Hyper-Ultra-Low-Drop-KSQ / Hyper-Ultra-Low-Drop-CCS

Fragen zu Schaltungen, Elektronik, Elektrik usw.

Moderator: T.Hoffmann

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Fr, 16.11.12, 13:06

Ultra-Hyper-Low-Drop-Abgedrehte Bezeichnung, ich weiß :wink:

Ich habe in der Pause mal etwas mit LTSpice "gespielt" und rausgekommen ist eine KSQ, die an 0,1 Ohm bis runter zu 60 mV Drop bei 600 mA erreichen kann (in der Simulation jedenfalls).

Ich hoffe, dass durch Verwendung eines identischen (idealerweise aus identischer Produktion stammenden) zweiten NPN-Transistors mit verbundener Basis+Kollektor die Reproduzierbarkeit der Schaltung ggü. 2 Schottky-Dioden (evtl. gar noch mit Reihenwiderstand) steigt.

Um die Temperaturabhängigkeit zu verringern, sollten die beiden Transistoren thermisch gekoppelt (=extrem nah beieinander, bei bedrahtet=sich berühren/zusammengeklebt) sein. Wobei das nicht sooo kritisch sein drüfte.

Als "Schmankerl" schaltet sich die KSQ auch noch ab, sobald eine zu hohe Verlustleistung über dem MOSFET abfällt, das kann man aber auch weglassen.
Wenn dieses Add-On nicht gebraucht wird, kann man D1, D2, D7, R5 und R6 weglassen.
R4 und R7 können IMMER weggelasen werden, sie dienen nur dazu, die Versorgungsspannnung auf ein Hunderststel zu skalieren, damit man die anderen kleinen Spannungen im Diagramm besser erkennen kann! :!:

Das ganze ist eine weiter aufgebohrte Version dieser Ultra-Low-Drop-KSQ (von mir und anderen)
Hier noch generelle Infos zu 2-Transistor-KSQ (von Borax)

EDIT:
Leider weiß ich nicht, wie/wo ich in LTSpice die Temperatur der Schaltung eingeben kann, gehen soll das aber! Sowohl die ganze Schaltung, als auch (aufwändiger) auch für jedes Bauteil einzeln, hab's aber noch nicht gefunden. :-(

Bevor man diese Schaltung mehrfach aufbaut, müsste man aber erstmal gucken, ob das ganze am Ende nicht vielleicht nur ein Thermometer ist, dass mittels Transistor Q2 die Temperatur misst und in Form variierender LED-Helligkeit anzeigt ;-)
(ein bipolarer Transistor mit Verbindung Basis-Kollektor ist nämlich prima als Low-Cost Temperatursensor geeignet)
Ich sehe aber eine gute Chance, dass die Temperaturdrift beider NPN-Transitoren sich gegenseitig aufhebt.

Wie gesagt: ich bin sicher bei nur +/- 10° Temperaturschwankung würde es gehen, aber es sollte ja doch lieber im Bereich -20°C bis +40°C funktionieren, und da müsste man schon testen, wie es sich tatsächlich verhält und ob eine thermische Kopplung der beiden NPN-Transistoren nötig ist und ob sie wirklich hilft, falls sie nötig ist (da keiner von beiden in der Schaltung warm wird, reicht es eigentlich, wenn die Umgebungstemperatur die Temperatur beider Transistoren bestimmt, es sollte nur nicht einer näher am Power-MOSFET sitzen als der andere)
Ultra-Hyper-Low-Drop-CCS-KSQ.png
KSQ / CCS mit 60 mV Drop @ 600 mA

Das Diagramm zeigt den Verlauf über eine Versorgungsspannung linear von 10 auf 16 steigend (bis Mitte) und dann wieder von 16 bis 10 fallend. Im Diagramm jedoch als 100stel dieser Spannung dargestellt, damit die anderen kleinen Spannungen noch gut erkennbar bleiben.

Der MOSFET ist unkritisch, da sollte jeder N-Kanal-POWER-MOSFET gehen, der den Strom abkann, statt BC817 geht auch ein 547 o.Ä. und der Verstärkungsfaktor scheint auch eher eine untergeordnete Rolle zu spielen (aber identisch, besser noch aus identischer Produktion sollten die beiden NPN-Transistoren auf jeden Falls sein!!!)
Ultra-Hyper-Low-Drop-CCS-KSQ_not_protected.png
Hier nochmal das gleiche ohne Abschaltung bei zu hoher Verlustleistung, dadurch reduziert sich das ganze auf 6 Bauteile (ohne die LEDs)
BMK
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So, 18.11.12, 13:56

Sehr interessante Schaltung, danke.

Einen kleinen Verbesserungsvorschlag hätte ich noch auf Lager:
Statt Q1 und Q2 einen Doppeltransistor etwa BCV61 zu nehmen.
Der hat dann die thermische Kopplung 'onboard' und die Anzahl
Bauteile wird nochmals um 1 verringert. Den gibt es übrigens bei
Reichelt für Kleingeld.
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So, 18.11.12, 14:09

Hallo,

bei LTSpice kann man sehr einfach die Schaltung bei verschiedenen Umgebungstemperaturen simulieren, wenn man denn nur weiß wie: einfach einen TEXT einfügen und im eingabefeld statt bei "comment" das Häkchen bei "spice directive" setzen. Dann kann eine Anweisung, wie z.B. .STEP TEMP -30 70 (Simulation von -30 bis +70°C) angegeben werden. Es werden standardmäßig 10 Temperaturschritte simuliert.

Ich habe das für die genanne schaltung mal durchgeführt und sie in diesem Zuge etwas modifiziert, denn so wie sie oben ist steigt der Strom bei höheren Temperaturen leicht, mit einer Schottky-Diode als "Temperatursensor" kann man das kompensieren, allerdings ist der Stromanstieg über die Schottky-Diode bei steigender Temperatur nicht linear, sondern eher exponentiell, das dass sie eher überkompensiert, was aber gar nicht so schlimm ist, denn damit ergibt sich automatisch ein Übertemperaturschutz.

Außerdem ist noch eine Zenerdiode am gate hinzugekommen, deren einzige aufgabe ist es, bei Versorgungsspannungen, die höher sind als die max. zulässige Gate-Spannung des MOSFET dessen Gate vor zu hoher Spannung zu schützen.

EDIT:
Dass bei niedrigeren Temperaturen der Soll-Strom erst bei höheren Spannungen erreicht wird, liegt übrigens nur daran, dass die Vorwärtsspannung der LEDs mit abnehmender Temperatur zunimmt.
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Hyper-Low-Drop-KSQ_temperaturkompensiert+temperaturgeschützt.png
Hyper-Low-Drop-KSQ mit Schutz des MOSFET-Gate und rudimentärer Temperaturkompensation via Schottky-Dioden-Leckstrom mit Übertemperaturschutz als Nebeneffekt.
Simuliert in 10 Schritten bei Temperaturen von -30°C bis +70°C umgebungstemperatur.
Die 3 Grünen Linen, die oben mittig spitz zulaufen sind der LED-Strom bei +50, +60 und +70°C (+70°C ist der unterste der 3 spitz zulaufenden Stromverläufe)
t_schulz
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Mo, 19.11.12, 09:19

Hallo,

sehr schön! Besonders gefällt mir die Simulation der Veränderung der Temperatur.

Ich muss mal live probieren, ob die thermische Kopplung von zwei diskreten NPNs reicht, oder ob ein kombinierter besser ist.

Die Schottky als Temperatursensor an der Stelle finde ich auch sehr chic. :D
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Mo, 19.11.12, 13:19

Ich habe das Ding gestern mal "in echt" zusammengelötet, mit 2k7 am Kollektor und 39k an der Basis sowie 2xBC547C --> funktioniert super, Strom aber geringfügig geringer als in der Simulation. Evtl. komme ich morgen mal dazu, ein Foto zu posten...

Eine thermische Kopplung ist eigentlich nicht wirklich notwendig, da keiner der NPN-Transistoren im Betrieb warm wird und beide nehmen ja die Umgebungstemperatur an. Wenn Q1 thermisch möglichst mit dem MOSFET verbunden ist, dann ergibt sich übrigens auch eine gewisse "Temperaturkompensation", zumindest ein leichter Stromrückgang bei warmem MOSFET.

Als Safetey-Funktion halte ich ggü. der Schottky-Temperaturkompensationsdiode aber die 3 1N4148 für die bessere Wahl, die Schalten bereits ab, wenn der Drop so hoch ist, dass der MOSFET heiß werden würde und nicht erst, wenn er bereits heiß ist. Es geht natürlich auch beides.

Ich würde das Ding eher nicht mit einem Dual-Transistor konzipieren wollen, die sind IMHO zu exotisch. Zumal deren thermische Kopplung ja die Temperaturdrift keineswegs aufhebt, da bringt die Schottky-Diode schon mehr.

Die Schottky-Diode ist in dieser Schaltung übrigens nicht mehr mit Kathode an +Vcc, sondern mit ans Gate angebunden, das führt bereits in der Simulation zu einer steileren Stromabnahme bei Erhitzung und in der Praxis ergibt der der Vorteil, dass man die Diode sehr nah am Gate-Pin positionieren kann und sie damit die MOSFET-Temperatur besser abbekommt.
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Ultra-Hyper-Low-Drop-CCS-KSQ_only_temperature_protected.png
Hier nochmal simuliert von -25°C bis +125°C. Und bei von 10 auf 16V steigender (bis Mitte) und dann wieder von 16 nach 10V sinkender Versorgungsspannung
Linien geben den LED-Strom an, Farben:
grün=-25°C
dunkelblau=0°C
rot=+25°C
türkis=+50°C
rosa=+75°C
grau=+100°C
dunkelgrün (flach, ganz unten auf dem "Boden")=+125°C
Zuletzt geändert von CRI 93+ / Ra 93+ am Mo, 19.11.12, 16:52, insgesamt 2-mal geändert.
Borax
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Mo, 19.11.12, 13:51

Das sieht ja schon nahezu perfekt aus :) Gratuliere zum Design :wink:
Muss ich bei Gelegenheit auch mal testen.
Fraenk
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Mo, 19.11.12, 22:56

Sehr interessante Schaltung.
Könntest du auch das LTSpice File bereitstellen?

Wie berechnet sich der Strom?

Gerade wegen dem niedrigen Spannungsabfall an deiner Schaltung sollte man damit ja auch eine weiße SMD LED mit ca. 60mA nah an ihrer Betriebsspannung mit fast konstantem Strom betreiben können (mein Einsatzzweck wäre die NS2W757AT (2.85V@65mA) mit 3V Betriebsspannung mit ca. 60mA zu betreiben).

Falls ich ein mögliches Ja für diesen Zweck bekomme werde ich die Schaltung auch einmal aufbauen, leider fehlt mir ein Shunt-Widerstand bisher noch und die nächste Bestellung dauert noch eine Weile.
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Di, 20.11.12, 06:24

Mal wieder interessante KSQ-Schaltung von dir. Ab einem gewissen Bauteile- und Messaufwand sollte die OP-Amp KSQ aber ernsthaft in Betracht gezogen werden, wo man Drop und Temperaturdrift je nach Qualität des Op-Amps fast beliebig nach unten drücken kann :wink: .

Sonst haben wir hier wohl bald noch einen kompletten, diskret aufgebauten Operationsverstärker auf dem Steckbrett :) . Aber trotzdem ein guter Wink, was ohne ICs möglich ist.
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Di, 20.11.12, 13:05

Für 60 mA muss nur der Shunt von 0,1 Ohm auf 1 Ohm geändert werden.

Ja, in der Tat: der Aufwand für eine Schaltung mit OP ist nicht mehr sooo viel höher, wenn man die Temperatur- und Verlustleistungsschutzfunktionen mit einbaut.
Andererseits: diese Funktionen müsste man an die ohnehin noch ein wenig aufwändigere OP-Schaltung auch erst noch dranbasteln, damit wird die dann wiederum NOCH aufwendiger...
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Di, 20.11.12, 13:54

Jain. Die OP-Lösung (+ Spannungsreferenz) hat quasi keine Temperaturdrift (<1% bei -20 bis +80°C). Und Verlustleistungsschutzfunktion sollte bei einem vernünftigen Aufbau auch nicht nötig sein.
Fraenk
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Di, 20.11.12, 22:18

Vielen Dank für deine Mühen, mit dem 1Ohm Widerstand könnte ich es sogar ohne Bestellung nachbauen. Muss mal noch schauen ob sich der Aufwand gegenüber einem festen Widerstand lohnt (meine Spannung von 3V ist ja konstant, hätte nur gedacht um den Toleranzen unter den LEDs vorzubeugen so eine Strombegrenzung zu wählen)

Vielleicht nicht unbedingt was für meinen Einsatzzweck, aber dafür hast du sie ja auch nicht empohlen, sondern für variable Spannungen einen konstanten Strom! Dennoch danke für alles.

Ich denke deine Schaltung hat gegenüber der OP Schaltung den gravierenden Vorteil, dass sie leichter und kleiner aufzubauen ist. Also für eine Low-Cost Variante bspw. in einer Taschenlampe mit wenig Platz wäre so etwas ideal. Die Schaltung lässt sich vermutlich sogar ganz ohne Leiterplatte realisieren, somit ebenfalls ideal für Bastler.
Wenn man mehr Platz hat und eh eine Leiterplatte machen muss, dann kann man auch zur OP Variante greifen.
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Mi, 21.11.12, 09:20

Borax hat geschrieben:Jain. Die OP-Lösung (+ Spannungsreferenz) hat quasi keine Temperaturdrift (<1% bei -20 bis +80°C).
Das ist richtig, der ist sogar mit der Schottky-Diode bei dieser Schaltung unter aller Sau, für den Zweck aber immer noch ausreichend. Auch ohne Temperaturkompensation kann man die Schaltung noch gut einsetzen.
Borax hat geschrieben:Und Verlustleistungsschutzfunktion sollte bei einem vernünftigen Aufbau auch nicht nötig sein.
Das hat ja nichts mit dem Aufbau zu tun: wenn man vorne soviel Spannung reingibt, dass der Drop so hoch wird, dass der MOSFET überhitzt, passiert das bei einer linearen OP-Amp-KSQ genauso.

Diese Schutzfunktion ist natürlich verzichtbar, wenn man sicherstellen kann, dass der Drop nie zu hoch wird, bei 4 LEDs an 12V-Akku ist sie tendenziell verzichtbar. Damit kommt man dann doch wieder mit 6 sehr billigen Allerwelts-Bauteilen aus.

Und hier noch die LTSpice-Dateien, LTSpice kann kostenlos von Linear Technology heruntergeladen werden.
Dateianhänge
Ultra-Hyper-Low-Drop-CCS-KSQ_3_plot_pane_-25..+125°C.png
Wieder von 10...16 und 16..10 Volt, Ströme an einer der 1N4148 (oben), an der Schottky-Diode und an einer der LEDs (unterster Plot)
Hyper-Ultra-Low-Drop-CCS.zip
Archiv mit allen Dateien, die zum angehängten Screenshot führen.
(134.67 KiB) 97-mal heruntergeladen
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Mi, 21.11.12, 13:50

Hallo,

ich persöhnlich finde die Schaltung ja ganz nett. Ich hab sie jetzt mal nachsimuliert,analysiert und aufgebaut. An sich ist mir das Verhalten der Schaltung klar. Auch die Idee mit der Schottky als Temperatursensor finde ich genial. Ich komm jedoch nicht dahinter was Q2 macht. Ich kenne das als Stromspiegel. In diesem Fall wird doch die Basisspannung angehoben, je nachdem was für ein Strom durch den Shunt fließt oder? Für eine kleine Erläuterung wäre ich dankbar :)

In der Simulation habe ich das ganze auch mal mit 24 V getestet und bin auf einen simulierten Strom durch die Led´s auf max 600 mA gekommen. Im Aufbau kamen jedoch ab 23,5 ein Sprung von 450 auf ca 1000 mA. Woran liegt das?
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Mi, 21.11.12, 17:01

Q2 ist einfach erklärt: der dient ausschließlich dazu, die Spannung, die am Shunt abfällt, um ein ganz klein wenig weniger als die Basis-Emitterspannung von Q1 anzuheben. Deshalb sollte es auch ein identischer Transistor sein. Eine 1N4148 geht nicht, die hat bereits eine zu hohe Vorwärtsspannung. 2 Schottky-Dioden gehen auch, das hatten wir ja schonmal vor einiger Zeit, Schottky-Dioden sind aber extrem Strom- und Temperaturabhängig, also sehr schlecht reproduzierbar. Und dann kam mir die Idee mit dem Transistor...
Und genau das ist der Witz an dieser Schaltung und der Grund, weshalb ich das Ding "Hyper-Ultra-Low" benamst habe.

Wäre Q2 nicht vorhanden, müssten am Shunt ja mindestens 0,6V abfallen, damit Q1 leitend wird --- so sind es ca. 60 mV, also ein Hundertstel.

Hast Du beim realen Aufbau als Last auch LEDs mit insgesamt nahe der Versorgungsspannung benutzt? Wenn nicht, dann wird der MOSFET ja EXTREM heiß, dafür ist diese KSQ nicht gemacht/nicht geeignet!
Es kann gut sein, dass der MOSFET dann beschädigt wird oder zumindest so heiß wird, dass er statt hochohmiger bereits wieder niederohmiger wird. (das wäre dann aber kurz vor defekt)
Es kann auch sein, dass die maximal zulässige Spannung anderer Bauteile erreicht wird.
Ich habe übrigens beim realen Aufbau einen ähnlichen Effekt beobachtet, kann ihn mir aber bisher auch noch nicht ganz erklären. Mein MOSFET kann 55V ab, daran kann es also nicht liegen.
Möglichwerweise fängt die Schaltung auch hochfrequent zu schwingen an o.Ä.
Am besten Du testest nochmal mit den 23..24V, aber mit so vielen LEDs, dass über der KSQ max. 2..3V abfallen.

Daher ja auch wahlweise noch die 3 1N4148 + 1k als Not-Abschaltung (eine 1N4148 geht auch, dann hat man nachdem man die Spannung so hochgedreht hat, dass der Soll-Strom erreicht wird aber nur weitere 0,7V "Spiel" bis die Notabschaltung einsetzt.
(An der Schwelle zur Notabschaltung ergibt sich übrigens ein Blinker bis Stroboskop, zumindest wenn die LEDs schlecht gekühlt sind (bei mir Testweise 3 XP-G in Reihe lediglich auf Star-Platine und bei 540 mA)
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Do, 22.11.12, 09:16

Dimmen geht auch
Übrigens kann man noch einen draufsetzen: (Die Schttky-Diode zur Temperaturkompensation muss dann allerdings raus, da sie den möglichen Dimmbereich einengen würde)

Wenn man R3 (den Widerstand von +Vcc zum Kollektor von Q1) von 2k7 auf 1k0 ändert und ihm außerdem ein 68k-Ohm-Poti in Reihe schaltet (oder ein 100k-Poti, dem ein 220k-Widerstand parallel geschaltet ist, 68k-Potis sind selten), dann kann man den strom von ca. 100 bis 1200 mA einstellen, wobei es auch eine "beinahe-aus"-Stellung gibt (2 bis 6 mA fließen weiter), ca. ab >60k.

Und/oder man gibt auf diesen Widerstand ein PWM-Signal. Ggf. mit Level-Shifter, dann wären es aber leider nochmal 4 weitere Bauteile.

Weiß jemand, wie man variable Parameter von Bauteilen in LTSpice durchsteppt?
Wenn ich R3 variieren will, denke ich, sollte folgende Spice Deirective gehen:
.STEP PARAM R3 1k 68k 10k
Bedeutung: RR von 1k bis 68k in 10-Schritten ändern.
Es wird auch tatsächlich mehrfach das Diagramm gezeichnet, aber leider sind alle Linien deckungsgleich...??? (LED-Strom)
Den Wert von R3 im Bauteil leer zu lassen geht auch nicht, einen Namen dort und den identischen namen im Step-Befehl (statt R3) anzugeben ebenfalls nicht.
Entweder mache ich einen Fehler oder LTSpice hat derzeit einen Bug, es wird ja immerhin mehrfach geplottet, das kann man sehen, wenn der PC langsam genug ist.
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Do, 22.11.12, 09:33

Eigentlich klappt das so mit LTSpice (ich mach das ja oft). Du gibst als Wert bei Resistance anstatt einem Wert in Ohm eine Variable vor z.B. {Rdimm}. Dann mit .step param Rdimm 1k 68k 10k starten (in der Spice Directive ohne geschwungene Klammern). Als Simulation Command dann nur .op
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Do, 22.11.12, 11:35

Vielen Dank für deine Erklärung :) leuchtet ein!

@24 V habe ich es nur sehr kurz betrieben. Mein MOSFET kann auch 150V/14A (Männermosfet :D ) . Heiß wird er natürlich. Bei höherer Last(mehr LED´s dort lag dann der Schwingpunkt eben etwas höher ca 26 V) kann ich die 24 V Versorgungsspannung erreichen. Ich habe mal am Shunt gemessen und eine Schwingung von ca 400 kHz festgestellt (bei belastetem Mosfet). Danach habe ich versucht die Schwingung mit Kondensatoren zu filtern (funktionierte in der Simulation mit einem Kondensator am Eingang) jedoch Hardware --> kein Erfolg. Simulierbar ist das Verhalten also nicht so richtig. Jetzt versuche ich mal ob es an der Kühlung des Mosfets liegt.
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Do, 22.11.12, 12:23

Also so wie es aussieht war es ein thermisches Problem. Die Probleme treten mit Kühlung des FET´s nicht mehr auf .
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Do, 22.11.12, 13:05

Vielen dank, Borax. Ich habe mir LTSpice selbst beigebracht, daher wusste ich nicht, dass die geschweiften Klammern eine Variable definieren.
Jetzt habe ich das ganze mal von 2k7 bis 68k in 5-Schritten laufen lassen.
Der Strom steigt leider exponetiell an, das kompensiert allerdings auch gleich die Helligkeitsempfindlichkeitskurve des Auges. :-)
Mit einem Logarithmischen Poti könnte man das aber evtl. kompensieren, nur müsste dann der Linkanschlag 100% Helligkeit sein...

@Borax: kennst Du evtl. auch noch einen Trick, wie man den Linien im Diagramm deren zugehörigen Wert von hier {Rdim} oder der Umgebungstemperatur verpassen kann? Das wäre äußerst nützlich.
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Ultra-Hyper-Low-Drop-CCS-KSQ_dimmable.png
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Do, 22.11.12, 13:09

Ich habe mir LTSpice selbst beigebracht
Ich auch. Aber ich arbeite halt schon recht lange damit. Und diesen 'Trick' findet man ja zum Glück im Netz recht schnell. Weil da stolpert früher oder später ja fast jeder mal drüber...
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Do, 22.11.12, 14:39

Borax hat geschrieben:
Ich habe mir LTSpice selbst beigebracht
Ich auch. Aber ich arbeite halt schon recht lange damit. Und diesen 'Trick' findet man ja zum Glück im Netz recht schnell. Weil da stolpert früher oder später ja fast jeder mal drüber...
Verrätst Du ihn denn auch? 8)

EDIT:
Evtl. ist die Frage nicht ganz klar gewesen: ich möchte bei mehreren Linien pro Messgröße im Diagramm (also beim Durchsteppen eines Parameters oder der Temperatur oder gar beidem) an jeder Linie den zugehörigen Wert des durchgeführten Simulation-Steps dranstehen haben, damit man weiß, welche Linie zu welcher Temperatur oder zu welchem Parameterwert gehört.
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Di, 02.07.13, 11:39

Hey,

da ich ja die Low-Drop KSQ schon ein paarmal mit Erfolg nachgebaut habe und jetzt durch deinen Post erst auf die HULD-KSQ aufmerksam geworden bin:
eine Frage zum Verständnis - wie genau wird denn eine 'zu hohe Verlustleistung' über dem Mosfet definiert?
Theoretisch kann ich ja je nach Mosfet und je nach Kühlung auch mal 100W an einem Mosfet verbraten?
TO220-Kühlkörper habe ich genug rumliegen, ein leichter Luftzug geht sowieso über die Schaltungen...

Ansonsten würde ich das Ding durchaus die Tage mal nachbauen, danke für deine Mühe :wink:

LG
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