Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik 200A IGBT-Modul schalten. Fragen zum Treiber.


von Marcus S. (elektromarcus)


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Hallo an alle.

Ich versuche zwei Schweißgeräte (Inverter) über eine IGBT-Halbbrücke zu 
verbinden, damit ich am Ausgang der Schaltung an KL3 Wechselstrom mit
einer Frequenz von 60-200 HZ entnehmen kann. Die Leerlaufspannung jeder 
Stromquelle liegt ba ca. 85 V, der Schweißstrom erreicht max 150A bei 
ca. 16V. Die Stromquellen sind identisch und haben die Möglichkeit den 
Stromwert am Ausgang zu regeln. Die Kostruktion brauche ich um mit WIG 
Aluminium schweißen zu können. Die Grundschaltung für IGBT-Treiber habe 
ich
aus "Application Note AN-978" übernommen.

Meine Fragen:

1. Bootstrap Kondensator, welche Kapazität und worauf achten ?

2. Brauche ich noch zusätzlich Rücklaufdioden am IGBT-Modul (ich hätte 
da  noch zwei RURG8060) ?

3. Fehlt bei meiner Schaltung vielleicht noch ein Snubber RC-Netzwerk ?

4. Kann oder darf ich den Schweißstrom von ca. 150A unterbrechen indem 
ich den Shutdown-Eingang vom IR2113 auf High setze ?

5. Sonstige Vorschläge zur Realisierung.


Da ich mich aber im Bereich Leistungselektronik noch nicht sehr gut 
auskennen habe ich einfach kein "Gefühl" dafür wie man solche Ströme 
schalten kann.

Sonstiges. Alle Bauteile sind bereits vorhanden und es ist mir auch 
klar, dass diese Schaltung kein vollwertiges WIG-Schweißgerät ersetzen 
kann,
mir geht es um die Leistungsstufe.

Ich habe selbstverständlich vorher in div. Foren und Büchern 
recherchiert,
bin neu hier im Forum und habe zum ersten Mal TARGET3001! benutzt, 
sollte ich also irgendwo einen groben Fehler gemacht haben, dann bitte 
nicht gleich steinigen :-)

von wienerwürstchen (Gast)


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Na ghe dir schonmal nen Helm holen :)

von Helmut L. (helmi1)


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Marcus Schmidt schrieb:
> Da ich mich aber im Bereich Leistungselektronik noch nicht sehr gut
> auskennen habe ich einfach kein "Gefühl" dafür wie man solche Ströme
> schalten kann.

Man faengt nicht gleich mit Stroemen von 150A und mehr an. Erst mal 
klein Anfangen.

Und Leistungselektronik Entwicklung kostet nun mal am Anfang einigen 
Bauteilen das Leben. Ich hoff du hast genug Transistoren da. Eine 
Schaltungsentwicklung die auf Anhieb laeuft gibt es da nicht.

>Bootstrap Kondensator, welche Kapazität und worauf achten ?

Sehe ich keinen.

von Knut (Gast)


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Warum hinter dem Treiber noch ne Stufe? Völlig überflüssig, direkt an 
die Gates über n 47 Ohm oder so! Bootstrap ca. 1 uF Kermik oder besser 
Tantal!
Ich würde aber ausreichend Totzeit lassen, da du keine  Negative 
Treiberspannumg über Bootstrap realsieren kannst und IGBTs die 
eigentlich brauchen!



Gruß Knut

von Marcus S. (elektromarcus)


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@Helmut

ich versteh auch, dass man nicht gleich mit 150A anfängt und ich habe 
bereits einige praktische Erfahrungen gemacht und ein haufen Bauteile 
verbrannt.
Ich habe aber ein konkretes Ziel, dass ich im Endeffekt 150A schalten 
kann, es heißt aber nicht, dass ich es sofort mit 150a probieren möchte.
Ich kann z.B. den Strom im bereich von 5 bis 150A einstellen und 
begrenzen,
den IGBT schalten lassen und das Signal mit dem Ooszilloskope beobachten
um die schaltung zu optimieren. Und gerade weil es nicht so einfach ist 
150A zu schalten poste ich auch hier, in der Hoffnung sinnvolle Tipps zu 
bekommen.

Über den Bootstrap-Kondensator bin ich mir eben noch nicht sicher,
in der Beispielschaltung aus AN-978 sind's  0,1mkF ich habe aber noch 
nicht verstanden, ob dieser Wert auch von der Frequenz abhängig ist,
fast alle Schaltungsbeispiele sind für Schaltfrequenzen von 50-200 KHz
ausgelegt (was für Inverter auch logisch ist). Ich möchte aber mit max. 
200Hz schalten, daher meine Unsicherheit.

Gruß.
Marcus

von Marcus S. (elektromarcus)


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@Knut

...hm, darüber habe ich auch mal nachgedacht. Ist es wirklich 
realistisch mit "nur" einem IR2113 ein 300A IGBT zu steuern ?

Die negative Spannung zum Abschalten wäre eigentlich kein Problem,
ich möchte den IGBT aber auch nicht zu hart abschalten und die 
Spannungsspitzen in Grenzen zu halten.

Gruß.
Marcus

von Andreas R. (rebirama)


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Zu den Bootstrapkondensatoren und deren Dimensionierung:
Es gibt praktisch nur eine Mindestgröße:
1)Die Gateladung muss gespeichert werden können, ohne dass die Spannung 
deutlich einbricht.
2) Die Leckströme bei eingeschaltetem Transistor dürfen wärend der 
Einphase die Pannung nicht zu stark abfallen lassen (Hier kommt die 
Schaltfrequenz in spiel)

Als Bootstrapdioden solltest du was schnelleres nehmen, z.B. eine UF4007

Die Zusätzlichen Booster-Transistoren sind nur notwendig, wenn mit dem 
Treiber allein die geforderten Schaltzeiten nicht erreichbar sind.
Dann aber nur eine Stufe, nicht zwei.
Habe hierfür schon Bipolartransistoren z.B. ZXGDirgendwas von 
Diodes/Zetex erfolgreich eingesetzt.

von Knut (Gast)


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Direktes Schalten ist gängige Praxis. Haste dir ma die Gateladung 
angesehen? Da reicht so ein Treiber völlig aus! Solange du Kühlumg hast 
und die Halbnrücke nicht kurzschließt solltet du keine Ptbleme bekommen! 
Wie gesagt, auf Totzeiten achten...

von Marcus S. (elektromarcus)


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@Knut

wie überprüft man rechnerisch, ob die Dimensionierung vom Treiber stimmt
(im Bezug auf Gate-Ladung) ?

...wozu steht dann solche aufwendige Treiberstufe in der Application 
Note vom IR2113...

Und vielen Dank für deine Infos.
Marcus

von Knut (Gast)


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Ganz pauschal:
Geh ma auf Semikron.de, da gibt es eine Art Script dazu. Da sind alle 
nötgen Intos dazu als PDF. Kann ich nur empfehlen!

Warum es sowas gibt? Damit die Schaltung nach mehr aussieht! Ich weiß 
nich wie is es wenn man IGBTs im kA Bereich schalten muss, aber bei 300A 
is das nicht nötig, wirklich.


Gruß Knut

von Andreas K. (derandi)


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Ob der Inverter das so witzig findet wenn 60-200 mal pro Sekunde der 
Schweißstrom einfach unterbrochen wird?

von Knut (Gast)


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ObÖb der uC das so witzig findet 10 Mio. Schritte pro Sekunde zu 
machen???
Ob die Sonne das witzig findet 24h/ Tag zu scheinen???

Schwer zu sagen...

von Gerd (Gast)


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Rechne Dir doch mal die Verlustleistung in Deinem Treiber-IC aus... dem 
wird es schnell zu heiß... daher ist eine externe Treiberstufe oft 
erforderlich.
Hast Du hier schon mal geschaut??

http://www.mikrocontroller.net/articles/Treiber

Gruß

Gerd

von Günther (Gast)


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Hier finden sich solide Informationen zum Thema IGBT-Treiber: 
http://imperia.mi-verlag.de/imperia/md/upload/article/416pdf_ansteuern_von_igbt_s.pdf 
Günther

von Andreas K. (derandi)


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Knut schrieb:
> ObÖb der uC das so witzig findet 10 Mio. Schritte pro Sekunde zu
> machen???
> Ob die Sonne das witzig findet 24h/ Tag zu scheinen???
>
> Schwer zu sagen...

Trottel. Oh, sorry: Gast-Trottel.

von Marcus S. (elektromarcus)


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@Andreas K

Hallo Andreas, die Inverter sind sehr robust und regeln sehr schnell,
ich denke, dass sie mit Unterbrechungen keine Probleme haben werden.
Man darf auch nicht vergessen, dass die Schweißinverter für alle
mögliche Unregelmäßigkeiten ausgelegt sind.

@Knut

Totzeit ist natürlich ein Faktor, kannst du mir vielleicht eine grobe 
Vorstellung über den Wert geben, vielleicht aus deiner Erfahrung.
Außerdem habe ich bis jetzt keine Totzeit "eingeplant", ich dachte, dass 
der intergrierter Wert von IR2113 (20ns max.) an der Stelle ausreicht.

@Günther

vielen Dank für den Link, werde ich mir gleich in Ruhe ansehen.

Gruß.
Marcus.

von I. L. (Gast)


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> Trottel. Oh, sorry: Gast-Trottel.

Sie ma einer an...

> Ob der Inverter das so witzig findet wenn 60-200 mal pro Sekunde der
> Schweißstrom einfach unterbrochen wird?

Das is wohl hochqualifiziert, ja? aua

> Totzeit ist natürlich ein Faktor, kannst du mir vielleicht eine grobe
> Vorstellung über den Wert geben, vielleicht aus deiner Erfahrung.

Da brauch man keine Erfahrungswerte, siehe Dateblatt:

turn on delay: 0,3µs
turn off delay: 1µs

macht also ca. 2µs (lieber etwas drüber!)

Gruß Knut

von Marcus S. (elektromarcus)


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Mensch Ingo,

denkst du ich bin bis jetzt auf die Idee gekommen mich zu Fragen was 
diese Werte im Datenblatt vom IGBT bedeuten. Das war jetzt aber echt 
peinlich von mir, ich kenne mich eben mit der Leistungselektronik noch 
viel zu wenig aus. Danke, dass du mich darauf aufmerksam gemacht hast,
mit meiner Vorstellung vom 20ns hätte ich das Ding garantiert Rauch 
verwandelt.

Gruß.
Marcus

von Knut (Gast)


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:-) kein Problem... Schön wenn man helfen kann...

von Mine Fields (Gast)


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Bei der Spannung würde ich kein IGBT verwenden. Da sollte es genügend 
MOSFETs geben, die besser geeignet sind.

Sind die 60-200 Hz die Schaltfrequenz oder wird eine PWM benötigt?

von Knut (Gast)


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Ich nehme ma an das is das Nutzsignal, ich nehme an wird mit 10-20 kHz 
Pulsen!

Gruß Knut

von Andreas K. (derandi)


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Ingo L. schrieb:
> Das is wohl hochqualifiziert, ja? *aua*
Da besteh ich doch drauf.
Das Ding mit Sonne Mond und MC-Vergleich hätte ein Metzger auch noch 
hingebracht.

Schon klar das der Inverter das aushält wenn man ihm den Stromfluss 
unterbricht, dann wird er auch brav für eine bessere anreißzündung auf 
seine 80V regeln, aber das ganze 200x die Sekunde ist sicherlich kein 
angedachter Betriebszustand, den ein Schweißer bei seiner Arbeit 
erreichen könnte.
Und es wäre mir arg unbehaglich 200...700 EUR für einen Inverter so 
leichtfertig aufs Spiel zu setzen.

von Marcus S. (elektromarcus)


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Hallo Stefan,

60-200Hz ist die Schaltfrequenz, PWM ist hier nicht erforderlich aber 
die Verschiebung in der Öffnungszeit zwischen T9 und T10 
(Balance-Regelung)ist später wünschenswert. Das ist aber ein Thema für 
die Steuerung.

Über MOSFETs habe ich bereits nachgedacht und einige davon bereits 
vernichtet. MOSFETs für 85V mit entsprechend geringem Schaltwiderstand
sind auch nicht gerade günstig, das IGBT-Modul habe ich dagegen für 20,- 
Euro bekommen und kostruktiv ist ein Modul mit M6 Klemmen einfacher 
anzuschließen als ein Netzwerk aus z.B. 4 MOSFETs. Außerdem verspreche 
ich mir von diesem Modul mehr Reserve und Robustheit.

Über die Verluste von am IGBT mache ich mir auch keine Gedanken,
das Schweißen verwandelt meistens sehr viel Strom in sehr viel Hitze
dies liegt in der Natur der Sache :-)

Das sind meine Überlegungen, trotzdem bin ich für andere Ansichten 
offen.

Gruß.
Marcus

von Marcus S. (elektromarcus)


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@Andreas K

Ich besitze zurzeit zwölf Schweißinverter, sieben davon funktionieren 
bereits, fünf sind noch defekt. Ich bekam diese Geräte kostenlos im 
defekten Zustand und habe bereits einige davon repariert.
Aber keines dieser Schweißgeräte kann AC liefern, daher dieses Projekt.
Ich bin also bereit das Risiko einzugehen.

Gruß.
Marcus

P.S. Einen der Inverter habe ich zum MIG-Schweißen umgebaut, beim 
MIG-Schweißen wird der Schweißdraht durch sehr schnelle 
aufeinanderfolgende "Kurzschlüsse" abgeschmolzen und das macht dem 
Inverter z.B. auch nichts aus.

von Andreas K. (derandi)


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Na dann Feuer frei. Lass mal hören obs funktioniert hat.

Btw, ist der Schweißstromkreis galvanisch Isoliert? Also Masse NICHT mit 
PE verbunden?
Dann könnte man auch mit einer Vollbrücke aus einem einzelnen Inverter 
Wechselstrom zaubern.

von Marcus S. (elektromarcus)


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@Andreas

mit deinen Gedanken über die Vollbrücke bist Du schon sehr nah an der 
Wahrheit, tatsächlich wird bei einem richtigen AC-Schweißgerät der 
Wechselstrom durch eine H-Brücke erzeugt. Doch für mich bietet der 
Einsatz
von zwei getrennten Schweißgeräten diverse Vorteile:

1. Man braucht nur ein IGBT-Modul, die Komplexität der Schaltung ist 
also geringer.

2. In einer H-Brücke sind immer zwei Schaltglieder beteiligt,
somit doppelte Verluste gegenüber der Halbbrücke. Hier rechne ich grob
mit ca. 2V Spannungsabfall pro IGBT und das bei max. 150A !

3. Mit zwei getrennten Stromquellen kann ich die Amplitude 
(Sweißstromstärke) für beide Stromrichtungen getrennt einstellen.
Dies ist manchmal ein großer Vorteil beim schweißen von Aluminium,
mann muß die Parameter so einstellen können, dass der Strom in eine 
Richtung mit hohe Stärke aber kurze Dauer fließt und in die andere 
Richtung genau umgekehrt. Dieses Verhalten hängt damit zusammen,
dass die Aluminiumoxidschicht wesentlich höhere Schmelztemperatur
hat als das eingentliche Aluminium unter dieser Schicht. Mit einem 
kurzen
und starken Stromimpuls in eine Richtung bringt man die Oxidschicht
zum Schmelzen, danach wird mir der geringeren Stromstärke in die 
gegengesetzte Richtung das Aluminium geschweißt. Die Einstellmöglichkeit 
dises Verhältmisses zwischen den beiden Stromstärkeun und deren 
Wirkzeiten besitzen nur sehr teuere Schweißgeräte, man nennt sie 
"Balance".

Diese Überlegungen habe mich also zu meinem Konzept geführt.

Und jetzt stehe ich vor einem neuen Problem, ich brauche noch eine 
Steuerung für den Treiber mit Einstellmöglichkeiten für Frequenz, 
Totzeit und Verhältniss "positiv/negativ".


Gruß.
Marcus.

von Andreas K. (derandi)


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Ok, wenn die Balance-Regelung mehr ist als nur eine Verschiebung des 
Gleichspannungsanteils dann sind zwei Inverter garnicht so verkehrt.

Frequenzerzeugung:
Wärs nicht sinnvoller erst mal den Leistungsteil gangbar zu machen?
Dafür würde vorerst zur Ansteuerung auch der VCO aus einem CD4046 
reichen.

von Marcus (Gast)


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Hallo Andreas,

ich konzentriere mich auch zurzeit hauptsächlich auf den Treiber,
die Ansteuerung kommt später. Inzwischen habe ich ein Prototyp der
Treiberplatine fast fertig (siehe Bild).

Im Bezug auf die Totzeit und den IR2113 habe ich neue Erkenntnisse,
laut Datenblatt vom IR2113 überwacht dieser IC selbstständig das 
Schalten und Sperren beider IGBTs am Ausgang. Wenn ich diese Funktion 
richtig
verstanden habe, dann muß man sich um die Totzeit bei Verwendung von 
diesem
Baustein überhaupt keine Sorgen machen, da er niemals den oberen IGBT 
öffnet, wenn der untere IGBT noch nicht gesperrt ist.
Wie ist deine Meinung dazu, denkst Du man kann darauf vertrauen ?

Gruß.
Marcus

P.S. Die Treiberplatine auf dem Bild ist noch nicht vollständig bestückt
     der Bootstrap-Kondensator fehlt noch.

von Andreas K. (derandi)


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IR hat Brückentreiber im Programm, die eine integrierte (einstellbare) 
Totzeit haben und mit einem einzigen Eingang die ganze Halbbrücke 
steuern. Eingang = 1, Low-Side geht aus, High-Side geht an, mit Totzeit, 
ganz von alleine und ohne das man versehentlich beide einschalten kann.

Der IR2113 kann das nicht, dort kann man auch beide Eingänge 
gleichzeitig einschalten und er berücksichtigt auch keine Totzeit, 
muss/darf man also selbst machen.

Der IR21844 (Einzelner Eingang) oder IR21834 (mit zwei Eingängen, aber 
"verriegelt", beide gleichzeitig ein geht nicht) würde das zum Beispiel 
beherrschen, ist aber leider nicht pinkompatibel.

von GB (Gast)


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Also, nachdem hier viel allgemeines beredet wurde, versuchen wir mal 
abzuschätzen, wie groß der Bootstrap-Kondensator werden muss.

Wenn ich das richtig verstanden habe, willst Du eine Wechselspannung mit 
60-200Hz schalten, also Low-Side-Transistor 1/2 Periode an, danach 
High-Side-Transistor 1/2 Periode an. Einschaltzeit bei 60Hz also 8,3ms.

Betrachten wir die Ladungen:

Das Modul hat eine typische Gateladung von 2,3µC.
Der IR2113 braucht lt. Datenblatt auf der High-Side einen Strom zur 
Eigenversorgung von 230µA, Ladung ist Strom * Zeit, daraus folgt, also 
kommen wir auf eine benötigte Ladungsmenge von 230µA * 8,3ms = 1,9µC.

Für beides zusammen benötigen wir also mindestens 4,2µC Ladung.

Jetzt zur Bootstrap-Schaltung:

Die maximale Spannung am Bootstrap-Kondensator ist Versorgungsspannung 
Vcc minus Flussspannung Vf der Diode minus Kollektor-Emitterspannung des 
unteren Transistors.

Die Kollektor-Emitterspannung bei dem Modul bei einem Ausgangsstrom von 
150A und 15V Gatespannung sind beim warmen Chip etwa 2V.

Eien 1N4007 hat eine Durchlassspannung von 1,1V, eine UF4007 von 1,7V.

Damit bekommen wir jetzt zwei Fälle:

1. Version wie gezeichnet mit einer 1N4007:

Spannung am Bootstrap-Kondensator Vboot = 15V - 1,1V - 2V = 12,9V

2. Version mit der vorgeschlagenen UF4007:

Spannung am Bootstrap-Kondensator Vboot = 15V - 1,7V - 2V = 12,2V

Die Spannung am Bootstrapkondensator darf auf keinen Fall unter 10V 
absinken, da zum einen das IGBT unter 10V bei einem Strom von 150A in 
die Sättigung geht und dann verbrennt und zum zweiten der IR2113 im 
Zweifelsfall bereits ab einer Spannung von 9,4V durch die 
Unterspannungserkennung abgeschaltet wird.
Also lassen wir uns noch ein wenig Luft und sagen, dass wir mindestens 
11V übrig behalten möchten, also darf die Spannungsdifferenz bei der 
1N4007 höchstens 1,9V, bei der UF4007 sogar nur 1,2V betragen.

C_1N4007 = Q/U = 4,2µC / 1,9V = 2,2µF
C_UF4007 = Q/U = 4,2µC / 1,2V = 3,5µF

Zusätzlich müssen wir auch noch den Stromverbrauch des Treibers beim 
Abschalten des IGBTs berücksichtigen sowie die Toleranzen bei den 
Kapazitäten und die Leckströme der Kondensatoren, also wirst Du wohl 
eher 4,7µF brauchen.

GB

von Marcus S. (elektromarcus)


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@GB

danke für deine Beispielrechnung, etwas in der Art habe ich auch 
gesucht.



@Andreas

das mit der "automatischen" Totzeit-Anpassung im IR2113 war eine 
Fehlinterpretation des Datenblattes meinerseits, das Thema ist 
vergessen.

Ich habe mich jetzt für den ersten Test für folgende Konstellation 
entschieden:

Ansteuerung mit TL494 (die Totzeit ist bei diesem IC auf min. 3% 
festgelegt) über IR2113 und acht IRF510/IRF9510, am IGBT zwei RURG8060 
plus Snubber mit 470pF(MKP) und 10 Ohm (10W) in Reihe.

Hier bestimmt die Auswahl der Bauteile der Vorrat meiner Bastellkiste 
:-)

Ich bin immer noch sehr skeptisch darüber, dass der IR2113 den IGBT 
selbstständig bewältigen kann, deswegen bleiben die acht MOSFETs bis auf 
weiteres drin.


Noch eine wichtige Frage, kann ich als Bootstrap-Kondensatoren die
Tantal-Kondensatoren in Tropfenform nehmen ?


Nochmal vielen Dank an alle für eure Anregungen und Tipps.

Marcus.

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