Forum: Mikrocontroller und Digitale Elektronik Problem mit Transistoren


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von Thomas G. (xxxprod)


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Hallo,

für ein FH Projekt baue ich gerade einen LED-Cube und hab dabei aus 
mangelndem Elektronikwissen schon einiges falsch gemacht aber ich bin 
schon kurz vorm Ziel und möchte den Cube nicht neu basteln.

Hier mal den Aufbau:

- 8x8x8 LEDs sind ebenenweise mit den Kathoden zusammengelötet. (Hier 
hab ich schon gelernt, dass gemeinsame Anoden praktischer wären)

- Angesteuert wird dies mit einem Arduino DUE (welcher nur 3.3V an den 
Pins hat)

- Weiters hab ich dann 8x74HC599 Bitshifter eingesetzt um die Ausgänge 
zu vervielfältigen.

Nun war mein erstes Problem, dass die ICs nur 70mA aushalten und die 
LEDs ja dann nur 1/8 der Zeit leuchten wodurch die nur sehr schwach 
leuchten.

Darum hab ich jetzt um die LEDs zu entkoppeln ein Emitterfolgerschaltung 
eingebaut, da ich die Masse ja nicht mehr schalten kann. (Hier hab ich 
gelernt, dass beim Emitterfolger die Emitterspannung immer Ub-0.6 ca 
ist, was bei meinen 3.3V in 2.6V resultiert.

Das ist soweit kein Problem, da ich eh rote LEDs mit 2.1V 
Durchlassspannung im Einsatz habe.

Nun funktioniert die Anodensteuerung soweit eigentlich ganz ok und die 
LEDs saugen ca. 30mA (laufen also auf 150%) und schauen auch bei 1/8 der 
Zeit noch gut aus.



Das nächste Problem ist jetzt bei der Kathodensteuerung aufgetaucht:

Ursprünglich war die Idee, die Ebenen mittels einem Darlington Array 
anzusteuern, da dieses mehr Leistung als das Board verträgt. Mit der 
neuen Anodensteuerung aber fließen potentiell 30*64=2A, was das Array 
überfordern würde.(da für 500mA spezifiziert).

Nun hab ich mir gedacht ich besorg mir stärkere Transistoren und schalte 
damit dann die Kathodenseite des Cubes. Leider passierts nun, dass diese 
Transistoren aus mir unverständlichen Gründen nochmals Leistung wegnimmt 
und damit nicht voll durchschaltet, egal was ich an der Basis anstelle.

Angehängt ist ein schematisches Bild der Schaltung:

VCC = 3.3V
R2  = 5 kOhm
R1  = 10 Ohm
R3  = 470 Ohm
LED = 2.1V, 20mA

obere Transistor = BC547B
unterer ist ein BD677A, welcher 4A Schalten können soll.

Nun zur eigentlichen Frage, welche sich nur um den unteren Teil der 
Schaltung dreht:

Warum, verliere ich Leistung am Transistor, sodass die LEDs wieder nur 
mehr weniger als die hälfte vom Strom abkriegen?

Mit Datenblättern tu ich mir schwer und falls ihr genauere Infos braucht 
liefer ich die gerne nach.

Meine Vermutung: Am Transistor gehen wieder 0.6V der 
Collector-Emitterspannung verloren und daher fließt auch wieder weniger 
Strom (wie bei der oberen Schaltung).
Falls dem so ist, hat wer einen Rat, wie ich trotzdem den vollen Strom 
durchbekomme bzw. gibt es ein anderes Bauteil mit dem ich die 2A schön 
und schnell schalten kann?

Lg und Danke,

Thomas

von Joachim B. (jar)


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Thomas Gruber schrieb:
> für ein FH Projekt

du schreibst unverständlich, hast einen Plan mit T1 2N706 und T2 BC517 
und dann kommt nur noch Grundrauschen.....

Thomas Gruber schrieb:
> obere Transistor = BC547B
Thomas Gruber schrieb:
> unterer ist ein BD677A,


Thomas Gruber schrieb:
> Meine Vermutung:

wieso Vermutung? versuche es mit messen.

Thomas Gruber schrieb:
> unterer ist ein BD677A, welcher 4A Schalten können soll.

ach aber wenn oben

Thomas Gruber schrieb:
> obere Transistor = BC547B

wie soll der 4A können?

ich würde sagen, "Problem mit" Ausdrucksweise und systematischem 
arbeiten.

: Bearbeitet durch User
von Thomas G. (xxxprod)


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Sorry für die undeutliche Ausdrucksweise.

Diese Schaltungen sind bisher "rocketscience" für mich und ich tu mir 
schwer in Worte zu fassen, was ich eigentlich nur durch herumprobieren 
geschafft habe.

Ich hab den Plan nun durch die richtigen Komponenten ausgetauscht und 
etwas erweitert:

Nun ist hoffentlich ersichtlich, dass im oberen Teil der Schaltung, die 
ganzen Anoden der potentiell 64 LEDs geschalten werden. Alle Kathoden 
dieser LEDs sind verbunden und sollen dann nochmals an der Kathodenseite 
geschaltet werden können.

Deswegen 4A, weil potentiell 30mA * 64 ~ 2A fließen können.

Hoffe nun ists verständlicher

Lg, Thomas

: Bearbeitet durch User
von Joachim B. (jar)


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Thomas G. schrieb:
> Warum, verliere ich Leistung am Transistor, sodass die LEDs wieder nur
> mehr weniger als die hälfte vom Strom abkriegen?

vielleicht ist der Trasi zu lahm, dein Takt zu hoch?

das hier ist zwar besser aber immer noch kein vollständiges Schaltbild, 
etwas mehr Mühe solltest du dir geben und auch mal einige Spannungen 
einzeichnen, evt. schaltest du erst mal gaaaaaaaaaaaaaaaannnnnnnnz

langsam und misst.

von Thomas G. (xxxprod)


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Wenn ich nur 1 LED aktiviere, fließt durch sie mit dem BD677 dazwischen 
~5 mA und ohne (direkt gegen Masse) 25mA.

Folgendes hab ich gemessen (alles bezogen auf den BD677):
- Zwischen Basis und Gnd liegen 1.3V an.
- Am Rb(470 Ohm) liegen 1.8V an.
- Ib fließt ~ 4 mA.
- Ie fließt ~ 9 mA
- Zwischen Collector und Gnd messe ich 0.6V

Das heißt doch, dass mir die 0.6V bei den LEDs fehlen oder?

von Leo C. (rapid)


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Thomas G. schrieb:
> 8x74HC599 Bitshifter

Soll wohl 8 x 74HC595 heißen.

> Darum hab ich jetzt um die LEDs zu entkoppeln ein Emitterfolgerschaltung
> eingebaut, da ich die Masse ja nicht mehr schalten kann. (Hier hab ich
> gelernt, dass beim Emitterfolger die Emitterspannung immer Ub-0.6 ca
> ist, was bei meinen 3.3V in 2.6V resultiert.

Mit einem PNP-Transistor in Emitterschaltung (ohne -folger) könntest Du 
hier auf VCC - 0.1V kommen.

> Mit Datenblättern tu ich mir schwer

Das Zauberwort für's Datenblatt heißt "Collector-Emitter Saturation 
Voltage", VCE(sat).

> Meine Vermutung: Am Transistor gehen wieder 0.6V der
> Collector-Emitterspannung verloren und daher fließt auch wieder weniger
> Strom (wie bei der oberen Schaltung).

Bei höheren Strömen ist es wesentlich mehr. ST-Datenblatt sagt bei 2A 
und 25°C Sperrschichttemperatur z.B. ca. 1.1V.

Dieses Problem hast Du bei Darlington-Transistoren grundsätzlich.

von Thomas G. (xxxprod)


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Hallo Leo,


danke für deine Antwort.

Ich würde gerne den oberen Teil der Schaltung nicht umbauen, wenn es 
nicht unbedingt notwendig ist aber trotzdem zum Verständnis: Macht es es 
tatsächlich so einen großen Unterschied wenn man PNPs verwendet? In 
diversen Anleitungen werden PNPs als gleichwertig zu NPNs die lediglich 
die Spannung verkehrt anliegen haben beschrieben.


Irgendwie nerven diese 0.6V die in jedem Fall auf der C-E Strecke 
fehlen. (Da ich nicht damit gerechnet habe)

Gibt es eine alternative zu Transistoren (bzw. andere Schaltungen) um 
ohne Spannungseinbußen schalten zu können?


Vieln Dank,
Thomas

von J. T. (chaoskind)


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Klar macht das ein Unterschied. Befasse dich einmal mit den 
Grundschaltungen von Transistoren. Emitter- und Kollektorschaltung als 
Stichworte für Google ;-)

von Thomas G. (xxxprod)


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j. t. schrieb:
> Klar macht das ein Unterschied. Befasse dich einmal mit den
> Grundschaltungen von Transistoren. Emitter- und Kollektorschaltung als
> Stichworte für Google ;-)

Hallo j.t.,


ich befasse mich nun schon seit über 2 Wochen intensiv mit Transistoren 
im Allgemeinen und natürlich auch mit diversen Grundschaltungen und 
trotzdem hab ich erst vor kurzem z.B. das mit den 0.6V Spannungsabfall 
beim Emitter erfahren.

Wie oben beschrieben, gehen die meisten Seiten die bisher gefunden habe 
nur auf NPN Transistoren näher ein und schreiben dann halt das PNP genau 
gleich funktioniert nur umgepolt. Ich habe also keine Infos bzgl. diesem 
Verhalten bei PNP Transistoren gefunden. (Drum auch die Frage)


Falls du eine Idee hast, wie ich die Masse meiner (potentiell) 64 LEDs 
schalten könnte ohne dabei ein Fünftel der Spannung zu verlieren, wäre 
ich dir sehr verbunden. Mit Google-Ratschlägen zu Grundschaltungen 
hilfst du mir leider nicht.

PS: Ich kann auch mit einem Statement leben, dass es mein Vorhaben 
überhaupt nicht möglich ist. Auch das würde mir weiterhelfen.

von J. T. (chaoskind)


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Aus deinem Schaltbild heraus:
Die Masse schaltest du schon richtig (Emitterschaltung).

Als problematisch sehe ich eher deine "oberen" Transistoren. Der Strom 
der durch einen Transistor fließt, hängt doch von der Spannung an der 
Basis gegenüber dem Kollektor ab (bzw vom Strom der durch die Basis 
geht).

Wenn du nun an deinem Emitter die LEDs hast und ein Strom zu fließen 
beginnt, stellt sich an den LEDs ein Spannungsabfall ein. Diesen 
Spannungsabfall "sieht" nun auch deine B-E-Strecke. Also stellt sich im 
folgenden eine kleinere B-E-Spannung ein als "erwartet". Jetzt drehst du 
deine Basisspannung weiter auf um doch mehr Strom fließen zu lassen. Nun 
kommt mehr Strom, aber mehr Strom bedeutet auch einen höheren 
Spannungsabfall an den LEDs. Das ganze nennt sich Gegenkopplung.

Meine Empfehlung ist für die oberen Transistoren nen BC557 statt nem 547 
zu verwenden. Das ist aber nicht unaufwändig falls deine 64LED schon mit 
den 547 bestückt sind.

Ein Tipp noch am Rande: Lade dir LTSpice runter, damit kannst du 
Schaltungen simulieren. Dann musst du nicht immer alles aufbauen, um 
Messungen durchführen zu können. Ausserdem geht nix kaputt, wenn du mal 
100A durch nen BC547 treibst. (Das ist sowohl Vor- als auch Nachteil der 
Simulation, man muss immer selbst eine Plausibilitätsbewertung 
durchführen. Die Simulation lässt keine Transen platzen :-) )

von J. T. (chaoskind)


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Korrektur:
Der Strom hängt von der Spannung der Basis gegenüber dem Emitter, nicht 
dem Kollektor ab.

von Nosnibor (Gast)


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Gesucht ist also für die untere Seite ein Schalter, der den Strom 
verträgt und nicht so viel Spannung frißt. Da sollte es eigentlich einen 
passenden N-FET für geben. Kann sein, daß der dann mehr als 3,3V am Gate 
braucht, um vollständig durchzuschalten, aber eine entsprechende 
Treiberschaltung (bzw. acht davon) dürfte immer noch weniger Mühe machen 
als die obere Seite zu ändern, wenn die schon (64mal) fertig aufgebaut 
ist.

von Thomas G. (xxxprod)


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Hallo Nosnibor,

mit FET kenne ich mich leider noch weniger aus. Trifft dort dieses 
Phänomen nicht ein, dass sich die Spannung zwischen Drain und Gate 
aufteilen bzw. dass das Gate die Spannung an Drain und Source festlegt 
so wie beim Bipolaren?
Könntest du einen FET empfehlen?

von MaWin (Gast)


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Thomas G. schrieb:
> Warum, verliere ich Leistung am Transistor, sodass die LEDs wieder nur
> mehr weniger als die hälfte vom Strom abkriegen?

Weil das ein Darlington ist, der über R3 auch nur wenige Milliampere 
bekommt um durchzuschalten, und daher gut 1V verliert.

Bau deine Schaltung so:
                    +5V     +5V
                     |       |
                +--------+   |
3.3V Arduino ---|74HCT595|--|< BC547         (64 x )
                +--------+   |E      LED
                             +--33R--|>|--+
                                          |
             ----------------------------|I RUQ050N02 (8 x)
                                          |S
                                        Masse
Der MOSFET verliert viel weniger Spannung und bewirkt damit geringere 
Verluste. Man muss nur einen Typen nehmen, der bei 3.3V sicher 
durchschaltet.

von Thomas G. (xxxprod)


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