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Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Frage zu NPN Transistor


Autor: Tobias (Gast)
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Hallo,

ich habe ein Problem mit folgendem Szenario:

Ich möchte den Ausgang eines Operationsverstärkers (Signal liegt im 
Bereich -10...+10 V) über den Ausgang eines Mikrocontrollers auf Masse 
ziehen können. Um den OP nicht kurzzuschliessen, habe ich an dessen 
Ausgang also einen Widerstand 220R plaziert, und gehe damit auf den 
Kollektor eines BC547. Der Emitter ist mit Masse verbunden, als 
Basiswiderstand verwende ich 1k.

Im Experimentierstadium hat das ganze auch funktioniert: wenn die Basis 
"in der Luft hängt", kommt das OP-Signal -10...+10V unverändert durch. 
Wenn ich die Basis auf +5V lege, wird das Signal gegen Masse 
kurzgeschlossen.

Nun möchte ich die Basis aber über einen Mikrocontroller-Pin (AVR) 
schalten, so dass es den Zustand "in der Luft" nicht gibt. Wenn der Pin 
an ist (+5V), wird das Signal wie erwartet gegen Masse kurzgeschlossen. 
Wenn der Pin aber aus ist, wird der negative Bereich des Signals 
beschnitten, das Ausgangssignal liegt dann nur noch im Bereich 
-2...+10V. Selbiges Verhalten habe ich auch, wenn ich den Pin im 
Aus-Zustand auf Eingang schalte (müsste dann ja ein offener Tri-State 
sein).

Wenn am Kollektor etwas negatives liegt, an der Basis aber ein Potenzial 
>=0V, scheint hier etwas schiefzugehn.

Kann mir jemand helfen, wie ich mein Signal schalten kann? 
Analogelektronik ist leider nicht meine Stärke...

Danke & Gruß Tobias

Autor: Michael U. (amiga)
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Hallo,

ohne jetzt über Sinn oder Unsinn dieser Schaltung nachzudenken (10V an 
220 Ohm sind immernhin noch 45mA für den OPV-Ausgang):
wenn die Ausgangsspannung negativ wird leitet die CB-Diode und damit 
auch die Schutzdioden an den AVR-Pins.

Lege eine Diode in die Basisleitung mit Anode zum Pin und Katode zur 
Basis in Reihe zum Basiswiderstand.

Gruß aus Berlin
Michael

Autor: Lothar Miller (lkmiller) (Moderator) Benutzerseite
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> (Signal liegt im Bereich -10...+10 V)
> ... gehe damit auf den Kollektor eines BC547.
> Wenn ich die Basis auf +5V lege, wird das Signal gegen Masse
> kurzgeschlossen.
Sicher? Was wird wohl der npn-Transistor sagen, wenn du negative 
Spannung über den OPAmp+Widerstand auf den Kollektor legst?

> Lege eine Diode in die Basisleitung mit Anode zum Pin und Katode zur
> Basis in Reihe zum Basiswiderstand.
Dann kommst du mindestens auf ca. -3V   ;-)

Ich würde sagen, der Ansatz ist unsauber.

Autor: yalu (Gast)
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Je nach Last am Ausgang des OPV, könnte ein Analog(um)schalter eine
Lösung sein. Dieser hat natürlich einen gewissen Innenwiderstand, der
sich bei höheren Strömen evtl. negativ bemerkbar macht. Alternativ
könnte man den Analogschalter an geeigneter Stelle am Eingang oder im
Gegenkopplungszweig des OPV platzieren. Je nachdem, wie deine
OPV-Schaltung aussieht, gibt es wahrscheinlich noch weitere
Möglichkeiten.

Den OPV-Ausgang über die auf Masse geschalteten 220Ohm zu vergewaltigen,
empfinde ich wie Michael U. nicht als die feine englische ;-)

Autor: Jens G. (jensig)
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nehme doch einen MOSFET (solche ohne interne Bodydiode, bzw. solche, bei 
denen man Bulk noch auf ein separates Potential legen kann). Bei denen 
sind Drain und Source von Natur aus beliebig beschaltbar, was Polarität 
angeht (weil unipolare Bauteile).
Leider fällt mir z.Zt. kein konkreter Typ ein :-(

Autor: Michael Lenz (hochbett)
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Hallo Tobias,

> Ich möchte den Ausgang eines Operationsverstärkers (Signal liegt im
> Bereich -10...+10 V) über den Ausgang eines Mikrocontrollers auf Masse
> ziehen können.
> Um den OP nicht kurzzuschliessen, habe ich an dessen
> Ausgang also einen Widerstand 220R plaziert,
Dann ziehst Du den Ausgang nicht auf Masse, obwohl Du ihn stark 
belastest.
Was soll Dir die Schaltung bringen?

> und gehe damit auf den
> Kollektor eines BC547. Der Emitter ist mit Masse verbunden, als
> Basiswiderstand verwende ich 1k.

> Nun möchte ich die Basis aber über einen Mikrocontroller-Pin (AVR)
> schalten, so dass es den Zustand "in der Luft" nicht gibt. Wenn der Pin
> an ist (+5V), wird das Signal wie erwartet gegen Masse kurzgeschlossen.
> Wenn der Pin aber aus ist, wird der negative Bereich des Signals
> beschnitten, das Ausgangssignal liegt dann nur noch im Bereich
> -2...+10V.
Du betreibst den Transistor dann invers. Die Basis-Kollektor-Diode wird 
durchgesteuert und macht die Emitter-Kollektor-Strecke leitfähig.
Das macht man gelegentlich, da dann die 
Emitter-Kollektor-Sättigungsspannung dann kleiner ist als im 
Normalbetrieb.
Die Stromverstärkung ist dabei jedoch wesentlich kleiner, und der 
Transistor ist deutlich weniger spannungsfest.


> Kann mir jemand helfen, wie ich mein Signal schalten kann?
Wahrscheinlich schon. Aber so nicht. Einen OPV-Ausgang mit einem 
Transistor auf Masse zu ziehen, hört sich nach ziemlichem Murks an, und 
es drängt sich mir die Frage auf, weshalb Du den OPV-Ausgang nicht über 
den OPV-Eingang beeinflussen willst. Du solltest also schon was über den 
Sinn der Schaltung sagen und die Schaltung angeben.


Gruß,
  Michael

Autor: Michael U. (amiga)
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Hallo,

@Lothar Miller: warum? bei positiver Ausgangsspannung des OPV sperrt die 
CB-Diode. Bei negativer wird diese zwar leitend, die Diode in der 
Basis-Leitung sperrt aber jetzt( - an Katode). Für die 
Transistor-Ansteuerung vom AVR ist sie aber leitend (+ an der Anode, - 
über BE-Diode an GND).

Allerings geht das trotzdem so nicht, es werden maximal ca. -6V am 
OPV-Ausgang. Irgendwo zwischen 5V und 6V wird die BE-Diode rückwärts 
leitend...

Vergessen wird das einfach. :-)

Gruß aus Berlin
Michael

Autor: ralf (Gast)
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Hallo Tobias,

wenn es richtig gut und einfach werden soll verwende einen OPV mit 
Shutdown.

Autor: Lothar Miller (lkmiller) (Moderator) Benutzerseite
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@ Michael U. (amiga)
> - an Katode
Also + an Anode?
So bringe ich üblicherweise Dioden zum Leiten....

> Vergessen wird das einfach. :-)
Besser ist das weglassen. Und:
Vergessen wird einfach. ;-)

@ Tobias
> wenn es richtig gut und einfach werden soll
> verwende einen OPV mit Shutdown.
Oder beschreibe doch einfach, warum du sowas machen willst.
Evtl. gibts einen anderen/üblicheren Weg.

Wenn du vor einem Problem stehst, zu dessen Behebung ein Bauteil erst 
noch erfunden werden muß, kann es sein, dass du auf dem falschen Weg 
bist ;-)

Autor: ralf (Gast)
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@Lothar

Tobias hat doch geschrieben das er ein Signal von -10...+10V schalten 
will. Da bietet sich ein OPV mit Shutdown an z.B. 
LT1218,LT6010,OPA211...

Autor: Lothar Miller (lkmiller) (Moderator) Benutzerseite
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ralf wrote:
> @Lothar
> Tobias hat doch geschrieben das er ein Signal von -10...+10V schalten
> will. Da bietet sich ein OPV mit Shutdown an z.B. ...
Nicht unbedingt. Er will:
>> den Ausgang eines Operationsverstärkers über den Ausgang eines
>> Mikrocontrollers auf Masse ziehen können.
Ein hochohmiger OP-Ausgang hat mit Masse nichts zu tun   ;-)

Autor: ralf (Gast)
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@Lothar,

da hasst du natürlich recht wenn die angeschlossene Last auch noch sehr 
hochohmig ist bracht es noch ein Widerstand nach Masse.   ;-)

Autor: Michael Lenz (hochbett)
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Hallo Lothar,
>>> den Ausgang eines Operationsverstärkers über den Ausgang eines
>>> Mikrocontrollers auf Masse ziehen können.
> Ein hochohmiger OP-Ausgang hat mit Masse nichts zu tun   ;-)

Wenn es von der Geschwindigkeit her ausreicht, soll er einfach ein 
Relais nehmen. Spannungsquellen kurzschließen hört sich aber trotzdem 
nach Murks an.


Gruß,
  Michael

Autor: Tobias (Gast)
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Hallo nochmal,

vielen Dank für die zahlreichen Denkanstösse!
In der Hoffnung auf eine Lösung OHNE Relais versuche ich hier mal die 
Schaltung zu erklären (siehe Anhang).

Ein differentielles Signal, das von extern kommt, bestimmt die Lage 
eines Aktors, der durch eine Magnetspule möglichst schnell positioniert 
werden soll. Dieser Aktor inkl. Ansteuerelektronik ist eine 
Fertigkomponente und erwartet nur noch ein Signal im Bereich -10...+10V 
als Vorgabe für die Position.
Nun ist es aber so, dass die Magnetspule schnell durchbrennt, wenn 
innerhalb kurzer Zeit zu viele zu starke Richtungswechsel kommen. Daher 
ist es üblich, das Ansteuersignal zu überwachen (in diesem Fall per 
AVR), um im Notfall eine Abschaltung durchführen zu können.

Der Linke OPV im Bild macht aus dem differentiellen Signal (jeweils +/- 
5V) ein single-ended Signal +/- 10V.
Der rechte OPV wandelt dieses Signal in den Bereich 0...5V, das dann auf 
den ADC des AVR geht.

Mittlerweile habe ich festgestellt, dass der Treiber der Magnetspule 
einen relativ hochohmigen Eingang hat, man könnte den 220R auch 
vergrössern. Ich wollte mir einen weiteren OPV als Puffer sparen. Da es 
eh nur eine Abschaltung im Notfall ist, kann dann lieber der OPV 45mA 
verbraten, als dass die Magnetspule durchbrennt.

Aus platzgründen möchte ich mit so wenig IC's wie möglich auskommen. Das 
mit dem Analogschalter ist daher nicht so ideal. Da bereits erste 
Prototypen existieren, würde ich auch gern beim TL074 als OPV bleiben, 
und nicht auf Modelle mit Shutdown umsteigen.

Das aus meiner Sicht schönste wäre tatsächlich, wenn ich nur die 
Ansteuerung der Transistor-Basis ändere oder einen MOSFET (kenne mich 
damit leider überhaupt nicht aus) verwende. Wie gesagt funktioniert die 
Schaltung, wenn ich die Basis in der Luft hängen habe bzw. mit +5V 
verbinde. Nur wenn die Basis auf 0V liegt, wird mein Signal ungewollt 
beschnitten. Ich bräuchte also ein Teil, das den Zustand "in der Luft 
hängen" abbildet. Wenn es nicht anders geht werde ich wohl doch auf 
einen Analogschalter zurückgreifen müssen, auch wenn dieser etwas viel 
Platz benötigt.

Über Alternativvorschläge wäre ich sehr dankbar.
Schönes WE, Tobias

Autor: ralf (Gast)
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Hallo Tobias,

für die Ansteuerung brauchst du einen zusätzlichen PNP Transistor. 
Kollektor an R119, Emitter an +5V und Basis über 1k zum AVR. Das ist 
aber wie oben schon geschrieben keine gute Lösung weil -10V für den 
BC547 in Inversrichtung schon zuviel sind. Besser ist z.B. ein DG419 
Analogumschalter. Sein SO8-Gehäuse ist auch nicht größer als die zwei 
Transistoren und drei Widerstände.

Autor: Tobias (Gast)
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OK, danke für den konkreten Tipp.
Als Schnellschuss werde ich das mit dem PNP versuchen.
Werde mich für die endgültige Lösung aber wohl mit dem Analogschalter 
anfreunden müssen, denn eine Notabschaltung mit Transistoren die 
jenseits der Spec betrieben werden ist wohl auch nicht so das wahre.
Schöne Woche, Tobias

Autor: Thomas S. (tsalzer)
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Ohne alles im Detail gelesen zu haben.
Früher hat man das so gemacht, dass über den Rückkopplungswiderstand des 
OP ein symmetrischer Fet gelegt wurde. Damit kann der Ausgang des Fet 
dann entweder unbeeinflusst bleiben, oder bei Ansteuerung des Fet eben 
auf virtuell Null geschaltet werden.
Ich würde heute jedoch Analogschalter einsetzen.

guude
ts

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