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Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Günstige Step-Down-Lösung 24 V --> 5 V / 25 mA


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Autor: Tom R. (rich_purnell)
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Hallo zusammen,

meine Schaltung (5V / 25 mA) wird aus 18...32 VDC versorgt. Bisher wird 
für die Wandlung ein Linearregler verwendet. Wegen der Verlustleistung 
(ca. 500 mW @ 24 V) würde ich gerne auf eine Step-Down-Schaltung 
ausweichen.
Ohne Linearregler würde ich ca. 0,10 € einsparen, weitere 0,10€ würde 
ich für die bessere Lösung ohne weiteres investieren.

Meine bisherige Recherche hat aber ergeben, dass Step-Down-ICs mit einer 
guten Effizient in diesem Spannungs-/Strom-Bereich erst ab ca. 0,70 € zu 
bekommen sind (z.B. MP2456 oder BD9G101G). Die Induktivität würde ca. 
0,02...0,10€ kosten.

Aus meiner Sicht ergeben sich außer der o.g. teuren Lösung noch zwei 
Alternativen:

1. Relativ ungeregelte, diskrete Step-Down-Schaltung aus günstigen 
Komponenten aufbauen und LDO nachschalten.

2. Step-Down-Schaltung vor LDO anordnen, die sich während des 
Einschaltens wie ein Bypass verhält. Sobald 5 V aus dem LDO kommen, 
beginnt der Mikrocontroller die Step-Down-Schaltung zu takten. Das 
Puls-Pausen-Verhältnis muss für eine sinnvolle Zwischenkreisspannung von 
der (zu messenden) Versorgungsspannung abhängen (das kann ich so machen 
weil der Ausgangsstrom relativ konstant ist).
Seltsamerweise finde ich nirgendwo, dass das schon mal jemand so 
umgesetzt hätte.

Ziel ist, die Wandlungsverluste auf max. 100 mW zu begrenzen.

Ich hoffe, meine beiden Vorschläge helfen anderen bei der Ideenfindung. 
Aber nun würde mich interessieren: Wie schätzt ihr die Machbarkeit ein?

Viele Grüße,
Tom

---
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Autor: M.A. S. (mse2)
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Tom R. schrieb:
> meine Schaltung (5V / 25 mA) wird aus 18...32 VDC versorgt. Bisher wird
> für die Wandlung ein Linearregler verwendet. Wegen der Verlustleistung
> (ca. 500 mW @ 24 V) würde ich gerne auf eine Step-Down-Schaltung
> ausweichen.

Das ist vom Stromverbrauch her wirklich grenzwertig. Für linear 
(eigentlich noch nicht zu-) viel, für Schaltregler zu wenig.
Warum sind für Dich 500mW Verlust ein Problem? Sind es thermische oder 
stromverbrauchs-Gründe?

Autor: Tom R. (rich_purnell)
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Hallo  M.A. S.,

die 500 mW machen mir das Gerät zu warm wenn auch noch höhere 
Umgebungstemperaturen ins Spiel kommen.

Autor: Lothar M. (lkmiller) (Moderator) Benutzerseite
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Tom R. schrieb:
> Die 500 mW machen mir das Gerät zu warm wenn auch noch höhere
> Umgebungstemperaturen ins Spiel kommen.
Wenn du hinterher ein nicht funktionierendes Gerät hast, dann sollte dir 
das mehr als 20cent wert sein... ;-)

Wie stabil müssen die 5V sein?

Deine Lösung 2 scheint mir nicht allzu abwegig. Dass sowas noch keiner 
veröffentlicht hat, bedeutet nicht, dass es noch keiner gemacht hat. 
Ich habe z.B. auch schon einiges gemacht, was nicht veröffentlicht ist.

: Bearbeitet durch Moderator
Autor: Tom R. (rich_purnell)
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Lothar M. schrieb:
> Wenn du hinterher ein nicht funktionierendes Gerät hast, dann sollte dir
> das mehr als 20cent wert sein... ;-)
...genau das versuche ich ja herauszufinden :)
>
> Wie stabil müssen die 5V sein?
4,9...5,1 V lässt der Linearregler aktuell zu.
Wenn du nach der Dynamik bei Stromspitzen fragst: Das kann ich schlecht 
beantworten, sollte aber über entsprechende Cs abgefangen werden können.
>
> Deine Lösung 2 scheint mir nicht allzu abwegig. Dass sowas noch keiner
> veröffentlicht hat, bedeutet nicht, dass es noch keiner gemacht hat.
> Ich habe z.B. auch schon einiges gemacht, was nicht veröffentlicht ist.
Ist klar. Danke für die Einschätzung. Ich hätte auf eine Application 
Note der µC-Hersteller gewettet.

Ich verfolge (simuliere) das gerade und denke, kritisch ist vor allem 
die (schnelle) Ansteuerung des Transistors. Wenn ich was 
funktionierendes habe, werde ich das hier mal posten.

Beitrag #5432841 wurde von einem Moderator gelöscht.
Autor: M.A. S. (mse2)
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Lothar M. schrieb:
> Deine Lösung 2 scheint mir nicht allzu abwegig. Dass sowas noch keiner
> veröffentlicht hat, bedeutet nicht, dass es noch keiner gemacht hat.

Wird sowas nicht sogar häufiger gemacht? Meist um von hoch nach tief mit 
geringen Verlusten zu kommen und danach eine möglichst saubere Spannung 
zu haben.
Das einzige, was mir daran nachteilig erscheint ist, der erhöhte 
Bauteilaufwand (Platzbedarf, keine Ahnung wie relevant das für Dich ist) 
und die damit natürlich auch erhöhten Kosten (Du wolltest ja hier nicht 
so viel mehr ausgeben).

Beitrag #5432846 wurde von einem Moderator gelöscht.
Autor: DanVet (Gast)
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Tom R. schrieb:
> 2. Step-Down-Schaltung vor LDO anordnen, die sich während des
> Einschaltens wie ein Bypass verhält. Sobald 5 V aus dem LDO kommen,
> beginnt der Mikrocontroller die Step-Down-Schaltung zu takten. Das
> Puls-Pausen-Verhältnis muss für eine sinnvolle Zwischenkreisspannung von
> der (zu messenden) Versorgungsspannung abhängen (das kann ich so machen
> weil der Ausgangsstrom relativ konstant ist).
> Seltsamerweise finde ich nirgendwo, dass das schon mal jemand so
> umgesetzt hätte.

Diese Idee habe ich sogar schon in einem Produkt gesehen. Allerdings 
ohne µC, rein analog. Das Ganze ist ein Weitbereichsnetzteil, ich glaube 
es waren 20V bis 230V, egal ob Gleichspannung oder Wechselspannung. 
Sekundär waren es 12V/50mA.
Also realtiv kleine Leistung. Es gab dann einen LDO auf 5V für den µC.
Leider darf ich dir dazu keine Details sagen, aber kann bestätigen, dass 
sowas funktionieren kann (wie Lothar Miller gesagt hat).

Beitrag #5432855 wurde von einem Moderator gelöscht.
Autor: Der Andere (Gast)
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Tom R. schrieb:
> kritisch ist vor allem
> die (schnelle) Ansteuerung des Transistors.

Was soll da kritisch sein? Oder meinst du die Latenz nach dem 
Einschalten des Geräts bis der µC den Step down ansteuert?

Autor: Andrew T. (marsufant)
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Tom R. schrieb:
> meine Schaltung (5V / 25 mA) wird aus 18...32 VDC versorgt. Bisher wird
> für die Wandlung ein Linearregler verwendet. Wegen der Verlustleistung
> (ca. 500 mW @ 24 V) würde ich gerne auf eine Step-Down-Schaltung
> ausweichen.

Schau mal bei TI:
TPS54062 , LM25019, LM2840

Sind für low-power optimiert.
TI schickt dir ein paar Samples, damit kannst du Deinen Aufbau testen.

Autor: Andrew T. (marsufant)
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Alexxx schrieb im Beitrag #5432841:
>>> dass Step-Down-ICs mit einer guten Effizient in diesem
> Spannungs-/Strom-Bereich
> erst ab ca. 0,70 € zu bekommen sind...
>
> Meine Güte, was für ein Geizkragen, ich glaub' es nicht.
> Da ist jeder gute Rat zu teuer!

Wenn man 10 Millionen Geräte *) fertigt, kann der Unterschied von 20 ct 
schon relevant werden .-)


*) nicht unübliche Anzahl z.B. im automotive oder consumer Umfeld.

Autor: Jack (Gast)
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Tom R. schrieb:
> 2. Step-Down-Schaltung vor LDO anordnen, die sich während des
> Einschaltens wie ein Bypass verhält. Sobald 5 V aus dem LDO kommen,
> beginnt der Mikrocontroller die Step-Down-Schaltung zu takten. Das
> Puls-Pausen-Verhältnis muss für eine sinnvolle Zwischenkreisspannung von
> der (zu messenden) Versorgungsspannung abhängen (das kann ich so machen
> weil der Ausgangsstrom relativ konstant ist).
> Seltsamerweise finde ich nirgendwo, dass das schon mal jemand so
> umgesetzt hätte.

Doch, z.B. Soft-Start durch takten des /Enable-Eingangs eines 
Schaltreglers.

Viel gängiger ist aber meines Wissens nach eine analoge Lösung. Man 
greift die Spannung über dem LDO mit einem Level-Shifter (PNP-Transistor 
oder FET) ab und gibt sie auf den Feedback-Eingang des Schaltreglers. 
Jim Williams hat diese Pre-Regulatoren populär gemacht (das oben 
erwähnte "hochgeheime" Weitbereichs-Netzteil könnte ein Jim Williams 
Entwurf sein).

Der Schaltregler regelt so, dass die Differenz über dem LDO-Ein- und 
-Ausgang konstant bleibt und nur knapp über der LDO Dropout-Spannung 
liegt. Der LDO wird damit so eingestellt, dass er minimale 
Verlustleistung erzeugt.

Die Schaltung ist primitiv: Basis des PNP an den LDO-Ausgang, Emitter 
über einen Vorwiderstand an den LDO-Eingang, Kollektor an den 
Feedback-Eingang des Schaltreglers, und einen Widerstand vom 
Feedback-Eingang nach Masse.

Das ganze berechnet man dann so, dass die Summe aus 
Schaltregler-Referenzspannung plus einer PNP-Diodenstrecke etwas über 
der LDO-Dropout-Spannung liegt. Notfalls erhöht man die 
Spannungsdifferenz mit ein paar Dioden.

Im Gegensatz zum PWM mit dem Mikrocontroller hat die Schaltung auch den 
Vorteil, dass der Schaltregler im Normalbereich arbeitet und man nicht 
mit zusätzlichen HF-Störungen durch die nicht vorgesehenen PWM-Steuerung 
rechnen muss.

Übrigens geht auch deine Variante 1. Ein handgemachter Schaltregler aus 
Komparator, Längstransistor, Spule, Diode etc. wobei der Komparators die 
Spannungsdifferenz über dem LDO misst. Auch hier brauchst du einen 
einfachen Level-Shifter.

Autor: Michael B. (laberkopp)
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Tom R. schrieb:
> Aus meiner Sicht ergeben sich außer der o.g. teuren Lösung noch zwei
> Alternativen:

Der bekannt billigste step down von diesen Spannungen ist der MC34063, 
auch von Fremdanbietern. Er bringt bei 25mA keine 90% Effektivität, aber 
auch keine 500mW Verlust mehr. Billiger geht es kaum. Selbst 
hingepfuschte step down z.B. diskreter Hystereseregler, ist teurer weil 
er eine grössere Spule benötigen würde.

Autor: Mehmet K. (mkmk)
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Vielleicht findest Du hier irgendwelche Anregungen:
http://www.romanblack.com/smps/smps.htm#apps

Autor: Dieter (Gast)
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Das können zwei Transistoren, eine Spule, eine Diode, zwei Widerstände, 
ein Kondensator erledigen. Der LDO bleibt dabei in der Schaltung, da die 
Regelung nicht besonders genau wäre.

Autor: Daniel B. (daniel_3d)
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Hallo,

im Hobbybereich habe ich schon folgendes gemacht und es hat immer 
einwandfrei funktioniert:

Hohe Spannung via PWM verringert -> dann ein bisschen geglättet -> dann 
einen Linearregler -> Schaltung mit uC
Die PWM wurde vom uC erzeugt.

Gruß Daniel

Autor: Michael B. (laberkopp)
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Mehmet K. schrieb:
> Vielleicht findest Du hier irgendwelche Anregungen:

Nun, der Regler schaltet ein bis der Ausgangselko 5V erreicht. Dabei 
steigt der Strom durch die Spule lange Zeit weit an.
Wenn es nicht eine grandios überdimensionierte Spule ist, geht die dabei 
in Sättigung, verliert also ihre Induktivität und der Strom durch den 
BC327 steigt auf fast-Kurzschlussbetrieb.

Ich hab jetzt keine sättigende Spule, aber im Simulationsmodell sieht 
man, wie nach dem Einschalten erst mal der Spulenstrom extrem ansteigt 
(auf 1.05A) bis die Ausgangsspannung überschritten ist, dann der Ausgang 
langsam wieder zurück geht, bis die Oszillation einsetzt. Die 
Verlustleistung bei diesem kleinen 10mA Wandler liegt bei 0.7 Watt im 
Q2.

Klar kann man die Schaltung konservativer auslegen, so daß Q2 den 
Spulenstrom mangels Stromverstärkung begrenzt, dann liefert die 
Schaltung ber auch nicht mehr so viel Maximalstrom.

Autor: Gerd E. (robberknight)
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Tom R. schrieb:
> Meine bisherige Recherche hat aber ergeben, dass Step-Down-ICs mit einer
> guten Effizient in diesem Spannungs-/Strom-Bereich erst ab ca. 0,70 € zu
> bekommen sind (z.B. MP2456 oder BD9G101G).

wie wäre es mit ACT4514SH-T? Gibts bei Mouser für 0,23 € @ 1000 Stück, 
beim Hersteller selbst sicher nochmal deutlich günstiger.

Etwas selbst stricken kann sich bei großer Stückzahl natürlich schon 
lohnen, man darf aber auch da die Entwicklungszeit, Risiken von 
Fehlfunktion in Randfällen, mehrere Durchgänge bis man die EMV-Tests 
besteht,... nicht unterschätzen.

Autor: Dieter (Gast)
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Es gibt auch einw Schaltung mit LDO und Drossel, so dass dieser schwingt 
und als Schaltregler arbeitet. Normalerweise sollte LDO nicht wild 
schwingen.

Autor: m.n. (Gast)
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Daniel B. schrieb:
> Die PWM wurde vom uC erzeugt.

Warum nicht gleich NE555?
;-)

Autor: Michael B. (laberkopp)
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Gerd E. schrieb:
> wie wäre es mit ACT4514SH-T?

Genialer Chip. CVCC, keine mickrigen Spannung/Strom, exakte shut down 
Spannung in richtiger Polarität als Unterspannungsabschaltung, 
ausführliches Datenblatt inklusive Kompensationsnetzwerkberechnung, und 
auch noch billig.

Autor: DanVet (Gast)
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Jack schrieb:
> Viel gängiger ist aber meines Wissens nach eine analoge Lösung. Man
> greift die Spannung über dem LDO mit einem Level-Shifter (PNP-Transistor
> oder FET) ab und gibt sie auf den Feedback-Eingang des Schaltreglers.
> Jim Williams hat diese Pre-Regulatoren populär gemacht (das oben
> erwähnte "hochgeheime" Weitbereichs-Netzteil könnte ein Jim Williams
> Entwurf sein).
>
>....

Das hört sich doch gut an ;-)

Autor: Tom R. (rich_purnell)
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Ich will mich nicht ins Wochenende verabschieden ohne ein Feedback:
Vielen Dank für eure Hilfe! Es waren einige sehr gute Ideen dabei und 
ich habe eine Lösung gefunden, die meine Anforderungen erfüllt.
Ich will das aber nicht in Eile posten sondern nächste Woche in Ruhe.

Bis dahin - schönes Wochenende!

Autor: Tom R. (rich_purnell)
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Hallo zusammen,

wie versprochen, hier meine Stellungnahme zu euren Vorschlägen:

Gerd E. schrieb:
> wie wäre es mit ACT4514SH-T?
Das wäre meine erste Wahl gewesen: Ein Rundum-Sorglos-IC für 0,26 €. 
Anscheinend ist das Bauteil aber abgekündigt. Auf der Hersteller-Seite 
ist es nicht mehr zu finden.

Michael B. schrieb:
> Der bekannt billigste step down von diesen Spannungen ist der MC34063
Das ist absolut richtig, aber bei den von mir benötigten 
Spannungen/Strömen nimmt der Wirkungsgrad ziemlich stark ab. Es wäre 
kein Unterschied zum Linearregler gewesen.

Tom R. schrieb:
> Step-Down-Schaltung vor LDO anordnen, die sich während des
> Einschaltens wie ein Bypass verhält. Sobald 5 V aus dem LDO kommen,
> beginnt der Mikrocontroller die Step-Down-Schaltung zu takten.
Meine eigene Idee ... war mir dann doch zu heikel, weil: ungeregelt und 
mit dem zusätzlichen Schaltungsauswand um die Schaltverluste zu 
verringern.

Jack schrieb:
> Jim Williams
> Entwurf
Ich bin mir nicht sicher, ob ich deine Idee ganz verstanden habe. Aber 
ich habe so einen Entwurf simuliert und war mit dem Ergebnis nicht ganz 
zufrieden. Habe das nicht weiter verfolgt.

Mehmet K. schrieb:
> Vielleicht findest Du hier irgendwelche Anregungen:
> http://www.romanblack.com/smps/smps.htm#apps
Meine aktuelle Lösung basiert auf diesem Entwurf. Siehe Anhang. 
Innerhalb des Kastens ist der Schaltungsteil, der zusätzlich eingefügt 
wird.
Damit reduziere ich die Verlustleistung auf nur noch:
 99 mW @ 18 V
111 mW @ 24 V
126 mW @ 32 V
Das kommt fast an mein Ziel heran. Die Bauteil(mehr)kosten betragen auch 
nur knapp über 0,20€.

Damit ist das Thema für mich abgeschlossen! Vielen Dank euch für die 
Mithilfe!

Autor: Dieter (Gast)
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Dieter schrieb:
> Das können zwei Transistoren, eine Spule, eine Diode, zwei Widerstände,
> ein Kondensator erledigen. Der LDO bleibt dabei in der Schaltung, da die
> Regelung nicht besonders genau wäre.

Genau ein solche Schaltung war hier gemeint. Allerdings fand ich die 
Regelung mit dem Teil Vorwiderstand zur ZD und Kondensator etwas zu 
ungenau, da die Abweichungen in meinem Lastbereich und 
Eingangsspannungsbereich bei 0,5V lag. Ich vermute, dass Du 
stabilisierte 24V vorliegen hast und es daher ausreichend genau wird.

Autor: Datenöffner (Gast)
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Tom R. schrieb:
>> Vielleicht findest Du hier irgendwelche Anregungen:
>> http://www.romanblack.com/smps/smps.htm#apps
> Meine aktuelle Lösung basiert auf diesem Entwurf. Siehe Anhang.
> Innerhalb des Kastens ist der Schaltungsteil, der zusätzlich eingefügt
> wird.
> Damit reduziere ich die Verlustleistung auf nur noch:
>  99 mW @ 18 V
> 111 mW @ 24 V
> 126 mW @ 32 V
> Das kommt fast an mein Ziel heran. Die Bauteil(mehr)kosten betragen auch
> nur knapp über 0,20€.

Mal eine ganz banale Frage. Wie kann ich eine .ASC Datei öffnen? Es 
sieht nach Vektorformat aus ...

Gruß

Autor: Tom R. (rich_purnell)
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Datenöffner schrieb:
> Wie kann ich eine .ASC Datei öffnen?

Sorry, ich dachte, das wäre allgemein bekannt: Ist eine 
LTSpice-Simulation.
Hier noch für die Nicht-Simulanten.

Autor: Äxl (geloescht) (Gast)
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Jetzt seh' ich das Bild auch ;)
Frage meinerseits:
Ist "RZ" mit 47K etwas groß für die Z-Diode?

Autor: Tom R. (rich_purnell)
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Meinst du wegen der Stabilität der Zenerspannung über die 
Eingangsspannung?
Oder wegen der thermischen Abhängigkeit?
Wird sich zeigen, wenn ich die Schaltung aufbaue.

Autor: Dieter (Gast)
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Eine Variante von mir war beim Testaufbau statt der ZD eine rote LED 
(Typ superhell) einzubauen und diesen andere Seite auf den 
Spannungsreglerausgang ging. Somit hatte ich eine variable 
Stabilisierung und zugleich eine Betriebsanzeige. Man muss aber testen, 
ob die 0,2...0,5mA nicht zu einer Spannungserhöhung am Ausgang des 
Reglers führen im Falle des totalen Leerlaufs ohne Lasten. Für den 
LM317T TO92 Gehäuse war das kein Problem (daher auch die variable 
Stabilisierung).

Autor: plonk (Gast)
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Tom R. schrieb:
> Die Bauteil(mehr)kosten betragen auch
> nur knapp über 0,20€.

Ließe sich das mit der (von Black selbst genannten, und hier 
ausreichenden) 1N4148 vielleicht noch verringern? Ich habe wenig Wissen 
über Preise BAT46 in größerer Stückzahl, aber die 1N4148 werden einem 
privaten Bastler fast schon "nachgeworfen" - daher meine Annahme.

Autor: Datenöffner (Gast)
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Danke für den Tipp mit LT-Spice. Ich war bisher immer mit TINA unterwegs 
(Spice Tool von TI).
Wie groß darf der Ripple auf der Ausgangsspannung sein? Ich verwende für 
(Schalt)Regler mit 24V Eingangsspannung den TS30042-M000QFNR (Semtech). 
Es handelt sich hier um einen synchronen Typ mit hoher Schaltfrequenz, 
so dass die Eingangs- und Ausgangs-Cs als Kerko machbar sind und keine 
externe Diode benötigt wird. Vor allem finde ich die benötigte 
Induktivität mit 4,7uH extrem praktisch. Mit sechs zusätzlichen 
Bauteilen ist ein Regler fertig. Das IC kostet <0,50€. Vielleicht wär 
das ja noch eine Alternative. Die Verlustleistung ist wahrscheinlich 
höher als deine (simulierten) 111mW.

Gruß

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