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Forum: Mikrocontroller und Digitale Elektronik wie Transistor schneller abschalten


Autor: Tobi D. (fanti)
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Hallo,

ich eine LED-Ansteuerung mit einem Microcontroller realisiert, dabei 
wird die LED mit Vorwiderstand an 5V betrieben und mit dem PWM Signal 
des µC ( 50kHz, 1024 Stufen) sehr fein gedimmt.

Der erste Test direkt am µC Ausgang hat gut funktioniert, doch um den µC 
Ausgang zu entlasten und mehrere Leds gleichzeitig betreiben zu können 
(bis 100mA) habe ich eine Transistorstufe mit dem Bc547 als 
Emmiterschaltung hinzugefügt. Rb=1k Ohm  Ic max=100mA

Leider schaltet der Transistor wohl zu langsam, denn die LED leutchet 
nun bei der 1. Stufe also 1/1024 Teilung schon relativ hell im Vergleich 
zu vorher, kann mir ja jemand weiterhelfen?

Ich habe schon gegooglet und im Datenblatt geschaut, der bc547 kann wohl 
bis 100Mhz schalten und sollte somit funktionieren.
Im Netz bin ich darauf gestoßen, man könnte über den Basiswiderstand 
einen Kondensator hängen, dieser beschleunigt das schalten, oder man 
kann eine Schottky-Diode an Basis und Kollektor hängen...
Ich bin in den Details nicht so bewandert, kann mir bitte jemand den 
Nutzen erklären und ob es überhaupt etwas bringt.

Autor: Samuel C. (dragonsam)
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1. 50kHz sind sehr viel. Geh mal auf 1/100 davon.
2. Das Auge nimmt Licht nicht linear, sonder logarithmisch war. Deshalb 
nimmt die Helligkeit am Anfang sehr stark nach.

Autor: Martin (Gast)
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Beitrag "Transistor als schneller Schalter"

Warum nimmst du keinen MOSFET?

Autor: Historiker (Gast)
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Der Kondensator hilft beim LO-HI Übergang der Steuerspannung die Ladung 
schneller in die Basis des Trasistors zu transportieren, und vor allem 
beim HI-LO Übergang der Steuerspannung, die Ladung aus der im digitalen 
Betrieb üblicherweise erheblich übersteuertem Basis des Transistor 
schneller wieder abzuführen. So verkürzt er die Ein- und Ausschaltzeiten 
des Transistors - letztere üblicherweise am deutlichsten.

Die ersten Versuche würde ich mit Kondensatoren zwischen etwa 100 pF und 
1 nF machen. Mit Rücksicht auf die Belastung der Steuerquelle durch 
Stromspitzen beim Ein-/Ausschalten sollte der Kondensator nicht größer 
gewählt werden, als für eine ausreichende Flankensteilheit hinter dem 
Transistor erforderlich ist. Ganz "vornehm" wäre es, den Strom durch den 
Kondensator mit einem Serienwiderstand (Hausnummer: 100 Ohm, bei Deinem 
1 kOhm Basiswiederstand) zu limitieren.

Achtung: Falls die Steuerspannung größer als die 
Basis-Emitter-Duchbruchspannug des Transistors ist, kann eine 
("normale", bspw. 1N4148) Diode zwischen Basis (Kathode) und Emitter 
nötig werden, um die negative Spitze hinter dem Kondensator / an der 
Basis ggf. zu begrenzen.

Die Schottky-Diode zwischen Basis (Anode) und Kollektor hilft die 
Übersteuerung des Transistors im eingeschalteten Zustand zu verringern, 
indem sie die Basisspannung auf die Summe aus 
Kollektor-Emitter-Restspannung und ihrer eigenen Flußspannung begrenzt. 
Die Flußspannung der Diode sollte daher grundsätzlich so bemessen 
werden, daß die Kollektor-Emitter-Restspannung nicht ganz bis auf die 
Kollektor-Emitter-Sättigungsspannung bei "hart angesteuerter Basis" 
sinkt.

Hausnummernmäßig: Bei 0,7 Volt Basisspannung und 0,4 Volt Flußspannung 
der Diode werden zwischen Kollektor und Emitter ca. 0,3 Volt 
"stehenbleiben" - deutlich mehr als die Sättingunsspannung im gnadenlos 
übersteuerten Zustand.

Dementsprechend wird dabei deutlich weniger Ladung in die Basis gepumpt 
- die es beim Abschalten wieder abzutransportieren gilt.

Kondensator (+Serienwiderstand) und die Schottky-Diode können auch 
kombiniert verwendet werden.

Autor: Samuel C. (dragonsam)
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Martin schrieb:
> Beitrag "Transistor als schneller Schalter"
>
> Warum nimmst du keinen MOSFET?

MOSFET und 50kHz? Viel Spaß.

Autor: Martin (Gast)
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>MOSFET und 50kHz? Viel Spaß.

BC547 mit 100mA und 50kHz? Noch viel mehr Spaß.

Autor: Falk Brunner (falk)
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@  Samuel C. (dragonsam)

>> Warum nimmst du keinen MOSFET?

>MOSFET und 50kHz? Viel Spaß.

Stimmt, der langweilt sich zu Tode dabei ;-)

Autor: Falk Brunner (falk)
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@  Tobi D. (fanti)

>ich eine LED-Ansteuerung mit einem Microcontroller realisiert, dabei
>wird die LED mit Vorwiderstand an 5V betrieben und mit dem PWM Signal
>des µC ( 50kHz, 1024 Stufen) sehr fein gedimmt.

D.h du hast 50 MHz Takt? Und wozu das Ganze?

>Der erste Test direkt am µC Ausgang hat gut funktioniert, doch um den µC
>Ausgang zu entlasten und mehrere Leds gleichzeitig betreiben zu können
>(bis 100mA) habe ich eine Transistorstufe mit dem Bc547 als
>Emmiterschaltung hinzugefügt. Rb=1k Ohm  Ic max=100mA

Hälst du es für eine gute Idee, den Transistor soweit auszureizen?
Nimm BC337 oder so, dann passt das.

>Leider schaltet der Transistor wohl zu langsam, denn die LED leutchet
>nun bei der 1. Stufe also 1/1024 Teilung schon relativ hell im Vergleich
>zu vorher, kann mir ja jemand weiterhelfen?

Das Problem ist die Speicherzeit, das können mal fix ein paar 
Mikrosekunden sein.
Wenn du WIRKLICH 50 MHz Takt hast, muss du in weniger als 20ns schalten, 
eher so um die 5ns.
Kann man machen, ist aber sportlich.

Nimm lieber ein 74VHC04, doert sind sechs schnelle Gatter drin, an jedes 
eine LED, fertig.
Dann schaffst du auch deine 20ns Pulse.

>Ich habe schon gegooglet und im Datenblatt geschaut, der bc547 kann wohl
>bis 100Mhz schalten und sollte somit funktionieren.

Falsch. Das ist die Transitfrequenz, dann schwingt der mit Sinus und 
Verstärkung 1.

MFG
Falk

Autor: MaWin (Gast)
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Oh Mann was für Laberkram vonn Samuel & Co.

1. Ja, ein BC547 ist schon schnell.

2. Es hängt aber von der Beschaltung ab, ob man die Datenblattangabe 
auch erreicht.

3. In Emitterschaltung ist ein 1k Vorwiderstand an 5V (also ca. 4mA 
Basisstrom) zu wenig um 100mA schnell durchschalten zu können. Nimm 10mA 
Basisstrom, also 390 Ohm.

4. In Emitterschaltung kann man das Abschalten beschleunigen, in dem ein 
Kondensator zum Basiswiderstand parallelgeschaltet wird, schon 100pF 
tun's, mehr als 1nF sollte es nicht werden. Schutzdioden braucht man bei 
5V keine.

5. In Kollektorschaltung, also als Emitterfolger, wird es schneller, 
weil die Basis keinen Vorwiderstand hat und mit negativer Spannung 
ausgeräumt wird.

6. Leider kostet die Kollektorschaltung 1 Volt, also bleiben von den 5V 
nur noch 4V für die LED übrig, und wenn das eine blaue LED mit 3.6V 
Nennspannung ist, ist der zur Strombegrenzung verfügbare Restspannung 
von 0.4V recht gering, man bräuchte für 100mA nur noch 3.9 OHm als 
Vorwiderstand und bei 3.2V Spannungsbedarf der LED würde schon 200mA 
fliessen.

7. Falls also die Kollektorschaltung Probleme macht, kann man auf einen 
MOSFET umsteigen. Ein kleiner MOSFET hat auch eine niedrige 
Gate-Kapazität von ca. 30pF, schaltet also auch mit den 20mA eines 
uC-Ausgangs schnell um, so in ein paar Nanosekunden. Nimmst du einen zu 
grossen MOSFET, brauchst du einen Verstärker, einen MOSFET-Treiber, zum 
Umschalten. Da allerdings der MOSFET-Treiber selbst problemlos die 100mA 
schalten könnte, wäre das eher Unsinn.

Autor: Tobi D. (fanti)
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ohha, das ging fix mit den Antworten, vielen Dank an Historiker und 
MaWin für die Hilfe und die einfachen Erklärungen



Ich gebe zu 50kHz sind sehr viel, aber nur so kann ich gewährleisten, 
dass keine hörbaren Schwingungen auftreten ( das war nämlich <5kHz der 
Fall)
Der BC337 könnte zwar den Strom locker wegstecken, aber er hat auch eine 
3 mal so Hohe Sättigungsspannung.
Klar wird der BC547 an seiner Leistungsgrenze betrieben, aber solange 
sie nicht überschritten wird, sollte es unproblematisch sein.

Danke für die Tipps, ich werde sie ausprobieren.
Den Widerstand zu ändern und/oder einen Kondensator hinzuzufügen scheint 
mir der einfachste Weg zu sein.

Bei der Kollektorschaltung entsteht ein hoher Spannungsfall, bei mir mit 
weißen LEDs ist das nicht optimal, oder ich müsste notfalls auf 12V 
Versorgung umsteigen.

Vor der zusätzlichen Diode werde ich wohl auch besser die Funger lassen, 
die Lösung klingt zwar plausibel, aber bei 0,3V Uce und 100mA entstehen 
auch höhere Verluste, welche zu den Schaltverlusten bei 50kHz noch 
hinzukommen.

Der Vorschlag mit dem Mosfet gefällt mir noch ganz gut, wobei ich mir 
nicht sicher bin ob die 4V Ausgangsspannung ausreichen werden um einen 
Fet wirklich gut schalten zu können ( ich habe da irgendwas von >10V im 
Kopf).

Autor: Falk Brunner (falk)
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@  Tobi D. (fanti)

>Ich gebe zu 50kHz sind sehr viel, aber nur so kann ich gewährleisten,
>dass keine hörbaren Schwingungen auftreten ( das war nämlich <5kHz der
>Fall)

???

Seit wann schwingen LEDs?
Wenn das was pfeift, dann sind es Kondensatoren oder Spulen. Das kann 
man ändern, durch gescheite Bauteile.

Und von 5 kHz auf 50! ist es ein verdammt großer Sprung!

>Der BC337 könnte zwar den Strom locker wegstecken, aber er hat auch eine
>3 mal so Hohe Sättigungsspannung.
>Klar wird der BC547 an seiner Leistungsgrenze betrieben, aber solange
>sie nicht überschritten wird, sollte es unproblematisch sein.

Und du meinst, der hat eine niedrigere Sättigungsspannung? Glaub ich 
nicht.

http://www.datasheetcatalog.org/datasheet/fairchil...

900mV bei 100mA.

http://www.datasheetcatalog.org/datasheet/fairchil...

700mV bei 500mA!

>Bei der Kollektorschaltung entsteht ein hoher Spannungsfall, bei mir mit
>weißen LEDs ist das nicht optimal, oder ich müsste notfalls auf 12V
>Versorgung umsteigen.

Deine 50 kHz PWM sind Unsinn!

>nicht sicher bin ob die 4V Ausgangsspannung ausreichen werden um einen
>Fet wirklich gut schalten zu können

Doch, nennt sih Logic Level MOSFET, z.B. IRF7103.

MFG
Falk

Autor: Martin (Gast)
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>Der BC337 könnte zwar den Strom locker wegstecken, aber er hat auch eine
>3 mal so Hohe Sättigungsspannung.

Es ist genau umgekehrt!

>Ich gebe zu 50kHz sind sehr viel, aber nur so kann ich gewährleisten,
>dass keine hörbaren Schwingungen auftreten ( das war nämlich <5kHz der
>Fall)

Jetzt pfeift dafür der Äther und der Transistor aus dem letzten Loch...

>Der Vorschlag mit dem Mosfet gefällt mir noch ganz gut, wobei ich mir
>nicht sicher bin ob die 4V Ausgangsspannung ausreichen werden um einen
>Fet wirklich gut schalten zu können ( ich habe da irgendwas von >10V im
>Kopf).

Das dürfte sogar mit einem popeligen BS170 funktionieren.

Autor: Michael_ (Gast)
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>Seit wann schwingen LEDs?
Bei den wenigen wird es nicht auftreten. Aber wenn man hunderte LED in 
Paneelform betreibt, hört man die Frequenz. Ich mußte mal von 800 Hz auf 
10 KHz wechseln. Hunde sind dort sicher ausgerissen.

Autor: Eva (Gast)
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>>Seit wann schwingen LEDs?
>Bei den wenigen wird es nicht auftreten. Aber wenn man hunderte LED in
>Paneelform betreibt, hört man die Frequenz. Ich mußte mal von 800 Hz auf
>10 KHz wechseln. Hunde sind dort sicher ausgerissen.

Da wird sich dein Nachbar bedanken, wenn plötzlich sein DSL nicht mehr 
funktioniert...

Autor: Tobi D. (fanti)
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Michael_ schrieb:
>>Seit wann schwingen LEDs?
> Bei den wenigen wird es nicht auftreten. Aber wenn man hunderte LED in
> Paneelform betreibt, hört man die Frequenz. Ich mußte mal von 800 Hz auf
> 10 KHz wechseln. Hunde sind dort sicher ausgerissen.

genau so ist es, und der Sprung zu 50kHz hängt nun mal vom Prescaler des 
Timers des µC ab


du hast dich im Datenblatt verlesen, ich meine Uce und die ist beim 
bc547 bei 100mA normal 0,2V da kann der bc337 nicht mithalten

Den Basiswiderstand habe ich verkleinert, leider ohne Verbesserung, nun 
Versuche ich den Vorschlag mit dem Kondensator, vielleicht führt das zum 
Ziel

Autor: Historiker (Gast)
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Tobi D. schrieb:
> du hast dich im Datenblatt verlesen, ich meine Uce und die ist beim
> bc547 bei 100mA normal 0,2V da kann der bc337 nicht mithalten

Sicher?

Meine Unterlagen (siehe Bilder, beide aus Datenblättern von Motorola) 
attestieren dem BC337 bei 100 mA Kollektorstrom ca. 55 mV 
Sättigungsspannung, während der BC547 ab ca. 20 mA in steiler Kurve 
"gebrechlicher" wird, und bei 100 mA bereist gut 0,45 V "verdampft".

Ok, beide Male bei 10 mA Basisstrom gemessen - und die (mittlere, über 
alle Selektionsklassen) Stromverstärkung des BC337 ist etwas geringer...

...aber selbst Deine nur ca. 4 mA Basisstrom ("Rb=1k Ohm" im 
Eingansposting) dürften dieses Verhältnis des Sättingsspannungen nicht 
enmal annäherend umkehren.

Knapp formuliert sind 100 mA der Grenzbereich eines BC547 (nicht ohne 
Grund zun finden unter "Maximum Ratings"), aber gleichzeitig der 
Bereich, im dem sich ein BC337 gerade einmal locker einläuft.

MfG

Autor: Historiker (Gast)
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Sorry: Bild vergessen...

Autor: Tobi D. (fanti)
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Datenblattkrieg^^

bc547
im Datenblatt von Faichild lese ich 150mV im Diagramm und in den 
Spezifikationen 200-600mV

beim bc337 hast du recht, da habe nur in der Tabelle geschaut und dort 
ist der Wert für 500mA angegeben und stimmt somit für meinen Zweck nicht

Fazit: beide sind wohl geeignet, aber der bc337 kann sich bei selbst 
Volllast (100mA) noch ausruhen

Autor: Historiker (Gast)
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Tobi D. schrieb:
> Datenblattkrieg^^

Den bei Fairchild wohl die Abteilung "Verkaufsförderung" gewonnen hat - 
den Kollektorstrom des BC547 unter dem Diagramm in "ungestückelten 
Ampere" anzugeben ("IC[A], Collector Current"), bezeugt maßloses 
Vertrauen zum Produkt!

;-)

Spätestens an dieser Stelle würde ich beginnen, die tatsächlichen 
Arbeitsbedingungen selbst nachzumessen.

MfG

Autor: Johann (Gast)
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Ich würde den Basiswiderstand bei 1k lassen und einen Emitterwiderstand 
von etwa 50 Ohm (abhängig von der Spannung am Basiswiderstand) einbauen. 
Dann sollte der Transistor schnell genug schalten.

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