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Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Li-Ion Akku Ladezustand


Autor: Marc Seiffert (euro)
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Hallo,

ich beschäftige mich im Moment mit einer Tauchlampe auf LED-Basis. Die 
Versorgung der 4 LEDs (á 21V / 0,8A) erfolgt über Schaltwandler hoher 
Effizienz. Die Versorgung der Schaltwandler erfolgt über LI-Ion-Akkus, 
genauer VAP VCL0013 von Reichelt. Hier sind 2 Akkupacks in Reihe 
geschaltet um so eine Spannung von 11 (Tiefentladegrenze, 2,75V) bis 
16,8V (Ladeschlussspannung, 4,2V) zu erreichen. Der maximale 
Entladestrom beträgt 1C (von der Elektronik hier abgeriegelt durch 
Lampendimmung) Die Lampe selber gibt ihren Status (Akkuladestatus, 
status der einzelnen Treiber, etc.) über ein GLCD im hinteren Teil der 
Lampe aus. Mein Problem liegt nun darin, den aktuellen Ladezustand des 
LI-Ion-Akkupacks möglichst exact zu ermitteln. Die messschaltung ist 
dabei in der Lage die Akkuspannung auf ~0.1V genau zu messen sowie den 
Gesammtstrom der Schaltung auf ~0.5A genau zu ermitteln (ADC des Mega644 
sowie voregschalteter 4067 als Multiplexer). Zusätzlich kann ich die 
Temperatur an der Oberfläche der Akkupacks messen (auf einige °C genau).

Leider besitze ich kein Datenblatt des Verwendeten Akkus, und Reichelt 
ist aufgrund der "variablen Hersteller" bzw noname-Fernost Eigenschaften 
dieses Teils nicht in der Lage mir da irgendwas zur verfügung zu stellen 
(der Mann am Telefon war was das anging erstaunlich ehrlich :D ). Dass 
der Akku nicht so viel Performance wie ein Markenakku bringen wird ist 
mir natürlich auch klar.

Kennt sich nun jemand damit aus wie ich bei dem Akkupack den Ladezustand 
relativ genau (+- 2-3%) in Abhängigkeit von Spannung, Strom, Temperatur 
ermitteln kann ?

Danke schonmal im Vorraus,

Marc Seiffert

Autor: P. S. (Gast)
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Wenn du dir Entladekennlinien von Akkus ansiehst, wird schnell klar, 
dass das so gar nicht moeglich ist. Nicht umsonst messen Laptopakkus 
ueblicherweise die entnommene Kapazitaet und muessen gelegentlich 
nachkalibriert werden.

Autor: Marc Seiffert (euro)
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nun, aber es wird doch eine möglichkeit geben sich über den Zustand 
eines Akkus zu informieren ? Notfalls auch weniger genau als angegeben 
:/ Ich wäre natürlich auch bereit Messreihen durchzuführen, weis aber 
nur nicht was genau ich wie messen soll und vernünftige Ergebnisse zu 
erhalten ;)

Autor: Uhu Uhuhu (uhu)
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Wenn du einen µC in der Schaltung hast, dann kannst du ja die entnommene 
Ladung aufsummieren und weißt dann, wann abgeschaltet werden muß.

Autor: Jörg Wunsch (dl8dtl) (Moderator) Benutzerseite
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Peter Stegemann wrote:
> Wenn du dir Entladekennlinien von Akkus ansiehst, wird schnell klar,
> dass das so gar nicht moeglich ist.

Nun, anders als bei anderen Akkus sind die Entladekennlinien von
LiIon gar nicht so sehr flach.  Man kann da (bei bekanntem bzw.
einigermaßen konstantem Entladestrom, das scheint hier gegeben)
durchaus nach einer Exemplar-Kalibrierung einigermaßen auf den
Ladezustand schließen.

Allerdings ist die genaue Lage der Kennlinie nicht nur exemplar-,
sondern auch temperaturabhängig.  Das müsste man ggf. berücksichtigen.

In meinem LC-Meter habe ich das gemacht (aber ohne Berücksichtigung
der Temperatur, das Gerät wird eh überwiegend bei 22 °C ±3 K
betrieben), es genügt für eine grobe Abschätzung, wann man mal wieder
den Gang zum Ladegerät einplanen sollte.  ±2 % sind natürlich für so
eine Anordnung unrealistisch, aber auch mit ±10 % ist einem ja schon
mal geholfen.

Coulomb-Counter gibt's auch als fertige ICs, wenn ich mich recht
erinnere, baut Dallas (alias Maxim) sowas.

Autor: frankman (Gast)
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Verwende den BQ20z80 oder BQ20Z90.
Das sind die einzigen Bausteine, die den Ladestand auf 1% genau 
ermitteln können!


Eine Wandlung der OCV (Open Circuit Voltage) alleine reicht nicht aus!
Eine Batterie altert im Laufe der Zeit, das bedeutet, der 
Innenwiderstand wird größer. So würde mann, wenn mann nur die 
Akku-Spannung misst, vermuten, das der Akku noch halb voll ist, wird er 
dann belastet, so ist er dann "plötzlich" doch leer.

Die entnommene und geladene Kapazität alleine zu bilanzieren reicht 
ebenfalls nicht aus, da sich die Zellen selbst entladen, wenn sie nicht 
verwendet werden, das bedeutet, das ein voll geladener Akku nach einer 
Zeit nicht mehr voll ist.

Also müssen beide Verfahren kombiniert werden. Dazu muss auch die 
Kennlinie des Akkus ermittelt und gespeichert werden.

Die Temperatur ist ebenfalls ein wichtiger Faktor. Ändert sich diese, 
ändert sich ebenso die OCV Spannung des Akku´s, was wieder die Messung 
verfälscht. Diese müßte also ebenfalls gemessen werden und bei der 
Kalkulation der Kapazität mit berücksichtigt werden.

Das alles gibt es wie gesagt in den oben genannten IC´s, und... es gibt 
auch ein Eval-board, auf dem alles schon fix und fertig ist.

Bei Deinen 2-3% Genauigkeit scheidet eine selberbaulösung definitiv aus.

Autor: Andrew Taylor (marsufant)
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Jörg Wunsch wrote:
> Peter Stegemann wrote:
>> Wenn du dir Entladekennlinien von Akkus ansiehst, wird schnell klar,
>> dass das so gar nicht moeglich ist.
>
> Nun, anders als bei anderen Akkus sind die Entladekennlinien von
> LiIon gar nicht so sehr flach.  Man kann da (bei bekanntem bzw.
> einigermaßen konstantem Entladestrom, das scheint hier gegeben)
> durchaus nach einer Exemplar-Kalibrierung einigermaßen auf den
> Ladezustand schließen.
>
UND:
OP> erfolgt über Schaltwandler hoher
OP> Effizienz. Die Versorgung der Schaltwandler erfolgt über 
LI-Ion-Akkus,
OP> genauer VAP VCL0013 von Reichelt.


An den LEDs mag der Strom ziemlich konstant sein.
An den Zellen jedoch eben wegen dieses Konstruktes nicht -- der 
DC/DC-Wandler zieht mehr Einggangsstrom bei weniger Eingangsspannung.


Andrew

Autor: Jörg Wunsch (dl8dtl) (Moderator) Benutzerseite
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Andrew Taylor wrote:

> An den LEDs mag der Strom ziemlich konstant sein.
> An den Zellen jedoch eben wegen dieses Konstruktes nicht -- der
> DC/DC-Wandler zieht mehr Einggangsstrom bei weniger Eingangsspannung.

Aber das sind nur 30 % Stromunterschied, eher weniger: Spannungsabfall
von 4,0 V am Anfang der Entladung auf 3,0 V am Ende der Entladung,
bei nur mäßiger Stromentnahme (also nicht Hochstrom wie im Modellbau)
ist Entladeende ja eher bei 3,5 V.  Außerdem ist das Verhältnis immer
noch relativ reproduzierbar, d. h. gegen Ende wird mehr Strom entnommen,
folglich kann man das in einer empirischen Kurve sogar berücksichtigen.

Autor: Marc Seiffert (euro)
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Andrew Taylor wrote:
> Jörg Wunsch wrote:
>> Peter Stegemann wrote:
>>> Wenn du dir Entladekennlinien von Akkus ansiehst, wird schnell klar,
>>> dass das so gar nicht moeglich ist.
>>
>> Nun, anders als bei anderen Akkus sind die Entladekennlinien von
>> LiIon gar nicht so sehr flach.  Man kann da (bei bekanntem bzw.
>> einigermaßen konstantem Entladestrom, das scheint hier gegeben)
>> durchaus nach einer Exemplar-Kalibrierung einigermaßen auf den
>> Ladezustand schließen.
>>
> UND:
> OP> erfolgt über Schaltwandler hoher
> OP> Effizienz. Die Versorgung der Schaltwandler erfolgt über
> LI-Ion-Akkus,
> OP> genauer VAP VCL0013 von Reichelt.
>
>
> An den LEDs mag der Strom ziemlich konstant sein.
> An den Zellen jedoch eben wegen dieses Konstruktes nicht -- der
> DC/DC-Wandler zieht mehr Einggangsstrom bei weniger Eingangsspannung.
>
>
> Andrew

Korrekt, daher ja auch die reduktion des LED-Stromes bei 1C (6A) 
Zellenstrom. Die Wandler erreichen eine Effizienz von 94%, eine 
abreglung erfolgt daher wenn die eingangsspannung unter 12V sinkt. bei 
einem Akkuzustand unter 25% wollte ich die ausgangsleistung eh 
automatisch reduzieren um die Betriebsdauer noch etwas zu erhöhen 
(sodass die lampe praktisch "nie" ausgeht, im endeffekt soll so noch ca 
1h betriebsdauer gewonnen werden in welcher immer weniger licht zur 
verfügung steht). Zusätzlich kann und werde ich die LEDs natürlich die 
meiste Zeit manuell bei weniger als 100% Betreiben.

hab mir mal die beiden Bausteine von TI angesehen. An sich sehr schöne 
ICs, die würden mir ne Akku-Komplettlösung geben. Andererseits sehr 
kompliziert im Aufbau und mit bauteilen die nicht ganz so leicht zu 
beschaffen sind....ich denke das wäre zu viel des guten

Autor: Marc Seiffert (euro)
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mal hypothetisch angenommen, ich ersetze die verwendeten Li-Ion Akkus 
durch NIMH-Akkus, wäre der akkuzustand hier einfacher zu ermitteln ?

hab grad mal ein paar tests mit den Li-Ion akkus gemacht und die dinger 
scheinen absoluter schrott zu sein was entladungen mit mehr als 1-2 A 
angeht :/

Autor: Klaus (Gast)
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ja 0.9V /je Zelle  Entladeschluß und + 1.4*C laden

Klaus

Autor: Jörg Wunsch (dl8dtl) (Moderator) Benutzerseite
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Marc Seiffert wrote:

> mal hypothetisch angenommen, ich ersetze die verwendeten Li-Ion Akkus
> durch NIMH-Akkus, wäre der akkuzustand hier einfacher zu ermitteln ?

Nicht nennenswert, im Großen und Ganzen hast du dort sehr ähnliche
Probleme.

Autor: Marc Seiffert (euro)
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hmm....ok. habe mich nun aber doch für die NIMH-Lösung entschieden, da 
eine vergleichbare LI-ION-Lösung preislich weit höher zu liegen scheint. 
Die größten probleme werde ich hier Montagerechnisch haben denke ich, 
zusätzlich schaue ich mich noch nach nem überwachungs-IC um. Und 
vielleicht kann Ansmann mir ja ein gutes Datenblatt zu ihren akkus 
liefern...

Autor: Stefan (Gast)
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Kenn mich nicht so gut aus hab aber irgend wo mal im Netz einen IC 
gesehen (glaug der wa von ATMEL, bin mir nicht sicher) der hat permanent 
den Ladezustand gemessen.
oder der von Linear:
http://www.linear.com/pc/productDetail.jsp?navId=H...

Autor: pata (Gast)
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Die Schaltung hier kann dir vielleicht Hilfreich sein. Mit wenig 
änderungen kann es dein Wunsch entsprechen.

Autor: Marc Seiffert (euro)
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@ Stefan

hab mir mal die atmel-ics angesehen, die sind nicht wirklich was ich 
brauche...zum einen müsste ich dann noch einen Chip coden und mich in 
ihn einarbeiten, zum anderen sind sie, wie auch der von linear, leider 
alle für LI-ION-Akkus gedacht....die ich ja leider wegen mangelnder 
"Hoch"stromfähigkeit durch NIMHs ersetzen muss :/

@ Pata

Danke für den Link, aber ich denke hier wäre es einfacher wenn ich dann 
einfach mittels des Mega644 die Spannung direkt messe ;)

Autor: Robert A. (rangermayr)
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Hallo Marc,

ich baue auch gerade an einer LED Tauchlampe.
Meine idee Li-irgendwas Akkus zu verwenden habe ich auch erstmal 
aufgeschoben.

Aber: ich suche nach einem Ladegerät mit dem ich alle Arten von Akkus 
laden kann. (Damit der Ladegeräthaufen nicht noch weiter anwächst).

Bei meiner Suche bin ich auf www.opencharge.de gestossen.
Das Ladegerät scheint alles zu haben was man so braucht.
Mein Problem dabei ist, daß ich mich mit den Ladearten der Akkus bislang 
noch nicht so sehr beschäftigt habe. Mein letzter Urlaub mit 9 
verschiedenen Ladegeräten im Gepäck hat mich dann doch dazu bewogen mich 
etwas intensiver damit zu beschäftigen. Allerdings stehe ich dabei noch 
am Anfang.

Grüße
Robert

Autor: Marc Seiffert (euro)
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Sehr schöne sache....vor 10 minuten stand mein onkel vor der tür und hat 
mir das Druckdichte gehäuse in die hand gedrückt (ich selber studier 
E-Technik, von Maschienenbau hab ich nur mäßig ahnung ^^)...wie weit 
bist du mit deinem Projekt ? vielleicht kann man sich ja was die 
Schaltpläne, Konstruktionsskizzen, etc. angeht austauschen um sich 
gegenseitig zu verbessern :). Kannst mich ja per e-mehl eurofighter2003 
AT web.de oder (bei vorhandensein) ICQ 274681954 anschreiben.

Wollte mir morgen 36 Ansmann 2850mAh NIMH-AA-Akkus bestellen und mir 
daraus einen 14,4V / 8,6 Ah - Akku zusammenlöten...werd also nen 
ziemlichen Klopper als ladeschaltung benötigen.

Autor: Robert A. (rangermayr)
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Marc Seiffert wrote:
> Sehr schöne sache....vor 10 minuten stand mein onkel vor der tür und hat
> mir das Druckdichte gehäuse in die hand gedrückt (ich selber studier

Mein Gehäuse muss ich noch auf Druck testen, bevor ich LED und 
Elektronik einbaue.

> E-Technik, von Maschienenbau hab ich nur mäßig ahnung ^^)...wie weit
> bist du mit deinem Projekt ? vielleicht kann man sich ja was die

Es fehlen noch die Akkus (sind bestellt), das Ladegerät der Drucktest 
und dann die Endmontage. Mit einem Netzgerät als Stromversorgung 
funktioniert schon alles.

> Wollte mir morgen 36 Ansmann 2850mAh NIMH-AA-Akkus bestellen und mir
> daraus einen 14,4V / 8,6 Ah - Akku zusammenlöten...werd also nen
> ziemlichen Klopper als ladeschaltung benötigen.

Opencharge sollte das absolut problemlos laden können, da es eigentlich 
für Modellbau entwickelt wurde. Das Gerät ist im Moment mein erster 
Ansatz.
Eventuell werde ich es ein wenig verändern, damit es mehr meinen 
Bedürfnissen entspricht, aber so wie ich das sehe kann es eigentlich so 
wie es ist verwendet werden. Lis dir mal in forum dort die Threads 
durch, eventuell kann man sich da auch einbringen oder zumindest einiges 
lernen.

Meine email. Vorname Punkt Nachname Ät freenet.de

Gruß
Robert

Autor: P. S. (Gast)
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So als letzter Tip: Nimm A123 Akkus, dann kannst du die Selbstentladung 
vernachlaessigen, robuster und langlebiger geht's auch kaum. Zum Laden 
geht zur Not auch eine LiIo-Schaltung, besser ist natuerlich, du baust 
dir was Passendes, was mit Strombegrenzung (obwohl du eher Probleme 
haben wirst, so viel Strom bereit zu stellen, wie die abkoennen) gegen 
die Zielspannung laedt. Und wenn du unbedingt einen Ladezustand 
brauchst, dann miss wie schon vorgeschlagen den Stromverbrauch mit. Wenn 
dir das Messen des Stromverbrauchs zu aufwendig ist, kannst du ja auch 
was Fertiges einbauen:

http://www.hobbycity.com/hobbycity/store/uh_viewIt...

Womit du bestimmt nicht gluecklich wirst, sind hochgezuechtete 
Mignon-Akkus in einem grossen Verbund.

Autor: Robert A. (rangermayr)
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Peter Stegemann wrote:
> Womit du bestimmt nicht gluecklich wirst, sind hochgezuechtete
> Mignon-Akkus in einem grossen Verbund.

Hallo Peter,

kannst du mir bitte erklären, warum nicht?

Gruß
Robert

Autor: Marc Seiffert (euro)
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der Drucktest steht bei meinem Gehäuse demnächst an. zusätzlich müssen 
noch die LEDs auf den Kühlläufer montiert werden, eine Platine bekommt 
auch noch ne neue Revision. Wasfür LEDs nutzt du, und wie treibst du die 
?

zu den A123-Zellen, woher beziehst du die ? Ich hab grad mal bei google 
gesucht und auf anhieb keinen vernünftigen shop gefunden der die 
vertreibt :/ vor allem der Preis war sehr hoch...bei den bisher 
verwendeten Akkus oder den NIMH-Zellen habe ich ein 
Preis-Ladungsverhältnis von < 0,8€ / Wh....bei den A123 habe ich ein 
Angebot ab 1,5€ / Wh gefunden :/

Das Messen des Stromverbrauches selber ist bereits integriert. nutze ja 
einen M644 zur Steuerung des gesammten Projektes, dieser misst neben 
LED-U-I-T (einzeln je LED) sowie einiger innentemperaturen und weiterer 
Werte auch die Batteriespannung vor und nach einem Shunt mit 
10mOhm...damit lässt sich der stromverbrauch zumindest ungefär 
ermitteln, wird auch bisher genutzt um den Maximalverbrauch bei ca. 6A 
abzuriegeln (wäre 1C bei meinen LI-Ion-Akkus gewesen...)...was mir halt 
nur Sorgen macht ist dass wenn die akkus altern einem dann mehr 
Restleuchtdauer vorgegaukelt wird als existent ist :/

Autor: P. S. (Gast)
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Kurz: Hohe Selbstentladung, kurze Lebensdauer, aufwendig zu pflegen und 
langsam zu laden.

Die NiMh-Mignon mit den hohen Kapazitaeten sind extrem ueberzuechtet, 
oft erreichen sie die aufgedruckte Kapazitaet gar nicht oder nur 2 
handvoll Zyklen lang. Wenn du gescheite NiMh moechtest, musst du sowas 
wie die Eneloop nehmen, dann hast du auch das Problem mit der 
Selbstentladung vom Hals - dafuer aber reellere Kapazitaeten von 1900 
bis 2000 mAh und eine sehr gute Spannungslage bis zum Entladeende - was 
natuerlich die Zustandserkennung wieder schwieriger macht :-).

Generell hast du bei Serienschaltungen von Akkuzellen das Problem, dass 
sie durch die unterschiedlichen Eigenschaften immer ein wenig 
auseinander driften, was dazu fuehrt, dass beim  Laden irgendeine Zelle 
zu frueh voll ist, beim Entladen eine zu frueh leer ist. Auf Dauer 
schadet das der Zelle natuerlich, NiMh sind auf Tiefentladung recht 
empfindlich, schlimmer sind nur LiPo. Und um so mehr Zellen du in Serie 
hast, um so groesser ist natuerlich das Problem.

Klar gibt es viele Loesungen fuer diese Probleme - bei niedrigen 
Ladestroemen schadet die Ueberladung kaum, weil die Zelle die 
Ueberkapazitaet schadfrei in Waerme umwandeln kann. Bei frueher 
Abschaltung wird keine Zelle tiefentladen. Gute Ladegeraete laden recht 
schnell bis zu einer Spannungsgrenze oder bis Delta-Peak und laden dann 
noch eine Weile mit niedrigem Strom weiter, um alle Zellen voll zu 
bekommen. Aber das braucht halt seine Zeit und nicht jeder Lader kann 
das.

Auch A123 sollte man mit dem Balancer laden, aber sie sind sehr robust, 
die fliegen einem wegen ein bisschen Ueberladen nicht gleich um die 
Ohren - und man kann sie mit 4C laden, sprich, in 15-20 Minuten ist der 
Pack voll. Selbstentladung ist minimal, wenn du die nicht gerade ein 
Jahr lagerst, wirst du das kaum merken. Auch bei Tiefentladung sind sie 
sehr robust, wenn deine Lampe ausgeht, solltest du sie halt auschalten 
:-) Einen Nachteil haben sie: Du kannst praktisch nicht vorhersagen, 
wann sie leer sind, da die Spannung zum Entladeende sogar leicht 
ansteigt.

Autor: P. S. (Gast)
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http://www.modellbaufuchs.de/

In der Anschaffung sind sie definitiv teurer. Wenn du nicht nur die 
aufgedruckten Wh, sondern auch die Lebensdauer in Betracht ziehst, sieht 
es schon anders aus. Zur sinkenden Kapazitaet: Auch das Problem sollte 
mit den A123 wesentlich geringer sein, als mit Mignon - und eine 
Kalibrierfunktion brauchst du auf jeden Fall. Wenn du die dann einmal im 
Jahr nutzt, sehe ich kein Problem.

Autor: Marc Seiffert (euro)
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gut, wird also ein Pack aus 3x4xA123....hat dann gut 90Wh und hällt 
meine Lampe bei Vollast 1:20h am leben.


Und die Ladeschaltung wäre auch angenehm einfach ^^


bzgl. der kalibrierfunktion, was genau meinst du damit ?

Autor: P. S. (Gast)
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Zumindest Apple Laptops machen es so: Bei der ersten Nutzung soll man 
volladen und leer laufen lassen und gelegentlich eben wieder. So wird 
die maximale Kapazitaet nachjustiert...

Autor: Marc Seiffert (euro)
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aso....gut, denke mal das bekomm ich irgendwie hin....aktuell schaue ich 
nach einer einfachen aber guten ladeschaltung für die Akkus, eventuell 
bastel ich mir auch enfach was mit nem M8 selber, das CCCV-Verfahren ist 
ja eines der simpelsten, und mit der M8-Schaltung könnte ich dann direkt 
die Kalibrierparameter ausgeben lassen...reicht ja wenn ich sie alle 10 
oder 20 Tauchgänge per Hand ins EEPROM des M644 einspeise, wäre für mich 
'ne Arbeit von weniger als ner Minute ^^

Autor: Marc Seiffert (euro)
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wäre irgendwas an der Ladeschaltung im Anhang auszusetzen ? ist das 
simpelste was mir auf Anhieb einfällt und ich hätte noch 2 LM338 hier :D

http://www.st.com/stonline/products/literature/ds/...

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