Abwärtswandler, quietschende/jammernde Induktivität

Ich habe ein Problem mit meinem selbstgebauten Abwärtswandler. Es basiert auf einem TL494-Steuerchip mit meinem diskreten MOSFET-Treiber. Das Problem ist, dass mein Induktor quietscht und jault, wenn der Ausgangsstrom einen bestimmten Wert überschreitet.

Als Induktivität habe ich zunächst eine gängige Ringkerndrossel aus einem alten ATX-Netzteil (gelbe Farbe mit einem weißen Gesicht) verwendet. Allerdings merkte ich, dass es sehr heiß wurde, und das war nicht der Verlust in meinem Kupferdraht, sondern der Kern, der nicht für Schaltanwendungen geeignet war, sondern eher für Filterzwecke. Dann zerlegte ich einen kleinen Ferrittransformator, wickelte meinen eigenen Induktor darauf, aber er quietschte wieder.

Dann dachte ich, es könnte daran liegen, dass die Kerne nicht optimal verklebt sind, also entschied ich mich für einen größeren Transformator (wahrscheinlich EPCOS E 30/15/7 mit rundem Mittelteil, aber leider habe ich keine Ahnung von dem Material, das in diesem Kern verwendet wird, und ob es Lücken hat oder nicht), aber dieses Mal mit sorgfältig entfernten Wicklungen, ohne den Kern auseinander zu nehmen.

Das Ergebnis war akzeptabel (mein Signalgenerator ist noch nicht angekommen, daher kann ich die Induktivität nicht genau messen, aber sie liegt im Bereich von 10 uH, 6 Windungen (von ein paar Drähten, um den Skin-Effekt zu reduzieren)). Es quietscht immer noch, aber nur bei Spannungen und Strömen, die mit meiner LED-Beleuchtung wahrscheinlich nicht erreicht werden (im Grunde möchte ich meinen eigenen DC-DC-Wandler erstellen, um die an LEDs angelegte Spannung zu steuern, anstatt PWM zu verwenden, was zu viel EMI erzeugt ).

Hier sind die Wellenformen (Strom, der durch die Induktivität fließt, gemessener Spannungsabfall über einem 0,082-Ω-Widerstand ~0,1 Ω), die ich aufgenommen habe, als ich einen Eisenpulverkern (gelb-weiß) als Induktivitätskern verwendete. Jede Wellenform ist DC-gekoppelt.

Niedriger Ausgangsstrom: ca. 1A

Strom - 1A fließt durch eine Induktivität

Mittlerer Ausgangsstrom: ca. 2A

Strom - 2A fließt durch eine Induktivität

Hoher Ausgangsstrom: ca. 3A. Auf dieser Stufe beginnt das Quietschen. Ich muss aber betonen, dass der Induktorkern auf ca. 90 °C. Dies sah im Grunde wie eine Wellenform von oben aus, aber moduliert durch eine niederfrequente Sinuswelle.

Strom - 3A fließt durch eine Induktivität

Ich konnte die Stromwellenform nicht zwischen einem bestimmten Pegel oszillieren lassen, ohne 0A zu berühren. Ich habe gesehen, dass es in Bildern von Wellenformen online und in einem OSKJ XL4016-Abwärtswandler mit einem Oszilloskop nicht erreichen sollte. Es sah so aus: (Entschuldigung für die gemalte Wellenform, aber leider habe ich es nicht gespeichert; es beweist nur den Punkt)

CCM

Hier sind die Wellenformen, die ich mit meiner aktuellen Ferrit-Transformator-Induktivität in dem Moment erhalten habe, in dem das Quietschen beginnt.

Spannung und Strom durch eine Induktivität

Kanal 1 (gelb): Strom
Kanal 2 (blau): Spannung über Induktivität.

An dieser Stelle tritt ein Quietschen auf. Ich habe versucht, den Ausgangskondensator zu erhöhen und zu verringern, aber das Problem wurde im Allgemeinen nicht gelöst. Außerdem wird das Klingeln gedämpft, wenn ich den nicht isolierten MOSFET-Kühlkörper berühre, habe ich keine Ahnung, warum dieses Klingeln überhaupt existiert.

Dies ist mein Schema (es ist nicht ganz das, was ich auf meiner Platine habe, aber die Änderungen sind nur subtil, wie Potentiometer anstelle von 2 Widerständen und fein abgestimmter Kondensatorwert, um eine Frequenz von 100 kHz zu erhalten). Pin 2 ist aktuell mit Vref und Pin 16 mit GND verbunden, um den Wandler dauerhaft einzuschalten, Vin – Eingangsspannung = 24V. Aufgrund des hohen Spitzenstroms der Diode D5 wurde sie durch eine haltbarere für 5 A ersetzt:

Mein Schema

D4, C2, R15 wurden schließlich durch eine bessere und robustere Lösung ersetzt, die jedoch keinen Einfluss auf die Wellenformen an Induktor L1 hat. Dies ist mein PCB-Layout, es wurde für eine andere Anwendung entwickelt (erfordert 0,5 A – 1 A max, also habe ich dort keinen Kühlkörper hinzugefügt). Außerdem wurden die Werte einiger Widerstände und Kondensatoren manuell angepasst, um einen guten Wirkungsgrad von ~86 % bei Volllast zu erzielen. Der Großteil der verschwendeten Leistung passiert im MOSFET Q7, wahrscheinlich aufgrund der langsamen steigenden und fallenden Flanke des Gate-Signals und Rds (ein), bei 0,3 Ω.

Mein Platinenlayout

Jetzt (während des Testens) wird der Induktor über der Lötschicht aufgehängt (weil er zu groß ist, um in den vorgesehenen Platz zu passen, als ich diese Platine entwarf, wusste ich nicht, dass ich keinen normalen Eisenpulverkern verwenden kann auf meiner anderen Konverter, basierend auf LM2576 hat es gut funktioniert, aber es gibt Probleme mit der Spannungsregelung, also wollte ich das entwerfen). Zuletzt habe ich Spannung und Strom bei dieser Spannung aufgezeichnet, bei der der Induktor hörbar zu quietschen begann, hier sind die Ergebnisse:

  • 5 V – 0,150 A ← min. Ausgangsspannung
  • 6 V – 0,300 A
  • 7 V – 0,400 A
  • 8 V – 1 A
  • 9 V – 2,5 A
  • 10 V – 2,7 A
  • 11 V – 3,1 A ← Nennausgangsstrom
  • 12 V – 3,1+ A
  • 13 V – 3,1+ A ← maximale Ausgangsspannung

Danach senkte ich die Induktivität, indem ich 1 Windung abwickelte, und es begann bei viel niedrigeren Strömen zu quietschen. Dasselbe passiert, wenn ich weitere Wicklungen hinzufüge. Wenn ich die Frequenz ändere, passiert nichts Interessantes. Ich habe auch die Kondensator- und Induktorwerte anhand der Formeln im TL494-Datenblatt berechnet, aber auch bei diesen quietschte es. Jede Strommessung wurde auf der Ausgangsseite des Induktors durchgeführt. Ich habe den ESR meines Ausgangskondensators gemessen und der LCR-T4-Tester zeigte 0,09 Ω.

Zusammenfassend: Ich habe ein Problem mit einem jammernden / quietschenden Induktor und weiß nicht, wie ich es beheben soll.

Auf jeder Ebene ziehen meine LED-Leuchten weniger Strom, was erforderlich ist, um den Induktor zum Quietschen zu bringen, aber mein Herz möchte wirklich wissen, warum das passiert und was ich nicht verstehe oder falsch verstehe. Bitte hilf mir. Wenn ich Details übersehen habe, werde ich sie in einem Kommentar zu dieser Frage schreiben. Entschuldigen Sie eventuelle Fehler in meinem „Englisch“, es ist nicht meine Muttersprache. Ich habe keine Erfahrung auf diesem Gebiet, also verzeihen Sie mir bitte, wenn ich einige große Fehler gemacht habe.

Bearbeiten:"Auf jeder Stufe ziehen meine LED-Leuchten weniger Strom, der benötigt wird, um die Induktivität zum Quietschen zu bringen" - Ich meine, dass die LEDs immer weniger Strom ziehen sollten, als erforderlich ist, um die Induktivität zum Quietschen zu bringen ⇒ im normalen Betrieb sollte die Induktivität dies nicht tun quietschen. Ich habe ein Video hochgeladen, das Wellenformen auf YouTube zeigt, während Ausgangsstrom, Schaltfrequenz und Ausgangsspannung geändert werden. Die Last ist meine provisorische "Konstantstromlast", die aus einem MOSFET und einem Potentiometer besteht, das die Spannung am MOSFET-Gate regelt, es ist grob, aber es funktioniert. Wie mehmet.ali.anil schrieb (aber jetzt sehe ich, dass er seine Antwort gelöscht hat), habe ich die Induktivität auf ungefähr 200 uH erhöht, indem ich einen neuen Draht gewickelt habe, und am Ende des Videos können Sie sehen, dass ich versehentlich die Frequenz eingestellt habe ein "perfekter" Wert, der zu erfolgreicher CCM-Arbeit führte, aber es quietscht die ganze Zeit leise und besonders bei Änderung der Ausgangsspannung. Außerdem ist die Frequenz mit ~300 kHz wirklich nah am Limit. Ich hätte vorher ein ähnliches Video hochladen sollen, sorry. Hier ist der Link dazu:https://youtu.be/tgllx-tegwo

Ich habe meine Antwort gelöscht, weil ich den Fall missverstanden habe.
Wenn das Quietschen bei hohem Strom auftritt, könnte der Sättigungsstrom die Ursache sein? Nach einem Schwellenstrom geht die Induktivität schlagartig auf Null, da das Feld keine magnetischen Dipole mehr erzeugen kann. Dieser Strom ist stark temperaturabhängig und wird durch das Kernmaterial bestimmt.
Drain to Heatsink-Kapazitätsquelle: ecee.colorado.edu/~ecen5797/course_material/layout.pdf Meine eigentliche Quelle zum Kühlkörper war diese auf EMC: learnemc.com/pcb-layout Ich fand es interessant, deshalb erinnerte ich mich Es.
Wahrscheinlich nicht das Problem, aber reine Elektrolytkondensatoren für Eingang und Ausgang sind bei weitem nicht immer eine sichere Sache. Bemerken Sie einen Unterschied, wenn Sie beispielsweise 1 uF-Film parallel zu jedem platzieren? Welche Frequenz hat das Quietschen? Ist es irgendwo in der Nähe der LC-Zeitkonstante Ihres Ausgangs?
Ihr Schalter ist in seiner Regelschleife chaotisch geworden, daher die zwei unterschiedlichen Einschaltzeiten. Switcher, die mit vielen Parasiten modelliert wurden, weisen leicht chaotische Regionen auf; Das IEEE Yellow Rag (Systems and Circuits Journal) hatte eine Reihe von Artikeln zu diesen Themen.
+1 für eine sehr gut formulierte Frage. Sicher, der Ansatz stammt aus den 1960er Jahren, aber Sie werden jede Menge lernen, wenn Sie an Ihrem Ansatz festhalten und ihn zum Laufen bringen. Dies ist viel besser als sogenannte Ingenieure, die etwas googeln und nichts lernen.
Es ist nicht ganz die Technologie der 1960er Jahre :) ; Als ich mein recht neues DPS5015 als Tischnetzteil bekam, war ich etwas fasziniert, dass es 750 W liefern kann und ein Abwärtswandler ist. Meine Experimente mit TL494, als ich kein Oszilloskop hatte, schlugen nacheinander fehl, ich verstand nicht, was ich falsch machte. Ich fand heraus, dass DPS5015 TL594 verwendet, und dann verstand ich endlich meine Fehler, baute mein erstes SMPS auf und kam mit diesem Design. Der Zweck war, mein PCB-Layout zu testen und wenn alles gut funktionierte, es als Batterieladegerät für meine USV zu verwenden. Letztendlich habe ich es für diesen Test verwendet.
3A/us di/dt. Ich würde mal deinen Induktivitätswert prüfen. Für eine Induktivität di/dt=V/L

Antworten (2)

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Obwohl der 594 ein viel höheres GBW und eine engere 5-V-Toleranz als der 494 hat, haben sie immer noch ein Referenzdesign, das 20 kHz anstelle von 100 kHz für die Schaltgeschwindigkeit verwendet. Es ermöglicht auch einen niedrigeren C-Wert für die f-Steuerung. Alles andere scheint identisch zu sein, sodass Sie den 494 mit einigen Änderungen besser funktionieren lassen können.

Ihr Design scheint seltsame Totzeiten zu haben, möglicherweise aufgrund eines schwachen Gegentaktstroms oder einer Totzeitspannung. Ihr Push-Pull-Treiberdesign hat eine Kombination aus f/2 (subharmonisch) von f mit einem schwachen Basisstrom, der eine gewisse Instabilität verursacht. Daher würde ich vorschlagen, dass Sie die Basiswiderstände auf 330 Ohm anstelle von 10 K reduzieren und 20 kHz Single-Ended auf Rc = 10x Rb verwenden, um den FET bei Bedarf mit einem Spannungsteiler oder Zener anzusteuern, um Vgs auf 20 V zu begrenzen.

Diese Kombination ermöglicht 1 % Totzeit und eine strengere Regelung von 0 % PWM bis 99 %. Aber überprüfen Sie die Totzeiteinstellung.

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Magnetische Komponenten können hörbare Geräusche erzeugen, da sie viele physisch bewegliche Elemente wie Spulen, Isolierbänder und Spulen enthalten. Der Strom in den Spulen erzeugt elektromagnetische Felder, die zwischen den Spulen abstoßende und/oder anziehende Kräfte erzeugen. Dies kann eine mechanische Vibration in den Spulen, Ferritkernen oder Isolierbändern erzeugen, und das menschliche Ohr kann das Geräusch gerade noch hören, wenn die Schaltfrequenz der Stromversorgung im Bereich von 20 Hz bis 20 KHz liegt.

Mögliche Korrekturen

  • Verringern Sie die Flussschwankungen Bpp durch die Wahl von Imax/Imin und der Schaltrate
  • Flussumkehrungen verhindern, wenn sie im DC-Modus mit CM-Strom mit einer Last von mindestens >=5% verwendet werden. ( nicht ideal)
  • Minimieren Sie den L-Widerstand, DCR, was einen Stufenanstieg vor der Stromrampe verursacht und effektiv eine Welligkeit und somit ein Rauschen zum Regelkreis hinzufügt. Berechnen Sie das L/R-Verhältnis und vergleichen Sie es mit der C*ESR-Zeitkonstante für eine niedrige ESR-Kappe und reduzieren Sie so die Reaktorzeitkonstanten.

Der Ferrit hat magnetische Domänen, die eine Hysterese verursachen, wenn die Stromrichtung umgekehrt wird. Diese mit Strom zu erregen, um dann 0 A zurückzugeben, stimuliert eine gewisse Vibration, aber warum?

Hypothese

Wenn das subharmonische f/2 instabil ist, was zu einer modulierten Impulsbreite führt und sich mit den 100 kHz-Hauptfrequenz vermischt, die in der unteren Zyklusrate verwendet wird, kann es zu einem wilden Superhet-Audio-Quietschen von 100 k - 50 k kommen, das diesen Ton von 0 bis 50 kHz erzeugt.

  • Änderungen am Feedback-Filter (Lead-Lag-Filter) können dies verbessern.

Update Nr. 2

Der OP hat zufällig entdeckt, wie man einen Phasen-Lead-Filter zur Verbesserung der Stabilität herstellt https://m.imgur.com/nBEd18F , die nächste Verbesserung ist ein Phasen-„Lead-Lag-Filter“ zur Optimierung der Stabilitätsspanne. Es könnten zwei Kappen und eine Serie R anstelle von 1 Kappe verwendet werden. Eine Kappe ist 10x größer mit einer Reihe von etwa 1/10 des R, das zur Steuerung von Vdc verwendet wird. Sie hat ein größeres C und ein niedrigeres R, um den Bereich der Impulsleitungskorrekturspannung zu reduzieren, aber die Welligkeit nicht zu stark zu verstärken als eine 1/10 kleinere Shunt-Kappe in // mit der Rückkopplung R, die als HPF wirkt, um den Inhalt höherer Frequenzen in Impulsen zu reduzieren, um die Ausgangswelligkeit zu reduzieren. (Entschuldigung, kein Schema mit meinem Finger auf dem Touchscreen)

  • Update beenden

Wenn der Strom im Induktor stoppt, sagen wir, dass er im diskontinuierlichen Modus (DCM) arbeitet und der Schalter zu diesem Zeitpunkt geöffnet sein muss und eine geringe Stromlast angelegt wird. Der Schalter stellt eine kleine Kapazität in Reihe mit L dar, die eine hochohmige parallele // Resonanz von 6 MHz auf Ihrer letzten Kurve erzeugt, die in <10 us abfällt. Dies wird durch den Hautwiderstand und die niedrigere Frequenz durch die Haut- und Körperkapazität gedämpft. (?100k//200pF??) wenn der Kühlkörper berührt wird, ist aber nicht das Problem für Rauschen.

Dies ist das aktuelle Schaltbild für meinen MOSFET-Treiber: imgur.com/VWLBdt3 . Auf dem alten hatte ich Spannungsabfälle (ich konnte die Quelle nicht finden, oberhalb eines bestimmten Stroms fiel die Spannung auf magische Weise ab, selbst wenn ich einen LM317-Regler anstelle einer Zenerdiode verwendete). Dieser hat das Problem behoben.
Wenn es funktioniert, OK, aber die BJT-Impedanzreduzierung ist suboptimal 3k2 tp 2k bis 2k zu FET, wenn es 330 oder 470 zu FET sein könnte
Es stellt sich heraus, dass ich keine Totzeit hinzugefügt habe, weil der Widerstand diesen Pin auf Masse zieht. Jetzt, da ich ein Potentiometer hinzugefügt habe, um die Spannung von 0 V auf 5 V zu regulieren, konnte ich die Totzeit auf eine bestimmte Ausgangsspannung und einen bestimmten Strom feinabstimmen, es hat das Jammern vollständig entfernt, ABER als ich die Spannung verringerte, kehrte das Zischen zurück, Ich habe die Totzeit erhöht, OK, aber dann konnte ich wegen der verringerten Einschaltzeit nicht auf die höhere Spannung zurückkehren. Ein weiteres Problem ist, dass ich die gewünschte Spannung wählen und dann den Strom erhöhen kann; Wenn ich es anders mache, kommt das Zischen zurück.
Zischen ist oft Cap ESR ist zu hoch, daher wird der Welligkeitsstrom des Induktors zu hoch.
Ich habe einen Folienkondensator in Reihe geschaltet (ich habe seinen ESR mit meinem LCR-T4-Tester überprüft und er hat 0,00 Ω angezeigt), aber er hat nichts bewirkt. Ich habe es noch einmal mit einem Eisenpulverkern versucht, aber diesmal in CCM, aber es ist die gleiche Geschichte wie zuvor: Bei einer bestimmten Ausgangsleistung funktioniert es, aber bei einer anderen quietscht es. Letztendlich kehrte ich zu meinem letzten "Arbeitszustand" zurück, der Ferrittransformator, 6 Drahtwindungen, DCM war. Es funktioniert irgendwie, aber nicht so, wie ich es gerne hätte. Ich werde in Zukunft definitiv auf dieses Thema zurückkommen, aber jetzt habe ich keine Ahnung, was ich anders machen könnte (außer den zweiten Komparator als Strombegrenzer zu verwenden).
Aber du hast nichts von dem versucht, was ich gesagt habe. Verwenden Sie einen unsymmetrischen BJT mit 330 am Kollektor und führen Sie ihn mit einem einzelnen niedrigeren f aus. Keine Subharmonischen oder positive Impulsänderung in der Impulsbreite
Ihr Push-Pull ist hier nicht gut.
Ich habe den Treiber gewechselt, den Induktor mit 1 Tap zurückgespult und mir Optionen gegeben: 60uH, 110uH, 320uH. Um es kurz zu machen: Es funktioniert, aber wenn der Arbeitszyklus 50 % überschreitet, beginnt es zu quietschen, was dazu führt, dass ich die Totzeit erhöhen muss, und dann tritt es in CCM statt in DCM ein. Wenn ich die Spannung senke, wiederholt sich der Vorgang, aber hier liegt das Problem: Die Gesamteinschaltdauer wird reduziert. Wenn ich also die Ausgangsspannung und dann den Strom erhöhe, sinkt die Spannung, da der Wandler mit einer niedrigeren Einschaltdauer nicht Schritt halten kann. Dasselbe passiert bei allen 3 Induktoren. Hier ist der Link: youtu.be/W5TNQeSOvdg
Ich glaube, ich habe endlich die Lösung gefunden: Ich habe an dieser Stelle einen 4-nF-Kondensator hinzugefügt: imgur.com/nBEd18F , und es scheint gut zu funktionieren, die Umwandlung von DCM zu CCM geht endlich ohne Quietschen. Es ist immer noch nicht perfekt, ich werde versuchen, den Induktor von 60 uH (bei 320 uH funktioniert es nicht) auf etwas anderes zu ändern, ich werde zu meiner Excel-Tabelle zurückkehren, um den Wert neu zu berechnen und zu sehen, was passiert. Wenn Ihre Antwort irgendwie so lautete (ich verstehe nicht alles), dann bestätigen Sie dies bitte. Ich werde einige zusätzliche Tests durchführen und die Ergebnisse posten.
Dies ist mein aktueller MOSFET-"Treiber", da ich keine 150-Ω-1-W-Widerstände hatte, habe ich ein paar 200-Ω-Widerstände verwendet, wie im Schaltplan: imgur.com/CC4Totx
Dann kannst du 1k verwenden
Ich habe das zweite Update nicht gesehen, als ich meine Antwort gepostet habe, bin ich noch neu bei diesem Dienst. Ich habe Schwierigkeiten zu verstehen, was Sie meinten, kaufen Ich werde mein Bestes geben, um diese Idee ebenfalls zu testen.

Die Lösung zur Lösung dieses Problems besteht darin, ein negatives Feedback hinzuzufügen, wie in diesem Video https://youtu.be/wNnOfF1NkxI?t=1584 erklärt. Zuerst habe ich einen Kondensator zwischen dem Ausgang und dem Feedback-Pin des TL494 hinzugefügt, es scheint das Problem gelöst zu haben, aber es funktioniert nicht so gut wie das Hinzufügen eines richtigen negativen Feedbacks. Ich habe einige Tests durchgeführt, die dies belegen: Zuerst erhöhe ich den Strom von 0A auf 3A und dann ändere ich die Oszillatorfrequenz von ~170 kHz auf ~20 kHz und gehe dann bis zum "Crash" (nehme ich an) hoch TL494 ⇒ jenseits von 300 kHz und dann zurück zu ~170 kHz. Gelbe Spur - Spannung am Oszillatorkondensator, blaue Spur - Strom, der durch die Induktivität fließt. Der Induktor jault jetzt nicht sondern zischt, das hängt vom verwendeten Kern ab, denn als ich es mit EI probiert habe, war es weniger auffällig (über Nacht hat sich das Klebeband gelöst und der Induktor hat angefangen zu quietschen, jetzt experimentiere ich mit Nagellack als a Möglichkeit, den Kern zu kleben und ihn trotzdem auseinander nehmen zu können), Dieser Test wurde mit einem werkseitig geklebten EE-Kern durchgeführt. Der Screenshot einer „Spectroid“-App wird erstellt, wenn der Ausgangsstrom bei 3 A liegt, und unten können Sie den 20-kHz-Moment und oben 300 kHz sehen.

Gegenkopplung + Kondensator https://youtu.be/S9KfA9NNXkE Gegenkopplung + Kondensator

Negatives Feedback https://youtu.be/h1AN7rQTDa4 Negative Rückmeldung

Kondensator https://youtu.be/7h7OzDj9q8Y Kondensator

Nichts (Anfangsproblem) https://youtu.be/nVOfPynJRGE Nichts

Mit Gegenkopplung und Kondensator meine ich:Erläuterung

Später werde ich prüfen, ob mein Push-Pull-MOSFET-Treiber jetzt gut funktioniert. Bei Bedarf kann ich eine erweiterte Aufnahme machen und die von der Induktivität erzeugte Frequenz anzeigen, die der Oszillatorfrequenz entspricht.

I_supply_min ist I = U / (R25 + R7) = 19v /(200+200) = 0,05À (12v -> 0,03À), ist 0,05À zu groß? Darf R25 zwischen 2K...200K eingestellt werden ohne Funktionsbeeinträchtigung? (Siehe: 19 Volt verursachen Notebook Vcc zwischen 12 und 21 Volt, 19*0,05 = 1 Watt. Die Leistung von Mini-PC 1% CPU = 20 Watt gesamt, 1 Watt ist zu groß).
Abwärtswandler, quietschende/jammernde Induktivität
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