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Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Transistor als Schalter


Autor: Yücel Atalay (yuetzi)
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Hallo Leute, bitte um Hilfe!

Gegeben:

NPN Transistor, an der Basis 5V und Emitterwiderstand 10k

Im Datenblatt steht VBEsat 0,7V. Ich verstehe dass so:

wenn ich den Transistor als Schalter betreiben möchte, muss ich diese 
VBEsat mindestens erreichen. Verstehe ich das richtig?


Gilt dann auch:

wenn dieser Transistor als Schalter betrieben wird, fällt an B-E 
definitiv die 0,7V (VBEsat) ab?

Gruß

Autor: Raimund Rabe (corvuscorax)
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Die B-E-Strecke eines Transistors kann man als Diode 'sehen' und hat 
auch die Kennlinie einer Diode, d.h. mit steigendem Strom steigt die 
Spannung exponentiell an. In einem Diagramm mit linearem Maßstab sieht 
man dann die übliche Kennlinie mit dem charakteristischen Knick bei etwa 
0,7V (für Si-Dioden zumindest, bei Schottky-Dioden liegt der Knick bei 
etwas kleineren Spannungen).
Die VBEsat solltest Du allerdings bei (schnellen) Schalteranwendungen 
vermeiden, da hierbei die B-E-Strecke mit Ladungsträgern überschwemmt 
wird und das Abschalten (also Sperren) des Transistor damit ungemein 
verlangsamt wird. Für Schalteranwendungen ist eher die VCEsat 
interessanter, d.h. der Spanungsabfall über die C-E-Strecke, wo der zu 
schaltende Laststrom fließt, wenn der Transistor durchgeschaltet ist.
Für Schalteranwendungen ist außerdem noch der Stromverstärkungsfaktor 
'ß' von Interesse, denn ein Bipolartransistor ist eine sogenannte CCCS 
(d.h. Current Controlled Current Source) und die sich ergebende Spannung 
an der B-E-Strecke ergibt sich aus der Kennlinie bei gegebenen Strom 
durch seine B-E-Strecke. Also den max. zu schaltenden Strom als 
Grundlage nehmen, diesen durch 'ß' teilen, und voilá hat man den minimal 
nötigen Basisstrom, den man, auf welche Art und Weise auch immer 
erzeugt, fließen lassen muß.

Autor: Yücel Atalay (yuetzi)
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ich muss an meinem beschriebenen transistor, bei dem ich nur die 
Spannung an der Basis (5V), B=50 und den Emitterwiderstand (10k) kenne, 
die Ströme IB und IC berechnen, und zwar die max. möglichen.

Ich weiß nun nicht, wie ich vorgehen soll...

Autor: Gast (Gast)
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URE=UB-UBEsat =4,3V
IRE~IC=URE/RE = 0,43mA
IB = (IC~IE)/B = 0,43mA/50 = 8,6µA

Autor: Yücel Atalay (yuetzi)
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Danke erst einmal...

Vielleicht ist das nun zu viel gefragt:

kann man bei einer worst case Berechnung einfach sagen, IC ungefähr 
IE???

Autor: Gast (Gast)
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bei Stromverstärkungsfaktoren größer 20 schon. Dein Beispiel: wieviel % 
macht 8,6µA bei 430µA?

Autor: Yücel Atalay (yuetzi)
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2%

Autor: Gast (Gast)
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richtig :)
Was ich damit sagen wollte ist, bis zu 10% Fehler ist unerheblich.

Autor: Raimund Rabe (corvuscorax)
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Aaaaaha.

Wenn kein Datenblatt (mit Kennlinien) zum Transistor gegeben ist, dann 
nimmt man halt üblicherweise ein B-E-Spannung von 0,7 an - egal bei 
welchem Basisstrom. Das macht die (Überschlags-)Berechnung einfacher.

Nun die simple Berechnung:

Bei einer gegebenen Basisspannung von 5V müssen folglich 4,3V über dem 
Emitterwiderstand abfallen (U_R_Emitter = U_Basis - U_Basis_Emitter => 
4,3V = 5V - 0,7V).
Der Strom durch den Emitter setzt sich nun allerdings aus dem 
resultierenden Kollektorstrom und dem Basisstrom zusammen.
Da der Emitterwiderstand 10k hat und 4,3V über ihm anliegen, fließt 
folglich ein Emitterstrom von 4,3V / 10kOhm = 430µA.
Da wir ja auch noch wissen, daß B=50 ist, können wir somit nun auch den 
Basis- als auch den Kollektorstrom alleine berechnen:

I_Emitter = I_Basis + I_Collector

mit I_Collector = I_Basis * 50 ergibt sich

I_Emitter = I_Basis + 50 * I_Basis = 51 * I_Basis

Die Formel schnell umgestellt, folgt daraus:

I_Basis = I_Emitter / 51   =>   430µA / 51 = 8,43µA

Abschließend ergibt sich der Kollektorstrom aus der Differenz von 
Emitterstrom und Basisstrom:

I_Collector = I_Emitter - I_Basis   =>   430µA - 8,43µA = 421,57µA


So, nun habe ich Deine Hausaufgaben gemacht. Was bekomme ich dafür 
(abgesehen davon, daß ich alle Fehler behalten darf) ...? ;-)

Autor: Yücel Atalay (yuetzi)
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Ich habe bei der Berechnung folgendes Problem:

UB_REV = 32V
PIN_5010_ON_PWM =5V

Strom durch RN3620 (ganz unten links in der Schaltung): 5V-0,7V=4,3V
I=4,3/10k=0,4mA      => Ie ~ IC

Dann ist der Strom durch den Widerstand RN3620 über dem transistor 
~0,4mA


U_R3620 (erster Stang) = UBE=0,7V
I_R3620=0,7=4k75 = 0,14mA


So muss IB aus dem PNP Transistor    0,4mA - 0,14mA=0,26mA sein.

IC= B x IB = 50x 0,26mA = 13mA für den Transistor TN3621 zweiter Strang.

Es kann aber doch nicht sein, dass am RN3620 = 10k

130V abfallen. Das verstehe ich nicht...


Irgendwas mache ich total falsch...

Autor: Gast (Gast)
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Der Ruhm und seine Dankbarkeit wird dich ewig verfolgen.....

Autor: Yücel Atalay (yuetzi)
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Das ist ja schwieriger als die Aufgabe zu verstehen... :-)

Autor: Yücel Atalay (yuetzi)
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Hat keiner eine Idee?

Autor: Gast (Gast)
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das die Werte die oben berechnet worden sind, auch die Werte in der 
Schaltung sind, ist ja gar nicht sicher. Dazu müsstest du wissen wie 
groß
UB_REV ist.
Beispiel:
Zäum das Pferd anders herum auf:
Damit der PNP oben durchschaltet muss an dem 4,75K 0,7V abfallen. 
Entspricht einen Strom von 147µA. Angenommen der NPN in dem Zweig ist 
voll durchgeschaltet, fließen die 147µA durch 24,75K entsprechend 3,6V 
UB_REV, minus Restspannung über dem NPN also rund 3,3V usw.

Die Frage ist die, was willst du von der Schaltung wissen?

Autor: Yücel Atalay (yuetzi)
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UB_REV ist 32V. Die ist bekannt.

Ich muss eine Worst Case Berechnung durchführen, d.h. die 
Verlustleistungen ermitteln.

Kann es sein, dass ich erstmal die Bauteile rechts im Schaltplan 
berechnen muss?

Autor: Yücel Atalay (yuetzi)
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Acha ja, ich möchte den Spannungsabfall am RN3620 = 10k im 2.Strang 
direkt nach dem PNP wissen

Autor: Yücel Atalay (yuetzi)
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Bitte helft mir doch!!

Autor: Grallihurkh (Gast)
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Sooo schlimm??

Einfach mal losrechnen. Kirchhoff'sche Gleichungen, die üblichen 
Faustregeln, dann wirst Du es schon irgendwie schaffen.

Autor: Yücel Atalay (yuetzi)
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Glaub mir das habe ich schon. Mein Problem ist, dass ich an dem 
Widerstand über 140V raus bekomme.

Autor: Grallihurkh (Gast)
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Das klingt irgendwie zuviel bei der geringen Versorgungsspanung. 
Seltsam. Irgendwo muss da der Wurm drin sein.

Welches ist denn Deine nicht zutreffende Annahme?

Autor: Yücel Atalay (yuetzi)
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Der Spannugnsabfall unter dem PNP Transistor im 2. Strang. RN3620 mit 
10k.

Autor: Grallihurkh (Gast)
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Irgendwie sieht die Schaltung sowieso sehr kompliziert aus.

Soll die nur aus einer PWM eine Spannung machen? Ginge das nicht 
wesentlich einfacher?

Und dann die ganzen gleich benannten Widerstände... Das erschwert das 
Zurechtfinden.

Irgendwie sieht dieser ganze Teileverhau an sich schon aus wie eine Art 
"Worst Case".

Autor: Grallihurkh (Gast)
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Nee, der Spannungsabfall ist ja ein ERGEBNIS Deiner Bemühungen.

Eine falsche Annahme ist etwas, was Deiner Rechnung zugrundeliegt aber 
falsch ist, was Du also irgendwo in sie reingesteckt hast, nicht was 
rauskommt.

Autor: Grallihurkh (Gast)
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Und was soll da der zwischen B und E kurzgeschlossene Transistor am 
Ausgang?

Autor: Yücel Atalay (yuetzi)
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Wenn ich das wüsste...

Ich denke, dass ich an die Sache falsch ran gehe. Ich fange mit meinen 
Berechnungen links an, vielleicht sollte ich rechts, also Ausgangsseitig 
anfangen.

Autor: Yücel Atalay (yuetzi)
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Der kurzgeschlossene transistor ist eine Diode, die den Ausgang bei 
Kurzschluss absichert.

Autor: Grallihurkh (Gast)
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Eine falsche Annahme ist Dein:

IC= B x IB

Das kann natürlich nicht mehr so sein, wenn der Kollektorstrom durch die 
Widerstände begrenzt ist.

Autor: Grallihurkh (Gast)
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Wenn Du gedanklich gewissermaßen die Gültigkeit dieser Gleichung 
aufrecht erhalten willst, müsste der Transistor ja den erhöhten Strom 
erzwingen, also gewissermaßen als Stromgenerator arbeiten. Daher kommt 
Deine zu hohe Spannung an dem Widerstand.

Autor: Yücel Atalay (yuetzi)
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Aha, das klingt sehr interessant. Könntest Du das näher beschreiben?

Wenn ein transi als Schalter betrieben wird, kann ich doch mit hFE 
rechnen, oder???

Autor: Grallihurkh (Gast)
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Aufgrund dieser Gegebenheiten würde ich auch in keinem Fall erwarten, 
dass in dem linken Schaltungsteil bei der genannten Versorgungsspannung 
nennenswerte Verlustleistung entsteht. Ok, ausrechnen sollte man sie 
natürlich schon.

Kritisch wird es wohl erst, wenn die Ausgangsstufe ganz rechts 
durchschaltet, da hier nur kleine Widerstände sind. Man muss sich dabei 
dann auch fragen, was für schädliche Potentiale am Ausgang (von außen 
her) anliegen könnten, da die Ausgangsstufe ja (mehr oder weniger 
direkt) an die Versorgungsspannung durchgeschaltet wird.


Das mit der Transistordiode kommt mir nach wie vor komisch vor. Sowas 
habe ich noch nie gesehen, vielleicht irre ich mich also, aber soweit 
ich es sehe, kann der Transistor bei der Schaltung in der normalen 
Durchlassrichtung nie öffnen. Und wenn man ihn als Diode benutzen will, 
warum setzt man nicht eine Diode ein?

Autor: Grallihurkh (Gast)
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Wenn der Kollektorstrom von außen begrenzt ist, dann wird das hfe 
natürlich ab einem gewissen Basisstrom kleiner, weil ein höherer 
Kollektorstrom ja gar nicht möglich ist.

Somit könntest Du natürlich den durch die Widerstände begrenzten 
Maximalstrom einfach für die Worst-Case-Berechnung verwenden.

Ich würde sowas rückwärts rechnen, d.h. dass Du mit dem hfe ermitteln 
kannst, ab welchem Basisstrom der Transistor den durch die Widerstände 
vorgegebenen Maximalstrom erreicht hat.

Autor: Yücel Atalay (yuetzi)
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das muss ich mir mal erst reinziehen...

Autor: Yücel Atalay (yuetzi)
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Wenn ich folgendes Berechne:

Iges = UB_REV  /  (alle Widerstände aus dem 2. Strang, Uce 
vernachlässigen)
        = 32V / 31810ohm
        =1mA

Dann kann ich auf IB des PNP Transistors kommen durch hFE.

Meinst Du, so wärs ansatzweise richtig????

Autor: Grallihurkh (Gast)
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So ungefähr.

Aber woher hast Du die 32 kOhm? da sind doch nur 10kOhm drin, über den 
Kondensator gegen GND. Der C ist ein Kurzschluss bei hohen Frequenzen, 
somit können da (wenn man zunähcst mal nur diesen Zweig betrachtet) ca. 
3,2 mA fließen.

3,2 mA / B(eta) [ich tu mal so als wär's 100) = mindestens 32 µA 
Basisstrom, damit dieser Zweig voll aufschaltet.

Autor: Yücel Atalay (yuetzi)
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Ich nahm an, dass beide Kondensatoren voll geladen sind. Dann habe ich 
einfach den Strang weiter verfolgt.

Aber Du hast glaube ich Recht. Im ersten Augenblick fließt der Strom 
über C nach GND.

Autor: Grallihurkh (Gast)
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Genau, und das Ding soll ja gerade als Tiefpass wirken, wenn ich es 
richtig verstehe, also die PWM-Frequenz rausmitteln. Also muss man ja 
davon ausgehen, dass da schon irgendwie was Kurzschlussiges passiert.

Vielleicht aber liegt der auf einer anderen Spannung...

Aber dann hängt eben auch der durchschnittliche Strom im 2. Zweig von 
der (letztlich über den PWM-Wert) eingestellten Spannung ab. Nur, wenn 
man den Worst-Case ausrechnen soll, sucht man natürlich nach den 
Maximalwerten.

Wiederum wirkt aber der Maximalstrom im 2. Zweig nur sehr kurz, weil der 
ja bei einer Einstellung wirkt, bei der der Mittelwert am C klein 
bleibt. Möglicherweise mittelt sich das letztlich raus. Dann wären da 
noch die Verhältnisse beim Wechsel des PWM-Werts.

Usw.

Autor: Yücel Atalay (yuetzi)
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Ich danke Dir, hast mir echt weitergeholfen.

Autor: Grallihurkh (Gast)
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Bitteschön!
Das freut mich. :-)

Und ich hab dabei auch was gelernt.

Autor: Grallihurkh (Gast)
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Und nochmal kurz zu dem Transistor als Diode -- dabei muss die Basis an 
den Kollektor, nicht an den Emitter.

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