Transistor vragen

[IceBlackz]

Tweakers,

Voor mijn stage maak ik gebruik van een RPi waarvoor ik een PCBtje heb gemaakt om allerhande IO te regelen (RS232/485, analoge inputs m.b.v. ADC en GPIO) en de RPi te voeden. Voor de GPIO maak ik echter gebruik van transistors, zodat ik minder afhankelijk ben van welke spanning er op die GPIO gebruikt wordt. Daarvoor maak ik gebruik van deze BC846S transistors. De transistors zijn als volgt aangesloten:


De output schakeling, waarbij de GND afgeschakeld wordt, basis komt van RPi.


De input schakeling, groene lijntje is de 3.3V, collector gaat naar RPi (inverterende ingang).

Nu wil ik echter maximale specificaties hangen aan wat er geschakeld kan worden en daar heb ik een paar vragen over. In jaar 1 van mijn studie hebben we transistors uitgebreid behandeld maar er is niet zoveel blijven hangen .

In de datasheet staat dat de absolute max Vceo 65V is. Kan ik dan veilig zeggen dat er max 60V DC geschakeld kan worden? Of is dat afhankelijk van andere factoren?

Verder staat er dat de collector current max 100mA mag zijn. Geldt dit dan ook op 60V? Mijn gevoel zegt namelijk dat zo'n klein transistortje nooit 60*0,1=6W kan schakelen, laat staan dissiperen.. De maximale vermogensdissipatie per device van 2 transistors is gespecificeerd op 300mW, maar hoe bepaal ik hoeveel vermogen er gedissipeerd gaat worden bij 60V/100mA?

Alvast bedankt voor jullie hulp

[kitao]

Ik denk dat je van een verkeerd standpunt uitgaat. Jij pakt 60V en dan 0.1A en dan kom je op Ptot 6W.
Maar zo wordt geloof ik niet gerekend. Het gaat volgens wat ik heb opgezocht om het volgende :

How much power the transistor dissipates depends on the voltage difference between the Collector and Emitter pins and the current flowing through the collector to emitter.
In geleiding zal er geen 60V meer over de collector/emmiter staan. Zoiets
https://answers.yahoo.com...qid=20130124184005AAqfhbJ

[base_]

Zoals kitao zegt: dissipatie = spanning x stroom, maar niet de spanning over de last maar de spanning over de transistor (en dissipatie daarin) is relevant. Meestal is die bij een transistor zo'n 0.7V dus met 150mW per transistor: 0,150/0,7= ca 200mA.

[ Voor 4% gewijzigd door base_ op 14-04-2014 09:33 ]

[IceBlackz]

base_ schreef op maandag 14 april 2014 @ 09:31:
Zoals kitao zegt: dissipatie = spanning x stroom, maar niet de spanning over de last maar de spanning over de transistor is relevant. Meestal is die bij een transistor zo'n 0.7V dus met 150mW per transistor: 0,150/0,7= ca 200mA.

Aah nu begin ik het beter te begrijpen, 0,7V is echter de spanningsval tussen de basis en emitter. Volgens de datasheet is de spanningsval tussen de collecter en emitter 0,3V bij een Ic van 100mA, ruim binnen de limiet dus. Maar de dissipatie is dus eigenlijk onafhankelijk van de spanning op de collector, alleen enigszins van de stroom die de load verbruikt?

[kitao]

Neem een transistor met basis, collector en emitter en beschouw die als schakelaar.
Denk nu de basis even weg en dan hou je een schakelaar over met contactpunten C en E.
Als die schakelaar open staat, oftewel er is geen verbinding tussen C en E dan mag er maximaal 65 volt op gezet worden. Meer dan dat en Poef.
Als de schakelaar gesloten is dan mag er maximaal 100mA doorheen. Dat betekent dus dat er ook maar maximaal 100mA door de load mag gaan want die staan in serie.
Als we nu voor de load een willekeurige weerstand nemen dan moet die weerstand bij 65V :
R=(65-0.2)V / 0.1A = 648 ohm zijn en een vermogen van 0.1^2 x 648 = 6.48 Watt moeten kunnen opnemen.
Dus dat wordt een vrij dikke weerstand.

Op yahoo answer zelfde link als vorige post staat dit sommetje :
The actual total power dissipated in the transistor = [Vc - Ve)*(Ic)] + [(Vb - Ve)*(ie - ic)] = [(Vce)*(Ic)] + [(Vbe)*(Ib)]

[ Voor 18% gewijzigd door kitao op 14-04-2014 10:37 ]

[Flake]

IceBlackz schreef op maandag 14 april 2014 @ 09:36:
[...]


Aah nu begin ik het beter te begrijpen, 0,7V is echter de spanningsval tussen de basis en emitter. Volgens de datasheet is de spanningsval tussen de collecter en emitter 0,3V bij een Ic van 100mA, ruim binnen de limiet dus. Maar de dissipatie is dus eigenlijk onafhankelijk van de spanning op de collector, alleen enigszins van de stroom die de load verbruikt?

De dissipatie wordt bepaald door de mate van geleiding van die tor. Met de basisstroom kun je de tor laten geleiden, hoe meer stroom, hoe meer geleiding, totdat je in saturatie zit (wat je waarschijnlijk wil hebben). De dissipatie in die tor wordt van bepaald door Vce * Ic, waarbij voor Ic een absolute maximum geldt die je niet mag overschrijden (voor Vce overigens ook).

[ReneK]

IceBlackz schreef op maandag 14 april 2014 @ 08:47:
Verder staat er dat de collector current max 100mA mag zijn. Geldt dit dan ook op 60V? Mijn gevoel zegt namelijk dat zo'n klein transistortje nooit 60*0,1=6W kan schakelen, laat staan dissiperen.. De maximale vermogensdissipatie per device van 2 transistors is gespecificeerd op 300mW, maar hoe bepaal ik hoeveel vermogen er gedissipeerd gaat worden bij 60V/100mA?

Zolang je de transistor als schakelaar gebruikt, loopt er bij 60V (VCE) geen stroom door de transistor,
en staat er bij maximale stroom (100 mA) nauwelijks spanning over de transistor.

Waar je wel rekening mee moet houden is de maximale dissipatie bij 100 mA.
Per device is dat max. 300 mW. Als je slechts één transistor gebruikt, betekent dat
een maximale VCE van 0.3 V bij 100 mA. Dat lukt alleen maar als je de transistor goed
in verzadiging stuurt met een flinke basisstroom. Volgens de specs is daavoor een
basisstroom van IB = 5 mA nodig. Je zult R34 (2k74) dan ook flink kleiner moeten maken,
afhankelijk van de spanning op GPOUT2.

Gebruik je beide transistoren per device, dan moet je de totale dissipatie beneden 300 mW houden.
Bij 100 mA betekent dat per transistor een VCEsat < 0.3 V, maar dat kan in de praktijk niet.
Je zult in dat geval de stroom per transistor moeten beperken tot b.v 50 mA.

[IceBlackz]

ReneK schreef op maandag 14 april 2014 @ 11:40:
[...]


Zolang je de transistor als schakelaar gebruikt, loopt er bij 60V (VCE) geen stroom door de transistor,
en staat er bij maximale stroom (100 mA) nauwelijks spanning over de transistor.

Waar je wel rekening mee moet houden is de maximale dissipatie bij 100 mA.
Per device is dat max. 300 mW. Als je slechts één transistor gebruikt, betekent dat
een maximale VCE van 0.3 V bij 100 mA. Dat lukt alleen maar als je de transistor goed
in verzadiging stuurt met een flinke basisstroom. Volgens de specs is daavoor een
basisstroom van IB = 5 mA nodig. Je zult R34 (2k74) dan ook flink kleiner moeten maken,
afhankelijk van de spanning op GPOUT2.

Gebruik je beide transistoren per device, dan moet je de totale dissipatie beneden 300 mW houden.
Bij 100 mA betekent dat per transistor een VCEsat < 0.3 V, maar dat kan in de praktijk niet.
Je zult in dat geval de stroom per transistor moeten beperken tot b.v 50 mA.

Hmm.. waarom zou dat niet kunnen? Want als ik de voorgaande formule aanhoudt, kom ik op het volgende uit:
(0,3*0,1)+(0,8*0,005)= 0,034W ofwel 34mW, dat maal 2 zit alsnog ruim onder de de max van 300mW. Of maak ik nu ergens een denk/rekenfout?
Het enige limiterende is dan de RaspberryPi, ik weet niet of die 5mA op de IO pinnen kan zetten. En klopt het dat ik de benodigde basisstroom met de volgende regel kan bepalen: IC/IB= 20? Staat verstopt bij de VceSat grafiek in de datasheet.

[timberleek]

Nee basisstroom moet je uitrekenen met de DC current gain. De grafiek eronder.

Met 100mA collectorstroom duikt de hfe net onder de 100. Bij een hfe van 100 heb je voor 100mA collectorstroom 1mA basisstroom nodig. Hij zit net onder de 100, dus je moet iets meer hebben en je kan beter veilig zitten. Beter goed open sturen dan net niet goed genoeg (dan ga je hitte genereren).

[ReneK]

IceBlackz schreef op maandag 14 april 2014 @ 11:57:
[...]
Hmm.. waarom zou dat niet kunnen? Want als ik de voorgaande formule aanhoudt, kom ik op het volgende uit:
(0,3*0,1)+(0,8*0,005)= 0,034W ofwel 34mW, dat maal 2 zit alsnog ruim onder de de max van 300mW. Of maak ik nu ergens een denk/rekenfout?

Nee, je hebt gelijk. Ik maak een denkfout, had 300 mW in gedachten, maar met 0.3 V en 100 mA is het slechts 30 mW per transistor. Je kunt ze dus allebei tot 100 mA gebruiken.

Het enige limiterende is dan de RaspberryPi, ik weet niet of die 5mA op de IO pinnen kan zetten. En klopt het dat ik de benodigde basisstroom met de volgende regel kan bepalen: IC/IB= 20? Staat verstopt bij de VceSat grafiek in de datasheet.

De versterkering (hfe) van de transistor is bij 100 mA ongeveer 90 (grafiek p.4). De basistroom is bij Ic=100mA dan zo'n 1.1 mA. Om verzadiging te bereiken, moet je een stroom kiezen die een paar keer groter is, vandaar IB = 5 mA of de vuistregel IC/IB = 20. In de praktijk zal zo'n 3 mA ook wel voldoende zijn voor verzadiging.

[kitao]

Misschien komt dit van pas http://www.mosaic-industr...electrical-specifications
Zelf niet goed doorgelezen maar gaat over RPI I/O specs
Deze is ook handig als je wilt weten waar de load te plaatsen http://www.physics.unlv.edu/~bill/PHYS483/transbas.pdf

[ Voor 23% gewijzigd door kitao op 14-04-2014 12:19 ]

[Fish]

Ik snap alleen niet waarom je die Rc er in zet en ook nog aan de 3.3 volt hangt.

Afhankelijk van wat je schakelt een hoogohmig ingang met andere singaal niveaus of een laagohmige belasting kan dat wel eens uitmaken.

[Brahiewahiewa]

IceBlackz schreef op maandag 14 april 2014 @ 11:57:
[...]Hmm.. waarom zou dat niet kunnen? Want als ik de voorgaande formule aanhoudt, kom ik op het volgende uit:
(0,3*0,1)+(0,8+0,005)= 0,034W ofwel 34mW, dat maal 2 zit alsnog ruim onder de de max van 300mW. Of maak ik nu ergens een denk/rekenfout?
Het enige limiterende is dan de RaspberryPi, ik weet niet of die 5mA op de IO pinnen kan zetten. En klopt het dat ik de benodigde basisstroom met de volgende regel kan bepalen: IC/IB= 20? Staat verstopt bij de VceSat grafiek in de datasheet.

Dat los je op met een Darlington

Met R2 regel je de basisstroom door T2; zal ongeveer 600 Ω zijn

[IceBlackz]

ReneK schreef op maandag 14 april 2014 @ 12:08:
[...]


De versterkering (hfe) van de transistor is bij 100 mA ongeveer 90 (grafiek p.4). De basistroom is bij Ic=100mA dan zo'n 1.1 mA. Om verzadiging te bereiken, moet je een stroom kiezen die een paar keer groter is, vandaar IB = 5 mA of de vuistregel IC/IB = 20. In de praktijk zal zo'n 3 mA ook wel voldoende zijn voor verzadiging.

timberleek schreef op maandag 14 april 2014 @ 12:07:
Nee basisstroom moet je uitrekenen met de DC current gain. De grafiek eronder.

Met 100mA collectorstroom duikt de hfe net onder de 100. Bij een hfe van 100 heb je voor 100mA collectorstroom 1mA basisstroom nodig. Hij zit net onder de 100, dus je moet iets meer hebben en je kan beter veilig zitten. Beter goed open sturen dan net niet goed genoeg (dan ga je hitte genereren).

Aah okay, dan ga ik toch maar van de vuistregel uit, het systeem komt toch een een omgeving terecht waar al veel stroomverbruik plaatsvindt . Dankjulliewel!

kitao schreef op maandag 14 april 2014 @ 12:17:
Misschien komt dit van pas http://www.mosaic-industr...electrical-specifications
Zelf niet goed doorgelezen maar gaat over RPI I/O specs
Deze is ook handig als je wilt weten waar de load te plaatsen http://www.physics.unlv.edu/~bill/PHYS483/transbas.pdf

Thanks! Blijkbaar staat de standaard drive al op 8mA, maar het is eenvoudig aan te passen m.b.v. wiringPi mocht ArchLinux dit anders hebben ingesteld.

fish schreef op maandag 14 april 2014 @ 12:22:
Ik snap alleen niet waarom je die Rc er in zet en ook nog aan de 3.3 volt hangt.

Afhankelijk van wat je schakelt een hoogohmig ingang met andere singaal niveaus of een laagohmige belasting kan dat wel eens uitmaken.

Van de inputschakeling bedoel je? Die weerstand zit er om het stroomverbruik zoveel mogelijk te beperken, diezelfde collector zit aan de (hoogohmige) ingang van de RPi. Zonder die weerstand zal hij ook altijd hoog staan, aangezien dan altijd 3V3 op die pin staat . Ik heb beide schakelingen gesimuleerd en getest en ze werken naar behoren. Zonder die weerstand heb je eigenlijk ook een kortsluiting tussen de 3V3 en GND als de schakelaar dicht staat.

[ Voor 14% gewijzigd door IceBlackz op 14-04-2014 12:34 ]

[Fish]

Nee Rc -> R op je collector


och je hebt de omschrijving van het plaatje er onder gezet ipv er boven .... lama

[ Voor 61% gewijzigd door Fish op 14-04-2014 12:39 ]

[IceBlackz]

Ja, alleen bij de inputschakeling staat er een R op C

[Fish]

let op ook bij verzadiging heb je een minimale Uce vaak iets van 1.2 volt (geen specs bekeken) is dat laag genoeg voor je

[kitao]

IceBlackz schreef op maandag 14 april 2014 @ 12:31:
Thanks! Blijkbaar staat de standaard drive al op 8mA, maar het is eenvoudig aan te passen m.b.v. wiringPi mocht ArchLinux dit anders hebben ingesteld.

Geen dank. Ik heb nooit geweten dat in/out stroom op een micro-pin instelbaar was. Zie dit voor t eerst want ik heb geen raspberry dus leer er zelf ook van.

[memphis]

Hier komt de factor HFe naar voren.

HFE is de stroomversterking en volgens de specs is die 110, Als jouw maximale stroom voor de belasting 100mA is moet de basis met 100/110= 0.9mA of meer aangestuurd worden om de transistor volledig open te zetten. (meer stroom door de C zal nooit vloeien gezien de belasting de maximale stroom bepaalt)

Krijg te basis minder dan 0.9mA zal de transistor een lagere doorgangsstroom geven waardoor de belasting minder spanning op zich neemt en over de C-E een hogere spanning komt te staan, dan gaat die wel vermogen ontwikkelen.

[Fish]

En vanzelfsprekend houd dat weer op bij Ib=0. ook al staat er 40 volt over

[Flake]

Brahiewahiewa schreef op maandag 14 april 2014 @ 12:22:
[...]
Dat los je op met een Darlington
[afbeelding]
Met R2 regel je de basisstroom door T2; zal ongeveer 600 Ω zijn

Kun je doen, maar ik zou in dat geval liever een n-mosfet pakken. 1 component, gewoon ervoor zorgen dat je een mosfet hebt die openklapt met 3.3v gate-source-spanning en hij zal tussen drain-source sluiten naar ground met een kleine Rds-on. Zeker als we praten over een drainstroom van 100mA is je gedissipeerde vermogen zeer laag (P = Id^2 * Rds-on)

[memphis]

fish schreef op maandag 14 april 2014 @ 13:18:
En vanzelfsprekend houd dat weer op bij Ib=0. ook al staat er 40 volt over

Klopt helemaal.
En als het om een ohmse belasting gaat mag je ook stellen dat het meeste vermogen gegenereerd wordt bij de halve voedingsspanning.