BLDC-Leistungsstufendesign (Detaildiskussion für Interessierte)

Diskutiere BLDC-Leistungsstufendesign (Detaildiskussion für Interessierte) im Controller/Regler, Fahrerinformation, Elektronik Forum im Bereich Diskussionen; Hallo Leute, ich bin auf der Suche nach einem einfachen BLDC-Leistungsstufendesign für Pedelecs. Nach einiger Recherche im Netz bin ich beim...
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Christian

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Hallo Leute,

ich bin auf der Suche nach einem einfachen BLDC-Leistungsstufendesign für Pedelecs. Nach einiger Recherche im Netz bin ich beim IR2130 (3-Phase Bridge Driver) gelandet. Zu diesem Baustein gibt es die Application-Note AN-985, die ich mal als Basis hergenommen habe.

Als MOSFET ist vorerst der IRF540N vorgesehen. Optokoppler aus der AN-985 sollen den Controller schützen. Das ganze ist momentan noch so eine Art "unvollständiges Fundament".

Was würdet Ihr ergänzen oder ändern? Eine Lade-/Entlademimik für den Zwischenkreiskondensator? Schottky-Freilaufdioden? Oder doch lieber gleich einen aktiven Freilauf vorsehen? Andere MOSFETs ... ?

Eure Kommentare sind sehr willkommen.

Gruß,

Christian
 

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Markus2811

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AW: BLDC-Leistungsstufendesign (Detaildiskussion für Interessierte)

Als FET würde ich den IRFSL4310, den verwenden die Amis auch als Tuning in Ihren Controllern.
Aktiver Freilauf fände ich auf jeden Fall notwendig, kann aber zu Rucklern führen.
 
Europa81

Europa81

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AW: BLDC-Leistungsstufendesign (Detaildiskussion für Interessierte)

Was würdet Ihr ergänzen oder ändern? Eine Lade-/Entlademimik für den Zwischenkreiskondensator? Schottky-Freilaufdioden? Oder doch lieber gleich einen aktiven Freilauf vorsehen? Andere MOSFETs ... ?
HJallo Christian,

ich würde das so mal bauen. Dioden sind in den Mosfets bereits verbaut, und bei den Elkos würde ich schön gross dimensionieren. Ansonsten schaut's gut aus.

Kannst ja erstmal mit einem Motor aus einem alten CD-ROM Laufwerk experimentieren (haben auch drei Hallsensoren) und die Endstufe dann an einem Direktläufer ausprobieren.

Schau Dir zwengs der Programmierung bitte die Raumzeigermodulation an (15 % mehr speed).

Diese Schaltung zeigt eigentlich schön, dass die ganze Diskussion um Sinusregler Firlefanz ist. Eine Annäherung entsteht im Zusammenspiel zw. den Spulen, den Kondensatoren und der PWM, alles andere ginge nur mit enormem Verlust (in Widerstandskadenzen und den Helbleitern).
 
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Trockenschwimmer

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AW: BLDC-Leistungsstufendesign (Detaildiskussion für Interessierte)

Hallo Europa81,

...
Diese Schaltung zeigt eigentlich schön, dass die ganze Diskussion um Sinusregler Firlefanz ist. Eine Annäherung entsteht im Zusammenspiel zw. den Spulen, den Kondensatoren und der PWM, alles andere ginge nur mit enormem Verlust (in Widerstandskadenzen und den Helbleitern)...
Diese Aussage zeigt eigentlich schoen, dass jemand nicht ganz verstanden hat worum es bei der Sinuskommutierung geht ;) Sorry, konnte mir das nicht verkneifen.

Im Ernst, hat hier irgendwer geschrieben, dass ein "Sinusregler" schaltungstechnisch prinzipiell anders aufgebaut sein muss als die Blockkommutierer? Stimmt schon, der einzig gangbare Weg ist, den Sinus durch PWM und Motorinduktivitaet anzunaehern. An Widerstaenden Leistung zu verbraten, damit der Spannungsaverlauf sinusfoermiger wird, kann doch niemand ernsthaft wollen, oder?

Gruss
Roland
 
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Christian

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AW: BLDC-Leistungsstufendesign (Detaildiskussion für Interessierte)

Hallo Leute,

danke für die vielen Tipps.

Als FET würde ich den IRFSL4310, den verwenden die Amis auch als Tuning in Ihren Controllern.
Sehr interessanter MOSFET. Ich nehme mal die TO-220-Ausführung (IRFB4310). Kennst Du vielleicht eine Bezugsquelle in Deutschland?

Aktiver Freilauf fände ich auf jeden Fall notwendig, kann aber zu Rucklern führen.
Ich denke auch, dass ich auf die zusätzlichen Schottky-Dioden verzichten und gleich ein vernünftiges Taktkonzept verwenden sollte. Kennst Du die Ursache der erwähnten Ruckler? Treten die auch bei hoher Taktfrequenz auf?

Dioden sind in den Mosfets bereits verbaut [...]
Ja, das stimmt. Mein Gedanke war ursprünglich, die relativ schlechte Body-Diode durch etwas verlustärmeres zu ersetzen. Ich werde aber - wie oben geschrieben - wohl doch eher aktives Freilauftakten vorsehen.

Kannst ja erstmal mit einem Motor aus einem alten CD-ROM Laufwerk experimentieren [...]
Guter Hinweis. Ist auch mehr schreibtischkompatibel als ein NC 154. :)

Schau Dir zwengs der Programmierung bitte die Raumzeigermodulation an (15 % mehr speed).
Ich wollte erstmal "niedrig" einsteigen, um in endlicher Zeit etwas lauffähiges beisammen zu haben. Meine Reihenfolge wäre etwa:

(1) Blockkommutierung mit Hallsensoren

(2) Blockkommutierung ohne Hallsensoren

(3) Optimierte/modifizierte Blockkommutierung mit/ohne Hallsensoren

Wenn dann noch Verbesserungsbedarf besteht, dann denke ich an Sinus-PWM / VVC / RZM. In Verbindung mit einer sensorlosen Rotorlageerfassung ist das dann aber schon recht anspruchsvoll.

Danke! Das erinnert mich daran, dass ich auch noch eine Spannungsnulldurchgangserkennung vorsehen muss ... und das ganze galvanisch getrennt, damit das Controllermodul zuverlässig geschützt ist.

Im Moment "zahne" ich an der Rückführung des analogen Stromsignales vom IR2130 zum Controllerboard. Hmm ... vielleicht ein VCO?

schau dir mal den Controller an da ist schon alles drin, sogar die 5V Versorgung.
http://www.allegromicro.com/en/Products/Part_Numbers/3938/index.asp
Sehr interessant. Der kann noch ein bisschen mehr als der IR2130. Allerdings ist er nur bis 50 V spezifiziert. Das könnte knapp werden.

Danke nochmal an alle - und immer her mit weiteren Kommentaren. ;)

Gruß,

Christian
 
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Markus2811

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AW: BLDC-Leistungsstufendesign (Detaildiskussion für Interessierte)

Sehr interessanter MOSFET. Ich nehme mal die TO-220-Ausführung (IRFB4310). Kennst Du vielleicht eine Bezugsquelle in Deutschland?
Vom IRFSL4310 hätte ich dir ein paar Muster zukommen lassen können, ansonsten ist der Weltmarkt leider immer ziemlich leergesaugt.
Eine Bezugsquelle in DE hab ich leider nicht.

Zu den Rucklern:
Der Regler bremst ja zuerst, wenn du "Gas" zurücknimmst, bevor er in den aktiven Freilauf schaltet, daher können da die Ruckler entstehen.
 
Pendlerrad

Pendlerrad

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AW: BLDC-Leistungsstufendesign (Detaildiskussion für Interessierte)

Hallo, da hat aber einer "active freewheeling" gründlich mißverstanden.
Dabei geht es nicht um den Ersatz eines mechanischen Freilaufs.
Das active freewheeling meint das gesteuerte (active) Durchschalten eines Mosfet in den Zeiten, in denen sonst die Freilaufdioden aktiv sind. Active freewheeling ersetzt bzw. überlagert also automatisches Durchsteuern der Diode wegen erkannter Spannungsumkehr.
Der Sinn ergibt sich aus dem sehr viel geringeren Spannungsabfall an einem durchgeschalteten Mosfet gegenüber einer Diode, dies ergibt deutlich weniger Verlustleistung.
Ich nutze das Prinzip z.B. bei meiner 8W-LED-Frontleuchte. Das Ergebnis ist eindrucksvoll:
Ein üblicher Stromregler mit einem Mosfet und Freilaufdiode hat an der Diode bei 4A LED-Strom etwa 1V Spannungsabfall, bei der geringen Einschaltdauer / langen Freilaufzeit kommen da schnell einige Watt an der Freilaufdiode auf (ca 40V Akku, 4V LED-Spannung).
Mit einer Vollbrücke aus zwei Mosfets und Ansteuerung über IR 2111 ergibt sich eine sehr verlustarme Steuerung. Das IR 2111 enthält die Totzeitsteuerung für die Brücke, angepasst wird über die Gatewiderstände. Die Bodydiode wird nur während der Umschaltphase ganz kurz leitend. Beide Mosfet benötigen bei passend eingestellter Schaltzeit keine Kühlung und erwärmen sich trotzdem nicht fühlbar. Die zum jeweiligen Mosfet passenden Gatewiderstände kann man sehr gut empirisch ermitteln, bei unbelaster Brücke mit gewünschter Frequenz schalten lassen, mit kleinen Gatewiderständen (5 Ohm) anfangen, stufenweise vergrößern, Stromaufnahme messen. Sehr deutlich wird dann ab einem bestimmten Widerstandswert der "shootthrough" im Strombedarf sichtbar, mit mindestens 30% kleinerem Wert habe ich dann kühle Verhältnise erreicht.
Aufgebaut habe ich das mit einem Regler-IC aus Bastelvorrat, funktioniert wie gewünscht, das IC ist aber nicht mehr am Markt. Deshalb habe ich die Schaltung für ein aktuelleres Melexis 10803 angepasst, aufgebaut habe ich diese Variante bisher noch nicht. Beide IC haben den Vorteil, mit geringen Spannungen am Meßshunt zu arbeiten, auch dies zur Verringerung der Verlustleistung. Die Kühlleistung des Lampengehäuses kommt damit bei entsprechendem Wärmemanagement der LED zugute, mit unter 50° am LED-Chip bleibt die Lichtausbeute meiner Lampe entsprechend gut.

IR hat sehr viele Ansteuer-IC für Brücken im Programm, vielleicht ist ja auch eine dreifach-Vollbrücke mit Totzeitsteuerung und Tri-State dabei.
Bei der Kommutierung eines BLDC gibt es ja auch Zeiten, in denen der betreffende Wicklungsanschluss frei laufen soll, also kein Mosfet durchsteuert. Ein einfaches Logiksignal am IR2111 genügt dann nicht mehr, das active Freewheeling ist hier etwas aufwändiger.
Gruß
Pendlerrad
 

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labella-baron

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AW: BLDC-Leistungsstufendesign (Detaildiskussion für Interessierte)

Ich nutze das Prinzip z.B. bei meiner 8W-LED-Frontleuchte. Das Ergebnis ist eindrucksvoll:

Die Kühlleistung des Lampengehäuses kommt damit bei entsprechendem Wärmemanagement der LED zugute, mit unter 50° am LED-Chip bleibt die Lichtausbeute meiner Lampe entsprechend gut.
Gratuliere -eine saubere Sache!
 
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Christian

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AW: BLDC-Leistungsstufendesign (Detaildiskussion für Interessierte)

IR hat sehr viele Ansteuer-IC für Brücken im Programm, vielleicht ist ja auch eine dreifach-Vollbrücke mit Totzeitsteuerung und Tri-State dabei.
Wie wär's mit dem IR2130 aus dem Eröffnungsbeitrag?

Gruß,

Christian
 
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Joe23

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AW: BLDC-Leistungsstufendesign (Detaildiskussion für Interessierte)

Wie wär's mit dem IR2130 aus dem Eröffnungsbeitrag?
Bitte, bevor die Diskussion weitergeht, eine Klärung der Begriffe Halbbrücke und Vollbrücke. Für mich war bisher die Halbbrücke ein Pärchen von Transistoren (Obertransistor und Untertransistor), demnach müßte die Vollbrücke aus 2 Halbbrücken bestehen und der IR2130 ein Ansteuerbaustein für 3 Halbbrücken sein. Oder liege ich da falsch?
Bei 3-phasigen Motoren in Stern- oder Dreieckschaltung kann ich demnach nur 3 Halbbrücken verwenden, die allemal als temporäre Vollbrücken zusammenwirken können (Halbbrücken mit Partnertausch).
 
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Joe23

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AW: BLDC-Leistungsstufendesign (Detaildiskussion für Interessierte)

Ich nehme mal an, dass ich das mit den Halbbrücken und Vollbrücken schon richtig dargestellt habe und möchte jetzt meine Erfahrungen mit dem 2130 berichten.
Ich habe mein Projekt eines Selbstbaukontrollers ziemlich unbefangen oder eher naiv mit dem 2130 begonnen und stehe nun an einem Punkt, an dem ein neuer Hardwareversuchsaufbau nötig wird.
Der bisherige Aufbau besteht aus 2 Europakarten, die zuerst erstellte enthält einen ATMEL XMEGA mit einem 5V Serienregler, der von einem alten Nokia Steckernetzteil mit Oberspannung versorgt wird. Einweiterer Serienregle nutzt dann die 5V zur Erzeugung der 3,3V Versorgung für den Prozessor. Außerdem ist eine Schnittstelle für den Dragon vorhanden. Mit ATMEL Studio und Draggon ist eine ausreichende Entwicklungsumgebung für die Software gegeben. Allerdings ist keine Möglichkeit vorhanden, Programme mit laufenden Timern zu debugen. Als Schnittstellen zur 2. Platine ist eine 8pol. Klemmleiste vorhanden die die 6 Ansteuersignale für den 2130 zur Verfügung stellt. Eine 6 pol. Klemmleiste erlaubt den Anschluss der Hallsignale.
Die Leistungsplatine besteht aus einem Kühlkörper 160X50mm auf dem die Mosfets äquidistant montiert sind. Die Lochrasterplatine ist 90 Grad zur Montagefläche des Kühlkörpers verschraubt, die Anschlußbeine sind direkt in einer randnahen Lochreihe verlötet. Aus einer gewissen Unwissenheit heraus, habe ich für die Zwischenkreis-Elkos (3X1,5mF) direkt vor den Mosfets platziert und mußte somit den 2130 an dem den Mosfets gegenüberliegenden Platinenrand anordnen, mit der Konsequenz, dass ich sehr lange Gatezuleitungen habe.
Wenn ich mich noch zu einem Neuen Aufbau durchringen kann, dann werde ich dem 2130 als wichtigstem Baustein einen Platz in unmittelbarer Nähe des Mittleren MOSFET-Pärchens zuweisen, hab dann aber immer noch das Problem, von den beiden äußeren Pärchen hübsch weit entfernt zu sein. Damit bin ich in schweren Zweifeln, ob ein Treiber für 3 Halbbrücken so erstrebenswert ist. Die einzelnen Halbbrückentreiber erscheinen mir da durchaus erstrebenswert und man sollte sich schon sehr überlegen, ob die Zusammenfassung von 3 Halbbrückentreibern überhaupt sinnvoll ist. Die Vorteile der Zusammengefassten Version, Überstromabschaltung, zusammengefasste Unterspannungsüberwachung und integrierter Verstärker für das Stromsignal mögen da eher eine niedrigere Priorität haben, solange man mit Spannungsspitzen zu kämpfen hat. Und ich denke ein wirklich gutes Verhalten, wird man da nie einstellen können, da bleibt die Wahl wohl irgendwo zwischen mehr oder weniger schlecht. Die 2 bei mir vorhandenen Chinakontroller sind da auf keinem besseren Niveau.
Ich dachte zu Beginn auch, nimmst halt den 2130, dann bist du alle Sorgen los. Es war genau umgekehrt die Sorgen fingen damit erst an! Obwohl ich beim heutigen Stand Blockkommutierung ohne Batteriestrombegrenzung glaube, in den Störspitzen etwa gleichauf zu sein mit meinen Chinacontrollern, würde ich mir lieber eine entsprechende Hardware kaufen, wenn sie denn verfügbar wäre.
Der Weg, einen Precontroller vor einen Chinacontroller zu setzten, ist aber auch nicht unproblematisch, weil man nicht das exakte Verhalten des Chinakontrollers zu wissen kriegt. Im Vergleich meiner China-Controller mit meinem Eigenbau mußte ich nämlich feststellen, dass man meint, man hätte im Chinacontroller eine Pwm-Steuerung mit analoger Schnittstelle eingekauft und übersieht dabei dass die Chinesen da auch Nachgebessert haben und zumindest bei meinen 2 Kontrollertypen das PWM-Schema nicht reinrassig verwirklicht haben.
 
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Christian

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AW: BLDC-Leistungsstufendesign (Detaildiskussion für Interessierte)

Ich nehme mal an, dass ich das mit den Halbbrücken und Vollbrücken schon richtig dargestellt habe [...]
So ist zumindest auch mein Verständnis. Unabhängig von den Vokabeln meinen hier aber vermutlich alle das gleiche.

Gruß,

Christian
 
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Joe23

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Ich will gerne zugeben, ich hab die Beiträge über aktiven Freilauf zwar gelesen und auch vielleicht verstanden, hab aber ein Weiterdenken mit dem Argument verhindert, dass ich ja kein Netzteil bauen will, sonden eine Leistungsstufe für 3 Phasen, wie soll ich da die Freilaufzeiten denn steuern, ist das bei dem Verbund der 3 Phasen in Stern oder Dreieck überhaupt möglich? Üblicherweise kann ich ja die Wicklungen die in den Freilauf geraten nicht für ein ganzes Kommutierungsintervall, auf + oder - festbinden.
Die Totzeiten wären ja noch in den Griff zu kriegen, wenn man sie vom Prozessor steuert (mein ATMEL XTMega wäre darauf eingerichtet) aber die Dauer des "Freilaufstroms", die die Totzeit um vieles übersteigt, soll diese einem Rechenwert überlassen werden?
 
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labella-baron

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Üblicherweise kann ich ja die Wicklungen die in den Freilauf geraten nicht für ein ganzes Kommutierungsintervall, auf + oder - festbinden.
Wieso denn nicht? Bevor der Strom über die Body-Diode des MOSFET fließt, läßt du ihn doch besser über den R_DSon bei Durchschaltung laufen. - Aber wahrscheinlich kann ich mich in die Problematik zu wenig hineindenken.

Was passiert eigentlich bei Sinus-Kommutierung? Fließt da in den Austastlücken der Strom über die Body-Diode weiter? :(
 
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Joe23

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Das mußt du mir besser erklären. Nehmen wir mal den Fall, dass die blaue Phase am Ende der Kommutierungsphase 3 von Minus weggeschaltet werden soll und du läßt sie angeschaltet, springst du in dem Moment 30 Grad im Vorgabephasenwinkel weg das kannst du dir über die Zeitdauer des jetzt gültigen Kommutierungsintervall nicht leisten, zumindet dann nicht, wenn deine ursprüngliche Vorgabe richtig gephast (=die richtige Phasenlage hatte) war. Das liegt daran, dass du den Sternpunkt dadurch, dass du 2Phasenanschlüsse auf Minus liegen hast, von der neutralen Mittenlage nach minus verziehst. Um das zu verstehen mußt du nur mal die durch den Gleichstrom entstehenden Magnetfelder vektoriell addieren:

Annahme ein Strom I an gelb erzeugt ein B-Feld der Winkellage 0 Grad, wenn der Strom durch Spule blau weiterläuft, dann hast du durch blau -I und wegen Winkellage 240 Grad ein Magnetfeld von -B in Richtung 240 Grad, das ist ein Feld in Richtung 60 Grad mit Stärke +B. Da die beiden Feldkomponenten Gleich groß im Betrag sind und 60 Grad in der Winkellage differieren, liegt das resultierende Magnetfeld bei 30 Grad.

Und nun schaltest du der Spule blau noch die Spule grün parallel, dann hast du in Blau und grün je -I/2 als Strom mit Feldern in 120 und 240 Grad Richtung die resultierende Feldrichtung liegt wieder in der Mitte also 180 Grad und wegen der Minuszeichen in den Strömen ists wieder =0 Grad. Das resultierende Gesamtfeld ist also in 0 Grad Richtung.
q.e.d.

Daraus könnte man auch einen Phasensteller konstruieren indem man das Zeitintervall des Parallelschaltens variabel gestaltet (zweite PWM-Quelle mit Mitte ON-Zustand synchronisiert). Das wäre dann auch etwas, was ich probieren möchte, wenn erst mal die Verhältnisse bei meinem Controller besser sind. Dummerweise habe ich derzeit ein vereinfachtes Kommutierungsschema in Betrieb, was einen Wechsel im Kommutierungsschema nicht zuläßt, weil dann die Synchronisierung der Kommutierungsintervalle mit den PWM-Zyklen nicht mehr funktioniert.
 
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Das mußt du mir besser erklären.
Beziehst du dich tatsächlich - wie die Referenz zeigt auf meinen Beitrag von 14:49? - mir kommt es nämlich wie eine Antwort auf diesen Beitrag vor
Und nun schaltest du der Spule blau noch die Spule grün parallel, dann hast du in Blau und grün je -I/2 als Strom mit Feldern in 120 und 240 Grad Richtung die resultierende Feldrichtung liegt wieder in der Mitte also 180 Grad und wegen der Minuszeichen in den Strömen ists wieder =0 Grad.
Nun sagt man zwar der Strom in einer Induktivität kann nicht springen. Aber eigentlich ist es ja das magnetische Feld, welches sich nicht schlagartig ändern kann. Wenn ich also - als vereinfachtes Gedankenexperiment - eine Magnetspule mit doppelter Wicklung hätte, dann könnte ich doch jederzeit von der einen auf die andere Wicklung umschalten (natürlich ohne den Stromfluß zu unterbrechen) - und, oh Wunder - der Strom würde in der einen Wicklung schlagartig von Vollstrom auf null gehen. Irgendwelche Magnetfelder mit ihren Richtung würde das doch gar nicht interessieren.

Aber ich gebe zu, dass ich das langsam alles nicht mehr nachvollziehen kann, ohne selbst einen Versuchsaufbau zu haben in welchem ich messen könnte.
 
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Joe23

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So sehr schlagartig dann auch wieder nicht.
Natürlich muß ich dem Feldgeschehen die nötige Einschwingzeit zubilligen aber danach stellen sich die Zustände wie beschrieben ein.
Im übrigen war natürlich das von mir gesagte auch ein Gedankenexperiment, das du dir auch beliebig langsam denken kannst.
 
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So sehr schlagartig dann auch wieder nicht.
Natürlich muß ich dem Feldgeschehen die nötige Einschwingzeit zubilligen aber danach stellen sich die Zustände wie beschrieben ein.
Doch - in dem von mir skizierten Fall ändert sich kein Feld, also kann ich innerhalb von - wie schnell schaltet ein MOSFET - Nanosekunden umschalten.
 
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