160Hz Magnetfeldansteuerung mit Transistor

[Terfagter]

Hallo,
ich habe folgendes vor:

Ich möchte über einen Transistor eine Magnetspule ansteuern. (SV 6)
In der Eagle Schematic-Datei habe ich es mal grün umrahmt.

Die Spule wird mit 160Hz und 12 Volt betrieben.
Oben im Rahmen kommen 12 Volt Gleichspannung an und werden über die Kontakte von K2 an den Transistor weitergegeben.
Über den Kontakt "Treiber_3" unten rechts kommen 160 Hz und eine beliebig hohe Gleichspannung zur Basis des Transistors an, um den Transistor zu schalten. Der verwendete Transistor ist ein BD139/10.
Der restliche Teil im Rahmen ist eigentlich für dieses Problem uninteressant.
Das Problem:
Egal welche Spannung ich über Treiber_3 an die Basis lege, der Transistor gibt nur eine kleine Spannung raus, unter 1 Volt und die 160 Hz. Es wird aber nicht durch die 12 Volt verstärkt.

Könnt ihr mir helfen? Ich verzweifle langsam an diesem Problem. Was mache ich falsch?
Gibt es andere schaltungstechnische Möglichkeiten dem Fehler entgegen zuwirken?

[BASTIUniversal]

Hi!
Mein Tipp: Wenn die .rar Dateien Bilder sind, dann stell die besser als .jpg oder .png rein! Das gibt erfahrungsgemäß mehr Antworten.

MfG
Basti

[nikolaus10]

Hallo
Denke auch mal, das man nicht unbedingt alles entraetseln muss.
Nicht jeder verwendet Eagel und nicht jeder ist bereit deine RAR datei zu entpacken.
Nur mal so ins blaue geschossen. Die Stromverstaerkung deines Transtors reicht nicht aus.
Probier das ganze einfach mal mit einem Audioverstaerker aus.
Fuer deine 12Vss ? brauchst du auch mehr wie eine Versorgungsspannung von 12 Volt.
MFG

[Terfagter]

so hier mal als Bild

Warum reicht die Stromverstärkung nicht aus?
Die Spule hat einen Innenwiderstand von 90 Ohm.

[Gock]

Was soll den heißen: "der Transistor gibt nur eine Spannung von 1V raus"?
Liegen die am Transistor oder an der Spule an?
Gruß

[avion23]

Selber googlen wäre praktischer... wenn du möchtest, kann ich es dir berechnen. Sag mir, welche Spannung dein Treiber ausgibt und welchen Innenwiderstand er hat.
Dann brauche ich noch den hfe aus dem Datenblatt deines Transistors. Daraus berechne ich dir dann deinen Vorwiderstand nach U=RI

[Hubert.G]

Hast du dir die Schaltung selbst ausgedacht, das nehme ich mal an. Wenn du die Last im Emitterkreis des Transistors hast, bekommst du genau die Probleme mit der Ansteuerung die du jetzt hast. Schau einmal welche Spannung du an der Basis des Transistors hast, die soll um 0,7V höher sein als am Emitter.

[Terfagter]

hfe ist 63/160

Die Spannung an der Basis um am Emitter sind 0,7V unterschiedlich.
Wenn ich über einen Mikrocontroller 5V an Treiber_3 anlegen würde, dann sollte der Transistor doch eigentlich schalten und ca. 12V ausgeben.
Oder sehe ich da was falsch?

[Gock]

Wenn Du das so formulierst, würde ich sagen ja.
Ganz einfach: Wenn Dein T nicht schaltet, weil seine Basis keinen Strom bekommt, dann liegen 12V zwischen seinem Collector und seinem Emitter an (Spannungen liegen immer zwischen ZWEI Punkten an!), weil kein Strom durch ihn fließt. Wenn er dann schaltet, dann liegen natürlich weniger als 12V an. Bei einem idealen Schalter beträgt die Spannung dann 0V, weil dessen Widerstand 0Ohm beträgt. Bei Deinem T werden es "etwas" mehr als 0 V sein, je nachdem, was es für einer ist und wieviel er grade verstärkt.
Deswegen kann man nicht sagen "der T gibt 12V aus". Woraus denn? Und von wo nach wo???
Ein Transistor wie Du ihn beschaltest verstärkt nicht die Spannung, sondern den Strom! Also musst Du entweder den Strom messen oder auf ihn schließen.
Leider wissen wir nicht, was hinter dem Emitter hängt davon und vom Widerstand im Collectorkreis (kann ich nicht lesen) hängt ab, wieviel Spannung am Emitter anliegt.. Deshalb sagte auch jemand hier, dass man den T nicht "nach Vcc" sondern "nach GND" schalten sollte, also hinter Deine Stecker und mit Emitter auf Masse.
GN8

Edit: An der Basis Emitterstrecke beträgt die Spannung immer 0,7V. Steigt sie darüber hinaus, ist es eine Frage der Zeit, bis Dein T im Eimer ist, weil dann zu viel Strom fließt.

[avion23]

Ich habe jetzt nicht wirklich damit gerechnet, dass du die Sachen tatsächlich aussuchst. Aber ich versuche es:

I_CM = Peak collektor current ist 2A, das möchte ich erreichen können mit dem hfe von 63.
Als Steuerspannung nehme ich U = 12V an.

An der Basisdiode fallen 0.7V ab, also nur noch U = 12V-0.7V = 11.3V
U = R * I
R = U / I
R = 11.3V / 2A = 5,65[R]
Jetzt noch die Stromverstärkung mit einbeziehen:
R = 5,65 * hfe = 355[R]. Zur Sicherheit sollte man den hfe mit Faktor 2-3 multiplizieren. Hier reicht es imho wenn man ungefähr 300Ohm als Vorwiderstand für die Basis verwendet.

Jetzt noch zur Sicherheit den Strom durch die Basis berechnen, nicht dass er abraucht:
I_B = U / R
I_B = 11.3V / 300[R] = 0.0376A = 37,6mA
Das ist wesentlich kleiner als der I_BM Base Peak current = 1A aus dem Datenblatt.

Schau noch mal in das Datenblatt, ob deine Angabe von hfe = 63 - 100 wirklich so stimmt. Den Basisstrom kannst du noch weiter erhöhen, da ist noch Luft drin. Es kann gut sein, dass ich mich verrechnet habe und dass es bessere Wege gibt - ich bin müde. Und was du mit den Optokopplern vorhast weiß ich immer noch nicht...

[nikolaus10]

Hallo

Noch eine Erklaerung:
Du hast einen Emitter-Folger. Dessen Ausgangspannung ist immer ca. 0,7 Volt niedriger als die Spannung die an der Basis, also > 5Volt, anliegt.

Warum schaltest du denn die Relais ueber Optokoppler ?

MFG

[Hubert.G]

Die Spannung an der Basis um am Emitter sind 0,7V unterschiedlich.
Wenn ich über einen Mikrocontroller 5V an Treiber_3 anlegen würde, dann sollte der Transistor doch eigentlich schalten und ca. 12V ausgeben.
Oder sehe ich da was falsch?
Jetzt schaltet der Transistor durch und gibt deiner Meinung nach 12V aus, das heist du hast am Emitter etwa 12V an der Basis aber nur 5V, wo sind die 0,7V, kann nicht ganz stimmen, oder? Wenn du so schalten willst musst du deine Spule in den Kollektorkreis des Transistor legen.

[Terfagter]

Also erstmal zu den Optokopplern: Die benutze ich um die 12V Relais über ein 5V - High Signal des yC anzusteuern.
Hielt ich jetzt für die beste Möglichkeit?!?

Dann baue ich die Schaltung mal um und setzte die Spule in den Kollektorkreis. Wenn ich über die Basis die 160 Hz schalten will, kommen die denn dann so überhaupt an der Spule an?

Ist I_CM der Kollektor-Masse Strom?
Ist das der Strom der durch die Spule fließen soll?
Mit Steuerspannung meinst du die Spannung, mit der ich die Basis ansteuern will?

[Hubert.G]

Statt der Optokoppler kannst du normale Transistoren nehmen, BC548,
Wenn die 160Hz vom µC kommen dann kommen sie auch an der Spule an. Der Emitter kommt direkt auf GND. Deine Überwachung, wofür die auch gut ist, musst du eventuell auch anpassen.
I_CM ist der max. Kollektorstrom des Transistor und Steuerspannung ist die Spannung die max. an der Basis anliegt.

[Terfagter]

Wo finde ich eigentlich im Datenblatt des Transistors die max Spannung, die an ich die Basis anlegen kann? Theoretisch sollte der Transistor doch bei einer Spannung von über 0,7V schalten oder?

[Hubert.G]

Steht unter V/EBO, beim BD139 sind es 5V, wenn du dir den nötigen Basisstrom ausrechnest und den entsprechenden Vorwiderstand einfügst, wirst du diese Spannung nie erreichen.
Die BE-Spannung von 0,7V erreichst du aber nur wenn auch der nötige Strom fliesst, Spannung, Strom und Widerstand gehören nach dem Ohmschen Gesetzt zusammen, einer alleine existiert nicht.
Um den Transistor zu steuern muss die Spannung zwischen Basis und Emitter eine Spannung von 0,7V (nicht immer gleich) übersteigen, erst dann kann der nötige Steuerstrom fliessen, bei geringer Erhöhung der Spannung würde der Strom aber stark steigen und die Basis-Emitterstrecke zerstören, daher benötigt man einen Vorwiderstand der den Strom begrenzt. Die Spannung teilt sich dann zwischen Basis-Emitterstrecke und Vorwiderstand auf, der Strom ist vom Gesamtwiderstand der Basis-Emitterstrecke und Vorwiderstand abhängig.

[Terfagter]

Also um überhaupt mal zu sagen, was ich machen will:

Über einen µC will ich eine Luftspule betreiben. An der Luftspule möchte ich 3 mTesla haben. Das ist das Ziel.
Das wollte ich mit meiner Schaltung erreichen.

Es gab davon mal eine alte Version, da lagen aber 40 V an der Spule an. Ich muss nun versuchen über 12V auch an die 3 mTesla zu kommen! Reicht meine neue Schaltung dafür überhaupt aus? Quasi müsste ich ja den Strom erhöhen um das zu erreichen.

Von der Spule ist bekannt:
540 Windungen
0,54mm Draht Kupfer

Aussendurchmesser 300mm
Innendurchmesser 220mm
Spulenhöhe ca.5mm

Edit Optokoppler: Ich hatte Sorge das die 160 Hz auch auf die Relais übertragen werden. Darum wollte ich die Kreise galwanisch trennen.

Kann ich mit eagle v4.16r2 auch schematic dateien von eagle v4.03 öffnen?

[nikolaus10]

Hallo

Ein Relais trennt auch galvanisch, deswegen werden typ. vom uController, 1k Vorwiderstand auf die Basis des BC548 geschaltet, im Kollektorkreis befindet sich das Relais(schutzdiode nicht vergessen).

Die 5V max an der Basis bedutet heochstwahrscheinlich die max neg. Spannung die an der Basis anliegen darf bevor er durchbricht (zehner- efeckt)

Die magnetische Feldstaerke wird m.E. nur durch die Anzahl der Windungen, Durchmesser und Strom bestimmt.
40 Volt sind schon sehr heftig und fuehren m.E. zum durchbrennen der Spule.

MFG

[Hubert.G]

Die Spule hat einen festen Widerstand, den Strom kannst du nur über eine höhere Spannung erhöhen oder du änderst die Spule, dickeren Draht z.B. Allerdings verändern sich dann auch die Eigenschaften der Spule.
Für eine galvanische Trennung würdest du aber auch eine eigene Stromversorgung benötigen, bringt in deinem Fall aber nichts.

[Besserwessi]

Ein Magnetfeld von 3 mT wird bei deiner Spule einen Strom von ca. 0.5 A benötigen, wenn mich nicht Verrechent habe.

[Terfagter]

@ Besserwessi: Mit welcher Formel hast du gerechnet?

Um den Vorwiderstand an der Basis zu bestimmen, ist es da richtig aus dem Datenblatt I_B zu nehmen und damit den Vorwiderstand zu berechnen?

Also ich würde 5V anlegen wollen. 5V-0,7V=4,3V und R=U/I
4,3V/0,2A=21,5Ohm und ich würde dann einen 25 Ohm Widerstand nehmen.

Ist das so richtig?

Wenn ich die Spule in den Kollektorkreis lege und den Emitter direkt aus Masse, muss ich zwischen Spule und Kollektor dann auch einen Vorwiderstand setzen?

[Gock]

Wenn Du 15 Ohm Last hast + 90 Ohm Spule an 12V, dann fließen nie mehr als I=12/105=115mA. Bei einer Verstärkung von 60 würden idealerweise 2mA Basisstrom ausreichen! Real sind es mehr, müsste man genau nachrechnen, aber ich schätze, wenige hundert Ohm würden es auch tun.
Zu berücksichtigen ist noch das Verhalten der Spule bei dieser Frequenz.
Woher nimmst Du denn die 0,2A?
Gruß

[Besserwessi]

Die erste Rechnung war nur ein grober Überschlag, hatte keine Lust wo Nachzulesen wie das mit den dummen 4Pi Faktoren ist. Als Überschlag nur mal auf die Einheiten geschaut. Habe noch mal genauer Nachgerechent:

Die Formel gibt sich aus dem Gesetz von Biot-servart (bin mir leider nicht über die Schreibweise sicher, halt so ein Franzose). Sollte man in jedem einigermassenen Schulbuch über magnetismus finden (ca. 10 Klasse ?). Oder bei Wikipedia (habs da leider nur auf englisch):
http://en.wikipedia.org/wiki/Magnetic_field#Magnetic_field_of_a_steady_current

Aus der Formel in Integralschreibweise ergibt sich für eine flache dünne Spule:
B = /mu0 I / R

wobei /mu0 die Fekdkonstante = 4*pi *10^-7
R der mittlere Radius der Spule
I der Strom mal Zahl der Windungen

Wenn ich die Spulendaten einsetze (R=0,13m ) komme ich auf einen Strom von 576 mA.
Diese Rechnung bezieht sich allerdings noch auf Gleichstrom. Wenn es um die 160 Hz geht, stellt sich die Frage oder der Maximalwert oder Effektivwert gemeint ist.

[Besserwessi]

Ich habe mich gestern leider verrechnet: Der Strom muß doppelt so hoch sein also 1150 mA. Die Formel für das Magnetfeld einer kurzen Spule ist nämlich :
B = u_0 I / (2 R)


Bei dem Strom und 90 Ohm Widerstand wird die Spule auch schon ganz schön heiß und die Spannung etwas zu hoc für den Vorgeschlagenen Transistor.

[Terfagter]

Hallo,

vergessen wir erstmal die erste Spule und die erste Schaltung.

Ich möchte eine Freiluftspule an 12V DC betreiben. Die Spule soll ein Magnetfeld von 3mT schaffen.
Die Dicke des Drahtes kann variert werden, jedoch war der alte Draht 5,4mm dick! Also falls die Dicke reicht, kann die auch weiterhin verwendet werden. Der Radius bzw Durchmesser der Spule sollte ungefähr gleich bleiben:

Aussendurchmesser 300mm
Innendurchmesser 220mm
Spulenhöhe ca.5mm
Ich habe die alte Spule mal als Bild angefügt.

[Terfagter]

Jetzt ist die Frage natürlich welche Formel ich am besten benutzen soll?
Die Formeln die ich in meinem Tabellenbuch finde, passen irgendwie nicht so wirklich.
Achja die Spule hat einen Innenwiderstand von 45 Ohm.

Ein paar Formeln würden mir schon sehr weiterhelfen.

[Besserwessi]

Die Abmessungen der Spule haben sich ja nicht verändert. Das Produkt aus Stromstärke und Windungszahl bleibt also konststant. Näherungsweise wäre die Feldstärke dann wie oben:
B = u_0 * N * I / (2R)
mit
u_0 = 4 Pi * 10^-7 T / A * m
N = Windungszahl
I = Strom
2R = mittlerer Durchmesser (hier liegt die Näherung)

Die Leistungs die man für die Spule braucht hängt übrigens nicht vom Drahtdurchmesser ab, wenn die Abmessungen gleich bleiben. Es ist also egal ob man viele windungen mit dickem Draht oder wenige mit dicken draht mancht, die Spule wird in beiden Fällen ziehmlich warm werden.
Nach den Werten für die erste Spule werden also gut 100 W an Wärme freigesetzt. Das ist also etwas für kurze Pulse oder nur mit Kühlung möglich. Es wird einfacher wenn die Spule länger als die 5 mm werden darf und entsprechend auch mehr Kupfer benutzt werden kann.

[Terfagter]

Hmm, aber was ich nicht verstehe ist, diese Spule ist ja verwendet worden, mit 40V. Und warm geworden ist sie nicht! Sie wurde aber auch mit 160Hz angesteuert! Kann es sein, dass so ein Blindwiderstand erzeugt wurde, der den Strom begrenzt hat? Ich denke das die 160Hz auch verwendet worden sind um ein Wechselfeld zu erschaffen?!?

@Besserwessi: Was ich nicht verstehe ist , dass du in deiner Formel die Spannung nicht mit einbeziehst?!? Oder übersehe ich das?

Mit welcher Anzahl von Windungen hast du gerechnet?

[Besserwessi]

Die Spannung kommt bei Gleichstrom erst über den Widerstand ins Spiel. Bei Wechselspannug kommt dann noch die Selbstinduktion ins Spiel. Man braucht halt eine gewisse Spannung um das Magnetfeld (oder genauer die magnetische Induktion) zu ändern. Die Anstuerung mit 160 Hz könnte auch gepulsed sein, dann fließt der hohe Strom nur für eine kurze Zeit. Hier bestimmt die Spannung dann wie schnell der Strom ansteigen kann , bzw wie schnell er wiider abnimmt.
Wofür wird den dieses recht starke Magnetfeld denn gebraucht ?

[Terfagter]

Die Spule ist in einer Liege integriert und für den kosmetischen Bereich bestimmt. Dort soll ein pulsierendes Magnetfeld sein.
Quasi war das Magnetfeld durch die 160Hz ja pulsierend.
Es wurden durch ein Relais die Pole der Spule alle 5 sec getauscht. Macht das denn überhaupt noch Sinn, wenn wir durch die 160Hz schon ein pulsierendes Magnetfeld erzeugen???

Aber an diesem Problem hänge ich jetzt seit längerem!
Wie soll oder kann ich das denn jetzt am besten lösen?!?
Dicker sollte die Spule ja eigentlich nicht werden.