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1

Dienstag, 16. März 2010, 17:35

Vorwiderstandberechnung beim Tranistor (BC108C)

Hey,
könnte mir jemand verständlich erklären, wie ich den Basisvorwiderstand und den Collectorwiderstand bei einem Tranistor berechne, wenn dieser als OpenCollector eingesetzt ist?

Gegeben ist:
Betreibsspannung=5V
B=150
Eingangsspannung an der Basis = 24V
Übersteuerungsfaktor ü = 4-.... (so das der Basisvorwiderstand 10k wird und der Collectorwiderstand 1k wird, denn die wurden eingebaut und so funktionierts, die Rechnung geschieht im Nachhinein für die Dokumetation)


Wer hilft mit bitte?
Grüße Philipp

haschenk

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2

Dienstag, 16. März 2010, 20:44

Philipp,

du musst vom Lastwiderstand ausgehen. In deinem Fall 1 kOhm, wenn ich´s richtig verstanden habe.

Bei 5 V dann Kollektorstrom Ic = 5 V/1 kOhm = 5 mA.

Bei Stromverstärkung B =150 minimaler Basistrom Ib = 5 mA/150 = 0,033 mA = 33µA

Für 4-fache Übersteuerung dann Ib = 4*0,033 = 0,133 mA

Damit diese fließen, müssen am Basisvorwiderstand 24V - Ube = 24 - 0,6 = 23,4 V abfallen (Ube = Basis-Emitterspannung des Transistors).

Damit Basisvorwiderstand Rb = 23,4V / 0,133 mA = 176 kOhm. Mit deinen 10 kOhm hast du also eine sehr viel höhere Übersteuerung als angenommen.

Allerdings gilt das nur statisch; idR muß man auch noch drandenken, daß der Transistor auch eine Eingangskapazität und die Schaltung Streukapazitäten hat, und der Basistrom nach dem Einschalten der 24 V hinreichend schnell ansteigen sollte. Kannst du gfls. rechnen (Zeitkonstante Rb*Cbe). Praktisch wird das kaum jemand rechnen, sondern einen Erfahrungswert (z.B. 47 kOhm) für Rb annehmen, evtl. noch Basis- und/oder Kollektorstrom am Scope ansehen.

Gruß,
Helmut

PS:

Zitat

Eingangsspannung an der Basis = 24V

Hoffentlich nicht, sonst ist das Teil im Himmel...

Dieser Beitrag wurde bereits 3 mal editiert, zuletzt von »haschenk« (16. März 2010, 20:48)


3

Dienstag, 16. März 2010, 22:32

Doch, die Eingangsspannung an der Basis (eben mit 10k Vorwiderstand ) beträgt 24V.
Das ganze dient dazu eine SiebenSegmentAnzeige an eine S7-300 anzuschließen.

Also kann ich RC garnicht berrechene sonde3r muss einen Erfahrungswert einsetzten?
Grüße Philipp

haschenk

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4

Dienstag, 16. März 2010, 23:48

Philipp,

du solltest mal versuchen, sorgfältiger (und richtiger) zu formulieren:

Du hast 24 V am Eingang des Vorwiderstands, und nicht an der Basis. Dort sind´s nur ca. 0,6 V, eben die Ube des Transistors. Auf solche Unterschiede muß man in der Elektronik/Elektrotechnik schon achten...

Bipolare Transistoren sind (vereinfacht gesagt) Strom-gesteuerte Bauelemente, nicht Spannungs-gesteuert (wie z.B. FETs).

Die 176 kOhm sind der maximale Widerstandswert, den du gem. deinen Vorgaben verwenden darfst. In vernünftigen Grenzen (nachrechnen, was dann für ein Basisstrom fließt !) kannst du (oder musst sogar) den Basisstrom vergrößern, d.h. den Widerstand verkleinern.

Die 176 kOhm gelten "statisch", d.h. ohne Berücksichtigung der kapazitiven Last, die ein Transistoreingang auch darstellt. Wenn du den Transistor schnell ein-und ausschalten willst oder musst, dann kann es passieren, daß du den Vorwiderstand kleiner machen musst, damit der Transistor schnell genug ein- und ausgeschaltet werden kann. Der Anfänger muß das rechnen (hab schon gesagt, wie) oder mit dem Scope ansehen; wer´s schon öfters gemacht hat, weíß halt schon, was er in etwa nehmen muß; die Geschichte ist nicht kritisch.

Deine 10 kOhm sind schon eine heftige Übersteuerung (obwohl es geht).

Wie wäre es, wenn du mal ein einführendes Fachbuch zur Transistortechnik konsultieren würdest ?


Gruß,
Helmut

Dieser Beitrag wurde bereits 2 mal editiert, zuletzt von »haschenk« (16. März 2010, 23:51)


5

Mittwoch, 17. März 2010, 07:54

Hallo Helmut,
ich habe erst, nachdem ich mit meinen Fachbüchern nicht mehr weiterkam und mir meine Aufzeichnungen aus dem Unterricht nicht mehr weitergeholfen haben (da haben wir alles detaliert aufgeschrieben, und errechnet) hier im Forum gepostet.

Wenn ich das ganze so rechne wie ich es in meinen Unterlagen habe komme ich leider auf ganz andere Werte als auf die, die ich eingesetzt habe. Unsere Lehrer meinte, das wir einen 10k Widerstand nehmen sollen.
Gut, der Basiswiderstand lässt sich ja noch mit dem Übersteuerungsfaktor variieren.

Momentan Weiß ich aber eben nicht, wie wir auf den Kollektorwiderstand von 1k kamen.

Ich werde gleich mal die Rechnung posten, die ich aufgeschrieben habe. (bei dieser kam ich auf etwa 333Ohm für Rc)


Aber Danke Helmut das du mir hilfst!
Grüße Philipp

^____

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6

Mittwoch, 17. März 2010, 11:18

Hallo,

Für den Bastelbereich spielt eine genaue Berechnung überhaupt keine Rolle. Der Transistor muss gesättigt werden. Dazu rechnet man für Deine Anwendung Phi mal Handgelenk mit 1 mA Basisstrom was einen Basisvorwiderstand von rund 22 KOhm bei 24 V ergibt. Alles andere ist Luxus.

Als Vorwiderstand für die LED nimmst Du je nach gewünschter Helligkeit einen für 2 - 10 mA. Das ergäbe 10 KOhm bis hinunter auf runde 2,2 KOhm. Auch da kommt es auf das mA nicht an.

Wobei ich betonen möchte, dass die Beschreibung von Helmut absolut korrekt ist und ich sie in keiner Weise in Abredee stellen will.

Gruss Bruno

Dieser Beitrag wurde bereits 1 mal editiert, zuletzt von »^____« (17. März 2010, 11:20)


7

Mittwoch, 17. März 2010, 11:24

Das ganze gehört zu der Dokumentation meines Abschlussprojekts für mein Fachabitur.

Nur bei Berrechnungen die mit dem Transistor zusammenhängen bin ich momentan irgentwie überfordert.

Hier mal meine Berrechnung:
gegeben:
UB=5V
B=150 ?stimmt das überhaupt, so hab ich es aus dem Datenblatt herausgelesen (http://www.datasheetcatalog.org/datasheet/siemens/BC109B.pdf)
P=320mW
ü=....

RC:
zuerst habe ich IC errechnet
ICmax=UCE/P Wie komme ich auf UCE, ist das hier nicht 5V?
ICmax=5V/320mW
ICmax=15mAh

RC=UB/IC
RC=5V/15mA
RC=333,33Ohm
Grüße Philipp

8

Mittwoch, 17. März 2010, 11:59

Hallo Philipp,

bei der berechnung Deines maximalen Kollektorstroms über die Verlustleistung machst Du den Fehler, hier die Betriebsspannung der gesamten Schaltung einzusetzen. Die maximale Verlustleistung aus dem Datenblatt gilt aber nur für den Transistor selbst, nicht für die komplette Schaltung (incl. LED und Vorwiderstand), die durch den Transistor gesteuert wird!
Wenn der Transistor leitet (d.h. voll durchgesteuert ist), fällt über ihn nur eine sehr kleine Spannung ab (z.B. 0,3V). Nur diese Spannung ist für die am Transistor auftretende Verlustleistung relevant!

Normalerweise errechnet man den Kollektor-Strom bei solchen Schaltanwendungen auch nicht aus den Daten des Transistors, sondern aus den Erfordernissen der Schaltung (z.B.welcher Strom soll durch die LED fließen, damit es ordentlich leuchtet). Daraus errechnet man den Vorwiderstand für die LED. Den Transistor betrachtet man hierfür im eingeschalteten Zustand etwas idealisiert als gebrückt, also mit Uce=0V.

Grüße,

Thomas

9

Mittwoch, 17. März 2010, 12:13

Also würde sich der IC so berechnen

IC=Strom der LED's = 10mA

RC errechnet sich aber aus der Gesamtspannung der Schaltung, oder?

RC=5V/20mA
RC=250Ohm
Immer noch ein unzureichendes Ergebnis. Der Widerstand wird ja immernoch kleine:(

@Thomas, das errechnen des Vorwiederstands für die LED's ist kein Problem
--> 5V Gesamtspannung, 2V sollen die LED's bekommen (20mA).
3V müssen am Widerstand abfallen
3V/20mA =150 Ohm
Grüße Philipp

10

Mittwoch, 17. März 2010, 13:03

Zitat

Original von speedy 91
Also würde sich der IC so berechnen

IC=Strom der LED's = 10mA

RC errechnet sich aber aus der Gesamtspannung der Schaltung, oder?

RC=5V/20mA
RC=250Ohm
Immer noch ein unzureichendes Ergebnis. Der Widerstand wird ja immernoch kleine:(

so ganz kann ich nicht folgen, was Du mit "RC" eigentlich meinst bzw. ausrechnen willst? "RC" soll vermutlich "Kollektor-Widerstand" sein. Meinst Du damit nicht den Wert des LED-Vorwiderstands, den Du ja hier:

Zitat


@Thomas, das errechnen des Vorwiederstands für die LED's ist kein Problem
--> 5V Gesamtspannung, 2V sollen die LED's bekommen (20mA).
3V müssen am Widerstand abfallen
3V/20mA =150 Ohm

korrekt errechnet hast?

haschenk

RCLine User

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11

Mittwoch, 17. März 2010, 13:04

Philipp,

stelle mal deine ganze Schaltung hier rein, das ist noch etwas undurchsichtig...

Wenn´s um eine Siebensegment-Anzeige geht, brauchst du für jedes Segment (+gfls. Dezimalpunkt) einen Widerstand und gfls. auch je einen Transistor. Mit nur einem Widerstand würden die Segmente ungleich hell leuchten, je nach angezeigter Zahl.


Bruno:
Hast schon recht, bei einer Bastelschaltung würde man das höchstens ganz überschlägig rechnen.
Philipp hat aber schon anfangs gesagt, daß es um eine "Dokumentation" geht; da muß er (angenommenerweise) zeigen, was er zuvor gelernt hat, oder hätte sollen. Was das ist ("Lerninhalte"), wissen wir nicht... Kann auch sein, daß es da um was Anderes geht, dann machen wir uns hier unnötige Arbeit.


Gruß,
Helmut

12

Mittwoch, 17. März 2010, 13:06

Das mit den Lerninhalten stimmt schon.
Ich stelle gleich mal den kompletten Schaltplan rein, wenn euch das weiterhilft mich besser zuverstehen.
Ich soll mein gelerntes Wissen anwenden, nur das mit den Transitoren habe ich nicht verstanden.

Habt ihr Target 3001? oder lieber Screenshot?
Grüße Philipp

13

Mittwoch, 17. März 2010, 13:10

Das ist nur ein Teil der Schaltung. Aber sollte ausreichen.
K1 Ist der Eingang für die 5V
K2 und K3 sind die Eingänge der Schaltung an denen das Signal der SPS (24V) angeschlossen wird.
»speedy 91« hat folgendes Bild angehängt:
  • Unbenannt.jpg
Grüße Philipp

Dieser Beitrag wurde bereits 2 mal editiert, zuletzt von »speedy 91« (17. März 2010, 13:15)


14

Mittwoch, 17. März 2010, 13:21

Ach so - da haben die Transistoren rein gar nichts mit der Ansteuerung der LEDs bzw. 7-Segment-Anzeigen direkt zu tun, sondern machen hier nur eine Invertierung (Hi<->Low) und Pegelwandlung von 24V auf das 5V-System.

15

Mittwoch, 17. März 2010, 13:24

Ja, ich hatte ja ganz oben geschrieben, dass sie als Schalter mit Open Collector dienen.

Trotzdem weiß ich nicht wie ich das machen kann.
Ist der RC nur ein Pull UP Widerstand? Kann man diesen berechnen?
Grüße Philipp

16

Mittwoch, 17. März 2010, 13:41

Natürlich kann man die Pull-Up Widerstände auch berechnen, z.B. wie "klein" diese mindestens sein müssen, um bei einem gegebenen H-Eingangsstrom (Datenblatt!) in das IC einen minimalen High-Pegel (TTL-Spec: 2,4V) zu erreichen. Zu den Betrachtungen des statischen Strom/Spannungswerts kämen dann bei etwas zeitkritischeren Anwendungen (z.B. wenn's um Pegeländerungen in Zeiten unter Microsekunden geht) noch Betrachtungen der Eingangskapazitäten und Streukapazitäten und der geforderten Schnelligkeit der Signalflanken hinzu. Damit viel herumzurechnen macht aber in der Regel wirklich nicht viel Sinn - für Pull-Up Widerstande in TTL-Schaltungen nimmt man normalerweise immer im Bereich 1..10kOhm. Wenn es nicht stört, daß die Schaltung ein paar mA "verbrät", ist man mit 1kOhm gut bedient.

17

Mittwoch, 17. März 2010, 13:43

Brät ist gut, die Schaltung wird schon relativ warm, aber noch im grünen Bereich.

Ich setzte mir gleich ma mit meinem Team zusammen, mal sehen ob die ne Idee haben.
Ich brauch einfach eine beründetet Erkläreung, wieso ich diese Widerstände genomman hab
Grüße Philipp

18

Mittwoch, 17. März 2010, 14:07

Hmmm - Begründung - ?
Vielleicht: weil grad noch jede Menge 1kOhm Widerstände da waren, aber nicht mehr genug 10kOhm?
Oder:
Damit die Schaltung auch unter schwierigen Bedingungen, z.B. bei hohen Kriechströmen durch kondensierende Feuchtigkeit noch zuverlässig funktioniert?
Oder:
Damit's auf der Platine ein wenig bunter wird? Obwohl: dann müsstest Du - je nach Farbgeschmack - z.B. 4,7kOhm = gelb-lila-rot oder 5,6kOhm nehmen = grün-blau-rot - alles schön bunt!) oder 6,8kOhm (dezente blau- und grau-Töne mit rot als Kontrast). 1kOhm ist ja eher was für die Liebhaber von dunklen Farbtönen, besonders, wenn man noch 1%-Typen nimmt. (braun-schwarz-schwarz-braun-braun).

haschenk

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19

Mittwoch, 17. März 2010, 16:59

Hallo,

Thomas,
dein post trifft den Nagel auf den Kopf...

Philipp,
der Nebel lichtet sich...

Den Begriff "Open Collektor" verwendet man idR in einem anderen Zusammenhang. Hier wär´s wohl besser (wie von Thomas gesagt) von einer Pegelanpassungs- / Inverterstufe im Schaltbetrieb zu reden. Aber lassen wir das.

Den Kollektorwiderstand kannst du in weiten Grenzen frei wählen. 1 kOhm ist ok, geht aber verschwenderisch mit dem Strom um (4x pro Siebensegment-Stelle, und da ist sicher nicht nur eine...).

Falls ihr TTL-Bausteine im Unterricht behandelt habt, könntest du die notwendige Größe dieses Widerstands berechnen, dto. was der Transistor noch an Strom aus dem IC aufnehmen muß. Wenn nicht, ist´s auch egal, das ist vernachlässigbar wenig. Nimm 1k, 4k7, 10k.. es geht immer.

Also gehen wir mal davon davon aus, daß der Widerstand 4,7 kOhm beträgt. Die Sättigungsspannung Uce des Transistors kannst du hier auch vernachlässigen (in anderen Schaltungen/bei kleinerer Betriebsspannung nicht). Falls ihr dies im Unterricht behandelt habt, wär´s nicht schlecht, diese Vernachlässigung mit den Diagrammen im Datenblatt zu begründen.
Also hast du einen Kollektorstrom von 5V / 4,7 kOhm = 1,06 mA.

Den dazu nötigen Basisstrom kannst auch in weiten Grenzen frei wählen. Der Mindestwert wäre: Kollektorstrom dividiert durch die Stromverstärkung, multipliziert mit einem Erfahrungswert für die Übersteuerung (z.B. 10), damit der Transistor sicher in die Sättigung geht.

Die Stromverstärkung ist keine Konstante, sondern hängt vom Strom selbst ab (s. Datenblatt ); je höher der Strom ist, desto geringer wird die Stromverstärkung. Das muß man in anderen Schaltungen (z.B. Leistungsstufen) berücksichtigen.

Aber hier können wir von "kleinen Strömen" ausgehen, und da kannst du den Datenblattwert 220 ("A"-Typ) einsetzen.
Also Mindestwert für den Basistrom = 1,06 mA / 220 = 4,82 µA; bei einem Übersteuerungsfaktor von 10 => 48,2 µA.

Für die Berechnung des Basis-Vorwiderstands könntest du die ca. 0,6 V Basis-Emitterspannung gegenüber den 24 V auch vernachlässigen. Nehmen wir sie aber mit...
daher Rb = 23,4 V / 48,2 µA = 485,7 kOhm.
Das ist hinsichtlich Isolationswiderstände, Einstreuungen etc. schon sehr hochohmig; besser nimmt man einen kleineren Widerstand, z.B. 100kOhm, meine schon erwähnten 47k, oder Bruno´s 22k. Wobei Letzteres schon arg klein ist; um 1mA Kollektorstrom zu steuern ca. 1mA Basisstrom aufwenden wäre schon etwas heftig. Wähle den Widerstand nach Gusto und berechne den Übersteuerungsfaktor.

Wenn du kleinere Ströme fließen lässt bzw. höhere Widerstände wählst, sparst du Strom, und dann wird deine Schaltung auch nicht mehr warm. Das ist nicht so "akademisch" wie es vielleicht scheint; spätestens wenn du später mal ein Batterie-betriebenes Gerät dimensionieren musst, wird das aktuell...

Eigentlich brauchst du jetzt nur noch etwas umformulieren, was Thomas und ich geschrieben haben.


Gruß,
Helmut

Dieser Beitrag wurde bereits 2 mal editiert, zuletzt von »haschenk« (17. März 2010, 17:08)


haschenk

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Mittwoch, 17. März 2010, 17:18

Was mir noch aufgefallen ist:

Wenn deine Anzeigemimik von der SPS getrennt ist, dann hängen deine Basen bzw. Basisvorwiderstände "frei in der Luft". Jede elektrostatische Aufladung würde zwar kaum zu Schäden führen, aber die Anzeigen könnten flackern.

Daher wär´s nicht schlecht, wenn du (ganz vorne, am 24V-Eingang) noch "Ableitwiderstände" (Größenordnung 47 - 100 kOhm) gegen Masse vorsehen würdest.

Dieser Beitrag wurde bereits 1 mal editiert, zuletzt von »haschenk« (17. März 2010, 17:22)