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Wir betrachten eine abschaltende elektronische Sicherung.


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Elektronische Sicherung mit Abschaltung

Wir haben einfache elektronische Sicherung betrachtet. Diese Schaltung benötigt für größere Ströme einen Leistungstransistor, der mit einem Kühlkörper gekühlt werden muss. Die Sicherung begrenzt den maximalen Strom.

Wir werden hier eine Schaltung betrachten, die wie eine normale Sicherung abschaltet, wenn der Strom zu groß wird.

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Bild 1: Die einfache elektronische Sicherung

Elektronische Sicherung mit Gedächtnis

Der Strom durch die Sicherung wird mit dem Messwiderstand Rm in eine Spannung umgewandelt und diese mit der Basis-Emitter-Spannung des Transistors T1 verglichen. Wenn die Spannung größer als 0,6V ist, löst die Sicherung aus, aber begrenzt den Strom derart, dass er nicht größer als der eingestellte Wert wird.

Der Transistor Q1 erkennt, dass der Strom zu groß ist und regelt den MOSFET Q2 so, dass der Strom begrenzt wird. Würde T1 einfach ganz einschalten, würde er damit Q2 abschalten und dieser den Strom. So läuft es aber nicht, durch den geringeren Strom würde T1 wieder ausschalten, Q2 ein, der Strom ...

ElektronischeSicherung-schaltend.png
Bild 2: Elektronische Sicherung mit Mitkopplung

Die Sicherung müsste sich merken können, dass sie ausgelöst hat. Sie hat ausgelöst, wenn Q2 ausgeschaltet ist. In diesem Fall ist die Spannung am Kollektor des von Q2 0V. Ist Q2 eingeschaltet, ist die Kollektor-Spannung 5V.

In Bild 2 teilen wir diesen Zustand dem Transistor Q1 mit, indem wir den Widerstand Rx vom Kollektor von Q2 auf die Basis von Q1 legen. Ist Q2 ausgeschaltet, fließt ein Strom über Rx von der Basis von Q1: Q1 schaltet ein und damit Q2 aus. Passt!

Ist Q2 eingeschaltet, fließt dieser Strom nicht. Q1 bleibt ausgeschaltet und damit Q2 eingeschaltet. Passt! auch

Aber löst die Sicherung überhaupt aus?

Wir erhöhen den Strom durch die Sicherung. Damit steigt die Spannung am Messwiderstand Rm. Bis sie 0,6V erreicht und den Transistor Q1 aktiviert. Dann leitet Q2 nicht mehr so gut. Die Spannung an seinem Kollektor steigt. Q1 bekommt über Rx etwas Strom und wird mehr aktiviert. Q2 leitet schlechter, seine Kollektor-Spannung fällt, über Rx fließt mehr Strom und ... Wie eine Lawine. Plötzlich schaltet Q1 ein und Q2 aus. Die Sicherung hat ausgelöst.

Und das wars. Wir müssen die Sicherung auswechseln :-)

Fast. Wir nehmen die Last von der Sicherung. Dann kann kein Strom mehr fließen, auch nicht durch Rx. Der Transistor Q1 ist wieder ausgeschaltet - Q2 ist eingeschaltet und die Sicherung wieder betriebsbereit. Hurra, die Sicherung funktioniert!

Mitkopplung

Logisch besteht unsere Schaltung aus zwei hinter einander geschalteten Invertern. NOT hinter NOT. Über alles betrachtet, wird der Zustand am Eingang an den Ausgang gespiegelt. Die Schaltung ist nicht invertierend (nicht nicht).

Wenn wir den Ausgang auf den Eingang koppeln - über Rx, hat das eigentlich keine Wirkung. Der Zustand der Schaltung bleibt erhalten. Bringen wir allerdings die Schaltung ein wenig aus dem Gleichgewicht - indem wir über Rm Q1 ein wenig aktivieren, kippt die Schaltung in den AUS-Zustand um.

Diesen Zustand können wir wieder stören, indem wir die Last entfernen. Es reicht sogar sie so weit zu verringern, dass der Strom in Rx nicht mehr ausreicht und Q1 schlechter leitet. Dann kippt die Schaltung wieder in den EIN-Zustand.

Diese Art der Kopplung, vom Ausgang einer nicht invertierenden Schaltung auf seinen Eingang, wird als Mitkopplung bezeichnet.

Unsere Mitkopplung wird erst ausgelöst, wenn eine Schwelle überschritten wurde:

  • Der Strom in Rm erzeugt eine Spannung über 0,6V
  • Der Strom durch die Last reicht nicht mehr aus, dass Q1 eingeschaltet bleibt.

Das ist das Prinzip. Wir wollen uns aber nicht mit den Theorien darüber beschäftigen.

Eigene Versuche

Wir können auf die in einfache elektronische Sicherung vorgestellte Testschaltung (Bild 5) zurückgreifen. Wir müssen sie nur ein wenig modifizieren:

ElektronischeSicherung2_s.png
Bild 3: Testschaltung der elektronischen Sicherung

Es gibt zwei Änderungen:

  • Der Widerstand Rx wurde für die Mitkopplung eingesetzt.
  • Mit einer neuen Drahtbrücke TPA können wir die drei LEDs der Anzeige ausschalten.

Versuche

Die folgenden Versuche hängen von den verwendeten Transistoren ab. Die Basis-Emitter-Spannung der BC337 und deren Stromverstärkung kann die Ergebnisse beeinflussen.

Fall TPs geschlossen LED1 LED3, LED4 und LED5
1 TPA leuchtet leuchten
2 TPA, TP1 leuchtet leuchten
3 TPA, TP1, TP2 aus aus
4 TPA, TP1, TP2, TP3 aus aus
5 TPA, TP1, TP2 aus aus
6 TPA, TP1 aus aus
7 TPA aus glimmen
8 TPA, TP1 aus aus
9 - leuchtet aus
10 TPA leuchtet leuchten

Die Sicherung löst aus, wenn TP1 und TP2 geschlossen wird.

Bei diesen Versuchen verhält sich die Sicherung nicht ganz so, wie wir oben besprochen haben.

Im Fall 7 glimmen die Anzeige-LEDs. Die LED1 der Sicherung ist allerdings aus.

Die LED1 zeigt an, dass die Sicherung ausgeschaltet hat, aber dennoch fließt Strom in die Anzeige-LEDs.

Dieser Strom fließt nicht über den Transistor Q2, sondern über den Widerstand Rx.

Der Fall 8 zeigt, dass die Sicherung tatsächlich ausgeschaltet ist.

Wenn die gesamte Last ausschalten (Fall 9) und dann die Anzeige wieder einschalten (Fall 10), ist die Sicherung wieder eingeschaltet.

Fazit

Wir haben eine elektronische Sicherung kennen gelernt, die bei Überstrom ausschaltet. Sie wird wieder eingeschaltet, wenn die Last abgenommen wird.

Vor- und Nachteile der Abschaltung

Wir vergleichen die elektronische Sicherung ohne und mit Abschaltung.

  • Die elektronische Sicherung ohne Abschaltung begrenzt den Strom. Wir können noch in der Schaltung messen, wenn die Sicherung ausgelöst hat.
  • Der Ausgangstransistor Q2 der elektronische Sicherung ohne Abschaltung wird bei größeren Strömen stark belastet. Er wird heiß und muss mit einem Kühlkörper gekühlt werden.
  • Die elektronische Sicherung mit Abschaltung schaltet den Strom ab. Wir können dann nicht mehr messen.
  • Die elektronische Sicherung mit Abschaltung schaltet auch bei kurzzeitiger Überlastung ab.
  • Dieser Effekt tritt leicht bei Schaltungen mit Kondensatoren auftritt.
  • Die elektronische Sicherung mit Abschaltung belastet den Ausgangstransistor Q2 sehr wenig. Er muss nicht gekühlt werden.
  • Die elektronische Sicherung mit Abschaltung schaltet nicht automatisch wieder ein, wenn der Strom geringer wird. Wir müssen die Last vom Stromkreis trennen.

Leistung am Ausgangstransistor

Der Strom durch die elektronische Sicherung fließt durch den Ausgangstransistor.

Beim Kurzschluss das Ausgangs liegt am Ausgangstransistor Q2 die gesamte Spannung Ubat. Aa aber die Sicherung abschaltet fließt kein Strom durch die Sicherung und damit auch nicht durch den Ausgangstransistor Q2: Isi=0
Die Leistung an Q2 ist 0W.

Wenn die Sicherung eingeschaltet ist, fällt am Ausgangstransistor Q2 keine Spannung ab:
Die Leistung an Q2 ist 0W (oder sehr klein).

Der Ausgangstransistor muss die gesamte Leistung aufnehmen:

P2 = Ubat * Isi
P2 = 4,5V * 20mA = 90mW
P2 = 4,5V * 20mA = 90mW = 225mW

Das sind geringe Leistungen, aber ein BC325 wir bei 225mW schon etwas warm. Ein BC325 kann mit bis zu 400mW belastet werden.

Regeln

  • Eine Mitkopplung führt das Signal vom Ausgang auf den Eingang zurück.
  • Eine elektronische Sicherung mit Strombegrenzung
  • ist bei Reduzierung der Last sofort wieder betriebsbereit,
  • ermöglicht die Suche der Ursache für die Überlastung und
  • kann zu hohen Leistungen im Ausgangstransistor führen.
  • Eine elektronische Sicherung mit Abschaltung
  • schaltet bei Überlastung ab,
  • erst wieder ein, wenn die Last entfernt wurde,