Frage zum Basisstrom eines NPN-Schalters

[User3000]

Hallo liebe Community,
ich habe eine Frage zum Thema NPN Transistor. Ich habe mehrere LED-Basteleien mit NPN-Schaltern, die mit einem Rapsberry Pi angesteuert werden sollten.

Aktuell sieht meine Schaltung so aus:
3,3V -> LED(3V, 20mA) -> Widerstand(10Ohm) -> NPN-Collector
I/O Pin(3,3V) -> Widerstand(33kOhm) -> NPN-Basis
NPN-Emitter -> GND

Jetzt überlege ich auf einen Arduino umzurüsten. Die Spannung an der Basis der NPN-Transitioren würde sich dadurch von 3,3V auf 5V erhöhen. Kann ich die Schaltungen weiter benutzen und z.B nur den Widerstand zwischen I/O-Pin und Transistorbasis erhöhen oder muß ich die Schaltungen komplett neu aufbauen? Weche Daten braucht man um das zu berechnen?

 

[hicom]

Du brauchst den Verstärkungsfaktor des Transistors.
Vom Kollektorstrom ausgehend kannst du damit den minimal notwendigen Basisstrom berechnen.
Den multiplizierst du mit 5..10 (macht man bei Schaltanwendungen so) und berechnest
daraus den Basiswiderstand (U(I/O Pin) -0,7V)/Ib.

 

[hicom]

das wäre ja dann zu einfach..

 

[Pumukel]

Nehmen wir den Feld , Wald und Wiesentransistor BC 337 mit 45V und 0,8A der hat eine Stromverstärker von rund 100.
Bei 100mA Kollektorstrom benötigst du ca 1 mA Basisstrom. So und nun kannst du mal rechnen (5V-0,7V): 0,001A = 4,3k
Damit Dein Transistor sicher voll Durchsteuert wird ein Basiswiderstand von 3,3 k gewählt.
Für die LED kannst du den Vorwiderstand so berechnen (5V -0,5V-2 V):0,02A= 125Ohm gewählt 150 Ohm!
O,5 V = Spannung über dem Transistor und 2 V als Flussspannung der LED (Rot) grün kannst du mit rund 2,5V und Blau mit 3V rechnen.
So und nun mal der Basisstrom berechnet mit Deinen Werten !
3,3V : 33000V:A= 0,0001A = 0,1mA bei einer Stromverstärkung von 100 kann max ein Kollektorstrom von 0,1mA*100= 10 mA fließen!
So rechnen wir das mit 5 V dann ergibt sich 5V: 33000V:A=0,152mA

 

[User3000]

Danke für die schnellen Antworten. Es handelt sich um den BC547B. DC Current Gain = 200 (bei IC = 2mA, VCE = 5V).
Ist es also möglich, die LED weiter mit 3,3V zu betreiben und an der Basis des Transistors 5V anzuschließen (mit Erhöhung des Widerstandes an der Basis)?
Es geht darum, daß meine Bastelei nicht so einfach geändert werden kann. Die Vorwiderstände der LEDs sind z.B. nicht mehr zugänglich.

 

[bigdie]

Welche Farbe haben denn die LEDs

 

[Leprechaun]

Die Farben der LED´s sind doch egal, da sie weiter an 3.3 Volt betrieben werden sollen, die Basiswiderstände der Transen können auf etwa 47kΩ erhöht werden, müssen aber nicht!

Leprechaun

 

[bigdie]

Nicht egal, weis und blau kannst du eigentlich vergessen bei 3,3V. Im Übrigen kann man für die LEDs und das Bord auch getrennte Spannungen nehmen. also z.B. fürs Bord 3,3V und für die LEDs 5 oder 12V. Dann kann man auch mehrere in Reihe schalten

 

[bigdie]

Sag ich ja, und selbst wenn sie 3V hat, kommen ja noch 0,4-0,6 für den Transistor dazu. Und der Widerstand will ja auch noch ein bisschen Spannung, sonst kann der nicht den Strom bestimmen. Genau genommen braucht dieser schon 1,5-2V.
Die blaue LED oder die weiße wird zwar auch etwas glimmen, aber mit Leuchten hat das dann nicht viel zu tun.

 

[User3000]

Die Schaltung, so wie sie jetzt ist, funktioniert. Alle LEDs leuchten wie sie sollen. Die Frage ist also nur, ob man an die Basis eines NPN Transistors eine höhere Spannung legen kann als an den Collector. Mit einem Raspberry Pi hat es ja funktioniert. Jetzt möchte ich halt gerne einen Arduino nutzen.

 

[Pumukel]

Mal zum Nachdenken Der GPIO der Himbeere kann 2 bis max 8mA liefern der Ausgang des Arduino bis 16mA Deshalb verstärkt man den Ausgangsstrom mit einem Transistor . Dumm nur das der Transistor als Schalter arbeiten soll und deshalb betreibt man diesen mit einem möglichst hohem Basisstrom. Ich habe in solchen Fällen meist 1 bis 2 mA gewählt, ja sogar Werte von 4 bis 5mA sind da nicht übertrieben . So und wenn du nun mal überlegst das der Basisstrom mit der Stromverstärkung multipliziert den Kollektorstrom ergibt, so werden aus den 1mA Basisstrom ca 100mA Kollektorstrom die möglich sind. Den tatsächlich fließenden Strom begrenzt der Vorwiderstand der LED. Arbeitet ein Transistor als Schalter wird die Spannung zwischen Kollektor und Emitter auch am geringsten sein Uce sinkt auf Werte unter 0,5V, bei geringerer Aussteuerung kann Uce auch schnell höhere Werte um 1 bis 2 V erreichen! Deshalb sind da Werte als Basiswiderstand von 33k einfach viel zu Hoch!
Als Transistoren sind die BC 337 (NPN) und BC327 (PNP) mit 800mA besser geeignet als die Typen mit nur 100mA den hfe ändert sich da abhängig vom Kollektorstrom beträchtlich.
Nachtrag auf deinen vorhergehenden Beitrag ja kannst du nur der Basisstrom wird etwas höher werden. Die Basis-Emitterspannung bleibt bei rund 0,7V am Transistor egal ob da vor dem Basiswiderstand 3,3V oder 10V anliegen!

 

[bigdie]

ob man an die Basis eines NPN Transistors eine höhere Spannung legen kann als an den Collector

An der Basis hat du immer 0,7-0,8V gegen Emitter und den Rest der Spannung vernichtet der Basiswiderstand. Und beim Kollektor eines durchgesteuerten Transistors hast du 0,4V gegen den Emitter gemessen. Auch dort fällt der Rest über LED und den Vorwiderstand ab.
Wenn du also die LEDs weiter mit 3,3V versorgen willst, ist das möglich.
Wenn du mit 5V den Transistor ansteuern willst, musst du nur sicher stellen, das der Basiswiderstand groß genug ist, das weder der max. Basisstrom des Transistors noch der max Ausgangsstrom des Arduino überschritten wird.

 

[bigdie]

Wenn er mit 5V arbeiten will, dann braucht er auf der Minus Seite der LED Platine, also praktisch vor die Emitter nur 2 Dioden in Reihe setzen. dann hat der LED Teil ca. 3,6V und weiter muss man nichts ändern.

 

[Pumukel]

Die Forensoftware ist einfach nur zum Kotzen!

 

[Pumukel]

Mal zur Klarstellung : Der Ausgangspegel eines µC bezieht sich auf GND ! So und nun machen wir mal ein Experiment und verwenden anstelle der Dioden einfach eine Z-Diode! Wenn du den Emitter auf GND legst so steht über der Basis-Emmitterdiode eine Spannung von ca 0,7V sofern da ein Basisstrom fließt!
Abhängig vom Vorwiderstand vor der Basis fällt durch den Basisstrom aber über diesen R auch eine Spannung ab.
So rechnen wir mal die Ausgangsspannung des µC beträgt 3,3V abzüglich der Ube von 0,7V kann demzufolge über den Basiswiderstand nur eine Spannung von 2,6V abfallen! So und wenn ich nun einen I von 0,001A haben will ergibt das einen R von 2,6V: 0,001A= 2600Ohm!
Nehmen wir nun an die Ausgangsspannung des µC erhöht sich auf 5 V dann ergibt das 4,3V über dem R und bei der Voraussetzung das sich der R nicht ändert folgt ein Strom von 4,3V :2300V:A=0,0019A = 1,9mA Das bedeutet der Transistor wird statt mit 1mA mit 2mA angesteuert.
Weiter im Text nehmen wir an der Transistor hat ein hfe von 100 dann sind das im ersten Beispiel 1mA*100= 100mA und im zweiten Beispiel wären das 190mA die als Kollektorstrom fließen könnten.
So und wenn da eine LED mit 2V Flussspannung und einem Vorwiderstand von 10 Ohm am Kollektor hängt wären bei Kurzgeschlossenem Transistor (3,3V-2V) :10 Ohm = 130 mA durch die Diode möglich. Bei 5V dagegen 300mA ! So und weiter im Text angenommen der Transistor hat eine Ucesat von 0,5V dann folgt daraus (3,3V-2V-0,5V)= 0,8V >>>> 0,8V :10Ohm = 80mA! Bei 5V sind das dann (5V-2V-0,5V) =2,5V >>>> 250mA !
So merkst du was!
Versuchen wir das nun mal mit einem Basisvorwiderstand von 33000 Ohm >>>>> (3,3V-0,7V): 33000 V:A= 0,08mA und weiter gerechnet 0,08mA*100 = 8mA mehr lässt der Transistor nicht durch ! Nehmen wir nun die 5V dann sieht das so aus (5V-0,7V):33000V:A = 13mA!
Der Transistor ist aber dabei weit vom Schalterbetrieb entfernt! Deshalb sagte ich ja schon die Werte in der Schaltung sind gewürfelt aber nicht berechnet!
So und nun die IDEE mit Dioden in der Emitterleitung . nehmen wir an wir verwenden eine Z-Diode mit 1,5V >>> die Spannung zwischen Basis und GND erhöht sich auf 1,5V+0,7V = 2,2V Und die Spannung zwischen Kollektor und GND erhöht sich auch auf Uce+ Uz-Diode! Da aber Uce abhängig vom Basisstrom ist, kann es dir sehr schnell passieren das du die Flussspannung der LED gar nicht mehr erreichst!
Treiben wir mal das Ganze auf die Spitze und verwenden eine 3,3V Z-Diode dann steuert der Transistor bei 3,3V gar nicht mehr auf und bei 5V beträgt die Spannung Basis zu GND dann 3,3V+0,7V = 4V demzufolge kann über den Basiswiderstand nur 1V abfallen!
Weiter im Text es führt kein vernünftiger Weg an der Richtigen Dimensionierung des Vorwiderstandes der LED vorbei!
Uges = Uled+Ucesat+ Ur >>>> 2V+0,5V+ 0,8V =3,3V und bei 5 V sind das dann 2V+0,5V+2,5V =5V So und wenn in beiden Fällen durch die LED ein Strom von 10mA fließen soll sind für 3,3V (0,8V: 0,01A) 80 Ohm erforderlich und für 5V (2,5V:0,01A) 250 Ohm ! So nehmen wir an der Transistor stirbt mit einem Emitter Kollektorschluss Dann hast du über dem R statt 0,8V 1,3V anstehen und mit den 80 Ohm steigt der Strom durch die LED von 10mA auf 16mA
Bei 5V und 250 Ohm von 10mA auf 12mA !
Was bei den 10 Ohm Vorwiderstand passiert habe ich schon oben vorgerechnet
Wer Schaltungen nachbaut sollte auch die Schaltung verstehen und sich nicht Blind auf die Bastelei eines Möchtegerns verlassen!