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Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Transistor als Schalter


Autor: Netbandit (Gast)
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Hallo,

ich weiß, daß dieses Thema schön öfter mal auf der Tagesordnung stand
und ich schäme mich ehrlich gesagt, warum ich als
Informationselektroniker da nicht von alleine drauf komme.

Ich habe mir eine Scahltung gebaut in welcher ein Transistor 3,3V
Vorsorgungsspannung ein oder ausschaltet.
Nachdem ich die Scahltung aufgebaut habe und das Schaltverhalten des
Transistors prüfen wollte viel mir auf, daß der Transistor zwar
schaltet, doch leider "frisst" er mir 0,7V von meinen 3,3V auf. Daher
das Bauteil, welches ein oder ausgeschaltet wird hat dann nur noch 2,6V
übrig.

Ich habe die Grundschaltung mal als Datei in den Anhang gelegt.
Der Collector liegt permament auf 3,3V. Am Emiter ist somit der R-Last
(also das zu schaltende Gerät) und an der Basis ist über einen 1k
Widerstand ein µC, welcher eben den Transistor Leitend oder Sperrend
machen soll.

Nachdem ich den fehler bemerkt habe, habe ich sofort mal im Internet
nach ähnlichen "Transistorschaltern" gesucht, dabei ist mir
aufgefallen, daß fast alle diese Schaltungen den R-Last am Collector
haben und der Emiter auf Masse liegt.
Nun liegt ja die Vermutung nahe, daß dies schon einen Grund hat :)
Allerdings sollte ja theoertisch der Collector-Emiter Widerstand sehr
gering sein, wenn der Transistor eingeschaltet wird, daher dürfte ja
kein Unterschied darin bestehen, ob der R-Last am Collector oder Emiter
hängt oder irre ich mich da jetzt?

Mir geht es vor allem darum, warum mein Schalter nicht ganz so
funktionieren möchte, allerdings suche ich nun auch nach einer Lösung
die Schaltung zum laufen zu bringen ohne sehr große Änderungen im
Layout vornehmen zu müssen.

Vielleicht kann mir jemand dabei helfen mein Berufsschulwissen zum
Thema "Transistor als Schalter" wieder etwas aufzufrischen.
Vielen Dank im Vorraus...

Autor: Netbandit (Gast)
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ups sorry jetzt nochmal mit anhang :)

Autor: Buchmann (Gast)
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Wenn du mit nem mikrocontroller schalten willst, nimm am besten einen
mosfet - du brauchst keinen zusätzlichen basisswiderstand, und keinen
permanenten strom aus dem controller.

Autor: Netbandit (Gast)
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@Buchmann:
ja könnte ich dann für folgende Projekte einfach mal versuchen, bei
diesem Projekt ist mir der ständige Strom eigendlich egal :)


So ich habe mal auf einer Lochrasterplatte mal schnell einen Schalter
aufgebaut, wie man ihn zu tausenden im Internet findet. Daher R-Last
sitzt beim Collector, der Emiter geht auf Masse und über die Basis wird
natürlich geschaltet.
Bei dieser Scahltung habe ich über R-Last den gewünschten
Spannungsabfall von 3,3V, d.h. über den Transistor fällt in diesen fall
keine 0,7V Spannung ab.
Mal sehen, ob ich das so irgendwie in mein Layout unterbekomme.

Aber die spannende Frage lautet: Warum fällt bei meinem Schalter 0,7V
über E-C ab und bei den anderen Schaltern nicht? Der einzige
unterschied besteht ja nur darin, daß R-Last am Emiter hängt anstatt an
Collector.

Autor: Matthias (Gast)
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Hi

weil ein NPN-Transistor schlicht und einfach nicht für diese Schaltung
geeignet ist. Nimm einen PNP und invertiere die Ansteuerung.

Matthias

Autor: Heinz (Gast)
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>Der einzige
>unterschied besteht ja nur darin, daß R-Last am Emiter hängt anstatt
an
>Collector.

und darin das der Kollektor seine Masse nicht direkt, sondern über eine
LED (Spannungsabfalle) bezieht

Autor: Beeblebrox (Gast)
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Das Problem in ähnlicher Form hatte ich auch schon einige Male - so ganz
erklären kann ich mir das auch noch nicht. Trotz E-Technik Studium !
Egal, ich habe in ähnlichen Fällen einfach nen Darlington eingesetzt.
Funktionierte bei mir prima und braucht keinerlei Änderungen am PCB.

Autor: Simon Küppers (Gast)
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Hallo,

Wie du schon richtig bemerkt hast, "frisst" ein Transistor beim
Durchschalten 0,7V auf, das ist der übliche Halbleiterdrop und der ist
leider auch nicht so leicht zu unterbinden. Die einfachste Methode ist
in der Tat die, ein Mosfet zu benutzen. Ich würde ein N-Channel Mosfet
nehmen, Source (aka Emmitter beim Transistor) auf Masse legen, und
zwischen Vdd und Drain (bei Transistor der Kollektor) die zu-schaltende
Last.

Mosfets haben einen Ohmschen Widerstand im On-State. Ein Buz71A zum
Beispiel hat 0,1Ohm RDS(On). Dies bedeutet, wenn im ON-Zustand (also
Voll-durchgesteuert) ein Strom von, sagen wir mal, 10Ampere fließt ist

U= R*I
U= 0,1 * 10
U = 1

Hier beträgt der Drop 1V bei 10Ampere im ON Zustand (Der Transistor hat
hier in der Regel 0,7V Drop, allerdings steigt dieser auch bei hohem
Strom drastisch an !)

Hier mal das Datenblatt von dem BUZ71:
http://www1.jaycar.com.au/images_uploaded/BUZ71.PDF

In letzter Zeit sind mir folgende kleine nützliche Bauteile
aufgefallen:
"BTS 432" Ein "Highside Switch":
http://www.ortodoxism.ro/datasheets/infineon/1-BTS...
und ein "BTS 117" ein "Lowside Switch":
http://www.infineon.com/cmc_upload/0/000/008/620/BTS117.pdf

Zur Erklärung:
Diese Bausteine haben einen Logikeingang (5V/0V) ob diese auch mit 3,3V
am Eingang funktionieren weiß ich nicht, aber dafür gibts die
Datenblätter. Steuern kann man damit eine sehr hohe Last, wie uns das
Datenblatt verrät. Gerade der BTS432 ist ein Schalt-wunder.

Zur Erklärung Highside/Lowside:

"Highside switchen" nennt man, wenn man die Schaltung wie folgt
aufbaut:
Vdd->SCHALTER->LAST->GND
Der Schalter (hier der HIGHSIDE Switch) schaltet also einfach gesagt
die "Plusleitung" vom Verbraucher AN und AUS.

Wenn man "Lowside switcht" meint man das Gegenteil:
Vdd->LAST->SCHALTER->GND
Der Schalter schaltet die "Minus-Leitung" des Verbrauchers AN und
AUS.

Nunja über die Nützlichkeit eines Lowside Switches lässt sich
streiten.. aber die Highside Switches sind interessant, zumal sie mit
0-5V "bedient" werden und zum Teil 40V und mehr Schalten können bei
extrem hohen Strömen und gleichzeitig einem extrem niedrigen
Spannungsabfall im ON-Zustand. Leider hat dies auch seinen Preis,
Reichelt will für den BTS432 3,15€. Der BTS432 hat aber auch einen
"kleinen Bruder", den BTS409. Hat keine so hohen Leistungswerte,
kostet dafür aber auch "nur" 1,60€.
(Datenblatt:
http://www.ortodoxism.ro/datasheets/infineon/1-BTS...)

Nunja, den Ausgang der Geschichte kannst du dir Sicher selber denken,
ein Highside Switch aus normalen Mosfets aufzubauen ist nicht so
einfach wie gedacht. Ein Lowside Switch schon (einfacher N-Channel wie
oben erwähnt). Entweder du nimmst einen N-Channel und benutzt ihn als
Lowside Switch (so ein BUZ71 kostet läppische 50ct) oder du kaufst ein
BTS409 bzw BTS432 wenn du unbedingt aufs Highside-switchen angewiesen
bist.

hth
Simon

Autor: Netbandit (Gast)
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Nun ja, dann muß ich das ganze eben als gegeben hinnehmen und bei den
nächsten Projekten die Schalter anders planen.

Der Tip mit dem PNP war Goldrichtig... da brauche ich ja nichtmal das
Layout zu ändern sondern einfach die Programmierung etwas
angleichen...

danke für die Lösungsvorschläge...
ein schönes (rest)wochenende wünsche ich euch allen bei mir wird jetzt
weitergebastelt :)

Autor: Matthias (Gast)
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Hi

die 0,7V sind natürlich viel zu viel für einen ordentlich übersteuerten
Transistor. Bis hinunter zu 0,1V kann man durchaus erreichen wenn man
den Transistor nicht bis an seine Grenzen ausreizt.

Matthias

Autor: Netbandit (Gast)
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@Simon Küppers:

das hört sich wirklich interessant an.
Hatte mich noch nicht so ausführlich mit schaltern befasst, da bis
jetzt fast immer die leistung der Pins des µC ohne Probleme ausgereicht
hat.
Aber in Zukunft kann man die sicher gut gebrauchen, gerade dann wenn
man eben mal etwas mehr Steuern muß als nur 3,3V oder 100mA stellen
diese eine einfache alternetive gegenüber komplexeren
Transistorschaltern da.

Autor: Simon Küppers (Gast)
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Hallo,

Ich habe gerade nochmal nachgeschaut, leider funktioniert so ein BTS432
/ 409 nur bis 5V an der Stromversorgung :(

Autor: Michael (ein anderer) (Gast)
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@Beeblebrox:

> so ganz erklären kann ich mir das auch noch nicht.
> Trotz E-Technik Studium

Na, wie lange studierst Du schon? Eine Woche? Einen Monat?


@Netbandit:

Die ca. 0,7 Volt Spannungsabfall werden nicht ursächlich von der
Kollektor-Emitter-Strecke erzeugt, sondern von der
Basis-Emitter-Strecke. Die Basis-Emitter-Strecke ist ja nichts anderes
als eine Diode, und an einer Diode fallen rund 0,7 Volt ab. Wenn Du nun
an die Basis 3,3 Volt anlegst, kann am Emitter maximal 2,6 Volt
anliegen, weil eben 0,7 Volt Spannung über die Basis-Emitter-Diode
abfallen. Wenn der Emitter positiver als 2,6 Volt werden würde, in
Deinem Beispiel z.B. 3 Volt, wäre die Differenz zwischen Basis und
Emitter nur 0,3 Volt. Aber bei 0,3 Volt kann die Basis-Emitter-Diode
gar nicht leiten, also fliesst auch kein Strom in die Basis rein und
der Transistor schaltet auch nicht.

Deine Schaltung nennt man Kollektorschaltung bzw. Emitterfolger.
Emitterfolger heisst das Ding auch weil die Spannung am Emitter der
Spannung der Basis 'folgt', aber eben mit ca. 0,7 Volt weniger.

Wenn Du die Last zwischen VCC und Kollektor hängst und den Emitter an
Masse, hast Du eine sogenannte Emitterschaltung. Wenn Du dann einen
Strom an die Basis legst, stellt sich dort eine Spannung von ca. 0,7
Volt gegenüber des Emitters, bzw. der Masse ein.

Ein bipolarer Transistor (also kein Mosfet etc.) ist ein
Stromverstärker. D.h. den Strom den Du in die Basis reinschickst,
versucht der Transistor verstärkt (z.b. um den Faktor 500) zwischen
Kollektor und Emitter fliessen zu lassen. Dazu veringert der Transistor
effektiv seinen 'Widerstand' zwischen Kollektor und Emitter solange,
bis der gewünschte (verstärkte) Strom fliessen kann.

Wenn Du nun aber z.B. in die Basis 1mA Strom reinschickst, möchte der
Transistor 500mA zwischen Kollektor und Emitter fliessen lassen. Wenn
aber durch Deine Last nur 100mA bei einer bestimmten Spannung fliessen
können (z.b. 33 Ohm Widerstand bei 3,3 Volt), dann kann der Transistor
seinen 'Widerstand' zwischen Kollektor so klein machen wie er will,
es nützt aber nichts. Diesen Zustand nennt man Sättigungsbetrieb. Im
Sättigungsbetrieb verhält sich die Kollektor-Emitter-Strecke wie ein
kleiner Widerstand von einigen Ohm (je nach Transistor) und darum fällt
daran nur eine relativ kleine Spannung ab.

Darum muss der Strom der in die Basis eines Transistors fliesst
ausreichend groß sein. Denn die Stromverstärkung eines Transistors ist
zum einem fertigungstechnisch großen Schwankungen unterlegen und hängt
zum anderem vom Kollektorstrom ab. So hat ein
Feld-Wald-Wiesen-Transistor bei kleinen Strömen (so bis ca. 1mA) z.B.
eine Stromverstärkung von vielleicht 250, und bei großen Strömen (z.b.
ca 100mA) nur noch ein Stromverstärkung von vielleicht 50 oder noch
weniger. Das kommt eben immer auf den Transistortyp drauf an.


Meine Erklärung hier ist nur sehr vereinfacht; vor allem ist die
Beschreibung mit dem 'Widerstand' der Kollektor-Emitter-Strecke nicht
wirklich korrekt. In Wirklichkeit funktioniert's ein wenig anders,
nämlich mit gesteuerten Stromquellen (Stromsenken) und
Innenwiderständen usw. Aber für den Anfang genügt meine obige
Beschreibung...

Autor: Simon Küppers (Gast)
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Ups, hier nochmal Ich :)

Möglich wäre wirklich ein PNP, man könnte aber auch ein P-Channel
Mosfet nehmen. Diese Schalten bei etwa 5-6V wenn an Source ( war doch
so oder?) 12V anliegt. Da du ja nur 3,3V schalten willst, kann die
Gatespannung wesentlich geringer ausfallen. Eines musst du allerdings
beachten: wenn du zB das Gate auf Vdd ziehst, sperrst du den p-Mosfet
komplett, er öffnet sich ganz langsam bis die Basisspannung unter eine
bestimmte Schwellspannung tritt (Abhängig von U(Drain) oder Source?
hm), dann ist er ganz geöffnet. D.h. bei Massepotenzial am Gate ist er
im Prinzip Immer voll geöffnet.

Vortel auch hier wieder niedriger On Statewiderstand. Ein IRF5305
dürfte wohl ausreichen, kostet 67ct bei Reichelt.

Autor: Netbandit (Gast)
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@Michael:

Ja deine Erklärung ist absolut richtig, hätte ich aber auch selbst
drauf kommen können, denn damals in der Berufsschule habe ich den
anderen solche Dinge immer erklärt :-)
Danke dir, damit ist das ganze jetzt sogar noch richtig untermauert...

Es ist wirklich schade, in meinem Beruf bekommt man zwar eine gute
Ausbildung im Bereich der Grundlagenelektronik, doch nach der Lehre hat
man nur noch mit der Praxis etwas am Hut und wenn man bei einem TV einen
fehler sucht ist man eben leider nur noch selten dazu gezwungen auf die
Grundlagen der Elektronik zurückzugreifen.

Wie gesagt habe ich das Problem bei diesem Projekt mit einen PNP
Transistor gut lösen können, die Schaltung arbeitet jetzt genau so wie
ich es brauche. Ich habe zuästzlich noch einen 10k Widerstand parallel
zum Lastwiederstand an den Emiter rangehangen, damit im OFF-Zustand die
Spannung schneller abgebaut wird.

Autor: AxelR. (Gast)
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