Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Funktion FlipFlop mit Kondensator


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von FloDo (Gast)


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Grüß euch!
Ich versuche eine Platine zu verstehen, dazu haben ich sie in Eagle 
nachgebildet. Der Großteil ist relativ klar, ausser hier:

Das Signal von "DREHZAHL" (Rechtecksignal, oben links) geht durch einen 
Tiefpassfilter, macht Sinn. Es steuert dann den Set-Eingang eines R/S-FF 
an. R liegt auf GND, das FF lässt sich nur einmal einschalten aber nicht 
mehr zurücksetzen, macht auch Sinn in der Anwendung.

Frage:
* Wozu der Kondensator im FlipFlop?
* Wozu die zwei Widerstände nach dem FlipFlop? Diese sind hochgenaue
* Metallschichtwiderstände.
* Ist es nicht problematisch dass hinten das IC1D und das FF einfach so 
zusammenlaufen in dem Gatter IC1C?


Es könnte gut sein dass das nicht alles ganz logisch angeordnet ist eben 
weil mir das Verständnis fehlt.

LG, Flo

von FloDo (Gast)


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Ich habe gerade bemerkt dass ich nicht bedacht habe dass ja der Ausgang 
des Gates sozusagen zu GND wird wenn es nicht schaltet, richtig? Dann 
muss ich nochmal nachdenken, denke so ergibt es vllt Sinn.

von hinz (Gast)


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Das ist kein Flipflop, sondern ein Monoflop.

Und da sind noch Fehler im Schaltplan.

von Peter D. (peda)


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Die Schaltung kann so nicht stimmen.
BUZZER_ON folgt auschließlich dem unbekannten Signal links unten.

von FloDo (Gast)


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Okay ich prüfe nochmal und melde mich zurück :)

von FloDo (Gast)


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Ich habe es jetzt nochmal überprüft und keinen Fehler gefunden :/
Wie sicher seid ihr euch dass der Schaltplan fehlerhaft ist?^^

von hinz (Gast)


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FloDo schrieb:
> Wie sicher seid ihr euch dass der Schaltplan fehlerhaft ist?^^

Er ist sinnlos.


Mach halt mal ein paar Fotos.

von Michael B. (laberkopp)


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FloDo schrieb:
> Wie sicher seid ihr euch dass der Schaltplan fehlerhaft ist?^^

Na ja, ein FlipFlop mit Kondenstaor ist kein FlipFlop mehr.

Aber viel schlimmer sind die dutzenden anderen fachlich falschen Dinge 
im Schaltplan:

Drehzahl über 100k/220pF vom schaltenden Digitalsignal in ein 
tiefpassgefiltertes Analogsignal gewandelt um Störungen zu entfernen, 
und dann in einem Digitaleingang am CD4001 gestopft, der aber keine 
Analogpegel mag sondern eine bestimmte schnelle Flankensteilheit 
erfordert, ist schon mal Pfusch.

Wenn, dann muss hier ein Schmitt-Trigger-Eingang hin bzw. davor.

Dann geht der Ausgang von IC1A über 330k irgendwohin. Das soll wohl ein 
Eingang sein, denn es geht weiter zum Eingang von IC1D. Aber die 330k 
koppeln den Ausgang niht an den Eingang, dazu sind die Ströme über 330k 
viel zu schach.

Dann hängt IC1A Pin1 über R9 und R10 an IC1D. Nur IC1D gibt also vor, 
was am Ausgang BUZZER_ON erscheint. Die FlipFlop+Kondenstaor-Kombination 
hat darauf keine Wirkung, weil 81.2k dafür viel zu trennend wirken.

Die Schaltung mit IC1A und IC1B ist also wirklungslos, wenn an der 
unteren Leitung etwas als Eingangssignal hängt, und sie ist zumindest 
bedenklich wenn dort nichts angeschlossen ist, weil 330k zwischen 
Digitalausgang und Digitaleingang keine saubere Logikpegelübertragung 
mehr erlaubt.

Zweifelhaft ist auch das Schaltzeichen von IC1, ein CD4001 ist ein 
NOR-Gatter aber in der Mitte ist ein Plus-zeichen wie beim EXOR, das 
soll aber wohl bloss der Symbolursprung sein, sehr unglücklich.


Wenn DREHAHL also auf HIGH wechselt, geht IC1A auf LOW, das überträgt 
sich über den 0.1uF auf IC1B der damit sicher den Ausgang auf HIGH 
schaltet, was IC1A so lange auf LOW hält und über 330k und IC1D die 81k2 
auf LOW bringt, so an den 82k1 LOW anliegt, wie auch aus dem IC1A am 
anderen Ende des Kondenstaors, so dass sich nichts tut.

Die Schaltung, die vielleicht als MonoFlop funktionieren sollte, tut es 
nicht, daher ist sie sicher falsch.

von FloDo (Gast)


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Danke für die ausführliche Antwort.

Ich vermute dass das mit dem Ausschnitt vielleicht keine so tolle Idee 
war, dann hier mal der fehlende Teil von dem Signal unten.

Es sei anzumerken dass das Signal 1,8BAR entweder GND ist oder 
unterbricht.
Außerdem habe ich die Dioden noch nicht genau angesehen, bitte die Werte 
ignorieren.

von FloDo (Gast)


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P.S.: Ich prüfen den Schaltplan noch ein drittes Mal

von Günter Lenz (Gast)


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Den Eingang vom IC1A würde ich auch noch mit
einer Diodenklemmschaltung gegen Überspannung
und negativer Spannung schützen, die durch
den 0,1µF Kondensator entstehen, sonst geht
er kaputt.

von Flo D. (flodo)


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Ich habe es gerade nochmal überprüft, zum dritten Mal. Jede einzelne 
Verbindung, und was soll ich sagen: es stimmt "leider" so. Ich bin 
ratlos.

von Peter D. (peda)


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FloDo schrieb:
> Ich vermute dass das mit dem Ausschnitt vielleicht keine so tolle Idee
> war, dann hier mal der fehlende Teil von dem Signal unten.

So sieht das schon besser aus, aber man müßte es erstmal umzeichen, um 
den Signalfluß zu verstehen.

Nö, wird durch Umzeichnen auch nicht besser.

Erzähl dochmal, was die Schaltung machen soll.

: Bearbeitet durch User
von Matthias S. (Firma: matzetronics) (mschoeldgen)


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Peter D. schrieb:
> Erzähl dochmal, was die Schaltung machen soll.

Ohne die Nummer jetzt genau verfolgt zu haben, wird das wohl entweder 
eine Stillstandserkennung oder eine Warnung bei Überdrehzahl sein. Wenn 
da 'Buzzer' am Ausgang steht, wirds wohl irgendeinen Alarm auslösen.

Allerdings sind da viele Ungereimtheiten. Warum sollte z.B. man 2 
Widerstände R9 und R10 mit so eng tolerierten Werten in Reihe schalten, 
nur um einen Logikeingang ohne Schmitt-Trigger Eigenschaften 
anzusteuern?

Ich denke, wenn die Schaltung wirklch so stimmt, wollte da einer zeigen, 
wie man ohne richtigen Monoflop Chip auskommt und hat deswegen so einen 
Unsinn gebaut, der abhängig ist von den Unwägbarkeiten der CMOS 
Eingänge.

: Bearbeitet durch User
von Flo D. (flodo)


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Danke euch beiden für euren Aufwand.

Wenn 1,8BAR auf GND liegt passiert nichts, wenn 1,8BAR getrennt ist 
("floatet") und das Drehzahlsignal über einer gewissen Frequenz liegt, 
dann soll der Summer losgehen.

Die beiden Widerstände sollen wohl irgendwie der Anpassung der 
"Auslösefrequenz" dienen.

Eine mögliche Fehlerquelle die mir noch einfällt:
Ist jeder CD4001BCN gleich beschalten?

von Flo D. (flodo)


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Das sind die Bilder der Vorder- und Rückseite, vielleicht hat ja jemand 
die Muse und sieht es als eine Art "Finde den Fehler", ich bin 
jedenfalls absolut ratlos - werde es aber trotzdem noch versuchen zu 
lösen.

https://image.ibb.co/dT9f09/front.jpg
https://image.ibb.co/niWtL9/back.jpg

von Matthias S. (Firma: matzetronics) (mschoeldgen)


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Meine Frage wäre eher nach dem Ziel deiner Untersuchungen. Möchtest du 
die Schaltung nachbauen oder ist sie defekt?

Als Hilfe kannst du deine beiden Fotos übrigens in einem Grafikprogramm 
mit Transparenz übereinander legen und so deine Skizze überprüfen und 
die Transistorstufen ergänzen.

M.W. gibt es für den CD4001 keine abweichende Belegung.

: Bearbeitet durch User
von Flo D. (flodo)


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Das Ziel meiner Untersuchung ist natürlich dass ich die Schaltung am 
Ende verstehe :D

Es wurmt mich wirklich sehr dass ich so einen einfachen Aufbau auch nach 
tagelanger Fehlersuche und etlichen Stunden sonstiger aufgewendeter Zeit 
nicht verstehe, ich habe Bücher gewälzt, neu designed in Eagle, mehrfach 
geprüft und Stunden mit nachdenken verbracht - ich verstehe einfach 
nicht wo der Fehler ist, wenn es einen gibt. Und wenn es keinen gibt 
dann verstehe ich die Schaltung nicht - beides Mist. :)

von Peter D. (peda)


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Flo D. schrieb:
> Das Ziel meiner Untersuchung ist natürlich dass ich die Schaltung am
> Ende verstehe

Wie gesagt, es könnte helfen, wenn man wüßte, was sie machen soll.
Also von der Funktion zur Schaltung und nicht umgekehrt.

von Flo D. (flodo)


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Peter D. schrieb:
> Flo D. schrieb:
>> Das Ziel meiner Untersuchung ist natürlich dass ich die Schaltung am
>> Ende verstehe
>
> Wie gesagt, es könnte helfen, wenn man wüßte, was sie machen soll.
> Also von der Funktion zur Schaltung und nicht umgekehrt.

Hey Peter,
habe ein bisschen weiter oben schon versucht das ein wenig zu erklären, 
hast du das übersehen oder war das nicht ausführlich genug?

"Danke euch beiden für euren Aufwand.

Wenn 1,8BAR auf GND liegt passiert nichts, wenn 1,8BAR getrennt ist
("floatet") und das Drehzahlsignal über einer gewissen Frequenz liegt,
dann soll der Summer losgehen.

Die beiden Widerstände sollen wohl irgendwie der Anpassung der
"Auslösefrequenz" dienen.

Eine mögliche Fehlerquelle die mir noch einfällt:
Ist jeder CD4001BCN gleich beschalten?"

von Matthias S. (Firma: matzetronics) (mschoeldgen)


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Flo D. schrieb:
> ich verstehe einfach
> nicht wo der Fehler ist, wenn es einen gibt. Und wenn es keinen gibt
> dann verstehe ich die Schaltung nicht

Das ist etwas rätselhaft. Ist die Schaltung defekt?
Wenn also zu schnelle Impulse von der Drehzahl kommen und der 1,8bar 
Eingang keinen Druck meldet, soll der Alarm als eine Art 
'Trockenlaufwarnung' ertönen?
Ich löse sowas mit zwei Monoflops, bei denen das erste retriggerbar ist 
und als Zeitkonstante den Abstand zwischen zwei Pulsen genau bei der 
max. erlaubten Drehzahl hat. Das Mono liefert also Ausgangspulse, bis 
der Eingang zu schnell nachgetriggert wird.
Mit diesen Pulsen wird das zweite Mono getriggert. Kommen keine mehr, 
weil das erste Mono keine mehr liefert, springt das Mono auf den anderen 
Zustand. Das 1,8 Bar Signal würde ich an einen Reset Eingang des zweiten 
Monos führen.

Du solltest also in deine Schaltung mal Pulse aus einem 
Funktionsgenerator einspeisen und die Ausgänge des CD4001 
oszillografieren.

: Bearbeitet durch User
von Flo D. (flodo)


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Hey Matthias,

ganz genau so soll das ganze funktionieren :)

Deine Lösung ist interessant, ich werde jetzt versuchen deinen Ansatz 
nachzuvollziehen und dann mit der Schaltung vor mir vergleichen.

Einen Funktionsgenerator habe ich bedauerlicherweise nicht, allerdings 
habe die Schaltung schon in LTSpice nachgeahmt und sie scheint nicht zu 
funktionieren, wie von euch prohezeit (oder ich bin zu unerfahren in 
Spice).

LG, Flo

von HildeK (Gast)


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Michael B. schrieb:
> ein CD4001 ist ein
> NOR-Gatter aber in der Mitte ist ein Plus-zeichen wie beim EXOR,

Naja, das ist doch nur der Anfasser bei Eagle. Schau dir auch die 
Widerstände genau an, da ist auch so ein Pluszeichen drin.

von Yalu X. (yalu) (Moderator)


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Die Schaltung arbeitet in etwa wie folgt:

Mit R1 und D4 wird die Spannung VDD=3,3V zur Versorgung des 4001
erzeugt.

Wird 1.8BAR auf GND gelegt, wird C2 über D5 und R4 entladen, womit Pin
12 des 4001 low, Pins 11, 8 und 9 high und Pin 10 low ist. Damit ist der
Buzzer unabhängig vom Rest der Schaltung inaktiv.

IC1A, IC1B, der 0,1µF-Kondensator, R9 und R10 bilden ein Monoflop, das
die Impulse von DREHZAHL auf eine durch den Kondensator und die beiden
Widerstände definierte Zeitdauer verkürzt. Der Ausgang des Monoflops ist
Pin 3.

Ist 1.8BAR offen, sperrt D5, und C2 wird über R7 und R8 auf eine
Spannung von etwa 3,3V * R8 / (R7 + R8) = 1,08V geladen. Dieser Wert
liegt unterhalb der Schaltschwelle (etwa 1,65V) des Eingangs an Pin 12,
so dass der Buzzer zunächst inaktiv bleibt.

Kommen nun Impulse am DREHZAHL-Eingang an, geht der Ausgang des
Monoflops jedesmal für eine bestimmte Zeitdauer auf high, was dazu
führt, dass C2 über R8 ein zusätzliche Ladung bekommt, womit seine
Spannung ansteigt. Je schneller die DREHZAHL-Impulse aufeinanderfolgen
(d.h. je höher die Drehzahl wird), umso mehr wird C2 geladen. Bei einer
gewissen Drehzahlgrenze erreicht die Spannung von C2 die Schaltschwelle
des Eingangs an Pin 12, so dass der Buzzer aktiviert wird.

Da nun Pin 11 low ist, wird (spätestens, nachdem der 0,1µF-Kondensator
entladen ist) Pin 1 ebenfalls low und Pin 6 high. IC1B reagiert deswegen
nicht mehr auf die Impulse von DREHZAHL, so dass die Schaltung im
gegenwärtigen Zustand verharrt. Der Buzzer bleibt damit selbst dann
aktiv, wenn die Drehzahl wieder auf einen niedrigen Wert abfällt.

Der Buzzer wird erst dann wieder inaktiv, wenn 1.8BAR auf GND gezogen
wird, da damit C2 entladen wird.

Evtl. beeinflussen  die nicht eingezeichneten Bauteile das Verhalten der
Schaltung zusätzlich, aber am oben beschriebenen Funktionsprinzip wird
sich vermutlich nicht viel ändern.

von Flo D. (flodo)


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Hey Yalu,

das wäre ja wunderbar wenn es also doch Sinn ergibt. Ich habe den 
Schaltplan nämlich gerade zum vierten Mal geprüft und konnte wieder 
keinen Fehler finden.

Ich gehe deine Erklärung gleich mal Schritt für Schritt durch und melde 
mich dann nochmal zurück, vielen Dank für deine ausführliche Erklärung!

von Flo D. (flodo)


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N'Abend Yalu,

seit gestern versuche ich deine Erklärungen nachzuvollziehen und auch in 
Multisim habe ich die Schaltung nochmal nachmodelliert, leider kann ich 
deine Erklärungen hier nicht darstellen - kannst du mir da vllt nochmal 
unter die Arme greifen?

von GTX freak (Gast)


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Sieht nach dynamischer Öldrucküberwachung von VW aus. So 80er Jahre. Wie 
war das noch, bei hoher Drehzahl müssen 1,8bar Öldruck da sein sonst 
piepits oder so....

Also macht das schon sinn. Solange der Öldruck OK ist wird der nie 
piepen.

Schau auch Mal in das exakte Datenblatt von ggenau dem 
hersteller+oderkey vondem gatter, ggf ist der Ausgang irgendwie OC oder 
sonstwas und daher die Kopplung OK.
Ein Hinweis auf die verwendet Versorgungsspannung hätte auchsicher 
geholfen zu erkennen wie hochohmig die kopplung sein kann.

von Flo D. (flodo)


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Zu genau dem IC hab ich leider noch kein DB gefunden da ich den 
Hersteller nicht kenne (Welle über Welle?!). Würde aber nicht vermuten 
dass es da so große Unterschiede gibt bei dem CD4001BCN.

edit: Habe es gefunden, das ist einfach nur das alte Zeichen von 
National Semiconductor. Ändert aber leider auch nichts, ist ein ganz 
normaler 4001 :)

Spannungsversorgung ist, KFZ-typisch, 12V - aber ja, das hätte ich 
erwähnen sollen du hast Recht.

: Bearbeitet durch User
von Flo D. (flodo)


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@Yalu, um das Problem bei der Simulierung ein bisschen genauer zu 
beschreiben:
Es ist so, dass der Kondensator bei jeder Frequenz (selbst bei 10Hz) 
irgendwann geladen genug ist - bei 10 Hz etwa nach 4s, bei 100Hz etwa 
nach 2,5s. Erst bei absolut unrealistischen 1 Hz bleibt er unter der 
Schaltschwelle.

edit: Korrigiere, es hatte sich doch noch ein kleiner Fehler 
eingeschlichen, es ist ein 0,01uF Kondensator, kein 0,1uF. Anbei die 
aktualisiere Simulation. Leider bringt das auch nicht soooo viel, jetzt 
bleibt der Summer bis 10Hz inaktiv, das ist leider auch noch viel zu 
wenig

edit2: könnte es daran liegen dass die simulation als schaltschwelle 
2,5V nutzt, es in Wirklichkeit laut DB aber 3,3V sind (ist das 
tatsächlich so)?

: Bearbeitet durch User
von Yalu X. (yalu) (Moderator)


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Ich habe kein Multisim, habe die Schaltung aber mal in LTspice
eingegeben (s. Anhang).

Da ich in der Bibliothek keine 1N4728 und auch keine andere 3,3V-Z-Diode
gefunden habe, habe ich D4, C5 und R1 einfach durch eine Spannungsquelle
mit 3,3V ersetzt.

Flo D. schrieb:
> könnte es daran liegen dass die simulation als schaltschwelle
> 2,5V nutzt, es in Wirklichkeit laut DB aber 3,3V sind (ist das
> tatsächlich so)?

Die Schaltschwelle von CMOS-Schaltungen liegt üblicherweise bei der
halben Versorgungsspannung, so auch bei der 40xx-Serie. In diesem Fall
wären das also 1,65V.

Die generischen OR-Gatter von LTspice habe ich mit Vlow=0 und Vhigh=3,3V
parametriert, die Schaltschwelle liegt – wenn nicht explizit angegeben –
bei (Vlow+Vhigh) / 2 = 1,65V.

D5 habe ich durch eine 1N4148 ersetzt, da ich für die !N4004 kein Modell
habe. Da diese Diode nicht schnell sein muss und auch kein hoher Strom
fließt, ändert das nichts am Verhalten der Schaltung.

Das 1.8BAR-Signal habe ich mit einem Schalter nach GND realisiert, der
durch V2 gesteuert wird..

Das DREHZAHL-Signal wird durch B1 erzeugt und ist ein Rechtecksignal mit
einem Tastverhältnis von 0,2. Die Frequenz wird durch die Quelle V4
bestimmt, wobei ein Volt einem Hertz entspricht.

Die Frequenz des DREHZAHL-Signals wird als blaue Kurve dargestellt, die
Frequenzskala befindet sich an der rechten Seite des Diagramms. Die
Simulation beginnt bei 0Hz, bei t=2s steigt die Frequenz auf 300Hz, bei
t=8s auf 600Hz, bei t=15s fällt sie wieder auf 300Hz ab.

Die grüne Kurve zeigt die Spannung an C2, die ein Maß für die Frequenz
ist. Im Ruhezustand liegt diese Spannung bei 1,08V. Für f=300Hz steigt
sie auf 1,43V an, bleibt damit aber immer noch unter der Schaltschwelle
des OR-Gatters. Diese wird erreicht, wenn die Frequenz weiter erhöht
wird. Dann geht der Buzzer an (rote Kurve). Gleichzeitig wird das rechte
Ende von R9 auf GND gezogen, wodurch das Monoflop-Ausgang dauerhaft high
wird. Die Spannung an C2 steigt dadurch weiter, wodurch sich dieser
Zustand stabilisiert. Das DREHZAHL-Signal hat nun überhaupt keinen
Einfluss mehr, so dass der Buzzer selbst dann weiterbuzzt, wenn die
Frequenz wieder auf 300Hz abfällt.

Erst wenn das 1.8BAR-Signal aktiv wird (türkisfarbene Kurve), wird der
Buzzer ausgeschaltet und das Monoflop wieder in seinen normalen
Betriebszustand versetzt.

Die Ausgangsimpulse des Monoflops sind unabhängig von der Frequenz immer
etwa 0,5ms lang (im Bereich, wo der Buzzer einschaltet, sind es 0,49ms).
Damit liegt die Kondensatorspannung bei konstanter Frequenz bei etwa


Der Buzzer geht also bei etwa f=526Hz an (evtl. mit ein paar Sekunden
Verzögerung, da das Laden von C2 auf grund der großen Widerstände etwas
dauert).

Wird das DREHZAHL-Signal aus der Zündung des Motors gewonnen, ergibt
sich aus den 526Hz bei einem Vierzylindermotor eine Drehzahl von 7890
U/min, was für einen PKW-Motor etwas hoch erscheint, aber immerhin liegt
der Wert in einer noch halbwegs plausiblen Größenordnung. Bei einem
Sechszylindermotor wären es 5260 U/min, was ganz gut hinkommen könnte.

von Flo D. (flodo)


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Deine Antworten sind wirklich unglaublich aufwändig, und durchdacht. Ich 
danke dir vielmals für die aufgewendete Zeit. Ich werde später nochmal 
antworten wenn ich mit deiner Simulation ein wenig vertrauter bin.

Danke!!!

von Flo D. (flodo)


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Hey Yalu,

ich habe mir deine Simulation jetzt nochmal ganz genau angesehen und ein 
paar Dinge korrigiert, wie etwa die Burchbruchspannung der Zenerdiode, 
diese ist nicht 3.3V sondern 5.6 - my bad. Jedenfalls klappt nun alles 
wunderbar, es kommt auch genau die richtige Drehzahl raus, einfach super 
- endlich habe ich das Teil verstanden.

Danke für die tatkräftige, geduldige und sehr verständliche Hilfe!


Beste Grüße, Flo

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