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Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik bsr14 (smd-npn), Schalterbetrieb, Basiswiderstand?


Autor: Andy (Gast)
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Hallo!

Mal wieder ne Frage zum Basiswiderstand eines NPN-Transistors. Hab
zwar
mit der Forumssuche schon ein wenig was gefunden, aber so richtig
konnte
ich meine Frage damit nicht beantworten...

Also, mit meinen Mega8535 möchte ich gerne einen Strom von ca. 100mA
schalten. Verwenden möchte ich dabei gerne (wenn möglich) den BSR14
NPN-Transistor, davon hab ich nämlich noch einige rumliegen. Emitter
gegen Masse, Last an Kollektor, Basis an den uC, soweit ists klar. Der
NPN soll jetzt aber möglichst schnell schalten, also nicht übermäßig
stark in die Sättigung reinkommen, aber trotzdem zuverlässig komplett
durchsteuern, also den Rce möglichst niederohmig.

Wie groß sollte ich den Vorwiderstand nehmen? Aber jetzt bitte nicht
einfach nur nimm xxOhm, sondern, wie berechne ich das, bzw. wie kann
ich das aus dem Datenblatt entnehmen? Mir sind da einfach zu viele
unterschiedliche Werte angegeben, auf welche kommt es an? hfe-Wert ist
angegeben von 35 bis 300..., Kennlinien sind nicht abgebildet und bei
vbe(sat) stehen auch verschiedene Werte...

Och je, es ist einfach schon zu lange her. In der Schule zwar mal
gehabt, aber seither nie wieder gebraucht und irgendwie verdrängt.
Vielleicht könnt ihr mir ja auf die Sprünge helfen? :-)

Gruß,
Andy

Autor: Simon K. (simon) Benutzerseite
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Also:

hFe ist der Verstärkungsfaktor (weißt du ja sicher).

Wenn du 1Ampere Strom durch CE fließen lassen willst, dann müssen 1/hFe
Ampere in die Basis fließen.

Ist klar oder? Ab hier sollte alles ziemlich einfach gehen. Du musst
nur für die passenden Ströme den passenden Widerstand ausrechnen.

Dass der hFe in einem so großen Bereich liegt ist normal. Du gehst
einfach vom schlechtesten hFe aus. (So würde ich es machen)

Autor: Unbekannter (Gast)
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>  Der NPN soll jetzt aber möglichst schnell schalten, also nicht
> übermäßig stark in die Sättigung reinkommen, aber trotzdem
zuverlässig > komplett durchsteuern, also den Rce möglichst
niederohmig.

Wie schnell ist denn schnell? Also Butter bei die Fische: Welche
Ausschaltzeit brauchst du?

Rce ist beim Bipolar-Transistor Quatsch. Sowas gibt es nicht. Vce(sat)
und Ic sind die Parameter mit denen man rechnen muss.

Autor: Andy (Gast)
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Hallo!

Erstmal Danke für Eure Antworten.

Wie schnell ist schnell... Gute Frage, genau kann ich das noch nicht
beantworten. Da ich das aber für eine Multiplexansteuerung benötige,
wobei die Anzeigen auch noch dimmbar sein sollen, wird es etwa auf 50
bis 100 KILO-Herz hinauslaufen. Rechnen wir also mal mit bis zu
100KHz.

Und: Sehrwohl gibt es bei bipolaren T ein Rce: Der (Ersatz-)Widerstand
der Kollektor-Emitter-Strecke. Ist doch ganz einfach: Habe ich vom
Kollektor gegen den Emitter gemessen eine Spannung von 2,5V bei einem
Strom von 100mA, dann habe ich (in diesem Moment) einen Rce von 25Ohm.
Rce ändert sich natürlich bei geänderter Basisspannung. Den kleinsten
Rce erhalte ich natürlich in der Sättigung, aber dabei soll es ja wohl
zu Schwierigkeiten kommen, wenn ich mit hohen Frequenzen arbeite, weil
der Transistor dann nicht schnell genug wieder aus der Sättigung
herauskommt. So zumindest hab ich das irgendwo gelesen...

Was ich leider auch nicht im Datenblatt des BSR14 finden konnte, ist
der absolut maximal zulässige Basisstrom... (?) Wieviel könnte er denn
theoretisch noch ab, ohne Schaden zu nehmen? Ist doch eigentlich ein
wichtiger Parameter oder? Wieso sthet der nicht im Datenblatt? Oder
find ichs nur nicht? ;-)

Gruß,
Andy

Autor: Unbekannter (Gast)
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> Wie schnell ist schnell... Gute Frage, genau kann ich das noch nicht
> beantworten. Da ich das aber für eine Multiplexansteuerung benötige,
> wobei die Anzeigen auch noch dimmbar sein sollen, wird es etwa auf
50
> bis 100 KILO-Herz hinauslaufen. Rechnen wir also mal mit bis zu
> 100KHz.

Naja. Wirklich hoch ist die Frequenz aber nicht. Da kannst du den
Transistor locker in die Sättigung fahren.

> Und: Sehrwohl gibt es bei bipolaren T ein Rce: Der
(Ersatz-)Widerstand

Natürlich kann man jeden Spannungsabfall in einen Widerstand umrechnen.
Aber wozu? Das was hier interessiert ist Vce(sat) und Ic. Ein Rce findet
sich in keinem Datenblatt. Was sich aber im Datenblatt findet ist die
maximal zulässige Leistung Ptot. Die in deinem Transistor verheizte
Leistung ist eben P=Vce(sat)*Ic.
Wenn's dir Spass macht kannst du natürlich gerne zuerst
Rce=Vce(sat)/Ic ausrechnen und dann P=Ic^2*Rce rechnen ;-)

Autor: Andy (Gast)
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Hallo nochmal.

Ja, natürlich ist der Rce für die Berechnung nicht interessant, aber
das schrieb ich doch auch gar nicht. Sorry, wenn ich mich etwas
mißverständlich ausgedrückt haben sollte. Ich wollte damit nur sagen,
daß der Transistor so weit wie möglich "auf" machen soll, Vce und
damit auch Rce eben so klein wie möglich, somit also eine möglichst
kleine Verlustleistung. Der eine Wert hängt halt immer mit dem anderen
zusammen. :-)

Nun gut, zurück zum Thema. Die "Höhe" der Frequenz ist natürlich
relativ, leider hab ich halt auch keine maximale Schaltfrequenz im
Datenblatt gefunden. Woraus kann ich denn erkennen, wie schnell (m)ein
Transistor schalten kann? Was ist denn "hoch"?

Das Nächste ist: bei Vce stehen im Datenblatt auch wieder zwei
verschiedene Werte, woher weiß ich denn jetzt, welchen Wert ICH nehmen
muß? Da steht lediglich was von:

Ic=150mA, Ib=15mA, Vce(sat)=0,3V
Ic=500mA, Ib=50mA, Vce(sat)=1,0V

Und was ist mit meinen Werten? Muß ich mir die erst selber ausmessen?
Da bin ich ja mit ausprobieren 1000mal schneller als mit rechnen und
messen ;-) Ganz nach dem Motto "Try&Error"...

Hat denn mal jemand die Ahnung und Lust, mir das ganze vorzurechnen?
Mit welchen Werten, woher ich die nehme, etc... Es KANN doch nicht so
kompliziert sein!?!?!

Das nächste Problem ist jetzt ja noch, daß der ATmega8535 insgesamt für
alle 8 Portpins maximal 100mA liefern kann, mach also gute 12mA pro
Ausgang. Reichen denn diese 12mA, um den BSR14 für einen Kollektorstrom
von 50-100mA in die Sättigung zu bekommen? Ich meine bei 12mA Basisstrom
bräuchte ich doch lediglich nen hfe von etwa 8, um auf 100mA zu kommen,
oder sehe ich das falsch? Also müßte doch noch wesentlich weniger
Basisstrom ausreichen... Aber wieviel?

Welchen hfe-Wert muß ich denn zur Berechnung nehmen? Worst Case ist
klar... Aber: angegeben ist er für verschiedene Ic, und für 100mA ists
nicht dabei. 150mA käme da am Nächsten, aber da gibt es auch schon
wieder 2 Werte, einmal mit Vce=10V und einmal mit Vce=1,0V. Welchen
nehme ich, wenn ich 5V habe? Welchen Vce meinen die, im "geöffneten"
oder "geschlossenen" Schaltzustand? (Wenn ich mich mal eben so
ausdrücken darf, gefragt ist also mit oder ohne Basisstrom)

Wieso nur gibts keine Kennlinien, die hab ich 1000mal lieber als blöde
Tabellen. ;-)

Gruß,
Andy

Autor: Michael U. (Gast)
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Hallo,

habe hier jetzt nur diagonal gelesen...

>Das Nächste ist: bei Vce stehen im Datenblatt auch wieder zwei
>verschiedene Werte, woher weiß ich denn jetzt, welchen Wert ICH
>nehmen muß? Da steht lediglich was von:

>Ic=150mA, Ib=15mA, Vce(sat)=0,3V
>Ic=500mA, Ib=50mA, Vce(sat)=1,0V

Oben stand was von ca. 100mA, die Du benötigst.

Damit bleibst Du also unter den Wertend er ersten Zeile.
Da die Stromverstärkung mit steigendem Ic sinkt, ist sie bei 100mA mit
Sicherheit nicht kleiner als bei 150mA.

Wenn Du also Ib bei 100mA mit 10mA ansetzt, ist der Transistor
mindestens genausoweit in der Sättigung wie mit obigen Werten, eher
etwas weiter, weil die Stromverstärkung etwas höher ist.

Absolute Werte wirst Du schon deshalb nicht finden, weil die
Stromverstärkung eines Typs Exemplarabhängig z.B. zwischen 30 und 120
liegen kann. Wenn Du die nicht einzeln ausmessen willst, muß es also
mit 30 passen, bei 120 ist dann die Übersteuerung eben höher.

100kHz sind für heutige Transistoren eigentlich noch keine Frequenz,
bei einem 2N3055 war das anders. ;)

Dein Beispieltransistor wäre in meinen Augen also für 150mA geeignet,
für höhere Strüme würde ich was anderes suchen, Vce(sat) mit 1V  ist
schon zu hoch. Eigentlich sind bei 100mA so um 0,15V für Vce(sat) gut
möglich, bei Verstärkung 30 wären das dann 3,3mA, mit 3-facher
Übersteuerung eben 10mA Basisstrom.

Gruß aus Berlin
Michael

Autor: Dietmar (Gast)
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Um einen Transistor in den sicheren Schaltbetrieb zu zwingen, ohne ihn
zu übersättigen, nehme man den gewünschten Kollektorstrom, teile diesen
durch den schlechtestmöglichen Verstärkungsfaktor des Transistortyps,
dann hat man den Basisstrom. Diesen multipliziere man mit dem Faktor 3,
nennt sich Übersteuerungsfaktor für Schaltbetrieb, um ein sicheres
Durchschalten bei geringster Sättigungsspannung UCE_sat zu
gewährleisten.

Gruß

Dietmar

Autor: Unbekannter (Gast)
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Also dann mal etwas ausführlicher...

Erstmal zur Sättigung. Was passiert denn in der Sättigung? Die Basis
des Transistors ist mit Ladungsträgern überschwemmt und steuert, wie es
sein soll, den Transistor durch. Beim Abschalten des Basisstroms dauert
es nun länger bis alle Ladungsträger aus Basis ausgeräumt sind und der
Transistor wirklich sperrt. Für dich heisst das also der Transistor
genehmigt sich noch etwas mehr Zeit, wenn der Basisstrom schon lange
abgeschaltet ist. Man muss sich jetzt überlegen welche Konsequenzen das
hat: Die Einschaltzeit deines Rechtecksignals, was ja am Kollektor
entsteht, wird länger. D.h. die Frequenz wird etwas niedriger und das
Tastverhältnis ändert sich. Die Schwierigkeit besteht nun darin, dass
man nicht wirklich sagen kann wie lange der Transistor braucht um aus
der Sättigung rauszukommen. Einen Anhaltspunkt kann man aus dem
Datenblatt (ich benutzt jetzt mal das von Philips) erhalten. Auf S.4
sind "Switching times" angegeben. Da gibt es eine turn-off time von
250ns. Mit den angegeben Daten sieht man, dass der Transistor in die
Sättigung getrieben wird. Was man aber beachten muss ist, dass zum
Ausschalten die Basis negativ wird (Ib=-15mA) und somit die
Ladungsträger schneller aus der Basis geräumt werden. (Das ist übrigens
ein Trick den man anwenden kann um einen Transistor schneller
abzuschalten; man braucht dazu aber eine negative Spannung). Da du die
Basis aber nur auf Masse ziehen kannst dauert das Abschalten länger als
angegeben. Ich würde mal im worst-case von 1us zum Abschalten ausgehen.
Du rechnest jetzt mal nach wie sich das veränderte Tastverhältnis und
die niedrigere Frequenz auswirken.

Weshalb will man einen Transistor überhaupt in die Sättigung bringen?
Die Verlustleistung am Transistor ist hauptsächlich P=Vce*Ic.
(Eigentlich kommt noch Vbe*Ib hinzu, das kann man aber vernachlässigen)
Je kleiner also Vce ist, desto weniger Verlustleistung entsteht im
Transistor. Der BSR14 im SOT23 ist mit Ptot=250mW angegeben. Bei
Ic=100mA wären das also max. Vce=2,5V. Man sollte aber vermeiden einen
Transistor an der Grenze zu betreiben, das verkürzt ungemein die
Lebenserwartung. Die kleinste Verlustleistung ergibt sich also bei der
kleinst möglichen Kollektor-Emitter-Spannung und das ist die
Sättigungsspannung Vcesat.

Wie rechnet man nun? Vorgaben sind Ic=100mA; Vbe=0,7V; 5V zum Schalten
an der Basis.
Im Datenblatt findet man beta (oder hfe), was sich im Bereich von 30
bis 300 bewegt. Die Stromverstärkung hängt nämlich vom Kollektorstrom
ab. Zusätzlich gibt's eine enorme Streuung zwischen einzelnen
Transistoren. Auf gut Deutsch gesagt: Das wackelt wie ein Kuhschwanz.
Man muss sich also einen Wert suchen, den man noch einigermassen
vertreten kann. Ich würd hier vielleicht 50 annehmen.
Ergibt also Ib=Ic/beta=2mA. Der Spannungsabfall über dem
Basiswiderstand muss also 5V (von AVR-Pin) - Vbe = 4,3V sein. Bei 2mA
Basisstrom macht das also einen Basiswiderstand von 2,2k.
Man könnte jetzt noch eine Sicherheit einrechnen und den Basisstrom mit
2 oder 3 multiplizieren, das ist aber nicht nötig, da wir bei der
Annahme von beta schon sehr niedrig angesetzt haben. Der Transitor
sollte damit sicher in der Sättigung sein.

Noch ein Wort zur Sättigungsspannung Vcesat. Wie man im Datenblatt
sieht steigt Vcesat mit dem Kollektorstrom. Man kann die
Sättigungsspannung nicht so genau angeben. Man sucht sich also einen
Wert, der in der Nähe des Kollektorstroms liegt, den man verwenden
will. Ich würd hier mit Vcesat=0,3-0,4V rechnen.

Autor: Lachmann (Gast)
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Um die Sättigung des Transistors wirksam zu verhindern, kann man eine
Schottkydiode zwischen Kollektor und Basis schalten: Anode an Basis,
Kathode an den Kollektor. Der Transistor schaltet dann bis auf ca. 0,4V
durch (0,7V Vbe - 0,3V Vdiode); die Freiwerdezeit ist dadurch sehr kurz.

Autor: Andy (Gast)
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Moin Leude! :-)

Ihr habt mir sehr geholfen, das bringt mich schon ne ganze Menge
weiter. Inzwischen hab ich meine Platine (übrignes meine erste
doppelseitige SMD-Platine :-D ) fertig bestückt, als Basiswiderstände
verwende ich momentan 680 Ohm.

Was mich nur ein wenig wundert, ist, daß am Portpin des Mega8535 bei
High-Pegel nur etwa 3,9 V anliegen, laut Datenblatt sollten es
mindestens 4,2V sein (bei 5V Vcc) (???)

Jedenfalls hab ich es nachgemessen:
Am Portpin = 3,9V, minus der Basisspannung von (gemessen)0,75V, ergibt
einen Spannungsabfall von 3,15V am Widerstand, was wiederum einen
Stromfluß von 3,15V/680Ohm = 4,6mA ausmacht. Bei einem worst case hfe
von nur 30 würde das immer noch einen Kollektorstrom von knapp 140mA
ergeben, wahrscheinlich wird der hfe noch deutlich größer sein, somit
müßte ich also weit in der Sättigung sein.

Soweit richtig??

Ich denke mal, daß die Schaltzeit von bis zu 1µs, wie vom netten Herrn
"unbekannt" ;-) beschrieben, locker ausreichen sollte, um ein
wirksames "übersprechen" zu verhindern. Ich werd es später sehen,
wenn die Software fertig ist. Sonst kann ich ja noch versuchen, mit ein
paar "nops" in der Software ein paar 100ns Pause einzulegen, ich hoffe
das es damit noch nicht Zeitkritisch wird. Ansonsten probier ich es eben
mit etwas hochohmigeren Vorwiderständen, diese lassen sich ja recht
einfach auch noch bei 0805er smd-Teilen tauschen.

So, geh ich mal ans coden :-) Bis dann!

Gruß,
Andy

Autor: A.K. (Gast)
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Deine 3,9V passen prima zu 68 Ohm.

Autor: A.K. (Gast)
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Nicht so ausführlich wie "Unbekannter"s Ausführung. aber im üblichen
Anwendungsfall ganz brauchbar:
http://www.mikrocontroller.net/articles/Basiswiderstand

Autor: flo (Gast)
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hi

rechne den UB-Ube/(Ic/hfe*3)

Ube ist normalerweise 0.7v bei nem silizium transistor. UB ist die
spannung die du auf die basis gibst.

Der widerstand Rce ist Ibe*Usat

Usat ist ca. 0.2 volt.

gruss florian

Autor: Axel R. (axelr) Flattr this
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man kann zusätzlich einen kleinen SMD-Kondensator über den 0805er
Basiswiderstand löten. Dieser erzeugt beim abschalten einen negativen
Basistromimpuls. 470pF bis 1nF kann man mal probieren. Mit einem Oszi
am Kollektor kann man sich von der Wirkung überzeugen.

Autor: Dietmar (Gast)
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@Lachmann:

So sind auch Schottky TTL konstruiert, denn TTL hatte lange Zeit
ebenfalls das Problem mit der Sättigung und damit der
Schaltgeschwindigkeit.

Gruß

Dietmar

Autor: Andy (Gast)
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Da bin ich ja nun fasziniert von - der kleine Kondensator paqrallel zum
Basiswiderstand wie von Axel Rühl beschrieben wirkt echt Wunder!!!

Meine Schaltung ist fertig aufgebaut, Softwareversion 0.9 Beta läuft
auch ;-) Aber die BSR 14 sind doch nicht schnell genug. Wenn ich LEDs
anschließe, so leuchten sie, wenn auch nur ganz schwach, im
"falschen" Moment. (BSR14=NPN wird abgeschaltet und kurz danach die
LED an der Highside mittels BSR15=PNP eingeschaltet) Alles Mögliche hab
ich probiert, nichts half. Das Timing der Software müßte soweit
verändert werden, daß es in späteren Softwareversionen kritisch werden
könnte. Also dachte ich mal, ich probiers mit nem 1,4nF Kondensator
(den hatte ich gerade da). Auch wenn er größer ist als von Axel
"empfohlen", er funktioniert BESTENS!

Danke für den Tip, Axel! :-)

Gruß,
Andy

Autor: AxelR. (Gast)
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danke.. ggg

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