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Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik DC/DC Converter geringer Leistung


Autor: Achim Finn (rkkmkn8a)
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Bin verzweifelt auf der Suche nach einem kleinen DC/DC Converter der aus 
5V oder 12V eine isolierte Ausgangsspannung von 5V macht. Aber leider 
benötige ich nur 15mA davon, also eine Leistung von 0,1W würde völlig 
reichen. Dafür bräuchte ich auf einer Platine gleich 4 unabhängige 
Kanäle, also auch mit getrennte Massen.

Alle fertigen Converter die ich so gefunden habe fangen erst bei 1W an 
(z.B. die wunderschön kleinen TRACO POWER TES 1 oder der V-Infinity 
VBSD1-SIP) und liegen deshalb auch jenseits der 4.-€.

Kennt jemand kleinere die auch günstiger sind? Oder Arrays mit mehreren 
Kanälen in einem Gehäuse (und dann meinetwegen 1W für alle zusammen)?

Vielen Dank
  Achim

Autor: Alexander Schmidt (esko) Benutzerseite
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Autor: Falk Brunner (falk)
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@  Alexander Schmidt (esko) Benutzerseite

>1 Watt, aber deutlich unter 4€:

Naja, unter deutlich versteh ich eher was anderes ;-)

Man könnte einen kleinen Sperrwandler mit 4 Sekundärwicklungen nutzen. 
Muss man nur einen passenden Trafo finden, der 6 gleiche Wicklungen hat. 
Angetrieben vom god ole MC34063 geht das dann für ein bis zwei Euro 
für alle 4 Ausgänge.

Mfg
Falk

Autor: ... (Gast)
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Achim Finn schrieb:
> eine isolierte Ausgangsspannung von 5V macht.

wie hoch sollte denn die Isolationsspannung sein?

Autor: Thomas Klima (rlyeh_drifter) Benutzerseite
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Falk Brunner schrieb:
> Muss man nur einen passenden Trafo finden, der 6 gleiche Wicklungen hat.

Coilcraft hat doch diese Hexa-Magnetics ...
http://www.coilcraft.com/hexa-path.cfm?a

Autor: Michael X. (Firma: vyuxc) (der-michl)
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Recom, Floeth, RSG, ....
SIP-4 ist das Schlagwort, deine gewünschte Leistungsklasse gibts 
überall.
Preis in Stückzahlen <1e.

Autor: Falk Brunner (falk)
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@  Thomas Klima (rlyeh_drifter)

>Coilcraft hat doch diese Hexa-Magnetics ...
>http://www.coilcraft.com/hexa-path.cfm?a

Link geht so direkt nicht. Aber leider haben die scheinbar nix für die 
Klasse von Low Power, die mit viel Induktivität über 100µH sind nicht 
wirklich für Sperrwandler gebaut :-(

Aber da wir ja hier im Bastlerforum sind und alle was lernen wollen, 
hier mal ein Versuch.

OK, mal rechnen. Nehmen wir diesen Schalenkern plus Wickelkörper

http://www.reichelt.de/?ARTICLE=18120;
http://www.reichelt.de/?ARTICLE=19389;

Über den Artikel Transformatoren und Spulen oder andere Quellen kann 
man den Sperrwandler berechnen.

Wir wollen 4x15mA bei 5V=300mW entnehmen, abzüglich Verluste und Reserve 
rechen wir mal mit 5V/0,1A = 0,5W maximal. Bei 100 kHz heisst das, dass 
wir 5µW pro Takt übertragen müssen.

http://schmidt-walter.eit.h-da.de/smps/spw_smps.html

Die Seite ist ein guter Startpunkt.

Uemin = 5V, Uemax =5V, Ua=5V, Ia=0.1A, f=100kHz

Und sie sagt uns, was wir in etwa brauchen. N1/N2 ~ 0.9, wobei L1 die 
Primärwicklung etwa 55µH haben sollte.

N = Wurzel(55µH/250nH) = 15 Windungen. Die Sekundärwicklungen haben dann 
17 Windungen. Für die 6. Windung, welche zu Spannungsmessung benötigt 
wird, nehmen wir auch 17 Windungen. Als erstes wickelt man die 
Primärwicklung mit 0,4mm CuL, gefolgt von der Feedback Wicklung und dann 
die vier Sekundärwicklungen mit 0,2mm CuL. Dabei sollte man die Wicklung 
immer schön über die gesammte Breite des Wickelkörpers verteilen, um die 
Kopplung zu maximieren.

Sooo, das wars auch schon fast. Nur noch den MC34063 gemäß 
Datenblatt anschliessen, fertig ist der Sperrwandler mit 4 getrennten 
Ausgängen a 5V@15mA. Siehe Anhang. Mit R3 kann man dann die Spannung 
genau einstellen, er und R4 dienen gleichzeitg als Minimallast, damit 
der Regler im Leerlauf stabil ist. Beachten muss man auf jeden Fall die 
richtige Polung der Wicklungen, sonst läuft die Schaltung nicht ;-) C8 
und R5 sind ein einfacher Snubber, welcher die Induktionsspannung 
der Streuinduktivität abfängt.

Kostet alles in allem um die 5 EUR.

MfG
Falk

Autor: Achim Finn (rkkmkn8a)
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Hallo Falk,

Falk Brunner schrieb:
> Man könnte einen kleinen Sperrwandler mit 4 Sekundärwicklungen nutzen.
> Muss man nur einen passenden Trafo finden, der 6 gleiche Wicklungen hat.
> Angetrieben vom god ole MC34063 geht das dann für ein bis zwei Euro
> für alle 4 Ausgänge.
Das klingt doch gut!
Nun habe ich mal nach Schaltungen gesucht, vermutlich meinst du z.B. 
sowas ähnliches wie im ST Datasheet hier:
http://www.datasheetcatalog.org/datasheets/2300/50...
Auf Seite 12 unten "Higher Output Power, Higher Input Voltage"
Wobei ich mir den verstärkenden FET sparen kann.
Die Spulen würden dann so geschaltet:
1. Primär, also vom MC34063
2. Input zum regeln zurück zum MC34063
3. - 6. die vier Ausgänge

Die meiste Zeit hab ich jetzt vergeigt eine passende Spule zu finden, 
aber das Maximum was ich gefunden hatte waren 5 Spulen - das ist nicht 
einfach...

Viele Grüße
  Achim

Autor: ... (Gast)
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Falk Brunner schrieb:
> Link geht so direkt nicht.

Schon, mit langer Ladedauer und ein paar mal wiederholen. Hier der Link 
zur PDF:
http://www.coilcraft.com/pdfs/hexa-path.pdf

Autor: oszi40 (Gast)
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Achim Finn schrieb:
> Die meiste Zeit hab ich jetzt vergeigt eine passende Spule zu finden

+Dann kommt noch die Zeit bis es funktioniert. Für das Geld bekommst Du 
auch einen teuren,geprüften,fertigen DC/DC Wandler
http://www.recom-international.com/de/products-men...

Autor: geb (Gast)
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Mach's so wie ich, verwende einen 4Kanal Ethernettrafo als Übertrager. 
geht wunderbar bei 1-2MHz Schaltfrequenz. Ich hab so 1,5W/Kanal 
drüberbekommen mit einem Wirkungsgrad von ca. 75%. Den Würth-Trafo mußt 
du um 180° drehen (ist der erste Schaltungsentwurf,noch nicht 
korrigiert) damit der Schalttransistor nicht auf der internen 
Gleichtaktdrossel liegt.

Grüße Gebhard

Autor: Fralla (Gast)
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>4Kanal Ethernettrafo als Übertrager
In welche Topologie eingesetzt?

MFG

Autor: geb (Gast)
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Hast du nicht gesehen? Flyback Topologie.

Grüße

Autor: Falk Brunner (falk)
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@  geb (Gast)

>Mach's so wie ich, verwende einen 4Kanal Ethernettrafo als Übertrager.
>geht wunderbar bei 1-2MHz Schaltfrequenz.

Schöner Hackertrick, aber . . .

> Ich hab so 1,5W/Kanal
>drüberbekommen mit einem Wirkungsgrad von ca. 75%.

Mit der Schaltung? Glaub ich kaum. Schon mal dran gedacht, dass Trafos 
nur Wechselspannung übertragen können (und wollen)?
Schon mal dran gedacht, dass die Ansteuerung gleichspannungsfrei sein 
muss?
Da kann man durch eine Vollbrücke oder zwei Transisoren als Push Pull 
Stufe schaffen, wobei man dann ein Mittelanzapfung braucht.

> Den Würth-Trafo mußt
>du um 180° drehen (ist der erste Schaltungsentwurf,noch nicht
>korrigiert) damit der Schalttransistor nicht auf der internen
>Gleichtaktdrossel liegt.

Eben dein Schalttransistor verheizt jede Menge Energie. Deine Schaltung 
ist eine wilde Mischung aus Sperr- und Flußwandler. Konntest dich wohl 
nicht entscheiden? ;-)

MfG
Falk

Autor: geb (Gast)
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@Falk
Nein, es ist ein Sperrwandler. Die Schaltung hab ich im Einsatz und es 
wird nix warm.

Grüße Gebhard

Autor: Falk Brunner (falk)
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@  geb (Gast)

>Hast du nicht gesehen? Flyback Topologie.

Bei einem Übertrager, der geringste Mengen an Energie speichern kann? Ja 
ich weiß, die Schaltung funktioniert und überträgt Energie. Aber schön 
ist was anderes.

MfG
Falk

P S Die Dinger haben doch schon Mittelanzapfungen, da ist ein 
Flusswandler mit Push Pull optimal.

Autor: geb (Gast)
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@Falk
Ja, push pull wär schöner, die Ansteuerung der Schalter ist bei 2MHz/5V 
aber keine triviale Geschichte. Trotzdem läuft das Ding ausgesprochen 
gut, hab gar kein snubber gebraucht,die Drainspannung ist nur doppelt so 
hoch wie die Eingangsspannung.

Grüße

Autor: Falk Brunner (falk)
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Hmm, also ich interpretiere das mal so

http://katalog.we-online.de/kataloge/eisos/media/p...

Die Spulen haben 350uH und sättigen bei etwas mehr als 8mA.

E = 1/2 L * I^2 = 1/2  350µH  (8mA)^2 = 11,8 nJ (Nanojoule)

Wenn man die mit 1 MHz und 100% Wirkungsgrad über den Trafo bekommt, 
sind das 11,2 mW (Milliwatt).

Das ist Faktor 100 unter den behaupteten 1,5W. Hmmmm.

Selbst bei doppeltem Strom und damit vierfacher Energie passt das nicht. 
Ergo is nix mit Sperrwandler. Aber auf grund der abendteuerlichen 
Konstruktion vermute ich mal, dass das Ding als Eintakt Flußwandler 
arbeitet, da ist deutlich mehr drin, weil der Trafo nicht speicher muss 
(was er auch nicht großartig kann). Denn 350µH brauchen an 6V ca. 470ns 
zum laden auf 8mA, OK, reicht gerade so. Macht aber nur 11,2mW.

MFG
Falk

Autor: Falk Brunner (falk)
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@  geb (Gast)

>Ja, push pull wär schöner, die Ansteuerung der Schalter ist bei 2MHz/5V
>aber keine triviale Geschichte.

Dein Schaltung läuft laut Schaltplan etwa mit 1 MHz.

> Trotzdem läuft das Ding ausgesprochen gut,

Aber nie und nimmer mit 1,5W und 75%.

> hab gar kein snubber gebraucht,die Drainspannung ist nur doppelt so
> hoch wie die Eingangsspannung.

Praxis ist, wenn alles läuft und keiner weiß warum ;-)

MfG
Falk

Autor: geb (Gast)
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Wie auch immer, das Design ist sehr einfach billig und platzsparend. Für 
die,die mir noch immer nicht glauben daß das gehen kann stell ich mal 
meine Messergebnisse hier rein.

Grüße

Autor: geb (Gast)
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@Falk
>Die Spulen haben 350uH und sättigen bei etwas mehr als 8mA.

Die 8mA sind nicht der Sättigungsstrom sondern die Bedingung unter der 
Die Induktivität gemessen wird.
Interessant finde ich das auch,wie diese kleinen Ringkerne (ca. 3mm mit 
ca.2x5Windungen) überhaupt soviel Leistung übertragen können. Laut 
Trafotheorie nimmt aber die übertragbare Leistung bei gleichem Kern 
linear mit der Frequenz zu und zwar unabhängig von der Topologie. Das 
ist jetzt mal mein Erklärungsversuch.

Grüße

Autor: Falk Brunner (falk)
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@geb (Gast)

>    * POE_Untersuchung.txt (813 Bytes, 1 Downloads)

>Wie auch immer, das Design ist sehr einfach billig und platzsparend.

Sicher.

> Für
>die,die mir noch immer nicht glauben daß das gehen kann stell ich mal
>meine Messergebnisse hier rein.

Naja, Papier ist geduldig. ;-)

Egal, hast du noch so ein Ding rumliegen und auch so einen Transistor 
und kannst du es mir schicken? Ich würde da mal selber messen und 
experimentieren wollen. Vielleicht wird ja ein Artikel draus ;-)

Schick mir ne PM, einfach oben auf meinen Namen clicken.

MfG
Falk

Autor: Falk Brunner (falk)
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@  geb (Gast)

>Die 8mA sind nicht der Sättigungsstrom sondern die Bedingung unter der
>Die Induktivität gemessen wird.

Schon klar, aber ich dachte das liegt in der Nähe der Sättigung.

>Interessant finde ich das auch,wie diese kleinen Ringkerne (ca. 3mm mit
>ca.2x5Windungen) überhaupt soviel Leistung übertragen können.

Naja, übertragen ist beim Flußwandler kein Problem, dort wird kaum 
Energie gespeichert. Als Sperrwandler seh ich da schwarz.

MfG
Falk

Autor: geb (Gast)
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@Falk
Den Trafo schickt dir Würth als Muster, als Schalter geht jeder Mosfet 
mit Uds >= 20V und Rdson <0,1Ohm, ich hab auf dem Board einen TSM2302 in 
SOT23 eingesetzt.

>Naja, Papier ist geduldig. ;-)
Ich hab das ziemlich penibel gemessen, ich mach jetzt auch nicht zum 
Spass eine 4Layer Platine mit 550 Bauteilen und wirf sie dann weg, weil 
das Netzteil nicht geht.

Grüße

Autor: Falk Brunner (falk)
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@  geb (Gast)

>Den Trafo schickt dir Würth als Muster, als Schalter geht jeder Mosfet
>mit Uds >= 20V und Rdson <0,1Ohm, ich hab auf dem Board einen TSM2302 in
>SOT23 eingesetzt.

Gut, dann werd ich denn Herrn Würth mal ein Muster aus dem Kreuz leiern.

>Spass eine 4Layer Platine mit 550 Bauteilen und wirf sie dann weg, weil
>das Netzteil nicht geht.

Dein Wort in Gottes Gehörgang ;-)

MfG
Falk

Autor: geb (Gast)
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@Falk
Ich musste den Trafo entgegen dem ürspünglichen (obigen) Schaltplan 
um180° drehen.Hab nämlich in menem Wahn übersehen, dass die 
Gleichtaktdrosseln auf der Ethernet-Chip Seite sein sollen. Jetzt sind 
sie auf der Leitungsseite, mit einem 5m Kabel gabs bis jetzt keine 
übertragungs Probleme. Wie siehst du das, ist da was zu befürchten?

Grüße

Autor: Falk Brunner (falk)
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@  geb (Gast)

>um180° drehen.Hab nämlich in menem Wahn übersehen, dass die
>Gleichtaktdrosseln auf der Ethernet-Chip Seite sein sollen.

Angeblich ist das egal. Gemessen oder geprüft hab ich es aber nicht.

MfG
Falk

Autor: Falk Brunner (falk)
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@  geb (Gast)

>Ich musste den Trafo entgegen dem ürspünglichen (obigen) Schaltplan
>um180° drehen.

Und wie hast du nun die Messungen und Test gemacht? Poste nach 
Möglichkeit mal einen aktuellen Schaltplan.

Autor: geb (Gast)
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@Falk
>angeblich ist das egal.
Ja, sieht so aus. Befürchtungen hatte ich auch wegen Übersprechen 
zwischen den einzelnen Trafo-Kanälen, hat sich aber nicht bewahrheitet.
Schönen Abend

Autor: geb (Gast)
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@Falk
>Und wie hast du nun die Messungen und Test gemacht? Poste nach
>Möglichkeit mal einen aktuellen Schaltplan.

Fliegender SMD Aufbau (uff), die Pins sind im Messprotokoll angegeben.

Auf dem fertigen Board kann ich sehr schlecht messen, weiss nur die 
Eingangsleistung von ca. 5V/300mA und stelle keine merkliche Erwärmung 
aller Komponenten fest.

Grüße

Autor: Oktoberfestbesucher (Gast)
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Die Schaltung von geb ist ein Durchflußwandler und nix anderes.
Sieht man daran, das am Drain die + Wicklungen liegen, während an den 
Gleichrichterdioden die -Wicklungen liegen.
Bei einer Schaltfrequenz von 1MHz ist die Leitphase des Mosfet 0,5µs.
Der Strom kann in 0,5µs auf

I = U * T / L = 8,5mA ansteigen.

Ich habe jetzt nicht im Datenblatt des Mosfet nachgesehen, ich sage 
einfach mal aus dem Bauch, er hat eine parasitäre Kapazität von 70pF 
zwischen Souce und Drain.
Das gibt mit den 350µH des Trafos einen Schwingkreis von 1MHz.
Der Mosfet kann also im Spannungsnullpunkt schalten... perfekt!

Herzlichen Glückwunsch an geb   :-)

Autor: geb (Gast)
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@Oktoberfestbesucher
Nein, die topologie ist ein Sperrwandler. Mit den 350uH wär ich jetzt 
auch vorsichtig, immerhin fließen 300mA eingangsseitig, d.h. bei einer 
Taktung von 1:1 immerhin 600mA über den Mosfet. Die Resonanzgeschichte 
dürfte so nicht zutreffen, es funktioniert auch mit 2MHz Schaltfrequenz.

Grüße

Autor: Falk Brunner (falk)
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@  Oktoberfestbesucher (Gast)

>Die Schaltung von geb ist ein Durchflußwandler und nix anderes.

Meine Rede.

>Der Strom kann in 0,5µs auf

>I = U * T / L = 8,5mA ansteigen.

Eben, macht 11,2 nJ.

MfG
Falk

Autor: Oktoberfestbesucher (Gast)
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geb schrieb:
> @Oktoberfestbesucher
> Nein, die topologie ist ein Sperrwandler.

Schau mal mit dem 2-Kanal Oszi auf Sekundär und Primärseite!

> Mit den 350uH wär ich jetzt
> auch vorsichtig, immerhin fließen 300mA eingangsseitig, d.h. bei einer
> Taktung von 1:1 immerhin 600mA über den Mosfet.

Rechne mal nach, bei 1MHz hast du 0,5µs Leitzeit des Mosfet, bei 2MHz 
nur 0,25µs!

I = 6V * 0,5µs / 350µH = 8,5mA

> Die Resonanzgeschichte
> dürfte so nicht zutreffen, es funktioniert auch mit 2MHz Schaltfrequenz.

Beim TSM2302 sind 80pF Kapazität angegeben.
Die resonanzfrequenz muß nicht genau stimmen, wichtig ist nur, das der 
Mosfet nicht im Spannungsmaximum schaltet.

Die Spannungsüberhöhung beim Mosfet ausschalten berechnen wir zu

U = I * sqr(L/C) = 8,5mA * sqr(350µh/80pF) = 17,7 V

Stimmt doch Größenordnungsmäßig mit deiner Meßung überein!

Autor: geb (Gast)
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@Oktoberfestbesucher
Der Strom steigt aber nicht auf 8,5mA sondern auf rund 600mA an. D.h. 
die Induktivität muss weitaus niedriger sein (scheint auch klar,weil die 
350uH sind die Leerlaufinduktivität)
Zu den Signalen:
Primär an Drain ein recht sauberes Rechteck, oberhalb von 5V etwas 
verschliffen. Amplitude ca. 12-13V bei 5V Uein
Sekundär: Rechteckspannung die durch die Last nicht mehr ganz 
symmetrisch um 0 ist.
Für einen Durchflusswandler müsste man ja primär eine 3. Wicklung 
verwenden,die es aber nicht gibt.
Ich werde morgen mal primär und sekundär mit 2Kanal-Oszi messen, dann 
werden wir mehr wissen.
Ich muß zugeben, wie ich mit diesem zeug angefangen hab, war ich 
überzeugt,dass es in dieser Sperrwandler Topologie nicht funktionieren 
kann. Dann wurde ich doch eines besseren belehrt, hab aber auch noch 
keine ganz schlüssige Erklärung für die doch recht beachtliche 
Performance.

Grüße

Autor: Falk Brunner (falk)
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@  geb (Gast)

>Der Strom steigt aber nicht auf 8,5mA sondern auf rund 600mA an. D.h.
>die Induktivität muss weitaus niedriger sein (scheint auch klar,weil die
>350uH sind die Leerlaufinduktivität)

Nö, du verwechselst LASTstrom mit Magnetisierungsstrom.

Lies mal was über Transformatoren und Spulen.

Was mal wieder zeigt, dass auch ein (halb)blindes Huhn manchmal ein Korn 
findet. ;-)

>Primär an Drain ein recht sauberes Rechteck, oberhalb von 5V etwas
>verschliffen. Amplitude ca. 12-13V bei 5V Uein
>Sekundär: Rechteckspannung die durch die Last nicht mehr ganz
>symmetrisch um 0 ist.

Und die Spannung ist garantiert in Phase zum Druchschalten des MOSFET, 
nicht wahr? -> Flusswandler!

>Für einen Durchflusswandler müsste man ja primär eine 3. Wicklung
>verwenden,die es aber nicht gibt.

Muss nicht, ist nur in "Normalfall" so. Die Entmagnetisierung geschieht 
parasitär, sind ja nur 11nJ die pro Takt verheizt werden müssen, macht 
die oben berechneten 11mW Verlust. Das fällt nicht weiter auf.

>Ich werde morgen mal primär und sekundär mit 2Kanal-Oszi messen, dann
>werden wir mehr wissen.

Schön.

Mfg
Falk

Autor: geb (Gast)
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@Falk

Ok Falk du hast recht, ich hab nun gemessen. Die Leistung wird dann 
übertragen wenn der Mosfet durchschaltet. Also ein Durchflusswandler wie 
du schon vermutet hast.

>Was mal wieder zeigt, dass auch ein (halb)blindes Huhn manchmal ein Korn
>findet. ;-)
wär jetzt nicht notwendig gewesen ???

Grüsse

Autor: ... (Gast)
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Falk Brunner schrieb:
> Als erstes wickelt man die
> Primärwicklung mit 0,4mm CuL, gefolgt von der Feedback Wicklung und dann
> die vier Sekundärwicklungen mit 0,2mm CuL.

@Falk
Wie kommst du auf diese Querschnitte?
Gibt es da eine Formel für oder eine Tabelle?

Autor: Falk Brunner (falk)
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@  ... (Gast)

>Wie kommst du auf diese Querschnitte?

Überschlagsrechnung, max. 3A/mm^2.

MfG
Falk

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