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Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Ultrakeet CD Spot welder


Autor: Christian M. (chrisreg)
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Hallo Forum!

Ich bin gerade dabei mir einen capacity discharge spot welder zu bauen.
Bei meiner Recherche im Internet bin ich auf diese Seite gestoßen:

> http://ultrakeet.com/index.php?id=article&name=cdW...

Weiter unten auf der Seite findet sich der Schalplan

> http://ultrakeet.com/uploads/pseudo_complete_v1-2-1.pdf

Ich habe so meine Verständnissprobleme bei der Lade/Entladeschaltung 
links unten. (Mal abgesehen davon, dass die Benennungen teilweise ins 
Nichts führen und falsch sind, oder zB im ebenfalls angebotenen PCB 
Layout D von Q6 mit S von Q5 verbunden ist usw.) Ich verstehe nicht wie 
ich eine Lade/Entlade Stufe (quasi eine Halbbrücke) mit nur einer 
Versogungsspannung für die Gate Spannung aufbauen kann. Beim Entladen 
(Q6) ist mir klar: S liegt (über einen R) auf GND und mit der 
Gatespannung kann ich den FET einschalten. Aber beim Laden, liegt der 
Source pin von Q5 ja nicht auf Masse, aber auf diese bezieht sich ja die 
Gate Versogungsspannung (in diesem Schaltplan als VDRIVE bezeichnet)

Wie kann das dennoch funktionieren?

Ich hoffe meine Frage ist nicht zu konfus und irgendwer kann mir 
weiterhelfen.

TIA Christian

Autor: Ben ___ (burning_silicon)
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wenn die gate drive spannung ein paar volt über der 12V betriebsspannung 
liegt geht das. ist zwar keine sonderlich schöne lösung, aber wird z.b. 
auf pc-mainboards gerne bei step-down-reglern gemacht. da wird bei einem 
3,3V regler der laststrom aus den 5V entnommen und die gate-spannung aus 
der 12V-schiene. da diese immer 7V über der 5V schiene liegt hast du 
mindestens 7V gatespannung - mehr als genug für einen logic level FET.

Autor: Christian M. (chrisreg)
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Danke für die Info!
Das klärt einiges

Autor: Christian M. (chrisreg)
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Ich glaub ich  werd das ganze mit relais machen.


So nun zur nächsten Frage.

Also Leistungs FETs möchte ich 5 Stück
IRFP2907 www.irf.com/product-info/datasheets/data/irfp2907.pdf
parallel verwenden.

Als Treiber ICs möchte ich MCP14E4 verwenden ( 
ww1.microchip.com/downloads/en/DeviceDoc/22062a.pdf )

Nun meine Frage für jeden fet einen eigenen treiber kanal?
oder die treiber parallelschalten und die fets parallel ansteuern?

welche vorwiderstände nimmt man da am besten?

Schön wären ja 0Ohm, um die FETs schnell anschalten zu können, aber ich 
fürchte, dass wirds nicht spielen.

Wie man meinen fragen entnehmen kann, hab ich leider null 
praxiserfahrung.
In meinen Vorlesungen habe ich es leider bisher nur mit idealen FETs zu 
tun gehabt.

TIA Christian

Autor: Lothar Miller (lkmiller) (Moderator) Benutzerseite
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> Wie man meinen fragen entnehmen kann, hab ich leider null
> praxiserfahrung.
Fang einfach mal an. Die Erfahrung kommt mit der Zeit  ;-)

> In meinen Vorlesungen habe ich es leider bisher nur
> mit idealen FETs zu tun gehabt.
Und vor allen Dingen:
ohne irgendwelche parasitäre Induktivitäten (Verdrahtung)

Autor: Volker K. (powerfreak)
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Hallo Christian,

Als Gatewiderstände empfehle ich Dir 10 Ohm, parallel dazu 15Ohm mit 
einer Seriendiode die den Stromfluß beim Einschalten ermöglicht, und 
beim Abschalten sperrt.
Dann solltest Du den Strom in jedem FET messen und sicherstellen, daß
1. die Stromverteilung ungefähr gleich ist (mehr als 150A pro Puls 
empfehle ich nicht) und
2. die Überschwinger im Bereich des Erträglichen bleibt... ggf. Oszibild 
hier posten.

Der Treiber MCP14E4 reicht bei den o.g. Widerständen für 2 FETs aus (ich 
gehe davon aus, daß VDRIVE ca. 15V beträgt, ist im verlinkten Schaltplan 
nicht sichtbar)
Da bei einem CD Welder die Pulsrate nicht besonder hoch ist kannst Du 
vermutlich auch 3 FETs pro Treiber einsetzen. Alle 5 Fets an einem 
Treiber würde ich so nicht riskieren. Nimm lieber 6 FETs und 2 Treiber 
oder such Dir einen Treiber der wenigstens 6A kann.

Bitte auf gleiche Leitungslängen und kleine Schleifen zwischen 
Kondensator und FETs achten!

Welche und wieviele Kondensatoren willsst Du dafür einsetzen?

Gruß

Volker

Autor: Christian M. (chrisreg)
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Hallo Volker,

danke für deine Hilfe!

Warum soll eigentlich beim Abschalten weniger Gatestrom fließen als beim 
Einschalten?


Als Anhang mal die Verkabelung der Fet-Bank

Schaltplan folgt gleich

Autor: avion23 (Gast)
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Nene ;)

Die Kabel sind viel zu induktiv und haben einen hohen Widerstand. 
Steckkontakte? Viel zu hoher Widerstand.

Die Drainanschlüsse kannst du mit einem Stück Kupfer als Kühlkörper 
herstellen. Tab ist normalerweise mit drain verbunden, bietet sich 
deswegen an.

Für Source kannst du ebenfalls eine Kupferschiene verwenden. Diese halb 
auf der Platine aufliegen lassen und die Anschlüsse nach unten biegen.

Autor: Christian M. (chrisreg)
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Das hab ich mir auch schon überlegt, nur befürchte ich, dass das dann 
zu niederohmig wird.

Autor: Christian M. (chrisreg)
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Sodala nun der Schaltplan - so, oder so ähnlich hab ich mir das 
zumindest vorgestellt.

Also Treiber würde ich zwei MCP14E4 Bausteine parallel verwenden (jder 
hat zwei treiber, deshalb die vier Treiber im Schaltplan), die jweils 
einen 4700µF Elko und ein paar 100nF Kos bekommen. (das ist im Schltplan 
nicht eingezeichnet)

Kritik willkommen!

Autor: Lothar Miller (lkmiller) (Moderator) Benutzerseite
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> Das hab ich mir auch schon überlegt, nur befürchte ich, dass das dann
> zu niederohmig wird.
Das ist der Traum jedes Hardwareentwicklers, dass der Widerstand der 
Leiterbahnen und Verdrahtung 0 Ohm ist. Genauso zeichnest du nämlich 
auch den Schaltplan: wo du einen Widerstand haben willst, zeichnest du 
einen rein. Wo du keinen haben willst, zeichnest du eine Verbindung.

> Sodala nun der Schaltplan...
Soweit, so gut...
Aber wie hast du dir das Potential vom Triggersignal vorgestellt?
Und die Versorgung der Treiberbausteine?

Bezieht sich das Ansteuersignal (Ug) auf GND oder auf die Source?
Ein kleines Problem dürfte nämlich diese Ugs sein: um die Transistoren 
ganz durchzusteuern muß die Spannung am Gate etwa 10V über der 
Kondensatorspannung sein. Solange die Source aber über den 
Schweißkontakt auf GND leigt, hast du am Gate damit Uc+10V, und das 
könnte schnell mal zuviel sein...

Ich würde die ganzen Gate-Widerstände erst mal rauslassen. Dein 
vorrangiges Ziel ist erstmal nicht die Verminderung von EMV 
Störstrahlung, sondern ein möglichst zackiges Durchschalten der Mosfets.

BTW: warum machst du es (als Ausgangsbasis) nicht einfach so, wie es in 
dem Schaltplan ist, den du gepostet hast? Immerhin hat das schon mal 
funktioniert. Verbessern kannst du ihn dann, wenn du das Wissen dazu 
angehäuft hast. Und sooo arg verworren ist der nicht...  :-o
> Aber beim Laden, liegt der Source pin von Q5 ja nicht auf Masse...
Denn nur, weil du die Originalschaltung nicht verstehst, heißt das ja 
nicht, dass du es auf Anhieb besser könntest.
(Auflösung: der Mosfet sperrt, weil das Gate negativer ist, als die 
Source.)

Autor: Ben ___ (burning_silicon)
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was ich an diesem ding nicht verstehe - die arbeitsweise. das ist doch 
im grunde nichts weiter als eine kondensator-stoßentladung? wie lange 
dauert diese entladung? am schönsten wäre natürlich eine 
gate-ansteuerung, die mit einem hilfswandler versorgt wird und deren 
bezugspunkt der source pin ist. damit bekommt man die transistoren am 
sichersten und unter allem umständen voll geöffnet.

die gate-widerstände ganz rauslassen würde ich nicht, aber ich würde sie 
in der größenordnung von 4,7 ohm wählen.

das abschaltverhalten der mosfets spielt nach der entladung eigentlich 
keine rolle weil die kondensatoren dann entladen sind und kein strom 
mehr fließt.

die direkte verbindung aller drains mit hilfe des kühlkörpers ist eine 
schicke idee, allerdings sind die IRPF2907 bis auf ihre metallplatte in 
kunststoff vergossen, auch auf der rückseite. dieses müßte man ein wenig 
bearbeiten um einen guten elektrischen kontakt mit dem kühlkörper 
herzustellen (der sonst nie gewünscht ist). ich würde die 
drain-anschlüsse daher trotzdem möglichst niederohmig miteinander 
verbinden. viel besser als mit den einzelnen kabeln wird es auch nicht 
gehen.

Autor: Lothar Miller (lkmiller) (Moderator) Benutzerseite
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> wie lange dauert diese entladung?
Das ist einstellbar. Das Video auf der HP zeigt das ganz hübsch, man 
sieht auch die Entladekurven...

Autor: Ben ___ (burning_silicon)
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oki dann sollte man sich schon um das abschaltverhalten der mosfets 
kümmern wenn sie die entladung auch stoppen können müssen... ;) diode 
parallel zum gatewiderstand, anode am gate. das mache ich bei meinen 
schaltreglern immer so, gibt bei 100kHz noch sehr saubere flanken.

Autor: Christian M. (chrisreg)
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Lothar Miller schrieb:
>> Das hab ich mir auch schon überlegt, nur befürchte ich, dass das dann
>> zu niederohmig wird.
> Das ist der Traum jedes Hardwareentwicklers, dass der Widerstand der
> Leiterbahnen und Verdrahtung 0 Ohm ist. Genauso zeichnest du nämlich
> auch den Schaltplan: wo du einen Widerstand haben willst, zeichnest du
> einen rein. Wo du keinen haben willst, zeichnest du eine Verbindung.
Das Idee ist mir dann erst beim zusammenlöten gekommen, fehlt natürlich 
im Schaltplan, danke.


>
>> Sodala nun der Schaltplan...
> Soweit, so gut...
> Aber wie hast du dir das Potential vom Triggersignal vorgestellt?
> Und die Versorgung der Treiberbausteine?
>
> Bezieht sich das Ansteuersignal (Ug) auf GND oder auf die Source?
> Ein kleines Problem dürfte nämlich diese Ugs sein: um die Transistoren
> ganz durchzusteuern muß die Spannung am Gate etwa 10V über der
> Kondensatorspannung sein. Solange die Source aber über den
> Schweißkontakt auf GND leigt, hast du am Gate damit Uc+10V, und das
> könnte schnell mal zuviel sein...

Hmmm gute Frage. Das ist natürlich ein Problem. Das muss ich irgendwie 
trennen.

Weil wenn ich Source auf GND Lege blästs mir ja bei jedem impuls die 
Ansteuerelektronik weg, da der Strom durch die source-GND Verbindung 
fließt. (oder?)
Eine andere Möglichkeit wäre ja noch die Rückleitung zu schalten und den 
Pluspol vom C1 durekt herauszuführen, aber das ist mir eigentlich zu 
gefährlich.

Ich frag mich nur wie das bei der von mir verlinkten Schaltung 
funktioniert. (verwirrt schau)

>
> Ich würde die ganzen Gate-Widerstände erst mal rauslassen. Dein
> vorrangiges Ziel ist erstmal nicht die Verminderung von EMV
> Störstrahlung, sondern ein möglichst zackiges Durchschalten der Mosfets.
Na solange das nur die EMV beeinträchtigt ist mir ein schneller 
Schaltvorgang wichtiger.


>
> BTW: warum machst du es (als Ausgangsbasis) nicht einfach so, wie es in
> dem Schaltplan ist, den du gepostet hast? Immerhin hat das schon mal
> funktioniert. Verbessern kannst du ihn dann, wenn du das Wissen dazu
> angehäuft hast. Und sooo arg verworren ist der nicht...  :-o
>> Aber beim Laden, liegt der Source pin von Q5 ja nicht auf Masse...
> Denn nur, weil du die Originalschaltung nicht verstehst, heißt das ja
> nicht, dass du es auf Anhieb besser könntest.
> (Auflösung: der Mosfet sperrt, weil das Gate negativer ist, als die
> Source.)
Danke!!
Aber ich mag es erstmal mit Relais verschen, da hab ich genug hier und 
vorallem die sicherheit, dass der C1 gleich nachdem abschalten entladen 
wird, (entlade-Relais ist ein öffner)

Autor: Christian M. (chrisreg)
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Ben _ schrieb:
> am schönsten wäre natürlich eine
> gate-ansteuerung, die mit einem hilfswandler versorgt wird und deren
> bezugspunkt der source pin ist. damit bekommt man die transistoren am
> sichersten und unter allem umständen voll geöffnet.
>

Hmmm, ja sowas in der Art.
Ich verstehe aber nicht ganz, wie bekommt man da trennung von 
GND-potentil hin?

Autor: Ben ___ (burning_silicon)
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man nimmt ein kleines DC/DC netzteil dessen ausgang galvanisch vom 
eingang getrennt ist. der ausgang wird dann mit dem source der mosfets 
verbunden und schon liefert der aufbau eine gatespannung von z.b. 12V, 
die mit dem source pin mitläuft. die impulsübertragung von der 
steuerschaltung zur endstufe muß dann auch galvanisch getrennt werden, 
beispielsweise über einen optokoppler.

wenn es aber nur kurze impulse sind kann man es auch mit einer 
bootstrap-schaltung probieren. es gibt treiber-ICs für high side 
mosfet-ansteuerungen, die die gatespannung aus einem aufgeladenen 
kondensator beziehen, der aufgeladen wird wenn der source auf 
masseniveau liegt. ich kenne nur den IR2110 bzw IR2113, diese enthalten 
eine ansteuerung für einen low-side und einen high-side FET 
(halbbrücke). die high-side arbeitet nach diesem bootstrap-prinzip, 
kannst du dir im datenblatt mal zum verständnis anschauen.

Autor: Christian M. (chrisreg)
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Hallo Ben!

Danke!

Die Fet Steuerspannung kommt von einem eigenen Netzteil,
Optokoller hab ich mir gerade besorgt. mal schaun ob ich eine Schaltung 
hinbekomme. Werd ich dann hier posten.

Autor: Christian M. (chrisreg)
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Sodala, neuer Schaltplan.

Autor: Ben ___ (burning_silicon)
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na das sieht doch schon mal ganz gut aus. mußt halt nur aufpassen, daß 
es nirgendwo einen kontakt zwischen der masse und dem minus der 
gate-drive-spannung gibt.

ich würde aber die FETs auf die treiber-ICs aufteilen, sprich ein IC 
treiber auf drei FETs. oder du gibst jedem FET seinen eigenen 
treiberausgang, davon würde ich mir die besten ergebnisse erhoffen. wie 
gesagt, eine schnelle diode (z.b. MUR120) parallel zu jedem 
gatewiderstand um das sperren zu beschleunigen.

Autor: Christian M. (chrisreg)
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Ben _ schrieb:
> na das sieht doch schon mal ganz gut aus. mußt halt nur aufpassen, daß
> es nirgendwo einen kontakt zwischen der masse und dem minus der
> gate-drive-spannung gibt.
Klar!

>
> ich würde aber die FETs auf die treiber-ICs aufteilen, sprich ein IC
> treiber auf drei FETs. oder du gibst jedem FET seinen eigenen
> treiberausgang, davon würde ich mir die besten ergebnisse erhoffen.
Werde ich mal ausprobieren, Trteiber habe ich eh genug.

> wie
> gesagt, eine schnelle diode (z.b. MUR120) parallel zu jedem
> gatewiderstand um das sperren zu beschleunigen.

Damit das Entladen der gate-Kap. nicht über den Widerstand "gebremst" 
wird?

Autor: Ben ___ (burning_silicon)
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exakt. das durchschalten der FETs ist nicht sooo extrem kritisch da der 
strom in diesem moment nicht so hoch ist (parasitäre induktivitäten, die 
kontaktfläche am schweißstück ist noch recht klein). ganz ohne 
gate-widerstände können FETs zum schwingen neigen, daher würde ich 
welche verbauen um eventuell auftretende schwingneigungen zu dämpfen. 
beim sperren der FETs siehts anders aus, die parasitären induktivitäten 
befinden sich lange in der sättigung und der schweißpunkt ist zu 100% 
verbunden - es fließt der maximale strom. da müssen die FETs so schnell 
wie möglich dichtmachen, im umschaltmoment entstehen in ihnen bei 
12V/1000A im ungünstigsten fall bis zu 12kW verlustleistung. wenn das zu 
lange dauert ist das silizium in den dingern flüssig noch bevor der 
deckel weggeflogen ist.

für das 1F nimm nicht nur einen kondensator, sondern bau das aus 
mehreren kleineren und ordentlichen stromschienen zusammen. sonst kommt 
nicht der strom raus den du haben willst und stoßentladungen mögen elkos 
sowieso nicht so besonders.

Autor: Volker K. (powerfreak)
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Christian M. schrieb:

...
> Warum soll eigentlich beim Abschalten weniger Gatestrom fließen als beim
> Einschalten?
...

Hallo Christian,
Im Moment des Abschaltens hast Du den größten Strom, und hier hat Ben in 
sofern recht - das Abschalten muß zügig vor sich gehen.

Problem kann hier sein daß - je nach Verdrahtung d.g. parasitärer 
Induktivität - die Induktionsspannung für den FET beim ZU SCHNELLEN 
abschalten zu groß wird.

Wenn man mit wirklich großen Strömen arbeitet - oder eine IGBT Schaltung 
hat, bei der die Entsättigungsüberwachung zugeschlagen hat - dann 
schaltet man deutlich langsamer aus, als man das im Normalbetrieb machen 
würde.

Wenn ich Deine FET-Auswahl sehe, dann möchtest Du vermutlich 6x 160A 
d.h. ca. 1000A+ zum schweißen verwenden. Bitte korrigiere mich, wenn ich 
was übersehen habe.
Auch wenn Du sehr sorgfältig arbeitest und z.B. die Verbindung zwischen 
FETs und Kondensatoren aus massivem Kupferblech machst werden sich die 
parasitären Induktivitäten nicht auf 0 bringen lassen.
z.B. dI=1000A, dt=200ns Schaltzeit, parasitäre Induktivität ca. 100nH... 
über U=-L*dI/dt bekommst Du eine Induktionsspannung von 500V die im FET 
über Avalange verbraten werden... sofern er das abkann.
Ob Du in Deinem Aufbau jedoch zwischen Elko==> FET ==> Elko die 100nH 
hinbekommst .....??
Nehmen wir an Du schaffst 100nH, dann darfst Du nicht schneller als 
2000ns = 2µs abschalten, damit die Überspannung auf 50V begrenzt wird.

Natürlich kannst Du bei 200ns bleiben und eine 50V Z-Diode verwenden, 
gemäß W=0,5*L*I² verbrätst Du in dieser Diode 
(Transient-Suppressor-Diode!) 0,05J = 0,05Ws. In der Schaltzeit von 
200ns wären das immerhin 250kW, sofern die Überspannung in der Zeit 
wirklich abklingt.

Wie du siehst ist es nur eine Frage des "wo" und nicht "ob" diese 
Energie abgebaut werden muß..... im FET, oder in einer Transil-Diode.

Die Schaltverlustleistung bei 2µs und 25V liegt im Bereich von insgesamt 
ca. 25mW , sofern Deine Schweißleistung bei 10 "Schuß" pro Sekunde 
liegt.
[Näherung: 0,5*1000A*25V*200ns*10Hz=0,025] Klar, im Abschaltmoment sind 
es ca. 12,5kW, auf 6 FETs verteilt also gute 2kW... sollte gehen.

Übrigens, wenn Du IMPULSFESTE Kondensatoren (z.B. für Schaltregler) 
kaufst, klappt das mit der Stoßentladung... , Du mußt nur sicherstellen, 
daß die Elkos nicht verpolt werden. Da diese Bauteile auch intern eine 
Indiktivität aufweisen, solltest Du bei SPÄTESTENS 5V schluß machen, mit 
Deiner Entladung. Ist aber praktisch kein Enegieverlust, wenn Du Dir die 
dann verbleibende Energie ausrechnest [W=0,5*C*U²]. Lieber die 
Ladespannung erhöhen!

Autor: Ben ___ (burning_silicon)
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die IRFP2907 haben eigentlich ein sehr hohes avalanche rating und 
sollten das aushalten. die sind als 42V "automotive" aufgeführt, z.b. 
für starter-motoren. das sind auch recht rauhe betriebsbedingungen.

Autor: Volker K. (powerfreak)
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Stimmt, er kann es vermutlich sogar aushalten... nur einen richtigen 
Vorteil habe ich daraus nicht, denn der FET wird entweder durch die 
Schaltverluste warm, oder durch die Avalancheenergie.
Ich persönlich denke, daß der gesamte Vorgang ohne Averlanche besser 
kontrollierbar ist, und schließlich kostet es zusätzlich nur eine Diode, 
und einen Widerstand...

Autor: Ben ___ (burning_silicon)
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schwer zu sagen. ich würd mich da nicht zu weit aus dem fenster lehnen 
welche der beiden möglichkeiten die geringeren verluste an den FETs 
erzeugt. ich weiß es nicht. ich würde trotzdem zu meiner lösung mit den 
dioden greifen um sicherzugehen, daß die FETs schnell zu sind. zumal 
angesichts der leistung beim schweißen auch egal ist ob ich nun eine 
oder fünf joule verbrate - vorausgesetzt die FETs können's ab.

Autor: Christian M. (chrisreg)
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Hallo!

Nochmal danke für die Tipps, denn jetzt wirds ernst!
Nach Langer Pause geht es weiter.
Ich habe meinen Betreuer davon überzeugen können das Trum als 
Projektarbeit im Rahmen meines Studiums zu bauen :-)

Erste Versuche waren schon erfolgreich (wennauch mit weitaus kleineren 
Leistungen)

Autor: Anselm68 (Gast)
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Ich bin gespannt wie es weiter geht ;)

Interessant ist dass Projekt ja schon..

Gruß Anselm

Autor: Christian M. (chrisreg)
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Kleines Update.

Leistungsteil ist soweit fertig.
Als Schalter wurde 5x IRLS3034-7PPbF verwendet
Als Treiber ein TC4451

Schaltplan habe ich im Moment nur auf Papier und kann ich bei Interesse 
auch hochladen

Autor: Volker K. (powerfreak)
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Hallo Christian,

wie ist der Stand Deines Projektes?

Wäre nett, wenn Du bei Gelegenheit einige Details hochladen könntest.
Ein Paar Fotos und die Stromlaufpläne sind für viele interessant.
Gibts schon erste Testschweißungen?

Viel Erfolg
Volker

Autor: Christian M. (chrisreg)
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Hi!

Die ersten Testschweißungen liegen schon etwas zurück, leider sowohl 
Zeitlich als auch hinter meinen Erwartungen.

Im Moment bin ich mit der Steuersoftware beschäftig, dann wird wieder 
weitergearbeitet.

Autor: Abdul K. (ehydra) Benutzerseite
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Christian M. schrieb:
> Kleines Update.
>
> Leistungsteil ist soweit fertig.
> Als Schalter wurde 5x IRLS3034-7PPbF verwendet
> Als Treiber ein TC4451
>
> Schaltplan habe ich im Moment nur auf Papier und kann ich bei Interesse
> auch hochladen

Hm. Darf ich mal fragen, was das für ein fetter Kondensator ist?

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