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Forum: Mikrocontroller und Digitale Elektronik Verständnisfrage: Transistor an Microcontroller


Autor: Polzi (Gast)
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Hallo,

ich entwickle gerade eine Zeitschaltuhr, die eine Belichtungseinheit für 
Platinen für eine gewisse Zeit anschalten und automatisch abschalten 
soll. Ich wollte jetzt verschiedene Möglichkeite recherchieren, wie ich 
die Einheit (LED-Cluster) am besten Schalten kann. Ursprünglich war mein 
Gedanke einen Transistor mit 5V durchzuschalten, um ein Relais mit 12V 
durchzuschalten.

Ich bin nun auf folgenden Thread gestoßen:

Beitrag "Verständnisfrage Last schalten PNP Transistor"

Ich glaube, dass dieses irgendwie etwas mit meiner Schaltung zu tun hat.

Ich habe meine Schaltung im Anhang. Der µC wird natürlich über einen 
7805 an 5V betrieben. Wieso würde es den Atmega8 jetzt damit schrotten? 
Ich hätte jetzt gesagt, da von Kollektor zur Basis ein Strom fließen 
würde (12V-->5V), aber das würde ja bei GND noch drastischer auftreten, 
halte ich jetzt also für Quatsch.

Kann mich jemand aufklären und mir eine Alternative nennen?


Mit vielen Grüßen

Polzi

Autor: HildeK (Gast)
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>Ich habe meine Schaltung im Anhang.
Daran musst du noch arbeiten ...

Autor: Polzi (Gast)
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Enschuldigung. Kann man als Gast seine Beiträge nicht editieren?

Autor: Benedikt K. (benedikt) (Moderator)
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Polzi wrote:
> Kann man als Gast seine Beiträge nicht editieren?

Nein, wie soll das denn auch gehen? Es gibt ja keine Möglichkeit dich 
eindeutig als Ersteller der Nachricht zu identifizieren.

Autor: HildeK (Gast)
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So geht es aus zwei Gründen nicht:
- Basisvorwiderstand 
http://www.mikrocontroller.net/articles/Basiswiderstand
- Freilaufdiode am Relais 
http://www.mikrocontroller.net/articles/Relais_mit...

Wieviel Strom willst du den schalten können? Denke einfach mal über 
einen n-MOSFET nach - ohne Relais.

Autor: Daniel P. (polzi)
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Okay. Da hast du natürlich Recht. Das war jetzt meine eigene Dummheit. 
Wollte ich natürlich noch einbauen, aber wo lag den bei dem Kollegen das 
Problem und tritt diese bei mir nicht auf? Vielleicht seh ich den Wald 
vor lauter Bäumen nicht? Mosfet ist so ne Sache. Der Stiefvater meiner 
Freundin ist Elektrotechniker (Und was weiß ich, wo er noch ne 
Meisterprüfung hat) und der meinte, dass die Dinger sowas von 
empfindlich sind... Weiß nicht, ob das für mich das richtige ist. Ohne 
Erdung, ohne großes Wissen (Baue erst seit Ende 2007).

EDIT: Schalten möchte ich 32x0,02A=0,64A, aber ich brauche 12V für die 
Belichtungseinheit.

Autor: HildeK (Gast)
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>Mosfet ist so ne Sache.
Ganz so schlimm ist es nicht. Ja, das Gate ist sehr hochohmig und 
deshalb empfindlicher auf ESD als bipolare Bauteile. Beim Handling das G 
immer schön mit Source verbunden lassen. Um ganz sicher zu gehen, kannst 
du mit einem Stück Alufolie die drei Beinchen kurzschließen, bis er 
eingelötet ist.

>aber wo lag den bei dem Kollegen das Problem
Habe den Fred nicht gelesen. Vielleicht wollte er unbedingt seine Last 
an Masse angeschlossen haben. Wenn das bei dir egal ist (Anschluss so 
wie in deinem Bild, nur statt Relais die LEDs), ist es kein Problem.

Wenn du den Basisvorwiderstand hinzufügst, geht das mit einem bipolaren 
Transistor. Zu klären ist aber noch, welchen Strom du durch das 
LED-Array schicken willst. Davon abhängig muss der Transistor gewählt 
werden (u.U. auch ein Darlington). Deshalb mein Vorschlag mit dem MOSFET 
- das ist wirklich am Einfachsten. Bei einem geeigneten Typ kannst du 
mit den 5V aus deinem µC viele Amperes schalten, bei geringer 
Verlustleistung.
Ein Relais ist dann zu empfehlen, wenn die Versorgungen des 
Controllerstromkreises und des LED-Stromkreises getrennt bleiben müssen.

Sehe gerade:
>EDIT: Schalten möchte ich 32x0,02A=0,64A, aber ich brauche 12V für die
>Belichtungseinheit.
Geht gerade so noch mit einem BC337, BC140-16/141-16 sind auch ganz gut 
oder als Darlington BD679. MOSFET z.B. IRFD014.
Kuck mal da: 
http://www.mikrocontroller.net/articles/Mosfet-%C3...

Autor: Daniel P. (polzi)
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Hey, danke für die umfangreiche Antwort.

Die Idee mit der Alufolie ist gar nicht blöd. Ich schau mal was ich hier 
noch für Transistoren habe... Einen BD 433, falls dir der was sagt? 
Angeblich bis 4A, aber im Datenblatt steht irgendwas, dass der für 
Autoradios sei :-) 635, 636, 639, 640 habich noch. Die gehen bis 1A, das 
sollte eigentlich reichen, die nehm ich glaubich. Aber was ist den nun 
mit der Schaltung? Kann ich mit den 5V aus dem Controller die 12V 
Schalten? Beide Spannungen kommen aus einem Netzteil und haben die selbe 
Masse, aber ich bin mir da nicht so ganz schlüssig. Kann mir jemand 
definitiv sagen, ob das geht?

EDIT: Die Reihe mit 337 habe ich auch in allen Verstärkungsstufen. Aber 
lieber auf Nummer Sicher und den 635er?

Autor: Gast (Gast)
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>Einen BD 433, falls dir der was sagt?
>Angeblich bis 4A, aber im Datenblatt steht irgendwas, dass der für
>Autoradios sei :-)

Was im Autoradio funzt, taugt auch für andere Scherze... ;-)

0.64 A willst Du schalten, das packt der BD433 locker. DC Current Gain 
liegt laut Datenblatt bei 100, d. h. in die Basis sollten mindestens 6.4 
mA fließen. Bei 330 Ohm Basisvorwiderstand und 5 V Spannung sind's 15 
mA; das halte ich für einen guten Wert (die Übersättigung schadet dem 
Transistor nicht und er ist dann garantiert ganz "auf"). Gibt auch keine 
Lieferschwierigkeiten seitens des AVRs. Kühlkörper brauchst Du keinen, 
da ja kaum Leistung umgesetzt wird.

>Kann ich mit den 5V aus dem Controller die 12V Schalten?

Eindeutig ja. Der µC kriegt von den 12 V ja gar nichts mit; er sieht nur 
die eine Seite des Basisvorwiderstands, die er entweder mit GND oder mit 
5 V verbindet.

Autor: Daniel P. (polzi)
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Das freut mich wirklich. Keine Ahnung, was ich mir da mit der verlinkten 
Seite zusammengesponnen habe. Naja, die Schaltung auf dieser kapiere ich 
trotzdem noch nicht... :-)

Danke für die ausführliche und freundliche Hilfe, bin ich von Gulli 
nicht gewohnt.

Autor: Daniel P. (polzi)
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Ich habe mir das Datenblatt des BD433 genauer angesehen. Da steht, dass 
die "Emitter-Base Voltage" maximal 5V betragen darf und das auch nur, 
wenn kein Kollektorstrom fließt (Ic=0). Dann wäre ich mit 5V 
Steuerspannung aber schon hart am Limit. Oder habe ich da jetzt einen 
Denkfehler drin?

Außerdem ist der Verstäkungsfaktor bei 500mA und 1V etwa 85 - 140. Die 
nächste Stufe ist 2A und 1V mit hfe=50. Wie kommst du auf hfe=100? Man 
rechnet schließlich mit dem ungünstigsten Fall, nämlich hfe=65 
(geschätzt bei 0,64A). Dann würde der Basiswiderstand kleiner ausfallen.

Sorry, dass ich den letzten Beitrag nicht editiert habe, aber da war 
wieder kein Link zum bearbeiten, obwohl ich eingeloggt war.

EDIT: Ich glaube, das heißt, dass das Emitterpotenzial nur 5V höher sein 
darf, wie das Basispotenzial, oder? Das wäre jetzt aber peinlich... :-)

Autor: stepp64 (Gast)
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Ein NPN mit Emitter an Masse und Last am Kollektor ist kein Problem für 
den µC, da über der Basis-Emitterstrecke immer nur die 5V 
anliegen/abfallen. Die 12V treten nur an der Collektor-Emitterstrecke 
auf. Einen PNP darfst du aber nicht so anschliesen, da dort die 12V in 
den µC schlagen können.

Sven

Autor: Daniel P. (polzi)
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Aha, dann liegts praktisch an der Art des Transistors, also ob NPN oder 
PNP? Dann werde ich mich doch mal schalu machen, warum das so ist. Denke 
für die Hilfe!

Autor: Gast (Gast)
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>Da steht, dass
>die "Emitter-Base Voltage" maximal 5V betragen darf und das auch nur,
>wenn kein Kollektorstrom fließt (Ic=0). Dann wäre ich mit 5V
>Steuerspannung aber schon hart am Limit.

Du hast doch den Basisvorwiderstand drin. An dem werden von den 5 V 
Steuerspannung vom µC-Ausgangspin etwa 4.3 V abfallen. Die restlichen 
0.7 V bleiben als BE-Spannung für den Transistor übrig. Miss es mal 
nach!

Die "Base Emitter Voltage"-Angabe von 5 V unter den absolute maximum 
ratings im Datenblatt hat einen anderen Hintergrund. Manche Leute 
schalten Transistoren nicht dauerhaft, sondern periodisch nur für eine 
sehr kurze Zeit ein, z. B. 1 ms an, danach 7 ms aus, danach wieder 1 ms 
ein, und danach wieder 7 ms aus und immer so weiter. Man sagt 
Pulsbetrieb dazu. Eine typische Anwendung dafür ist das Zeit-Multiplexen 
von Anzeigemodulen, das dazu dient, die Anzahl der benötigten 
Steuerleitungen zu reduzieren. Eine 8-stellige Siebensegment-Anzeige hat 
insgesamt 56 Segmente, aber es wäre teuer (Platinendesign, Kabel, 
µC-Pins) so viele Leitungen von einem extra großen µC dahin zu führen. 
Multiplexen heißt das Zauberwort: je ein Pin und ein Transistor für jede 
der acht Stellen, und je ein Pin für jedes der sieben Segmente, macht 
zusammen 8 + 7 = 15 I/O-Pins. Die acht Stellen werden über die 
Treibertransistoren reihum so schnell durchgeschaltet (125 Hz), dass das 
träge menschliche Auge davon nichts merkt. Für den Betrachter sind 
einfach alle Stellen gleichzeitig an; in Wirklichkeit leuchtet zu jedem 
Zeitpunkt nur eine. Damit die aber auch hell leuchtet und nicht nur 
glimmt, muss man während der kurzen Einschaltphase einen viel höheren 
Strom durchjagen, damit es im zeitlichen Mittel wieder passt (das 
zeitliche Mittel ist für die Helligkeit entscheidend). Ihr Transistor 
muss also kurzzeitig einen hohen Strom schalten können. Dazu muss man in 
seine Basis richtig was reinpowern, was einen kleinen Basisvorwiderstand 
erfordert. Aber was geht maximal? Genau darüber gibt nun das 
Basis-Emitter-Voltage-Limit im Datenblatt Auskunft: Das grundsätzlich 
äußerste Erlaubte ist, die Basis ohne Vorwiderstand (!) auf 5 V zu legen 
(gemessen gegen den Emitter), für eine hinreichend kurze Zeit versteht 
sich. Die Zeit noch kürzer wählen und die Basis zum Ausgleich auf 10 V 
legen ist dagegen nicht mehr zulässig; dafür garantiert der Hersteller 
keine korrekte Funktion mehr.

>Außerdem ist der Verstäkungsfaktor bei 500mA und 1V etwa 85 - 140.

Das ist ja nicht so furchtbar weit weg von 100, oder? Ich hab die 100 
mehr als "Hausnummer" genommen, um eine erste Vorstellung von der Größe 
des  Basisstroms zu bekommen (6.4 mA), und dann den Basiswiderstand mit 
330 Ohm so gewählt, dass mehr als das Doppelte davon fließt (15 mA).

>Dann würde der Basiswiderstand kleiner ausfallen.

Ist ja kein Problem, vorausgesetzt, der µC-Ausgang kann den Strom auch 
bereitstellen. Nimm Dein DMM zur Hand und lass den Transistor die echte 
Last einschalten, mit Basis über 330 Ohm an 5 V. Zwischen Kollektor und 
Emitter (= GND) stellt sich eine bestimmte Spannung "UCEsat" ein. Sie 
liegt bei wenigen 100 mV, evtl. auch deutlich darunter. Je kleiner sie 
ist, desto besser ist der Transistor "auf". Miss diese Spannung. Wenn 
sie Dir zu groß erscheint (>500 mV), verkleinerst Du den 
Basisvorwiderstand passend.

>dass das Emitterpotenzial nur 5V höher sein
>darf, wie das Basispotenzial, oder?

Umgekehrt, das Basispotential darf im äußersten Grenzfall 5 V höher sein 
als das Emitterpotential, aber niemals noch höher.

Autor: Igor Metwet (bastel-wastel)
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>>dass das Emitterpotenzial nur 5V höher sein
>>darf, wie das Basispotenzial, oder?
>
> Umgekehrt, das Basispotential darf im äußersten Grenzfall 5 V höher sein
> als das Emitterpotential, aber niemals noch höher.

Blöde Frage: Wie soll das funktionieren? Zwischen Basis und Emitter ist 
doch ne Diodenstrecke.
Brechen die angeschlossenen 5V aus dem Beispiel nicht zusammen? Gibt 
doch einen riesigen Strom..

Autor: Gast (Gast)
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>Brechen die angeschlossenen 5V aus dem Beispiel nicht zusammen? Gibt
>doch einen riesigen Strom.

Nein.  Wenn sonst kein Basisvorwiderstand da ist, wird der Basisstrom 
durch den internen, durch das Halbleitermaterial selbst verursachten 
Basisbahnwiderstand begrenzt. Er bewegt sich bei Leistungstransistoren 
im Bereich 1...10 Ohm (*). Nehmen wir mal 10 Ohm für den BD433 an 
("medium power transistor"), dann kommen wir für die maximalen 5 V 
BE-Spannung auf einen Basisstrom von 500 mA. Ganz schön happig, könnte 
man meinen. Andererseits: Der BD433 packt laut Datenblatt 7 A 
Kollektorstrom im Pulsbetrieb. Damit er die schalten kann, muss er 
kräftig übersättigt werden, d. h. das IC/IB-Verhältnis darf nicht zu 
groß sein. Da die Stromverstärkung bei hohen Strömen ohnehin nicht so 
toll ist, rechnen wir mal mit IC/IB = 20. Das ergibt einen nötigen 
Basistrom von 7 A/20 = 350 mA.  Und schau an, das ist gar nicht so weit 
weg von den 500 mA. Fazit: Es "passt" durchaus.

(*) 
http://de.wikipedia.org/wiki/Ersatzschaltungen_des...

Autor: Igor Metwet (bastel-wastel)
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Ah - ok. Dank dir.

Autor: Daniel P. (polzi)
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Also es tut mir jetzt echt leid, aber ich habe mich jetzt dumm und 
dusslig gesucht und ich habe zum Thema "12V mit 5V schalten" sehr viele 
Schaltungen gefunden, aber keine einzige, bei der die Basis eines 
NPN-Transistors über einen Widerstand direkt an einen IO-Pin 
angeschlossen wird. Teilweise finde ich da sehr abstruse Dinge, 
Konstruktionen mit Komplementärtypen, Rückkopplungen und noch vieles 
mehr...

Ich bin jetzt wirklich verwirrt, aber ich habe mein eigentliches 
Vorhaben nochmal als Bild angehängt. Der Atmega bracuht natürlich noch 
Feinheiten, wie eine Taktversorgung und eine ISP-Schnittstelle, 
Abblockkondensator und an PortD einen Steckverbinder zum LCD, aber ich 
denke die Funktion sollte klar sein: Ich möchte eine Belichtungseinheit 
mit dem Ersatzwiderstand von 12V/0,64A=18,75R über einen Transistor 
(BD433) per Atmega8 ein- und wieder ausschalten. Das komplizierte daran 
ist wohl, dass das Kollektorpotenzial höher ist, wie das Basispotenzial.

Wenn jetzt irgenjemand Einwände hat, so möge er mir diese doch bitte 
nennen. Ich bestelle vor dem Bau eh noch bei Reichelt, daher sind 
Änderungen kein Problem, aber da ich eine Bauanleitung zur Verfügung 
stellen möchte, sollte die Schaltung schon funktionieren und nicht in 
Rauch aufgehen.


Vielen Dank und die Bitte um Entschuldigung meiner Blödheit

Polzi

Autor: Daniel P. (polzi)
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Ich muss aber nicht verstehen, warum dieses blöde Bild sich einfach 
nicht an meinen vorherigen Beitrag anhängen lässt?

Autor: Gast (Gast)
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>Ich möchte eine Belichtungseinheit
>mit dem Ersatzwiderstand von 12V/0,64A=18,75R über einen Transistor
>(BD433) per Atmega8 ein- und wieder ausschalten.

Dann musst Du es nur genau so machen wie in Deinem Schaltplan. Stimmt 
doch alles.

>Das komplizierte daran
>ist wohl, dass das Kollektorpotenzial höher ist, wie das Basispotenzial.

Nein, Du siehst Kompliziertheiten wo keine sind. Wenn Dir die Sache aber 
partout nicht geheuer ist, dann mach in Jesus Namen von einem 
Optokoppler Gebrauch (z. B. 4N35, Reichelt, 0.17 €). Oder alternativ von 
einem 5 V-Kleinrelais (die klicken so schön). Das aber über nen BC337 o. 
ä. schalten, nicht direkt an den µC-Pin hängen. Und die Freilaufdiode 
nicht vergessen.

Autor: Daniel P. (polzi)
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Okay, okay. Ich sag ja schon nichts mehr :-)

Ich finde es halt einfach komisch, dass im Forum x Lösungen für dieses 
Problem bestehen und es trotzdem eine so einfach gibt.

Ich denke das ist damit durch. Danke für die Hilfe

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