Wie schalte ich eine variable Last mit einem Transistor?
Bei einem NPN Transistor wird ja der Kollektorstrom vollständig durch den Basisistrom determiniert. Es gilt Ic/Ib = β, also der Stromverstärkungsfaktor.
- Wenn ich jetzt bspw. vor den Kollektor einen Motor schalte zieht der ja unterschiedlich viel Leistung und somit unterschiedlich viel Strom. Wie ist das dann überhaupt möglich wenn der Strom doch durch den Basisstrom determiniert ist?
- Ich kann ja jede beliebige Spannung zwischen Kollektor und Emitter anlegen. Außerdem kann ich vor den Kollektor bzw nach den Emitter so viel Widerstand schalten wie ich will. Nach dem Ohmschen Gesetz ist doch aber dann die Stromstärke schon festgelegt. Wie kann es dann sein dass diese durch den Basisstrom bestimmt wird??
4 Antworten
Es fließt max so viel Strom, die der Widerstand es zulässt... Wenn Du den Transistor so ansteuerst, dass er z.B. theoretisch 1A IC fließen lässt, aber dein Verbraucher nur 500mA aufnimmt, dann fließen auch nur 500mA... Der Transistor ist dann übersteuert, was aber in dem Fall kein Problem ist... Wenn ein Transistor als Schalter verwendet werden soll, berechnet man über den Verstärkungsfaktor und dem Laststrom den benötigten IB und diesen dann *10, damit er übersteuert wird. So wird sichergestellt, dass trotz Verstärkungsabweichung, der Transistor auf jeden Fall ausreichend durchsteuert und Uce so klein wie möglich wird... Eben auf Uce_satt runter. Dann kann auch die Last mal etwas mehr werden und der Transistor ist trotzdem leitend genug... Dadurch veringert sich auch Pverlust am Transistor, da Uce eben auf ein minimum sinkt. Er wird also nicht gang so schnell heiß...
Der CE-Übergang liegt in Reihe mit dem Verbraucher... Je kleiner Uce ist, um so mehr Spannung liegt am Verbraucher an... Pverlust ist Uce*Ic... Wenn also 500mA über den Collector fließen, und 1V über Uce zu messen sind, sit die Verlustleistung 500mW, die der Transistor in Wärme umwandelt... Bei 0,2V und 500mA sind es nur 100mW... Der Transistor hat eine Ptot-Angabe. Das ist die max zulässige Verlustleistung... Ist also Uce niedrig, kann der Transistor mit mehr Strom belastet werden, bevor die VErlustleistung Ptot überschreitet... Eine kleine Uce-Spannung hat also zwei positive Auswirkungen... Zum einen liegt fast die komplette Versorgungsspannung am Vebraucher an, und der Transistor verheizt nicht so viel Verlustleistung...
Ahh danke aber wieso ist Uce besonders klein wenn ich den Transistor besonders stark übersteuere?
Die Stromverstärkung gilt nur in einem sehr engen Bereich.
Im Beispiel mit einem Motor soll so ein Transistor aber wie ein Schalter wirken.
Aus und Ein , mehr nicht. Da gilt nicht mehr die Regel der Stromverstärkung.
Stromverstärkung wird bei analogen Verstärkern z.Z. bei Audio- Vor- und Endstufen benutzt. In Bereichen, wo eine lineare Verstärkung gewünscht ist.
Der Transistor wird, wenn er als Schalter betrieben wird, üblicherweise mit einem Übersteuerungsfaktor betrieben. Man gibt etwa das 5 -10 Fache des gemäß Stromverstärkungsfaktor erforderlichen Basisstroms; damit ist man bei Lastvariationen auf der sicheren Seite.
Die Beziehung Ic=B*Ib gilt nur für jenen Bereich der Ausgangskennlinie, die für den Schaltbetrieb eigentlich uninteressant ist (gelb); der Schaltbetrieb findet im Sättigungsbereich statt (blau).
Aber wenn ich jetzt einen Widerstand R vor den Kollektor schalte, dann ist doch Ur = Ic * R und wenn zwischen dem Widerstand und dem Emitter die Spannung U abfällt, dann ist doch Uce = U-Ur = U-Ic*R. Somit müsste mit zunehmendem Uce Ic ja eigentlich kleiner werden. Wie kann ich dass dann in Verbindung mit diesem Diagramm bringen? Dieses Diagramm sagt ja das Gegenteil!
Du musst hier unterscheiden zwischen dem Transistor selbst und dem Verhalten in der Schaltung.
Der Transistor hat eine Kennlinie: für ein bestimmtes Ib gibt's jeweils eine Kennlinie wo man Ic als Funktion von Uce ablesen kann. Das ist das Verhalten des Transistors selbst - der weiß nichts von irgendwelchen Spannungsabfällen an Rc.
Nun zum Verhalten in der Schaltung: Du schreibst Uce = U-Ic*R
Das ist völlig korrekt. Erkennst du auch, dass diese Beziehung eine Gerade im Ausgangskennlinienfeld darstellt?
Für Ic=0 hast du Uce=U,
für Uce=0 hast du Ic=U/R
Diese beiden Punkte definieren die Arbeitsgerade: du kannst sie hier im Link sehen:
https://www.elektronik-kompendium.de/sites/bau/1506161.htm
Der Arbeitspunkt (AP) des Transistors ist der Schnittpunkt der Arbeitsgeraden mit der Ausgangskennlinie.
Jetzt erkennst du: Wird Ib sukzessive erhöht, wandert der Schnittpunkt von AP1(Ib=0.2mA) immer mehr nach links. Es tritt dann ab ca Ib=0,9mA der Fall ein, wo eine weitere Erhöhung von Ib nichts mehr bringt: Du stehst dann quasi im AP4 an der von mir blau gezeichneten Linie an. Jede weitere Erhöhung von Ib bringt dann keine Änderung von Uce mehr mit sich: das nennt man Sättigung - mehr als "voll durchschalten" kann der Transistor nicht.
ich hoffe es ist jetzt klarer geworden...du musst das nur einmal verstehen!
Korrigiere mich bitte wenn ich irgendwo falsch liege:
Also ich interpretiere das jetzt so:
Jeder Arbeitspunkt den der Transistor einnehmen kann muss zunächst einmal auf der Arbeitsgerade liegen, die definiert ist als Ic = (U-Uce)/R. Außerdem muss jeder Arbeitspunkt auf einer der unendlich vielen Ausgangskennlinien liegen (unendlich viele, da Ib unendlich viele Werte annehmen kann). Somit ergibt sich ein minimaler Wert für Uce, nämlich die x - Koordinate des Schnittpunktes der Arbeitsgerade mit der blau markierten Gerade.
aber:
- Wieso gibt es diesen Zusammenhang zwischen Ic, Ib und Uce? Muss dieser immer gelten?
- Theoretisch müsste es doch nach dieser Logik bei gegebener Ib nur einen möglichen Arbeitspunkt geben, nämlich den Schnittpunkt von der Arbeitgerade und Ic = f(Uce), da beide Zuordnungen zutreffen müssen, oder?
- Was zeigt diese blaue Funktion in dem Link den du geschickt hast an?
>jeder Arbeitspunkt den der Transistor einnehmen kann muss zunächst einmal auf der Arbeitsgerade liegen, die definiert ist als Ic = (U-Uce)/R. Außerdem muss jeder Arbeitspunkt auf einer der unendlich vielen Ausgangskennlinien liegen (unendlich viele, da Ib unendlich viele Werte annehmen kann). Somit ergibt sich ein minimaler Wert für Uce, nämlich die x - Koordinate des Schnittpunktes der Arbeitsgerade mit der blau markierten Gerade.
ja, so ist es
>Wieso gibt es diesen Zusammenhang zwischen Ic, Ib und Uce? Muss dieser immer gelten?
Das ist der Physik des Transistors geschuldet. Diese Zusammenhänge kann man zwar theoretisch mit hohem Aufwand aus der Halbleiterphysik berechnen, was für die Elektronik-Praxis aber nicht relevant ist: Die Kennlinien eines Transistors findet man in seinem Datenblatt, wie z.B. http://www.svntc.com/TPDF/2483.pdf (Seite 4)
>Theoretisch müsste es doch nach dieser Logik bei gegebener Ib nur einen möglichen Arbeitspunkt geben, nämlich den Schnittpunkt von der Arbeitgerade und Ic = f(Uce), da beide Zuordnungen zutreffen müssen, oder?
Bei gegebener Versorgungsspannung U ja ; vergrößert sich U, wird die Arbeitsgerade parallel nach rechts verschoben, was i.A. auch zu einer Änderung des Arbeitspunktes führt.
>Was zeigt diese blaue Funktion in dem Link den du geschickt hast an?
Das ist die Kurve, wo Ucb, die Spannung zwischen C und B genau 0V beträgt. Links von dieser Kurve ist der Sättigungsbereich, wo die Strecke B-C in Durchlassrichtung betrieben wird. Man nennt das auch den "Inversbetrieb". Für schnelles ausschalten muss diese Strecke zwischen B und C erst frei von Ladungsträgern gemacht werden, was relativ lange dauert - deshalb darf der Sättigungsbetrieb nicht verwendet werden, wenn man möglichst schnell schalten möchte.
Aber die ganzen Kennlinienfelder geben doch immer nur die Zusammenhänge zwischen den einzelnen Größen des Transistors an. Was ist, wenn ich aber keine davon weiß, also z.B. wenn vor der Basis der Widerstand Rb und vor dem Kollektor der Widerstand Rc geschalten ist? Ich weiß zwar wie die sich alle zueinander verhalten aber das nützt mir garnichts wenn ich nicht wenigstens eine Größe gegeben habe!
Ach ja und nochmal zu der blauen Linie: gibt die auch Ic in Abhängigkeit von Uce an?
>Was ist, wenn ich aber keine davon weiß, also z.B. wenn vor der Basis der Widerstand Rb und vor dem Kollektor der Widerstand Rc geschalten ist?
Den Arbeitspunkt berechnet man üblicherweise - dann weißt du alles: Ib, Uce, Ic
Wenn du einen Rb vo der Basis hast und diesen an U anschließt, dann weißt du, dass Ube=0,7V ist. Demnach ist Ib=(U-0.7V)/Rb --> somit weißt du Ib
Wenn vor dem Kollektor Rc geschaltet ist: davon reden wir ja die ganze Zeit. Du hast die Arbeitsgerade noch nicht verstanden: Diese ist durch Rc und die Versorgungsspannung U eindeutig gegeben. Wenn du also ein U und Rc hast, zeichnest du die Arbeitsgerade. Dort wo diese die Transistorkennlinie (für das gewählte Ib) schneidet, ist der Arbeitspunkt und dort kannst du Ic und Uce ablesen.
Es ist ganz einfach ;-)
>Ach ja und nochmal zu der blauen Linie: gibt die auch Ic in Abhängigkeit von Uce an?
nein, wie soll das gehen? AP1 liegt ja nicht auf der blauen Linie und dennoch hat man dort ein Ic(Uce) ... die blaue Linie ist erst mal sekundär.
Aber wie kann es sein, dass Ube=0,7V? Nach dem Eingangskennlinienfeld ist Ube doch abhängig von Ib und Uce.
Ja, aber die Rückwirkung von Uce auf die Eingangskennlinie kannst du getrost vernachlässigen...Es ist egal ob Ube=0,7V oder 0,69V beträgt.
Wenn du einen Transistor kaufst sind die Exemplarstreungen meist enorm. Z.B. kann für einen bestimmten Typ BC238B:
Da siehst du, dass die Stromverstärkung zwischen 200 und 460 variieren kann.
Man muss eine Transistorschaltung so robust dimensionieren, dass man diese Streuungen vernachlässigen darf.
Dynamischer Widerstand zwischen C & E spilt eine große Rolle.
Ok also maximal war hier das Schlüsselwort zu meinem Verständnis aber kannst du mir trotzdem nochmal die sache mit Ucesat und Pverlust genauer erklären? Wieso soll Uce jetzt so klein wie möglich sein, ich lege doch Uce am Verbraucher an.