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Forum: Platinen Layout Schaltregler Stromquelle


Autor: Alex H. (hoal) Benutzerseite
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Hallo alle zusammen,

ich möchte für eine Lampe aus bis zu drei 3W-LEDs eine Stromquelle 
bauen. Sie soll vor allem möglichst effizient sein, aber auch von den 
Ausmaßen möglichst klein. Betrieben wird das ganze von einem 14.4V 
LiIon-Akku.

Das Design basiert auf einem MAX1640, soll Ströme zwischen etwa 350 und 
1000 mA liefern. Der Strom wird mit einem digitalen Poti eingestellt, 
das vom MAX15006 mit Spannung versorgt wird.

Was haltet ihr von dem Layout? Kann es so funktionieren? Was kann man 
noch verbessern?

Da es mein erstes Layout ist, bitte ich um Kritik jeder Art. Freue mich 
immer, etwas zu lernen.

Alex

Autor: Falk Brunner (falk)
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Sieht erstmal recht gut aus. Allerding fehlt ein Schaltplan, um 
beurteilen zu können, ob die kritischen Komponenten günstig platziert 
sind.

MfG
Falk

Autor: Alex H. (hoal) Benutzerseite
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Falk Brunner wrote:
> Sieht erstmal recht gut aus. Allerding fehlt ein Schaltplan, um
> beurteilen zu können, ob die kritischen Komponenten günstig platziert
> sind.

Wow, das ging ja schnell. Hier noch der Schaltplan.

Autor: Alex H. (hoal) Benutzerseite
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Hat noch jemand Anmerkungen oder Verbesserungsvorschläge?

Grüße
Alex

Autor: Alex H. (hoal) Benutzerseite
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Lassen sich die Vias in der Fläche rechts ohne Thermals löten?
Ich habe die EP 5 von Reichelt. http://www.reichelt.de/?ARTICLE=55440

Autor: ... ... (docean) Benutzerseite
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Ich würde alle Vias mit Thermals anbinden... vereinfacht das Löten

Autor: Alex H. (hoal) Benutzerseite
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... ... wrote:
> Ich würde alle Vias mit Thermals anbinden... vereinfacht das Löten

Das Problem wäre, dass mir die Thermals die schöne Leiterfläche 
zerstören. Wäre schade, weil ich überall auf möglichst niedrige Impedanz 
geachtet habe.

Oder wäre es in der Anwendung nicht so wichtig? Ich lese immer von der 
enormen Bedeutung des Layouts bei Schaltreglern.

Grüße Alex

Autor: Scherbo (Gast)
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Das kommt zum Teil auch auf die Dimension an, sprich wie hoch dein di/dt
usw. ist.
Hast du mal daran gedacht die Wärmefallen raus zu nehmen ?
Da fällt mir grad ein, bei den Referenz Layouts von Linear
werden die auch nicht genutzt.

Autor: Alex H. (hoal) Benutzerseite
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Scherbo wrote:
> Das kommt zum Teil auch auf die Dimension an, sprich wie hoch dein di/dt
> usw. ist.

Laut Datenblatt des MAX1640 müsste der I_ripple bei 0.1 A liegen und die 
Schaltfrequenz bei 160 KHz. Genauer kann ich dI/dt leider nicht 
spezifizieren.

> Hast du mal daran gedacht die Wärmefallen raus zu nehmen ?
> Da fällt mir grad ein, bei den Referenz Layouts von Linear
> werden die auch nicht genutzt.

Welche Wärmefallen meinst du?

Autor: Matthias Lipinsky (lippy)
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>Welche Wärmefallen meinst du?

Die um die SMD-Pads und Pins und vias.


>I_ripple bei 0.1 A liegen und die
>Schaltfrequenz bei 160 KHz.

Hm.. Größenordnung 35kA/s

Autor: Alex H. (hoal) Benutzerseite
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> Hast du mal daran gedacht die Wärmefallen raus zu nehmen ?
> Da fällt mir grad ein, bei den Referenz Layouts von Linear
> werden die auch nicht genutzt.

> Die um die SMD-Pads und Pins und vias.

Stimmt, in den Layouts von Linear, die ich finde, sind oft keine 
Thermals vorhanden. Nun sind deren Layouts nicht unbedingt für den 
Lötkolben ausgelegt.

Die Platine will ich zu Hause ätzen, also ohne Durchkontaktierungen. Den 
Vias sollte es nicht viel ausmachen, wenn ich da ordentlich mit dem 
Lötkolben draufbrutzle. Aber ICs und dergleichen möchte ich eine solche 
Behandlung ersparen.


>>I_ripple bei 0.1 A liegen und die
>>Schaltfrequenz bei 160 KHz.
>
> Hm.. Größenordnung 35kA/s

Habt ihr einen Tipp, wo ich gezielter nach Informationen suchen kann? 
Leider sagt mir dieser Wert jetzt nicht viel, insbesondere in Bezug auf 
die Effizienz des Layouts.

Wird die Akkuenergie mit dem Layout effizient (möglichst > 90%)in die 
LEDs gepumpt, oder baue ich gerade einen Störsender?

Autor: AC/DC (Gast)
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@Alexander

Schöne Arbeit, aber wie wird die Platine befestigt?
Bohrungen konnte ich nicht erkennen.
Deine Leiterbahnen wirken zu den Zwischenräumen etwas dick.
Wenn du die schmaler machst gewinnst du etwas mehr Clearance.
Die quadratische Via ungefähr in der Mitte könnte beim Löten
zu der benachbarten Leiterbahn über die Ecke nen Kurzen
verursachen. Besser wäre ein Runder oder Achteckiger.
Das mit den Thermals wurde ja schon genannt. Bei Ofenlöten
wäre es egal aber bei Handlöten brauch man ne dicke kurze
Spitze um da einigermaßen gute Lötstellen hinzubekommen.
Da wären Thermalvias nicht die falsche Wahl.

Autor: Scherbo (Gast)
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Angenommen dein Controller hat eine fixe Schaltfreq., kannst
du in Kombination mit deiner gewählten Drossel über das
Induktionsgesetz dein di/dt bestimmen.
Die Kenntnis deines di/dt ist beim Layouten wichtig, zumindest
dann wenn man dahingehend optimieren möchte. Deswegen wird
immer wieder darauf hingewiesen, dass in diesen Kreisen auf
eine möglichst kleine Stromschleife und niederimpedante
Auslegung geachtet wird.

Autor: Gast (Gast)
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@scherbo:

Wieso ist die Kenntnis des dI/dt wichtig fürs Layouten? Ist es nicht 
besser, grundsätzlich kleinstmögliche Stromschleifen & nierigstimpedant 
zu layouten?

Autor: Scherbo (Gast)
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Ich sehe das so, wenns Platzprobleme gibt, kann man gewisse
Kompromisse eingehen, dazu ist es ganz interessant wenn man
das di/dt hat um so evtl. Übersprechen abschätzen zu können.
Das hört sich wie Erbsenzählerei an, ist es auch :)

Autor: Gast (Gast)
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>Das hört sich wie Erbsenzählerei an, ist es auch :)

JEIN, Platzprobleme gibt es doch immer, das mit dem Übersprechen 
bezüglich EMV ist halt auch immer ein Problem. Ich versuch immer 1mm 
Abstand einzuhalten, da bin ich meistens auf der sicheren Seite, das da 
nix einstrahlt. Aber immer hab halt die 1mm nicht.

Autor: Alex H. (hoal) Benutzerseite
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Erstmal danke für all die konstruktiven Hinweise! Ich habe sie soweit 
mir möglich ins Layout einfließen lassen.

AC/DC wrote:
> Schöne Arbeit, aber wie wird die Platine befestigt?
> Bohrungen konnte ich nicht erkennen.

Derzeit gibt es noch keine Befestigungsvorrichtungen. Das Gehäuse wird 
wohl eher um die Platine herum konstruiert. Am Ende soll es eine 
Fahrrad- bzw. Helmlampe werden. Daher auch der Platzmangel.


> Deine Leiterbahnen wirken zu den Zwischenräumen etwas dick.
> Wenn du die schmaler machst gewinnst du etwas mehr Clearance.

Stimmt. Die nicht stromführenden Bahnen habe ich nun von 16 auf 12 mil 
runtergesetzt. Wird so besser ätz- und lötbar.


> Die quadratische Via ungefähr in der Mitte könnte beim Löten
> zu der benachbarten Leiterbahn über die Ecke nen Kurzen
> verursachen. Besser wäre ein Runder oder Achteckiger.

Auch verbessert. Danke für den Hinweis.


> Da wären Thermalvias nicht die falsche Wahl.

Die Vias werde ich erstmal ohne Thermals lassen, sonst werden die 
Füllflächen zu sehr aufgerissen. Ist doch mal eine gute Lötübung ;)


Leider kann ich aus dI/dt = 35 kA/s immer noch nicht viele Rückschlüsse 
aufs Layout ziehen. Werd mich demnächst, wenn mehr Zeit über ist, ins 
Thema einlesen.

Grüße, Alex

Autor: Karl (Gast)
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Irgendwie kommt es mir so vor, als hätte Scherbo noch NIE einen 
Step-Down gebaut. Zumindest nicht in dieser Größenordnung oder Frequenz. 
Sonst kömen hier nicht so halbgare Weisheiten...

Der kritische Teil ist der Eingang und nicht der Ausgang. Die 
Stromanstiegsgeschwindigkeit liegt da noch bedeutend über den genannten 
35 kA/s, und zwar genau in dem Augenblick wenn der Transistor am Eingang 
einschaltet. Der Strom durch den Transistor muss in wenigen ns auf 1 A 
steigen! Da ist die Einheit kA/s schon fast nicht mehr zu gebrauchen ;) 
Dazu ist eine gute Abblockung notwendig. Ich würde noch einen X7R oder 
X5R Kerko mit mindestens 10µ und einer Nennspannung > 150% der 
Eingangsspannung spendieren und direkt am FET platzieren. Die Schaltung 
wird auch ohne funktionieren, aber aus EMV-Sicht wäre es nicht verkehrt. 
Ansonsten schauts recht ordentlich aus :)

Autor: Alex H. (hoal) Benutzerseite
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Karl wrote:
> Dazu ist eine gute Abblockung notwendig. Ich würde noch einen X7R oder
> X5R Kerko mit mindestens 10µ und einer Nennspannung > 150% der
> Eingangsspannung spendieren und direkt am FET platzieren. Die Schaltung
> wird auch ohne funktionieren, aber aus EMV-Sicht wäre es nicht verkehrt.

Die beiden großen eingangsseitigen Tantals sind jeweils 22µF, 35V mit 
200mOhm ESR. Würde es sich lohnen, den beim FET durch einen X5R Kerko 
mit 10µF und 35V zu ersetzen? (Farnell Bestellnummer 1463373)

Zusätzlich passt er leider nicht rein.


> Ansonsten schauts recht ordentlich aus :)

Danke. Sowas hört man gern beim ersten Schaltregler-Layout :)

Autor: Karl (Gast)
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25 V reichen bei 14,4 V Eingangsspannung schon aus. Selbst einer mit 10 
V geht ziemlich sicher nicht kaputt, er hat nur nicht mehr die 
angegebene Kapazität.

Ersetz doch beide durch 22µ X7R in 1210. Sollte locker hinpassen und 
allemal besser als die Tantal-Ungetüme ;). Sind die Werte aus einem 
Datenblatt?

Autor: Alex H. (hoal) Benutzerseite
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Karl wrote:
> 25 V reichen bei 14,4 V Eingangsspannung schon aus. Selbst einer mit 10
> V geht ziemlich sicher nicht kaputt, er hat nur nicht mehr die
> angegebene Kapazität.

Nach dem, was ich über Kerkos weiß, verlieren sie dramatisch an 
Kapazität, je näher man der spizifizierten Spannung kommt.


> Ersetz doch beide durch 22µ X7R in 1210. Sollte locker hinpassen und
> allemal besser als die Tantal-Ungetüme ;).

Ist ein bisschen teuer.. Zumindest finde ich nichts bei Farnell.

Mir ist gerade aufgefallen, dass statt des einen Tantal zwei 10µ 35V X5R 
reinpassen. Nur leider finde ich keine Informationen, wie sich ein X5R 
verhält (ESR, tatsächliche Kapazität, maximaler Ripple, ...)


> Sind die Werte aus einem Datenblatt?

Ja, es sind KEMET T495D226K035ATE200.
http://www.farnell.com/datasheets/96417.pdf

Autor: Karl (Gast)
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Genau so ist es :(, aber 25V Typen bei 14 V sollten ok sein.

Hab doch auch grad bei Farnell gesucht...

Klingt doch auch ok. Da es sich wohl um ein Einzelstück handelt käme 
auch eine Huckepack-Bestückung in Frage.

X5R ist normalerweise auch gute Keramik. Keine Einwände.

Ich meinte eigentlich die Kapazitätswerte, also ob die Scahltung aus 
einem Datenblatt kommt.

Autor: Scherbo (Gast)
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Was ist daran bitte halbgar ? Oder willst du hier nur
dein ego aufwerten indem du den Besserwisser raushängen lässt ?
Das man an den Eingang am besten noch nen LC Filter hängt
ist mir auch klar du Nudel ...

Autor: Alex H. (hoal) Benutzerseite
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Karl wrote:
> Genau so ist es :(, aber 25V Typen bei 14 V sollten ok sein.
>
> Hab doch auch grad bei Farnell gesucht...

Wenn man Lieferung aus USA und nicht lagernde Produkte ausschließt, 
bleibt nicht viel über.

> Klingt doch auch ok. Da es sich wohl um ein Einzelstück handelt käme
> auch eine Huckepack-Bestückung in Frage.

Stimmt, würde eigentlich auch gehen.


> X5R ist normalerweise auch gute Keramik. Keine Einwände.

Wo kann ich Daten zu X5R finden? Also die oben genannten Punkte: ESR, 
maximaler Ripple usw.


> Ich meinte eigentlich die Kapazitätswerte, also ob die Scahltung aus
> einem Datenblatt kommt.

Im Datenblatt zum MAX1640 ist als Eingangs-C ein 47µ low-ESR Tantal 
vorgeschlagen.

Autor: AC/DC (Gast)
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@Alexander
>Nach dem, was ich über Kerkos weiß, verlieren sie dramatisch an
>Kapazität, je näher man der spizifizierten Spannung kommt.

Ach ja? Warum denn? Was sich verändert ist nur der kapazitive
Blindwiderstand. Kapazitätsänderungen treten allenfalls durch Alterung
oder Überspannung auf was dem Kondensator dann meist das Leben kostet.
Meintest du das vielleicht?

Autor: Alex H. (hoal) Benutzerseite
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AC/DC wrote:
>>Nach dem, was ich über Kerkos weiß, verlieren sie dramatisch an
>>Kapazität, je näher man der spizifizierten Spannung kommt.
>
> Ach ja? Warum denn? Was sich verändert ist nur der kapazitive
> Blindwiderstand. Kapazitätsänderungen treten allenfalls durch Alterung
> oder Überspannung auf was dem Kondensator dann meist das Leben kostet.
> Meintest du das vielleicht?

Nein, ich meinte tatsächlich die Charakteristik der Kondensatoren bei 
Betrieb mit DC-Bias. Also genau die hier geforderte Anwendung. 
Allerdings gilt meine Aussage in der dramatischen Version eher für 
Y5V-Keramik.
Bei X7R ist es nicht so schlimm bei Spannungen <100V.

Siehe zum Beispiel http://www.murata.com/catalog/c02e.pdf Seite 32.

Wie es bei X5R steht, muss ich noch rausfinden. Aber dank deiner Frage 
habe ich nun endlich die Charakteristiken gefunden. Im TDK Compunent 
Viewer kann man sich viele relevante Diagramme für deren Kondensatoren 
anzeigen lassen. Wird bei anderen Herstellern nicht viel anders sein für 
die gleiche Keramik.
http://www.tdk-components.de/en/design-tools/ccv/index.php

Beim C4532X5R1E106KB (10µ, X5R, 25V) sinkt die brauchbare Kapazität bei 
20V Bias auf 70%.

Autor: Karl (Gast)
Datum:

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@ Scherbo

>Was ist daran bitte halbgar ? Oder willst du hier nur
>dein ego aufwerten indem du den Besserwisser raushängen lässt ?
>Das man an den Eingang am besten noch nen LC Filter hängt
>ist mir auch klar du Nudel ...

Getretene Hunde jaulen, gelle...

Halbgar ist, dass du die Stromanstiegsgeschwindigkeit IN DER SPULE 
berechnen willst. Die ist aber wenns ums Layout geht vergleichsweise 
unerheblich, weil die paar cm Zuleitungen zu der Induktivität nichts 
wesentliches beitragen. Dementsprechend ist dein Buzzword-Bingo von 
"optimieren" und "niederimpedant" für die Katz. Du willst "Übersprechen 
abschätzen", gibst aber keinerlei Hinweis wie man das macht. (Zumal sich 
die Frage stellt, ob man noch von "Übersprechen" reden kann, wenn es 
einem die ganze Masse verhagelt.

Den "Besserwisser" nehm ich nicht als Beleidigung, denn in dem Fall weiß 
ich es einfach besser als du. Die Nudel find ich nicht so witzig, weil 
es schlicht keine ausreichend große gibt, die zu mir passen würde :P

Trag doch einfach mal was konkretes bei!

BTT

Macht einen Unterschied, ob das EIN C ist oder zwei. Der weiter 
entfernte ist praktisch wirkungslos oder zumindest nicht so gut wie er 
sein könnte. Aber wie gesagt: Die Schaltung wird trotzdem funktioneren. 
Kannst ja mal über 20 µ Huckepack und nen dicken Tantal nachdenken. Im 
übrigen bekommt man mit 10 nH/cm erstaunlich realitätsnahe 
Simulationsergebnisse...

Autor: Scherbo (Gast)
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Wenns dir die Masse verhagelt hast du keine Ahnung vom Layouten, so seh
ich das ...
Du sagst mir, ich solle was konstruktives beitragen, redest
aber selber von mehreren cm zur Ind. die nichts beitragen sollen ?

An deiner Stelle würd ich in den nächsten Tagen meinen
Rücken nicht ungedeckt lassen, kann sein das Jim Williams
hinter dir steht, dann wars das ...

Autor: Karl (Gast)
Datum:

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Muhaha. DAS nennst du konstruktiv?

Der geneigte Leser kann ja gerne selbst rechnen: X µH für die Spule + 10 
nH/cm für die Zuleitung. Da kann man laaaange Zuleitungen ZUR SPULE 
machen bevor man in die Größenordnung der eigentlichen Spule kommt. 
Außerdem ging es um die Induktivität der Zuleitung vom Eingangs-C bis 
zum FET im Bezug auf eine Simulation. EOD für mich.

http://en.wikipedia.org/wiki/Jim_Williams ?

Autor: Michael (Gast)
Datum:

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sich schonmal Popcorn holt

Autor: Mike (Gast)
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>Das man an den Eingang am besten noch nen LC Filter hängt

Das ist oft eine schlechte Idee, denn der LC-Filter stellt einen prima 
Schwingkreis dar, der durch den Schaltregler angeregt wird. Wenn die 
Frequenz des Schaltreglers paßt, schwingt der Filter prima. Oft reichen 
auch schon parasitäre LC-Filter für solche Dreckeffekte (d.h. Zuleitung 
+ Eingangs-C). Deshalb sind häufiger Serien-R's im Eingang zur Dämpfung 
zu finden - freilich zu Lasten des Wirkungsgrads.

Autor: ... (Gast)
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naja, nach 2 Jahren ohne Reklamation wird es wohl funktioniert haben..

Autor: Schnorrer ;-) (Gast)
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Hallo,

nachdem ja, jetzt vor einiger Zeit, zum übergroßen Teil bestätigt wurde 
das dein Layout gut ist und deine Entwicklung wohl auch läuft würde ich 
gerne nachfragen ob du die Layoutdateien des Bords hier posten würdest 
da sicher nicht nur ich gerne diese Konstantstromquelle nachbauen 
würden.
Habe zwar schon eine (Schaltregeler-) konstantstomquelle (mit LM2576) 
auf Lochraster nachgebaut die auch gut funktioniert aber leider 
wesentlich größer als deine Entwicklung ist.

mfg

    Dirk

Autor: Alex H. (hoal) Benutzerseite
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Schnorrer ;-) schrieb:
> nachdem ja, jetzt vor einiger Zeit, zum übergroßen Teil bestätigt wurde
> das dein Layout gut ist und deine Entwicklung wohl auch läuft würde ich
> gerne nachfragen ob du die Layoutdateien des Bords hier posten würdest
> da sicher nicht nur ich gerne diese Konstantstromquelle nachbauen
> würden.

Dirk, leider muss ich gestehen, dass die Stromquelle immer noch nicht 
läuft. Die Platine ist zwar längst aufgebaut, lief aber nicht richtig. 
Ich fürchte, der 20mΩ Strommesswiderstand ist dem MAX1640 zu klein, 
weswegen der nur verwirrt mit einigen KHz zwischen Anlaufen und 
Abschalten o.ä. gewechselt hat.
Wegen anderer Verpflichtungen ist die Platine bis heute ohne weitere 
Analyse liegengeblieben. Tatsächlich wollte ich im März wieder mit ihr 
weitermachen.

Im Anhang findest du eine spätere Version des Layouts im Eagle-Format. 
Allerdings muss ich dazusagen, dass ich sie inzwischen anders aufbauen 
würde. Man lernt ja sazu mit der Zeit.

Autor: Michael H. (michael_h45)
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Alex H. schrieb:
> Ich fürchte, der 20mΩ Strommesswiderstand ist dem MAX1640 zu klein,
> weswegen der nur verwirrt mit einigen KHz zwischen Anlaufen und
> Abschalten o.ä. gewechselt hat.
Du brauchst einen gewissen Rippel im Strom, auf den der IC Regeln kann. 
Der MAX1641 braucht nur etwa halb so viel - dem könnten 50mVpp schon 
reichen.
Als ersten Anlauf also einfach mal die Spule kleiner machen.

Autor: Alex H. (hoal) Benutzerseite
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Michael H. schrieb:
> Du brauchst einen gewissen Rippel im Strom, auf den der IC Regeln kann.
> Der MAX1641 braucht nur etwa halb so viel - dem könnten 50mVpp schon
> reichen.
> Als ersten Anlauf also einfach mal die Spule kleiner machen.

Woher hast du diese Angabe? Ich habe damals das Datenblatt rauf- und 
runtergelesen, aber einen solchen Unterschied zwischen MAX1640 und 41 
habe ich nicht in Erinnerung.

Die Spule ist mit ihren 150µH gemäß Datenblatt dimensioniert. Iripple 
sollte bei 200mApp liegen, wenn mich die Erinnerung nicht trügt. Das 
macht selbst bei 100mΩ Widerstand nur 20mVpp, die dem MAx1640 also laut 
DB ausreichen sollten.

Ich wollte zunächst einen größeren Widerstand ausprobieren. Das gibt 
dann weitere Erkenntnis.

Wo wir schon dabei sind: Weiß jemand, was die Angabe "Quarter-Scale 
Current-Sense Threshold" im Datenblatt bedeutet? Ein Support-Engineer 
von Maxim, falls es denn einer war, konnte oder wollte es jedenfalls 
nicht beantworten.

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