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Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Was passiert bei zu großem Kollektorstrom am Transistor


Autor: Der Micha (steinadler)
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Hallo ihr Lieben,

wie äußert es sich denn, wenn der Bedarf an Kollektorstrom an einem 
Transistor größer ist, als vom Basiswiderstand+Verstärkung zugelassen??

Autor: Jörg Wunsch (dl8dtl) (Moderator) Benutzerseite
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Da der Transistor nur den damit vorgegebenen Strom zu liefern bereit
ist, wird seine Kollektor-Emitter-Spannung entsprechend ansteigen.
Damit setzt er plötzlich ziemlich viel Verlustleistung um.

Autor: Andreas K. (a-k)
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Basisstrom mal Verstärkung ergibt den maximal fliessenden 
Kollektorstrom. Was das für die Schaltung bedeutet, hängt von ebendieser 
Schaltung ab.

Autor: Gast123 (Gast)
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Du meinst, der Kollektorstrom ist größer als durch 
Basisstrom*Stromverstärkung vorgegeben? Ich denke der Spannungsabfall 
U_CE wird sich soweit erhöhen bis es wieder passt.

Du spielst bestimmt auf einen Transistor als Schalter an, dessen Last zu 
niederohmig ist bei gegebenem Arbeitspunkt. In dem Fall kommt der 
Transistor in den linearen Bereich, es gibt also nennenswert 
Spannungsabfall und nennenswert Strom, also auch Verlustleistung. Der 
Transistor wird warm, evtl. haucht er auch seinen magischen Rauch aus 
;-)

Autor: Der Micha (steinadler)
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Hm...

und wenn der Arbeitspunkt so eingestellt ist, dass der Transistor 
weniger, als seinen zulässigen Kollektorstrom durchlässt, ist dann mit 
ausreichender Kühlung ein Defekt des Transistors auszuschließen?

Autor: Andreas K. (a-k)
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Es kann sein Leben auch im zweiten Durchbruch beenden. Hierzu gibt es im 
Datasheet eine Grafik zur SOA = Safe Operating Area.

Autor: Jörg Wunsch (dl8dtl) (Moderator) Benutzerseite
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Micha R. wrote:

> und wenn der Arbeitspunkt so eingestellt ist, dass der Transistor
> weniger, als seinen zulässigen Kollektorstrom durchlässt, ist dann mit
> ausreichender Kühlung ein Defekt des Transistors auszuschließen?

Antwort vom Sender Jerewan: ,,Im Prinzip, ja, aber...''

Der Haken ist die ,,ausreichende Kühlung''.  Je nach dem inneren
Wärmewiderstand (zwischen der Sperrschicht und dem Gehäuse, ab dem
du es mit dem Kühlkörper selbst in der Hand hast, wie du die Wärme
ableitest) kann die Sperrschicht bei zu hoher Verlustleistung selbst
dann zu heiß werden, wenn du draußen auf Zimmertemperatur bleibst.

Daher gibt es für jeden Transistor im Datenblatt die Angabe einer
maximal zulässigen Verlustleistung, die nur zusammen mit den
entsprechenden Bedingungen gilt.  Bei Kleinleistungstransistoren
(die ohne externe Kühlung betrieben werden) wird dafür in der Regel
eine Umgebungstemperatur von 45 °C angesetzt, bei Leistungstransistoren
dagegen bezieht man sich auf Gehäusetemperaturen von meist 25 °C oder
45 °C.

Autor: Der Micha (steinadler)
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Also ich habe noch solche Kondensatoren da, die gehen bis 1,5A.

Wie wäre das denn in dem konkreten Fall?
Max. Operating Junction Temperature ist hier 150 °C angegeben.

Der benötigte Kollektorstrom wird sich so auf 200 mA belaufen.

Autor: Der Micha (steinadler)
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Hier das Datenblatt...

Da steht was von 10°C/W.

Bei 200mA wären das genau 1Watt.

Also müsste sich der Transistor um 10°C erwärmen?
Wären wir also bei ca. 40°C?

Autor: Andreas K. (a-k)
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Micha R. wrote:

> Also ich habe noch solche Kondensatoren da, die gehen bis 1,5A.

Zwecks Kondensationskühlung, oder was soll das sein? ;-)

> Der benötigte Kollektorstrom wird sich so auf 200 mA belaufen.

Die maximal zulässige Kollektor-Emitter-Spannung ergibt sich dann aus 
der thermischen Grenze (vulgo Kühlung) und der inneren Kurve in der 
erwähnten Grafik auf Seite 2.

Autor: Gast123 (Gast)
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Solange du unter 30V U_CE bleibst, sollte dem Transistor nix passieren. 
Du willst ihn als Schalter für I_C = 200mA benutzen?

Dann: I_B = I_C / h_fe = 200mA / 40(min) = 5mA

Ich würde den Basisstrom dann aber schon deutlich drüber wählen, damit 
der Transistor ganz sicher voll durchgesteuert ist. Ein maximaler 
Basisstrom ist jetzt glaub ich im Datenblatt nicht angegeben. Ich denke 
20mA sollte in Ordnung gehen. Aber ohne Gewähr :-)

Gerade gesehen: V_CE(sat)* ist unter der Bedingung I_B = 50mA angegeben, 
also sollte das wohl wirklich gehen.

Autor: Der Micha (steinadler)
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Andreas Kaiser wrote:
> Zwecks Kondensationskühlung, oder was soll das sein? ;-)

Ich hab glaube keinen anderen, der 200mA zulässt.

Andreas Kaiser wrote:
> Die maximal zulässige Kollektor-Emitter-Spannung ergibt sich dann aus
> der thermischen Grenze (vulgo Kühlung) und der inneren Kurve in der
> erwähnten Grafik auf Seite 2.

Wenn es aber doch nur 5V gibt???

Autor: Jörg Wunsch (dl8dtl) (Moderator) Benutzerseite
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Micha R. wrote:
> Hier das Datenblatt...

Nun, steht doch da: maximale Verlustleistung bei 25 °C Umgebungs-
temperatur (also ohne externe Kühlung) 1,25 W.  Bei 200 mA Ic
dürfen also maximal 6,25 V Kollektor-Emitter-Spannung anliegen.
Wenn du mehr brauchst, musst du extern kühlen.  Die maximale
Verlustleistung bei idealer Kühlung (25 °C am Gehäuse) beträgt
12,5 W, d. h. er würde dann bis zu 62,5 V verkraften können.

Die reale Kühlung liegt irgendwo dazwischen.  Der innere Wärme-
widerstand ist mit 10 K/W angegeben (dort fälschlicherweise als
10 °C/W bezeichnet -- die Amis stehen seit Jahr und Tag mit SI-
Einheiten auf Kriegsfuß).  Wenn der Transistor maximal 12 V
zwischen Kollektor und Emitter bei 200 mA abkönnen soll, wären
das 2,4 W.  Der gesamte zulässige Wärmewiderstand des Kühlsystems
ergibt sich dabei aus (Tjmax - Tamb) / Ptot zu:

(150 °C - 45 °C) / 2,4 W = 105 K / 2,4 W = 43,75 K/W.

10 K/W bringt davon der innere Wärmewiderstand, sodass dein
Kühlkörper für 33,75 K/W dimensioniert sein muss.  Bei Kühlprofilen
gibt es oft eine Angabe, welchen Wärmewiderstand man mit welcher
Länge des Profils erreichen kann, damit kannst du das dann bemessen.

Falls der Transistor isoliert montiert werden soll, bringt die
Isolationsscheibe (i. d. R. eine Glimmerscheibe) noch einen
zusätzlichen Wärmewiderstand mit ein.

Die genannte SOA (safe operationg area) steht auch im Datenblatt
drin.  Für 200 mA liegst du demnach bei Dauerlast (DC) bis ca.
35 V Kollektor-Emitter-Spannung im sicheren Bereich.

Autor: Jörg Wunsch (dl8dtl) (Moderator) Benutzerseite
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p.s.: Dass du nur maximal 5 V damit betreiben willst, hättest du
gleich schreiben können, dann hätte ich mir die Abhandlung über
die Kühlkörperdimensionierung klemmen können...  Die damit maximal
möglichen 1 W Verlustleistung kann er ja ohne Kühlkörper ab.  Aber
Vorsicht!  Das Äußere des Transitors wird sich dabei auf > 100 °C
erwärmen.

Autor: Der Micha (steinadler)
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Also konkret zu meinem Fall:

Spannung CE:   5V
Strom CE:      0,2A
Transistor:    BD139

Wie ich aus euren Antworten schlau werde, kann der in diesem Fall einen 
Kurzschluss ab!?
Richtig verstanden?

Autor: Andreas K. (a-k)
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Micha R. wrote:

> Ich hab glaube keinen anderen, der 200mA zulässt.

Schon ok, aber du hattest "Kondensatoren" statt "Transistoren" 
geschrieben. ;-)

> Wenn es aber doch nur 5V gibt???

Was bislang nirgends erwähnt wurde.

Autor: Der Micha (steinadler)
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Jörg Wunsch wrote:
> p.s.: Dass du nur maximal 5 V damit betreiben willst, hättest du
> gleich schreiben können.

Das hab ich im Eifer des Gefechtes wirklich vergessen, sorry.
Aber trotzdem Danke für deine Mühe.

Wo kommen denn die > 100 °C her?
Ich denk 10K/W ?
Und wenn, wie lang dauert das Aufheizen denn in etwa?

> Das Äußere des Transitors wird sich dabei auf > 100 °C
> erwärmen.

Also nix für ein Holzgehäuse...

Autor: Andreas K. (a-k)
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Micha R. wrote:

> Wie ich aus euren Antworten schlau werde, kann der in diesem Fall einen
> Kurzschluss ab!?

Ja. Wäre nur zu berücksichtigen, dass die Verstärkung mit der Temperatur 
anwächst, d.h. wenn die 200mA ausschliesslich über den Basisstrom 
begrenzt werden, ist der typische Wert der Stromverstärkung bei 25°C bei 
einem Dauerkurzschluss nicht nützlich.

Und wenn der Basisstrom auf 200mA im schlimmsten Fall berechnet wird, 
wirst du kaum je 200mA durch den Transistor hindurch kriegen, weil die 
Verstärkung üblicherweise weit geringer sein wird.

Autor: Der Micha (steinadler)
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Andreas Kaiser wrote:
> Micha R. wrote:
> Ja. Wäre nur zu berücksichtigen, dass die Verstärkung mit der Temperatur
> anwächst, d.h. wenn die 200mA ausschliesslich über den Basisstrom
> begrenzt werden, ist der typische Wert der Stromverstärkung bei 25°C bei
> einem Dauerkurzschluss nicht nützlich.

Dann würde der Kollektorstrom ja größer werden?

> Und wenn der Basisstrom auf 200mA im schlimmsten Fall berechnet wird,
> wirst du kaum je 200mA durch den Transistor hindurch kriegen, weil die
> Verstärkung üblicherweise weit geringer sein wird.

Naja... ich hätte ja bis hoch zu 1,5 A Platz, da könnte man den 
Basiswiderstand etwas größer dimensionieren.

Autor: Andreas K. (a-k)
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Micha R. wrote:

> Naja... ich hätte ja bis hoch zu 1,5 A Platz, da könnte man den
> Basiswiderstand etwas größer dimensionieren.

Dann musst du das thermische Limit berücksichtigen, d.h. du musst für 
Dauerkurzschluss auf 7,5W kühlen, was recht monströs wird.

Und weil die Stromverstärkung sich eben in eine recht weiten Beereich 
bewegen kann (beispielsweise 40-200), pflegt man 
Dauerkurzschlussfestigkeit bei Leistungstransistoren nur selten über 
begrenzten Basisstrom zu realisieren.

Was umgekehrt wiederum zur Folge hat, dass die meisten Datasheets den 
möglichen Bereich der Stromverstärkung garnicht dokumentieren. Wie hier.

Autor: Der Micha (steinadler)
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Andreas Kaiser wrote:
> Dauerkurzschlussfestigkeit bei Leistungstransistoren nur selten über
> begrenzten Basisstrom zu realisieren.

Also wäre für diesen Fall eine Konstantstromquelle besser?

Autor: Andreas K. (a-k)
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Wenn du mit dem Spannungsverlust leben kannst.

Alternativen sind Kaltleiter, elektronische Sicherungen, stinknormale 
Schmelzsicherungen, elektronische Überstrom/Kurzschlusserkennung, ...

Autor: Jörg Wunsch (dl8dtl) (Moderator) Benutzerseite
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Micha R. wrote:

> Wo kommen denn die > 100 °C her?
> Ich denk 10K/W ?

Das ist der innere Wärmewiderstand, also der zwischen Sperrschicht
und der Gehäuseoberfläche.

Wenn du jetzt die maximale Leistung ohne Kühlkörper nimmst und die
maximale Sperrschichttemperatur, dann ergibt sich ein Gesamt-
Wärmewiderstand von (150 - 25) K / 1,25 W, also 100 K/W.  Davon
kannst du die inneren 10 K/W abziehen, dann bleiben vom Gehäuse in
die Umgebung 90 K/W.  Da du maximal 1 W umsetzt, wird die Gehäuse-
oberfläche folglich 90 K wärmer als die Umgebung, also bei 25 °C
ca. 115 °C heiß.  (Im Inneren kommen dann nochmal 10 K dazu, also
wird die Sperrschicht 125 °C heiß.)

> Und wenn, wie lang dauert das Aufheizen denn in etwa?

Das lässt sich nicht so einfach beantworten.  Da aber die Wärme-
kapazität des Gehäuses nicht sehr groß ist, kannst du davon
ausgehen, dass das schon etwa nach ca. 30 s erreicht werden kann.

Autor: Andreas K. (a-k)
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Um mal echte Zahlen aus einem etwas ausführlicheren Datasheet zu bringen 
(Valvo'74): Der BD135 hat demzufolge bei 2V/150mA eine Stromverstärkung 
zwischen 40 und 250. Basierend darauf kann man wohl kaum eine sinnvolle 
Strombegrenzung dimensionieren.

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