Wie finde ich den richtigen Transistor ?

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Moderator: T.Hoffmann

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Sa, 23.05.09, 23:44

Hi zusammen,

für die PWM Ansteuerung einer HighPower RGB LED stellt sich mir die Frage, wie man den richtigen Transistor findet.

1. Steuerung

Die PWM wird von einem Mikrocontroller gemacht, der irgendwas zwischen 2 und 5 V an Versorgungsspannung hat. Am Ausgang kann er bis zu 25mW schalten, die Spannung entspricht der Versorgungsspannung, also auch 2V - 5V.

a) Ist der Spannungsbereich bei der Wahl des Transistors entscheidend oder haben die für die Basis so große Bereiche, dass es egal ist, ob ich den Mikrocontroller mit 2 oder 3,3 oder 5V betreibe ?

b) 25 mW sind maximum, weniger ist da sicherlich mehr (Lebenserwartung). Gleiche Frage wie oben : Welche Bereiche sind da denkbar und welche Auswirkungen hat das auf die Wahl des Transistors ?

c) Die PWM sollte flott sein, wobei ich ja experimentieren will und auch noch nicht wirklich weiss, wie hoch die Frequenz der PWM sein muss. Auch ein Transistor wird für den Schaltvorgang Zeit brauchen, nicht so viel wie ein Relais, aber doch wohl ein bißchen was. Für welche Frequenzbereiche sollte ein Transistor ausgelegt sein, damit ich hier experimentieren kann ? Was sind typische Werte bei PWM für Farbmischungen ?


2. Last

a) Die typischen Werte, die geschaltet werden sollen, sind bis 400mA bei 2,6 bzw. 3,6 bzw 3,8 V. Ich möchte aber gerne noch mit verschiedenen LED-Typen probieren oder auch mal was in Reihe schalten können. Gibt es da für den Transistor Unter- und Obergrenzen hinsichtlich Spannung und Strom im Lastkreis ? Obergrenzen bestimmt, und da wäre dann die nächste Frage : Welche Bereiche gibt´s da so ? Mit Masse geht´s mir um HighPower LEDs mit 400mA im Vergleich zu einem Cluster von normalen LEDs, also sagen wir mal maxmimal 0,5A bei 5V. Wenn die entsprechenden Bauteile natürlich dann noch Luft haben, um auch mal ein paar LEDs in Reihe zu schalten - gerne.

Wenn ihr jetzt noch ne Empfehlung habt, welchen Transistor ich für den Fall nehmen soll, ob´s ein normaler sein kann oder MOSFET, ob PNP oder NPN usw.... nur her damit :). Schön wär´s halt, wenn die Teile nicht so teuer werden, denn erstens werd ich bestimmt beim Basteln mal einen grillen und zweitens will ich damit später ne Matrix bauen und dann werden´s doch einige...
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So, 24.05.09, 01:32

Wenn die Versorgungsspannung von 2 bis 5 V variiert, dann ist ein Bipolarer Transistor auf jeden Fall simpler, da reicht ein Vorwiderstand. (Bei 2V am Controller solltest Du mit 1,4 am Widerstand rechnen, denn die Basis-Emitter-Strecke hat einen Spannungsabfall von 0,6V. Außerdem können MCUs bei 2V i.d.R. sehr viel weniger Strom an ihren IO-Pins liefern, als bei 5V, bei Atmel sind das z.B. ca. 4 mA bei 1,8V und 20 mA bei 5V bei den PicoPower-Modellen, der ATMega8 kann AFAIR bei 5V bis zu 40 mA)

Wenn MOSFET, dann muss es ein Logic Level MOSFEt sein, wenn der dann schon ab 2V anständig durchschalten soll, dann kommen nur noch sehr sehr wenige Typen in Frage. Ansonsten brauchst Du für das Gate noch eine Treiberstufe und 10 bis 12V.

Der da: Zetex ZVN 4206 A wäre z.B. ein geeigneter Kandidat.

Auch der alte BUZ11 ginge bei Deinen geringen Stromanforderungen mit 5V am Gate.

Nur bei 2V funktioniert das ganze nicht. Da müsstest Du dann mal hier weitergucken: logic level MOSFET
Gleich der erste Treffer ist dann diese Tabelle bei mikrocontroller.net

Explizit Logic Level, ab 2,5V am Gate schon 8 Ampere, ab 3V über 10A, 85 Cent: IRLIZ44N

Wenn Du den Pluspol Schalten willst, brauchst Du einen P-Kanal-MOSFET und außerdem einen Inverter (am einfachsten NPN als open collector mit Pull-Up am Gate des P-Kanal-MOSFET)
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So, 24.05.09, 07:29

deep-image hat geschrieben: a) Ist der Spannungsbereich bei der Wahl des Transistors entscheidend oder haben die für die Basis so große Bereiche, dass es egal ist, ob ich den Mikrocontroller mit 2 oder 3,3 oder 5V betreibe ?
Die Basis eines bipolaren Transistors hat keinen Spannungsbereich. Sie ist stromgesteuert. Ab 0,6-0,7V fängt an ein Strom zufließen, der dann mittels Widerstand begrenzt werden muss, sonst geht der Transistor kaputt. Je nach Verstärkungfaktor des Transitors fließt am Ausgang dann der Vielfache des Basisstromes, sofern es die Gegebenheiten zulassen.
z.B.: Basisstrom 1mA , Verstärkung 100x , Collectorstrom 100mA

Bei FETs ist die Basis (Gate) spannungsgesteuert. Je nach Typ gehts los bei 2-2,5V und bei 20V schlagen die Gates durch. Das muss auf jeden Fall durch Spannungsbegrenzung vermieden werden. 12V reichen im allgemeinen aus, um einen FET voll aufzusteuern. Steht aber auch im Datenblatt, bei welcher Gatespannung mit welchem Ausgangswiderstand zu rechnen ist.
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So, 24.05.09, 10:21

Vom Prinzip her ist´s mir egal, ob bipolar oder (MOS)FET, sofern beide für den angedachten Zweck taugen. Oder gibt es klare Empfehlungen, warum man lieber die eine Sorte in so einem Fall verwenden sollte ? Den Links nach liegen die Teile so bei 40 bzw. 80 cent, d.h. pro Pixel wäre das dann 1,20 bis 2,40 Euro für die Transistoren. Da würde ich für ne 10x10 Matrix natürlich die 40 cent Variante bevorzugen :) es sei denn, die hätte Begrenzungen bzgl. der Schaltgeschwindigkeit oder Ähnliches.

Noch billiger ist sowas wie der BC337, der nach der Farnell Seite z.B. folgende Werte mitbringt und im Bereich 4-5 cent liegt... Wäre das Ding tauglich oder gibt´s einen guten Grund, das zehnfache auszugeben ? Ich versteh im Datenblatt nicht alle Werte, aber ich hoffe mal, dass ich da nicht ganz danebengelangt habe :)

TRANSISTOR, NPN, TO-92
Transistor, Typ:Bipolar
Wandlerpolarität:NPN
Spannung, Uceo(V):45V
Strom, Ic Dauer-, max.:500mA
Spannung, Uce sat(V) max.:0.7V
Leistungsverlust:625mW
hfe, min.:100
ft, typ.:100MHz
Gehäusetyp:TO-92
Anschlussart:Durchsteck-
Leistung, Ptot:625mW
Spannung, Ucbo(V):50V
Strom, Ic (hfe):100mA
Strom, Ic max.:800mA


Versorgungsspannung :

Die Versorgungsspannung der PICs ist idR 3,3 oder 5V, das kann ich mir ja beim Entwurf noch raussuchen, 2V ist das absolute Minimum, aber da ich das Ganze ja nicht an einer Batterie betreiben will...... Ich nehme an, auf 5V Basis ist´s einfacher, weil ich dann höhere Spannung / höhere Ströme auf den Ausgängen habe und ich die Transistoren besser "bedienen" kann. Wenn dann noch dazu kommt, dass bei 5V wahrscheinlich der preiswertere Transistortyp verwendet werden kann, werd ich wohl mal auf 5V planen, denn damit kann ich dann auch gleich noch die LEDs versorgen, 3,3V reichen ja nicht bei jedem Typ und die Leitung (sagen wir mal 5-10 m max zwischen Netzteil und dem Pixel mit uController und LEDs) frisst auch nochmal was.
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So, 24.05.09, 22:16

Bipolar-Transistoren sind billiger, MOSFETs nutzt man bevorzugt bei sehr hohen Strömen.
Durch die Stromsteuerung von Bipolartransistoren geht mit 3,3V am Controller jeder Bipolartransistor (mit ausreichender Verstärkung). Es gibt auch billige Möhren, die zwar viel Strom schalten können, aber dann ab der Basis auch 100 mA und mehr benötigen.

Der BC337 ist sicherlich geeignet, kann ja 500 mA dauerhaft. Aber er erwärmt sich sicher auch mehr als ein MOSFET, relevant wird das aber erst wenn sehr viele auf engem Raum sind.

Du willst Deine Matrix vermutlich multiplexen, d.h. Du benötigst bei einer 10x10 Matrix dann 20 Transistoren, davon 10 High-Side (PNP oder P-Kanal-MOSFET) und 10 Low-Side (NPN oder N-Kanal-MOSFET). Da sind 40 Ct. pro Transistor eigentlich noch vertretbar (es gibt sicher auch echte logic level MOSFETs zu diesem Preis und drunter).
Wenn Du anhand des Datenblatts einen geeigneten Typ gefunden hast, kannst Du ja auch mal bei RS oder Farnell gucken und dann gleich 50 oder 100 kaufen, ist u.U. günstiger als 20 Stück einzeln bei Reichelt.
Als P-Kanal-MOSFET kann ich den PMV65XP empfehlen, ist aber SMD im SOT23-Gehäuse. Kann dafür -12V / -3,9A. Für die Low-Side einen PMV??XN --- Die ?? aus folgender Übersicht entnehmen:
PMV-MOSFET-Serie von Philips

Als Bipolar-Transistoren empfehle ich BCX56 (NPN) / BCX53 (PNP), sind aber auch wieder SMD.
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Mo, 25.05.09, 15:26

Ich würde Dir bis 500mA auch bipolar Transistoren (NPN=BC337; PNP=BC327) empfehlen. Die sind billig und haben keine nennenswerte Kapazität (bei PWM /Matrix Ansteuerung mit hohen Frequenzen muss man bei MosFets ggf. Treiber vorschalten). 25mW Ausgang sind aber sehr wenig. Bei 5V Versorgungsspannung wären das nur 5mA. Mit einem min. hfe von 100 reicht das aber immer noch um 500mA mit einem BC337/BC327 'durchzuschalten'. Bei Matrix Ansteuerung wird aber oft nur ein geringer duty cycle erreicht (LEDs leuchten nur 1/x der 'Gesamtzykluszeit'). Um die 'Leuchtkraft' anzupassen kann man dann die LEDs problemlos mit höheren Strömen (4x 'Normalstrom' bei 1/10 duty sind gar kein Problem) betreiben. Weil dann aber kurzfristig viel höhere Ströme geschaltet werden müssen, solltest Du ggf doch über Mosfets nachdenken, falls das dein Ziel ist. Bei nur 5mA Ausgangsstrom vom µP wirst Du aber (bei hohen multiplex-Frequenzen) vmtl. trotzdem Treiber brauchen, sonst 'frisst' die Gate-Kapazität beim Umschalten zuviel weg.
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Mo, 25.05.09, 19:56

Hi.


Hab jetzt auch so ein Problem. Ich hatte mich noch nie
mit Mosfets beschäftigt. Bei 300V stört es kein Sch...,
dass da 2V abfallen.
Ich möchte gerne eine 12V Last mit etwa 10A "dimmen".
Bei der PWM mit Mosfet gehen mal eben über 15% flöten.

Und nen NPN Transistor hab ich auch gefunden, der nur 0,15V
Abfall hat, der braucht dann aber 1,6A Basisstrom.
Gibt es für meinen Fall ein geeignetes Bauteil?

Ich hab gestern mal durch die Kramkiste gewühlt
und IRFP260N; IRFP250; G4PH40U; GT25Q101; 2SK1020;
2SK1544; K1745; K2610 und einige andere Bauteile gefunden, aber
anscheinend sind die für 12V nicht so recht geeignet.

Wei funktioniert denn der PWM Regler in elektrischen Modellautos?
Gehen da auch 2V einfach so den Bach runter?
Also ich such dann einen bipolaren Transistor mit (sicherheitshalber)
20A und einem hohen Verstärkungsfaktor.
Aber vielleicht hat von euch einer ne bessere Idee?



Gruß, unoptanium
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Mo, 25.05.09, 20:25

Wenn an einem MOSFET bei "popeligen" 10 A ganze 2 V anfallen, dann stimmt was nicht! (Gate-Spannung zu niedrig? Flanken nicht Steil genug? Freilaufdiode ist vorhanden, nehme ich an?) Normalerweise haben die aktuellen Typen ja 30 mOhm R_DS_on oder noch weniger. Die Spannung über dem MOSFET sollte eher bei 0,3V und darunter liegen. Bei 2V dürfte der auch ganz anständig heiß werden, 10A kann man aber problemlos mit SMD-MOSFET ganz ohne Kühlblech schalten.
Bei 300V-MOSFETS ist der R_DS_on zwar höher, aber 2V sollten auch da nicht zusammenkommen, IMHO.

Bei weniger als 100% duty cycle kann man das natürlich nicht mit einem Voltmeter messen, sondern braucht ein Scope.

Und einen Bipolaren Transistor mit 1,6A zu befeuern ist ja auch nicht gerade effektiv.

Elektronische Fahrtregler/Bruschless-DC-Controller dürften allesamt mit POWER-MOSFETS arbeiten und da fallen sicher nur irgendwas um 50 bis 150 mV pro Transistor ab.
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Mo, 25.05.09, 21:11

Hi CRI.


Hab mal in ein paar Datenblätter meiner Bauteile geschaut und das mit den 2V scheint normal zu sein.
Das sind dann 1,7V bei 1A und 2,2V bei 50A (sind ja nur 44mOhm rechnerisch bei Vollast,
Mein GT25Q101 wird schon bei 3,3A ziemlich heiß.

aber mal schaun, der IRFP260N schein unter 1V zu kommen laut Diagramm...
ok der hat laut Oszi 0,3V max., wird erstmal nicht warm.
35A kann der ab, werd das mal einbauen, kleiner Kühler ran und abwarten.
Ich glaub, ich hab die Teile aus nem kaputten Wechselrichter.

Ja, hast recht wären dann etwa 36m Ohm bei 50A (ca. 1,8V)
Vielleicht spinnt ja mein Oszi, aber die Werte liegen unter Herstellerangabe.
Ich heb etwa 11V Gatespannung.



Gruß, unoptanium
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Beatbuzzer
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Mo, 25.05.09, 21:47

unoptanium hat geschrieben: Wei funktioniert denn der PWM Regler in elektrischen Modellautos?
Gehen da auch 2V einfach so den Bach runter?
Da FETs einen positiven Temperaturkoeffizienten haben, kann man sie im Gegensatz zu Bipolartransistoren einfach parallel schalten. Und so wirds gemacht. Wenn ich an meinen 80A Kontronik Jazz Regler denke, der ist komplett in Schrumpfschlauch ohne einen Kühlkörper nach aussen, und der macht die 80A DAUERHAFT mit.
Ich betreibe den in einem 1:6 Offroadmodell mit 2000W Brushlessmotor, und wenn ich da eine komplette 16,8V 4,2Ah Akkuladung durchhaue, dann bruzzeln die Akkus, aber der Regler ist eisekalt.

Da sieht man mal, was diese winzigen SMD-FETs mit der richtigen Ansteuerung schalten können. In dem Regler sind 3 Halbbrücken verbaut mit insgesamt 18 FETs wenn ich mich nicht irre.

Der IRF3205S ist ein N-Channel FET mit 8mohm!! Innenwiderstand, und für max. 110A zugelassen. EINER wohlgemerkt, und dann bleiben da erst 0,88V dran hängen!! Macht natürlich knappe 100W Verlust, was nicht mehr sehr gesund ist.

Ich persönlich bevorzuge auch, sobald es irgendwie geht, FETs. Einfach toll. Kein Kühlkörper, keine Basisströme. Bei geringen Frequenzen bleiben die Schaltverluste auch bei etwas geringerer Flankensteiheit im Rahmen.
Große Bipolartransistoren brauchen ja allein schon wegen den hohen Basisströmen einen Kühlkörper :lol:
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Mo, 25.05.09, 22:26

Beatbuzzer hat geschrieben: Da FETs einen positiven Temperaturkoeffizienten haben, kann man sie im Gegensatz zu Bipolartransistoren einfach parallel schalten. Und so wirds gemacht.
Hey
Die Feldeffektransistoren wurden bei mir in der Ausbildung leider fast komplett vernachlässigt. Kann man Fet´s ohne probleme parallel schalten? also wie folgt:
Unbenannt.JPG
Wenn z.B. 30A mal nicht reichen sollten :lol:


gruß
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Mo, 25.05.09, 23:12

Ja kann man. Wird auch wie schon gesagt gerne gemacht. Allerdings steigt die am Gate umzuladende Kapazität auch an, bei niedrigen Frequenzen ist das aber i.d.R. selten ein Problem, ggf. muss eben ein Treiber her (MOSFET-Treiber können i.d.R. Stoßströme von ca. 1 A).

Parallel schalten kann man aber auch Bipolartransistoren, nur braucht dann jeder einzelne noch einen Widerstand von z.B. 0,1 Ohm in Reihe, damit nicht der heißeste den kompletten Strom abbekommt. D.h. es heizt der Transistor und noch ein Widerstang --- doofe Idee.

Bei *RICHTIG* hohen Leistungen, also gaaaanz viele Amperes und auch gaaaaanz viele Volts nimmt man dann meist IGBTs (oder auch gleich IGBT-Module). Die Stecken dann z.B. im ICE, Toyota Prius, Kirmes-Fahrgeschäften, etc.

Vermutlich haben MOSFETs mit so hoher Spannungsfestigkeit einen zu hohen R_DS_on.
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Di, 26.05.09, 06:34

Hi.


Hab grad eine Semikron IGBT Brücke 1200V 345A, die scheint auch so 2,35V zu haben.
Weiß gar nicht, ob das Ding funktioniert.
Eine verkohlte Brücke hab ich mal aufgemacht: Der Chip ist etwa 1cm2 groß und ein
Wald aus Bonddrähten ringsum.

Aber das PWM Modul mit dem IRFP260N läuft nun super, werd nach dem Dauertest
mal noch 3 davon bauen um 12V Heizdrähte zu regeln.



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Di, 26.05.09, 07:19

exelero hat geschrieben: Wenn z.B. 30A mal nicht reichen sollten :lol:
gruß
Ich würde FETs eh nicht bis zum maximalen auslasten, da die Verluste dann schon sehr hoch sind. Eine Parallelschaltung bringt schon vorher den Vorteil, dass sich der Innenwiderstand halbiert.
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Di, 26.05.09, 09:55

Kann man Fet´s ohne probleme parallel schalten? also wie folgt:...
Ja. Wie schon gesagt, kann man das. Oft werden die Mosfets (SMD-Typen) hierzu einfach 'huckepack' gelötet. Bei sehr hohen Strömen/Frequenzen/Anzahl paralleler Mosfets sind dann aber doch wieder ein paar Sachen zu beachten. In 'einfachsten' Fall wird vor jedes Gate ein eigener Vorwiderstand geschaltet, ggf. auch eine kleine Ferrit Drossel.
Siehe z.B. diese Schaltung: http://www.trifolium.de/netzteil/kap3_2_7.html bzw. diesen Artikel (Englisch) http://www.microsemi.com/micnotes/APT0402.pdf
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Mo, 08.06.09, 18:09

Hilfe, das ist ja ein richtiger Hardcore-Thread geworden :) Weit über meinem Level zur Zeit ....

Ich jetzt mal kurzerhand was ausprobiert und mit einem Labornetzteil zwei Kreise erzeugt : 5V ohne Strombegrenzer für den Steuerkreis und 3.8V mit 350mA Limit für die LED (war grad zu faul den richtigen Vorwiderstand für die LED zu suchen, sollte aber keinen Unterschied machen ?).

Als Transistor habe ich einen stinknormalen BC337-16 genommen (4 cent), den ich in einer Emitterschaltung verwende, d.h. Basis im Steuerkreis, Emitter im Lastkreis und am Collector die LED. An der Basis arbeitet noch ein 220 Ohm Vorwiderstand, der dafür sorgt, dass nicht mehr als 20mA fliessen. 20mA weil der geplante Microcontroller pro Pin bis 25mA liefern kann und pro Port bis 150mA, da dürfte es bei 3x PWM also keine Probleme geben (wird in der Woche gestestet).

Ergebnis : Die LED leuchtet brav, sobald der Steuerstrom fliesst, die Wärmeentwicklung am Transistor und dessen Vorwiderstand ist quasi nicht vorhanden (nix gefühlt), das sieht für mich so aus, als würde der Plan funktionieren.

Gibt´s von eurer Seite aus Einwände, hab ich irgendwas übersehen ?

Optimieren könnte ich das noch durch weniger Steuerstrom, um den Controller noch weiter unter seinem Grenzwert zu betreiben. Da muss ich mal testen, welche Werte da sinnvoll sind, ich dachte an irgendwas zwischen 400 und 800 Ohm, also 10 bis 5 mA.

Sachdienliche Hinweise werden gerne entgegengenommen ;)
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deep-image hat geschrieben: Optimieren könnte ich das noch durch weniger Steuerstrom, um den Controller noch weiter unter seinem Grenzwert zu betreiben. Da muss ich mal testen, welche Werte da sinnvoll sind, ich dachte an irgendwas zwischen 400 und 800 Ohm, also 10 bis 5 mA.
Das kannst du ja ausprobieren. Am besten misst du dazu die Spannung, die über der Collector-Emitter-Strecke des Transistors abfällt. Wenn der basisstrom irgendwann zu klein wird, dann reicht der Verstärkungsfaktor des Transistors nicht mehr aus, und er schaltet nicht mehr richtig durch. Also fällt über ihm eine Spannung ab, die mit dem Strom von 350mA eine Leistung in Form von Wärme verheizt. Wenn das zuviel wird, rauchts :wink:
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