Hallo allerseits, ich versuche eine Konstantstromquelle für eine übertrieben starke LED Taschenlampe zu bauen. Ich brauche einen Strom von maximal 10A um die 35W LED zu versorgen. Die Idee war ein Schmitt-Trigger und einen MOSFET zu verwenden, der den Strom zwischen ca 7-10A pendeln lässt (siehe Anhang). Versorgt wird die Schaltung über einen Li-Ion Akku, der Spannungsabfall über der Konstantstromquelle darf also nicht zu groß werden um noch genug Spannung (ca 3.4V) über der LED zu erreichen. Wichtig sind ebenfalls die Abmessungen der Schaltung, da die Taschenlampe sehr klein werden soll. Ich habe daher nur so wenige Bauteile wie nötig verwendet. Was meint ihr? Kann das so funktionieren oder habe ich irgendwo grob etwas falsch gemacht? Hat jemand vielleicht einen Vorschlag für einen günstigeren Opamp? Es muss ein Rail-to-Rail Single Supply sein, der bei der kapazitiven Last des Gates nicht gleich zusammenbricht. Gruß Kai
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Hallo das geht so nicht. Du hast nicht genug Spannung um das Gate zu steuern.
Mit einer Freilaufdiode (Anode an Drain, Kathode an Betriebsspannung) könnte es sogar klappen, ohne das der FET die, in der Spule gespeicherte, Energie sinnlos verheizt. mfG ingo
@karadur: Laut Datenblatt ist eine Spannung UGS von 3V schon ausreichend um 10A zu schalten, mit einem Rail-to-Rail Opamp sollte es also kein Problem geben @ingo: Der Unterschied ob der FET die Leistung verheizt oder ob diese in der Freilaufdiode verheizt wird, ist für mich nur ein Unterschied von einem Bauteil und wie gesagt... ich habe alles rausgelassen, was nicht unbedingt nötig ist. Der FET sollte von einer 100µH Spule denke ich nicht kaputt gehen
Wie hoch ist denn die Entladeschlußspannung deines LiIon Akkus? Ich meine der wäre unter 3V. 3,6 ist doch die Nennspannung. Und deine 35W!!! Led, welche Nennspannung soll die haben? 3,4V und die Toleranzen, bzw bei höherer Temperatur? Ich halte schon das ganze Konzept für mehr als fragwürdig. Soll das so eine Supergepimpte Taschenlampe geben, die eh nur 5 Sekunden leuchtet ehe sie den Heldentod stirbt? Alleine 35W LED und "sehr klein" schliesst sich aus Kühlungsgründen vollkommen aus. Und für die Spule plus Stromshunt plus Mosfet 0,4V als maximale Spannung einzuplanen ist auch sehr sportlich, zumal du diese 0,4V gar nicht hast. Ich würde sagen: "zurück ans Reißbrett".
U.R. Schmitt schrieb: > plus Mosfet 0,4V Sorry Nennspannung war 3,7 und 3,4 für die LED bleiben 0,3V bei 10A sind das 0,03Ohm maximales Gesamtwiderstand für das komplette system Shunt FET und Spule. Wird interessant, welche Spule nimst du da gleich nochmal?
der verwendete LiIon Akku ist bei einem Entladestrom von 10A komplett vermessen und hat nach der Hälfte der Kapazität noch 3,4V. Über dem Shunt fallen maximal 0,1V ab, über der Spule weiß ich es nicht, es sollte bei 100µH aber nicht viel sein. Die Nennspannung ist glaube ich 3,7V oder 3,8V Bei einer höheren Temperatur verringert sich meines Wissens nach die Nennspannung einer LED, was sich also auch positiv auswirkt. Ich strebe eine Akkulaufzeit von einer knappen Stunde an. Es soll übrigens eine Taucherlampe werden und keine "supergepimpte Taschenlampe", weshalb die Kühlung auch bei kleineren Abmessungen möglich ist. Nachdem ich jetzt dargelegt habe, dass mein Konzept durchdacht ist, würde ich mich über Kommentare zur Schaltung freuen
Kai Franke schrieb: > Nachdem ich jetzt dargelegt habe, dass mein Konzept durchdacht ist, > würde ich mich über Kommentare zur Schaltung freuen Sorry aber das Konzept ist nicht überdacht. Ich habe dir vorgerechnet daß Du selbst idealerweise 0,3V max. Spannungsdifferenz hast. Der Durchlasswiderstand deines Fets ist bei nur 3,4V Gatespannung evt. deutlich höher als der von dir aus dem Datenblatt ausgelesene minimale Durchgangswiderstand, das kannst Du aber selbst nachlesen. Deine Spule hat auch einen ohmschen Widerstand. Deshalb habe ich dich gefragt welche Induktivität du einsetzen willst. Die Leiterbahn und auch die Lötpunkte habe nochmal einen geringen Widerstand, ebenso der Akku selbst und die Anschlußdrähte. Da komplett und zuverlässig auf insgesamt 0,03 Ohm zu kommen halte ich für ziemlich utopisch. Nimm 2 Zellen und bau einen einfachen stromgeregelten Abwärtswandler wie sie hier in den Artikeln zu finden sind. Dann funktioniert das Ganze auch. Mich würde noch die 35W LED interessieren, die Du einsetzen willst.
Bei einer so kleinen Differenz zwischen Versogungs- und LED-Flussspannung nimmt man eine lineare KStQ. Der Wirkungsgrad ist dann auch >90% und die Schaltung funktioniert bis zu geringeren Spannungen, weil die Verluste am Drahtwiderstand der Drossel entfallen. Deine Schaltung kannst du zu einer linearen KStQ umbauen.
@Schmitt: Du hast Recht… der Widerstand der Spule ist bei 100µH zu groß, daher werde ich diese wohl kleiner dimensionieren müssen. Als LED werde ich wohl diese verwenden: http://www.led-tech.de/de/High-Power-LEDs-Luminus/SST-Serie/LUMINUS-SST-90-W-WK-LT-1689_166_167.html Mein Bruder hat sie bei 9A vermessen und misst nach ca 2-3 Sekunden eine Spannung von 3,25V Laut Datenblatt sind bei 9A zwar knapp 3,9V nötig, ich gehe aber davon aus, dass der oben erwähnte negative Temperaturkoeffizient die Vorwärtsspannung bei Betriebstemperatur so weit senkt, dass sich eben 3,25V einstellen. @ArnoR: hast du einen Link zu einer linearen KStQ, die 9A schafft und klein ist?
Lass doch einfach R2 und L1 weg, und schon hast du eine.
sollte ich L1 weglassen fließt für kurze Zeit (bis der Opamp einschreitet) ein theoretisch unbegrenzt hoher Strom durch die LED, der sie mir kaputt macht. Außerdem würde ich in diesem Fall den MOSFET sehr oft schalten, was die Schaltverluste in die Höhe treibt
> Kann das so funktionieren
Nein.
Schon die 3V3 Z-Diode ist unklug (nimm eine Bandgap-Referenz oder einen
1.8V Spannungsregler),
such dir keinen MOSFET der bei 10V UGs und 4.5V Ugs spezifiziert ist,
sondern einnn der bei 2.5V oder 2.7V spezifiziert ist (gerade
International Rectifier hat dafür schöne Tabellen),
denn das DIAGRAMM kann um 1:2 schwanken und du hast nichts davon, wenn
dein MOSFET die 2.5V Durchlasskurve erst bei 5V erreicht,
und JEDE Schaltung bei der ein OpAmp einen MOSFET steuert, enthält eine
zusätzliche Kompensation der zusätzlichen Verstärkung durch den MOSFET.
|
URef--|+\ |
| | >-+-R-|I
| +-|-/ Cx |
| +------+-Rx-+
| Shunt
+-------------+--o
Aber im Prinzip (Refesrenzspannung, OpAmp, Leistungshalbleiter, Shunt)
kann so eine Schaltung schon funktionieren, achte auf den guten Aufbau
bei dem kleinen Shunt gibt es nur kleine Spannungen und bei hohem Strom
entstehen schnell grössere Fehlspannungen.
Irgendwie verstehst du deine eigene Schaltung nicht.
Mein letzter Post war natürlich an Kai Franke gerichtet.
>sollte ich L1 weglassen fließt für kurze Zeit (bis der Opamp >einschreitet) ein theoretisch unbegrenzt hoher Strom durch die LED, der Warum? >sie mir kaputt macht. Außerdem würde ich in diesem Fall den MOSFET sehr >oft schalten, was die Schaltverluste in die Höhe treibt Warum? Eine lineare KSQ schaltet nicht während des Betriebs.
>>sollte ich L1 weglassen fließt für kurze Zeit (bis der Opamp >>einschreitet) ein theoretisch unbegrenzt hoher Strom durch die LED, der > > Warum? > Ich stelle mir das so vor: lege ich eine Spannung an die Schaltung an, liegt ohne Spule die komplette Spannung von bis zu 4V direkt an der LED, woraufhin ein höherer Strom als 9A fließt. Dieser wird erst wieder abgeschaltet sobald der Opamp die Spannung über dem Shunt mit der Referenz verglichen hat und den MOSFET sperrt. Je nach Geschwindigkeit des Opamps können bis dahin einige µs vergangen sein. Liege ich damit so falsch? >>sie mir kaputt macht. Außerdem würde ich in diesem Fall den MOSFET sehr >>oft schalten, was die Schaltverluste in die Höhe treibt > > Warum? Eine lineare KSQ schaltet nicht während des Betriebs. Bei einer linearen KSQ wird die nicht benötigte Leistung soweit ich weiß im MOSFET selbst verbrannt, was bei den Strömen gleich mehrere Watt sind. Ich benötige also einen größeren MOSFET oder eine bessere Kühlung. Ich sehe daher beim besten Willen nicht den Vorteil R2 wegzulassen @MaWin: danke für die Idee mit dem Spannungsregler, ich glaube den werde ich verwenden, weil eine Z-Diode ja nicht temperaturstabil ist
>Liege ich damit so falsch? Ja. Denn beim einschalten ist der Mosfet ja noch hochohmig. Also fallen die 4V am Mosfet ab, nicht über die LED. Der Strom wird anfangs (sobald der OPV sinnvoll arbeiten kann) relativ linear mit der Betriebsspannung ansteigen, weil ja die Referenz (in dem Moment nur durch den Spannungsteiler gebildet) auch erstmal nur mitsteigt. Wenn die Spannungsteilerspannung dann die 3,3V erreicht hat, begrenzt dann die Referenz. >Bei einer linearen KSQ wird die nicht benötigte Leistung soweit ich weiß >im MOSFET selbst verbrannt, was bei den Strömen gleich mehrere Watt >sind. Ich benötige also einen größeren MOSFET oder eine bessere Kühlung. >Ich sehe daher beim besten Willen nicht den Vorteil R2 wegzulassen Der Spannungsabfall über dem Mosfet wird bei wenigen 100mV liegen. also nur wenige Watt. Die haste im Schaltbetrieb auch in Mosfet+L zusammen (eben nur verteilt in Mosfet und L) >Mein Bruder hat sie bei 9A vermessen und misst nach ca 2-3 Sekunden eine >Spannung von 3,25V Da hast Du ein günstiges Exemplar erwischt. Typ. 3,9V angesetzt (oder 3,7V lt. Diagramm), müsste die LED eine Die-Temperatur von rund 200-300°C erreicht haben.
> Der Spannungsabfall über dem Mosfet wird bei wenigen 100mV liegen. also > nur wenige Watt. Die haste im Schaltbetrieb auch in Mosfet+L zusammen > (eben nur verteilt in Mosfet und L) Das ist doch Quark! Ist der MOSFET gesperrt, fällt über keinem Bauteil Leistung ab. Ist er am Umschalten, fällt kurzzeitig Leistung ab. Ist er durchgeschaltet, fällt fast nichts mehr über dem MOSFET ab (ein paar Milliwatt) und über der Spule idealerweise auch nur wenige Milliwatt. Schaltet der MOSFET zu oft, kann es im absolut schlimmsten Fall dazu kommen, dass über Spule und MOSFET zusammen genau so viel Leistung verbraten wird wie bei dem Linearregler. Die Aussage von dir würde ja auch bedeuten, dass eine PWM genauso hohe Verluste hat wie eine Konstantstromregelung
Ich habe den Schaltplan jetzt noch ein wenig verändert. Habe einen temperaturkompensierten Shunt eingebaut, einen entsprechenden Operationsverstärker mit Single-Supply und Rail-to-Rail.
Guck Dir mal das DB des IRLU3717 an. Bei Ugs=3,5V und 10A rund 150mW (1,5W), und bei Ugs=4V rund 100mV (1W). Also nix mit paar mW. Zumal das nur typ. Werte sind. Kann auch viel schlimmer kommen. Dann der MAX4238: GBWP=1MHz, Anstiegszeiten von vermutlich zweistelligen µs (wegen der kapazitiven Last, die der Mosfet darstellt). Selbst bei 50kHz wird er nicht mehr wirklich schalten, sondern eher einen Sinus von sich geben. Ich glaube, der Mosfet wird mehr heizen als im Linearbetrieb. Wenn ich mich nicht verrechnet habe, erreicht die Spule nach 25µs bereits 1A. Allerdings dürfte deine via R2 eingestellte Hysterese bei 10A rund 3A betragen (also der Ripple). Scheint also so rund 150µs Rippleperiode erreichen. Kommt dem langsamen MAX entgegen, bzw. der Verlustleistung.
neuer Plan: Ich lasse R2 weg und verzichte auf den Schmitt-Trigger. Für den Mosfet habe ich auch nochmal einen neuen rausgesucht, der auch bei niedrigen Gate-Source Spannungen mehr als 10A liefert. Kann ich bei dieser Schaltung den TS931 als OPA behalten? Ich habe eigentlich absichtlich einen mit hoher Slew Rate gewählt um den MOSFET schnell schalten zu können
Die ursprüngliche Schaltung taugte in dieser Form wirklich nicht viel: > Der Unterschied ob der FET die Leistung verheizt oder ob diese in der > Freilaufdiode verheizt wird, ist für mich nur ein Unterschied von > einem Bauteil und wie gesagt... Nein, normalerweise ist das sogar ein großer Unterschied in der Verlust- leistung. Ohne Diode wird im Mosfet ziemlich genau die gleiche Leistung verheizt wie im Linearregler. Beim Linearregler ist die Verlustleistung über die Zeit konstant, während sie bei deinem "Schaltregler" stoßweise anfällt (immer dann, wenn der Mosfet sperrt und auf Grund der Selbstin- duktion der Spule durchbricht), im Mittel ist sie aber in beiden Fällen gleich. "Normalerweise" schrieb ich deswegen, weil in deinem Fall wegen der geringen Spannungsdifferenz zwischen Verbraucher (LED) und Versorgung (Akku) der Unterschied sehr moderat ausfällt. Genau deswegen kam aber auch der Vorschlag von Arno, gleich einen Linearregler zu nehmen, weil in diesem speziellen Fall auch ein korrekt aufgebauter Schaltregler keine nennenswerte Vorteile bringt. Die andere Alternative ist die von U.R. Schmitt: > Nimm 2 Zellen und bau einen einfachen stromgeregelten Abwärtswandler > wie sie hier in den Artikeln zu finden sind. Dann funktioniert das > Ganze auch. Diese Lösung hat den Vorteil, dass du nicht um jede 100mV Versorgungs- spannung bangen musst. Du brauchst auch die LED nicht absichtlich heiß werden lassen, um ihre Flussspannung zu senken. So funktioniert die Schaltung zuverlässiger, und du kannst die gesamte in den Akkus gespei- cherte Energie nutzen und nicht nur die Hälfte. > neuer Plan: Der sieht schon ganz gut aus. Ich würde aber noch die von MaWin vorgschlagene zusätzliche Frequenzkompensation (zwei R und ein C) einbauen. Das vermeidet häßliche Überschwinger im Regler. Da in deinem Fall weder die Versorgungs- noch die Lastspannung Sprünge macht, könnte man vielleicht auch darauf verzichten, aber besser ist besser.
ich werde wohl erstmal darauf verzichten und sie nur zur Not nachrüsten. Taugt der Opamp denn für den Zweck oder sollte ich lieber einen mit einer geringeren Slew-Rate nehmen um ein Schwingen zu vermeiden wenn ich schon die zusätzlichen Rs und den C weglasse? Zwei Zellen zu verwenden kommen nicht in Frage, da der zu verwendende Akku bereits feststeht und eben vermessen ist. Zwei Stück davon wären zu groß.
>Zwei Zellen zu verwenden kommen nicht in Frage, da der zu verwendende >Akku bereits feststeht und eben vermessen ist. Zwei Stück davon wären zu >groß. Dann nehme 2 Stück mit halber Kapazität/Größe. Gesamtenergie bleibt gleich, und ein Schaltregler-KSQ würde das dann entsprechen umsetzen für die LED. Auch werden die Verluste wohl geringer ausfallen, weil die Spannungsverluste gegenüber Betriebsspannung kleiner ausfallen.
Jens G. schrieb: > Dann nehme 2 Stück mit halber Kapazität/Größe. Gesamtenergie bleibt > gleich, und ein Schaltregler-KSQ würde das dann entsprechen umsetzen für > die LED. Das habe ich schon gestern gesagt, selbst wenn 2 halb so große Akkus nur je 40% Kapazität haben wird die nutzbare Kapazität deutlich höher ausfallen, weil man den Akku bis zur Entladeschlussspannung nutzen kann. Ausserdem würde ein einfacher Abwärtswandler sicher funktionieren und die Funktion würde nicht von einmal ausgemessenen Werten abhängen, die sich durch Alterung wohl ändern können. Der TO zeigt sich hier aber durchaus beratungsresistent. ich dachte eigentlich daß beim Tauchen das Equipment ein Maximum an Sicherheit bieten sollte, was ich aber bei dem Konzept hier so nicht sehe. Egal, der TO muss wissen was er tut, bei seinem Konzept wird er zumindest durch das dunkler werden seiner Lampe gewarnt, daß der Akku schon halb leer ist (oder auch nur ein drittel oder zwei drittel :-)).
wie gesagt... der Akku steht fest, ich habe eben keine unbegrenztes Auswahl an Akkus, die einen so hohen Strom liefern können in beliebigen Kapazitäten hier rumliegen. Ich habe die Vorteile durchaus verstanden, ich muss mich aber an die gegebenen Randbedingungen halten. Jetzt nochmal die Frage: Ist die hohe Slew Rate des Opamps ok oder soll ich lieber einen langsameren verwenden?
Bei deiner jetztigen Lösung kannst du ruhig einen langsameren nehmen!
Hallo, ist der Shunt (R1=0.01 Ohm) nicht ein wenig klein gewählt? BR
> Jetzt nochmal die Frage: Ist die hohe Slew Rate des Opamps ok > oder soll ich lieber einen langsameren verwenden? Wenn der OpAmp mit Spule im Schaltbetrieb arbeiten soll, muß er nicht nur eine hohe Slew-Rate sondern auch eine hohe Slew-Rate bei deutlicher kapazitiver Belastung (von cva. 1nF) haben, also viel Strom liefern können (mehr als 20mA wäre wünschenswert, im Endeffekt wirkt sich die Schaltgeschwindigkeit direkt auf die benötigte Grösse der Spule aus, je schneller, je kleiner kann die Spule sein). Wenn du jedoch den MOSFET im Analogbetrieb verwendest wie in deriner letzten Schaltung, darf die Slew-Rate niedrig sein, aber die Regelung muss mit den von mir gezeigten Rx und Cx extern kompensiert werden, sonst schwingt's und regelt nicht. Wie schon von allen bemängelt, taugt dein MOSFET nicht für unter 3V Ansteuerspannung. Wie kann man nur dermassen zuverlässig ins Klo greifen, selbst wenn dir erklärt wurde, wie du taugliche MOSFETs findest ? Auch der IRLR7821 ist spezifiziert @10V Ugs und nicht etwa 2.5V oder 2.7V. Genau so untauglich wie der IRLU3717 also. Obwohl der LM4041 nun in Ordnung ist, regelst du auf 0.075V, also 75 Millivolt. Der TS931 hat ungünstigenfalls einen Offset von 15mV, also 1.5A Regelungenauigkeit, ist also ziemlich ungenau, hinzu kommen Störungen durch die grossen Ströme die zu Spannungsabfall auch im Millivoltbereich führen. Bleibt es bei der ersten Schaltung mit 100uH Spule, muss die Schaltung so schnell sein, daß der Strom in den 100uH nach Überschreiten der Schaltschwelle in der Reaktionszeit der Schaltung nicht zu weit ansteigt. 10% mehr sind wohl erlaubt, 100% sicher nicht. Und dazu muss der OpAmp schnell genug schalten, schnell genug den MOSFET umladen also genug Strom liefern. Da bei 3.7V Akkuspannung, 3.6V LED-Spannung quasi keine Spannung für die Spule übrig bleibt, steigt allerdings der Strom auch bei 100uH nicht so superschnell an. Genaueres wird man ausprobieren müssen, weil Störeffekte grösser sind als berechenbare Einflüsse. Hier ist auch die Hysterese ein Problem, bei 75mV dann noch 20mV Hysterese sind 2A, eine Reduzierung des LED-Stroms auf unter 2A ist damit nicht möglich. Eine kleinere Hysterese bewirkt geringere Eingangsspannungsdifferenz beim OpAmp, und dadurch schneltet der langsamer um als bei grosser Eingangsspannungsdifferenz. Bessere OpAmps habe ein Diagramm Slew-Rate vs. Eingangsspannungsdifferenz im Datenblatt. Ist deine Hystere nur 2mV (0.2A, mit weiteren 0.2A Overshoot weil der OpAmp als Komparator so langsam reagiert), dann muss die ganze Shcaltung auf eine Genauigkeit von 2mA ausgelegt werden, also musst du dich drum kümmern, über welche Leiterbahnen die 7.5A fliessen, damit deren störender Spannungsabfall nicht zu einer Fehlfunktion der Schaltung führt. Im Prinzipo funktionieren beide Schaltungen, die im Schaltbetrieb mit Hysterese und die linear geregelte. Bei der linear geregelten entstehen am MOSFET zwar Verluste, aber nicht mehr als in der LED auch, und deren Wärme musst du ja auch abführen. Aber beide Schaltungen müssen besser designt sein, also bessere Spannungs- und Bauelementeauswahl.
Ich habe schon mehrere Lampen in dieser Art gebaut, also mit 1s Li-Akku, high power LEDs und mit linearer KSQ mit Mosfet. Meine Erfahrungen und Tips: Ausschlaggebend für die Wahl der linearen KSQ war, das diese bei maximaler akkuspannung von 4 V (frisch geladen unter Last von 2 A bei 4,4 Ah Kapazität) einen Wirkungsgrad nicht unter 78 % hat, da die Vf der LEDs bei hohen Strömen 3,1 Volt war. Der Gesamtdrop der KSQ war unter diesen Umständen 160 mV als Minimum mit eine U-sense von 60 mV. Die restlichen 100 mV gehen auf Kosten des Mosfet und der Verkabelung. Eine geschaltete KSQ hat kaum einen besseren Wirkungsgrad als ca. 80 %, insbesondere wenn sie "mal so eben" aufgebaut wurde, dort mehr rauszuholen erfordert viel Erfahrung und harte arbeit, insbesondere muss man dann einen ganzen Eimer voll Spulen durchtesten, um das letzte rauszuholen. Zur linearen KSQ: Es wurde ein IRLZ34 eingesetzt, Kühlung durch verkleben mit den Gehäuse. Regelopamp ist ein TLC272. Eine geschaltete KSQ wurde von mir nicht weiter berücksichtigt, da der Bau- und Testaufwand größer ist und vermutet wurde, dass die ausfallsicherheit geringer ist. Zudem erfordert si mehr Teile, und eine geeignete größe Induktivität mit in hoher strombelastbarkeit ist nicht so einfach zu finden und mag als Einzelstück einiges kosten. Da hier 3 Cree XP-G parallel betrieben werden, erhielten diese (nach selektieren auf gleiche Vf als Ausgleichswiderstand eine hinreichend dünne Zuleitung aus Schaltlitze. Es wurde eine auch Unterspannungsabschlatung eingebaut, die bei 3 V aktiv wurde, wegen Hysterese blinkt die Leuchte bei Erreichen der Abschaltschwelle. Gruß, Wolfgang 4 Stück Cree XP-G in Kaltweiß oder Neutralweiß geben bei halber Leistung gleich viel licht wie die von dir gewählte Luminus SST90. Mit Optik wird es dann richtig hell.
Hallo Kai, ich wollte mal nachfragen, ob es inzwischen eine funktionierende Lösung gibt. Wenn ja, wäre es möglich, den Schaltplan zu bekommen? Ich habe ähnliche Bedingungen: Akku: 4,0V, LED: 3,2V, LED-Strom: 350mA. Viele Grüße: Andreas
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