Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Hilfe zu einer Transistorschaltung erbeten


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von Tester (Gast)


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Hallo,

ich habe die angehängte Schaltung als fertige Platine vorliegen.
Der Ausgang des Transistor soll mindestens 20V auf eine digitale 
Eingangskarte (zu Messzwecken) schalten, typischerweise braucht diese 
für diesen Eingang 10-12mA, hier als R7 dargestellt. Zur Zeit habe ich 
R4=1kOhm gewählt. Mein Multimeter zeigt an, dass die Spannung für diese 
Eingangskarte aber nur ca. 17V beträgt. Wo ist mein Denkfehler?

Vielen Dank im Voraus.

von Tester (Gast)


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Achso, verwendet wird der BS170 (anders als in der Zeichnung angegeben).

von Tester (Gast)


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Entschuldigung. Die Frage sollte eigentlich lauten, wie der Widerstand 
R4 zu dimensionieren wäre, damit eben durch R7 ein Strom von bis zu 12mA 
fließen kann. Lt. Spice ergibt sich durch diese Konstellation nur eine 
Spannung von ca. 12V,

von hm? (Gast)


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Der Transistor ist durchgeschaltet?

von Tester (Gast)


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Ja.

von hm? (Gast)


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Was ist denn für dich der "Ausgang des Transistors"?

von Tester (Gast)


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Heute ist wirklich nicht mein Tag. Nochmals sorry!

Der Strom sollte nur fließen, wenn der Transistor nicht durchgeschaltet 
ist.

von Tester (Gast)


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Der "Ausgang" wird durch R7 dargestellt, der die digitale Eingangskarte 
repräsentiert.

von SonicHazard (Gast)


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Was soll das?
Das Ohmsche Gesetz nicht anwenden können aber Spice soll's richten?

von hm? (Gast)


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Also: Der Transistor ist nicht durchgeschaltet und der Widerstand von R7 
ist mit 1 kOhm fetsgelegt? Und jetzt möchtest du wissen wie groß R4 sein 
muss damit dort 12 mA fließen?

von Tester (Gast)


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Fast :).

R7, der die digitale Eingangskarte darstellt, kenne ich nicht. Für die 
Zeichnung habe ich ihn willkürlich ausgewählt.

Ich weiß nur, dass die Eingangskarte ca. 12mA und mindestens 20V 
benötigt.
R4 muss bestimmt werden.

von M. W. (rallini94)


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Du willst 10-12 mA und an R4 sollen maximal 4V abfallen, richtig?

Dann hoffe ich, kannst du das Ohmsche Gesetzt selbst darauf anwenden

von Clemens L. (c_l)


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Ein Spannungsabfall von höchstens 4 V mit 12 mA ergibt R4 ≤ 4 V / 12 mA 
≈ 330 Ω.

(Das sind dann 73 mA, wenn der Transistor durchschaltet.)

: Bearbeitet durch User
von Wirres Zeug (Gast)


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Tester schrieb:
> Ich weiß nur, dass die Eingangskarte ca. 12mA und mindestens 20V
> benötigt.

So ein Käse.

Zeig doch mal deine "digitale Karte" die so einen Mist braucht.

von Stefan F. (Gast)


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> Ich weiß nur, dass die Eingangskarte ca. 12mA und mindestens 20V
> benötigt.

R7 simuliert nicht deine Eingangskarte. Richtig wäre: 20V / 12mA = 1,7k 
Ohm

R4 ist auch falsch:  (24V - 20V) / 12mA = 330 Ohm

Ich denke aber, dass du von falschen Annahmen bezüglich deiner 
Eingangskarte ausgehst.

von Tester (Gast)


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Ok.

1) nicht durchgeschalteter Zustand
4V fallen über R4 ab, das ergibt einen Widerstand (bei 12mA) von ca. 
330Ohm. Das sehe ich ein.

2) durchgeschalteter Zustand
Die vollständige Spannung von 24V fallen über R4 ab. Dadurch ergibt sich 
ein Strom von ca. 72mA. Über R7 fallen 0V ab.
Richtig?

Ich glaube, ich hätte heute besser zH bleiben sollen.

von Wirres Zeug (Gast)


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Tester schrieb:
> Ich glaube, ich hätte heute besser zH bleiben sollen.

Ich glaube du hättest lieber eine andere Aufgabe bekommen sollen.

von ArnoR (Gast)


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Stefan U. schrieb:
> R7 simuliert nicht deine Eingangskarte. Richtig wäre: 20V / 12mA = 1,7k
> Ohm
>
> R4 ist auch falsch:  (24V - 20V) / 12mA = 330 Ohm

Ja, und das zeigt auch das Problem. Die Schaltung arbeitet "falschrum". 
Wenn der Ausgangspegel "0" ist, fließt viel mehr Strom weg, als die Last 
benötigt, nämlich 24V/330R=73mA. Daher würde man nicht Low-Side 
schalten, sondern High-Side.

von Yalu X. (yalu) (Moderator)


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Tester schrieb:
> 1) nicht durchgeschalteter Zustand
> 4V fallen über R4 ab, das ergibt einen Widerstand (bei 12mA) von ca.
> 330Ohm. Das sehe ich ein.

Richtig.

> 2) durchgeschalteter Zustand
> Die vollständige Spannung von 24V fallen über R4 ab. Dadurch ergibt sich
> ein Strom von ca. 72mA. Über R7 fallen 0V ab.
> Richtig?

Ja.

Aber: R4 muss 24V·72mA=1,7W vertragen, also relativ groß ausgelegt
werden. Und ziemlich viel Wärme produziert er dabei auch.

Ich nehme an, am Eingang der sagenumwobenen Digitalkarte steckt ein
Optokoppler. Diesen schaltet man besser High-Side, also mit einem
PNP-Transistor oder einem P-Mosfet an den 24V.

: Bearbeitet durch Moderator
von Tester (Gast)


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Das ist korrekt. Auf dieser Karte befinden sich Optokopller.

Das heißt, ich könnte im Prinzip mit dem BS170 (n-Kanal Mosfet) die 24V 
high-side-mäßig direkt auf den Eigang schalten?

von Tester (Gast)


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...ohne Widerstand.

von Wirres Zeug (Gast)


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Yalu X. schrieb:
> Ich nehme an, am Eingang der sagenumwobenen Digitalkarte steckt ein
> Optokoppler.

Optokoppler und 24V. Ich glaube ich habe eine Bildungslücke.

Je mehr Volt desto High Tech.

von Yalu X. (yalu) (Moderator)


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Tester schrieb:
> BS170 (n-Kanal Mosfet)

Sorry, habe mich oben vertippt und es zu spät korrigiert. Es muss
natürlich ein P-Mosfet sein. Wie der verschaltet wird, hängt davon ab,
was links von der Schaltung passiert, d.h. wie das Schaltsignal
aussieht.

von Stefan F. (Gast)


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Mit Sicherheit braucht die Eingangskarte nicht genau 20V und 12mA.

Vermutlich geht es auch mit 12V und 7mA. Oder ganz simpel 24V und 15mA.

von Tester (Gast)


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Ok. Ich habe es gesehen.

Der Transistor wird durch ein Rechtecksignal (5V) angesteuert. Ich 
müsste also einen p-Kanal mosfet verwenden und meinen Eingang des 
Optokopplers an die Source-Strecke legen.
Gibt es ein direktes Pendant zum BS170 als p-Kanal-Typ?

von Wirres Zeug (Gast)


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Tester schrieb:
> Ich
> müsste also einen p-Kanal mosfet verwenden und meinen Eingang des
> Optokopplers an die Source-Strecke legen.

Vergewissere dich erst mal ob die Anforderungen von deiner
"Eingangskarte" stimmen. Ich behaupte mal: nein.

Optokoppler und 24V passt einfach nicht zusammen.

von Yalu X. (yalu) (Moderator)


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Tester schrieb:
> Der Transistor wird durch ein Rechtecksignal (5V) angesteuert.

Ok, dann s. Anhang.

> Gibt es ein direktes Pendant zum BS170 als p-Kanal-Typ?

Da geht fast jeder. Im Beispiel habe ich einen BSS84 genommen.

Wirres Zeug schrieb:
> Optokoppler und 24V passt einfach nicht zusammen.

Doch, das ist Industriestandard bei SPSen und allem was damit
zusammenhängt. Der eingebaute Vorwiderstand ist für 24V-Signale
ausgelegt.

: Bearbeitet durch Moderator
von Baldrian (Gast)


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Tester schrieb:

> Gibt es ein direktes Pendant zum BS170 als p-Kanal-Typ?

BS250

von Wirres Zeug (Gast)


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Yalu X. schrieb:
> Der eingebaute Vorwiderstand ist für 24V-Signale ausgelegt.

Na gut, wenn du es sagst. Also doch ich Bildungslücke.

von Stefan F. (Gast)


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Wetten, deine Eingangskarte kannst du direkt mit den 5V ansteuern?

von Tester (Gast)


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Yalu X. schrieb:
> Ok, dann s. Anhang.
>
>> Gibt es ein direktes Pendant zum BS170 als p-Kanal-Typ?
>
> Da geht fast jeder. Im Beispiel habe ich einen BSS84 genommen.


Brauche ich die Pegelwandlung unbedingt oder kann ich den BSS84 oder 
BS150 direkt mit meinem Rechteck antriggern, negative GS-Spannung habe 
ich ja dann U_GS=5-24V.

Danke!

von Yalu X. (yalu) (Moderator)


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Stefan U. schrieb:
> Wetten, deine Eingangskarte kannst du direkt mit den 5V ansteuern?

Könnte funktionieren, aber wenn bei der Karte als Minimum 20V
spezifiziert sind, sollte man sich auch daran halten.

von Tester (Gast)


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Yalu X. schrieb:
> Ok, dann s. Anhang.
>
>> Gibt es ein direktes Pendant zum BS170 als p-Kanal-Typ?
>
> Da geht fast jeder. Im Beispiel habe ich einen BSS84 genommen.


Brauche ich die Pegelwandlung unbedingt oder kann ich den BSS84 oder
BS150 direkt mit meinem Rechteck antriggern, negative GS-Spannung habe
ich ja dann U_GS=5-24V.

Danke!

von Baldrian (Gast)


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Tester schrieb:
> Yalu X. schrieb:

> Brauche ich die Pegelwandlung unbedingt oder kann ich den BSS84 oder
> BS150 direkt mit meinem Rechteck antriggern, negative GS-Spannung habe
> ich ja dann U_GS=5-24V.

Der Pegelwandler sorgt dafür, dass der BSS84 sauber mit 24 V sperrt und 
ebenso sauber mit 12 V leitet.

Vielleicht stellt Yalu das ASC-File zum Simulieren ein (oder du tippst 
die paar Bauteile ab).

von Jörg H. (sonichazard)


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Und wenn das alles viel zu komliziert ist nimm ein 5V Relais.

von Ralf (Gast)


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Hiermit bekommt Deine Karte am Eingang glasklare Low- und 
Highverhältnisse. Im Low-Fall wird nur am 10k Ohm Widerstand Leistung 
verbraten.

Die Berechnung des 1k2 Widerstandes ist jetzt einfacher:
24V / 1200 Ohm = 0,02A.

von Ralf (Gast)


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Ich merke auch gerade, dass die oben genannt Schaltung invertiert. Es 
müsste also noch eine Transistorstufe in Emitterschaltung davor 
geschaltet werden. Das würde aber den Aufwand erhöhen.

Also ist die Schaltung von Yalu X. somit einfacher.

von Tester (Gast)


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Ich habe das mal simuliert und festgestellt, dass sich die Schaltung 
anders verhält (s. Anhang: 1.Bild zeigt die originale Schaltung und das 
zweite Bild die von Yalu).

Der grüne Spannungsverlauf zeigt den Ansteuerungsimpuls, der weiße den 
Verlauf, den der Optokoppler "sieht".

Ich brauche aber das gegensätzliche Verhalten, dass beim Ansteuern am 
Ausgang meiner Schaltung 0V anliegen.

von ArnoR (Gast)


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Tester schrieb:
> Ich brauche aber das gegensätzliche Verhalten, dass beim Ansteuern am
> Ausgang meiner Schaltung 0V anliegen.

Dann schließt du in Yalus-Schaltung die Basis von Q1 fest an 5V an und 
den unteren Anschluß von R2 nicht an Masse, sondern an den µC-Ausgang.

von Ralf (Gast)


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Tester schrieb:
> Ich brauche aber das gegensätzliche Verhalten, dass beim Ansteuern am
> Ausgang meiner Schaltung 0V anliegen.

Dann solltest Du vor Yalus Schaltung noch einen Inverter bauen oder 
gleich die Pegelwandlerschaltung mit Push-Pull-Treiber verwenden. Denn 
die würde jetzt auch ohne vorgeschalteten Inverter wunschgemäß 
funktionieren.

von Tester (Gast)


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ArnoR schrieb:
> Dann schließt du in Yalus-Schaltung die Basis von Q1 fest an 5V an und
> den unteren Anschluß von R2 nicht an Masse, sondern an den µC-Ausgang.

Das passt! Ist dann nicht Q1 prinzipiell überflüssig, da er die ganze 
Zeit durchgeschaltet ist?

von Axel S. (a-za-z0-9)


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Tester schrieb:

> ich habe die angehängte Schaltung als fertige Platine vorliegen.
> Der Ausgang des Transistor soll mindestens 20V auf eine digitale
> Eingangskarte (zu Messzwecken) schalten, typischerweise braucht diese
> für diesen Eingang 10-12mA, hier als R7 dargestellt.

Bist du sicher, was diese 10-12mA angeht? 24V Logikeingänge sollten 
eigentlich viel weniger Strom brauchen. Und sie brauchen auch nicht 
unbedingt 20V, sondern erkennen ein H schon bei viel weniger Spannung.

Außerdem ergeben 10mA bei 20V nicht R7=1K, sondern R7=2K

> Zur Zeit habe ich
> R4=1kOhm gewählt. Mein Multimeter zeigt an, dass die Spannung für diese
> Eingangskarte aber nur ca. 17V beträgt. Wo ist mein Denkfehler?

Du übersiehst, daß R4 und R7 einen Spannungsteiler für die 24V 
Betriebsspannung bilden, wenn der Transistor abgeschaltet ist.
Wenn du wirklich ein Teilerverhältnis 4V:20V brauchst, dann darf
R4 nicht größer als 400R sein (bei R7=2K).

Aber wie gesagt: du setzt R7 viel zu niederohmig an.

von Ralf (Gast)


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Tester schrieb:
> Ist dann nicht Q1 prinzipiell überflüssig, da er die ganze
> Zeit durchgeschaltet ist?

Ja. Der kann jetzt ersatzlos entfallen.

von ArnoR (Gast)


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Tester schrieb:
> Ist dann nicht Q1 prinzipiell überflüssig, da er die ganze
> Zeit durchgeschaltet ist?

Nein, er ist nicht die ganze Zeit durchgeschaltet, sondern nur dann, 
wenn das Eingangssignal "low" ist. Ist das Eingangssignal "high", dann 
ist Ube=0 und der Transistor ausgeschaltet.

von ArnoR (Gast)


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Ralf schrieb:
> Ja. Der kann jetzt ersatzlos entfallen.

Nein, kann er nicht, er macht die Pegelumsetzung von den 
eingangsseitigen 0/5V zur ~12V Ugs des Mosfet oben an den 24V.

von Tester (Gast)


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ArnoR schrieb:
> Nein, er ist nicht die ganze Zeit durchgeschaltet, sondern nur dann,
> wenn das Eingangssignal "low" ist. Ist das Eingangssignal "high", dann
> ist Ube=0 und der Transistor ausgeschaltet.

@Arno
Ok, das verstehe ich! Vielen Dank für die Erklärung.
Wie ist Yalu auf die Widerstandskombination 10k/3k9 gekommen?


Axel S. schrieb:
> Bist du sicher, was diese 10-12mA angeht? 24V Logikeingänge sollten
> eigentlich viel weniger Strom brauchen. Und sie brauchen auch nicht
> unbedingt 20V, sondern erkennen ein H schon bei viel weniger Spannung.
>
> Außerdem ergeben 10mA bei 20V nicht R7=1K, sondern R7=2K
>
>
> Du übersiehst, daß R4 und R7 einen Spannungsteiler für die 24V
> Betriebsspannung bilden, wenn der Transistor abgeschaltet ist.
> Wenn du wirklich ein Teilerverhältnis 4V:20V brauchst, dann darf
> R4 nicht größer als 400R sein (bei R7=2K).
>
> Aber wie gesagt: du setzt R7 viel zu niederohmig an.

@Axel,
vielen Dank für die Erklärung. Der Eingang braucht (lt. Datenblatt) min. 
20V und typischerweise 10-12mA. Unterhalb der 20V geht nichts, das haben 
wir schon diverse Male getestet.

von Michael B. (laberkopp)


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Tester schrieb:
> auf eine digitale
> Eingangskarte (zu Messzwecken) schalten, typischerweise braucht diese
> für diesen Eingang 10-12mA,

Nun, typischerweise heisst halt, in der Realität ist es anders.

Deine theoretischen Werte helfen hier also nicht, pass R4 an die 
Realität an.

von Yalu X. (yalu) (Moderator)


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Tester schrieb:
> Wie ist Yalu auf die Widerstandskombination 10k/3k9 gekommen?

Der Mosfet braucht eine Gate-Source-Spannung von -10V, um sauber
durchzuschalten. Wird Ugs aber negativer als -20V, kann er kaputt gehen.
Man kann das Gate also nicht einfach auf GND ziehen, um den Mosfet
einzuschalten, weil dann Ugs=-24V wäre.

Durch R2 (3,9kΩ) fließen bei High-Pegel (bzw. bei Low-Pegel in Arnos
Modifikation) (5V-Ube)/3,9kΩ=1,1mA (für Ube=0,6V). Etwa derselbe Strom
fließt auch durch R1 (10kΩ), an dem somit ein Spannungsabfall von
10kΩ·1,1mA=11V entseht. Damit sind die o.g. Bedingungen für Ugs beide
erfüllt. Bei Low-Pegel (bzw. High-Pegel in Arnos Modifikation) sperrt
der Tranistor. Damit ist der Strom durch und der Spannungsabfall an R1
null, was den Mosfet sicher sperren lässt.

Man kann die beiden Widerstände auch größer oder kleiner machen, solange
ihr Verhältnis zueinander in etwa gleich bleibt. Kleine Widerstände
bedeuten kürzere Schaltzeiten, aber auch einen höheren Stromverbrauch.

Tester schrieb:
> Der Eingang braucht (lt. Datenblatt) min.
> 20V und typischerweise 10-12mA. Unterhalb der 20V geht nichts, das haben
> wir schon diverse Male getestet.

Kannst du nicht einfach einen Link auf die Produktseite der Karte
posten, um diese Frage endgültig zu beantworten. Ich meine zu 99,9%
sicher zu wissen, die der Eingang der Karte beschaffen ist (s.o.), kann
mich aber trotzdem täuschen.

: Bearbeitet durch Moderator
von Tester (Gast)


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TOP! Vielen Dank für die ausführliche Antwort.

Anbei der Link dieser Karte:

http://addi-data.com/products/pc-cards/pci-boards/pci-boards-digital-counter/pci-64-digital-io-board-apci-1564/

von Ralf (Gast)


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Tester schrieb:
> Wie ist Yalu auf die Widerstandskombination 10k/3k9 gekommen?

Wahrscheinlich wollte Yalu die max. zul. Reversspannung vom BSS84 nicht 
überschreiten. Deshalb die 3k9.

Für ArnoRs Idee, die zweifellos sehr gut ist, könnte es sein, dass die 
3k9 evtl. auf 4k7 angehoben werden müssen, um ein sicheres Durchschalten 
zu gewährleisten (ausprobieren).

von Baldrian (Gast)


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> Wie ist Yalu auf die Widerstandskombination 10k/3k9 gekommen?

Ziel ist es den P-MOS sauber durchzuschalten und die Spannung am Gate 
unter der max. erlaubten zu halten. 12 V ist hier eine gute Wahl (siehe 
Datenblatt BSS84 u. ä.). R1 mit 10 kOhm ist ebenfalls eine gute Wahl 
(ebd.).

1
Der Strom durch R1: 12 V / 10 kOhm = 1,2 mA.

Um die 12 V über R1 zu erreichen wird der Transistor Q1 mit 
Gegenkoppelung betrieben.

1
Die Spannung (VCC - UBE) über dem Gegenkoppelungswiderstand R2: 5 V - 0,7 V = 4,3 V.
2
3
Der Widerstand von R2: 4,3 V / 1,2 mA ca. 3,6 kOhm

Durch beide Widerstände fließt der gleiche Strom. Der Strom, der in die 
Basis fließt, ist dabei nicht berücksichtigt (< 10 µA).

von Tester (Gast)


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VIelen Dank, Leute, für Eure Hilfestellungen :).

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