NPN Transistorschaltung nicht invertierend

Der chaotische Hauptfaden

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Luca
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NPN Transistorschaltung nicht invertierend

Beitrag von Luca »

Hallo Zusammen,
ich verzweifel an einer vermeintlich einfachen Aufgabe. Ich möchte über einen Raspberry Pi einen 5V Ausgang schalten - zur Verfügung habe ich NPN Transistoren (2N2222A). Ich bekomme die (Ansatz wäre ja zwei Transistoren hintereinander zu schalten?) absolut nicht so verschaltet, dass hinten kein absoluter Müll rauskommt - wie genau muss ich das anstellen? Der Ausgang soll zum Raspberry nicht invertiert sein (wie es mit einem Transistor ja der Fall wäre). Sprich: Der Raspberry gibt am GPIO 3,3V aus -> ich bekomme am Ausgang der Transistorstufe 5V raus. Geht der GPIO auf 0 geht auch der Ausgang auf 0.

Gruß
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Matt
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Re: NPN Transistorschaltung nicht invertierend

Beitrag von Matt »

Fast richtig, bloss müsste du noch eine Widerstand an "Ausgang" und 5V hinzufügen.

Dann hast du etwas, was du willst.
Eine Gegenfrage habe ich: Muss Ausgang wirklich belastbar sein.?
Wenn ich wäre, nihmt einfach TTL IC wie 7404 und so und schaltet 2x Inverter in Reihe und TTL wird mit 5V versorgt.

3.3V wird von TTL sicher als high erkannt (mindenstpegel für high = 2V )
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barclay66
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Re: NPN Transistorschaltung nicht invertierend

Beitrag von barclay66 »

Ich glaube T1 schaltet auch besser durch, wenn R1 reduziert wird (so 470 Ohm bis 1K) und R2 wegfällt...
Luca
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Re: NPN Transistorschaltung nicht invertierend

Beitrag von Luca »

Hi,
danke für die Antworten! Belastung ist da nicht wirklich drauf - ist ein Treiber für den PWM Pin eines PWM Lüfters - die Transistoren würde ich aber gerne nutzen, weil ich die gerade da habe.

Der fehlende Widerstand am Ausgang zu 5V als Pullup? 10k?

R1 reduzieren: OK

R2 weglassen: Brauche ich den nicht als Pulldown, um den Ausgang des PI sicher auf 0V zu ziehen?


Gruß
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Alexander470815
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Re: NPN Transistorschaltung nicht invertierend

Beitrag von Alexander470815 »

Warum dann überhaupt zwei Transistoren?
Die Lüfter haben meist einen internen Pullup verbaut, sprich mit einem Open Collector auf Masse ziehen ist ausreichend.

PWM Pin offen bzw. nicht auf Masse gezogen = Vollgas.
PWM Pin auf Masse = Minimum.

Den Wirksinn kann man ja einfach in der Software drehen, ansonsten müsste deine Schaltung da eigentlich auch funktionieren.

Miss auch mal ob aus dem PWM Pin Spannung raus kommt wenn der Lüfter läuft, wenn nein muss man noch einen Pullup einbauen.
Luca
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Re: NPN Transistorschaltung nicht invertierend

Beitrag von Luca »

Hi,
das ist das Problem. So hatte ich das anfangs gebaut. Da ich den PWM Output aber aus einem Octoprint Plugin ansteuere, die Software also nicht selber schreibe, kann ich die Logik in der Software also nicht umdrehen - bei dem Test war also 100% in der Software Lüfter aus und 0% in der Software Lüfter auf Vollgas - daher möchte ich invertieren.

Gruß
Luca
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Re: NPN Transistorschaltung nicht invertierend

Beitrag von Luca »

Ich habe die Widerstände nun nochmal angepasst - nur der fehlende Widerstand an "Ausgang und 5V" ist mir noch nicht klar - fehlt also noch. Mit nur einem Transistor konnte ich abhängig von der Beschaltung an der Basis am Collector entsprechend 0V und 5V messen - mit der Verschaltung der zwei Transistoren messe ich zwischen GND und der Verbindungsstelle zwischen Collector und Basis der zwei Transistoren aber entsprechend nun 0V und 0,7V - am Ausgang tut sich garnichts. Was ist da wohl faul?

Gruß
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gafu
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Re: NPN Transistorschaltung nicht invertierend

Beitrag von gafu »

wenn du nur ein lüftermotörchen laufen lassen willst, dann reicht doch ein transistor, und den lüfter schaltest du am minuspol.
freilaufdiode noch dazu.

genau so, wie man es mit einem n-kanal mosfet machen würde.

unterschied ist nur, das der steuerstrom höher ist.
aus dem bauch heraus bei "größerer last" für diesen kleinsignaltransistor (ohne jetzt datenblatter anzusehen) würde ich damit rechnen, das die stromverstärkung auf 150 fallen könnte.
Also musst du nicht ganz 2 mA (source) treiben, um den transistor an der basis richtig aufzusteuern.
Luca
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Re: NPN Transistorschaltung nicht invertierend

Beitrag von Luca »

Hi,
der Lüfter bekommt Dauer 12V - er hat einen extra PWM Pin, den man mit einem 5V PWM Signal beschaltet zwecks Drehzahlregelung - um diesen Pin geht es. Es fließt also nicht der eigentliche Motorstrom - es geht mir nur darum, die 3,3V des PI von den 5V zu trennen. Tatsächlich funktioniert das auch, wenn ich den PWM Pin direkt auf den GPIO stecke - ihm reichen wohl die 3,3V - ich würde das aber gerne trennen und den Strom am GPIO auf ein Minimum reduzieren.

Gruß
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gafu
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Re: NPN Transistorschaltung nicht invertierend

Beitrag von gafu »

Dit einem zu erwarteten laststrom von ein paar zig oder hundert uA für den pwm-in von dem lüfter, tut es da nicht ein schutzwiderstand der den strom auf völlig ungefährliche werte begrenzt?
Oder echte trennung mit einem optokoppler.
Die durchlegierten transistoren retten dir den uC bei richtig falschem anschluss vielleicht auch nicht (verpolte 12v auf dem anschlus, oder sowas), da müsstest du dann auch wieder mit widerständen dazwischen und mögliche störströme mit angstdioden gegen die rails begrenzen.
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xoexlepox
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Re: NPN Transistorschaltung nicht invertierend

Beitrag von xoexlepox »

Wenn ich wäre, nihmt einfach TTL IC wie 7404 und so und schaltet 2x Inverter in Reihe und TTL wird mit 5V versorgt.
Vorsicht! Der Pegel wird zwar ausreichen, aber die alte TTL- (N-) Serie braucht einen Strom von ca. 1mA gen GND, damit der Eingang "L" erkennt. Der "interne Pullup" vom TTL-Chip legt somit (ohne Last) 5V auf den GPIO. Ob das dem RasPi bei abgeschalteter Stromversorgung so gut bekommt, wage ich zu bezweifeln ... LS-TTL oder CMOS (40xx) wäre m.E. für den Port "gesünder" ;)
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Bastelbruder
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Re: NPN Transistorschaltung nicht invertierend

Beitrag von Bastelbruder »

Der Lüfter braucht an seinem Steuereingang kein Kraftwerk. Der Controller-Ausgang bringt ausreichend Stroom, bloß mit der Spannungsfestigkeit hapert's.

Wie war das noch mit den Transistor-Grundschaltungen? Emitterschaltung, Kollektorschaltung, Basisschaltung Das isses!


Wenn man den Transistor durch einen MOSFET (2N7000) ersetzt, wird auch der Basis-Vorwiderstand nicht mehr gebraucht, UND der GPIO kann sogar Bidirektional genutzt werden! Der Spannungspuffer funktioniert auch rückwärts!
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NilsH
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Re: NPN Transistorschaltung nicht invertierend

Beitrag von NilsH »

barclay66 hat geschrieben: So 1. Aug 2021, 16:25 Ich glaube T1 schaltet auch besser durch, wenn R1 reduziert wird (so 470 Ohm bis 1K) und R2 wegfällt...
Die Dimensionierung ist m.M.n. absolut in Ordnung.
Durch den Basiswiderstand fließen (3,3 V − 0,7 V) / 2,2 kΩ = 1,18 mA.
Über den Basis-Emitter-Widerstand fließen 0,7 V / 10 kΩ = 70 µA gegen Masse ab.
Damit bleiben 1,11 mA für die Basis übrig, und das ist mehr als genug, um gegen die 2,2 kΩ an 5 V anzukämpfen.
Luca hat geschrieben: So 1. Aug 2021, 17:27 Ich habe die Widerstände nun nochmal angepasst - nur der fehlende Widerstand an "Ausgang und 5V" ist mir noch nicht klar - fehlt also noch. Mit nur einem Transistor konnte ich abhängig von der Beschaltung an der Basis am Collector entsprechend 0V und 5V messen - mit der Verschaltung der zwei Transistoren messe ich zwischen GND und der Verbindungsstelle zwischen Collector und Basis der zwei Transistoren aber entsprechend nun 0V und 0,7V - am Ausgang tut sich garnichts. Was ist da wohl faul?
Du brauchst einen Pull-Up-Widerstand vom Kollektor des zweiten Transistors gegen die Betriebsspannung des Lüfters, also 5 V.
Ohne diesen kann die Ausgangsspannung gar nicht hochkommen. 2,2 kΩ wären absolut in Ordnung.

Ich würde auch einfach den PWM-Eingang über einen Schutzwiderstand von vielleicht 1 kΩ an den GPIO hängen, nachdem ich mich vergewissert habe, dass der High-Pegel in jedem Fall richtig erkannt wird.

Nils

Edit: Blödsinn korrigiert.
andreas6
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Re: NPN Transistorschaltung nicht invertierend

Beitrag von andreas6 »

Ich hätte hier gern ein generelles Problem. Der To erklärt dass die direkte Anschaltung des Lüfters zum umgekehrten Verhalten führen würde. Dann braucht er eine Invertierung! Im Gegensatz malt und thematisiert er eine doppelte Invertierung, welche das Problem nicht lösen kann. Diesen Widerspruch bitte eindeutig aufklären, bevor man sich hier in Details einer Schaltung vertieft. Erst muss der Zweck eindeutig sein, dann wird realisiert.

MfG. Andreas
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Alexander470815
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Re: NPN Transistorschaltung nicht invertierend

Beitrag von Alexander470815 »

andreas6 hat geschrieben: So 1. Aug 2021, 19:47 Der To erklärt dass die direkte Anschaltung des Lüfters zum umgekehrten Verhalten führen würde. Dann braucht er eine Invertierung!
Er schreibt doch das ein direkter Anschluss funktioniert.
Also braucht er keine Invertierung.

Wenn man eine sichere Trennung möchte dann wäre ein Optokoppler wohl das mittel der Wahl.
Man kann den ja einfach zwischen die 3,3V und den GPIO klemmen, dann arbeitet das auch entsprechend der vorgaben.
Luca
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Re: NPN Transistorschaltung nicht invertierend

Beitrag von Luca »

Moin Zusammen,
danke für die vielen Antworten!

Bzgl. der Invertierung: Genau, direkt am PI funktioniert es - wenn ich nur einen Transistor nutze ist es invertiert, deshalb muss ich quasi doppelt invertieren.

Ich werde denke ich mal ein paar Optokoppler (PC817?) besorgen und es damit lösen. Die deren Ansätze interessieren mich aber trotzdem:

Die Lösung mit den zwei Transistoren funktioniert nun - klar, dass da nich ein Pullup an den Ausgang musste - der Transistor schaltet ja nur nach GND durch - da hab ich nicht aufgepasst.

Bzgl. Schutzwiderstand direkt am GPIO: Wie berechnet der sich eigentlich (grob)? Der Strom den der Lüfter am PWM Eingang zieht ist ja aus dem Datenblatt bekannt, aber welchen Spannungsabfall über den Schutzwiderstand nehme ich denn an? Im Normalfall soll da ja eigentlich garkeine Spannung abfallen.

Das mit der Basisschaltung sieht auch interessant aus, aber wie genau funktioniert das? In meinen Augen schaltet der Transistor hier ja dauerhaft durch, wirkt also eher als Verstärker, richtig? Er kann ja aber nur die 3,3V durchschalten - an welcher Stelle wir daraus jetzt ein 0V bzw. 5V Potential für den Lüfter?


Gruß
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Finger
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Re: NPN Transistorschaltung nicht invertierend

Beitrag von Finger »

Basisschaltung… Tscha…Selbst als gestandener Ing gruselts mir und das Hirn hakt… Ich wäre da auch an etwas Diskussion interessiert um mich zu erhellen…
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gafu
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Re: NPN Transistorschaltung nicht invertierend

Beitrag von gafu »

die basisschaltungsvariante oben macht doch nur die spannungsanpassung, der strom auf der oberspannungsseite muss dennoch durch den portpin fließen.
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Bastelbruder
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Re: NPN Transistorschaltung nicht invertierend

Beitrag von Bastelbruder »

Basisschaltung: hat nur Spannungsverstärkung, keine Stromverstärkung (da geht beim BJT noch der Basisstrom ab). Der Basis-Vorwiderstand sollte nicht unnötig viel Strom ziehen, dann dient der Puffertransistor auch zur Strombegrenzung.

Wenn der 3V3-Port nach Masse zieht, ist der Emitter an Masse und der Basis-Vorwiderstand steuert den Transistor durch.
Wenn der 3V3-Port nach 3V3 zieht (CMOS tun das üblicherweise) ist U_BE am Transistor 0 V und selbiger sperrt (es gilt sogar die meist höhere U_CB).

Wenn man einen N-MOSFET verwendet, funktioniert das genauso, der muß bloß mit den 3V3 am Gate auskommen, der Widerstand entfällt, es fließt kein zusätzlicher Strom.

Jetzt das Sonderfeature mit einer Einschränkung: Low muß der 3V3-Spezifikation entsprechen.

Wenn der Port des Kleinhirns als hochohmiger Eingang geschaltet ist, wird Low erstmal durch die Bodydiode durchgereicht und wenn Source dann niedrig genug ist, stellt der FET auf Durchzug. Der BJT wird in dem Moment revers betrieben, bis 5 V darf man das. Der Ausgang muß jetzt den Basisstrom bringen.
Wenn der Ausgang auf High zieht, sperrt der BJT, beim FET wird erstmal die relativ hohe Gatekapazität entladen bis der FET sperrt und dank der anderen Kapazitäten und Restströme bleibt der 3V3-Port auf etwas über den 3V3 hängen. Das funktioniert zuverlässig.
Puristen dürfen parallel zur CMOS-Schutzdiode noch eine Schottkydiode einbauen.

Wer Zweifel hat, kann einfach mal die drei Bauteile in spice ausprobieren.

Daß dieser Trick keine 10 Meter langen Blitzableiter versorgen soll ist wohl klar, dann sollten die üblichen Schutzschaltungen verwendet werden.
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gafu
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Re: NPN Transistorschaltung nicht invertierend

Beitrag von gafu »

Luca hat geschrieben: So 1. Aug 2021, 20:43 Bzgl. Schutzwiderstand direkt am GPIO: Wie berechnet der sich eigentlich (grob)? Der Strom den der Lüfter am PWM Eingang zieht ist ja aus dem Datenblatt bekannt, aber welchen Spannungsabfall über den Schutzwiderstand nehme ich denn an? Im Normalfall soll da ja eigentlich garkeine Spannung abfallen.
naja das ist immer der spagat zwischen spannungfall (unerwünscht) und strombegrenzung (erwünscht)

Im besten fall ist der benötigte strom sehr klein, dann kann man die source/sinkströme der body/schutzdioden der portpins nachschlagen (eventuell auch mal bei den ESD-Schutz beschreibungen suchen), und zuguterletzt kann natürlich gefahrlos auch nur so viel strom auf die rail geleitet werden, wie auf der rail im mimimum auch zuverlässig verbraucht wird. (dabei muss man im blick behalten, an wievielen portpins der zustand auftreten könnte, und welcher strom sich dabei aufsummiert. Zusätzlich muss man dann auch noch die maximalströme des gesamten registers im blick behalten, und vielleicht auch des packages, bei vielen portpins gleichzeitig)

Am ende ist die ungünstigste zu erwartende unerwünschte spannung die es noch aushalten soll, abzüglich der (railspannung + schottkydiode Uf), und das zwischenergebnis nach dem ohmschen gesetz durch den strom dividiert.
Und dann rechnet man gegen, ob beim nennstrom im angedachten betriebsfall der spannungsfall auf dem schutzwiederstand noch tolerierbar ist. Wenn ja: fein.
Wenn nein: kompromiss, oder mit zusätzlich externen schutzdioden den ableitbaren strom erhöhen, und ggf. die rail mit zusätzlichen überspannungsschutzschaltungen gegen spannungsanstieg schützen. Damit darf dann der strom größer werden und der widerstand kleiner, aber dann ist es auch nicht mehr so einfach mit wenigen bauteilen und wird damit weniger interessant.
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