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Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Schalttransistor


Autor: Jens (Gast)
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Hi,

kann der Schalttransistor so funktionieren?
VCC ist 20 V, Ansteuerung TTL durch einen uC.
Der Transistor ist BC546, wobei das je unwichtig ist.

Die Überleggung war, den Schalter "sicher" zu machen. Wenn ich einfach 
nur einen Basiswiderstand nehme, kann der Schalter ja flattern.

Wie stellt sich denn der Strom an der Basis ein, den ich zum Schalten 
nehme?
Bei einer Verstärkung von 150 muss ich (wenn ich 40mA schalten will) ja 
260 uA in die Basis jagen. Ist das hier gegeben?

Wie rechne ich den Strom aus, der hier in die Basis geht? Der wird ja 
durch den oberen Widerstand begrenzt.
Wie ist die Spannung über dem unteren? Ist das die Diodenspannung der 
BE-Strecke, also 0,7 V?

Danke
Jens

Autor: Andreas K. (a-k)
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Jens wrote:

> Wenn ich einfach
> nur einen Basiswiderstand nehme, kann der Schalter ja flattern.

Warum?

> Wie stellt sich denn der Strom an der Basis ein, den ich zum Schalten
> nehme?

Basiswiderstand

Autor: Bernd G. (Firma: LWL flex SSI) (berndg)
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> Wie ist die Spannung über dem unteren? Ist das die Diodenspannung der
BE-Strecke, also 0,7 V?

Ja.

Autor: yyyy (Gast)
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High-Pegel von TTL sind nicht stark belastbar.

Besser: Mit TTL den Transistor sperren, dazu vorher invertieren,

am Besten im Prozessor, wenn es denn einer ist.

Von +5V Widerstand an die Basis. Transistor hat Stromverstärkung von 20, 
als R = ca.20*Rlast.

TTL-Ausgang über ca. 5 KOhm an die Basis. TTL=low sperrt den Transistor.

Autor: Andreas K. (a-k)
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Das TTL war wohl nicht wirklich wörtlich gemeint, immerhin sind 
Microcontroller mit echten TTL Ausgängen sehr selten.

Aber es wäre schon nützlich zu erfahren, ob 8051 oder etwas moderneres.

Autor: Jens (Gast)
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Wenn ich nur einen Basiswiderstand einbaue, hab ich ja kein festes 
Potential. Da reicht es schon aus, wenn ich mit meinem körpereigenen 
Brummen ankomme.


Ich will einen Mega16 verwenden. Macht der etwa keine TTL Pegel?

Autor: gossip (Gast)
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klar hast du festes Potential - durch den uC. Der verbindet relativ 
niederohmig (soll ja Strom liefern können) den Ausgang intern mit Masse 
oder + (High oder Low).

bitte nicht wörtlich nehmen, nur als Gedankenmodell, warum das nicht 
flattert..

Autor: Andreas K. (a-k)
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Jens wrote:

> Wenn ich nur einen Basiswiderstand einbaue, hab ich ja kein festes
> Potential. Da reicht es schon aus, wenn ich mit meinem körpereigenen
> Brummen ankomme.

Könnte es sein, dass du hier bipolare Transistoren mit MOSFETs 
verwechselst?

In den meisten Fällen von solchen Schaltanwendungen handelt es sich bei 
der Last um Relais oder LEDs. Bei solchen Lasten musst du schon ziemlich 
laut brummen. Nur bei Lasten, bei denen schon geringste Ströme schaden 
anrichten könnten wird es wirklich interessant.

Und zudem tritt dieser Effekt nur dann auf, wenn die Basis offen ist. 
Bei Ansteuerung durch Microcontroller ist sie das jedoch nur in der Zeit 
zwischen Power-Up und vollbrachter Initialisierung. Danach ist der 
Ausgang auf 0 und die Basis gut festgenagelt.

Autor: Jens (Gast)
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Ja du hast recht, im laufenden Betrieb flattert da natürlich nichts. Das 
war unsauber ausgedrückt.

Wenn der Mega aber abgeschaltet ist, sind seine Ausgänge highZ. Und dan 
nschlägt jede Störung auf den Transistor durch, oder?

Autor: gossip (Gast)
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Ergänzung - das mit dem R gegen Masse hast du wohl bei Schaltungen mit 
FETs gesehen - dort macht man das wegen der Schwingneigung.

Autor: Andreas K. (a-k)
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Jens wrote:

> Ich will einen Mega16 verwenden. Macht der etwa keine TTL Pegel?

Nein, der macht CMOS-Pegel und kann einen sehr nennenswerten Strom 
liefern. Da kannst du gern ein TTL dranhängen, er ist also als Ausgang 
TTL-kompatibel. Ist aber weit besser als TTL. Wenn du hier also die 
Regeln für TTL-Ausgänge anlegst obwohl du einen AVR verwendest, bekommst 
du mehr Aufwand als nötig.

Autor: Andreas K. (a-k)
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Jens wrote:

> Wenn der Mega aber abgeschaltet ist, sind seine Ausgänge highZ. Und dan
> nschlägt jede Störung auf den Transistor durch, oder?

Ja, das schon. Aber wieviel macht das aus? Merke: bipolare Transistoren 
sind stromgesteuert, nicht spannungsgesteuert.

Häng mal ein hinreichend empfindliches Strommessgerät an deinen Finger 
und miss diesen Brumm nach. Und dann rechne aus, wieviel Kollektorstrom 
das ausmacht, also multipliziere diesen Strom mit der Stromverstärkung. 
Wenn der so ermittelte Kollektorstrom stört, dann bau den Widerstand 
ein.

Autor: gossip (Gast)
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Ok, wenn du z.B. diesen Schaltungsteil über einen Steckverbinder während 
des Betriebes vom uC abziehst, ist dein R gegen Masse goldrichtig.

Autor: HildeK (Gast)
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Der Spannungsteiler ist schon richtig, korrekterweise sogar notwendig. 
Für ein sauberes Design mache ich den R zwischen B und E eher halb so 
groß (bei CMOS-0V/5V Steuerung) wie den Basisvorwiderstand. Grund:
Ein Transistor leitet bereits bei 0,5...0,6V bei kleiner Last. 
Garantierte Low-Pegel von CMOS-Ausgängen liegen bei <0,5V wenn z.B. der 
Ausgang ev. noch eine andere Last treibt. Damit ist der Störabstand 
recht klein. Ein Teiler 2:1 liefert dann bei LOW an der Basis <0,16V an 
- schon besser.
Außerdem könntest du dann auch zum Ausschalten des T den Treiber auf 
'hochohmig' schalten.

>Wie stellt sich denn der Strom an der Basis ein, den ich zum Schalten
>nehme?
>Bei einer Verstärkung von 150 muss ich (wenn ich 40mA schalten will) ja
>260 uA in die Basis jagen. Ist das hier gegeben?
Aber sicher! Sogar deutlich mehr (deine Dimensionierung):
Durch R2 fließen 0,7V / R2  = 150µA
Durch R1 fließen (5V-0,7V)/R1 = 900µA
Also in die Basis fließen dann 900µA-150µA = 750µA. du könntest damit 
bis zu 110mA schalten.

Man muss allerdings berücksichtigen, dass z.B. bei Transistoren 'B' 
deutlich streut, abhängig vom Kollektorstrom ist und auch von der 
Temperatur. Also immer Worst-Case-Betrachtungen anstellen und einen 
Sicherheitsfaktor von 2 zugeben. Wenn bei deinem Transistor Bmin=150 
ist, dann liegst du mit deiner Dimensionierung richtig!

>Wenn ich nur einen Basiswiderstand einbaue, hab ich ja kein festes
>Potential. Da reicht es schon aus, wenn ich mit meinem körpereigenen
>Brummen ankomme.
Ist zwar wenig wahrscheinlich, aber siehe meine Ausführungen oben! Dein 
Treiber-IC hat eine relativ niederohmige (<50 Ohm) Quelle als Ausgang, 
entweder ca. 5V oder ca. 0V. Und die werden über 4,7k auf die Basis 
gegeben. Mit dem Spannungsteiler wird die halbe Spannung mit 2,3k auf 
die Basis gegeben. Um noch unempfindlicher zu werden, kannst du auch die 
4k7 durch 1k ersetzen.
Aber, wie gesagt, der Spannungsteiler ist die bessere Wahl.

Autor: Jens (Gast)
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Ich hatte das mal mit einer FluxLED ausprobiert: Mein Brummen reicht 
jedenfalls, um die LED sichtbar zum Leuchten zu bringen (geschaltet über 
BC547).
Und da ich mit dieser Schaltung zu testende Module einschalten will, 
will ich eben lieber auf Nummer sicher gehen. Ich hab keine Ahnung was 
die Dinger machen, wenn sie statt mit 20 mit einer "floatenden" Spannung 
durch BRummen versorgt werden.

Autor: Andreas K. (a-k)
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HildeK wrote:

> Wenn bei deinem Transistor Bmin=150
> ist, dann liegst du mit deiner Dimensionierung richtig!

Wenn du den Transistor sauber sättigen willst, ist das etwas hoch 
gegriffen.

Bei den meisten Kleinsignaltypen ist das entsprechende Kennlinienfeld 
nicht dokumentiert, aber beim BC557 kann ich damit dienen. Für Ic=50mA 
sind da mindestens Ib=600µA nötig, um den in Sättigung zu kriegen. 
Typisch. Deshalb rechnet man bei solchen Typen für Sättigung eher mit 
B=30.

Autor: Jens (Gast)
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Danke HildeK!

Dann war die Idee ja doch nicht so schlecht :)

Autor: Andreas K. (a-k)
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Jens wrote:

> Ich hatte das mal mit einer FluxLED ausprobiert: Mein Brummen reicht
> jedenfalls, um die LED sichtbar zum Leuchten zu bringen (geschaltet über
> BC547).

Ja, bei LEDs gehört nicht viel dazu. 1µA reicht schon aus um was zu 
sehen. Allerdings stört es grad bei LEDs meist nicht, was in diesem 
Betriebszustand bei solchen Strömen passiert.

Autor: HildeK (Gast)
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@Andreas Kaiser

>HildeK wrote:

>> Wenn bei deinem Transistor Bmin=150
>> ist, dann liegst du mit deiner Dimensionierung richtig!

>Wenn du den Transistor sauber sättigen willst, ist das etwas hoch
>gegriffen.

Andreas, was verstehe ich hier nicht?
Er will max. 40mA am Kollektor, hat 750µA Basisstrom und (Annahme, dass 
es Bmin ist!) Bmin=150. Damit wären 112mA Ic möglich, also fast Faktor 3 
übersteuert. Das reicht doch für die Sättigung!?

Autor: Andreas K. (a-k)
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Wenn es ihm egal ist, wieviel Spannung am Transistor draufgeht, dann 
passt das. Meist will man jedoch den Spannungsverlust am Transistor 
minimieren, und dann sieht das etwas anders aus.

Woher stammt die Angabe Bmin=150? Einem Datasheet des BC547B entnehme 
ich ein Bmin von ca. 150 bei Vce=5V. Bei 5V wohlgemerkt. Bei 0,5V sieht 
das anders aus.

Im Datasheet vom BC547 fehlt leider das relevante Kennlinienfeld, aber 
beim Komplementärtyp, dem BC557, da ist es drin. Und darin lässt sich 
beispielsweise ablesen, dass bei Ic=50mA und Ib=400µA ein Vce von 5V 
rauskommt. Und ich bei Ib=600µA dem Transistor keinesfalls mehr als etwa 
60mA zumuten möchte, wenn Vce sicher unter 1V bleiben soll.

Autor: Andreas K. (a-k)
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Anbei das Kennlinienfeld, auf das ich mich dabei beziehe. Der BC557 hat 
eine geringere Stromverstärkung als der BC547, daher passt das nicht zu 
diesem Typ. Aber es illustriert den Zusammenhang zwischen Basisstrom, 
Kollektorstrom und Kollektor-Emitter-Spannung besser als Zahlen.

Mit der Rechnung über die Angabe von Bmin bei 5V kommt man eben nur zu 
der Situation bei 5V. Weshalb die Rechnung Ib=750µA für Ic=40mA durchaus 
in Ordnung ist. Aber die Aussage, dass man damit bis Ic=110mA kommt, 
stimmt eben nicht. Dabei würde der Transistor möglicherweise überlastet 
und durchbrennen.

Autor: HildeK (Gast)
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Jens hatte B=150 genannt.
Ich hatte meine Ausführung dadurch eingegrenzt, dass ich dieses B als 
Bmin annahm (Wenn bei deinem Transistor Bmin=150 ...), ohne den 
genannten Typ im Datenblatt zu verifizieren.
Ein C-Typ sollte aber auch ein Bmin von 150 garantieren (BC547C z.B. hat 
Bmin = 420!, also nicht unbedingt abwegig), wobei ich zugeben muss, die 
Abhängigkeit B(UCE) nicht parat zu haben - ich kann mich gerade auch 
nicht erinnern, das schon mal gesehen zu haben ... Ja, Ic-abhängig, 
temperaturabhängig usw., das schon.
Ich habe mal einen BC547B simuliert.
Ergebnis: bei 20V UCE war B=350, bei 0.2V noch 200, bei 5V auch 'nur' 
280. Scheint mir also eher eine fast vernachlässigbare Abhängigkeit zu 
sein, insbesondere wenn man die Abhängigkeiten von Temperatur und den 
Rückgang des B bei großen Strömen anschaut.
Oder, anders ausgedrückt, einen 100 Ohm Widerstand, 5V Versorgung, 
schalten Ib=250µA schon durch mit Rest-UCE=250mV (klar, diesen einen Typ 
mit diesen in den Spice-Parametern vorgegebenen Werten bei 300K, usw.).
Simuliert mit Microsim Eval, die meiner Tietze-Schenk-Ausgabe beilag.

>Dabei würde der Transistor möglicherweise überlastet
>und durchbrennen.
Ja, klar. Ich wollte nur verdeutlichen, dass wir in der Sättigung sind, 
wenn 40mA gebraucht und 110mA errechnet werden.
Dass du bei Sättigung mit z.B. B=30 rechnest, liegt eher daran, dass ja 
der Lastwiderstand den Strom begrenzt und so das Verhältnis IC/IB 
deutlich sinkt.

War für mich jetzt lehrreich, dies mal näher anzuschauen.
Mir war bei deiner Bemerkung (18:35) nicht klar, ob ich zuviel oder 
zuwenig übersteuere - deiner Ansicht nach.

Autor: Andreas K. (a-k)
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HildeK wrote:

> Dass du bei Sättigung mit z.B. B=30 rechnest, liegt eher daran, dass ja
> der Lastwiderstand den Strom begrenzt und so das Verhältnis IC/IB
> deutlich sinkt.

Andersrum, ich gehe mit B=30 in die Rechnung des Basiswiderstands rein 
und habe dann die Sättigung gleich mit drin ohne gross Datasheets zu 
wälzen und zu interpolieren und ohne lang rumrechnen zu müssen. Und weil 
ich BC547 A/B/C, BC337 und BC635 der Einfachheit gleich behandle, obwohl 
sie in dieser Hinsicht durchaus unterschiedlich sind. Und beim BC547A 
und dem BC635 liegt man mit den 30 ganz gut. Wenn man es ganz genau 
wissen muss, weil jedes mA zählt, kann man nachrechnen, aber für 
Standardanwendungen tut es die Daumenregel auch.

Autor: HildeK (Gast)
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Gut, unsere Betrachtungen konvergieren durchaus!
Jens hatte etwas hilflos gefragt und wir haben ihm einige Anhaltspunkte 
geliefert. Auch bei Daumenregeln ist es gut zu wissen, woher sie kommen.

Autor: JensG (Gast)
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@HildeK
>Garantierte Low-Pegel von CMOS-Ausgängen liegen bei <0,5V wenn z.B. der
>Ausgang ev. noch eine andere Last treibt. Damit ist der Störabstand
>recht klein. Ein Teiler 2:1 liefert dann bei LOW an der Basis <0,16V an
>- schon besser.

aber eben nur, wenn eine zusätzliche Last (gegen +) mit dranhängt - ist 
hier offensichtlich nicht der Fall

>Außerdem könntest du dann auch zum Ausschalten des T den Treiber auf
>'hochohmig' schalten.

Kommt auf die Restströme des µC-Ausgangs an, ob die bereits stören. Aber 
auch wenn längere Leitungen an der Stelle mit dranhängen bzw. die 
Schaltung in einem verseuchten Umfeld sich befindet, macht sich dann in 
dem Falle ein R gegen Masse ganz gut. Auch ich neige in solchen Fällen 
immer gern dazu, einen R parallel zu schalten. Allerdings recht 
hochohmig so um die 1M, um die Stromaufnahme nicht sinnlos ansteigen zu 
lassen (soll ja nur Restströme kurzschließen). Gegen das bißchen Brumm, 
was die paar mm/cm Leitung zw. µC und  T einfängt, ist das allemal 
ausreichend in einem "normalen" Umfeld.

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