Es steht bereits im Betreff, ich suche eine Anleitung für Nicht-Elektroniker, die relativ einfach erklärt wie man Transistoren A) einsetzt und B) selektiert bzw berechnet und C) worin ein Unterschied zu einem FET besteht. Also absolute Basics.
Ich Google mir jetzt bereits seit zwei Tagen einen Wolf und verstehe bisher (fast) nur Bahnhof.
(Scheinbar) verstanden habe ich bereits, dass man beispielsweise die Basis bei Bipolartransistoren hinsichtlich 5V auf entsprechende Datenblattwerte beschränken muss (idR werden 0,7V genannt), auch der Unterschied zwischen NPN und PNP ist für mich relativ leicht nachvollziehbar.
Was für mich aber bisher nicht verständlich ist, ist:
Was ist jetzt genau der Unterschied zu einem Fet?
Wer hier eine Anleitung kennt die für Dummies verständlich ist, ich freue mich über jeden Tipp.
Was möchte ich überhaupt machen:
Ich möchte ganz simpel zwei 9V/12V-Motoren (Anderer Stromkreis) über entsprechende Signale des Arduino an- oder ausschalten. Bisher habe ich es über Relais gelöst die ich hier hatte, aber A) ist mir der Platzbedarf zu extrem als auch B) das Klacken nervtötend C) das Ganze "Perlen vor die Säue" und D) ich weiss, dass es auch über Transistoren funktioniert, nur halt Blicke ich da nicht durch. Dass Dioden, Widerstände benötigt werden ist mir klar.
Der Unterschied ist (vereinfacht) das Bipolar-Transitoren mit Strom gesteuert werden (weshalb es schon mal falsch ist dass man die Spannung begrenzen muss) und FETs mit Spannung. Mit FETs kann man einfacher Schaltungen bauen die eine relativ hohe Leistung haben.
Der für dich relevante Unterschied zwischen NPN und PNP ist ob man Masse schalten will (NPN / N-Kanal FET) oder die Betriebsspannung (PNP / P-Kanal). In den aller meisten Fällen schaltet man Masse.
Nimm am besten gleich FETs. Wissen über Bipolar-Transistoren ist zwar sinnvoll um einfach die Hintergründe zu verstehen, aber praktisch nicht unbedingt nötig. Bei FETs nimmst du dann einfach was mit IRL... im Namen (IRLZ34, IRLZ44, IRL540, etc.). Das sind Logic Level FETs die man auch schon mit 5V richtig betreiben kann. Dann kann man noch darauf achten, dass sie einen geringen Drain-Source-Widerstand RDS(on). Daraus ergibt sich nämlich dank P = I ^ 2 * R wie viel Wärme entsteht.
Bipolar-Transistoren sind aber völlig ok wenn es nur um wenige mA bis ein paar hundert mA geht wie bei LEDs, Relais oder kleinen Motoren. Aber bei mehr wird schnell der Basis-Strom und die Verlustleistung zu hoch. Bei FETs kann man dagegen deutlich höhere Ströme schalten ohne dass man gleich Kühlkörper braucht (irgendwann ist es natürlich trotzdem nötig)
Transistoren werden bei Arduino-Schaltungen fast ausschließlich als Schalter verwendet, das heißt man gibt genügend Basisstrom (für Bipolartransistoren BJT) oder eine genügend hohe Gate-Source-Spannung (für MOSFET) damit sie voll durchschalten. In diesem Fall ist die Verlustleistung am Transistro klein und es braucht keine Kühlkörper.
Bei NPN Transistoren fließt der Basisstrom von der Basis zum Emittor und steuert den Strom von Kollektor zum Emitter. Der Emitter ist auf Masse geschaltet. Zwischen Basis und Emitter ist eine Diodenstrecke und somit 0,7V. Daum muß der Basisstrom bei anlegen einer Spannung mittels eines Basiswiderstandes begrenzt werden. Der Transistro wird zwischen Last und Masse geschaltet.
Bei PNP Transistor fließt der Basisstrom vom Emitter zur Basis und steuert den Strom vom Emitter zum Kollektor. Der Emitter ist auf + Versorgungsspannung geschaltet. Zwischen Basis und Emitter ist eine Diodenstrecke und somit 0,7V. Daum muß der Basisstrom bei anlegen einer Spannung mittels eines Basiswiderstandes begrenzt werden. Der Transistor wird zwischen +Versorgungsspannung und Last geschaltet.
Man verwendet öfters NPN, weil mittels 5V vom Arduino auch Lasten mit höheren Spannungen geschatet werden können.
Bei PNP braucht man einen weiteren Transistor damit der PNP abgeschaltet werden kann. Wenn zB eine Last mit 12V betrieben wird dann braucht es mindesten 11,3V ( 12V -0,7V Emitter Basis) damit der Transistor sperrt. Mit 5V von Arduino kann man den PNP nicht abschalten.
Mann braucht PNP wenn die Versorgungsspannung einer Last oder eines Teils einer Schaltung geschaltet werden muß.
MOSFET sind praktisch ein Halbleiter-Kanal zwischen Source und Drain dessen Widerstand mittels Gatespannung verändert werden kann.
Es gibt N und P-MOSFETs. Die Verwendung ist analog zu NPN un dPNP-Transistoren. Dei MOSFET die Verwendet werden sind Anreicherungstypen, das heißt mit größerer Spannung wird der Widerstand kleiner. Man kann MOSFETS auch umgekehrt bauen (Verarmungstyp, LEiten ohe Spannung), aber diese werden im Arduino-Bereich nicht verwendet.
MOSFET werden mittels Spannung gesteuert und diese fast Stromlos. Es baucht einen Strom um den GATE-Source Kondensator (das Gate ist isoliert gegenüber dem Source/Drain) zu laden bzw entladen. Einmal geladen / entladen braucht es keine Energie/Leistung /Strom mehr, um den Zustand zu halten. Das ist einer der Hauptunterschiede zwischen BJT und MOSFET.
BJT und MOSFET können mittels spezieller Schaltungen auch als analoger Schalter bzw Verstärker mit einer definierten Verstärkung verwendet werden (zB Audioverstärker, Meßverstärker). Davon wird in Arduino-Schaltungen aber kein Gebrauch gemacht.
Eine Anhäufung von Transistoren in einem Operationsvertärker macht die analoge Verwendung einfach. Mehr unter Operationsverstärker.
Danke schonmal für die Infos! (Habe gestern Abend einmal kurz reingeschaut , da war ich aber kopftechnisch bereits durch...)
Nur damit ich es richtig verstehe:
Bei einem NPN müssen 0,7V auf der Basis liegen (oder halt je nach Datenblatt), damit er schaltet. Bedeutet: Ein Widerstand muss vom Arduino kommend von 5V auf 0,7V reduzieren. Dadurch wird der Kreis zwischen Emitter und Kollektor geschlossen (Beispielsweise anliegende 12V von Batterie für Motor).
Wo bleiben dann die 0,7V? Muss dann nicht der 12V-Kreis auf 11,3V reduziert werden, da 0,7V+11,3V=12V? Verschwinden die 0,7V einfach als Wärme im Raum?
Die 0,7V liegen automatisch zwischen Basis und Emitter an. Das ist aber eine Diode und stellt damit einen Kurzschluss dar. Der Widerstand dient dazu den Strom in die Basis zu begrenzen! Außerdem wird über den Basisstrom der Kollektorstrom eingestellt (da IC = IB * Stromverstärkung B (in Datenblättern meistens hfe))
Nimm wie gesagt besser einen FET. Einfacher zu handhaben. Mehr Strom. Weniger Wärme.
Ich denke, das werde ich tun, bedeutet aber ja nicht, dass man es nicht trotzdem verstehen möchte --> lebenslanges Lernen
Ich bin halt momentan auf dem Trip mehr "Basics" verstehen zu wollen, sei es Ansi C oder Elektronik. Lieber kleinere Projekte als für x Euro Module und ähnliches, dafür aber eigentlich nicht wirklich verstehen was passiert ...
Sollte jemand dahingehend eine Buchempfehlung haben, gerne her (Ich suche idealerweise noch ein Buch welches den schmalen Grat zwischen C, Mikrokontroller und Elektronik geht, das scheint es aber nicht zu geben - gerne auch in Englisch )
Kennt jemand zufällig die Originalausgabe von "make: electronics" bzw "make: more electronics"? Empfehlenswert? (Die deutsche Version ist noch nicht die Aktuelle englische Version und soll Übersetzungsfehler haben).
thefreak:
Bei einem NPN müssen 0,7V auf der Basis liegen (oder halt je nach Datenblatt), damit er schaltet. Bedeutet: Ein Widerstand muss vom Arduino kommend von 5V auf 0,7V reduzieren. Dadurch wird der Kreis zwischen Emitter und Kollektor geschlossen (Beispielsweise anliegende 12V von Batterie für Motor).
Wo bleiben dann die 0,7V? Muss dann nicht der 12V-Kreis auf 11,3V reduziert werden, da 0,7V+11,3V=12V? Verschwinden die 0,7V einfach als Wärme im Raum?
An der Basis gegenüber dem Emitter müssen wenigstens 0,7V anliegen damit ein Basisstrom fließt (Diodenstrecke). Der Basisstrom muß durch den Basiswiderstand begrenzt werden da ansonsten ein zu großer Strom fleißt und den Transistor kaputmachen würde. Am Basiswiderstand fallen die 4,3V ab (5V-0,7V).
Die 0,7V sind zwischen Basis und Emitter und haben mit der Spannung am Kollektor nichts zu tun.
Der Spannungsabfall zwischen Kollektor und Emitter hängt nicht von der Basisspannung ab, sondern vom Kollektorstrom und liegt je nach Transistor und Strom zwischen ca 0,2V und 2V
Ein gutes (vergriffenes) Elektronik Buch wäre Werkbuch Elektronik von Dieter Nührmann.
Wenn Du MOSFETs verwenden willst brauchst Du Logic Level MOSFETs die mit 5V des Arduino ganz durchschalten. Zwischen Gate und Source solltest Du einen 100kOhm Widerstand schalten damit solange der Arduino Pin noch nicht als Ausgang definiert ist ( während eines Resets oder nach dem Einschalten) der Mosfet sicher sperrt. Ein 150 Ohm Widerstand zwischen Arduino Pin und Gate begrenzt den Ladetrom des Gate-Source Kondensators auf erträgliche Werte.
Im 8 Led RGB Streifen Ansteuern - Deutsch - Arduino Forum werden einige Logic-Level N-MOSFET vorgeschlagen.
Eigentlich ist so vielen richtigen Erklärungen nichts hinzuzufügen, trotzedem noch ein praktisches Beispiel.
An einer Diode fällt in Durchlaßrichtung eine ziemlich konstante Spannung ab, die kaum vom Strom abhängt. Das gilt auch für LED, nur die typische Durchlaßspannung ist für jeden Typ (jedes Material) unterschiedlich.
Schaltet man einen Widerstand (zur Strombegrenzung) in Reihe mit einer Diode, und legt eine Spannung an, sagen wir mal die üblichen 5V, dann kann man einfach die Durchlaßspannung von der angelegten Spannung abziehen, und hat dann die Spannung am Widerstand. Dann kann man aus dieser Spannung und dem gewünschten Strom die Größe des Widerstands berechnen.
Bei einer roten LED wäre die Durchlaßspannung etwa 2V, bleiben also 5V-2V=3V am Widerstand übrig. Bei 10mA müßte man deshalb einen Widerstand von 3V/10mA=0,3k nehmen, nach der E24 Reihe kämen dann 270 oder 330 Ohm in Frage.
Beim bipolaren Transistor mit z.B. einer Stromverstärkung von 100 muß bei 100mA Kollektorstrom 100mA/100=1mA Basistrom fließen. Bei der typsichen Durchlaßspannung von Ube=0,7V bleiben dann 5-0,7=4,3V am Widerstand übrig, der Widerstand wäre damit 4,3V/1mA=4,3k. Da gerne etwas mehr Strom fließen darf, falls die Verstärkung kleiner ist als im Datenblatt angegeben, käme dann nach E24 3,9k in Frage. Schaltet man noch einen Widerstand von 10k zwischen Basis und Emitter (Gnd), damit der Transistor sicher sperrt wenn keine Spannung anliegt, liegt an diesem Widerstand wieder Ube=0,7V an, es fließen also 0,7V/10k=70µA. Dieser Strom geht als Basistrom verloren, ist aber angesichts des zuvor berechneten Basistroms von etwas über 1mA (4,3V/3,9k) vernachlässigbar.
Schaltet man noch einen Widerstand von 10k zwischen Basis und Emitter (Gnd), damit der Transistor sicher sperrt wenn keine Spannung anliegt, liegt an diesem Widerstand wieder Ube=0,7V an, es fließen also 0,7V/10k=70µA. Dieser Strom geht als Basistrom verloren, ist aber angesichts des zuvor berechneten Basistroms von etwas über 1mA (4,3V/3,9k) vernachlässigbar.
Das halte ich nicht nur für verwirrend, sondern sogar für Unsinn
Wenn an der Basis eine Spannung von deutlich unter 0,7V anliegt (typischerweise 0V bei uns an einem Arduino-Ausgangspin), fliesst kein BasisStrom und der Transistor sperrt. An dem ominösen Widerstand zwischen Basis und Emitter liegen dann genauso 0V an und "es geht kein Basisstrom verloren" (??). Der Widerstand stört immerhin nicht, da hat DrDiettrich Recht.
Ausserdem gilt bei Verwendung von npn Tansistoren als Schalter, dass hFE nur die allerallerunterste Grenze für den erforderlichen Basis-Strom darstellt.
Bei Ic = 100 mA und hFE=200 würde zwar 0,5mA reichen. Aber der Sinn ist ja nicht, den Kollektorstrom auf 100 mA zu begrenzen, sondern die Spannung VCE möglichst klein zu bekommen, damit der geschaltete Verbraucher zwischen + und Collector möglichst sauber eingeschaltet ist, und im Transistor möglichst wenig Verlustleistung entsteht. Der Verbraucher sollte den Ic bestimmen, nicht der Basis-Widerstand im Zusammenspiel mit einem sehr variablen Verstärkunungsfaktor.
Als Obergrenze für den BasisStrom würde ich unter 20 mA ansetzen, damit der Arduino keinesfalls überlastet ist. Die goldene Mitte zwischen 0,5mA und 20 mA wären dann ca. 4 mA --> Uwe's 1k Faustregel.
Da sieht man auch das da trotz aller Formeln sehr viel Schätzen dabei ist. Einmal sinkt die Gleichstromverstärkung mit steigendem Kollektorstrom. Dann ist der Übersteuerungsfaktor geschätzt.
Ein großer Nachteil von Bipolar-Transistoren ist eben dass selbst wenn man sie voll durchsteuert, an ihnen noch ca. 0,2V abfallen (bei Darlington Transistoren wesentlich mehr). Die Kollektor-Emitter-Sättigungs-Spannung UCE(sat). Und das unabhängig vom Kollektorstrom. Bei FETs sind es bei halbwegs kleinem Laststrom ein paar mV. Bei vielen Ampere muss man das natürlich wieder berücksichtigen.
Der "verlorene" Basisstrom gilt offensichtlich für den eingeschalteten Zustand, nicht den gesperrten. Mit diesem Beispiel wollte ich drauf hinweisen, wie die Serienschaltung zweier Widerstände anders zu berechnen ist, wenn eine Diode parallelgeschaltet ist.
IMO liegt man mit einer Stromverstärkung von >100 bei Kleinsignaltransistoren kaum falsch. Bei Leistungstransistoren muß man schon genauer hinschauen, die können <30 haben. Auch Schalttransistoren können eine unerwartet niedrige Stromverstärkung haben.
Beim Schalten ist nur wichtig, daß der zu erwartende Kollektorstrom sicher fließen kann - der tatsächlich fließende Strom hängt vom Verbraucher (Kollektorwiderstand und Spannung) ab. Eine (proportionale) Steuerung des Kollektorstroms kann nur über einen Emitterwiderstand erreicht werden, das ist aber ein ganz anderer Ansatz.
Eine brutale Übersteuerung eines Transistors (20mA statt 1mA) halte ich keinesfalls für wünschenswert, darunter leiden die Schaltzeiten und damit steigen die dynamischen Verluste. Sättigung ist beim Schalten erwünscht, aber keine Übersättigung.
Über Faustregeln möchte ich nicht streiten, ich halte so eine Regel für den Basiswiderstand allenfalls für fragwürdig, so ganz ohne Berücksichtigung des Kollektorstroms. Zumindest sollte ein Anfänger wissen, wie eine Schaltung durchgerechnet werden kann, und das auch mal selbst rechnen und nachmessen, bevor er sich auf (seine oder fremde) Faustregeln verläßt.
Die Sättigungsspannung UCEsat von Si-Transistoren liegt IMO typisch bei 0,4V, weniger allenfalls bei speziellen Transistor-Typen. Damit geht der Kollektorstrom etwa linear in die Verlustleistung ein. Darlington-Transistoren sind mit 1,5-2V zum Schalten hoher Ströme ziemlich ungeeignet, eine Schaltung mit 2 diskreten Transistoren verbraucht dann nur 1/4 der Leistung, da UBE des Treibertransistors nicht in UCE des Endstufentransistors eingehen muß.
Bei FETs geht man von einem typspezifischen Durchlaßwiderstand RDSon aus, für den es aber keine Faustregel gibt (0,01 bis 20 Ohm). Damit geht der Strom quadratisch in die Verlustleistung ein, zusätzlich wächst dieser Widerstand mit steigender Temperatur stark an.
