Strom zw. Basis und Emitter berechnen (Transistor)?
Guten Tag,
ich bin ein absoluter Elektrotechnik-Novize, es kann also überhaupt keinen Sinn machen was ich frage.
Aktuell versuche ich einen Transistor mittels Mikrocontroller (STM32F4 Disc) anzusteuern. Dessen GPIOs liefern 3,3V und bis zu 25mA (glaube ich). Wenn ich nun einen solchen Pin an die Basis des Transistor anschließe, wieviel Strom fließt da durch? Also wie vermeide ich, dass die 25mA überschritten werden?
Dazu wollte ich auch noch fragen, wie sich die an der Basis anliegende Spannung und Stromstärke auf den "Strom" (also Strom und Spannung) auswirkt, der aus dem Transistor "austritt", also zw Collector und Emitter verläuft. Und wie es anders herum aussieht, beeinflusst der Strom, den ich zw Collector und Emitter anlege in irgendeiner Weise den Strom zw meinem Pin und der Basis?
Über Antworten würde ich mich sehr freuen!
P.S.: Ich hätte einfach 140 Ohm Widerstand zw. Pin und Basis gesetzt, weiß aber nicht ob das so stimmt.
2 Antworten
Hierauf ist glaub ich noch keiner eingegangen:
Dazu wollte ich auch noch fragen, wie sich die an der Basis anliegende Spannung und Stromstärke auf den "Strom" (also Strom und Spannung) auswirkt, der aus dem Transistor "austritt", also zw Collector und Emitter verläuft. Und wie es anders herum aussieht, beeinflusst der Strom, den ich zw Collector und Emitter anlege in irgendeiner Weise den Strom zw meinem Pin und der Basis?
Das möchte ich hiermit nachholen.
Ja, es gibt ein festes Verhältnis zwischen Ice (Strom Collektor-Emitter) und Ibe (Strom Basis-Emitter). Dieses feste Verhältnis heißt Stromverstärkung. Wenn die Stromverstärkung (Beta (ß)) 100 ist, heist das folgendes:
Ibe = 1 mA
ß = 100
Ice = Ibe * ß = 1 mA * 100 = 100 mA
Allerdings gibt es dabei folgendes zu beachten.
- Es kann immer nur so viel Strom fließen wie möglich.
Beispiel:
Ubatt = 5 V
Rc = 200 Ohm
ß = 100
Ibe = 1 mA
Ice = 1 mA * 100 = 100 mA -> das ist der Strom, der gerne über Ice fließen würde.
Ice = 5 V / 200 Ohm = 25 mA -> durch den Widerstand zwischen Ubatt und Collektor von 200 Ohm kann der Strom nur bis auf 25 mA ansteigen. Der Transistor würde aber auch bis 100 mA durchlassen, wenn der Widerstand geringer wäre. In diesem Fall spricht man von einem gesättigtem Transistor. Diese Ansteuerung eignet sich für Relais und LEDs, aber nicht für analoge Signalverstärkung.
Anderes Beispiel (Da die Stromverstärkung ja nicht genau bekannt ist, außer man misst den Transistor vorher genau aus, stellt sich hier der Strom in der Schaltung von selbst ein. Wir können aber die Werte vorher ziemlich genau errechnen):
Ubatt = 5 V
Transistor = TUN (z.B. BC337B)
Rc = 4k7 -> Widerstand zwischen Ubatt und Collektor
ß = 350 (nicht mit Datenblatt abgeglichen)
Ice = 5 V / 2 / 4k7 = 0,5 mA
Ibe = 0,5 mA / 350 = 1,5 µA
Rcb = (5V / 2 - 0,7 V) / 1,55 µA = 1M2 -> Widerstand zwischen Collektor und Basis
Ein Signal über einen Kondensator auf Basis eingespielt und über einen Kondensator von Collektor entnommen würde einen analogen Signalverstärker ergeben.
Info:
4k7 -> 4,7 kilo-Ohm
1M2 -> 1,2 Mega-Ohm
0,7 V -> Ube
Ich hab es nun so verstanden, die Stromverstärkung Beta gibt an, wieviel Strom zw. C und E fließen kann, abhängig von dem Strom an B. Betonung liegt auf kann, denn die wirkliche Begrenzung findet durch die Widerstände/Verbraucher statt, welche mit dem CE Pfad vernetzt sind.
Super! Situatiation erkannt.
Die erste Rechnung kann ich vollkommen nachvollziehen, bei der Zweiten bin ich mir nicht so recht sicher. Was soll berechnet werden? Wegen dem Absatz darüber dachte ich, dass man Beta brechnen will. Wieso nimmt man da einfach ß=350 an und warum teilt man bei I_ce zusätzlich durch 2?
In der Zweiten Berechnung habe ich eine andere Schaltung versucht zu beschreiben. Ich wills hier noch einmal versuchen:
Reihenfolge der Bauelemente: U+ -> R (4k7) -> Tce -> GND
zusätzlich kommt noch ein zu berechnender Widerstand von Tc nach Tb.
Im Idealfall sollte nun sich die Hälfte von U+ an Tc einstellen. So hat die Schaltung die Möglichkeit eine Wechselspannung von U+ nach fast GND abzugeben.
Die Hälfte von U+ ist U / 2 -> Ich habe doch nicht Ice durch 2 geteilt sondern U+ / 2 ?!?!
Beta (ß) berechnet sich immer, als der Mittelwert aus dem Datenblatt oder man ermittelt für einen bestimmten Transistor die tatsächliche Stromverstärkung. Letzteres kommt wohl eher selten vor. Denkbar wären nur wenige Spezialfälle oder für einen Lehraufbau.
Generell zur Elektrotechnik habe ich noch sehr viele Fragen (nicht genau auf diese Thematik bezogen
Du weist bestimmt eine Möglichkeit mich direkt anzusprechen?!
Könnte ich dir dann später noch den Stromkreis mit ein paar Rechnungen schicken?
Im Zweifel suchen sie bitte Hilfe beim Ausbilder, Vorgesetzten oder Meister!
Alle meine Angaben sind ohne Garantie. Ich übernehme generell keine Kosten, weder direkte noch indirekte Kosten. Im Allgemeinen sollte zum Vergleich/Abgleich einschlägige Literatur zu Rate gezogen werden. ;-)
Nachtrag: Wenn du in einem Arbeitsverhältnis (incl. Ausbildungszeit) im Auftrage der Firma einer Tätigkeit nachgehst, in der dann von dir ein finanzieller Schaden entsteht, trägt generell die Firma den Schaden, außer dir kann grobe Fahrlässigkeit oder Absicht nachgewiesen werden. -> Kann deine Beweggründe dennoch nachvollziehen.
Erneut vielen Dank!
Ja, das mit "Ice durch 2 teilen" war sehr doof ausgedrückt. Man könnte sagen, dass das Ice welches ich erwartet hätte (Ice = 5V/4K7) noch zusätzlich durch 2 geteilt wird, aber es ist dennoch eine unsinnige Formulierung.
Ausbilder die Zeit haben sind hier aufgrund von Corona (Home Office) und Stress ziemlich rar, daher bringe ich mir gerade alles selbst bei, was mich auch nicht stört. Das Problem ist, dass ich bis vor etwas über einer Woche nichts wusste das über URI hinausgeht, aber einen Schrittmotor, von welchem ich das Datenblatt nicht finde, über einen bipolaren Schrittmotor ansteuern soll. Ich habe jetzt eine H-Brücke gebaut und dachte das Ansteuern der Transistoren sei relativ einfach, was im Bezug auf die npn Transistoren auch stimmt. Die pnp haben aber noch ordentlich Komplexität zu meinem Schaltplan hinzugefügt und das ganze hat jetzt 12 Transistoren und 16 Widerstände, wobei ich mir als absoluter Laie natürlich unsicher bin, was die Berechnung angeht.
Das die Schäden übernommen werden weiß ich, aber es wäre trotzdem peinlich :') Ich brauch bei den Angaben auch keine rechtliche Absicherung, aber 4 Augen sehen mehr als 2, vor allem, wenn 2 davon eine Ahnung haben!
Falls du mal Lust und Zeit hast, dann kannst du ja vielleicht mal drüber schauen. Würde mich sehr freuen : )
Hier ist mein "Rechenweg" bzw. begründetes Schätzen:
'Untitled Post' | TextUploader.com
Hier ist mein Schaltkreis (einmal wie er momentan aussieht [wenn ich es richtig gesteckt habe] und einmal mit den Freilaufdioden, welche ich vrmtl noch einbauen muss)
Hier habe ich es auch nochmal als neue Frage auf GuteFrage eingestellt:
Anfänger Schaltkreis überprüfen? (Technik, Physik, Elektronik) - gutefrage
Du nutzt den Transistor als Schalter, korrekt? Den Strom begrenzt man mit einem Widerstand. R = U / I.
Ich nehme, nahm immer 1k, haha.
Danke für die Antwort!
In der Frage hab ich es auch ergänzt und zwar habe ich vor 140 Ohm, denn 3,3V/0,025A = 132 Ohm, vor die Basis zu spannen. Würde das deiner Meinung nach passen?
Wieviel Strom über die Basis-Emitter-Strecke fließen darf ist aus dem Datenblatt zu entnehmen.
Bei deinem Widerstand fließt ein Strom von 3,3V / 140 Ohm = 23,6 mA. Wenn du einen Transistor von der Qualität TUN (Transistor universal NPN) verwendest liegt der zulässige BE-Strom bei etwa 50 mA. Die Prüfströme zur Erfassung diverser Daten gehen laut Datenblatt beim BC337 so gar bis zu 80 mA.
Jedoch wird der max. nötige Strom anders berechnet. Wichtig ist wieviel Strom du auf CE benötigst. Für ein vollständiges Durchschalten (also digitales Verhalten) benötigst du etwa 10x (Multiplikator) so viel Strom auf BE, als durch die Stromverstärkung (ß (Beta)) des Transistors erforderlich wäre.
Also der BC337 hat eine Stromverstärkung im Mittel von 365. Wenn du 100 mA für CE benötigst errechnet sich BE so:
100 mA (CE) / 365 (ß) * 10 (Multiplikator) = 2,7 mA
In diesem Fall benötigst du einen Widerstand von:
3,3 V / 2,7 mA = 1200 Ohm (1k2)
Andere Werte:
50 mA (CE) / 365 (ß) * 10 (Multiplikator) = 1,4 mA
3,3 V / 1,4 mA = 2400 Ohm
800 mA (CE) / 365 (ß) * 10 (Multiplikator) = 22 mA
3,3 V / 22 mA = 150 Ohm
800 mA ist der max. Strom beim BC337 für CE. Somit ist ein Widerstand unter 150 Ohm bei 3,3 V an CE gar nicht zu empfehlen, denn je mehr Strom durch den Transistor fließt um so mehr Wärme wird in ihm erzeugt. Je mehr Wärme, je eher stirbt er. Ganz abgesehen davon ist ein höherer Stromverbrauch auch nicht konform mit unserer Natur, die es zu schützen gilt.
Man nimmt immer einen möglichst großen Widerstand, damit nicht unnötig Strom fließt. Mit den 140 Ohm wird er sicher leitend, zum Testen ok. Was soll der Transistor denn machen. Der hängt an 5Volt. Und sollte auch einen Widerstand zwischen U+ und Kollektor haben.
Hey, erstmal vielen Dank für die Antwort!
Den Satz "Für ein vollständiges Durchschalten (also digitales Verhalten) benötigst du etwa 10x (Multiplikator) so viel Strom auf BE, als durch die Stromverstärkung (ß (Beta)) des Transistors erforderlich wäre." habe ich leider nicht wirklich verstanden. Was ist vollständiges Durchschalten? Das der CE Strom verlustfrei fließen kann? Was ist die Stromverstärkung Beta und der Multiplikator, also was bedeuten diese Werte?
Das ist das Datenblatt meines PNP Transistors, dazu nutze ich den NPN BD139, der von den abgebildeten Werten (ziemlich?) gleich ist:
BD140 pdf, BD140 description, BD140 datasheets, BD140 view ::: ALLDATASHEET :::
Kann ich den Wert Beta und den Multiplikator irgendwie herauslesen? So wie ich es verstehe hat er Transistor einen Basisstrom von maximal 500mA. Kann das sein? Das kommt mir etwas viel vor.
Auf meinem Datenblatt steht, sofern ich das richtig gelesen haben, dass die maximale Stromstärke an der Basis 500mA betragen darf. Daher hatte ich eher Angst, dass der Transistor mit den 25mA überhaupt nicht läuft aufgrund mangelnden Stroms. Warum sollte man zwischen U+ und dem Kollektor ein Widerstand nutzen?
Danke für die Antwort!
Das ist lange her, bei mir. In der Kennlinie des Transistors kann man sehen wann er durchschaltet. Und wegen dem Widerstand, die Kollektor Emitter Strecke ist ja auch eine Halbleiterstrecke. Mit max Strom, der begrenzt gehört, sonst wird der auch zu heiß.
Den Satz "Für ein vollständiges Durchschalten (also digitales Verhalten) benötigst du etwa 10x (Multiplikator) so viel Strom auf BE, als durch die Stromverstärkung (ß (Beta)) des Transistors erforderlich wäre." habe ich leider nicht wirklich verstanden. Was ist vollständiges Durchschalten? Das der CE Strom verlustfrei fließen kann? Was ist die Stromverstärkung Beta und der Multiplikator, also was bedeuten diese Werte?
Der BD139/140 hat laut Datenblatt eine Stromverstärkung von min. 25 und max. 250. Im Datenblatt sind drei Prüfwerte mit hFE (FE->tief) angegeben. hFE ist die Stromverstärkung ß bei einem bestimmten Prüfaufbau. Die Prüfwerte sind im Datenblatt natürlich auch angegeben.
Da man keinen Halbleiter ohne Toleranz herstellen kann, liegt die Stromverstärkung bei deinem Transistor irgendwo zwischen min. und max., also: ß = >=25 und <=250
Kann ich den Wert Beta und den Multiplikator irgendwie herauslesen?
ß siehe oben. Multiplikator siehe unten.
So wie ich es verstehe hat der Transistor einen Basisstrom von maximal 500mA. Kann das sein?
Ja, laut Datenblatt darf der Basisstrom am Kleinleistungstransistor BD139 0,5A betragen. Warum? Es ist kein TUN/TUP sondern ein Kleinleistungsstransisort. Er hat eine viel kleinere Stromverstärkung und einen höheren Grenzwert für Ice. Daher benötigt er mehr Basisstrom.
Daher hatte ich eher Angst, dass der Transistor mit den 25mA überhaupt nicht läuft, aufgrund mangelnden Stroms.
Bei diesem Transistor sind die Rechenwerte natürlich anders als beim TUN:
ß = 137 (Mittelwert aus min. und max.)
50 mA (CE) / 137 (ß) * 10 (Multiplikator) = 3,6 mA
3,3 V / 3,6 mA = 910 Ohm (gerundeter Wert gemäß E-Reihe)
100 mA (CE) / 137 (ß) * 10 (Multiplikator) = 7,3 mA
3,3 V / 7,3 mA = 452 Ohm (430 Ohm + 22 Ohm)
1,5 A (CE) / 137 (ß) * 10 (Multiplikator) = 109 mA
3,3 V / 109 mA = 30 Ohm (27 Ohm + 3 Ohm)
Dann war da noch die Frage nach dem Multiplikator:
Die errechneten Werte für den benötigten Basisstrom, wie z.B. für Ice = 1,5 A sind 109 mA. Also weit unter dem Maximalwert des Basisstroms von 500mA. In diesem Fall wird beim Transistor die Vce-Spannung auf etwas unter 1 Volt liegen. Um Vce auf Uce-Satt zu kommen, also die Spannung an Vce den minimalsten Wert annimmt und gleichzeitig diesen Wert am schnellsten ereicht, dann kann man von einem digitalem Verhalten sprechen. Das verwendet man z.B. zum Schalten von Relais, damit das Relais so schnell wie möglich schaltet. Also für Uce-Satt benötige ich eine Übersteuerung, gebe also mehr Strom auf BE als eigentlich nötig. Üblich ist hierfür ein Wert von 10x ß. In unserem Fall sind das jedoch mehr als die erlaubten 500 mA. In diesem Fall darf der übliche Multiplikator nicht verwendet werden. In diesem Fall darfst du nur max. 500 mA, besser etwas darunter verwenden.
3,3 V / 500 mA = 6,6 Ohm -> der nächste Wert laut E-Reihe ist 6,8 Ohm
3,3 V / 6,8 Ohm = 0,485 mA -> das ist ein guter Wert, leicht unter max. und trotzdem noch recht hoch. Jedoch sollte man nun einen Widerstand mit sehr geringer Toleranz verwenden. Nicht das durch die Toleranz des Widerstandes der Wert von 500 mA doch wieder überschritten wird.
Jetzt reicht dein IC-Ausgang von 25 mA nicht mehr aus. Du benötigst eine Treiberstufe. Also einen weiteren Transistor (TUN), mit dem du den BD139 als Darlington beschaltest.
Warum sollte man zwischen U+ und dem Kollektor ein Widerstand nutzen?
Stimmt so nicht unbedingt.
- Ja! -> Wenn du einen Mehrstufigen Verstärker aufbaust, dann benötigst du in der Regel einen Lastwiderstand.
- Nein! -> Willst du mit dem Transistor eine LED leuchten lassen, ein Relais schalten oder ..... Hast du für eine Strombegrenzung von Ice ja bereits einen Lastwiderstand. CE nur zwischen U+ und GND ist nicht nur unsinnig, es würde auch den Transistor in der Regel zerstören.
Und zum Schluss noch eine Fehlerbehandlung:
In meinen Berechnungen habe ich Vbe nicht berücksichtigt. Beim BD139 ist Vbe = 0,5 V. In einer Darlingtonschaltung mit einem TUN kommt noch einmal 0,7 V dazu. Dann würde bei dir die Berechnung so aussehen:
Ube(Darlington) = 0,5 V + 0,7 V = 1,2V
Vr (Spannung am Widerstand) = 3,3 V - 1,2 V = 2,1 V
100 mA (CE) / (137x365 (ß Darlington)) * 10 (Multiplikator) = 0,2 mA
2,1 V / 0,2 mA = 7000 Ohm (6800 Ohm + 220 Ohm)
Ich bitte dich daher, das bei deiner Berechnung des Widerstandes zu berücksichtigen.
Der Multiplikator benutze ich einfach nur als Faktor, damit ich Ice übersteuere, also den maximalen Strom durch CE deutlich höher ansetze als eigentlich notwendig. Das macht in der Praxis nichts, da der Strom sowieso durch den Widerstand/Verbraucher begrenzt wird und dieser Wert nur ein mögliches Maximum darstellt. Dazu sorgt es dafür, dass dieser Stromfluss schneller eintritt, zusätzlich hat der Transitor dadurch einen besseren Durchfluss/geringeren Eigenwiderstand (ist das mit Uce-satt gemeint, also der beste, mögliche Durchfluss?), es liegt an ihm selbst also eine geringer Spannung an.
Hab ich das zumindest zum Teil richtig verstanden? Bin da noch ordentlich verwirrt :')
Habe beim Durchlesen für möglich gehalten, dass hier eine Fachkraft eine Ergänzung geschrieben hat. - Nein, das warst du. - Ja, das hast du genau richtig verstanden. - Das ist mit eigenen Worten eine Super Beschreibung von einem Lernendem. Zeigt, dass du es verstanden hast.
Nochmals vielen lieben Dank!
Ich hab es nun so verstanden, die Stromverstärkung Beta gibt an, wieviel Strom zw. C und E fließen kann, abhängig von dem Strom an B. Betonung liegt auf kann, denn die wirkliche Begrenzung findet durch die Widerstände/Verbraucher statt, welche mit dem CE Pfad vernetzt sind.
Die erste Rechnung kann ich vollkommen nachvollziehen, bei der Zweiten bin ich mir nicht so recht sicher. Was soll berechnet werden? Wegen dem Absatz darüber dachte ich, dass man Beta brechnen will. Wieso nimmt man da einfach ß=350 an und warum teilt man bei I_ce zusätzlich durch 2?
Generell zur Elektrotechnik habe ich noch sehr viele Fragen (nicht genau auf diese Thematik bezogen), das würde wohl den Rahmen sprengen wenn ich dich dazu auch noch löchere. Jedoch baue ich gerade einen Stromkreis auf und wenn ich das verhunze, dann zerschieße ich womöglich 70 Euro an Hardware, was ich in meinen ersten 1,5 Monaten in der Firma/dem Studium ungerne beichten müssen möchte. Könnte ich dir dann später noch den Stromkreis mit ein paar Rechnungen schicken?
Unabhängig ob das möglich ist, dir nochmals vielen Dank!