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Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Dimmer mit FET realisieren


Autor: Christian S. (mueke)
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Hallo @all!

Ich möchte ein Dimmer mit FET's realisieren. Ich weiß nicht genau wie 
das zu machen ist. Ich habe mir das so gedacht, dass ein FET die 
Netzspannung schaltet. Dann kann ich mit einer Synchronisation auf die 
Netzspannung das FET beliebig ein und ausschalten, dass ich entweder ein 
Phasenanschnittsdimmer, oder Phasenabshnittsdimmer bekomme. Ich weiß 
aber nicht so einfach, wie ich die Schaltung aufzubauen habe, dass ich 
die Netzspannung mit einem oder zwei FETs schalten kann. Wäre nett, wenn 
mir da mal einer helfen könnte.

MfG
Muecke

Autor: karadur (Gast)
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Hallo

entweder du nimmst einen Brückengleichrichter und schließt den FET an 
die +/- Anschlüsse an. Dann kannst du damit Wechselspannung schalten. 
Oder du nimmst 2 FETs die in Reihe geschaltet werden, wobei die beiden 
Sourcen und die beiden Gates zusammengeschaltet werden. Die Drains 
kommen dann in Reihe an die Last. Falls die internen Dioden nicht stark 
genug sind muß dann parallen zu jedem FET in Sperrrichtung eine Diode.

Autor: Christian S. (mueke)
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Die zweite Lösung habe ich nicht so ganz verstanden. Könntest du mir 
davon ein kleinen Schaltplan machen, oder was meinst du mit folgendem?

>> Die Drains kommen dann in Reihe an die Last

MfG
Muecke

Autor: Christian S. (mueke)
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Hi @all!!!

Kann mir nicht einer mal eine Schaltung zeigen, mit der ich per MOSFET 
die Netzspannnung an und ausschalten kann??? Wäre total nett...

Autor: Jörg S. (joerg-s)
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Gleichrichter + MOSFET:
http://www.elv-downloads.de/service/manuals/DI300/...

Eine Doppel-MOSFET Schaltung würde mich auch interessieren.

Autor: Εrnst B✶ (ernst)
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                                    '---------------'
(created by AACircuit v1.28.6 beta 04/19/05 www.tech-chat.de)

Problem dabei: Spannungsversorgung des Logik-Teils für die 
Gate-Ansteuerung muss GND an den beiden Source-Anschlüssen haben.

Und die Filterung (Drossel, Snubber), die ich nicht eingezeichnet habe, 
nicht vergessen, vor allem im PWM-Betrieb!

Autor: Jörg S. (joerg-s)
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>Problem dabei: Spannungsversorgung des Logik-Teils für die
>Gate-Ansteuerung muss GND an den beiden Source-Anschlüssen haben.
Oder man trennt die Gate- Ansteuerung auf und verpasst jedem FET eine 
eigene Stromversorgung wie beim ELV Dimmer würde ich mal sagen.
Eine gemeinsame Eigenversorgung direkt aus dem Netz (ohne Netztrennung) 
scheidet wohl aus, oder gäbe es da eine Möglichkeit?

Autor: karadur (Gast)
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Hallo

bei Phasenabschnittdimmern geht das schon. Für ein paar Grad leiten die 
FETS nicht. In der Zeit kann man einen Kondensator laden der die Energie 
für die Ansteuerung zur Verfügung stellt.

Wenn man den vollen Strom der FETs haben möcht muß aber jedem FET eine 
Diode in Sperrrichtung parallel geschaltet werden. Die parasitäre Diode 
in den FETs schaft nicht den Strom den der FET schafft.

Autor: Εrnst B✶ (ernst)
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karadur wrote:

> Wenn man den vollen Strom der FETs haben möcht muß aber jedem FET eine
> Diode in Sperrrichtung parallel geschaltet werden. Die parasitäre Diode
> in den FETs schaft nicht den Strom den der FET schafft.

Muss man nicht, die Fets sind ja immer beide gleichzeitig 
durchgeschaltet, die Body-Diode muss also NIE leiten. Man verheizt also 
auch keine I²*Rdson+I*0.7V, sondern nur I²*2*Rdson.

Autor: karadur (Gast)
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Hallo

@Ernst

dann schau dir mal die Kennlinie an wenn das Drainpotential negativer 
ist als das Sourcepotential.

Autor: Εrnst B✶ (ernst)
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karadur wrote:

> dann schau dir mal die Kennlinie an wenn das Drainpotential negativer
> ist als das Sourcepotential.

In meinen Datenblättern ist diese Kennlinie nur für Vgs=0V drinnen. In 
dem Fall ist aber immer Vgs>0V, der FET schließt so seine interne Diode 
kurz.
Die Kennlinie der Body-Diode ist also relativ wurscht.

Such mal nach "Synchrongleichrichter" oder "Ideale Diode", da wird das 
auch nach dem Prinzip gemacht.

Autor: karadur (Gast)
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Hallo

@Ernst.

Der FET ist aber nicht im gesättigten Bereich weil U-Source-Drain ca. - 
0,7V.  U-Gate-Source ca. 10V und Uthreshold sagen wir mal 1V.

Notwendig wära aber UGS > Uthreshold und !!! UDS > UGS - Uthreshold.

Autor: Εrnst B✶ (ernst)
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karadur wrote:

> Der FET ist aber nicht im gesättigten Bereich weil U-Source-Drain ca. -
> 0,7V.  U-Gate-Source ca. 10V und Uthreshold sagen wir mal 1V.
>
> Notwendig wära aber UGS > Uthreshold und !!! UDS > UGS - Uthreshold.

Gegenbeispiel:
Ich nehm einen Power-FET mit Rdson von 2mOhm, Uthr von 5V.
Ansteuern tu ich mit 15V, und möchte einen Laststrom von 100A schalten.

Ich behaupte, an dem FET fallen dann 100A * 2mOhm == 0.2V ab, macht eine 
Verlustleistung von 0.2V * 100A == 20 W, wär also handhabbar.

Deiner Behauptung nach könnte der FET aber garnicht "gesättigt" sein, da 
Uds ja nur 0.2V wären. Nach deiner Formel müsste also Uds == Ugs - 5V 
sein, also Uds == 10V. Womit der arme FET ne Verlustleistung von 
schlappen 1000 W hätte...

Und warum bitteschön sollte die Verlustleistung steigen, wenn die 
Gate-Source-Spannung steigt? (Deiner Formel nach hätte der FET bei 10V 
Ugs "nur" noch 500W zu verbraten)

Autor: Arno H. (arno_h)
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Ihr verwechselt da was: Sättigung bei FET und bei Bipolartransistoren 
sind leider entgegengesetzt definiert. Der Sättigungsbereich beim FET 
ist der Bereich oberhalb der Pinch Off-Spannung im 
Ausgangskennlinienfeld, während der übersteuerte Bereich die Ohmsche 
oder lineare Region darstellt.

@ karadur:
Die Body-Diode kann den gleichen Strom und die gleiche Sperrspannung 
verkraften wie der FET. Beide benutzen die selbe Struktur.


Jeweils eine der Dioden leitet dann, wenn beide FET gesperrt sind. Das 
ist der Grund, warum bei Wechselspannung 2 in Antiserie geschatet werden 
müssen.
Die Anwendungsbeispiele von diversen SSR zeigen das auch.


Arno

Autor: karadur (Gast)
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Hallo

@ arno  danke für die Korrektur.

Jetzt stellt sich mir nur die Frage warum wir vor 15 Jahren in den 
Phasenabschnittdimmern diese Dioden gebraucht haben. Die FETs sind im 
Labor ohne Dioden gestorben. Mit Dioden sind die Dinger in 10.000der 
Stückzahlen im Betrieb.

Autor: Εrnst B✶ (ernst)
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Arno H. wrote:

> Jeweils eine der Dioden leitet dann, wenn beide FET gesperrt sind. Das
> ist der Grund, warum bei Wechselspannung 2 in Antiserie geschatet werden
> müssen.

Die beiden FETs sind an Source und Gate parallelgeschaltet. Es leiten 
also entweder beide, oder beide sperren. Keine der Body-Dioden wird also 
belastet:

Wenn beide FETs sperren, kann kein Laststrom fliessen, das einzige was 
also evtl über die Body-Dioden geht ist der Versorgungsstrom der 
Ansteuerung, falls eine Bootstrap-Stromversorgung vorgesehen ist.

Wenn beide FETs leiten, fließt auch kein Strom durch die Diode, weil der 
Spannungsabfall an der D-S Strecke (==I*Rdson) keine 0.7V erreicht.

Die Body-Dioden sind also vielleicht hilfreich um zu verstehen, warum 
man mit antiseriell verschalteten MosFETs Wechselspannung schalten kann, 
haben aber praktisch keine Wirkung, wenn man die FETs immer gleichzeitig 
schaltet.

Autor: Εrnst B✶ (ernst)
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Hier nochmal ein LTSpice-Screenshot zur Verdeutlichung:

Der MosFET ist "über Kopf" eingebaut.

Blau ist die Source-Drain Spannung, diese liegt anfangs bei ~0.7V, die 
Flussspannung der Body-Diode.

Wenn nun die Gate-Spannung steigt (Grün), sinkt die Source-Drain 
Spannung, und erreicht schliesslich 60mV, wenn der FET voll 
durchgeschaltet ist.

Selbst wenn ich also parallel zum FET eine hypothetische Schottky-Diode 
mit Vf von 100mV schalte, wird diese arbeitslos, sobald der FET 
geschaltet ist, wie das in dem weiter oben gezeigten Schaltplan auch der 
Fall ist.

Autor: Arno H. (arno_h)
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Hallo Ernst,
ich wollte damit in erster Linie klarstellen, dass der Mittelpunkt 
zwischen den 2 gesperrten FET nicht floatet.
Auf der Simulation sieht man den Verlauf der Spannung an den Sources. 
Die negative Halbwelle wird durch den R nahe Masse geklemmt, so daß nur 
die positive so deutlich rauskommt.

Arno

Autor: Rolf Heindorf (Firma: AERAS GmbH) (rolf-heindorf)
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Hallo Arno,
wenn die Dioden so liegen, heißt das für mich, daß die Drains verbunden 
sind.
Gruß

Autor: Arno H. (arno_h)
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Nein, ich habe P-Kanal-FET angenommen, weil mir die positive Halbwelle 
besser gefällt.
Jetzt im Ernst, es ist eine Prinzipdarstellung und in einer 
Anti-Reihenschaltung zur Darstellung dieses Sachverhalts ist es 
eigentlich egal.

Arno

Autor: Rolf Heindorf (Firma: AERAS GmbH) (rolf-heindorf)
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stimme zu

Autor: Jörg S. (joerg-s)
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Mal eine Dimmer-Schaltung mit der 2-fach MOSFET Technik im Anhang.
Kann mir einer sagen ob das so klappen wird? Ein einzelner Dimmer mit 
Stromversorgung wird ja sicher gehen, aber klappt das auch wenn ich 
mehrere Kanäle mit der gleichen Versorgungsspannung versorge oder 
macht's dann peng? Das alle Source Pins auf die gleiche Masse gehen 
macht mir etwas Sorgen.
Geht mir jetzt nicht um einzelne Bauteilwerte, sondern nur um die 
grundsätzliche Funktion.

Autor: Εrnst B✶ (ernst)
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Solange du die FETs immer Synchron ansteuerst, machts nicht Peng ;)

Du könntest die Gate-Ansteuerung statt mit DC/DC-Wandler+OptoKoppler mit 
einem Übertrager pro Gate-Paar machen.
=> mit 1:3 Wicklungsverhältnis: 5V vom Logikteil rein, 15V für die FETs 
raus.
=> Hohe Ströme beim Gate-Umladen möglich, saubere Flanken

Nachteil: Je nachdem was für eine Isolation du zwischen Logik- und 
Lastteil brauchst, können die Übertrager recht aufwendig zu wickeln 
sein.

Autor: Klaus2 (Gast)
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@ karadur (Gast)

...du warst (auch) mal in "Peters Forum", ja? Gut zu wissen, dass alte 
Bekannte mit Fachwissen hier zugegen sind.

Gruß, Klaus(2).

Autor: Jörg S. (joerg-s)
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>Solange du die FETs immer Synchron ansteuerst, machts nicht Peng ;)
Tja, die Dimmer sollten natürlich schon unabhängig steuerbar sein, sonst 
macht's ja keinen Sinn :)
Mit der gemeinsamen Masse am Source wird das also nichts?

>Du könntest die Gate-Ansteuerung statt mit DC/DC-Wandler+OptoKoppler mit
>einem Übertrager pro Gate-Paar machen.
Übertrager bedeutet dann aber das ich nicht mehr mit Gleichspannung 
ansteuern kann. Muss ja dann getaktet sein!?
Übertrager müsste auch recht klein sein, viel Platz hab ich nicht (Höhe 
ca 1cm, 2-3cm²).

Autor: Εrnst B✶ (ernst)
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Jörg S. wrote:

> Mit der gemeinsamen Masse am Source wird das also nichts?

Nö, einfaches Beispiel: Ein FET-Paar immer an, das andere immer aus:
=> Alle Sources liegen auf demselben Potential, beim "aus"-Paar leitet 
jetzt die eine Body-Diode jede zweite Halbwelle.

>>Du könntest die Gate-Ansteuerung statt mit DC/DC-Wandler+OptoKoppler mit
>>einem Übertrager pro Gate-Paar machen.
> Übertrager bedeutet dann aber das ich nicht mehr mit Gleichspannung
> ansteuern kann. Muss ja dann getaktet sein!?

Ja, Dauer-an geht dann nicht mehr.

> Übertrager müsste auch recht klein sein, viel Platz hab ich nicht (Höhe
> ca 1cm, 2-3cm²).

Der Übertrager muss nicht groß sein, viel Energie muss ja nicht rüber.
So ein kleines Ferrit-Krümelchen könnt schon reichen, allerdings siehts 
da mit der Isolation schlecht aus.

Autor: Jörg S. (joerg-s)
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Bei Conrad hab ich jetzt relativ kleine Übertrager gesehen 
(selberwickeln wollte ich wenns geht vermeiden) vielleicht passt der 
doch irgendwie rein... schaun mer mal.

Autor: Jörg S. (joerg-s)
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Noch ne verrückte Idee im Anhang...

Mülleimer oder Patentamt? ;)

Autor: karadur (Gast)
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Hallo

@Klaus2

ist der gleiche karadur

Autor: Benedikt K. (benedikt) (Moderator)
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Jörg S. wrote:

> Mülleimer oder Patentamt? ;)


Mülleimer.

Beide Kanäle müssen galvanisch getrennt sein, es darf also kein Teil der 
Mosfets bzw. deren Ansteuerung verbunden sein.

Autor: Benedikt K. (benedikt) (Moderator)
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Das sollte funktionieren (zumindest tat es das in dem Gerät aus dem ich 
den Schaltplan abgezeichnet habe). Der Übertrager ist ein kleiner 
Ferittringkern mit je etwa 20 Windungen.

Autor: Christian C. (Gast)
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Noch gefunden und passt zu dem Thema:

The circuit in Figure 1  implements a "reverse" phase control, using 
only a single CMOS 4001 quad NOR gate. The circuit is known as a reverse 
phase control because, unlike with common triac or SCR controls, 
conduction begins at the zero crossing of the ac sine wave. Timing of 
the turn-off point of the two power MOSFETs then controls the power to 
the load. This type of phase control is beneficial for use with many 
different types of loads, as well as incandescent lamps. In addition to 
reaping the benefits of zero-crossing turn-on, you can make the turn-off 
rate relatively slow to achieve quiet operation in terms of both EMI and 
acoustical or filament noise.

A full-wave bridge comprising D1, D2, and the body diodes of the 
source-to-source-connected FETs provides the power supply for the 4001. 
Zero-crossing information routes to the input of the first NOR gate 
through resistors R3 and R4. This inverted signal causes the output to 
go high for a period of time determined by the R5, R6, and C2 
combination. Varying R6, therefore, controls the on-time of the FETs and 
the resultant power to the load.

Because the CMOS IC has limited drive capability, the turn-off rate is 
relatively slow. This slow speed provides quiet operation. If you need 
an even slow turn-off rate, you can insert additional gate resistance. 
However, note that this modification will increase switching losses, and 
additional FET losses will ensue. You must provide adequate heat sinking 
and use conservative ratings for the FETs. The resulting circuit is 
simple and compact and, in contrast to SCR or triac circuits, does not 
require special inductances to control rise times.

Autor: Jörg S. (joerg-s)
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Hab mal ein wenig reverse Engineering betrieben :)
Im Anhang ein Phasenabschnittsdimmer eines großen deutschen Herstellers.

Ist der "klassische" Aufbau mit 2 FETs mit ein paar spezial 
(Schutz)Funktionen. Ich versteh's aber auch noch nicht zu 100%.

Autor: Harpune (Gast)
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Hallo Joerg,

einige Sachen im Schaltplan machen Sinn. Einige deuten darauf hin das 
Fehler beim Abzeichnen gemacht wurden. Nicht die Richtigen SOT23 Dioden 
oder Transistoren eingezeichnet.

Der diskrete Linearregler sollte auch mit einem Bipolartransistor 
ausgelegt sein und nicht mit einem Mosfet.

Hast du hochaufloesende Fotos, dann wuerde ich mal nach den richtigen 
Bauteilen suchen.

Kann es sein, dass dies ein Universaldimmer ist und das die von dir 
Bezeichnete "Schutzschaltung" einfach die Phasenlageerkennungsschaltung 
ist.

Ein Universaldimmer misst in den ersten Perioden die Phasenlage zwischen 
Strom und Spannung und entscheided sich dann ob er ein Phasenan- oder 
abschnittsdimmer sein moechte. Mit der MOSFET Schaltung kann man 
naemlich auch prima einen Anschnittsdimmer realisieren.

Autor: Jörg S. (joerg-s)
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Harpune schrieb:
> Der diskrete Linearregler sollte auch mit einem Bipolartransistor
> ausgelegt sein und nicht mit einem Mosfet.
Du meinst Q13?

Harpune schrieb:
> Hast du hochaufloesende Fotos, dann wuerde ich mal nach den richtigen
> Bauteilen suchen.
Eigentlich bin ich mir schon sehr sicher das ich die richtigen 
rausgesucht habe :) Nur bei den MELF Dioden hab ich einfach mal 4148 
angenommen.

Harpune schrieb:
> Kann es sein, dass dies ein Universaldimmer ist und das die von dir
> Bezeichnete "Schutzschaltung" einfach die Phasenlageerkennungsschaltung
> ist.
Das der Abgriff über D9 was mit Überstromerkennung zu tun hat ist wohl 
recht eindeutig, denke ich. Bei C5/C6 bin ich mir nicht sicher was das 
zu sagen hat.
Das der Dimmer auch PhasenANschnitt machen kann ist logisch, das dürften 
wohl alle MOSFET Dimmer machen können :)

Autor: Abdul K. (ehydra) Benutzerseite
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karadur schrieb:
> Hallo
>
> @ arno  danke für die Korrektur.
>
> Jetzt stellt sich mir nur die Frage warum wir vor 15 Jahren in den
> Phasenabschnittdimmern diese Dioden gebraucht haben. Die FETs sind im
> Labor ohne Dioden gestorben. Mit Dioden sind die Dinger in 10.000der
> Stückzahlen im Betrieb.

Vermutlich hast du die Inversdioden in die Sättigung getrieben und als 
der MOSFET wieder eingeschaltet hat, ist der Strom zwischen diesem und 
der Diode im Kreis geflossen. Die internen Dioden haben eine schlechte 
trr. Anfängerfehler. sieh mal nach FRED.

Autor: Dieter R. (drei)
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@Jörg S.

Ich grabe diesen schon nicht mehr ganz frischen Thread mal aus, weil ich 
gerade versuche, die Schaltung (BJ-Dimmer) zu verstehen.

1. Mit dem Überstromschutz komme ich nicht klar. Die Spannung an R4/R5 
kann eigentlich (bei denkbaren Strömen) nicht die Dioden-Schwellspannung 
von D9 übersteigen. Ist das vielleicht eine Doppeldiode mit gemeinsamer 
Anode, vorgespannt über R23 usw? Dann müsste R37/R38 aber auch 
wesentlich niederohmiger sein (100R?).

2. Ist P8 wirklich wie gezeichnet verbunden, mit D8 UND dem Kollektor 
von Q10?

3. R23/R24/R25, Werte begreife ich auch nicht.

Hast du mal versucht, das zu simulieren?

Wäre schön, wenn es noch ein paar Infos dazu gäbe.

Autor: Jörg S. (joerg-s)
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>1. Mit dem Überstromschutz komme ich nicht klar. Die Spannung an R4/R5
>kann eigentlich (bei denkbaren Strömen) nicht die Dioden-Schwellspannung
>von D9 übersteigen.
Ja, schon richtig, viel Spannung kommt wohl nicht rum...

>Ist das vielleicht eine Doppeldiode mit gemeinsamer Anode, vorgespannt
>über R23 usw?
Noch mal nachgeschaut: SMD Marking ist "A4" und Pins 1 und 2 gehen an 
die 100k Widerstände.

>Dann müsste R37/R38 aber auch wesentlich niederohmiger sein (100R?).
Noch mal nachgemessen: Beide haben wirklich 100k

>2. Ist P8 wirklich wie gezeichnet verbunden, mit D8 UND dem Kollektor
>von Q10?
Noch mal nachgemessen: Ja, das ist so.

>3. R23/R24/R25, Werte begreife ich auch nicht.
Noch mal nachgemessen: Werte und Schaltung stimmt

>Hast du mal versucht, das zu simulieren?
Nein, es ging mir eigentlich nur um die reine MOSFET Technik.
Die Dimmer Entwicklung ist inzwischen auch abgeschlossen und somit 
bestand kein Interesse mehr an dem Rest dieser Schaltung.
Siehe auch: http://www.see-solutions.de/projekte/projekte.htm (2007_02: 
SPS-LightControl)

Autor: Dieter R. (drei)
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Mir kommt eine Idee. Q9/Q10 ist ein Monoflop, nur getriggert bei 
Kurzschluss, so ab 15 oder 20 A vielleicht. P8 = Low ist Reset und kann 
als Input abfragen, ob die Schaltung getriggert wurde. Für Überstrom ist 
die Sicherung da.

Macht alles Sinn. Es bleibt nur die Frage, warum man bei dem ganzen 
Aufwand nicht eine Schaltung gewählt hat, die bereits bei Überlast 
anspricht und die Sicherung heile lässt.

Was macht denn dein Dimmer bei Kurzschluss? Erst die Sicherung, oder 
erst die FETs?

Autor: Jörg S. (joerg-s)
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>Was macht denn dein Dimmer bei Kurzschluss? Erst die Sicherung, oder
>erst die FETs?
Da die FETs nicht gerade billig sind, hab ich bisher auf einen Test 
verzichtet ;)

Autor: Dieter R. (drei)
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Na, irgendwann kommt der Test sowieso, also nur Mut ...

Autor: Jörg S. (joerg-s)
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>Macht alles Sinn. Es bleibt nur die Frage, warum man bei dem ganzen
>Aufwand nicht eine Schaltung gewählt hat, die bereits bei Überlast
>anspricht und die Sicherung heile lässt.
Q5 riegelt ja eigentlich schon ab, da er gegen die Lastwiderstände 
schaltet und nicht direkt gegen Masse.

Autor: Moritz Bente (Gast)
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Hallo an alle Interessierten,

hoffe es stört niemanden dass ich diesen alten aber interessanten Thread 
noch einmal hervor hole. Ich experimentiere gerade mit dieser Schaltung 
wie sie hier vorgestellt wurde. (BJ-Dimmer).
Dazu habe ich jedoch eine Frage. Wie wird das Dauerschalten der Mostet 
realisiert?

Wenn die Mosfets dauerhaft schalten liegt das GND Potential der 
Spannungsversorgung (10V) der Gatesteuerung und die Phase auf dem selben 
Potential, somit bricht die Spannung auf Dauer zusammen. Dann können die 
Mosfets nicht mehr sauber durchschalten !?
In der Simulation ergibt sich eine Gatespannung von ca. 4V. Mit DCDC 
Konverter verstehe ich ja, dass die Gatespannung konstant bleibt. Würde 
gerne die Spannungsversorgung für die Gate Ansteuerung aus der Phase 
direkt erzeugen und nicht aus einem DCDC Konverter.

Viele Grüße

Moritz Bente

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