Schaltung Transistor mit 6 LEDs, wie am besten?

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Schaltung Transistor mit 6 LEDs, wie am besten?

Neuer Beitragvon Hias am Samstag 24. März 2007, 12:48

Hallo!
Ich habe mir mit einem Pic ne Ansteuerung für verschiedene Zweige mit je 6 LED's (parallel) gebastelt und bekomms einfach nicht auf die Reihe die Ansteuerung der LEDs so zu dimensionieren dass diese im richtigen AP betrieben werden und der Transistor net so heiss wird, vielleicht kann mir ja hier jemand helfen...ich weiss dass die Parallelschaltung der LEDs nich ganz ideal ist wegen untersch. Kennlinien, aber das wär nun schwer abänderbar.

Vom Pic bekomme ich 5V geliefert, mit denen ich über n Poti auf die Basis von nem NPN-Transistor 2n1613 gehe. Also direkte Ansteuerung mit Basisstrom quasi. Das Poti will ich hierbei zur Helligkeitseinstellung der LEDs benutzen.
Und nun kommt auch schon das Prblem: zwei nichtlineare aufeinanderfolgende Bauelemente, wo ich nicht weiss, wie ich den richtigen Arbeitspunkt berechne.
Der Emitter geht direkt auf Masse, von 5V+ gehe ich über ne Parallelschaltund der 6 LEDs auf den Collektor. In dieser Strecke hab ich mal paar Widerstände getestet, komm aber trotzdem net auf den richtigen AP.
Dieser ist bei den LEDs jeweils wie folgt angegeben: 2V, 20 mA.
Transistor: Uce(sat)=1,5V, Ube(sat)=1,3V bei Ic=150mA und Ib=15mA.

Welche Vorwiderstände sind denn hierbei dann nötig, bzw vielleicht hat ja auch jemand nen besseren Vorschlag, das ganze zu realisieren?
Hab bis jetzt 5 Ohm als Vorwiderstand zu den LEDs und das ganze läuft auch, nur der aktuelle AP der 6 LEDs liegt bei 2,5V und 140mA und der Transistor wird ziemlich heiss...
Hab die Angst dass da mal was abraucht oder die LEDs den Geist aufgeben.

Vielen Dank für jede Hilfe!
Hias
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Versorgungsspannung

Neuer Beitragvon BernhardS am Samstag 24. März 2007, 20:59

Hallo,

hast Du vor dem 5V Regler eine höhere Spannung, 9V oder 12V?

Du könntest dann je 3 LED´s in Reihe schalten und dann auf die 12? Volt gehen.

Grundsätzlich ist es keine gute Idee LED´s parallel zu schalten. Wenn, dann sollte jede ihren eigenen Widerstand haben.

Bernhard
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Arbeitspunkt

Neuer Beitragvon Dollmator am Montag 26. März 2007, 09:57

Wenn du nur 5V hast, dann probier mal je 2 LED's in Reihe und ein Widerstand von 10 Ohm in Reihe.
Das 3 mal parallel. Die Durchlassspannung einer LED ist 1240 geteilt durch Wellenlänge in Nano-meter. Also wird es bei blauen LED's mit 470 Nm nicht mehr gehen.

Verpass deinem Transistor mal einen Emitterwiderstand, so ca. 10 Ohm.

Nimm einen dickeren Transistor, irgendwas mit BD...

Helligkeit kann man auch mit PWM regeln!
Dollmator
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Neuer Beitragvon Hias am Montag 26. März 2007, 20:19

Naja, ich hab halt nur 5V vom PIC-Ausgang.
Die Helligkeit regel ich softwaremässig schon mit PWM, mir gehts beim Ansteuern über das Poti um die maximale Helligkeit, wenn ungepulste 5V anliegen.
Dass manche der LED's mit der Parallelschaltung nicht allzu glücklich sind ist klar, aber sie werden ja nicht bei maximaler Helligkeit betrieben, insofern dürfte das keine Rolle spielen hoff ich...

Noch ne Frage:
Wieso die vorgeschlagenen 10 Ohm Emitterwiderstand? Dachte sowas bringt nur was um unerwünschten Wärmeeffekte zu reduzieren?

Gibts denn nicht irgendein Maß, wanns wirklich ungesund wird für den Transistor (oder brandgefährlich)? Wenn ich meinen Finger mit ner Kraft wie wenn ich auf ne Taste drücke auf den Transistor leg halt ichs net lang aus, würd wahrscheinlich nach paar secs zu leichten Verbrennungen führen. Aber soweit dass aufm Transistor n Fingerabdruck erscheint isses noch nicht ;) (hab aber aus der Ausbildung noch so ein Exemplar als Beweis dass das geht ^^).
Ich mein theoretisch setzt der hoch angesetzt 600mW um, vertragen tut er 800mW laut Datenblatt, müsst ja alles roger sein?


Grüße
Hias
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Bauteile

Neuer Beitragvon Dollmator am Dienstag 27. März 2007, 09:26

Zum Emitterwiderstand:
Ja du hast recht, der Emitterwiderstand hilft unter anderem unerwünschte Wärmeeffekte zu vermindern. So ein Transistor ist ja nicht gerade ein präzises Bauteil. Normalerweise erwarten die Leute das Elektronik superpräzise ist mit Toleranzen von 0,001% und so. Aber in der Realität ist das präziseste Bauelement ein Quarz. Widerstände gibt's mit 0,1% Toleranz. Kondensatoren haben meistens 1 bis 20 % Toleranz. Elko's schon bis zu 50% Toleranz. Aber das unpräziseste Bauteil überhaupt ist der Transistor. Die Verstärkung ist Temperatur und Fertigungsabhängig und kann zwischen 100 und 750 schwanken. Um sich von solchen schwankenden Bauteileeigenschaften unabhängig zu machen hilft dann ein Emitterwiderstand ungemein. Probiers einfach mal aus, du wirst sehen, der Arbeitspunkt lässt sich dann viel leichter einstellen.

Zur Verlustleistung:
Wenn bei einem Transistor eine bestimmte maximale Dauerverlustleistung angegeben ist, ist das so zu verstehen, das bei dieser Verlustleistung und der dazu passenden Montage/Kühlung am Chip eine bestimmte Temperatur entsteht, die dieser noch auf Dauer abkann. Beim Temperaturbedingen Ausfall von Transistoren gibt es im wesentlichen zwei Mechanismen die den Transistor fertigmachen können.
Erstens das das Halbleitermaterial sich durch Diffusion von Dotier und Schutzatomen verändert. Der Transistor verändert auf Dauer seine technischen Daten, meistens zum schlechten :-)
Zweitens der "Second Breakdown" hier gibt es auf dem Transistorchip lokale "Hot Spots" an denen ein lokal höherer Strom fließt. Dieser Effekt ist selbstverstärkend.

Gruss
Dollmator
25673
 

Neuer Beitragvon Stromus am Dienstag 27. März 2007, 11:17

Um sich von solchen schwankenden Bauteileeigenschaften unabhängig zu machen hilft dann ein Emitterwiderstand ungemein. Probiers einfach mal aus, du wirst sehen, der Arbeitspunkt lässt sich dann viel leichter einstellen


Das hilft unter der Voraussetung, dass der verwendete Emitterwiderstand viel größer als der Emitterwiderstand des Transistors ist (rE). Damit wäre die Spannungsverstärkung unabhängig von den Transistorparametern. Bei 10Ohm waage ich dies zu bezweifeln, denn dazu müsste der Emitterwiderstand des Transistors etwa 1...2Ohm betragen => wenn wir das bei Raumtemperatur betrachten, dann ist ein Kollektorstrom im statischen Arbeitspunkt von etwa 25mA nötig. Das ist etwas zu viel für Kleinsignaltransistoren, nicht aber für Leistungstransistoren. Diese haben aber wiederum kleine Stromverstärkungen und benötigen somit wieder größere emitterwiderstände, um den eingangswiderstand schön hoch zu treiben. Verstehst du wie ich das meine?
Hier gibt es aber wahrscheinlich keinen Grund für diese Überlegung. Der Transistor soll doch hier nur als Schalter (Sättigungsbetrieb) verwendet werden. Wenn er eine Stromquelle benötigt, dann stellt sich die Frage, ob er die nötige Betriebsspannung zur Verfügung hat, oder die Teilung der 5V-Spannung an der Basis in Frage kommt.
Fragen:
1. Sollen die LED' nur Ein/ausgeschaltet werden?
2. Spielt die Konstanz der Helligkeit eine Rolle?

Wenn die erste Frage mit "Ja" ausgeht, dann reicht es aus den Transistor richtig zu sättigen und gut ist. Dazu muss der Basisstrom etwa 1/10 des Kollektorstromes betragen und fertig (weil Leistungstransistoren schlechtere Stromverstärkungseigenschaften besitzen). Wenn Der "PIC" den Basisstrom nicht liefern kann, dann ist ein weiterer NPN nötig in Form eines BC847 oder ähnlich.
Stromus
25677
 

Sättigung von Transistoren

Neuer Beitragvon Dollmator am Dienstag 27. März 2007, 12:46

Sorry, das Attachment hat jetzt garnicht mit diesem Artikel zu tun, ich wollte nur mal sehen, wie das aussieht wenn ich ein Attachment dranhänge :-)


Ja, OK, an die Möglichkeit den Transistor in Sättigung zu betreiben, habe ich gar nicht gedacht. Ich habe mir nur vorgestellt, da ist ein kleiner Bastler, der baut seine ersten Schaltungen auf. Der hat jetzt am Ausgang vom Microcontroller ein Trimmpoti und möchte damit jetzt irgendwie die Helligkeit einstellen. Dieser Kleinsignaltransistor hat so eine Stromverstärkung von ein paar hundert. Der Kollektorstrom ist 6*25mA also 150mA. Also sind das an 10 Ohm 1,5V. Der Transistor arbeitet schön als Stromquelle und gut ist. Da die Spannung zwischen Emitter und Collector bis ca. 0,2V ohne Sättigung runtergehen kann, mit Sättigung sogar bis 50mV ist alles im linearen Bereich. Die paar 100uA kann wohl jedes Microcontrollerchen mit Push-Pull-Ausgängen liefern.

Wenn er den Transistor allerdings in Sättigung betreibt, braucht es immer noch ein paar zig us bis die Ladungsträger wieder abgebaut sind.

Gruss

[color=red]Attach. habe ich entfernt!
Stromus[/color]
Dollmator
25681
 

Neuer Beitragvon Stromus am Dienstag 27. März 2007, 13:37

Dem stimme ich nicht zu!

Wenn der Transistor im Sättigungsbereich arbeitet stellt die Schaltung keine Stromquelle dar.
Wo war der lineare Bereich noch ein Mal?

Dieser Kleinsignaltransistor hat so eine Stromverstärkung von ein paar hundert


Nope! hfe = 20...120

Der Transistor arbeitet schön als Stromquelle und gut ist. Da die Spannung zwischen Emitter und Collector bis ca. 0,2V ohne Sättigung runtergehen kann, mit Sättigung sogar bis 50mV ist alles im linearen Bereich


Nope! Im Sättigungsbereich ist die Stromquelle zusammengebrochen auf einen sehr geringen Innenwiderstand (Ausgangs-Kennlinie betrachten mit dU/dI). Wo sit der lineare Bereich noch ein Mal?

Die paar 100uA kann wohl jedes Microcontrollerchen mit Push-Pull-Ausgängen liefern.


Nope! Bei 150mA ist ein Basisstrom von mindestens 1,25mA => Sättigungsgrenze wurde erreicht, wenn hfe = 120. Für einen hfe = 40 (kann wegen streuung sein) => Ib = 4mA für die sättigungsgrenze => für ausreichende Sättigung sind es eher 15mA!!

Wenn er den Transistor allerdings in Sättigung betreibt, braucht es immer noch ein paar zig us bis die Ladungsträger wieder abgebaut sind.


spielt keine Rolle für diese Anwendung.
Stromus
25682
 

Neuer Beitragvon Dollmator am Dienstag 27. März 2007, 14:35

1. Von welchen Transistor reden wir hier eigentlich?
Normale Kleinsignal Transistoren wie BC550C haben laut meinem Datenbuch ein hfe von 450-900!

2. Das selbe Datenbuch sagt UCEsat=0,25V bei 10mA ICE und 0,5mA IB.
Also werden wir uns wenn an den LED's sagen wir mal 2,7V abfallen und wir 5V Versorgung haben, noch lange nicht in der Sättigung bewegen. Ergo sind wir im linearen Bereich.

3. Wenn der Transistor in der Sättigung ist, braucht er ein paar zig us um seine Ladungsträger abzubauen. Bei hohen Frequenzen durchaus ein Problem...
Dollmator
25683
 

Neuer Beitragvon Stromus am Dienstag 27. März 2007, 16:01

:D Tut mir leid, aber ich bekomme ein bißchen den Eindruck, dass ich gewickelt, gedreht und wieder zurück...werde.

Also:

1. Von welchen Transistor reden wir hier eigentlich?


wir reden von (Angabe vom Fragesteller):

Vom Pic bekomme ich 5V geliefert, mit denen ich über n Poti auf die Basis von nem NPN-Transistor 2n1613


Punkt 1 geklärt?

Wenn ja und (Meine Frage):


1. Sollen die LED' nur Ein/ausgeschaltet werden?
.....

Wenn die erste Frage mit "Ja" ausgeht, dann reicht es aus den Transistor richtig zu sättigen und gut ist. Dazu muss der Basisstrom etwa 1/10 des Kollektorstromes betragen und fertig (weil Leistungstransistoren schlechtere Stromverstärkungseigenschaften besitzen). Wenn Der "PIC" den Basisstrom nicht liefern kann, dann ist ein weiterer NPN nötig in Form eines BC847 oder ähnlich.



zusammen mit (wieder von mir):

Nope! Bei 150mA ist ein Basisstrom von mindestens 1,25mA => Sättigungsgrenze wurde erreicht, wenn hfe = 120. Für einen hfe = 40 (kann wegen streuung sein) => Ib = 4mA für die sättigungsgrenze => für ausreichende Sättigung sind es eher 15mA!!


Und wenn der PIC die 15mA nicht liefern kann (klärt der Fragesteller), dann ist der Satz aus dem obigen Zitat zu bearbeiten (..."weiterer NPN in Form eines BC847 oder ähnlich nötig)


Des weiteren:

2. Das selbe Datenbuch sagt UCEsat=0,25V bei 10mA ICE und 0,5mA IB.
Also werden wir uns wenn an den LED's sagen wir mal 2,7V abfallen und wir 5V Versorgung haben, noch lange nicht in der Sättigung bewegen. Ergo sind wir im linearen Bereich.


Auf den "linearen Bereich komme ich noch ein Mal!

Der Rest stimmt nicht. Warum?:

a) Wenn Sättigungsbetrieb

der Rest zwischen 2,7V und 5V wird auf dem/den Vorwiderstand/Vorwiderständen der LED's + Ucesat abfallen => Der Transistor behält nur Ucesat = 1,5V (angegeben vom Fragesteller)

b) Stromquelle

mit Deinem 10Ohm hätten wir bei 150mA eine Spannung von 1,5V. Dazu kommt die LED-Spannung (von Dir als 2,7V gennant) = 4,2V
Bleit Uce = 5V-4,2V = 0,8V übrig und reicht für die Stromquelle nicht aus, da dies bereits unterhalb der Sättigungsgrenze liegen würde (vom Fragesteller als : Uce(sat)=1,5V, Ube(sat)=1,3V bei Ic=150mA und Ib=15mA.....angegeben). Und 0,8V deckt sich für 150mA mit den Angaben des Transistors für Ucesat = 1,5V bei 150mA eh nicht zusammen

Durch den letzten Zitat von Dir sieht so aus, dass jetzt der lineare Bereich im aktiven Bereich liegt. Hast Du jetzut anders entschieden? Den in Deinem vorherigen Beitrag lag der lineare Bereich im Sättigungsbereich:

Da die Spannung zwischen Emitter und Collector bis ca. 0,2V ohne Sättigung runtergehen kann, mit Sättigung sogar bis 50mV ist alles im linearen Bereich


Entweder geht der aktive Bereich bis 0,2V (Quatsch!), oder der lineare Bereich ist im Sättigungsbereich. Du machst mich neugierig :D


Und zuletzt:

3. Wenn der Transistor in der Sättigung ist, braucht er ein paar zig us um seine Ladungsträger abzubauen. Bei hohen Frequenzen durchaus ein Problem...


Nein, nein, nein, nein...

Das ist immer noch irelevant. Dieser Fall hier braucht keine hohen Frequenzen.

erstens) Fürs Auge unsinnig (das Auge integriert und eine Frequenz von 100 Hz ist schon schwierig als Ein/Aus- Vorgang zu erkennen)

zweitens) Du hast nicht aufgepasst! Für die Helligkeit ist das Mittelwert des Stromes zuständig und das ist unabhängig von Frequenz, sondern hängt NUR von "duty-cicle" ab.

=> eine zu hohe Frequenz ist unnötig!
Stromus
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Neuer Beitragvon Hias am Dienstag 27. März 2007, 18:10

Uffa, ganz schön viel diskutiert...schön :)
Also ich machs mal kurz Dollmator, ich bin wahrscheinlich schon ein kleiner bastler, aber ich bau sicher nicht die erste Schaltung auf ;)
Und mit zwei bzw. mehr nichtlinearen Bauelementen in Reihe gibts für mich nur graphische Verfahren mit den Kennlinien dieser, um auf den exakten AP zu kommen. Und die hab ich nicht.

Der Transistor wird natürlich im aktiven Bereich betrieben (ihr nennt den wohl linearen Bereich), da Ucb nicht 0 V ist (bzw. Uce>Ube).
Im Endeffekt soll er natürlich als Schalter, wie auch als AP-Einsteller der LEDs dienen.
Grundgedanke dafür ist die Stromverstärkung des Transistors: Mit dem einstellbaren Basisstrom den Collektorstrom bestimmen, dadurch stellt sich ne passende Spannung an den LEDs ein und der Rest sollte sich am Widerstand und Transistor aufteilen(siehe aktiver Bereich!)
Dieser Grundgedanke ist hier hoffentlich nicht der Fehler, sonst bitte ich um eine Belehrung.

Angesteuert wird der Transistor mit schätzungsweise irgendwas um die 50 kHz während der PWM, also kein Akt für den(Mir war die Periodendauer der PWM beim programmieren ziemlich egal, solange der Transistor das packt).
Ausserdem schafft der PIC pro Port ca 200 mA, heisst für die Ansteuerung des Transistors stehn hierbei ca. 50mA zur Verfügung(an dem Port hängen mehrere LED-Zweige).

Nochmal für den Überblick:
Die PWM dient zum sanften an/ausgehen der LEDs, das Poti vor der Basis des Transistors zum einstellen der max. Helligkeit dieser.
Hias
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Neuer Beitragvon Stromus am Dienstag 27. März 2007, 19:06

Schlechter Ansatz!

So jetzt geht es wieder. Also:

der Basisstrom sollte ca 15mA. Damit "dreht" sich der Basiswiderstand um ca. 280Ohm (Normwert wählen)

Im Kollektor steht U = 5 - Ucesat zur Verfügung. Handelt es sich um 150mA, so ist Ucesat = 1,5V und es bleibt eine U = 3,5V für LED oder LED's + Vorwiderstand
Wird eine andere Kombination gewählt, die weniger Strom bedeutet, so ist der neue Ucesat zu betrachten und die Berechnung hier neu durchzuführen.

Durch den Basiswiderstand sollte nicht versucht werden, denn Kollektorstromstrom zu drosseln (Poti). Das versursacht unnötige Verluste, die letztendlich den Transistor erwärmen und die Versorgung belasten.

Die Helligkeit lässt sich elegant durch PWM einstellen. Man kann ein Zusatzpin (AD-Eingang) vom µC dazu verwenden um dem µC den "Wunsch" mitzuteilen und die Software reagiert mit Variation des PWM's
Stromus
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Neuer Beitragvon Stromus am Dienstag 27. März 2007, 19:31

Der Transistor wird natürlich im aktiven Bereich betrieben (ihr nennt den wohl linearen Bereich), da Ucb nicht 0 V ist (bzw. Uce>Ube).


Das Verhalten der Leistungstransistoren ist ähnlich dem von Kleinsignal, allerdings gibt es einige Sachen zu beachten.

Nein auch wenn ein Ucesat = 1,5V > Ube angegeben wird befindet sich der Leistungstransistor bereits im Sättigungsbetrieb.

Mit dem einstellbaren Basisstrom den Collektorstrom bestimmen, dadurch stellt sich ne passende Spannung an den LEDs ein und der Rest sollte sich am Widerstand und Transistor aufteilen(siehe aktiver Bereich!)


Solltest Du nicht tun, denn eine Überschneidung der Lastgerade des Kollektorwiderstandes mit der Verlustleistungshyperbel könnte zur thermischen Zerstörung des Transistors, oder zum Durchbruch 2. ter Art führen
Stromus
25692
 

Neuer Beitragvon Hias am Dienstag 27. März 2007, 19:46

Hey, das gefällt mir! :)
Das blöde ist, dass ich mit dem Datenblatt ja keine andere Kombination direkt berechnen kann oder...?
Es sollten so 120mA bei diesen LEDs fließen.
Das blöde ist, dass das Datenblatt ohne Kennlinien ist.
Gibts dazu irgendwelche Näherungen, wie ich Uce rausbekomm?

Der Vorschlag mit nem extra Pin die PWM zu beeinflussen gefällt mir aber sehr, daran hab ich noch nicht gedacht! Werd ich mir mal Gedanken drüber machen und proggen, wenn ich Zeit hab, danke!
Hias
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Neuer Beitragvon Stromus am Mittwoch 28. März 2007, 06:55

Das Datenblatt gibt es im Internet.

Wenn der Transistor in Sättigung betrieben wird und der Kollektorstrom statt 150mA nur 120mA "sieht" funktioniert die Schaltung mit einem Basisstrom Ib = 15mA genau so gut. Man kann aber immer noch für den Basisstrom 1/10 des Kollektorstromes wählen, in dem Fall dann 12mA und die Verhältnisse sind dann ähnlich. Wenn man dabei 30mA vom Kollektorstrom und 3mA vom Basisstrom einsparen kann, ist es noch besser, was die Versorgung angeht.

Mit dem Poti kann das ganze auch anders funktionieren:

Poti in Reihe mit dem Dioden-Vorwiderstand-Netzwerk im Kollektorkreis. In diesesm Fall fährt die Arbeitsgerade des Kollektorwiderstandes nach unten (Schnittpunkt mit der Spannungsachse bleibt fix und der Schnittpunkt mit der Stromachse wandert mit Potistellung zwischen Null und dem maximal möglichen Strom gegeben durch das Dioden-Vorwiderstand-Netzwerk. In diesem Fall wandert Uce in einem kleinen Sättigungs-Bereich (keine Verluste) bei konstantem Basisstrom. Das wäre also auch eine Möglichkeit, allerdings wenn für die ganze Geschichte schon mal so viel Aufwand (Pic & Co.) betrieben wird, dann ist die Lösung über Einlesen der Potistellung eleganter.
Stromus
25694
 

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