170 V ohne Freilaufdiode und 20V mit Parallelkondensator 2µF auf.
      • Für den Fall des Spulen-Parallelkondensators erkennt man beim Ausschalten einen negativen Peak beim Spulenstrom, der ohne diesen Kondensator nicht vorhanden ist. D.h. der Spulenstrom fällt nicht einfach nur auf Null, sondern die im Kondensator gespeicherte Ladung fliesst zusätzlich über die Spule zunächst in Gegenrichtung zurück und oszilliert in diesem LC-Kreis mit abfallender Amplitude um den Strom-Nullpunkt bis die gespeicherte Energie schliesslich durch die Verluste (u.a. durch den Spuleninnenwiderstand und die Verluste im Kondensator) ganz abgebaut ist. Eine teilweise Kompensation der Gegenspannung erfolgt im ersten Moment, so dass der "Ausschalt-Spannungspeak" V(spule_aus) nicht mehr 170V beträgt, sondern nur noch 20 V.
      Die "Sägezahn-Welligkeit" der 12V-Versorgungsspannung unter Last und entsprechend des Spulenstroms vor dem Ausschalten ist der 100 Hz-Restwelligkeit der geglätteten Spannung hinter dem Brückengleichrichter im Netzteil geschuldet und real.


      Ohne Freilaufdiode:



      Ohne Freilaufdiode, stattdessen 2 µF Kondensator parallel zur Relais-Spule:



      Oszillation im LC-Kreis nach Ausschalten:



      Gruß
      Reinhard

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      Reinhard war schneller!

      Auch ich habe noch mal über die Version mit Kondensator nachgedacht.
      Man hat mehr Energie im System und gleichzeitig einen gedämpften Schwingkreis.
      Allerdings sieht der parasitäre Spulenwiderstand eine höhere Spannung.
      P = U²/R
      Welche Abfallzeit(en) ergeben sich mit Parallelkondensator(en)?

      Andreas
      Was bedeutet DL2JAS? Amateurfunk, www.dl2jas.com

      Hallo Andreas, Michael,

      diese Methode mit Parallelkondensator (und ohne Freilaufdiode) ist ziemlich problematisch.
      Bei > 1 µF ist zwar die Dämpfung der Gegenspannung gut (und wird natürlich mit zunehmender Kapazität noch besser), aber die Halbwertszeit des Stromabfalls wird damit schlechter.

      Zum Vergleich mit den vorher geposteten Halbwertszeiten bei den anderen Varianten:
      2 µF --> 0,67 ms Peak 21V
      1 µF --> 0,43 ms Peak 28V

      Unterhalb von 1 µF wird die Schwingungsamplitude beim Abschalten (auch in negativer Stromrichtung) so gross, dass man ggf. Flattern der Relaiskontakte befürchten muss. Der nützliche Kapazitätsbereich ist also eng und die Wirkung nur mittelmässig. Freilaufdiode + (anti)-serielle Zenerdiode oder Freilaufdiode + serieller Widerstand sind beide viel besser.

      Wenn der Kondensator in Serie mit der Freilaufdiode gelegt wird, bleibt die Dämpfung des Peaks der induzierten Gegenspannung unverändert (wie bei Kondensator allein) und auch die Halbwertszeit des Stromabfalls bleibt ähnlich. Aber die Stromschwingung beim Abschalten wird damit sehr wirksam unterdrückt. Eine leichte Schwingung der Gegenspannung bleibt zwar noch etwas länger bestehen, da aber die Relais-Kontakthaltezeit vom Spulenstrom allein abhängt, ist damit die Abschaltung sauber, ohne Schwingungsrisiko. Aber einen Vorteil gegenüber Freilaufdiode + Zenerdiode bzw. Freilaufdiode + Widerstand kann ich nicht finden.
      Z.B. 0,68 µF seriell zur Freilaufdiode --> 0,38 ms Peak 33V

      Und noch die Variante: Kondensator parallel zur Freilaufdiode:
      Die löscht die induzierte Gegenspannung effektiv, ist aber dabei und auch bei der Halbwertszeit des Stromabfalls nicht besser als als nur mit Freilaufdiode alleine.
      Z.B. 0,68 µF parallel zur Freilaufdiode --> 0,78 ms Peak 11V

      Kondensator parallel zur Diode kenne ich eigentlich nur zur Rauschunterdrückung.

      Gruß
      Reinhard

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      Super -- vielen Dank ! Also können wir das festhalten, dass man in der Tat am besten die Variante von Self nimmt (Diode plus Z-Diode) oder noch besser die Variante mit dem Widerstand.

      Ich habe nochmal geschaut, in welchen Schaltungen ich die Version mit dem Kondensator gesehen habe, dann in der Tat mit kleinen Werten, so um die 4,7 uF. Das sind alles Geräte, bei denen eine DC-Überwachung mit auf das Relais geht UND ein DC Servo existiert. Es könnte also auch sein, dass man dann den Elko da noch mit eingesetzt hat, um einfach nur das kurzfristige Ansprechen des Relais bei einem Mini-Puls zu vermeiden.

      Besten Gruss, und vielen Dank an Reinhard für die wie immer gründliche Analyse,

      Michael

      Hallo in die Runde,
      vielen Dank für die wie immer hervorragende Analyse durch Reinhard! Wieder sind wir schlauer!

      Ich möchte noch schnell etwas Irritation in die Sache bringen: Die Schaltung des Relaismoduls ist also im 9241 besser konzipiert als im 9141. Der Witz ist aber, die Henne war ja der 9241, der ist ja älter (1977) als die später (1979) gelegten Eier 9140/41.

      Seltsam!

      LG Stefan

      Moin Stefan,

      danke -- ich erinnere mich, dass Du das schon einmal geschrieben hattest. Es ist wirklich überraschend, denn die 92xx wirken irgendwie "moderner" als die 91xx. Gab es da vielleicht einfach verschiedene Teams in der Entwicklung ? Vieles wurde ja offenbar geteilt (Endstufen, einige Module), manches dann aber ganz anders gelöst. Einige Dinge finde ich im 91xx auch wirklich besser (z.B. die zentralen Elkos), und klanglich ist der 9140 auch eine Spur stimmiger (und brummärmer !) als der 9240.

      Besten Gruss,

      Michael

      Ah, der 9140 ist jünger - was dazugelernt!

      Der 9241 schaltet ja langsamer ab. Vielleicht gab es Laborergebnisse oder Berichte, nach denen es u.U. zum Ausschaltplopp beim 9241 kommen konnte. Dann hat man beim 9140 die Modulmasse eben auch noch abgetrennt (eine etwas ungewöhnliche Massnahme), was das Abschalten schneller machte.

      Beim 9260 wurde die Schaltung des 9241 allerdings beibehalten.

      Gruß
      Reinhard

      Ja, und eigentlich sollte es sowieso gar kein Problem beim Ausschalten geben, denn die Spannungen an den Endstufen und auch an allen Modulen sollten mindestens eine halbe Sekunde oder sogar eine Sekunde noch reichen, bevor etwas "einbricht". Wenn da natürlich irgendwo faule Elkos auf der NT-Karte sind, oder auf einem Modul, die sich dann zu schnell entleeren, gibt es ein Problem.

      Es wäre mal einen Versuch wert, das Relais zu überbrücken, und die Spannung abzuschalten --- ob und welche Geräusche sich dann ergeben (bei einem intakten Receiver, versteht sich). Und wenn das zu schnell geht, sollte man mal schauen, wer da zu schnell aufgibt. Die Endstufe ist das m.E. eher nicht, die Elkos sollten reichen. Es sei denn, der beheizte von denen hat keine Kapazität mehr (beim 92xx)... oder beim 9140 ein defekter NT-Elko. Das kommt zwar eher selten vor, aber es kommt vor.

      Michael

      Guten Morgen,
      An Hand meiner Aufzeichnung der Seriennummern kommen in aufsteigender Reihenfolge zuerst 9241 Geräte in der 104 MHz Ausführung, dann 9140 gefolgt von 9241 Geräten mit 108 MHz, 9260. Die neusten sind 9250. Das muss natürlich nicht repräsentativ sein, da viel zu wenige Geräte erfasst sind.
      Grüße Tommy