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Forum: Mikrocontroller und Digitale Elektronik Transistor als Schalter –Pegelwandler- Widerstände berechnen


Autor: Lothar G. (lothi)
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Auch wenn die Gefahr besteht, dass ich nun ausgelacht werde.
Wie werden die Widerstände  in dieser kleinen Schaltung  berechnet?
 Würde es so funktionieren oder ist es kompletter geistiger Dünnschi..

Klar: Grundlagen
Klar: nach dem OHMSCHES GESETZ/FORMEL
Aber was ist nun, wenn es mindestens  zwei Unbekannte (IC…RC oder IB….RB 
) gibt?
Sauge ich mir ein paar Ohm oder mA aus dem Finger, um nun die anderen 
Unbekannten zu berechnen?
Nach dem Motto: Hauptsache  die Belastungsgrenzen des Transistors  oder 
des µC werden nicht überschritten.
Gibt es hierzu  irgendwelche  Richtlinien, Merksätze oder Eselsbrücken? 
Oder: Erfahrung ist alles?
Ich würde mich jedenfalls riesig freuen, wenn ihr mich an eurem Wissen 
und Erfahrungen Teil haben lasst.
Danke
Gruß
Lothi

Autor: Joan P. (joan)
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Lothar G. schrieb:
> Klar: Grundlagen
> Klar: nach dem OHMSCHES GESETZ/FORMEL
> Aber was ist nun, wenn es mindestens zwei Unbekannte (IC…RC oder IB….RB)
> gibt?
> Sauge ich mir ein paar Ohm oder mA aus dem Finger, um nun die anderen
> Unbekannten zu berechnen?
> Nach dem Motto: Hauptsache  die Belastungsgrenzen des Transistors  oder
> des µC werden nicht überschritten.
> Gibt es hierzu  irgendwelche  Richtlinien, Merksätze oder Eselsbrücken?
> Oder: Erfahrung ist alles?

wikipedia meint zum Bipolartransistor in Emitterschaltung:
"Das einfachste Modell besteht aus der Basis-Emitter-Diode und der durch 
den Basisstrom IB gesteuerten Stromquelle (genauer gesagt ein 
Stromsenke, da keine Energieerzeugung erfolgt) hin zum Kollektor IC. Der 
Transistor verstärkt den Basisstrom um den Faktor B. Voraussetzungen für 
die Gültigkeit des Modells sind: Die Basis-Emitter-Diode muss in 
Durchlassrichtung gepolt sein und die Basis-Kollektor-Diode in 
Sperrrichtung."

Ib x B = Ic..

Dh.. fuer T1 bestimmt R1 den Basis-Emitter-Strom (begrenzt wohl nur die 
Last fuer PB2).
Spannung an PB2 wird wohl nur zwischen 5V/GND wechseln.
Damit kannst du den Kollektor-Emitter-Pfad steuern (bei 'nem B von 
ueblicherweise einigen 10.000 reichen also wenige uA aus PB2..).

Wenn T1 voll ausgesteuert wird, liegt an der Basis von T2 GND an (ich 
glaub aber, dass aufgrund der Halbleiterstrecke Uce von T1 nicht kleiner 
als 0,6V sein kann.. oder sogar mehr falls es 2 Halbleiterstrecken sind, 
erschiess mich).
Damit wird T2 'abgeschaltet'.
Wenn T1 nicht leitet liegen an der Basis von T2 5V (dh. R2 bestimmt in 
diesem Moment den Ibe von T2).

R2 muss man also so dimensionieren dass er als Pull-Up nicht all zu viel 
Leistung verbraet.

Ok.. wenn ich nun nicht all zu weit vom Schuss bin ist das mit R3 
aehnlich wie mit R2, nur das T3 ein FET ist der Spannungsgesteuert 
reagiert (im Gegensatz zu den Stroemen wie beim Bipolartransistor).
Wichtig dafuer ist die Spannung am Gate.
Wie gehabt.. T2 ist entweder ausgesteuert (leitend ueber C-E) oder nicht 
ausgesteuert (nicht leitend ueber C-E).
Damit wirkt R3 wieder als Pull-Up und das Gate von T3 ist entweder an 
12V oder fast GND (genauer 0,6V oder mehr bei ausgeteuertem T2).
Damit wird dann der Strom ueber S-D von T3 gesteuert.

Wenn ich jetzt nicht irgendwo Verstaerkungsfaktormaessig was uebersehen 
habe (so dass hier ueber T3 Stroeme analog gesteuert werden) wird im 
Endeffekt wirklich nur 12V auf den Laswiderstand gegeben oder nicht.
Die Diode D2 dient wohl als Ueberspannungsschutz.. wohl sogar fuer den 
Fall dass anstatt ner Last ne Spannungsquelle angeschlossen wird.
D1 als Verpolungsschutz?..

Jau.. so in etwa.
Falls da nicht nochn Trick verborgen ist, wuerde ich R1, R2 und R3 so 
dimensionieren, dass sie nicht all zu viel Leistung verbraten, aber 
klein genug sind um die Transisoren durchzusteuern (R1 und R2 
besonders).

Autor: Michael (Gast)
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Sehr schön erklärt, Joan bis auf ein paar Kleinigkeiten.

Der Widerstand am Gate des MOSFETs (R3 also) ist so ne Sache für sich. 
Er soll natürlich nicht so viel Strom "verheizen", sollte also recht 
groß sein auf der einen Seite. Auf der anderen Seite sollte er den 
MOSFET schnell schalten lassen was wiederum einen großen Strom 
voraussetzt. Damit der MOSFET ja schaltet muss seine 
Gate-Source-Kapazität umgeladen werden und je mehr Strom fließen kann, 
desto schneller geht das. Hier kann man nur nach Geschmack 
dimensionieren. So als Hausnummer nehm ich dafür immer so 1 kOhm.

Nun zum ersten Transistor hinter dem MOSFET.

Im Sättigungsbetrieb, also wenn man den Transistor voll durchsteuert, 
dann kommt man mit Uce, je nachdem wieviel Strom man anfordert, sehr 
weit runter, deutlich unter 100mV. Wir haben hier ja den BC337.

Zum Durchsteuern braucht man da für 1 mA Kollektorstrom (siehe MOSFET, 
wir wollen das Gate-Source-Kondensatorchen mit ca. 1mA Laden bzw., hier 
interessanter, entladen) grad mal 50 uA (die entsprechende Kennlinie 
sagt ein hFE von 200). Gehen wir beim ersten Transistor mal von dieser 
Größe aus dann muss also bei high durch R2 50uA fließen können.
Ein zweites Kennlinienbild sagt für 1 mA Kollektorstrom ein Ube von 
nicht mal 0.5V vorher. Das nutzen wir doch mal:

Und so gehts dann beim anderen 337 weiter nur dass hier dann "nur" noch 
ein Ic von 50uA ansteht, also wieder Kennlinien anschaun ;)

Autor: Michael (Gast)
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Ahh, noch was ganz wichtiges zum MOSFET:

Die Gate-Sorce-Spannung darf natürlich nicht überschritten werden sonst 
stirbt der MOSFET. Üblich, bei den MOSFETS (und auch beim hier 
abgebildeten IRF840), die ich verwende, sind Ugs(max)=±20V. Deshalb ist 
das hier relativ unwichtig da ja nur 12V anliegen. Aber vielleicht hast 
du einen anderen MOSFET.

Autor: Peter Roth (gelb)
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@ Lothar G. (lothi)

suche dir einen MOSFET mit niedriger Gatespannung aus der 
MOSFET-Übersicht aus, schließe den Ausgang des Controllers direkt 
ans Gate an und lasse den ganzen Bipolar-Quatsch weg. Spart 5 Bauteile.

Grüße, Peter

Autor: yalu (Gast)
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Peter Roth schrieb:
> suche dir einen MOSFET mit niedriger Gatespannung aus der
> MOSFET-Übersicht aus, schließe den Ausgang des Controllers direkt ans
> Gate an und lasse den ganzen Bipolar-Quatsch weg.

Genau!

@Lothar G. (etwas ausführlicher):

Ist diese suboptimale Schaltung so schon in Stein gemeißelt, oder dürfen
am Gesamtaufbau noch Änderungen vorgenommen werden?

Wenn ja:

- Warum braucht man gleich zwei Verstärkerstufen, um die Gate-Spannung
  für den Mosfet bereitzustellen? Ok, die zweite verstärkt die Spannung
  auf 12V, aber die erste könnte man weglassen. Die dadurch entstehende
  Signalinvertierung müsste softwareseitig korrigiert werden.

- Muss der Mosfet unbedingt ein IRF840 sein? Der kann zwar bis zu 500V
  schalten, ich sehe da aber maximal 27,7V (12V Versorgung + Flusspan-
  nung D1 + Sperrspannung D2). Zum Vergleich ein IRLZ34N:

  * Er kann nur bis zu 55V schalten, was aber immer noch vollkommen aus-
    reichend ist.

  * Er hat einen RDSon von 35mΩ, der IRF840 einen von 850mΩ. Bei 4A
    Strom in eingeschaltetem Zustand verbrät der IRF840 13,6W (Kühlkör-
    per!), der IRLZ34N nur 0,56W.

  * Der IRLZ34N kann problemlos mit 5V Gatespannung angesteuert werden
    (Logic-Level-Mosfet), d.h. du kannst auch auf die Spannungsverstär-
    kerstufe verzichten. Die statische Verlustleistung steigt dann zwar
    auf (4A)²·46mΩ=0,74W, das ist aber immer noch so wenig, dass (wenn
    man die Schaltverluste außer Acht lässt) kein Kühlkörper benötigt
    wird. Durch den Verzicht auf beide Verstärkerstufen ist der Logik-
    pegel es Eingangssignals wieder der gleiche wie in der ursprüngli-
    chen Schaltung, so dass die Software nicht geändert werden muss.

  * Der IRLZ34N hat eine kleinere Gate-Kapazität, schaltet also bei
    gleicher Ansteuerung schneller, was niedrigere Schaltverluste bedeu-
    tet.

  * Der IRLZ34N ist etwas billiger.


Fazit:

Ersetze den IRF840 durch den IRLZ34N, da dieser für die Anwendung in
jeder Hinsicht deutlich besser geeignet ist.

Wenn die Schaltfrequenz im unteren Bereich (max. etwa 20kHz) liegt,
kannst du auf R1, R2, R3, T1 und T2 verzichten und das Gate des Mosfet
direkt (oder über einen 150Ω-Widerstand) an den µC anschließen. Einen
Kühlkörper brauchst du wahrscheinlich nicht. Die Ausschaltzeit ist
länger als in der ursprünglichen Schaltung, dafür ist die Einschaltzeit
kürzer, so dass die Schaltverluste in Summe ähnlich liegen dürften.

Ist die Schaltfrequenz höher als etwa 20kHz, wäre die Ansteuerung des
Mosfets über eine Gegentaktschaltung aus zwei Transistoren (oder einen
integrierten Gate-Treiber) in Erwägung zu ziehen, um die Schaltzeiten
und damit die Schaltverluste deutlich zu senken.

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