Probleme mit push-pull converter

Ich hätte kupferkaschierte Platine da, aber wäre schon einiges an Aufwand, wenn ich direkt die geplante Schaltung aufbauen wollte. Wenn ich mir aber eine Platine machen lassen würde, dann könnte das auf einer 1/4 Eurokarte passen und wäre viel einfacher, das aufzubauen. Hier mal die geplante Schaltung:

Auf der ersten PDF-Seite ist die Schaltung und auf der zweiten ein Versuch, die Bauteile vernünftig anzuordnen: 3,3 V Spannungsregler, versorgt aus dem USB-Port links oben (ein recht teurer Spannungsregler mit Strombegrenzung, kann man später vielleicht durch einen preiswerteren ersetzen), rechts daneben die LM393 Überstromprüfung und in der Mitte die Ansteuerung der Spule, die in der Mitte etwas weiter rechts zu sehen ist. Unten in der Mitte sind zwei weitere schöne Boutique-Teile, um eine problemlose Datenübertragung mit Logikpegeln hinzubekommen.

Der Name Interfacezwerg hatte ich mir übrigens gedacht, weil es nur 4 digitale Eingänge und 4 digitale Ausgänge zur Verfügung stellt, und eine übertromgeschützte 3,3 V Spannungsversorgung, alles galvanisch getrennt, aber sonst nicht viel bietet. Kann man aber auch RS232, RS485, SPI und I2C (mit einem weiteren Transistor) drüber laufen lassen.

Die Übertromschaltung (auf der ersten Seite unten zu sehen) habe ich mit dem LM393 jetzt so aufgebaut, daß da keine Selbsthaltung mehr ist, sondern das immer bei Überstromfall abschaltet (mit Hysterese per R12). Der Microcontroller bekommt das dann auch über das Shutdown-Signal mit und kann bei Bedarf ganz abschalten. Aber es sollte so auf keinen Fall möglich sein, daß zuviel Strom fliesst (220 mA). Sicherheitshalber habe ich auch noch zwei Transistoren spendiert für die Gates runterzuziehen, da mir die Entkopplung per Diode nicht sicher genug war, da der Gate Threshold schon bei 0,5 V liegt. Da der Microcontroller nicht viel Strom liefert, habe ich auch 1 k Widerstände in die Gates getan, da die im Fehlerfall ja permanent auf Masse gezogen werden, sodaß das dann der Microcontroller auch länger überlebt. Ich hoffe es hat sonst keine schlimmen Auswirkungen, außer vielleicht, daß es etwas weniger Wirkungsgrad hat.

Könnte das so funktionieren? Ich würde dann das Board routen (der Autorouter schafft es mit 10 mil Grideinstellung zu 98%, aber sieht natürlich nicht besonders gut aus das Ergebnis) und eine Platine davon mal zum Testen bestellen.

Ich kann aber auch nur die Überstromschaltung erstmal ausprobieren. Den Digitalteil könnte ich ja separat aufbauen, mit einer anderen Stromversorgung, und dann nur die beiden Steuersignale zum Analogteil zuführen, dann sollte es nicht zuviel Störungen geben.

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Frank Buss, http://www.frank-buss.de
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Hallo, Frank, da Du einen PNP-Transistor nimmst, addiert sich dessen Ube noch zum Uol des Komparators. Besser wäre m.E. ein N-Kanal-FET, der das invertierte Signal des Komparators bekommt. Invertieren eventuell mit dem zweiten Komparator.

Würde ich aus dem Bauch um Faktor 5 bis 10 kleiner dimensionieren.

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MfG     Andreas

Stimmt, Transistoren sind nicht so meine Stärke :-) Für den N-Kanal-FET hatte ich dann gedacht, man könnte man ja denselben FET nehmen, der auch für die Ansteuerung des Transformators verwendet wird, aber in LTspice scheint mit das dann was langsam zu sein. Habe daher wieder ein NPN-Transistor eingebaut, wobei ich den zweiten Komperator dann als Inverter verwende:

Das Problem ist, daß das Datenblatt des Microcontrollers nur sagt, man könne da 3 mA bei 3 V rausziehen, aber bei den Absolute Maximum Ratings steht, daß 25 mA pro Pin erlaubt sind und 120 mA insgesamt an Stromaufnahme. Habe es also wieder auf 150 Ohm geändert, der Chip sollte es überleben. Der Kurzschlussfall sollte ja auch nicht der Normalfall sein und wenn man es tagelang kurzschliesst, dann darf der Microcontrollers auch ruhig kaputt gehen.

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Frank Buss, http://www.frank-buss.de
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Sieht gut aus. Allerdings fallen noch zwei Dinge auf:

1) Der Komparator 2 hat keinen Pullup-Widerstand am Ausgang, da können die NPN-Transistoren keinen Basisstrom erhalten. 2) Ich kenne den Mikrocontroller nicht, aber wenn dessen Shutdown-Eingang lowaktiv ist, muß er natürlich an den ersten Komparator angeschlossen werden, das geht aus dem Schaltbild nicht hervor.

Da würde ich mir keine Gedanken machen, die 3 mA gelten im Allgemeinen bei einem "ordentlichen" High-Pegel, der bei Abschaltung keine Rolle spielt. Den Controller durch zuviel Ioh zu zerstören, sollte fast unmöglich sein, ist mir jedenfalls bei den von mir favorisierten Atmels auch bei externen Kurzschlüssen noch nie gelungen :-) die werden zwar warm, aber sind erstaunlich robust. Die 150 Ohm reichen als Strombegrenzung allemal.

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MfG     Andreas

Würde da einige Änderungen vorschlagen. Die Gates würde ich nicht direkt aus dem Controller treiben. Ich würde da ein CMOS 4050 dazwischen setzen. Immer 3 Treiber parallel an ein Gate. Vor und hinter die Treiber noch jeweils ein Pulldown, womit du dir die shutdown-Transistoren sparen kannst. Die Sense-Schaltung find ich auch nicht so herausragend. Da würde ich wenigstens ein RC-Glied (1k/1n) vor dem Komperator einbauen. Falls nicht gebraucht, kann man ja 0Ohm-Widerstände einsetzen. Da der Komparator Open-Collektor ist, kann man damit über eine BAV70 die Eingänge des 4050 herunterziehen. Am Ausgang des Komparators würde ich noch 1nF gegen Masse vorsehen. Für den Messwiderstand würde ich zwei oder drei Widerstände parallel schalten. Ob die Drains der Schaltfets einen Snubber brauchen, würde ich mir mal auf dem Scope ansehen. Ob und wie weit die Drains der Schaltfets unter

0V gehen und noch eine schnelle Diode dort rein sollte, würde ich mir auch mal auf dem Scope ansehen. Vermutlich ist das aber bei der Leistung noch nicht notwendig. C8 sollte was keramisches sein. Wieso betreibst du den Schaltregler aus den 3,3V? Erst auf 3,3V herunteregeln und dann auf den Schaltregler macht im Spannungsregler nur unnötig Verluste und versaut dir die ganzen 3,3V. Da freut sich der Komparator im Umschaltpukt, wenn die 3,3V zappeln. BTW würde ich R11 am Kompparator noch mit 10uF überbrücken und einen Widerstand zwischen R11 und Pin3 am Komparator setzen. R12 geht dann von Pin1 zu Pin3. Die 100n am Prozessor hast du vergessen. Gibt es einen besonderen Grund, warum du einen Schaltregler mit dem Mikrocontroller so aufbauen willst? Wie genau müssen die 3V3 auf der Sekundärseite sein? Es gibt von Würth kleine Transformatoren mit 6 isolierten Windungen drauf. Damit kannst du aus den 5V die 3V3 für den Prozessor und gleichzeitig isolierte 3V3 für die Sekundärseite erzeigen. [...]

Jaja probier erstmal aus. Zum Layout sag ich jetzt besser nichts.

Dirk

Stimmt, in LTspice hatte ich den drin. Schade, daß man nicht direkt aus Eagle heraus Spice aufrufen kann, oder gibt es da was?

Das ist nur ein Statuseingang, damit der Microcontroller mitbekommt, wenn die Übertromkontrolle ausgelöst hat.

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Darf man die Ausgänge denn einfach so parallel schalten? Generell klingt ein 4050 aber gut. Ist im Endeffekt preiswerter, als mehrere BC846, auch wenn man den Bestückungsaufwand sieht.

Wie meinst du das? Ok, vor den Treibern wäre ein Pulldown wahrscheinlich nicht schlecht, da wenn der Microcontroller anläuft, der Ausgang sonst in der Luft hängt. Aber warum nach den Treibern?

Klingt gut, spart man sich wieder einen Widerstand und das sollte auch sicher gehen, da die unterste Schwelle des 4050 für High Eingang garantiert über der Spannung liegt, die an den Dioden abfällt.

Warum?

Wieso das?

In LTspice schwingt es recht weit nach minus, aber mit dem Scope hatte ich noch nichts schlimmes da gesehen.

Ja, ich wollte nur keramische Kondensatoren einsetzen. 10 uF gibt es ja mittlwerweile auch recht preisgünstig in keramisch.

Meine Überlegung war, daß die 5 V vom USB-Port recht unstabil sind, mit vielen Störungen, sodaß vielleicht der Komparator Probleme machen könnte. Besser wäre es natürlich, alles von 5 V zu betreiben.

Wäre die Überstromauslösung dann nicht recht langsam? Ich möchte, daß es sofort abschaltet, wenn zuviel Strom fließt (soweit das bei der Spule überhaupt möglich ist).

Klingt gut, dann kann man die Hysterese mit R12 und dem neuen Widerstand größer einstellen?

Danke, habe es ergänzt.

Ich hatte mir gedacht, wenn ich schon einen Microcontroller habe, warum soll der sich nicht auch ein wenig um die Spannungsversorgung kümmern?

Auf der Sekundärseite sollte es schon recht genau sein, sodaß man auch A/D-Wandler damit betreiben könnte, daher noch der Linearregler auf der Sekundärseite. Bei dem ganzen Aufwand und möglichen Fehlerquellen überlege ich mir aber mittlerweile, einfach sowas hier einzusetzen:

Bestückungsaufwand wäre dafür auch ideal.

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Sieht viel besser aus. Du kannst zum Runterziehen der Gates auch FETs benutzen, das spart R8 und R9. An IC7 Pin 7 muss uebrigens noch ein Pull-up, 10k oder so.

150ohm gibt immer noch schlappe Flanken und schlechten Wirkungsgrad, ich kann aber Deine Bedenken verstehen. Trick 17: Ueber jeden der Gate Widerstaende noch einen Kondensator, 750pF sollte bei den Rohm FETs reichen. Dann schaltet das auch richtig zackig. Wenn es laeuft mache sie peu a peu kleiner, denn wenn der uC im Kurzschlussfall weiterroedeln will kaempft der gegen diese Kondensatoren.

Deine Strombegrenzung hat kein Latching, nur seeehr duenne Hysterese. Ich dachte Du wolltest Latching? Wie auch immer, da sollte noch ein Anschluss des Nets SHUTDOWN an einen uC Port kommen. Wenn der auf High geht, sollte der Watchdogs zwangsweise in die Wildnis laufen. Wenn nicht, dann den Programmierer dreimal in den Bruggraben tunken ...

Als ich das mal bei einem sueddeutschen Kunden vorschlug erklaerte einer der Ingenieure die beiden Status-Level fuer die Einheimischen so: "S' iss kumma" und "S' iss net kumma" :-)

Der LM393 ist mit 3.3V lahm wie Sirup. Besser einen LMV nehmen. Die haben uebrigens so viel Offset dass das locker einen guten Teil Deiner

22mV Referenz auffuttert. Muss man mit einkalkulieren.

Angstdioden an den FET Drains waren auch ganz guenstig, ich weiss allerdings nicht wieviel Leakage Inductance (Streuinduktivitaet?) Dein Uebertrager hat. Billige Doppel-Schottky mit gemeinsamer Anode sollte hier reichen. BAT54A oder so, muss man ja dann nicht bestuecken.

Hatte Andreas schon erwaehnt: Ein Abblock-C am uC waere ganz paesslich. Auch nochmal 1uF keramisch an T1 Pin 2. Sonst geht u.U. nach jedem Einschalten das Radio bei den Muellers nebenan aus :-)

Die Schottkys im Ausgang sind mit ueber 5c was teuer, aber wenn Du viel Strom brauchst muss das vielleicht sein.

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Gruesse, Joerg

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Ich denke ich sollte das wie von Dirk vorgeschlagen sowieso durch einen

4050 ersetzen, dann gibt es auch weniger Probleme mit maximalen Strom und ich kann die Eingänge einfach per Dioden runterziehen und spare auch noch einen Widerstand am LM393 Ausgang. Besser wäre vielleicht auch noch einer mit Schmitt-Trigger Eingang:

dann könnte ich auch die Selbsthaltestufe wieder dranbauen.

Ich bin mir aber noch nicht sicher, ob ich das wirklich direkt mit 5 V aus dem USB-Port betreiben könnte, da ich dann auch auf der Sekundärseite zwei Dioden sparen könnte und auf der Primärseite den 3,3 V Spannungsregler, aber funktioniert bei einem 5 V Signal mit vielen Störungen drauf noch die Stromlimitierung zuverlässig?

Hängt ja am PC, da ist der Wirkungsgrad nicht ganz so wichtig, aber ich habe die Kondensatoren mal vorgesehen.

Das Shutdown-Signal geht links beim Microcontroller auch bei PTA4 rein. Vielleicht muß ich das aber durch PTB0 ersetzen, dann kann ein Interrupt ausgelöst werden. Wichtig war mir nur, daß von der Hardware her nichts kaputt gehen kann, was bei meiner ersten Idee, wo der Microcontroller das trozt Überstrom wieder einschalten konnte, schon möglich gewesen wäre. Der Microcontroller kann jetzt bei Bedarf ganz ausschalten und das so halten.

Laut Datenblatt typisch nur 1,7 mV, maximal allerdings 0,7 mV, aber ganz so genau muß es ja auch nicht sein.

Ok, habe ich ergänzt.

Ich weiss sowieso nicht, ob sich das lohnt, wenn ich das bauen würde. Ist zwar eine interessante Erfahrung und ich werde es wohl mal zuende bauen, aber falls es zu einem fertigen Produkt kommt, werde ich dann wohl einfach sowas hier einsetzen, wie im anderen Posting hier schon geschrieben:

Insgesamt könnte das zwar etwas teurer sein, aber alleine von den Bestückungskosten dann wieder preiswerter und ich hoffe mal, daß sowas auch problemlos durch eine EMV-Prüfung kommen würde. Am Ausgang dann einfach einen Linearspannungsregler mit eingebautem Übertromschutz und gut ist für einen Digitalfritzen wie mich :-)

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ich meinte natürlich maximal 7 mV. Würde also 70 mA ungenau sein, oder ich nehmen 0,2 Ohm als Messwiderstand, was bei maximal 200 mA ja auch nicht die Welt wäre, was daran dann an Leistung verbraten wird (8 mW gegenüber 4 mW).

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Ok, dann aber kein CD40106, der hat bei 3.3V etwa die Muskeln einer Muecke. Muesste schon 74HC14 oder so sein, oder noch besser ein Bus-Treiber. Nur bist Du dann irgendwann am Punkt wo ein billiger PWM Chip guenstiger ist :-)

Doch, kriegt man hin, aber jetzt weiss ich nicht so genau was Du vorhast. Isolierte 3.3V aus den 5V vom USB? Dann sollte die Eingangsseite an T1 Pin 2 mit 5V laufen.

Ok, aber an einem Laptop zaehlt jedes Milliwatt ;-)

Oops, sorry, uebersehen. Interruptfaehigkeit ist wichtig.

Ok, die A-Version von National ist 2mV max, aber an sich brauchst Du den LMV und der hat 7mV max.

[...]

Inzwischen gibt es isolierte Wandler schon fuer unter $1 (in Stueckzahlen), wie etwa die Torex Serie. Mit EMV muss man natuerlich aufpassen, doch man kann sie auf dem Board gut einwattieren. Irgendwie waere das aber so dekadent wie das Erhitzen eines Fertiggerichts in der Mikrowelle wo jeder Hobbykoch die Nase ruempfen wuerde ...

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Gruesse, Joerg

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Man darf es und es ist gängige Praxis. Der 4050 und sein Gegenpart

4049 sind keine Gatter im herkömmlichen Sinn, sondern lediglich aus MOSFETs aufgebaut.

Diese Treiber funktionieren erst ab 3V sicher, da es MOSFETs sind, die eine gewisse Gate-Spannung brauchen, kann der MOSFET erst schalten, und den Ausgang auf sicheres Potential ziehen, wenn die Betriebsspannung mindestens die Gate-Spannung erreicht hat. Darunter hängt der Ausgang in der Luft. Den 4050 kannst du auch mit 5V betreiben, sodass deine MOSFETs mit 4,5V eingeschaltet werden. 10k als Pull-Down ist ok.

Wegen des Rippels, den der Schmitt-Trigger über den Messwiderstand bekommt. Wenn die Spannung am Pin2 des Komparators über die Spannung von Pin3 ansteigt, fängt der Ausgangtransistor des Komparators an, den Ausgang gegen Masse zu ziehen. Wegen des Rippels auf Pin2 wird dort das Potential für einen sehr kurzen Zeitraum wieder unter das Potential von Pin3 gehen, was den Ausgangstransistor wieder abschaltet und der Pull-Up R13 wird anfangen den Ausgang wieder gegen 3V3 zu ziehen. Da du über R12 eine positive Rückkopplung hast, geht Pin3 auch ein Stück höher, was die Differenz zwischen Pin2 und 3 noch weiter vergrößert. Am Ende sieht das so aus, dass wärend der Ausgang auf dem Weg nach unten ist, der Ausgang plötzlich nochmal um vielleicht 1V nach oben springt, und dann ganz auf GND geht. Ein kleiner Kondensator am Ausgang verhindert das, weil dann die Zeitkonstante aus Kondensator und Pull-Up größer als die Frequenz des Rippel wird. Der Ausgang geht also nach unten, bleibt ganz kurz stehen und geht dann ganz nach unten. Der Ausgang schwingt nicht zurück (es gibt nur eine kleine Stufe) und es wird nichts zurückgekoppelt.

Ich hab einfach schon zuviele Chip-Widerstände bei Stromspikes taub werden sehen. Bei Strömen ab 1A baue ich z.B. in genau diesen Anwendungen nur noch drahtgewickelte Widerstände ein. Ist ein paar Cent teurer, aber dafür schaut mich der Kunde nicht so böse an, wenn solche Cent-Artikel den Einsatz des Gerätes irgendwo im Nirgendwo verhindern. Durch Reparaturen an älteren HP-Geräten hab ich auch gelernt, dass dort grundsätzlich Widerstände eingesetzt wurden, die für die 3- bis 5-fache Leistung spezifiziert sind. Das machten die nicht ohne Grund.

Nein der Punkt zwischen R10 und R11 ist die Referenz für deinen Komparator. Der muss bombenfest sitzen, sonst springt dein Ausgang im Umschaltmoment hin und her. Die 200mA ziehen ordentlich an den 3V3 und C2 ist vermutlich zu klein. Das schlägt alles auf die Referenz durch. Also 10u und evtl. noch 100n über R11. Von R11 geht dann ein Widerstand an Pin3 und an R12. R13 kannst du weglassen, weil jetzt R6 oder R7 als Pull-Up für IC7 wirken. Da R6/R7 recht klein sind, müßte der Kondensator am Ausgang von IC7 vergrößert werden (100n ??).

Genau.

Der Ausgang von IC7 geht sicher auf einen IRQ-Pin des Controllers? (wieso heist es Schutdown und nicht Overload?) Evtl. kann man auch noch einen Latch-Effekt spendieren. Mit der bekannten Zwei-Transistorschaltung als Thyristor-Ersatz dazwischen, wird wiedereinschalten sicher verhindert, bis der Mikrocontroller eingreift.

Bedenke auch, dass du eine schöne Rückkopplung durch diese Strommessung hast. Wenn der Strom wegen kurzzeitiger Überlast ansteigt, wird IC7 Versuchen die MOSFETs abzuschalten. In dem Moment, wo IC7 die Gates "herunterregelt", wird bei Ugmin der Strom auch heruntergehen, woraufhin IC7 sofort von seinem Tun ablassen wird. So schnell ist der Mikrocontroller evtl. nicht.

Kann man bei kleinen Stückzahlen machen, aber irgendwie geht da natürlich auch der edukative Faktor verloren.

Dirk

*Frank Buss* wrote on Sun, 10-12-05 14:58:

Ja. MOSFET verhalten sich in erster Näherung wie ohmsche Widerstände und haben zudem eine positive Temperaturkennlinie.

Hallo Frank, kurzer Nachtrag: Bin beim Wuehlen fuer einen Kunden versehentlich bei P-FETs gelandet und mit diesem muesstest Du die Abschaltung in der 3.3V Versorgung erledigen koennen:

Der Preis geht so, kostet in Rollen unter $0.10. Wenn man Eure Bestueckungskosten beruecksichtigt ist das billiger als zwei NPN plus Basiswiderstaende. Du koenntest dann auch die Gate-Widerstaende weglassen und volle Kamelle durchschalten.

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Gruesse, Joerg

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Ich habe es jetzt mal per 74HC14 versucht, denn da spare ich dann noch ein paar andere Bauteile. Hier der neue Vorschlag:

Widerstände und Kondensatorwerte müsste man aber wohl nochmal überdenken und mit LTspice ausprobieren, oder in der Schaltung testen. Wird jetzt alles von den 5 V versorgt. Dadurch kann ich dann auf der Sekundärseite auch eine Einweggleichrichtung nehmen, da die Spannung immer noch hoch genug bei Vollast ist.

Aber kann man den LM393 (oder auch LMV393) direkt an den 5 V betreiben, die ja mit recht vielen Störungen belastet sein wird? Also z.B. wie stark beeinflussen Spannungsschwankungen die Offsetspannungen o.ä.? Und sollte ich vielleicht auch irgendwas am 5 V Anschluss vom USB-Port machen, damit nicht zuviel Störung nach außen und in den PC geht?

Ich habe auch jetzt nur noch 2 isolierte Datenleitungen vorgesehen, da wenn man mehr braucht, man leicht einen kleinen Microcontroller auf der Sekundärseite setzen kann, der das dann viel flexibler gestalten kann, als man es per Optokoppler lösen kann.

Dadurch habe ich wieder ein paar Leitungen frei und wäre doch blöde, wenn man die nicht noch für irgendwas brauchen kann. Könnte man damit einen einfachen Dual-Slope Wandler aufbauen, vielleicht in Kombination mit dem noch verbliebenen Komperator? Damit könnte man dann den Stromverbrauch messen, falls man 40 mV Fullscale genau genug mit einer einfachen Schaltung messen kann (habe den Strommesswiderstand verdoppelt, um einen höheren Spannungsabfall für den Komperator zu haben).

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Zum mal eben aufbauen wäre sowas natürlich eine gute Idee. Habe mal geschaut, meinst du das hier von Vector?

Ist mit 22,90 Euro recht teuer. Da leg' ich dann nochmal 30 Euro drauf und kann mir eine fertige Platine machen lassen:

Stencil ist in dem Preis enthalten, sodaß man das dann mit dem Pizza-Reflow-Ofen von PCB-Pool leicht bestücken kann.

Ist dann natürlich langweiliger Standard. Ein Aufbau in Dead-Bug Technik würde dagegen jederzeit einen Preis für abstrakte Kunst gewinnen :-) Ich habe sowas ja mal gemacht und das funktionierte sogar, trotz seines eigenwilligen Aussehens (sind aber mittlerweile in der Grabbelkiste ein paar Drähte abgerissen und ist etwas plattgedrückt)

Vero Boards gibt es hier auch, z.B. bei Farnell, allerdings scheinbar nur mit Kupferstreifen. Kann man die einfach an mehreren Stellen zusammenlöten, wenn man größere Ground-Flächen braucht? Gäbe es dann von einem anderen Hersteller auch recht preiswert:

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Ist in den FETs nicht schon eine Diode in der richtigen Richtung drin? Oder ist die zu langsam?

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Wird so nicht funktionieren, wenn IC4E nochmals invertiert. R12 ist auch etwas groß. Bei Anwendungen im Schalterbetrieb würd ich keine Rs mit 1M einsetzen - eher Aber kann man den LM393 (oder auch LMV393) direkt an den 5 V betreiben, die

Ist kein Problem. C2 könnte man aber auch 47u groß machen.

Dirk

Am Thu, 09 Dec 2010 05:09:20 +0100 schrieb Frank Buss:

Reichelt RE 334EP

Soll von Proma sein, also wahrscheinlich auch woanders zu beziehen ...

Viel Spaß, Marc

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Ihr Suchbegriff >MC34063A<  könnte fehlerhaft oder unbekannt sein: Ob WC 
besser ist? (Suchmaschine)