Hier ein kurzer Break

Falls ihr vorhabt, einen Frost-Regler zu bauen, dann haltet euch nicht lange mit diesem Artikel hier auf.
Dieser Artikel beschreibt in erster Linie die Vor-/und Nachteile verschiedener Transistoren und am Ende
kommt der Autor zum Schluß: MJ11015 ist doch die beste Variante.
Den Grund dafür, und was man statt MJ11015 mit MOSFET-Einsatz verbessern kann, steht in folgendem Artikel (weiter unten, unter "Praxis") zu lesen: 

http://joomla.barnsi.de/index.php?option=com_content&;view=article&id=89&Itemid=129

Hier meine Try&Error-Versuche mit der Frost-Schaltung 

barnsis Schaltung mit dem MJ15025.

Vorgenommene Änderungen: Curve-Regelung modifiziert, Darlington gegen PNP-Transistor MJ15025 getauscht. Der MJ15025 kann mehr Spannung "abgeben" als ein Darlington-Transistor das kann.
Ich habe mal nochmal nachgerechnet und getestet. Bei meinem Versuch mit einem Motor, der bei Vollaussteuerung der Transistoren 3A bei 10V-Bahnstrom "zieht", habe ich einen Verlust über dem MJ11015 von 0,3V im Vergleich zum MJ15025.
Das klingt jetzt vernachlässigbar, wenn man den Strom betrachtet, sieht man erst das Problem. Der fließt nämlich mit 0,2A weniger und multipliziert mit Motorspannung ergibt sich ein Leistungsverlust von 10%. Letztendlich fehlt der Strom am Motor und der treibt ihn schließlich an. Von Vorteil ist bei der Variante mit dieser Schaltung, ein Schleiferwiderstand von ca. 1kOhm. Damit bleibt der "Leckstrom" sehr gering.
Der "Leckstrom" ist der Strom, der durch den Motor fließt, ohne daß der Transistor durchsteuert. Der geht zwar durch den Rückkoppelzweig nicht verloren, setzt aber quasi einen Offset, der bei kleinen Motoren bereits zu Bewegung führt, ohne daß der Finger was macht.

Die "Verlustspannung" zwischen Kollektor und Emitter
Der Verstärkungsfaktor: Basisstrom / Kollektorstrom
Auffällig sind hier im ersten Diagramm: Bei z.B. 2 Ampere Strom im Kollektor haben wir eine Verlustspannung am MJ11015 von 0,8 Volt, beim MJ15025 nur 0,1 Volt.
Auffällig im zweiten Diagramm: Der Verstärkungsfaktor beim MJ11015 liegt zwar um Faktor 100 höher, ist aber sehr unstätig mit zunehmendem Strom, beim MJ15025 bleibt er relativ konstant.
Das nur mal am Rande, damit ihr besser vergleichen könnt und mir glaubt, daß ich mir das nicht aus den Fingern sauge. Datenblätter studieren ist ein lästiger Zeitvertreib.
Der Verstärkungsfaktor (engl. hFE) sollte im gesamten Strombereich idealerweise konstant sein, die "On Voltages" möglichst gering oder idealerweise Null Volt.

  • Überlegung 1: Wieviel Strom brauche ich wirklich? Braucht mein Motor die 30 Ampere, die ein MJ11015 zu liefern vermag?
  • Überlegung 2: Kann ich mit den Verlusten am Ausgang leben?
  • Überlegung 3: Möchte ich ein lineares Ansprechverhalten oder irgendwas anderes?
  • Überlegung 4: Mit einem Verstärkungsfaktor von 1000 brauche ich einen sehr geringen Steuerstrom, also einen Abgriff im Kiloohmbereich, kann ich das realisieren?
  • Überlegung 5: Was kostet das Teil?
  • Ergebnis: Mmmh, vielleicht ist der MJ11015 nicht ideal für mich?

Am Rande erwähnt: Mein Motor will immer nur das eine: S T R O M. Am Motor kann ich nichts verändern, die einzige Möglichkeit für mich heißt: S P A N N U N G!
MEHR Spannung: MEHR Strom, MEHR Magnetismus, MEHR Drehmoment, ganz einfach. Wenn mein Transistor mir 1 Volt von 10 Volt klaut, dann habe ich eine Stromeinbuße von mehr als 10%, das müsste doch jedem klar sein?
Deshalb brauche ich aber noch lange keinen PWM-Regler, sondern einfach nur einen geeigneteren Transistor, oder?

Rockmusik und Slotcars...

Ich habe mir mal nochmal Gedanken über den merkwürdigen MJ11015 gemacht. ...oder genauer: über dessen "komisches" Verstärungsverhalten.
Der MJ11015 hat noch einen Zwilling als NPN: den MJ11016, die beiden trifft man häufiger im Verbund.
Nein, nicht im Slotcarbereich, sondern als Endstufe in den alten Marshallverstärkern.
Die ersten Transistor-Marshalls hießen sogar MJ...
Cool.
Da das menschliche Ohr Lautstärkeänderungen nicht linear sondern eher menschlich-verbogen wahrnimmt, müssen natürlich die Endstufentransistoren dem Rechnung tragen und sich auch etwas biegen.
Ich schätze mal, unser ehrwürdiger Chris Frost, leidenschaftlicher Techniker spielt auch E-Gitarre und die ziemlich laut.
...und da die Endstufen dann öfter mal nachgeben, hatte er die Transistoren immer bei sich rumliegen.
Wäre doch möglich, oder?
...und da wir Masse auf einer Bahnlitze liegen haben, musste eben der MJ11015 als PNP daran glauben.
Sein armer Bruder, der MJ11016 fristet seither ein Dasein im Schatten der Slotscene, ganz zu Unrecht wie ich meine, aber die Welt ist halt schlecht...


Abgriff realisiert über ein Drahtpoti an Zahnrad oder über ein "Wiperboard", wie man es bei SCD bekommen kann.

  SCD-Wiperboard

Die gleiche Schaltung nochmal, mit angepassten Widerstandswerten für einen Abgriff mit 200 Ohm.

Schaltung 200 Ohm.

Die Schaltung ist immer so ausgelegt, daß der Transistor in Null-Lage aller Potentiometer bereits kurz vorm "Durchsteuern" ist. Allerdings ist bei 200 Ohm-Abgriff ein fünffach höherer "Leckstrom" als bei der 1k-Variante zu verzeichnen, der mit ca. 35mA aber noch im grünen Bereich liegt. Weniger als 200 Ohm im Abgriff zu verwenden, sehe ich kritisch und würde den nicht empfehlen.
Ich habe den 200 Ohm-Poti mal deshalb probiert, weil ich einen passenden Drahtwiderstandspoti in dieser Größe gefunden habe, der sehr leichtgängig ist. Damit würde ich gerne mal einen Versuch mit Alternativ-Abgriff wagen.

nochmal ne einfache Schaltung mit 9x33 (300) Ohm-Abgriff.

Frost Prinzip  Frost Prinzip  Zum einfacheren Verständnis der Frost-Schaltung.
Hier einmal mit MJ11015 und einmal mit MJ15025.
Im oberen Teil der Schaltung bewirkt ein Erhöhen der Widerstände (mehr Ohm) einen höheren Strom am Ausgang des Transistors (am Motor),
genauso wenn im unteren Teil der Schaltung die Widerstände kleiner werden.
Prinzipiell: der Abgriff im unteren Teil der Schaltung "saugt" den Strom aus der Basis des Transistors, das geht umso besser, je mehr der obere Teil "drückt" (Widerstände größer) und der untere gegen Masse immer kleiner wird (aber nicht kurzschließen!)

Größere Motoren, größere Ströme

Die Schaltung funktioniert in dieser Art bis etwa 4A Ausgangsstrom. Ab 4A nimmt der Basisstrom durch den MJ15025 dann einen Wert von ca. 80mA an, das bedeutet eine Verlustleistung von 250mW an dem letzten Wiper-39-Ohm-Widerstand und würde auf Dauer nicht gutgehen.
Mit 400mW Widerständen (die unwesentlich größer als die 200mW Widerstände sind) würde es bis 5A funktionieren.
Um die vollen 16A zu nutzen, die der MJ15025 "kann" muß nochmal ein Transistor, unterstützend als Vorstufe dazu. Der BD139 "kann" einen Basisstrom von 500mA ab und ist ideal dafür.
Die passende Schaltung dazu sieht dann so aus:

 

Frost 16A  Die Variante mit dem 1k-Wiperboard   Frost 16A  Die Variante mit einem 300Ohm-Abgriff

Ich habe die Schaltungen nochmal direkt miteinander verglichen und musste leider feststellen, daß sich die Vorteile des MJ15025 nur bis zu einem Strom von ca. 5A auswirken.
Ab 5A gewinnt der MJ11015 das Rennen, die Vorteile der integrierten Darlingtonstufe kommen dann erst zum Tragen und bewirken einen günstigeren Ausgangsstrom zum Motor.
Bei 5A beginnt die Verstärkungskurve des MJ15025 dann merklich einzuknicken und die Verlustspannung UCE zu steigen, er kann dann bis etwa 7A mit dem MJ11015 mithalten, dann ist Ende.
Voltage Drop   Hier nochmal die beiden im direkten Vergleich.
Daher meine Empfehlung: Ab 5A nimmt man dann doch besser das Design von John (siehe folgende Zeilen), bis 5A die Transistorvariante.

Auch die Standard Frost-Schaltung wurde verbessert

Neues Design der FROST-Schaltung, hier eine erweiterte Schaltung von John.
Interessant sind dabei zwei entscheidende Dinge, auf die ich bisher nicht gestoßen bin und den Transistor-Regler um einiges aufwerten:
1. John verwendet am Wiperboard zwei weniger Abgriffe. Die beiden freien Plätze wirken nicht mehr am Abgriffwiderstand, sondern stellen zwei Vorstufen zum Vollgaskontakt dar. Bestückt mit je einer Diode sorgen sie dafür, daß dieser Spannungssprung am Transistor nicht zum Tragen kommt. Wie ihr wisst, haben MJ11015 oder TIP147 mehr als 1 Volt Verlust am Kollektor-Emitter, durch die beiden Dioden wird das quasi umgangen. Allerdings muß man bei der Wahl der Dioden beachten, daß für Ströme bis ca. 2A nicht die 1N4007 sondern eine 1N5818 benötigt wird.
2. Seine neueste "Erfindung" ist ein kleines, zuschaltbares Zeitglied, das dafür sorgt, daß beim Beschleunigen aus Kurven heraus etwas "Punch" vom Auto genommen wird. Etwa 200ms verzögert zieht der Regler die Spannung nach, eine sehr coole Sache, wie ich meine. John testet das im Moment, lest am besten selbst, was er dazu zu sagen hat.

John

Diese Art: "Eingriff" in das Ansprechverhalten des Gashebels, realisiert über die kleine "Integrationsstufe" mit 200ms lässt sich auch sehr einfach in den Barnzih-Regler integrieren, schaut nach, falls es euch interessiert.