Relais, dus niet.

In het vorige bericht schrijf ik over een alternatief voor het gebruik van een relais om grote (stroom-)gebruikers te schakelen in de Burton. Inmiddels heb ik een testschakeling opgebouwd rond een IRLB8721 N-channel mosfet (datasheet). Deze heeft een RDS(on)-weerstand van minder dan 0.009 ohm en kan meer dan 60 ampère schakelen. Allemaal volgens de datasheet en onder bepaalde testvoorwaarden. De "L" in het typenummer geeft aan dat het hier om een "Logic"-type gaat. Deze mosfets schakelen bij een wat lagere spanning op de gate al volledig open. Precies wat je wilt. Als de mosfet namelijk niet helemaal open gaat, dissipeert hij een hoop vermogen en wordt hij erg heet. Tijd om deze chip eens aan een eigen test te onderwerpen.

Ik heb nog een pittige accu liggen (62Ah) en vast ook nog wel ergens een H4-lamp o.i.d. Als deze maar ongeveer 55 watt opneemt. Er zou dan ongeveer 55 / 12 = 4,58 ampère stroom gaan lopen. Ver beneden het maximum van de mosfet. Bij een weerstand van 9 milli-ohm ontstaat ongeveer een spanningsval van 4,58 x 0.009 = 41 millivolt over de mosfet. Meten is weten, dus de volgende schakeling is gebouwd:

Optocoupler en Mosfet (versie 2)

De weerstand van 1k zorgt ervoor dat de uitgang van de microcontroller een niet te grote stroom hoeft te leveren. De uitgang van een ESP32 kan ongeveer 12 milli-ampère leveren bij 3.3 volt. De weerstand beperkt de stroom tot minder dan 3 milli-ampère. Da's nog wel genoeg om de optocoupler open te sturen.

De PC817 optocoupler ontkoppelt de stroomkring van de microcontroller van de stroomkring van de mosfet. Hier een weerstand van 10k (bedankt voor de tip Peter). Enerzijds om de stroom door de optocoupler te beperken en anderzijds zorgt deze ervoor dat de gate-ingang van de mosfet aan de nul gelegd wordt als deze niet aangestuurd wordt. Zo schakelt hij netjes uit. De 200 ohm weerstand beperkt de stroom naar de gate van de mosfet tijdens het schakelen. Aan de ingang heeft deze een condensator die op- en ontladen wordt. De weerstand zorgt dat dit een beetje met beleid gebeurt.

De Mosfet en de stroomgebruiker

Voor de zekerheid maar wat krimpkousjes gebruikt voor de test. Kortsluiting is het laatst wat je wilt met zo'n potente accu. De rest van de schakeling zit op een breadboard.

De volgende waarden zijn gemeten:

• Stroom door de lamp en de mosfet: 4,6 ampère.
• De spanning tussen drain en collector: 41,3 millivolt.

Dat komt verbazingwekkend goed overeen met de verwachte waardes op basis van de datasheet. De gemeten RDS(on)-weerstand is dus 41,3 / 4,6 = 8,98 milli-ohm. Het gedissipeerde vermogen van de mosfet is ongeveer 190 milliwatt. Volgens het datablad loopt de temperatuur van de mosfet met 2,3 graad per watt op, dus bij 0,2 watt is dit minder dan een halve graad. Dat is ook wat ik ervaar als ik de mosfet aanraak. Ik voel nauwelijks een temperatuurtoename. Een heatsink is niet nodig.

Bemoedigende resultaten. Het verlies in spanning is ook zo gering dat ik niet verwacht dat er een merkbaar verlies in lichtopbrengst zal zijn. Een te lange of dunne draad naar de koplampen heeft meer effect.

Dit gaat hem worden.

Relais of toch niet...

Relais worden in de automobielindustrie uitgebreid toegepast. In principe worden relais voor twee redenen ingezet:

1. Het schakelen van (relatief) hoge stromen.
2. Het galvanisch scheiden van circuits.

In de Eend zit volgens mij geen enkel relais. Of, jawel eentje, of eigenlijk zelfs twee. Waar dan? Dat vertel ik aan het eind van dit bericht (mocht je niet weten welke ik bedoel). Heeft een 2CV dan geen relais nodig? Zijn de redenen om relais toe te passen niet van toepassing op de Eend? Zou kunnen; de 2CV wijkt wel op meer onderdelen af van een gemiddelde andere auto.

Een typisch auto-relais

Ook in een 2CV worden relatief hoge stromen geschakeld. Maar dan wel lekker zonder relais. Dat betekent dat de hoge stroom geschakeld wordt met de - jawel - schakelaar. Maar om hoeveel stroom gaat het dan? Een korte rekensom behorende bij het inschakelen van de verlichting:

• 2 x koplampen à 55 watt
• 2 x parkeerlicht à 5 watt
• 2 x achterlicht à 5 watt

Minimaal 130 watt. Dat zeg ik omdat er samen met de verlichting meestal nog wel wat extra gebruikers geschakeld worden. Dashboardlampjes, enz... Hoe dan ook, 130 watt betekent al snel 10 ampère en dat wordt dus geschakeld met het pookje aan het stuur. Bij mij werd die schakelaar ook wel eens een beetje warm. Als de schakelaar een ietsje overgangsweerstand heeft - zeg een tiende ohm of zo - dan dissipeert de schakelaar al snel 10 watt bij 10 ampère. Dan wordt ie wel heet...

Een relais kan hierbij helpen. Met de schakelaar op het dashboard schakel je slechts de relatief kleine stroom om het relais te bekrachtigen. Het relais schakelt vervolgens de grote gebruiker(s) in.

https://www.genius-electrics.nl/

Dat galvanisch scheiden klinkt trouwens leuk, maar als de voeding of massa van de dashboardschakelaar dezelfde is als die van de verbruiker, heeft dat weinig zin. Wil je galvanisch scheiden, dan moeten ook de voedingen galvanisch gescheiden zijn (wat meestal niet het geval is). In een 2CV heeft galvanisch scheiden ook niet zoveel nut. Er zijn geen apparaten die hier veel baat bij hebben.

Oké, dus we gaan overal maar relais tussen prakken? Dat kan, maar er is nog een andere mogelijkheid. Omdat de stroomgebruikers in mijn Burton via een microcontroller aangestuurd worden, kan ik sowieso niets rechtstreeks aansluiten. Een microcontroller kan immers maar enkele milli-ampères uitsturen per output. Om een gebruiker aan te kunnen sturen (ook een relais) is het nodig om eerst een 'versterker' te plaatsen. Dat kan een schakeltransistor zijn, of een darlington, of - tegenwoordig eigenlijk wel standaard - een mosfet.

Mosfets hebben als belangrijk voordeel t.o.v. andere transistoren dat ze een erg lage weerstand hebben als ze ingeschakeld zijn. Ze kunnen relatief hoge stromen schakelen zonder al te warm te worden (en dus energie te verspillen). Misschien is het wel mogelijk om gebruikers te schakelen zónder tussenkomst van een relais... Echter, bij het gebruik van een microcontroller is galvanisch scheiden eigenlijk een must. De boordspanning van een auto kan nog wel eens wat piekjes vertonen (understatement), genoeg om de microcontroller blijvend te beschadigen. Toch maar een relais dan? Niet zo snel. Galvanisch scheiden kan ook met een opto-coupler. Da's sowieso een verstandig besluit. Een gescheiden voeding ook, dus die gaat er komen. De microcontroller en ingaande kant van de optocoupler op de schone voeding, de uitgaande kant en de mosfet op de 'vuile' voeding (het boordnet).

De mosfet die ik op het oog heb is de IRLB8721. Een N-channel mosfet met een lage inschakelspanning en een On-weerstand van minder dan 0,01 ohm. Als opto-coupler kies ik voor de PC817. Binnenkort maar eens wat tests doen. Ik meld mij weer met de resultaten.

Dan nog even mijn antwoord op de vraag waar in de 2CV die relais te vinden zijn. De eerste is het startrelais, ook wel de solenoid genoemd. Da's een relais met contacten waar je U tegen zegt. Dit relais moet dan ook de stroom door de startmotor kunnen schakelen. Dan moet je denken aan een grootte orde van 100 ampère. Het tweede relais is een beetje flauw, maar ik dacht aan het knipperrelais. Aan het startrelais ontkom ik niet, maar een knipperrelais gaat er in mijn Burton niet komen.