Fehler im Reedkontakt?

[Hochpass]

Nachdem ich deinen Artikel gelesen habe, frage ich mich echt, wie man es schafft eine Alarmanlage aufzubauen.

Und warum keiner auf die Idee kommt das mit einer TVS Diode und einem Vorwiderstand für beliebige Leitungslängen in den Griff zu bekommen.

[FeqBuermoy]

Und warum keiner auf die Idee kommt das mit einer TVS Diode und einem Vorwiderstand für beliebige Leitungslängen in den Griff zu bekommen.

Das wäre eine Idee, eine Suppressordiodeparallel und nahe zum Reedkontakt zu legen. Hier mal ein Datenblatt.

Der von angeführte Beitrag StefanW hat Hand und Fuß, obwohl ich nicht erwartet hätte, das die Leitungsbeläge einen derartigen Effekt zustande bringen würden. Bei offenen Relais ist ein gewisser Kontaktbrand sogar erwünscht, damit sich die Ablagerungen auf den Kontaktflächen wegbrennen können. Die Reedkontakte arbeiten in einer Schutzgasatmosphäre, und benötigen diesen Kontaktbrand nicht. Daher können die Federkräfte in einem Reedkontakt auch sehr gering ausgelegt werden. Da kann auch der kleinste Kontaktbrand zum Kleben der Kontakte führen.

[StefanW]

Es gibt fünf Möglichkeiten das Problem erheblich zu minimieren:

• Kurze Leitungen (deshalb haben wir unser 1-Wire Multi-IO dafür ausgelegt dass 12 Kontakte in einer tiefen Dose angeschlossen werden können).
• Niedrige Abfragespannung (weil diese im Quadrat eingeht, daher fragen wir mit etwa 3,6 V ab)
• Niedriger Abfragestrom um induktive Effekte beim Öffnen zu vermeiden (daher nehmen wir nur 100 uA und empfehlen kurze Leitungen)
• Vorwiderstand von ein paar hundert Ohm direkt an den Anschlüssen des Reed (das reduziert den kurzzeitigen Strom am effektivsten)
• Impulsabfrage (wenn man nur für wenige ms pro Sekunde abfrägt, dann wird die Gleichzeitigkeit - Abfrage und Kontaktbetätigung - so minimiert, dass der zerstörerische Effekt nur seltenst auftritt. Je nach Belastung halten die Kontakte das Schätzungsweise ein paar Dutzend bis ein paar hundertmal hundert aus. Wenn die Gleichzeitigkeit von Kontaktbetätigung und Abfrage nur alle paar hundertmal auftritt, kann man die Lebensdauerbeeinträchtigung bis nach der Lebensdauer des Hauses "verschieben").

Letzteres wird in den meisten neueren KNX-Produkten für Input auch gemacht. Vermutlich handhaben das Alarmanlagen genauso, Insbesondere die älteren Produkte aus der Bucht zerstören mit permanenten Abfragespannungen bis 24 V die Kontakte in wenigen Jahren.

==> Immer schön die Anleitungen lesen, die Hersteller haben sich dabei schon was gedacht (oder auch nicht), was man dann lesen kann. Hier sind die Spezifikationen auch einzuhalten.

lg

Stefan

[Hochpass]

Es gibt fünf Möglichkeiten das Problem erheblich zu minimieren:

• Kurze Leitungen (deshalb haben wir unser 1-Wire Multi-IO dafür ausgelegt dass 12 Kontakte in einer tiefen Dose angeschlossen werden können).
• Niedrige Abfragespannung (weil diese im Quadrat eingeht, daher fragen wir mit etwa 3,6 V ab)
• Niedriger Abfragestrom um induktive Effekte beim Öffnen zu vermeiden (daher nehmen wir nur 100 uA und empfehlen kurze Leitungen)
• Vorwiderstand von ein paar hundert Ohm direkt an den Anschlüssen des Reed (das reduziert den kurzzeitigen Strom am effektivsten)
• Impulsabfrage (wenn man nur für wenige ms pro Sekunde abfrägt, dann wird die Gleichzeitigkeit - Abfrage und Kontaktbetätigung - so minimiert, dass der zerstörerische Effekt nur seltenst auftritt. Je nach Belastung halten die Kontakte das Schätzungsweise ein paar Dutzend bis ein paar hundertmal hundert aus. Wenn die Gleichzeitigkeit von Kontaktbetätigung und Abfrage nur alle paar hundertmal auftritt, kann man die Lebensdauerbeeinträchtigung bis nach der Lebensdauer des Hauses "verschieben").

Nur für mich mal: man lern halt fürs Leben...

Das oben scheint statisch gerechnet zu sein und die Vermutung ist, dass die Leitung durch ein C und ein L und ein R dargestellt werden kann - > dem ist aber nicht so.

Habt ihr Spannungsüberhohungen durch Reflexionen bei prellenden Relais auch berücksichtigt?
Im anderen beitrag steht was von 50 ns? Wo kommt das her? Signallaufzeit auf dem Kabel (ca. 20 cm/ns) ->5m Kabel (5 hin und 5 zurück) oder geht es da um die Zeitkonstante vom RLC Ersatzschaltbild?

[FeqBuermoy]

Das oben scheint statisch gerechnet zu sein und die Vermutung ist, dass die Leitung durch ein C und ein L und ein R dargestellt werden kann - > dem ist aber nicht so.

Doch, das R-L-C Ersatzschaltbild einer Leitung ist eine anerkannte Vereinfachung zur Berechnung der Spannungs- und Stromverläufe auf einer Leitung. Für genauere Betrachtungsweisen handelt es sich nicht um einzelne RLC-Glieder, sondern um vielfach hintereinandergeschaltete.

Habt ihr Spannungsüberhohungen durch Reflexionen bei prellenden Relais auch berücksichtigt?
Im anderen beitrag steht was von 50 ns? Wo kommt das her? Signallaufzeit auf dem Kabel (ca. 20 cm/ns) ->5m Kabel (5 hin und 5 zurück) oder geht es da um die Zeitkonstante vom RLC Ersatzschaltbild?

Ich denke, bei den 50ns in Stefans Beitrag handelt es sich um die Zeit, in der das Prellen des Kontaktes stattfindet. Das Verschweißen der Kontakte erfolgt durch den Abreißfunken. Und hier spielen die R- und C-Beläge der Leitung eine Rolle.

Egal, welchen Innenwiderstand die Spannungsquelle hat, Leitungs-C stellt eine Spannungsquelle mit geringem Innenwiderstand dar, wogegen Leitungs-L eine Stromquelle mit geringem Innenwiderstand darstellt. Beim Abreißfunken spielt L eine große Rolle, da diese den Strom beim Öffnen des Kontaktes aufrecht erhält, und damit den Funken erzeugt. Ist der Kontakt offen, wird C von der Spannungsquelle aufgeladen. Wird der Kontakt wieder geschlossen, erlaubt C mit niedrigem Innenwiderstand eine rasche Aufladung der Induktivität. Damit ist der nächste Abreißfunken vorbereitet.

[Gast]

Doch, das R-L-C Ersatzschaltbild einer Leitung ist eine anerkannte Vereinfachung zur Berechnung der Spannungs- und Stromverläufe auf einer Leitung. Für genauere Betrachtungsweisen handelt es sich nicht um einzelne RLC-Glieder, sondern um vielfach hintereinandergeschaltete.

Und genau das macht einen entscheidenden Unterschied ....

Die Berechnung von StefanW betrachtet die Leitung zunächst als ein konzentriertes C, das über den Reedkontakt entladen wird. Weil dabei die Serieninduktivität "vergessen" wurde ergeben sich nach Stefans Berechnung enorm hohe Ströme im Kontakt. Beim Öffnen des Kontaktes rechnet er mit der Leitung als konzentrierte Induktivität und vergisst die Parallelkapazität - nun entstehen sehr hohe Spannungen über dem Kontakt.

Beides führt zu falschen Ergebnissen, weil zu stark vereinfacht. Die Leitung muss man als solche berechnen, mit verteilten RLCG oder gleich mit dem Wellenwiderstand Z0=sqrt(L/C). Nur dann bekommt man richtige und realistische Ergebnisse für die Kontaktströme und Spannungen.

Egal, welchen Innenwiderstand die Spannungsquelle hat, Leitungs-C stellt eine Spannungsquelle mit geringem Innenwiderstand dar, wogegen Leitungs-L eine Stromquelle mit geringem Innenwiderstand darstellt. Beim Abreißfunken spielt L eine große Rolle, da diese den Strom beim Öffnen des Kontaktes aufrecht erhält, und damit den Funken erzeugt.

Für die dynamischen Vorgänge darf man das L und C nicht so einzeln betrachten, sonst bekommt man falsche Ergebnisse. Tasächlich "sieht" der Kontakt im Schaltmoment dynamisch den Wellenwiderstand der Leitung Z0=sqrt(L/C) der typisch im Bereich 50...10 Ohm liegt. Bei Fernmeldekabel J-Y(St)Y sind es ca. 65 Ohm. Der Strom durch den Kontakt ist dann einfach Betriebsspannung / Leitungswellenwiderstand.

(Anmerkung für Leser, die nicht mit Leitungstheorie vertraut sind: der Wellenwiderstand der Leitung hat nichts mit dem ohm'schen Serienwiderstand zu tun, sondern errechnet sich aus der Kapazität und Induktivität der Leitung).

Die falsche (konzentrierte L/C) und richtige (leitungsbasierte) Berechnung habe ich am Beispiel einer 5V Abfragespannung dargestellt. Bei falscher Berechnung als konzentriertes C ergeben sich schon bei kleinen Kabelkapazitäten (hier 100pF) enorm hohe Ströme (hier ca. 16A bei nur 100pF Leitungskapazität, angenommene Schaltzeit 100ps geht ebenfalls ein).
reed_berechnung_falsch.png


Diese Ergebnisse sind falsch (unrealistisch), weil die Leitung eben kein konzentrierter Kondensator ist, sondern eine verteilte Kapazität und eine verteilte Serieninduktivität hat. Das limitiert den Strom, weil der dynamische Innenwiderstand Z0=sqrt(L/C) wirksam ist.

Bei richtiger Berechnung der Leitung sieht man, dass die Ströme moderat bleiben. Bei 5V Abfragespannung sind es 5V/Z0=77mA und dies ist auch unabhängig von der Leitungslänge. reed_berechnung_richtig.png

[FeqBuermoy]

Vielen Dank für die Schaltungssimulation, sehr aufschlußreich.

Hier noch eine Info, die von einem Mitarbeiter eines Reedkontaktherstellers stammen soll:

Ein Reedkontakt kann durch zu hohen Strom ein Defekt aufweisen. Es kann sich im mikroskopischen Bereich auf der einen Zunge ein "Hügel" bilden, auf der anderen eine "Mulde". Diese wirken ähnlich wie ein Druckknopf. Daher öffnen sich die Zungen nicht sofort. Die Oberflächenbeschichtung an der Stelle des Hügels und der Mulde ist kaputt, evtl. tritt auch Gold an die Oberfläche, das wirkt dann wie ein Kleber.

[Gast]

Oberflächenbeschichtung ist ein gutes Stichwort ... in dem Bereich würde ich die Probleme des Threaderöffners vermuten. Bei sehr billigen Fensterkontakten weiss man nicht, wie viel Aufwand für die Veredelung der Kontaktflächen getrieben wurde.

[cds]

Das löst das Problem des OP jetzt aber auch nicht so richtig.
Am Binäreingang liegt es aber schonmal nicht - ich habe genau die selbe Konfiguration bei mir im Einsatz - keinerlei Probleme mit Fensterkontakten.
Ich (bzw. der Fensterbauer) habe welche von WinkHaus verbaut.

Eines ist mir aus der Beschreibung noch nicht klar:

Es ist bei nicht-angeschlossenem Kontakt ein "klicken" zu hören, bei angeschlossenem nicht.
Wenn genau dieser Kontakt dann wieder vom Sensor getrennt wird, "klickt" er dann wieder (und somit wäre es kein Verschweißungsproblem)?

[FeqBuermoy]

Es ist bei nicht-angeschlossenem Kontakt ein "klicken" zu hören, bei angeschlossenem nicht.
Wenn genau dieser Kontakt dann wieder vom Sensor getrennt wird, "klickt" er dann wieder (und somit wäre es kein Verschweißungsproblem)?

Ja, doch, genau das ist das Verschweißungsproblem. Eigentlich sollte allein die Federkraft des Reedkontaktes ausreichen, die Schaltverbindung zu öffnen. Das ist hier nicht der Fall. Erst wenn eine mechanische Erschütterung auf die Kontakte wirkt, lösen sie sich. Es scheint so zu sein, dass bereits der geringe Strom des Binäreingangs ausreicht, um den Schweißvorgang auszulösen. Ist der Binäreingang nicht angeschlossen, öffnet der Reedkontakt, wie erwartet, sofort.

Ob auch noch ein von anderen Leitungen induzierter Strom auf die Reed-Leitung wirken könnte, blieb bisher unbeantwortet.

[Gast]

Bei 12V Abfragespannung und Zuleitung über Fernmeldeleitung (Z0=65 Ohm) fliessen worst case 12V/Z0 = knapp 200mA. Das mag bei schlechten Reedkontakten mit magelhafter Beschichtung der Kontaktflächen ausreichen für eine Beschädigung. reed_berechnung_vswitch1.png

[Hochpass]

Prellen ist bei dir nicht berücksichtigt. Hier könnte ich mir noch Effekte vorstellen. Und die Frequenz mit der der Strom schwingt ist sicherlich abhängig von der Leitungslänge.

Was hast du eigentlich für ein Spice?

[Gast]

Prellen ist bei dir nicht berücksichtigt. Hier könnte ich mir noch Effekte vorstellen.

Ja, richtig. Ich sehe momentan aber noch nicht, was das am max. Strom ändern kann. Der Strom ist unabhängig vom Zeitverlauf immer limitiert durch den Wellenwiderstand Z0=sqrt(L/C) der Leitung.

Und die Frequenz mit der der Strom schwingt ist sicherlich abhängig von der Leitungslänge.

Ja, richtig. Je länger die Leitung, um so länger laufen die Pulse. Bei kurzen Leitungen entsprechend kürzer und man erreicht schneller den statischen Zustand (hier 12V/1kOhm). Die Amplitude ändert sich aber durch die Leitungslänge nicht. Ich habe ein Bild angehängt mit 2m (anstatt 20m) Leitungslänge.

Was hast du eigentlich für ein Spice?

Das ist ein spezielle Hochfrequenz-Simulator, der gut mit Leitungen umgehen kann (Keysight ADS)

reed_berechnung_2m.PNG

[FeqBuermoy]

Ein typischer Qualitäts-Reedkontakt für einfache Anwendungen hat auch nur einen maximalen Schaltstrom von 500mA. Viel Luft ist da nicht, wenn man 12V an einer langen Leitung schalten will. Wer weiß, was Billigheimer an dieser Stelle bieten.

Da ist noch ein kleiner Fehler in der Schaltung, der jedoch im Ergebnis bei Strom und Spannung über den Kontakt keine Änderung bewirkt. Die tatsächliche Leitung ist symmetrisch, in der Simulation wird jedoch eine unsymmetrische Leitung mit idealer Rückleitung verwendet.

[Gast]

Da ist noch ein kleiner Fehler in der Schaltung, der jedoch im Ergebnis bei Strom und Spannung über den Kontakt keine Änderung bewirkt. Die tatsächliche Leitung ist symmetrisch, in der Simulation wird jedoch eine unsymmetrische Leitung mit idealer Rückleitung verwendet.

Nee, das sieht nur für SPICE-Nutzer so aus. Die Verbindungen im Schaltplan stehen für modale Ports, nicht Knoten im SPICE-Sinne. Der Rückleiter wird im Leitungsmodell intern richtig berücksichtigt mit I1 = -I2, das muss man nicht explizit verdrahten.