2 LEDs: Übergang von blau zu rot nach Temperatur

[Stromus]

Was verwendest Du für einen NTC (Empfindlichkeit zwischen 15 und 25°C)?

Diese Schaltung verbraucht dennoch immer noch zu viel Strom durch den Spiegel (2mA). Eventuell den Stromeinsteller (Q2) durch einen Spannungsteiler ersetzten? => Q2 raus, R1 = 20k, R2 = 4k, R3 = 150Ohm
Was vorher Basis-Emitter gewesen ist verbinden.
Vorteil: vorher: 2mA Stromspiegel, nachher 0.4mA zur Einstellung der Stromquelle Q1

[Lupin III.]

Ach dafür sind R2 und R3 da! Ich werde mal ausprobieren, wie weit man das Verhältnis stabil vergrößern kann. 1:10 ist ja schon mal nicht schlecht. Ab 1:30 würde ich sagen, der Verlust ist ok.

Was für ein NTC das ist kann ich nicht genau sagen. Der muss schon Ewigkeiten herumliegen. Es steht leider nichts darauf und Farbmakierungen hat er auch keine (er ist komplett blau). Aber wie gesagt er ändert sich von 3,5k bei Zimmer-Temperatur auf 3,0k in der Hand. Wo sind die Teile so überall eingebaut? Vielleicht kann ich irgendwo einen anderen finden.

[Stromus]

Die Schrittänderung (100Ohm) am NTC ist ok, denn darauf ist auch die Empfindlichkeit der Schaltung getrimmt. Jetzt kannst Du den Widerstand R9 (oder aber R7) als Reihenschaltung aus NTC = 3.5k + festem Widerstand darstellen (Achtung Normwert) und auf der anderen Seite den gleich großen Wert für R7 wählen und fertig.

An der Kombination R1, R2 und R3 kannst Du versuchen zu ändern (nur R2 und R3 verkleinern), aber es ist wichtig, dass der Transistor Q1 im aktiven Bereich arbeitet. Messe die Kollektor-Emitterspannung darauf. Sie soll oberhalb 1,2V bleiben. Damit hast Du zwei Ekffekte:

1. Q1 lässt einen konstanten Strom abfliessen (Stromquelle)
2. Der Eingangswiderstand von Q1 beträgt im aktiven Bereich z.B.:

Beta * R3 = 30kOhm (Annahme Beta = 200) und belastet den Spannungsteiler R2/R1 gerade nicht

Der Strom wird dann durch R3 eingestellt und teilt sich auf die Dioden je nach den zugehörigen Basisströmen der zwei oberen Transistoren.

Lasse die Schaltung 10Min kalt arbeiten und messe dann die Widerstandsänderung des NTC (Eigenwärme durch fliessenden Basisstrom). Wenn das funktioniert, dann wird es bei T°-Änderung garantiert funktionieren.

[Lupin III.]

So sieht die Schaltung jetzt aus:
Schaltung

Wahrscheinlich kann ich mir T5 irgendwie sparen, wenn ich R8 und R9 richtig wähle. Ich habe es aber bis jetzt nicht hingebracht.
Mit R2 und R3 habe ich ein Verhältnis von 1:100 eingestellt, scheint auch ungefähr hinzuhauen. Im Verhältnis zu den LEDs geht da jetzt nicht mehr viel verloren.

Die größte Änderung ist allerdings der Eingang am Anfang, mit dem ich der ganzen Schaltung den Saft abdrehen kann. Am Eingang hängen 2 NE555er (Ja! Ich konnte sie doch noch verbauen! Sogar mit PWM!). Die müssen zum Glück nicht geregelt werden, sondern laufen beide als AMVs mit fester Frequenz. Der eine mit einer hohen und hält damit die LEDs dauernd am leuchten (gedimmt). Der zweite "blinkt" ca. alle 1-2 Sekunden. Das heißt, die abgebildete Schaltung bekommt gar nicht dauernd Strom, sondern nur gepulst. Dadurch kann ich durch die LEDs mehr Strom lassen und damit im Verhältnis mehr fürs Leuchten verwenden.

Leuchtend aber ohne blinken, braucht das ganze inklusive NE555er 7mA. Den blinkenden Stromverbrauch kann ich nicht richtig messen. Da bekommen die LEDs alleine schon 30mA, allerdings nur sehr kurz (laut Berechnung 30ms).

Wieviel mAh hat eigentlich ein 9V-Block? Bei Akkus steht das immer darauf, bei Batterien nie.

Das ist zwar nicht mehr ganz das was ich am Anfang beschrieben habe. Es soll aber sowieso ein auffälliges Geschenk werden, und da ist das Blinken ganz praktisch.

[Lupin III.]

BTW: die Schaltung blinkt seit einer Stunde am Netzteil vor sich hin. Der NTC scheint sich dabei nicht zu ändern.

[Stromus]

Bei welchem NTC-Wert blinken die roten LED's nicht mehr? (ich schätze bei 3.5kOhm bekommen sie immer noch ca. 4mA )

T5 bringt nichts. Du hast heute gar nicht aufgepasst!! Soll R9 + R_NTC = R7 im Ausgangszustand (kalt). Es sei denn durch unterschiedliche Spannungen der LED's oder wenn nur die blaue leuchten soll, eventuell noch sehr minimal größer als R7.
Der Stromspiegel ist gar keiner mehr. An sich reicht eine Diode anstelle von T2 völlig aus. Noch eleganter ein Spannungsteiler mit R1 = 15k, R2 = 2k. Damit kannst Du locker R3 bis auf 5Ohm verkleinern und hast den Strom für die LED's
30mA ist der Gesamtstrom durch R3. Dieser Strom teilt sich wie auch immer auf die zwei LED-Zweige. Im Worst-Case fliesst er nur durch einen Zweig. Was vertragen die LED's? Wenn das ganze ungepulst läuft kochst Du auch den jeweiligen Transistor ganz schön. Na ja viel Spaß damit

[Lupin III.]

Kalt hat der NTC 3,5k. Je nachdem wie genau ich den Poti R11 gerade eingestellt habe, leuchten die roten gar nicht oder ein ganz kleines bisschen. Wenn ich ein Papier darüber halte (das soll das Milchglas simulieren), merkt man davon allerdings gar nichts mehr, da die blaue dann sehr viel heller ist.

Die Daten, die ich über die LEDs habe, halten sich in Grenzen. In der Artikelbeschreibung des Shops, wo ich sie gekauft habe, steht etwas was von Betriebsstrom max 50mA, allerdings nicht ob dauernd oder gepulst. 35-40mA müssten sie gepulst also auf alle Fälle aushalten.

Ohne einen anderen NTC werde ich T5 nicht weglassen können. Damit die Widerstandsänderung von nur 500 Ohm den ganzen Bereich von nur-blau bis nur-rot steuern kann, muss R8 (und R6) 2,2k und R7 2,5k (mit Poti eingestellt) haben. Diesen Wert kann R9 mit dem jetzigen NTC allerdings nie erreichen, außer es hat Minusgrade. Die anderen Werte konnte ich nur herausfinden, indem ich R9 durch einen 2,2k Widerstand + 500Ohm-Poti ersetzt habe.

Und der Stromspiegel: naja, er funktioniert schon noch, allerdings vergrößert er um einiges ;-) Aber ich habe T2 jetzt tatsächlich komplett weggelassen und R2 auf 2k erhöht. Scheint zu funktionieren.

[Lupin III.]

Noch eine Frage zum Spannungteiler: was spricht dagegen diesen mit 75k + 10k aufzubauen anstatt mit 15k + 2k. Das Verhältnis ist doch das gleiche?

Ich glaube ich habe irgenetwas wichtiges bei Transistoren nicht
verstanden. Stimmt meine Berechnung, dass durch die Basis von T1 dann immer noch 100µA fließen würden (I_R1 - I_R2)? Ein BC549 hat eine Verstärkung von ca. 400 was genau 40mA ergeben würde. Aber wieso wird der Strom nicht höher, wenn ich 15k+2k wähle? I_R1 - I_R2 ist dann ungefähr 500µA. Mit der Verstärkung angegebenen Verstärkung wären das 200mA?!?!
Da baue ich solche Schaltungen und weiß nicht mal wo jetzt der Knoten drin ist.

[Stromus]

75k lässt noch weniger Basisstrom zu wie 15k. Du rechnest aber total falsch. Zunächst sei es gesagt, dass die Stromverstärkung des Transistors nicht konstant ist, sondern einer Parabel entspricht als Verlauf Gleichstromverstärkung = f(Kollektorstrom).
Dieser Beitrag kostet Zeit und deshalb werde ich Dich darum bitten ihn aufmerksam zu lesen und versuchen zu verstehen. Lass uns das ganze anhand eines Beispiels betrachten. Dazu siehe Anhang.

Ich habe die Widerstände so benannt wie in Deiner Schaltung. Zunächst vernachlässigen wir die restliche Schaltung und versuchen herauszufinden für welchen Kollektorwiderstand das ganze funktioniert. Wir wollen etwa Ic = 40mA aus 9V bekommen. Ohne Datenblätter zu betrachten nehme ich aus dem Bauch heraus an, dass die Gleichstromverstärkung bei Ic = 40mA B = 150 beträgt.

Die Spannungsverstärkung der Schaltung soll z.B. vu = 20 betragen. Diese ist gegeben durch vu = Rc/R3.
Ohne Aussteuerung soll Uce = U_RC + U_R3 = 9V/2 = 4.5V betragen.
Damit ist:
Ic = 4.5V/(Rc+R3) = 9V/[2*Rc*(1+1/vu)]. Daraus resultiert der Kollektorwiderstand zu:

Rc = 9V/[2*Ic*(1+1/vu)], mit vu = 20 (s.o.) => Rc = 107Ohm. Aus vu = Rc/R3 ergibt sich R3 = 5.36Ohm

Schon haben wir die Werte für Kollektor und Emitterwiderstand und wollen jetzt den Spannungsteiler R1 / R2 ermitteln. Die Spannung an der Basis beträgt:

Ub = U_Emitter + Ube mit Ube = Basis-Emitterspannung
Ub = Ic * R3 + Ube = 40mA * 5.36Ohm + 0.6V = 0.814V
Der Basisstrom ist Ib = Ic/B = 40mA/150 = 0.26mA
Damit der Spannungsteiler R1 / R2 nicht belastet wird soll durch R2 etwa das 5-fache Basisstrom fließen. Damit beträgt der Widerstandswert R2 = Ub/(5*Ib) = 0.814V/(5*0.26mA) = 626Ohm.
Durch R1 fließt die Summe der Ströme: Ib + I_R2 = 6Ib = 1.56mA
Damit rechnet sich R1 zu R1 = (9V-Ub)/(6*Ib) = (9V-0.814V)/1.56mA = 5.25kOhm
Jetzt gibt es alle Werte. Schau mal was die Simulation ergibt (sh. Attach.)
Die Kollektor-Emitter-Spannung beträgt 5.86V (Annahme war 4.5V) und der Kollektorstrom beträgt etwa 28mA. Warum? Die einzige Schwachstelle der Berechnung ist die angenommene Verstärkung von 150. Jetzt brauchst Du nur vom Datenblatt die vorhandene Verstärkung des Transistors für Ic = 40mA und die ganze Berechnung damit revidieren. Wahrscheinlich liegt die Verstärkung auf etwa 100???
Interessant ist jetzt aber den Kollektorwiderstand Rc mit der Beschaltung aus dem letzten Bild zu ersetzten (noch ohne jegliche Anpassungen). Erstaunst Du was? Bis auf 2mA kommt schon fast der gleiche Kollektorstrom (ca. 26mA) zustande. Also müßte man jetzt die restliche Kette R9/R8 und R7/R6 angepasst werden. Alles klar?

[Stromus]

Um jetzt Verwirrung zu stiften. In der obigen Berechnung sind zwei Fehler unterlaufen:

Ube = 0.76V (meine Annahme war falsch mit 0.6V)
und B = 260

Versuche damit zu rechnen und den Spannungsteiler neu zu dimensionieren. Welche Werte bekommst Du?

[Stromus]

So nachdem Du jetzt für die Widerstände folgende Werte ermittelt hast:

R1 = 8912Ohm und R2 = 1287 (Nach wie vor Rc = 107Ohm und R3 = 5.36Ohm) und ein Kollektorstrom von etwa 38mA zustande kommt,

wollen wir nun als nächste Übung die Werte für die Schaltungserweiterung von einem Weiteren Transistor T3 mit Spannungsteiler und Dioden berechnen (sh. Attach). Damit die erste Schaltung mit den bereits dimensionierten Werten übernommen werden kann, müssen ein Paar Sachen beachtet werden:

1. Es gibt dieses Mal keinen Kollektorwiderstand Rc, sondern eine weitere Transistorstufe. Damit muss gesorgt werden, dass die Spannungsverhältnisse auf dieses Mal zwei Kollektor-Emitter-Strecken und auf den Dioden ähnlich wie in der ersten Schaltung bleiben.
2. Der obere Transistor (T3) wird die selbe Verstärkung aufweisen müssen wie der untere, damit wirklich der gleiche ermittelte Kollektorstrom von 38mA zustande kommt.
Für Dioden habe ich 3 Stück a 1N4148 gewählt, aber wenn Du LED’s verwendest musst Du natürlich die Spannungsabfälle korrigieren.

Annahme (da ich faul bin um Datenblatt zu konsultieren) U_Diode = 0.8V bei I = 38mA => 3Dioden ergeben:
U_Diode_gesamt = 0.8V*3 = 2.4V
Der Spannungsabfall auf R3 soll nach wie vor betragen:
U_R3 = 38mA * 5.36Ohm = 0.204V
Den Rest der Spannung teile ich rechnerisch auf beide Kollektor-Emitter-Strecken gleich:

Uce_T3 = Uce_T1 = (9V – U_Diode_gesamt-U_R3)/2 = (9V-2.4V-0.204V)/2 = 3.198V
Damit wird die Kollektorspannung von T1 (gemessen also gegen die Masse) :
Uk_T1 = Uce_T1 + U_R3 = 3.198V + 0.204V = 3.402V
Damit wird die Basisspannung von T3 zu:

Ub_T3 = Uk_T1 + Ube_T1 = 3.402 + 0.76V = 4.162V
Hierbei will ich T3 den gleichen Basisstrom wie T1 spendieren (0.145mA), so dass sich auch die gleiche Ube = 0.76V einstellt wie bei T1
Damit und unter Berücksichtigung der Tatsache, dass in R8 wieder das 5-fache Basisstrom einfließt (wie bei T1 angenommen) wird:

R8 = Ub_T3/(5*Ib_T3) = 4.162/(5*0.145mA) = 5740Ohm
R9 = (9V-Ub_T3)/6*Ib_T3 = 5561Ohm

Betrachte die Simulation:
Der Strom beträgt ziemlich genau 38mA und die sich einstellenden Kollektor-Emitter-Spannungen der zwei Transistoren liegen ziemlich nah an die 3.198V

Oben war:

Uce_T3 = Uce_T1 = (9V – U_Diode_gesamt-U_R3)/2 = (9V-2.4V-0.204V)/2 = 3.198V

Wenn Du LED's einsetzt, dann musst Du die Rechnung nachziehen. Wenn jetzt ein weiterer Zweig reinkommt musst Du die Stromaufteilung annehmen (wie Du es haben willst) und die Berechnungen auf die gleiche Art vornehmen.

[Lupin III.]

Erstmal ein großes Danke schön! Man kann das also tatsächlich Druch Rechnen herausfinden und nicht nur durch drehen an Potis ;-)

Ich bin gerade von der Arbeit nach Hause gekommen und dabei das ganze zu verdauen. Die Rechnungen kann ich eigentlich ganz nachvollziehen (an Mathe war ich zum Glück immer recht fit).

Allerdings gibt es zwei Dinge, die für mich aus dem Nichts kommen. Blöderweise sind die gleich am Anfang:
Wieso soll Uce = U_RC + U_R3 sein (bzw. im 2. Posting Uce_T3 = Uce_T1)?
Woher kommt die gewollte Spannungsverstärkung von 20?

Gedankenspiel: wenn R3 0 ist (vu also -> unendlich) wäre Rc 112,5 Ohm. Der Spannungsteiler müsste dann aus 8927 Ohm und 988 Ohm bestehen und ich hätte wieder meine 40mA für Ic.
Warum macht man das nicht so? War das wegen der Temperaturabhängigkeit?

[Stromus]

Guten Morgen,

jaaa die Macht der Berechnung. Das Ziel der Geschichte ist bis zum Ende die Schaltung durch Berechnung zu dimensionieren und auf der anderen Seite zu verstehen, wie so etwas gemacht wird.

"Wieso soll Uce = U_RC + U_R3 "

Es hieß ohne Aussteuerung.
Die ganze Schaltung arbeitet im Ruhezustand. Diese Plazierung auf der Hälfte der Betriebsspannung stammt aus der Überlegung, dass wenn der Knoten des Spannungsteilers an der Transistorbasis durch eine Wechselspannung gespeist wäre, dann bewegt sich die Kollektor-Emitter-Spannung von 4.5V bis einige 10mV (in Richtung Sättigung) für die positive Halbwelle (betrachte die Arbeitsgerade im Ausgangskennlinienfeld wo der Kollektorstrom mit dem Basisstrom ansteigt) und von 4.5V bis 9V für die negative Halbwelle der Wechselspannung (auf der Arbeitsgerade bewegt sich der Kollektorstrom in Richtung Null und der Transistor sperrt)
Natürlich kannst Du die Uce dort plazieren, wo Du willst, da in diesem Fall keine Wechselspannung existiert.

"(bzw. im 2. Posting Uce_T3 = Uce_T1)? "

Die Frage hatte ich erwartet! Die zwei Transistoren sollen beide ein Ic = 40mA abfliessen lassen. Da beide von der gleichen Type sind, benötigen sie den gleichen Basisstrom, also im Ausgangskennlinienfeld (Ic = f(Uce)) sollen sie sich auf der selben Kennlinie befinden, also folglich die gleiche Uce aufweisen. Wenn einer weniger Basisstrom bekommt, dann springt er auf eine darunter liegende Kennlinie und wenn der gleiche Strom trotzdem fliessen soll, dann vergrößert sich seine Uce, er begrenzt damit Ic und statt 40ma kommt ein kleinerer Strom zustande. Das ist eine Schere und die geht nur so lange gut unter weiterer Reduzierung des Ic bis dieser Transistor einfach sperrt. In der letzten Übung war die Schere auch vorhanden, denn die beiden Transistoren im Ausgangszustand nicht die identische Uce aufweisen. Damit kommt ein Ic = 38mA statt 40 mA zustande. Die Unterschiede kommen von den vielen Annahmen, die unprofessionell gemacht wurden:

Verstärkung bei dem gewünschten Ic, Ube, Spannung an den Dioden. Wenn Du aber mit Datenblättern arbeitest, dann kannst Du die Dimensionierung Punktgenau plazieren.

"Woher kommt die gewollte Spannungsverstärkung von 20?"

Ist eigentlich frei wählbar. Versuche mit vu = 4 zu arbeiten z.B. Was bekommst Du dann?

"Gedankenspiel: wenn R3 0 ist (vu also -> unendlich) wäre Rc 112,5 Ohm. Der Spannungsteiler müsste dann aus 8927 Ohm und 988 Ohm bestehen und ich hätte wieder meine 40mA für Ic. "

Nein stimmt nicht. Mit R3 = 0 belastet der Transistor den Spannungsteiler und der Transistor geht in Richtung Sättigung. Das zieht die gesamte Kette nach unten. Versuche den Eingangswiderstand des Transistors zu berechnen.


Als nächste Übung bringst Du den zweiten Zweig mit zunächst auch nur 3x1N4148 ins Spiel. Hinweis:

Die 40mA teilen sich auf zwei Transistoren zu genau 20mA jeweils. Damit musst Du mit einer größeren Verstärkung B = ca. 300...340 berechnen (Achtung nur für die oberen Transistoren, der untere bleibt identisch, da er nach wie vor 40mA sehen soll), und damit kleinere Basisströme für die zwei oberen Transistoren berechnen und auch kleinere Ube's (statt 0.76V wie für T1 etwa eventuell 0.7V). Auch die Dioden gehen in der Spannung zurück von etwa 0.8V auf 0.73....0.75V.

Wenn Du das hast werden wir die gesamte Schaltung auf nur 14mA begrenzen und die Berechnung auch mit 3x1N4148 durchziehen, wir bringen den NTC ins Spiel (zunächst machen wir daraus nur Festwiderstände) und zum Schluß ersetzen wir die drei 1N4148 mit Deinen LED's und den einen festen Widerstand splitten in NTC + Festwiderstand. Viel Spaß!

Wir brauchen noch eine Info:

Welche Spannungsabfälle haben die LED's bei je 7mA. Wenn Du kein Datenblatt hast, versuche mit einer Batterie und Vorwiderstand dies zu ermitteln. Das werden wir brauchen!

Ach ja! Bitte drehe in der Transistorschaltung nicht an den Widerstandswerten bis es passt. Die Berechnung ist besser und Du lernst viel dabei!

[Lupin III.]

Meine Werte für n=4 wären:
Rc = 90 Ohm
R3 = 22,5 Ohm
R2 = 2158 Ohm
R1 = 7952 Ohm

Was für einen Effekt hat ein anderes n, außer dass der Spannungsteiler einen größeren Gesamtwiderstand hat (was vom Stromverbrauch her ja ganz gut ist)?

Die roten LEDs haben 1,85V bei 7mA und 2,0V bei 20. Die blauen 3,0@7 und 3,3@20.

Mal schauen ob ich bei den Stromzweigen auf einen grünen komme ;-)
BTW: wieso plötzlich eine Begrenzung auf 14mA?

[Stromus]

Meinst Du mit n=4 etwa vu?

OK die Werte für die Widerstände sehen gut aus. Ich versuche zu dieser späten Stunde nicht Deine Berechnungen nachzuvollziehen. Ich gehe davon aus, sie stimmen.
Hast Du Pspice? Wenn die Berechnungen passen, dann bestätigt Pspice garantiert.

Nun. Wenn Du schon scharf darauf bist versuche jeden der Zweige direkt mit den LED-Spannungen für je 7mA zu berechnen. Wenn Du das hast dann splitten wir einen Festwiderstand in NTC+Festwiderstand. Die gleiche Berechnungsart nur die jeweiligen Uce sind unterschiedlich (unterschiedliche LED-Spannung), die Ube und die Transistorenverstärkungen. Machst Du das? Bitte kompletten Berechnungsweg zeigen sonst kann ich Dir nicht folgen.


Hinweis:

Bis jetzt hatten wir angenommen (pauschal) einen Querstrom von 5xIb in den Spannungsteiler von jedem Transistor. Wenn Du willst, dass Deine Schaltung empfindlich auf die kleinen Änderungen des NTC's (100Volt/Schritt oder sogar weniger) wird, dann musst Du die Widerstände relativ klein wählen. Wähle dazu einen Querstrom von 40xIb statt 5xIb für die Berechnungen. Was fehlt Dir auf? Probiere die ganze Berechnung für unterschiedliche Querströme aus und ändere jeweils den NTC-Wert. Was fehlt Dir auf? (ich nehme an Du hast verstanden, das wir z.B. R9 in NTC+Widerstand splitten)

14mA weil wenn eine LED den ganzen Strom übernimmt, dann reicht dieser Wert für die Helligkeit vollkommen aus. Probiere es aus! Abgesehen davon ist 40mA zu groß für die Batterien.



zu Deiner Frage heute:

"Gedankenspiel: wenn R3 0 ist (vu also -> unendlich) wäre Rc 112,5 Ohm. Der Spannungsteiler müsste dann aus 8927 Ohm und 988 Ohm bestehen und ich hätte wieder meine 40mA für Ic. "

Die habe ich aus Versehen ein bißchen falsch beantwortet. Ich war schon einige Schritte weiter und habe vergessen, dass Du noch nicht soweit bist. Mit Deinen angegebenen Werten stimmt das ja. Aber versuche mit Deinen ermittelten Werten für die 14mA-Lösung und einen jeweiligen Querstrom im Spannungsteiler des jeweiligen Transistors von 40xIb auf den Emitterwiderstand R3 zu verzichten. Erstaunlich nicht war?