Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Bridgeless PFC


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von Oliver (Gast)


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Hallo Leute,

habe mich einer semibridgeless pfc versucht. Diese funktioniert leider 
nur teilweise. Die Hilfsspannungen für die Regelung und den Treiber 
werden über ein Labornetzteil bereitgestellt. Der Strom ist zwar 
sinusförmig aber die beiden Halbwellen sind unterschiedlich groß. Wenn 
ich die Spannung von dem Treiber von 15 V auf 8 V herunter stelle. Sind 
beiden Halbwellen symmetrisch. Habt ihr eine Ahnung was die Ursache sein 
kann? Ich habe die Topologie nachgebaut nach der Application note von 
One.


Schonmal danke im Voraus

: Verschoben durch Moderator
von Ben B. (Firma: Funkenflug Industries) (stromkraft)


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Alter wer hat denn den Brückengleichrichter in diesem Plan gezeichnet?! 
Dem müßte man dafür eigentlich gleich mal die Fresse auf links drehen. 
An der Stelle ist auch ein Fehler im Plan, beide Eingänge sind mit PH2 
bezeichet, wenn ich das so nachbaue gibts beim Einschalten hässliche 
Geräusche im Sicherungskasten.

von Oliver (Gast)


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das stimmt das mit den phasen ist falsch, aber ich habe es richtig 
aufgebaut.

von Oliver (Gast)


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hier ist der schaltplan so wie ich es aufgebaut habe!

von eProfi (Gast)


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Es fehlen:
 - Daten der verwendeten Bauteile, insbes. der Spulen/Trafos
 - Links zu den Datenblättern
 - Layout
 - gute Fotos vom Aufbau (Vorder- und Rückseite)
 - Oszillogramme
Das hätte in den ersten Post gehört.

von Ben B. (Firma: Funkenflug Industries) (stromkraft)


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Miss doch mal welche Halbwelle, also von welcher der beiden Stufen, 
größer ist als die andere. Dann L und N am Eingang vertauschen. Erzeugt 
dann immer noch die gleiche Stufe die größere Halbwelle? Wenn nicht, 
funktioniert das Konzept einfach nicht wie es soll und es liegt nicht an 
Deinem Aufbau.

von der schreckliche Sven (Gast)


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Oliver schrieb:
> Wenn
> ich die Spannung von dem Treiber von 15 V auf 8 V herunter stelle. Sind
> beiden Halbwellen symmetrisch.

Da gibt`s ja schon mal Verdächtige.
Nicht der Treiber. Sondern die Mosfet`s.
Müssen da wirklich 2 parallel sein? Oder sieht`s nur schick aus?
Und überhaupt: Bei welcher Leistung tritt denn das Phänomen auf?

von Ben B. (Firma: Funkenflug Industries) (stromkraft)


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Kommt das Ding zufälligerweise aus einem Freie-Energie-Bausatz?

Meine, die beiden Stufen arbeiten absolut parallel, nur das sie durch 
den Netzsinus (und zwar allein durch den Netzsinus) abwechselnd bestromt 
werden. Das Ding weist dadurch keine Unterschiede im Betriebsverhalten 
zu einer Schaltung mit normaler Brückengleichrichtung und nur einer 
Stufe auf, die beide Halbwellen verarbeitet - mit der Hälfte an 
Leistungsbauteilen.

Probier doch bitte wirklich mal das Umpolen der Betriebsspannung. Ich 
glaube, mein Urteil über diese Schaltung steht aber schon ziemlich fest.

von Oliver (Gast)


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Die leistungen bei denen ich gemessen habe sind 200 w und 400 w. Das 
unsymmetrische Verhalten tritt in beiden fällen auf. alle mosfet 
erhalten, dasselbe Signal am Gate vom Treiber. Das in einem Zweig zwei 
Mosfets sind liegt, daran dass ich die Durchlassverluste minimieren 
möchte.

Folgende Bauteile habe ich verwendet:

Mosfet Infineon 6r099c6

PFC-Controller NCP1654 133 kHz

Treiber Texas Instrument UCC27324DR

von Falk B. (falk)


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@Oliver (Gast)

>    pfc.png

>hier ist der schaltplan so wie ich es aufgebaut habe!

Das mit dem Schaltplan zeichen üben wir aber nochmal, oder?

Schaltplan richtig zeichnen

Keine massenhafte Nutzungen von einfache Netznamen als Netzverbinder!
Direkte Verbindungen zeichnen!
Den Current Trafo (schönes Denglisch!) kann man spiegeln und drehen, 
damit wird die Signalführung entknotet
Die Schaltzeichen deiner MOSFETs sind grausam! Erstens sind dort 
sinnloserweise die Pinnamen aktiv (braucht man bei so einem Bauteil 
nicht) und zweites sind es die häßlichen P$x Namen.
Dito Bei U$2, was auch ein unsinniger Name für einen Steckverbinder ist

von Falk B. (falk)


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@ Ben B. (Firma: Funkenflug Industries) (stromkraft)

>Meine, die beiden Stufen arbeiten absolut parallel, nur das sie durch
>den Netzsinus (und zwar allein durch den Netzsinus) abwechselnd bestromt
>werden.

Das ist der Sinn einer "bridgeless" PFC, man spart aber nur 2 Dioden und 
deren Verluste ein. Der Preis dafür ist der abwechselnde Betrieb der 
beiden Phasen pro Halbwelle der Netzspannung. Alles in allem ein 
fragwürdiges Konzept, denn elektrisch/magnetisch muss jede Phase die 
volle Ausgangsleistung bringen, nur  thermisch ist es die Hälfte. Eine 
normale, 2-phase PFC ist das IMO sinnvoller, denn dort arbeiten die 
beiden Phasen zeitlich nur im 1/2 PWM-Periode phasenverschoben, also mit 
100kHz und mehr.

von Falk B. (falk)


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@Oliver (Gast)

>    Layout.png

Wie schafft man es, so einen verwaschenen Screenshot zu erzeugen? Erst 
JPEG mit tierischer Kompression und dann in PNG wandlen?

Siehe Bildformate.

>erhalten, dasselbe Signal am Gate vom Treiber. Das in einem Zweig zwei
>Mosfets sind liegt, daran dass ich die Durchlassverluste minimieren
>möchte.

Irrtum. Siehe mein vorheriger Beitrag.

Schick mal die Eagle-Datein, dann sieht man mehr.

Möglicherweise sind deine Stromtrafos nicht gleich, oder du hast die 
Shunt R19 und R22 unterschiedlich bestückt.

D10 und D12 sind überflüssig, das Laden der Ausgangskondensatoren beim 
Einschalten läuft ebenso gut.

Generell kann man hier wie immer Lothar's Kreise empfehlen, ich fürchte 
das Ergebnis ist ausbaufähig ;-)

http://www.lothar-miller.de/s9y/categories/40-Layout-Schaltregler

Warum sind deine großen Ausgangskondensatoren an GND und nicht RETURN 
angeschlossen?

von G. Hutstein (Gast)


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Falk B. schrieb:
> Das ist der Sinn einer "bridgeless" PFC, man spart aber nur 2 Dioden und
> deren Verluste ein. Der Preis dafür ist der abwechselnde Betrieb der
> beiden Phasen pro Halbwelle der Netzspannung. Alles in allem ein
> fragwürdiges Konzept

Hängt davon ab, was man erreichen will. Höchste Leistungsdichte ist mit 
n interleavten Zweigen bei 1/n Phasenversatz - nach einer klassischen 
Eingangsbrücke - einfacher. Höchste Effizienz eher mit Bridgeless.

(Leistungsdichte und Effizienz haben zwar viel miteinander zu tun, aber 
sind nicht völlig identisch. Stichwort: Pareto Front bzw. Pareto 
Optimization.)

Es wurden gerade in den letzten 2 Dekaden diverse neue Konzepte 
entwickelt, sei es nun Cuk's "True Bridgeless" oder die Bridgeless 
Varianten der ETH Zürich... etc. Die wissen sowohl, was sie tun, als 
auch, was sie erreichen wollen.

Für den durchschnittlichen Hobbybastler, der möglicherweise froh ist, 
seine zufriedenstellend funktionierende "erste PFC" hinzubekommen, ist 
das vielleicht nicht von Bedeutung. Das traditionelle Konzept ist 
schlicht einfacher umzusetzen, und maximale Effizienz hier nur selten 
wichtig.

Was Oliver exakt erreichen will, wissen wir ja nicht. Aber Bridgeless 
als "allgemein fragwürdig" hinzustellen? IMHO vorbeigeschossen.

von Oliver (Gast)


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Ziel der Schaltung soll es sein einen höheren Wirkungsgrad zu erreichen 
als mit einer konventionellen PFC.

Mein Problem ist halt dass beide Halbwellen unterschiedliche groß sind 
und wenn ich die Gate Source spannung verringer sind sie symmetrisch. 
das mach für mich gerade keinen sinn.

von Falk B. (falk)


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@ Oliver (Gast)

>Mein Problem ist halt dass beide Halbwellen unterschiedliche groß sind

Wieviel?

>und wenn ich die Gate Source spannung verringer sind sie symmetrisch.
>das mach für mich gerade keinen sinn.

Für mich auch nicht ;-)

An IC2 sind ENA und ENB nicht angeschlossen, ob das so eine gute Idee 
ist?

von Oliver (Gast)


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der Unterschied beträgt 1 A. Wieso müssen ENA und ENB angeschlossen sein 
?

von Falk B. (falk)


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@ Oliver (Gast)

>der Unterschied beträgt 1 A.

Bei welchem Absolutwert? Mensch, laß dir doch nicht jeden Mist aus der 
Nase ziehen! Siehe Netziquette.

> Wieso müssen ENA und ENB angeschlossen sein
>?

Weil es keine gute Idee ist, Eingänge offen zu lassen. Erst recht nicht 
im störbelasteten Umfeld von Leistungselektronik.

von eProfi (Gast)


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Ich klinke mich aus, so ist keine vernünftige Kommunikation möglich.
Rsense 1 mOhm ist wohl ein Witz.
Es gibt etliche Application Notes zu den ICs. Vermutlich nichts gelesen.

von Ben B. (Firma: Funkenflug Industries) (stromkraft)


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Nö, gelesen hat er mit Sicherheit nichts, sondern einfach mal drauflos 
gebastelt. Genauso wie er hier jede Frage offenlässt oder 
Test-Vorschläge ignoriert. Mir ist das auch zu blöd tausend Mal nach 
irgendwas nachzufragen. Genau wie der Troll mit seinem CDreck-Ladegerät.

Dieser ganze Aufwand um den Durchflußverlust EINER Diode einzusparen?! 
Also sorry, find ich lächerlich. Dann bau ich den Gleichrichter lieber 
aus besonders guten Dioden oder nehme zwei davon parallel um die 
Spannung über ihnen zu minimieren.

Edit:
Oder eine 50Hz-Synchrongleichrichtung in Vollbrücke. Sowas hab ich sogar 
schon gebaut (wobei es aber nicht als Gleichrichter sondern als Teil 
eines Einspeisewechselrichters arbeitet), wird aber durch die 
Steuerelektronik auch nicht sonderlich besser aussehen als der 
Wirkungsgrad eines einfachen Gleichrichters aus guten Dioden.

: Bearbeitet durch User
von der schreckliche Sven (Gast)


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Die Frage war nicht, ob das Konzept was taugt.
Auch nicht, ob ein Bastler sowas machen darf.

Die Frage war, warum eine Unsymmetrie in der Stromaufnahme entsteht.


Ich kann diese Frage auch nicht abschließend beantworten. Aber die 
Hersteller moderner Mosfet`s (z.B. Infineon) haben ausführliche 
Abhandlungen über die Probleme veröffentlicht, die durch das 
Parallelschalten ebendieser entstehen können. (Einen Link bleibe ich 
jetzt aber schuldig, ich suche das nicht nochmal raus).
Durch die Parallelschaltung einerseits und den unsymmetrischen Aufbau 
andererseits bekommt der NCP1654 je nach Halbwelle unterschiedliche 
Informationen über die Stromstärke.

Lösungsvorschläge:
-Auf das Parallelschalten der Mosfet`s verzichten.
-Neues Layout.
Nach den Schaltungen in den Datenblättern fließt der komplette 
Spulenstrom durch Rsense. Nochmal genau anschauen!
Bei der angestrebten Leistung finde ich es verwegen, auf Kühlkörper zu 
verzichten.

von der schreckliche Sven (Gast)


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Ach ja, und im ersten Schaltplan gibt es den C16. Ist laut NCP 
essentiell (unverzichtbar). Wurde einfach weggelassen.

von Falk B. (falk)


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@der schreckliche Sven (Gast)

schrieb mal wieder Unsinn . . .

>Ich kann diese Frage auch nicht abschließend beantworten.

Nein? Na da sind wir jetzt aber SCHWER enttäuscht!

>Abhandlungen über die Probleme veröffentlicht, die durch das
>Parallelschalten ebendieser entstehen können.

Es gibt gar keine richtige Parallelschaltung. Sie werden sogar aus 
getrennten Treiberausgängen angesteuert.

>Durch die Parallelschaltung einerseits und den unsymmetrischen Aufbau
>andererseits bekommt der NCP1654 je nach Halbwelle unterschiedliche
>Informationen über die Stromstärke.

Jaja, und Apfelmus ist Mus aus Äpfeln. Wer hätte DAS gedacht?

>-Auf das Parallelschalten der Mosfet`s verzichten.

Quark.

>-Neues Layout.

Quark^2.

Man muss das Problem erstmal lokalisieren und nicht nur auf Vermutungen 
alles auf den Kopf stellen.

von der schreckliche Sven (Gast)


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Falk B. schrieb:
> Man muss das Problem erstmal lokalisieren

Na, auf geht`s!!!

von Hans_Dampf84 (Gast)


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Falls die Durchtrittsfrequenz der Voltage Loop zu hoch gewählt  ist kann 
es zu einem unsymmetrischen Strom beider Halbwellen kommen. Fx sollte 
zwischen 5 ... 20 Hz liegen. Mess diese doch mal (z.B. Bode100) und 
verkünde das Ergebnis.

Eigentlich sollte auch deine PFC eine Eingangskapazität besitzen. 
Entweder hab ich diese übersehen oder sie existiert nicht.

Ist offenbar nur ein Hobbyprojekt, in Serie wirst Du so jedenfalls nicht 
gehen können, weil dich das Layout mit Pauken und Trompeten durch die 
EMV Prüfungen fallen lassen wird.

Das Kernmaterial schaut nach magnetics aus, welcher Kern ist das, 
wieviele wdg. und welche Induktivität strebst du an?

CCM oder DCM Betrieb angestrebt?

Schönen Gruß!

von Falk B. (falk)


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http://www.onsemi.com/pub/Collateral/AND8392-D.PDF

Seite 5 unter Figure 8

"One should however note that the current does not
necessary return by the D1 and D2 diodes. Figure 8 portrays
the ”expected” current path when ”PH2” is high (the same
analysis could have been done for ”PH1” high):
♦ The blue path is supposed to be the current path
when the MOSFET is on
♦ The red one, that of the current when the MOSFET
is open.
Actually, a large portion of the current flows as indicated
in black.
This is because the body diode of the supposedly inactive
MOSFET provides the current with another path. The coil
exhibiting a low impedance at the line frequency, we have
two diodes in parallel and the current share between them."

Also braucht man Stromwandler.

"That is why current sense transformers can be of great help
to measure the current in such a structure."

Die muss man aber richtig anschließen.

In der AN sieht das GANZ anders aus!

Erstens sind dort R19 und R22 3Ohm statt 10 Ohm. Das ist aber 
nebensächlich.

Entscheidend sind R8 und R9, die sind beim OP vollkommen 
fehldimensioniert!
In der An sind das 2x 2k2 und NICHT 15k und 150R. Damit sind die 
Stromwandler praktisch abgeklemmt und nur der Shunt wird als 
Stromsensor. Damit regelt der IC aber nicht auf den jeweiligen 
Phasenstrom sondern auf den relativ stark fehlerbehafteten Strom durch 
den Shunt. Durch diverse Toleranzen der Widerstände der MOSFETs und 
Drosseln kommt die Asymmetrie zustande. Deswegen braucht man bei einer 
mehrphasigen PFC immer eine exakte Strommessung für jeden Zweig.

R18 würde ich in Frage stellen, denn der ist im Original eher 30mR. Es 
fehlt auch das 1uF am Netzeingang zu HF-Abblockung. Das scheint der 
große, blaue Folienkondensator im Photo zu sein. Wer weiß welche 
Inkonsistenz zwischen Schaltplan und realem Aufbau noch existiert.

Der Schaltplan der AN ist hier leider auch ein "gutes" Beispiel, wie man 
es NICHT machen sollte.

Letztendlich bin ich mir aber nicht ganz sicher, ob die Schaltung 
überhauft aktiv die Phasenströme symmetriert. Denn der IC arbeitet mit 
einem C an Pin 2 im average current mode, d.h. er regelt auf den 
MITTLEREN Strom. Er müßte aber IMO im peak current mode arbeiten und 
damit aktiv die Stromhalbwellen regeln. Denn sonst wären die 
Stromwandler recht sinnlos.

von Hans_Dampf84 (Gast)


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Falk B. schrieb:
> Denn der IC arbeitet mit einem C an Pin 2 im average current mode, d.h.
> er regelt auf den MITTLEREN Strom. Er müßte aber IMO im peak current
> mode arbeiten und damit aktiv die Stromhalbwellen regeln.

Doch, geht auch im average current Mode. Die Mittelung bezieht sich ja 
nicht auf die Netzhalbwelle, sondern auf die Schaltperiode.

I.d.R. setzt man eine average current Mode Stromregelschleife mit einer 
Fx von 1/20 bis 1/10 Fsw auf. Dass allein mittelt  den Strom 
ausreichend, ist aber noch schnell genug um den Strom schnell dem 
Sollwert aus V_loop_out * u_mains(t)/u_mains_avg (* 1/V_feed_fwd) folgen 
zu lassen.

In wiefern die Stromwandler des TO hierfür geeignet sind kann ich nicht 
beurteilen, ich nutzte bisher immer Shunts.

Zuletzt hab ich das so in einer digital geregelten 2ph interleaved CCM 
PFC so realisiert (100A I_max)


(... sorry, vom Handy getippt)

von Harald W. (wilhelms)


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der schreckliche Sven schrieb:

> Aber die
> Hersteller moderner Mosfet`s (z.B. Infineon) haben ausführliche
> Abhandlungen über die Probleme veröffentlicht, die durch das
> Parallelschalten ebendieser entstehen können.

Da muss man zwei Fälle unterscheiden: Beim Schaltbetrieb ist
die Parallelschaltung relativ unproblematisch, auch wenn ich
den Strom da nicht unbedingt verdoppeln würde.
Beim Linearbetrieb dagegen sind die Probleme deutlich grösser
als bei Bipos. Deshalb sollte man Parallelbetrieb da möglichst
vermeiden und nur FETs verwenden, die ausdrücklich für den
Linearbetrieb zugelassen sind.

von Oliver (Gast)


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Der Sense Widerstand ist auf 10 mohm erhöht und die beiden Widerstände 
am CS pin sind nun gleich groß. Des Weiteren habe ich die fehlenden 
Kondensatoren c16 und c17 aus der An eingefügt. Die offenen Ausgänge des 
Treibers sind nun auf Masse gelegt. Das Problem tritt trotzdem noch auf. 
Ich habde Bilder der Messungen hinzugefügt. Bei der Treiberspannung von 
12 v sind die beiden Halbwellen unsymmetrisch und bei 8 v symmetrisch. 
Die Ausgangsleistung bei der gemessen wurde beträgt 200 w. Gemessen habe 
ich den Eingangsstrom und die Spannung

von Falk B. (falk)


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Merkwürdig. An sich sollte der Eingangsstrom von der Treiberspannung der 
MOSFETs vollkommen unabhängig sein. Wahrscheinlich wird durch die 
relativ niedrige Treiberspannung die Übertragungsfunktion der beiden 
PFC-Zweige angenähert, allerdings auf Kosten der Leitverluste in den 
MOSFETs.

Man könnte R9 einmal komplett entfernen, dann kann das Strommeßsignal 
nur noch von den Stromwandlern kommen. Dann sollten die beiden 
Halbwellen symmetrisch sein, wenn die Stromwandler und Shunts dahinter 
auch symmetrisch sind.

von Oliver (Gast)


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danke für den tipp ich werde es gleich mal ausprobieren

von Oliver (Gast)


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Das problem triit auch auf wenn r9 nicht vorhanden ist. kann das Problem 
evtl seinen Ursprung auch im Spannungsregelkreis haben?

von Falk B. (falk)


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@Oliver (Gast)

>Das problem triit auch auf wenn r9 nicht vorhanden ist. kann das Problem
>evtl seinen Ursprung auch im Spannungsregelkreis haben?

Glaub ich nicht so recht.

von Oliver (Gast)


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also die beiden CT-Circuits sind absolut identisch aufgebaut. ich kann 
mi das leider nicht so recht erklären was die Ugs damit zu tun hat.

von der schreckliche Sven (Gast)


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Na Falk, ratlos?

Oliver, bist Du jetzt verzweifelt genug, um wenigstens versuchsweise auf 
die Parallelschaltung der Mosfet`s zu verzichten?

von Oliver (Gast)


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wenn ich nur einen Mosfet pro Zweig nehme kann ich die Gate-Source 
Spannung auf 12 V und die wellen bleiben symmetrisch. bei 15 v gate 
sourec spannung wird der strom wieder unysmmetrisch

von der schreckliche Sven (Gast)


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Juhuu!!

12 Volt reichen völlig aus.

von Stinktier (Gast)


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der schreckliche Sven schrieb:
> Juhuu!!
>
> 12 Volt reichen völlig aus.

Ganz toll...aber woher der Fehler kommt ignorieren wir am besten und 
schauen ganz fest weg. Da ist wohl was ganz anderes faul. 
Parallelschalten von MOSFETs kann durchaus Probleme verursachen aber das 
ist hier sicher nicht die Ursache.
Woher kommt eigentlich die Hilfsspannung?
Miss mal beide Spulenströme gleichzeitig und schau was die "inaktive" in 
jeder Halbwelle macht. Als nächstes kannst du am Eingang auch mal DC 
anlegen und schauen was mit dem Eingangsstrom bei verschiedenen 
Polaritäten und gleicher Leistung passiert.

von Oliver (Gast)


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der treiber wird direkt über ein externes Netzteil versorgt.

von Oliver (Gast)


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Leider habe ich keine zwei stromzangen. habe zwei einzelne bilder der 
beiden spulenströme bei ugs 15 v, 100 v Eingangsspannung und 200 W last 
aufgenommen.

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