Feedback zu Darlington-Schaltung

[Conny G. (conny_g)]

Hi,

ich habe mir mit meiner noch mässigen Transistor-Erfahrung angehängte 
Darlington-Schaltung zusammengestellt.

Es ist Teil einer Schaltung, die 7-Segment-Ziffern betreibt, deren 
Segmente aus 20cm-LED-Stripes bestehen (12V, 6 LEDs, ca. 100mA).
Was hier als "LED Stripe" beschrieben ist, sind in der realen Schaltung 
7 Stripes à 20cm bzw. 100mA, also bis zu 700mA.
Nach den LED-Stripes geht's nicht nach GND, sondern in 7 Ports eines 
ULN2803.

Dieser Teil der Schaltung dient dazu zwischen 4 Ziffern zu multiplexen, 
d.h. in einer Frequenz von 1000 Hz werden 4 dieser Darlingtonstufen der 
Reihe nach durchgeschaltet und mit einem ULN2803 die Segmente 
geschaltet.

Ich würde mich freuen, wenn die Transen-Spezialisten unter Euch mal 
einen Blick drauf werden und Feedback geben.
Funktionieren tut die Schaltung jedenfalls schonmal, es wurde auch 
nichts besonders heiss oder so :-)

Danke für Eure Hilfe,
Conny

[Falk B. (falk)]

@ Conny G. (konrad_g)

>ich habe mir mit meiner noch mässigen Transistor-Erfahrung angehängte
>Darlington-Schaltung zusammengestellt.

Das ist kein Darlington, das ist ein High Side Treiber.

>d.h. in einer Frequenz von 1000 Hz werden 4 dieser Darlingtonstufen der
>Reihe nach durchgeschaltet und mit einem ULN2803 die Segmente
>geschaltet.

Gut,

>Ich würde mich freuen, wenn die Transen-Spezialisten unter Euch mal
>einen Blick drauf werden und Feedback geben.
>Funktionieren tut die Schaltung jedenfalls schonmal, es wurde auch
>nichts besonders heiss oder so :-)

Ist mehr oder weniger OK, aber teilweise zu umständlich. Entweder man 
betreibt T1 als Konstantstromquelle, dann fliegen R1 und R2 raus. 
Macht dann ~43 mA Kollektorstrom. OK, du willst ja ~700mA mit T2 
schalten. Passt.
Oder man macht eine reine Emitterschaltung, dann fliegt R3 und R2 raus, 
R2 ist hier auch Luxus.

Ich würde die 1. Variante wählen, denn T1 als Konstantstromquelle ist 
schneller, weil ungesättigt.

R4 ist dann aber zu groß, denn bei nur ~5V die für R4 übrig bleiben, 
fließen dort maximal 4mA. R4 sollte eher 100 oder 130 Ohm sein. R5 
sollte auch eher 1k sein.

[(prx) A. K. (prx)]

Nicht alles was mehr als einen Transistor enthält ist ein Darlington. 
Das hier ist keiner.

Wozu dient R3?

[Conny G. (conny_g)]

@Falk:
Das macht für mich absolut Sinn so, danke für das Feedback.
Ich werde mir das mal selber so durchrechnen und im LTSpice ansehen.

Ja, ok, Highside Treiber macht mehr Sinn.
Das war bei mir ein Merge aus einer meiner früheren Schaltung und einer 
Doppel-T-Invertierschaltung, die ich im Web gefunden habe.

Das ist auch die Erklärung für den R3, den brauchte ich in meiner alten 
Schaltung, damit der Schaltstrom begrenzt wird.

Langsam werden mir Transenschaltungen etwas weniger suspekt :-)
Und ich freue mich, dass die schon mal "ok" war.

[Helmut S. (helmuts)]

Achtung, der Ratschlag war R2 wegmachen und R3 durch 0Ohm ersetzen. 
Deine jetzige Schaltung ist falsch. Die überlastet den ATMEGA-Ausgang.

Entschuldigung:
Ich sehe gerade du hast den Kollektorwiderstand auf 100Ohm reduziert. 
Dann wird im Normalbetrieb der Ausgang des ATMEGA nicht überlastet, da 
der Transistor nicht in Sättigung geht. Allerdings nur, wenn die 12V 
auch da sind. Wenn nicht ist das gar nicht gut für den ATMEGA.

[Falk B. (falk)]

@ Helmut S. (helmuts)

>der Transistor nicht in Sättigung geht. Allerdings nur, wenn die 12V
>auch da sind. Wenn nicht ist das gar nicht gut für den ATMEGA.

Jain. Er wird es überleben.

[Conny G. (conny_g)]

Helmut S. schrieb:
> Achtung, der Ratschlag war R2 wegmachen und R3 durch 0Ohm ersetzen.

0 Ohm ist doch "kein Widerstand", also kein R3, also entfernen?

> Entschuldigung:
> Ich sehe gerade du hast den Kollektorwiderstand auf 100Ohm reduziert.
> Dann wird im Normalbetrieb der Ausgang des ATMEGA nicht überlastet, da
> der Transistor nicht in Sättigung geht. Allerdings nur, wenn die 12V
> auch da sind. Wenn nicht ist das gar nicht gut für den ATMEGA.

Weshalb zieht dann die BE-Strecke nicht soviel Strom, wenn ich genügend 
Kollektorstrom habe? Das verstehe ich nicht?

[Helmut S. (helmuts)]

0Ohm heißt Kurzschluss, also Drahtverbindung oder Leiterbahn.

Es gibt übrigens tatsächlich 0hm Widerstände zu kaufen. Genau genommen 
sind das Drahtbrücken. Es gibt sie übrigens auch in SMT.

[Falk B. (falk)]

@ Conny G. (konrad_g)

>Weshalb zieht dann die BE-Strecke nicht soviel Strom, wenn ich genügend
>Kollektorstrom habe? Das verstehe ich nicht?

Weil der Transistor verstärkt und der verstärkte Strom vom Kollektor zum 
Emitter fließen kann. Fehlt der, muss der ganze Strom aus der Basis 
kommen. Denn wenn der AVR Ausgang auf 5V schaltet, liegt auch die Basis 
auf 5V. Der Emitter liegt dann auf 4,3V und die liegen voll über R3 an. 
Jetzt MÜSSEN 43mA fließen, damit der Herr Ohm seinen Segen sprechen 
kann. Entweder, die kommen NUR aus der Basis, weil der Kollektor nicht 
angeschlossen ist (schlecht), oder sie kommen aus der Basis plus um den 
Faktor beta verstärkt aus dem Kollektor.

[Conny G. (conny_g)]

Ha!!!! Jetzt ist bzgl. Transistoren ein ziemlicher Groschen gefallen! So 
hab ich das noch nicht gesehen.

[Conny G. (conny_g)]

Der Rat war doch:
- T1 als Konstantstromquelle, dann fliegen R1 und R2 raus.
- R4 sollte eher 100 oder 130 Ohm sein. R5 sollte auch eher 1k sein.

Und das hab ich gemacht: R1 und R2 weg, und R4/R5 eine Zehnerpotenz 
kleiner, also 100 Ohm und 1k.

Ist das nun so gut oder doch nicht?

Ein Vorwiderstand vor T1 würde ja jedenfalls nicht schaden, oder? Was 
nehmen, 470 Ohm?

[isdochegal (Gast)]

Konstantstromquelle macht hier überhaupt keinen Sinn, da in den LED 
Stripes schon die Vorwiderstände drin sind.
R3 würde ich rausmachen, dafür einen Basiswiderstand für T1.

[Conny G. (conny_g)]

Also so?
Das wäre dann ein Basisstrom bei T1 von 9mA, das fände ich eigentlich 
ganz gut.

[isdochegal (Gast)]

Jetzt solltest du noch R4 anpassen. Der Basisstrom durch Q1 beträgt 
momentan über 100mA, wenn T1 voll durchgesteuert ist.

[Conny G. (conny_g)]

Also laut Datenblatt hat der BD140 bei 700mA bis 1A ein hfe von 50 bis 
65.
Also sollte ich einen Ib von 10-20mA haben, am besten 20mA.
Das ergäbe einen Widerstand von 565 Ohm, ich könnte also 470 Ohm nehmen, 
dann hätte ich einen Ib von 24mA.
Hab' nämlich nur 470 oder 1k.

Ok?

[Lothar M. (Firma: Titel) (lkmiller) (Moderator)]

Conny G. schrieb:
> Also so?
Sieh dir mal andere Schaltpläne an. Wo findest du da überall diese 
kleinen Verbindungspunkte?

Conny G. schrieb:
> Hab' nämlich nur 470 oder 1k.
Welche Leistung halten die aus?
Denn 24mA*11V = 1/4W sollten das dann schon sein. Eher mehr, weil 1/4W 
Widerstände werden bei 250mW schon recht heiß werden.

> hat der BD140 bei 700mA bis 1A ein hfe von 50 bis 65.
> Also sollte ich einen Ib von 10-20mA haben, am besten 20mA.
Du hast nicht bedacht, dass im Schaltbetrieb ein Transistor um den 
Faktor 5-10 übersteuert werden sollte. Damit brauchst du wieder die 
ursprünglichen 100mA. Und der R4 muss mehr als 1W aushalten.

So langsam dürfte klar werden, warum Mosfets zum Schalten so beliebt 
sind....

isdochegal schrieb:
> R3 würde ich rausmachen, dafür einen Basiswiderstand für T1.
Bei geeigneter Auslegung ist der R3 durchaus sinnvoll, weil dann der T1 
nicht mehr als Schalter übersteuert wird, sondern er darf im linearen 
Kennlinienbereich als Verstärker arbeiten.

[(prx) A. K. (prx)]

Lothar Miller schrieb:
> Du hast nicht bedacht, dass im Schaltbetrieb ein Transistor um den
> Faktor 5-10 übersteuert werden sollte. Damit brauchst du wieder die
> ursprünglichen 100mA.

Im nächstbesten Datasheet vom BD140 sind Sättigungskurven für Ib=Ic/10 
und Ic/20 drin. Ergibt bei 700mA ein Uce(sat) von 170mV vs. 250mV. bei 
Ic/20 gehen also 56mW mehr im Transistor drauf. Dafür gehen im 100 Ohm 
Basiswiderstand 1.1W drauf, in einem für 35mA dimensionieren 
Basiswiderstand aber nur 360mW.

Ist es so gesehen nicht sinnvoller, den BD140 etwas weniger stark in 
Sättigung zu treiben? Wenn die eingesparte Verlustleistung im Transistor 
durch die grössere Verlustleistung im Basiswiderstand mehr als 
aufgezehrt wird.

PS: Unstrittig sind MOSFETs hier praktischer.

[Lothar M. (Firma: Titel) (lkmiller) (Moderator)]

A. K. schrieb:
> Ist es so gesehen nicht sinnvoller, den BD140 etwas weniger stark in
> Sättigung zu treiben?
Kommt drauf an, ob eher die Verlustleistung interessant ist, oder eher 
der Spannungsabfall über die CE-Stecke.

> PS: Unstrittig sind MOSFETs hier praktischer.
In beiden Fällen würden Mosfets hier punkten. Im Verlustleistungsfall 
sogar überaus deutlich...

[Falk B. (falk)]

@ Lothar Miller (lkmiller) (Moderator) Benutzerseite

>> hat der BD140 bei 700mA bis 1A ein hfe von 50 bis 65.
>> Also sollte ich einen Ib von 10-20mA haben, am besten 20mA.
>Du hast nicht bedacht, dass im Schaltbetrieb ein Transistor um den
>Faktor 5-10 übersteuert werden sollte. Damit brauchst du wieder die
>ursprünglichen 100mA. Und der R4 muss mehr als 1W aushalten.

Muss man es denn hier immer übertreiben? Das hfe ist schon eine 
konservative Angabe, und eine Übersteuerung mit Faktor 2-3 reicht hier 
aus. Macht ein hfe von effektiv 20, sprich 5% vom Kollektorstrom müssen 
in die Basis, hier ~35mA. Die im Moment dimensionierten 43mA sind damit 
OK.

>So langsam dürfte klar werden, warum Mosfets zum Schalten so beliebt
>sind....

Wenn hat man nur jahrzentelang ohne MOSFETs Ströme jenseits der 1A 
geschaltet?

[Falk B. (falk)]

@ Conny G. (konrad_g)

>    HighSideDriver_v2.png

>Also so?
>Das wäre dann ein Basisstrom bei T1 von 9mA, das fände ich eigentlich
>ganz gut.

Warum lässt du dich so gequatschen und eine gute Schaltung zerreden?

[(prx) A. K. (prx)]

Falk Brunner schrieb:
> Die im Moment dimensionierten 43mA sind damit OK.

Das läuft an 12V, nicht an 5V. Die 100 Ohm drin ergeben 113mA.

[Lothar M. (Firma: Titel) (lkmiller) (Moderator)]

Falk Brunner schrieb:
> Wenn hat man nur jahrzentelang ohne MOSFETs Ströme jenseits der 1A
> geschaltet?
Immer dann, wenn es nötig war...  ;-)

> Muss man es denn hier immer übertreiben?
Ich habe es nicht übertrieben, ich habe es nur einfach mal 
angesprochen, weil hier jemand mit einem Transistor schalten will, 
aber hübsch die Faustformeln für den Linearbetrieb zitiert. Letztlich 
ist es mir egal, ob die Lampen um 3% dunkler funzeln und ob die 
Verlustleistung gerecht verteilt ist.
Aber das hier ist eine einfache Schaltung, die in jedem halbwegs 
tauglichen Buch auf den ersten Seiten durchgekaut wird. Incl. der 
Betrachtungen zum Thema Verlustleistung, Spannungsabfall, 
Emitterwiderstand beim T1 und Übersteuerung.

[Harald W. (wilhelms)]

Conny G. schrieb:

> Also laut Datenblatt hat der BD140 bei 700mA bis 1A
> ein hfe von 50 bis 65.

Bei Schalttransistoren rechnet man anders. Weil man da normaler-
weise eine möglichst niedrige Restspannung haben will, wird der
Transistor mit höheren Strom an der Basis übersteuert. Die
typische Stromverstärkung beträgt dann nur noch 10...30.
Näheres dazu findet man im Datenblatt. Andererseits wird bei
Ansteuerung von LEDs meist sowieso ein Teil der Spannung in
Widerständen "vernichtet". Dann spielt auch eine etwas höhere
Spannung am Schalttransistor keine Rolle, verlangt allerdings
manchmal eine Kühlung des Transistors.
Gruss
Harald

[Lothar M. (Firma: Titel) (lkmiller) (Moderator)]

Harald Wilhelms schrieb:
> Dann spielt auch eine etwas höhere
> Spannung am Schalttransistor keine Rolle,
Der höhere Spannungsabfall muss dann evtl. aber beim Berechnen des 
LED-Vorwiderstands berücksichtigt werden.
Denn wenn auf dem LED-Streifen 6 LEDs mit einer angenommenen Uf von 1,7V 
sind, dann bleiben von 12V gerade noch 1,8V für den Vorwiderstand. Und 
wenn der Transistor davon 1V "braucht", dann passt der zuvor berechnete 
Widerstand nicht...

[Falk B. (falk)]

@ A. K. (prx)

>> Die im Moment dimensionierten 43mA sind damit OK.

>Das läuft an 12V, nicht an 5V. Die 100 Ohm drin ergeben 113mA.

Ich fürchte, wir reden aneinander vorbei. Ich rede hiervon.

Beitrag "Re: Feedback zu Darlington-Schaltung"

Hier arbeitet T1 als Konstantstromquelle mit 43mA. R4 ist eigentlich nur 
zur Entlastung von T1 gut, damit dieser nicht soviel Leistung umsetzen 
muss. Über R4 fallen somit ca. 4,3V ab.

Du redest wahrscheinlich hiervon.

Beitrag "Re: Feedback zu Darlington-Schaltung"

Die Schaltung gefällt mir nicht.

[Conny G. (conny_g)]

Falk Brunner schrieb:
> Warum lässt du dich so gequatschen und eine gute Schaltung zerreden?

Ich finde das ganz gut so, dass hier mal verschiedene Meinungen 
zusammenkommen, das verbessert absolut mein Verständnis der Schaltung 
hier "zuzuhören".

Ich hab nur grad ein bisschen den Überblick über die Varianten 
verloren.... :-)

[Conny G. (conny_g)]

Harald Wilhelms schrieb:
> Bei Schalttransistoren rechnet man anders. Weil man da normaler-
> weise eine möglichst niedrige Restspannung haben will, wird der
> Transistor mit höheren Strom an der Basis übersteuert. Die
> typische Stromverstärkung beträgt dann nur noch 10...30.

Das ist eine gute Erklärung für die Übersteuerung, vielen Dank!

[Conny G. (conny_g)]

A. K. schrieb:
>> Die im Moment dimensionierten 43mA sind damit OK.
> Das läuft an 12V, nicht an 5V. Die 100 Ohm drin ergeben 113mA.

Also den R4 größer? 330 Ohm, 34mA?
Dann muss aber auch der R5 größer werden, 2.2k oder 4,7k?

[Conny G. (conny_g)]

Falk Brunner schrieb:
> Beitrag "Re: Feedback zu Darlington-Schaltung"
>
> Die Schaltung gefällt mir nicht.

Für mein Verständnis ... warum gefällt Dir die nicht?
Mir macht sie technisch auch Sinn, wobei mir die Verlustleistung des R4 
nicht gefällt. Ist das der Grund?

[Conny G. (conny_g)]

Conny G. schrieb:
> Ich hab nur grad ein bisschen den Überblick über die Varianten
> verloren.... :-)

Ok, es sind also noch 2 Varianten im Spiel:

- Konstantstromquelle ohne Vorwiderstand T1 und mit 100 Ohm 
Vorwiderstand Q1 und 100 Ohm Emitterwiderstand

- Schalter-Schaltung mit 470 Ohm Vorwiderstand T1, kein 
Emitterwiderstand und 330 Ohm (?) Vorwiderstand Q1

Variante 1 hat einen Basisstrom für Q1 von 43mA
Variante 2 hat einen von 34mA.
Bei Variante 2 haben wir aber eine Verlustleistung an R4 von 390mW und 
das gefällt mir persönlich nicht so gut, auch wenn die Schaltung eine 
Multiplexschaltung ist und der Duty  Cycle nur 25% und die "Überlastung" 
des Widerstands deshalb m.E. ok sein sollte.

Ist das so ok zusammengefasst?

[(prx) A. K. (prx)]

Conny G. schrieb:
> Dann muss aber auch der R5 größer werden,

Weshalb?

[Falk B. (falk)]

@ Conny G. (konrad_g)

>Für mein Verständnis ... warum gefällt Dir die nicht?

113mA Basisstrom für Q1 werden nicht benötigt, es reichen 30-40mA.
Deine Emitterschaltung ist in dieser einfachen Form gerade beim 
Abschalten um einiges langsamer als die Schaltung als 
Konstantstromquelle, geschätzt um die 1-5us.

>Mir macht sie technisch auch Sinn, wobei mir die Verlustleistung des R4
>nicht gefällt. Ist das der Grund?

Das auch.


>- Konstantstromquelle ohne Vorwiderstand T1

Basiswiderstand

>und mit 100 Ohm
>Vorwiderstand Q1 und 100 Ohm Emitterwiderstand

Ja.

>- Schalter-Schaltung mit 470 Ohm Vorwiderstand T1, kein

Emitterschaltung

>Emitterwiderstand und 330 Ohm (?) Vorwiderstand Q1

>Ist das so ok zusammengefasst?

Im Wesentlichen ja.

[Conny G. (conny_g)]

A. K. schrieb:
> Conny G. schrieb:
>> Dann muss aber auch der R5 größer werden,
>
> Weshalb?

Sind nicht T1, R4 und R5 ein Spannungsteiler und ich will, dass beim 
Durchschalten von T1 das Potenzial von Basis Q1 weit / weit genug 
runtergeht?
Wenn ich also R4 auf 330 Ohm erhöhe und R5 bei 1k lasse, dann habe ich 
ganz andere Spannungsverhältnisse als bei 100/1000 für R4/R5.
Oder hab ich da was falsch verstanden?

[(prx) A. K. (prx)]

Ob du von den 35mA nun 700µA oder 300µA abzweigst ergibt keinen wirklich 
grossen Unterschied. Kleinerer Widerstand schaltet aber schneller ab.

[Harald W. (wilhelms)]

Conny G. schrieb:

>> Bei Schalttransistoren rechnet man anders. Weil man da normaler-
>> weise eine möglichst niedrige Restspannung haben will, wird der
>> Transistor mit höheren Strom an der Basis übersteuert. Die
>> typische Stromverstärkung beträgt dann nur noch 10...30.
>
> Das ist eine gute Erklärung für die Übersteuerung, vielen Dank!

Mein Beitrag bezog sich gar nicht unmittelbar auf Deine spezielle
Schaltung, sondern war eher allgemein gemeint. Ich denke, zu Deiner
Schaltung selbst dürftest Du von den anderen genug Infos bekommen
haben. Grundsätzlich gilt da immer: Es führen viele (Ein paar
richtige und ein paar falsche) Wege nach Rom.
Gruss
Harald

[Conny G. (conny_g)]

A. K. schrieb:
> Ob du von den 35mA nun 700µA oder 300µA abzweigst ergibt keinen wirklich
> grossen Unterschied. Kleinerer Widerstand schaltet aber schneller ab.

Mmh, ok. Dann bin ich nicht sicher, ob ich verstanden habe, was der R5 
eigentlich tut?

[transistorhasser (Gast)]

siehe name

[Conny G. (conny_g)]

Na, da scheint aber jemand deprimiert zu sein :-))

[Conny G. (conny_g)]

Nochmal die Frage wofür dann genau der R5 ist, der ist doch ein 
Pull-Down-Widerstand, oder?

[Falk B. (falk)]

@ Conny G. (konrad_g)

>Nochmal die Frage wofür dann genau der R5 ist, der ist doch ein
>Pull-Down-Widerstand, oder?

Ja. Er hat 2 Aufgaben.

1.) Einen möglichen Leckstrom vom Kollektor von T1 an der Basis von Q1 
abzuleiten, damit der nicht ein wenig aufsteuert.

2.) Beim Abschalten von Q1 die Basis mehr oder weniger schnell von 
Ladungsträgern zu räumen, auch wenn das mit 1K nicht so superschnell 
geht. Für diese Anwendung reicht es.

[Dietrich L. (dietrichl)]

Lothar Miller schrieb:
> Denn wenn auf dem LED-Streifen 6 LEDs mit einer angenommenen Uf von 1,7V
> sind, dann bleiben von 12V gerade noch 1,8V für den Vorwiderstand. Und
> wenn der Transistor davon 1V "braucht", dann passt der zuvor berechnete
> Widerstand nicht...

Da sollte Conny G. sowieso noch mal rechnen, ob das überhaupt geht, denn 
er wollte unten mit ULN2803 schalten, und der braucht nochmal einiges.

Also:
- welche LEDs? Max. Flussspannung? Temperaturbereich?
- Toleranzen der 12V?
- dann rechnen ...

Vermutlich muss die Spannung erhöht werden oder es gehen nur 5 LEDs in 
Reihe.

Gruß Dietrich

[Marco S (Gast)]

Zum Bauteilesparen

[Conny G. (conny_g)]

Marco S schrieb:
> Zum Bauteilesparen

Du hast den R4 rausoptimiert?