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Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Frage zu Schaltung mit Transistor


Autor: Hasenzahn11 (Gast)
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Hallo,
ich hab folgende Frage:
Diese folgende Schaltung möchte ich berechnen.
http://www.bilderhost.com/images/2ztfy73y60cncz38vfo.jpg
Das ist ein NPN Silizium Transistor. Nun wenn ich den ersten Stromkreis 
berechnen möchte brauch ich ja zuerst einen gesamt Widerstand. Das heißt 
ich müsste den Transistor mit dazu berechnen. Doch ich weiß nur dass er 
einen 0,7V Durchlass hat. Wie kann ich nun bei ihm den Widerstand 
ausrechnen ohne die Stromstärke zu wissen? Oder wie kann ich auch sonst 
die Schaltung berechnen?

Vielen Dank =)
MfG

Autor: dev null (Gast)
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Ist die LED richtig rum drin?
Bitte alle Bauteile nummerieren.

Die LED hat eine Nennspannung (irgendwas zwischen 2 und 3V), ebenso wie 
der Transistor (voll durchgeschaltet 0,7V). Der Rest fällt über R ab.

Der zweite Schalter ganz Links hängt komisch drin. Was soll n das 
werden?

Autor: Hasenzahn11 (Gast)
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http://www.bilderhost.com/images/n9a5to3hs7glh6iuk2u.jpg

So ist die Schaltung mal richtig =)
Das ganze ist eine Elektronische Speicherschaltung: Die Bistabile 
Kippstufe. Laut Beschreibung soll die Schaltung gleich wie ein Bit 
aufgebaut sein, aber leider steht da trotzdem keine weitere 
Informationen über den Transistor drin...

Autor: Yalu X. (yalu) (Moderator)
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Hallo Hasenzahn11,

mit der nach unten zeigenden LED ist die Schaltung jetzt richtig. Der
linke Taster (Set) hat in der ersten Schaltung schon gestimmt. Als
Transistoren kannst du praktisch jeden NPN (z.B. den BC547C) nehmen. Die
Dimensionierung der Widerstände ist unkritisch. Es muss nur dafür
gesorgt werden, dass die Basisströme hoch genug sind, um die
Transistoren ordentlich durchzuschalten. Sie sollten natürlich auch
nicht zu hoch sein, um die Transistoren nicht zu zerstören.

Ein paar Kommentare zur Schaltung:

Da T1 einen höheren Strom, nämlich den LED-Strom leiten muss, ist es
eigentlich unlogisch, ihm den größeren Basiswiderstand (47k) zu
verpassen, während T2, der fast gar nichts arbeiten muss, nur 10k
bekommt.

W2 (Kommentar zur Namensgebung s.u.) kann deutlich größer gemacht
werden, da durch ihn kein großer Strom (nur der Basisstrom für T1)
fließen muss. Wenn man W4 ausreichend groß macht, kann man W3 weglassen,
da beide zusammen den Basisstrom von T1 bestimmen, dabei aber nur die
Summe der beiden von Bedeutung ist.

Ich habe mal die Schaltung dahingehend und im Hinblick auf minimalen
Stromverbrauch optimiert. Dabei bin ich davon ausgegangen, dass die
Transistoren bei einer Stromverstärkung von 50 ausreichend in die
Sättigung gehen, wie man das bei Schaltanwendungen wie dieser gerne hat.
Die Widerstände sind also so dimensioniert, dass sich für beide
Transistoren in etwa diese Stromverstärkung einstellt. Als LED habe ich
eine rote mit etwa 1,9V Flussspannung angenommen.

Du kannst ja mal versuchen, die Basis und Kollektorströme der beiden
Transistoren für die beiden Zustände "gesetzt" und "nicht gesetzt"
auszurechnen. Dabei kannst du der Einfachheit halber für den jeweils
leitenden Transistor die Basis-Emitter-Spannung mit 0,7V und die
Kollektor-Emitter-Spannung mit 0V ansetzen. Der Spannungsabfall an der
LED ist etwa 1,9V.

Kommentar zur Namensgebung: Widerstände in Schaltplänen werden üblicher-
weise nicht mit W, sondern mit R bezeichnet und LEDs mit LED, da L schon
für Induktivitäten verwendet wird.

Anmerkung zur Schaltung im Anhang: Die beiden Spannungsquellen links (V2
und V3) brauchen dich nicht zu stören. Sie dienen nur dazu, bei der
Simulation zwei "elektrische Finger" nachzubilden, die abwechselnd kurz
die beiden Taster S1 und S2 betätigen.

Autor: Hasenzahn11 (Gast)
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Ok. vielen Dank =)
Ich lass mir noch einmal alles in ruhe durch den Kopf gehen und falls 
ich doch noch eine frage hätte melde ich mich noch einmal.
MfG

Autor: Hasenzahn11 (Gast)
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Aber wie man den Transistor berechnet weiß ich immer noch nicht. Ich 
möchte eigentlich keine Schaltung bauen sondern möchte nur die ganze 
Schaltung berechnen. Aber da ich vom Kondensator nur den 0,7V Durchlass 
weiß fehlen mir ja immer noch die Stromstärke und der Widerstand. Wie 
kann man dies berechnen wenn man nur die Spannung weiß ?

Autor: KAlk (Gast)
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Du musst doch den Transistor gar nicht berechnen, du musst nur wissen 
wie viel Strom fließt über den Transistor (Ic) wenn du das weist dann 
weist du auch wie groß Uce ist hängt vom Transistor ab. Nehmen wir an T1 
Leitend

Ib = (UB-Ube)/(W4+W3)
Ic= Ib*ß
oder
Ic = (UB-Uce,sat-UL1)/W1


T2 Leitend

Ib = (Ub-Ube-UL1)/(W1+W2)

Ic = Ib*ß

wobei
Ube 0.7V
UL1 vorwärtsspannung von UL1 sind

usw.

Autor: Yalu X. (yalu) (Moderator)
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Hier sind die Gedanken noch einmal etwas ausführlicher aufbereitet. Wenn
du diese und andere Schaltungen einmal gut verstanden hast, wirst du in
Zukunft natürlich nicht mehr so langwierige Überlegungen anstellen,
sondern einfach "sehen", was in der Schaltung passiert. Du rechnest dann
wie KAlk nur noch ein paar Formeln herunter oder vielleicht nicht einmal
mehr das, weil du die Größenordnungen der benötigten Ströme und Wider-
stände im Gefühl hast. Es schadet aber nichts, sich die Zusammenhänge
wenigstens einmal bis ins Detail klar zu machen.

Ich lege mal meinen Schaltungsvorschlag von oben zugrunde, du kannst die
Überlegungen aber leicht auf deine Schaltung übertragen, da sie sich nur
in der Dimensionierung der Widerstände unterscheidet.

Nehmen wir an, dass zunächst S1 geschlossen und S2 offen ist:

Q2 sperrt, da die Basis-Emitter-Strecke durch S1 kurzgeschlossen ist und
somit kein Basistrom fließen kann. Damit kann der Strom durch R1 nur in
die Basis von Q1 fließen und über dessen Emitter weiter nach GND. Durch
diesen Strom ensteht zwischen Basis und Emitter von Q1 ein Spannungsab-
fall von etwa 0,7V, der nur wenig von der Stromstärke abhängt. Von den
9V Betriebsspannung gehen also an der Basis-Emitter-Strecke von Q1 0,7V
weg, die restlichen 8,3V liegen an R1 an. Folglich ist der Strom durch
R1 8,3V/27kΩ=307µA. Dies ist gleichtzeitig der Basisstrom von Q1.

Der Kollektorstrom von Q1 ist um den Faktor B (Stromverstärkung des
Transistors) größer als der Basisstrom. Würde Q1 im linearen Bereich
laufen, läge B in der Gegend von 500, wobei der genaue Wert bei dieser
Schaltung nicht so wichtig ist (s. nächster Absatz). Der Kollektorstrom
wäre dann also 154mA. Das kann aber nicht sein, da der Kollektorstrom
wegen R2 und D1 (die jetzt leuchtet) auf (9V-1,9V)/470Ω=15,1mA begrenzt
wird (die 1,9V sind die Flussspannung der LED). Q1 tut sein Bestes und
öffnet also seine Kollektor-Emitterstrecke so weit wie es nur geht, so
dass die Kollektor-Emitter-Spannung fast 0 wird, aber trotzdem fließen
nur 15,1mA. Diesen Zustand des Transistors bezeichnet man als Sättigung.
Wenn man zurückrechnet, erhält man eine tatsächliche Stromverstärkung
von nur noch B=15,1mA/307µA=49. Statt einem B von 500 würden also auch
schon 49 reichen, damit Q1 sauber durchschaltet.

Nimmt man statt des BC547C einen BC547A (der letzte Buchstabe gibt die
Stromverstärkungsklasse an) und erwischt davon auch noch ein schlechtes
Exemplar, liegt sein B im linearen Bereich immer noch bei etwa 100, also
deutlich über 49. Damit würde das Einschalten von Q1 also immer noch
perfekt funktionieren.

Jetzt öffnen wir S1:

Weil Q1 voll durchschaltet, liegt sein Kollektor und damit die Basis von
Q2, die über R3 mit dem Kollektor von Q1 verbunden ist, nur wenig über
0V. Das reicht nicht aus, um in Q2 einen Basisstrom fließen zu lassen,
da hierfür mindestens knapp 0,7V erforderlich wären. Somit bleibt Q2
gesperrt, der Basisstrom in Q1 kann weiterhin fließen, Q1 ist immer doch
voll durchgeschaltet und hält die LED am Leuchten. Es ändert sich also
nichts, die Schaltung hat sich den Tastendruck auf S1 "gemerkt".

Jetzt schließen wir S2:

... und du bist an der Reihe, zu überlegen, was mit den Transistoren,
den Strömen und den Spannungen passiert :)

Autor: Hasenzahn11 (Gast)
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Ich werde erst Morgen S2 ausprobieren, da ich Morgen früh raus muss. 
Aber jetzt müsste alles klar sein, Vielen Dank =)
Falls doch nicht werde ich Morgen meine offene Frage hier posten...
MfG

Autor: KAlk (Gast)
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Ich denke jetzt hat er dir(ich) schon vorgekaut, oder nicht?

Autor: Hasenzahn11 (Gast)
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Also ich hab er es nun mindestens 5 mal durchgelesen, doch ich komme 
immer noch nicht dahinter. Ich möchte nur diese Schaltung ausrechnen:
http://www.bilderhost.com/images/n9a5to3hs7glh6iuk2u.jpg
Ich brauche am ende von jedem Bauteil Stromspannung, Stromstärke und 
Strom Widerstand (U,I und R). Doch da ich es noch nicht ganz mit dem 
Transistor kapiere wollte ich hier nach Hilfe suchen. Beim Transistor 
gehen wir immer von einem 0,7V Durchlass aus.
Als erstes würde ich vom W1, L1 und T1 ein Ersatzwiederstand ausrechnen, 
doch dazu fehlen mir ein paar wichtige Informationen. Wie würdet ihr am 
besten Anfangen und wie würdet ihr dies ausrechnen? Thx

Autor: Hasenzahn11 (Gast)
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Wer sehr nett, wenn mir jemand erneut helfen könnte, da es sehr dringend 
ist...
Vielen Dank!
MfG

Autor: Hasenzahn11 (Gast)
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Wie die Schaltung funktioniert ist inzwischen auch klar:

Die Basis von T1 ist nicht mehr 0,7V positiver als der Emitter, es 
fließt kein Basisstrom mehr und der Transistor sperrt.
Damit kann über W1, L1, W2 Strom zur Basis von T2 fließen, der dadurch 
leitend wird, also durchschaltet. Bei dem sehr geringen Basisstrom wird 
die LED nicht leuchten.
Wenn der Set-Taster betätigt wird, kann kein Basisstrom mehr durch T2 
fließen, T2 sperrt und es fließt über W4 und W3 ein Basisstrom nach T1, 
so daß T1 leitend wird. Die LED wird leuchten.

Doch wie kann ich beim Transistor die Stärke und den Widerstand 
ausrechnen (I und R) wenn ich nur die Spannung (U) weiß ? Wo würdet ihr 
deshalb mit dem Rechnen anfangen?
Es wäre sehr nett wenn jemand den Anfang machen würde, den Rest müsste 
ich dann auch hin bekommen... THx

Autor: Yalu X. (yalu) (Moderator)
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Hasenzahn11 schrieb:
> Ich brauche am ende von jedem Bauteil Stromspannung, Stromstärke und
> Strom Widerstand (U,I und R).

> Doch wie kann ich beim Transistor die Stärke und den Widerstand
> ausrechnen (I und R) wenn ich nur die Spannung (U) weiß ?

Du musst dich erst einmal davon lösen, Halbleiterbauelemente wie
Widerstände zu betrachten. Für Widerstände gilt das Ohmsche Gesetz
(Spannung und Strom sind zueinander proportional), für Transistoren und
Dioden nicht.

Speziell für Dioden kann man aber näherungsweise davon ausgehen, dass
bei einem Stromfluss in Durchlassrichtung der Spannungsabfall unabhängig
von der Stromstärke etwa 0,7V bei Silizium-PN-Dioden (und damit auch bei
der Basis-Emitter-Strecke von Bipolartransistoren), 0,3-0,4V bei
Silizium-Schottkydioden und Germaniumdioden ist.

Wenn man dann noch ungefähr weiß, was ein Transistor tut, und dass sich
in einer Serienschaltung mehrerer Bauteile die Spannungen an den
einzelnen Bauteilen addieren und bei einer Parallelschaltung die Ströme
addieren, kann man schon für viele einfache DC-Schaltungen alle
vorkommenden Ströme und Spannungen ausrechnen.

Ein einfaches Beispiel, das auch Teil deiner Schaltung ist:

Eine rote LED wird über einen Vorwiderstand von 470Ω wird an 9V
angeschlossen. Die LED hat eine Flussspannung von etwa 1,9V¹, die
weitgehend von der Stromstärke unabhängig ist.

Da die LED und der Widerstand in Reihe geschaltet an 9V liegen, müssen
also die Spannungen an der LED und am Widerstand zusammen 9V ergeben.
Zunächst kennt man weder die Spannung am Widerstand noch den Strom,
jedoch ist die Spannung an der Diode bekannt, nämlich 1,9V. Am
Widerstand müssen dann 7,1V abfallen, damit die Summe beider Spannungen
gerade die 9V ergibt.

Im Gegensatz zur LED kann man beim Widerstand das Ohmsche Gesetz
anwenden und damit den Strom ausrechnen: Er beträgt 7,1V/470Ω=15,1mA.

Da die LED in Reihe zum Widerstand liegt, muss der Strom durch den
Widerstand auch durch die LED fließen. Somit fließen in der LED
ebenfalls 15,1mA.

Damit sind alle Ströme und Spannungen in bzw. an den beiden Bauteilen
bestimmt. Die Berechnung deiner Schaltung erfolgt im Wesentlichen nach
den gleichen Regeln, nur dass dort ein paar Bauteile mehr vorhanden
sind.

Vielleicht verstehst du jetzt besser, was ich in meinem Beitrag vom
21.02.2010 20:41 gerechnet habe.

¹) LEDs sind aus anderen Halbleitermaterialien aufgebaut als gewöhnliche
   Dioden, deswegen ist ihre Flussspannung deutlich größer als 0,7V. Sie
   ist im Datenblatt angegeben.

Autor: Hasenzahn11 (Gast)
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hat sich nun geklärt...
Vielen Dank an alle =) :T

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