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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.

ElektronischeSicherung.png
Bild 1: Die einfache elektronische Sicherung

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 an der Drain des MOSFET 5V. Ist Q2 eingeschaltet, ist die Drain-Spannung 0V.

In Bild 2 teilen wir diesen Zustand dem Transistor Q1 mit, indem wir den Widerstand R4 von der Drain von Q2 auf die Basis von Q1 legen. Ist Q2 ausgeschaltet, fließt ein Strom über R4 in die 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 seiner Drain steigt. Q1 bekommt über R4 etwas Strom und wird mehr aktiviert. Q2 leitet schlechter, seine Drain-Spannung steigt, über R4 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 R4. 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 am Ausgang gespiegelt. Die Schaltung ist nicht invertierend (nicht nicht).

Wenn wir den Ausgang auf den Eingang koppeln - über R4, dann 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 R4 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 3) zurückgreifen. Wir müssen sie nur ein wenig modifizieren:

ElektronischeSicherung2.png
Bild 3: Testschaltung einer elektronischen Sicherung

Die wesentlichen Änderungen sind, dass

  • Rm durch einen 33Ω Widerstand ersetzt wurde. Wir können auch drei parallele 100Ω nehmen.
  • Der Widerstand R4 für die Mitkopplung eingesetzt wurde.
  • Die Widerstände R9, R9 und R10 dienen als Grundlast.
  • Die LED1 bzw. LED3 und LED4 dienen als Test-Last für die Sicherung.
SteckbrettElektronischeSicherung-schaltend.png
Bild 4: Aufbau der Testschaltung

Versuche

Diese Versuche hängen von der Betriebsspannung und den verwendeten Transistoren, dem BC337 und dem 2N7000 ab.

Bei 5V wird die Sicherung früher auslösen, weil die Ströme größer sind.

Außerdem kann die Schwellenspannung des 2N7000 ebenso wie die Basis-Emitter-Spannung des BC337 die Ergebnisse beeinflussen.

1.
Sicherung ohne Last: Die LED1 muss aus sein.
2.
TP1 an die Sicherung anschließen: LED1 aus, LED2 an.
3.
TP2 zusätzlich an die Sicherung anschließen: LED1, LED2 und LED3?
4.
TP3 zusätzlich an die Sicherung anschließen: LED1, LED2, LED3 und LED4?
5.
TP3 wieder entfernen (TP1 und TP2 bleiben dran): LED1, LED2, LED3 und LED4?
6.
TP1, TP2 und TP3 entfernen: LED1, LED2, LED3 und LED4?
7.
Die Stromversorgung der Sicherung ausschalten: LED1 aus.

Die Sicherung löst aus, wenn TP3 geschlossen wird.

  • Mit 5V Versorgung löst sie schon aus, wenn TP2 geschlossen wird.

Bei diesen Versuchen verhält sich die Sicherung so, wie wir oben besprochen haben. Die Schaltung verhält sich wie eine Digitalschaltung: Die LEDs leuchten voll oder nicht.

Regeln

  • Eine Mitkopplung führt das Signal vom Ausgang auf den Eingang zurück.
  • Eine kräftige Mitkopplung
  • löst einen Lawineneffekt aus, es kommt zu plötzlichen Zustandsänderungen.
  • mit einer Schwelle neigt zu zwei Zuständen.

Fazit

Wir haben eine elektronische Sicherung kennengelernt, 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.
  • Der MOSFET 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 MOSFET 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.

Zusammenfassung

Die Abschaltung und Wiedereinschaltung wird durch Mitkopplung erreicht.

Der einzige Vorteil einer elektronischen Sicherung mit Abschaltung gegenüber einer ohne ist, dass der MOSFET keinen Kühlkörper benötigt.

Der hier eingesetzte 2N7000 sollte allerdings dennoch nicht über 50mA verwendet werden.


Im nächsten Praktikum behandeln wir eine elektronischen Sicherung, die mit einem geringen Spannungsabfall auskommt.