Forum: Mikrocontroller und Digitale Elektronik Nachgebaute Constant Current Powersource und MosFET verbrennen


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von Martin E. (martin_et)


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Hallo,

ich möchte PowerLEDs zum Leuchten bringen, dafür braucht es natürlich 
eine Konstantstromquelle.

Naiv wie ich bin - und nimm immer das einfachste, auch wenn du keine 
Ahnung hast... :-( - habe ich das hier nachgebaut:

http://www.instructables.com/id/Circuits-for-using-High-Power-LED-s/step8/a-little-micro-makes-all-the-difference/

Genauer die Nummer #5, da ich es dimmen möchte mit einem 5V-Arduino.

Als MosFET einen IRLZ34N, dazu einen BC547C als Transistor (R3 mit 1 
Ohm, R1 mit 80K Ohm). Als LED dienen zwei Cree XM-L RGBW, immerhin in 
Serie geschaltet. Mein Ziel ist eine Lampe, die ich dann beliebig 
steuern kann (also wie das Phillips Hue-System).

Als Aufbau habe ich es erst mal ohne Arduino aufgebaut, also auf dem 
Steckbrett. Stromversorgung mittels Netzteil mit 20V, ein 
StepDown-Platinchen in Fertigbauweise auf Basis LM2596S (siehe Bild, so 
fertig gekauft) als Stromversorgung.

Arduino ist nicht angeschlossen, erst mal ohne, also anstelle des 
Mikrokontrollers dient meine Hand...

Nun killt es mir aber ständig die MosFETs, sie werden heiß und dann 
gehen die LEDs nicht mehr aus, wenn ich den MosFET dann durchprüfe, ist 
er hinüber.

Ich habe viele Vermutungen, woran es liegen kann, aber kein Wissen :-(
Schaltet der MosFET zu langsam und kann nicht mit dem Transistor und 
dessen Regelgeschwindigkeit mithalten? Killt das den MosFET, weil er 
dann einfach die Leistung verbrät? Oder gibt es Spannungsspitzen 
aufgrund der inneren Kapazität irgendwo, die ihn killen?

Seltsam ist auch, dass die LED bereits leuchtet, wenn ich den 
Plus-Anschluss, der für den Arduino gedacht ist, auch nur mit der Hand 
berühre...

Mich würde erstens interessieren, warum meine MosFETs durchbrennen, und 
zweitens, ob die Schaltung überhaupt zu gebrauchen ist (Änderungen? 
Meine Vermutung ist ja, die Schaltung taugt gar nix) und drittens, 
welche Schaltung es sonst sein soll.

Mein Wissen bzgl. E-Technik ist sehr gering, ich kenne die 
Funktionsprinzipien und R=U/I, aber mehr auch nicht. Schulwissen eben. 
Ich hab ein altes Oszi herumliegen, falls das was nützt?

vg,
Martin

: Bearbeitet durch User
von hauspapa (Gast)


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Wie gross hast Du R1 und R3 gewählt? Was genau macht Deine Hand?

Fragen über Fragen
Hauspapa

von MaWin (Gast)


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700mA bei (20-3.6-3.6-0.7=)12V sind 8,5 Watt, natürlich wird der MOSFET 
heiss, das Loch in der Blechlasche am Transistor machen die schliesslich 
nicht dran weil der Hersteller blöd ist sondern weil du einen Kühlkörper 
dran schrauben sollst.

Die zweite Schaltung funktioniert bei 5V schon, bei 3.3V eher nicht, die 
Theorie der Instructables Seite daß ein uC-Ausgang open collector sein 
kann und dann mehr als 4V verträgt wie in der ersten Schaltung ist 
Humbug. Bei 80k darf aber die PWM nicht zu schnell sein, eher 100Hz als 
10kHz, nimm 1k.

von Falk B. (falk)


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@Martin ET (martin_et)

>ich möchte PowerLEDs zum Leuchten bringen,

Wer möchte das heutzutage nicht?

> dafür braucht es natürlich
>eine Konstantstromquelle.

Schon mal gut.

>http://www.instructables.com/id/Circuits-for-using...

Die obere Zeichgung hat einen massiven Fehler!

>Genauer die Nummer #5, da ich es dimmen möchte mit einem 5V-Arduino.

Die geht schon eher.

>Als MosFET einen IRLZ34N, dazu einen BC547C als Transistor (R3 mit 1
>Ohm,
> R1 mit 80K Ohm).

HMM.

>Als Aufbau habe ich es erst mal ohne Arduino aufgebaut, also auf dem
>Steckbrett. Stromversorgung mittels Netzteil mit 20V, ein
>StepDown-Platinchen in Fertigbauweise auf Basis LM2596S (siehe Bild, so
>fertig gekauft) als Stromversorgung.

Ja was denn nun? Entweder die Schaltung aus deinem Link oder eine ANDERE 
Konstantstromquelle! Beides zusammen wird meisten Murks.

>Arduino ist nicht angeschlossen, erst mal ohne, also anstelle des
>Mikrokontrollers dient meine Hand...

Ganz toll! Wie soll man sehen, was du WIRKLICH aufgebaut hast? Siehe 
Netiquette!!!

>Ich habe viele Vermutungen, woran es liegen kann, aber kein Wissen :-(

Immerhin die Einsicht, dass es so ist. Kommt in diesem Forum nicht so 
häufig vor.

>Schaltet der MosFET zu langsam und kann nicht mit dem Transistor und
>dessen Regelgeschwindigkeit mithalten? Killt das den MosFET, weil er
>dann einfach die Leistung verbrät?

Wahrscheinlich. Aber ohne einen VOLLSTÄNDIGEN Schaltplan DEINES Aufbaus 
ist das schwer zu sagen.

> Oder gibt es Spannungsspitzen
>aufgrund der inneren Kapazität irgendwo, die ihn killen?

Eher nicht. Das ist Esotherik.

>Seltsam ist auch, dass die LED bereits leuchtet, wenn ich den
>Plus-Anschluss, der für den Arduino gedacht ist, auch nur mit der Hand
>berühre...

Welcher denn? Denkst du, jeder Mensch auf dieser Erde kennt DEIN Modul?

von Falk B. (falk)


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Ach ja. SINNVOLLERWEISE nimmt man für POWER-LEDs eine 
Konstantstromquelle auf Schaltreglerbasis. Da ist das Modul schon mal 
der richtige Weg. Wenn die Jungs mitgedacht haben, das das auch einen 
PWM-Eingang. Dann braucht man aber keinen zusätzlichen Transistor und 
anderen Käse.

von Cyblord -. (cyblord)


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Für Power-LEDs bietet sich auch der Konstantstrombausatz vom 
led-stübchen an. Auf PT4115 Basis.
Der hat auch einen DIM Eingang der sowohl analog bedient werden kann, 
als auch per PWM.

von Falk B. (falk)


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@ Cyblord ---- (cyblord)

>Für Power-LEDs bietet sich auch der Konstantstrombausatz vom
>led-stübchen an. Auf PT4115 Basis.

Er hat schon ein Modul mit Schaltregler!

von Joachim B. (jar)


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Falk Brunner schrieb:
> Da ist das Modul schon mal
> der richtige Weg. Wenn die Jungs mitgedacht haben, das das auch einen
> PWM-Eingang.

das IC hat den PWM Eingang, ob der auf der Platine rausgeführt ist weiss 
ich nicht, notfalls kann man ans IC Bein

und klar kann man das Modul benutzen, man schmeisst das Poti raus und 
vom FB Eingang nach GND den Fühlerwiderstand der dem maximalen LED Strom 
entspricht, dort wird dann LED - -> Kathode angeschlossen, aber das 
powert schon mal 1,2V FB Spannung x LED Strom weg, also

I Led 0,7A * 1,2V mindestens 1W Widerstand
R = U/I = 1,2V/0,7A = ca. 2 Ohm

LED + Anode kommt am normalen Ausgang.

Falk Brunner schrieb:
> SINNVOLLERWEISE nimmt man für POWER-LEDs eine
> Konstantstromquelle auf Schaltreglerbasis.

genau weil echte LED Treiber eine viel kleinere FB Spannung haben (durch 
internen Verstärker) somit verringern sich die Verluste.

man benötigt keine weiteren Power Fets

für andere Ströme entsprechend neu rechnen

: Bearbeitet durch User
von Martin E. (martin_et)


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Hallo Falk,

Falk Brunner schrieb:
[...]
> @Martin ET (martin_et)
>>Als Aufbau habe ich es erst mal ohne Arduino aufgebaut, also auf dem
>>Steckbrett. Stromversorgung mittels Netzteil mit 20V, ein
>>StepDown-Platinchen in Fertigbauweise auf Basis LM2596S (siehe Bild, so
>>fertig gekauft) als Stromversorgung.
>
> Ja was denn nun? Entweder die Schaltung aus deinem Link oder eine ANDERE
> Konstantstromquelle! Beides zusammen wird meisten Murks.

Das Platinchen dient dazu, eine Konstant-Spannung zu liefern (ca 8 
Volt), damit der MosFET nicht zu viel zu tun hat (so dachte ich...) und 
anschließend kommt meine nachgebaute Schaltung, um den konstanten Strom 
zu erzeugen. Also...ähm...beides nacheinander zusammen. Das wird nix? 
Murks?

Und dieser "Spannungswandler" ist der hier:

http://www.amazon.de/LM2596-Schaltreglermodul-DC-DC-verstellbarer-Abw%C3%A4rtswandler-Blau/dp/B009P04YTO/ref=pd_bxgy_computers_text_y

Da das Ding so günstig ist, hab ich mir davon gleich 10 Stück 
gekauft...braucht man ja oft.

>>Arduino ist nicht angeschlossen, erst mal ohne, also anstelle des
>>Mikrokontrollers dient meine Hand...
>
> Ganz toll! Wie soll man sehen, was du WIRKLICH aufgebaut hast?

Sry, aus meiner Sicht war es "hinreichend", jemand, der - wie ihr - 
Ahnung hat, sieht dagegen noch viel, viel Spielraum. Ich hab mal ein 
Bild gemalt, wie es aussieht (siehe Anhang). Mit der Hand lege ich also 
das Kabel mal auf GND, mal auf +5V.

>>Seltsam ist auch, dass die LED bereits leuchtet, wenn ich den
>>Plus-Anschluss, der für den Arduino gedacht ist, auch nur mit der Hand
>>berühre...
>
> Welcher denn? Denkst du, jeder Mensch auf dieser Erde kennt DEIN Modul?

Danke für deinen Beitrag, ich hoffe, mein Bild macht es klarer.
Mich wundert, dass die verlinkte Schaltung von www.instructables.com 
tatsächlich als "gangbar" durchgeht...immerhin sehr einfach und günstig.

vg,
Martin

von Martin E. (martin_et)


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Falk Brunner schrieb:
> @ Cyblord ---- (cyblord)
>
>>Für Power-LEDs bietet sich auch der Konstantstrombausatz vom
>>led-stübchen an. Auf PT4115 Basis.
>
> Er hat schon ein Modul mit Schaltregler!

Eine dumme Frage...ja, mein Modul ist ein Step-Down-Ding, aber ich 
dachte, es würde mir eine feste niedrigere "Spannung" ausgeben aus einer 
höheren Eingangsspannung und es hätte mit "Konstant-Strom" nix weiter zu 
tun?

vg,
Martin

von Falk B. (falk)


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@ Martin ET (martin_et)

>Das Platinchen dient dazu, eine Konstant-Spannung zu liefern (ca 8
>Volt), damit der MosFET nicht zu viel zu tun hat (so dachte ich...)

Gut!

> und
>anschließend kommt meine nachgebaute Schaltung, um den konstanten Strom
>zu erzeugen.

Ist OK.

> Also...ähm...beides nacheinander zusammen. Das wird nix?
>Murks?

Nein, das ist OK. Ich dachte dein Modul wäre eine Konstantstromquelle.

>Bild gemalt, wie es aussieht (siehe Anhang). Mit der Hand lege ich also
>das Kabel mal auf GND, mal auf +5V.

OK. Aber was heißt 2x CRE XM-L ? 2x in Reihe? Parallel?

Aber 8V reichen nicht für drei LEDs in Reihe (ohne Deppenapostoph). Oder 
sind es doch nur zwei?

>Mich wundert, dass die verlinkte Schaltung von www.instructables.com
>tatsächlich als "gangbar" durchgeht...immerhin sehr einfach und günstig.

Nur, wenn der Mikrocontroller einen Open Drain Ausgang hat. Das haben 
meist nur "alte" 8051. PIC, AVR & Co haben Push-Pull, da geht das 
schief.

Ok, zu deinem eigentlichen Problem.

1.) Das Gate darf NIE offen bleiben. Ein frei rumfliegender Draht ist 
Mist. Dort muss entweder der Arduino dran oder ein Umschalter.

2.) R1 auf ca. 1K vermindern

Abbrennen sollte der MOSFET nicht. Allerdings braucht er einen kleinen 
Kühlkörper, je nachdem, wieviel Spannung übrig bleibt von deiner 
LED-Versorgungsspannung.

von Joachim B. (jar)


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Martin ET schrieb:
> Eine dumme Frage...ja, mein Modul ist ein Step-Down-Ding, aber ich
> dachte, es würde mir eine feste niedrigere "Spannung" ausgeben aus einer
> höheren Eingangsspannung und es hätte mit "Konstant-Strom" nix weiter zu
> tun?

so gekauft ja, aber wie macht er das ?

er teilt die Ausgangsspannung über das Poti so auf das der FB Eingang 
1,2V bekommt wenn deine Wunschspannung am Poti eingestellt ist.

Wenn der FB Eingang nun 1,2V bekommt durch deinen LED Strom ist er 
genauso glücklich.

siehe Bild
http://www.minikits.com.au/image/data/modules/Lm2596-psu-01-cct.jpg

Poti fliegt raus
R1 wird ->  R fühler für LED mit folgenden Ohm:
U FB (1,2V) / I LED (hast du bis jetzt immer verschwiegen)

und an FB kommt die Kathode der LED und die Anode der LED an OUT

dann muss der Strom von Out über die LED über den neuen R1 nach GND

und am R1 stellt sich der gewünschte LED Strom ein der genau 1,2V ergibt 
zum FB.

Und wenn du das Bein 5 vom LM anhebst kannst du dort PWM machen mit on / 
off vom Arduino mit einem OC Transistor.

: Bearbeitet durch User
von Martin E. (martin_et)


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Hallo Falk,

>>Bild gemalt, wie es aussieht (siehe Anhang). Mit der Hand lege ich also
>>das Kabel mal auf GND, mal auf +5V.
>
> OK. Aber was heißt 2x CRE XM-L ? 2x in Reihe? Parallel?
>
> Aber 8V reichen nicht für drei LEDs in Reihe (ohne Deppenapostoph). Oder
> sind es doch nur zwei?

Es sind 2 LEDs, damit reicht die Spannung von 8V. Und sie sind seriell 
dran (so viel habe ich schon gelernt). Ich habe die minimal mögliche 
Spannung am Step-Down-Regler eingestellt, mit der die LEDs schön hell 
leuchten.

>>Mich wundert, dass die verlinkte Schaltung von www.instructables.com
>>tatsächlich als "gangbar" durchgeht...immerhin sehr einfach und günstig.
>
> Nur, wenn der Mikrocontroller einen Open Drain Ausgang hat. Das haben
> meist nur "alte" 8051. PIC, AVR & Co haben Push-Pull, da geht das
> schief.
>
> Ok, zu deinem eigentlichen Problem.
>
> 1.) Das Gate darf NIE offen bleiben. Ein frei rumfliegender Draht ist
> Mist. Dort muss entweder der Arduino dran oder ein Umschalter.
>
> 2.) R1 auf ca. 1K vermindern
>
> Abbrennen sollte der MOSFET nicht. Allerdings braucht er einen kleinen
> Kühlkörper, je nachdem, wieviel Spannung übrig bleibt von deiner
> LED-Versorgungsspannung.

Gemessen habe ich folgende Werte: Spannung 1.2V zwischen D und S, Strom 
an R3 600mA (bzw. Spannung mit 0.6V an R3 gemessen und dadurch Strom 
durch R3 bestimmt, da mein Multimeter bei Anschluss Mist misst, je nach 
eingestellter Skala). So gehe ich davon aus, dass zwischen Source und 
Drain eben auch ca 600mA fließen.

Ok, Gate darf also nie offen bleiben. Daher auch das gedimmte 
LED-Leuchten (bzw. sichtbares flimmern), wenn der Draht offen liegt. 
Auch wenn ich es nicht ganz verstehe, denn dann dürfte doch zwischen G 
und S keine Spannung sein, somit zwischen S und D kein Strom, 
somit...warum leuchtet da was??

Kühlkörper...kein Problem, kann ich drankleben. Aber was machte ihn so 
heiß?

vg,
Martin

: Bearbeitet durch User
von Joachim B. (jar)


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Martin ET schrieb:
> Kühlkörper...kein Problem, kann ich drankleben. Aber was machte ihn so
> heiß?

das Flattern und seine Schaltverluste, evtl. wird er auch nicht richtig 
angesteuert....


machs dir doch leichter und nutze den Transistor vom Regler....

: Bearbeitet durch User
von Martin E. (martin_et)


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Joachim B. schrieb:
> Martin ET schrieb:
>> Kühlkörper...kein Problem, kann ich drankleben. Aber was machte ihn so
>> heiß?
>
> das Flattern und seine Schaltverluste, evtl. wird er auch nicht richtig
> angesteuert....
>
>
> machs dir doch leichter und nutze den Transistor vom Regler....

Ja, danke, hab deinen Beitrag mit Interesse gelesen. Datenblatt vom 
LM2596S geladen und die Komponenten identifiziert. Im DB ist ja auch das 
Beispiel für den variablen Spannungsregler drin, was ziemlich identisch 
ist mit dem Ding, was ich vor mir habe, ausser dass die Werte der 
Kondensatoren und Spule etc. anders sind.

Ich probiere es dann auch damit. An die Pins vom IC kommt man leicht 
ran, wenn sie auch nicht rausgeführt sind.

Dennoch will ich auch wissen, wie mein eigentliches Schaltdiagramm 
funktioniert bzw. warum es eben nicht funktioniert hat.

vg,
Martin

von Arni (Gast)


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habe jetzt ganz ehrlich nichts gelesen was hier steht außer den ersten 
zwei sätzen.hoffe daher das ich hier auch richtig liege :-)
Aber es gibt die gleiche Platine auch mit 3 Potis unr regelbarer 
Spannung/Strombegrenzung für 50cent mehr..

von MaWin (Gast)


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Arni schrieb:
> Aber es gibt die gleiche Platine auch mit 3 Potis unr regelbarer
> Spannung/Strombegrenzung für 50cent mehr..

...und ebenso geschönten Leistungsangaben...

von Martin E. (martin_et)


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Hallo Joachim,

Joachim B. schrieb:
> Martin ET schrieb:
>> Kühlkörper...kein Problem, kann ich drankleben. Aber was machte ihn so
>> heiß?
>
> das Flattern und seine Schaltverluste, evtl. wird er auch nicht richtig
> angesteuert....
>
>
> machs dir doch leichter und nutze den Transistor vom Regler....

Ok, ich habe es nun mit dem Spannungsregler nach deiner Anleitung 
probiert.
An sich funktioniert es, nur gibt es ein gewisses Problem, weil der 
LM2596 wohl für ein PWM an Pin5 nicht ganz gedacht ist, d.h. er reagiert 
zu langsam.

Ich habe mal ein Bild gemacht, damit man es sieht. Das hardwareseitige 
PWM des Arduino ist deutlich zu schnell, künstlich nachgebaut sieht es 
so aus (siehe Anhang):

Die blaue Linie ist das PWM-Signal vom Arduino, meist high mit +5V, dann 
für eine Zeit low auf 0V.

Die gelbe Linie ist die Spannung am Widerstand (auf 1.8 Ohm gesetzt), 
der als Regler dient. Man sieht, das Einschalten geht halbwegs flott, 
das Ausschalten aber zäh. Die Ausschaltzeit des Arduino (also blaue 
Linie auf 0V) ist ungefähr 0.5 ms (460 Mikrosekunden), also der LM2596 
braucht durchaus 1 ms, um wieder abzuschalten.

Käme ggf. eine Zusatzschaltung in Betracht, also ein Transistor, der den 
1.8Ohm-Widerstand quasi kurzschließt, wenn der Arduino auf 5V geht? Ok, 
so einfach natürlich nicht, das würde den Strom durch die LED erhöhen, 
also auch dort einen Ausweg finden.

Oder...noch eine klasse Idee, wie man das Ein-/Auschalten des Reglers 
verbessern kann?

vg,
Martin

von MaWin (Gast)


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Natürlich reagieren Schaltregler langsam.

Aber in deiner ursprünglichen Schaltung auf Karopapier schaltet ein 
extra Schalter nach dem Schaltregler den MOSFET.

Es ist also kein Problem, daß dein Schaltregler langsam schaltet.

Es war niemals die Rede davon, daß Pin5 zu irgendwas wie PWM taugen 
würde.

Du hast doch jetzt nicht die Unsinnsschaltung von Joachim B. aufgebaut ?

von Martin E. (martin_et)


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MaWin schrieb:
> Natürlich reagieren Schaltregler langsam.
>
> Aber in deiner ursprünglichen Schaltung auf Karopapier schaltet ein
> extra Schalter nach dem Schaltregler den MOSFET.
>
> Es ist also kein Problem, daß dein Schaltregler langsam schaltet.
>
> Es war niemals die Rede davon, daß Pin5 zu irgendwas wie PWM taugen
> würde.
>
> Du hast doch jetzt nicht die Unsinnsschaltung von Joachim B. aufgebaut ?

Hallo MaWin,

doch, ich habe diese Schaltung probiert - ist ja ziemlich einfach und 
schnell getestet. Und sie funktioniert durchaus "sehr gut" und liefert 
einen konstanten Strom. Das Problem ist nur das PWM.

Meine Originalschaltung (auf Karopapier und per Bildbearbeitung aussen 
rum gemalt) wird trotz Kühlkörper heiß und funktioniert nicht. Irgendwas 
läuft da noch falsch, nur weiß ich nicht, was.

vg,
Martin

von MaWin (Gast)


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Theoretisch kann man an der Schaltung C2 weglassen. Praktisch will der 
Regler eine kleine Kapazität sehen damit die Regelstrecke stabil bleibt. 
Aber das Abklingen des Stromes durch L1 kannst du nicht weglassen. Macht 
man L1 zu klein, wird der Strom-Ripple zu gross. Bei 10% Stromripple 
muss man schon dutzende Taktzyklen waren, bis der Strom auf unter 10% 
fällt, die LED auf on/off also mit "AUS" reagiert.

Natürlich kannst du theoretisch die LED (und nicht auch noch R1) per 
MOSFET kurzschliessen, wenn sie aus sein soll.

von Martin E. (martin_et)


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Ein wenig Verbesserung konnte ich durch einen "Kniff" schaffen:
Der Arduino bzw. ATmega-Familie (ATmega328P) hat interne Features über 
die Prozessorregister, so dass man die PWM-Frequenz in gewissen Grenzen 
einstellen kann. Standardmässig wird PWM-Frequenz auf Clockcycle/64 
gestellt. Man kann die Zahl "64" aber auch ändern in eine von 
1,8,64,256,1024.

Bei 1024 flackert es, da sich hierdurch ca 30Hz PWM ergeben, aber 256 
ist ganz ok mit 122 Hz. Das Signal nach dem LM2596 ist zwar immer noch 
nicht sauber, aber es lässt dem LM2596 schon deutlich mehr Zeit, sieht 
nun oftmals einfach sägezahnförmig aus anstelle eines Verlaufs, der 
darauf schließen lässt, dass er partout dem Rechtecktverlauf nicht mehr 
hinterherkommt.

Wenn noch wer einen Tipp hat, ich bin dankbar. Vielleicht ist in meiner 
Ursprungsschaltung der BC547C einfach ein gar zu billiges Teil? 
Vielleicht ein besseres Modell, das schneller und sauberer durchschaltet 
für den MosFET? Oder ist der MosFET das Problem? Immerhin schaltet er 
schon sauber bei 3 Volt durch, im Gegensatz zu meinen anderen 
TTL-MosFETs (mit denen hat es so gut wie gar nicht geklappt, schalteten 
nicht sauber durch, bzw. nicht hinreichend bei 4.5V).

vg,
Martin

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