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Praktische Elektronik


Wir bauen eine elektronische Sicherung für unsere Versuche.


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Praktikum

Analogtechnik

Einfache elektronische Sicherungen

Inhalt

Berechnung des Messwiderstands

Elektronische Sicherung mit Abschaltung

Elektronische Sicherung mit Stromspiegel


Einfache elektronische Sicherungen

Wir wenden unser Wissen aus den vorherigen Praktika an und bauen eine elektronische Sicherung.

Bei unseren Versuchen kann es passieren, dass wir eine Schaltung fehlerhaft aufbauen. Dadurch können Bauelemente zerstört werden. Die Ursache ist bei unseren Schaltungen mit 5V (bis 12V) fast immer ein zu hoher Strom. Eine Sicherung schaltet den Strom ab, wenn er zu groß wird.

Leider gibt es keine Sicherungen, die bei den sehr kleinen Strömen, mit denen wir arbeiten, funktionieren. Es gibt 50mA-Sicherungen, die aber zu langsam regieren.

Wir bauen eine eigene Schaltung.

Überstromanzeige

Die Schaltung der Überstromanzeige ist einfach. Sie besteht aus einem NPN-Transistor, drei Widerständen und einer LED. Drei weitere LEDs sind unsere Last.

Ueberstromanzeige.png
Bild 1: Versuchsschaltung für eine Überstromanzeige

Im wesentlichen entspricht sie der Schaltung eines Inverters. Neu ist der Widerstand Rm mit dem der Strom von den drei übrigen LEDs gemessen wird. Für unsere Versuche nehmen wir einen 220Ω Widerstand. Der Farbcode ist rot - rot - braun - gold oder rot - rot - schwarz - schwarz - braun.

Wir bauen die Schaltung auf dem Steckbrett auf.

SteckbrettUeberstromanzeige.png
Bild 2: Aufbau der Versuchsschaltung für eine Überstromanzeige

Die Leitungen zu den 3 LEDs kann unterbrochen werden. Wir schließen eine, zwei und drei LEDs an. In allen Fällen leuchten die LEDs. Wenn zwei oder drei LEDs angeschlossen werden, leuchtet unsere Überstromanzeige.

Wir können messen, dass der Strom bei zwei oder drei LEDs zu groß ist.

Attention idea Wir könnten versuchen, einen MOS-FET anstelle des NPN-Transistors einzusetzen. Die Schaltung würde auch funktionieren, aber am Messwiderstand Rm müssten dann etwa 2V abfallen. Beim NPN-Transistor sind es nur 0,6V.

Dieses ist einer Fälle, wo ein Transistor besser als ein MOS-FET ist.

Elektronische Sicherung

Eigentlich ist es ganz einfach. Wenn die Überstromanzeige feststellt, dass der Strom zu groß ist, könnte sie den Strom ausschalten. Die Logik ist

Strom-zu-groß -> Strom aus.

Das ist nichts anderes als ein Inverter. Wir müssen an den Ausgang der Überstromanzeige einen Inverter anschließen. Ein IC ist viel zu aufwändig. Wir nehmen einen Transistor, aber keinen NPN-Transistor, sondern einen MOSFET. Für unsere Zwecke reicht ein 2N7000.

ElektronischeSicherung1.png
Bild 3: Testschaltung eine elektronischen Sicherung

Der Widerstand R6 sorgt dafür, dass am Gate des MOSFET tatsächlich +5V liegen, wenn der Transistor Q1 sperrt. Die LED1 könnte das verhindern.

SteckbrettElektronischeSicherung.png
Bild 4: Aufbau der elektronischen Sicherung

Die Sicherung löst bei einer LED am Ausgang nicht aus. Bei drei LEDs schaltet die Sicherung nicht aus, sondern verringert den Strom. Das können wir gut erkennen, wenn wir zu der roten Last-LED die beiden anderen anschließen. Zwar leuchten alle drei LEDs, die rote wird allerdings merklich dunkler, d.h. sie bekommt weniger Strom.

Unsere elektronische Sicherung schaltet den Strom nicht einfach ab, sondern begrenzt ihn. Dieses Verhalten hat den Vorteil, dass die Schaltung bei kurzzeitiger Überlastung wirkt, aber danach sofort wieder bereit ist.

Elektronische 20mA-Sicherung

Die obige Schaltung löst bereits bei etwa 3mA aus. Das ist natürlich viel zu gering. Für unsere ersten Versuche kommen wir mit 20mA gut aus. Dazu müssen wird den Messwiderstand Rm auf 30Ω anpassen. Der Farbcode ist orange - schwarz - schwarz - gold oder orange - schwarz - schwarz - gold - braun.

ElektronischeSicherung.png
Bild 5: Die fertige elektronische Sicherung

Diese Schaltung bauen wir auf einem eigenen Steckbrett fest auf und schließen auch die Batterie fest an. Beim Aufbau bitte ganz links beginnen, weil noch weitere Schaltungen hinzukommen.

Für unsere Versuche nehmen wir die beiden Ausgänge Sicherung +5V und Sicherung - als Stromversorgung.

Die Sicherung löst bei 20mA aus. Damit können wir sicher sein, dass kein Bauteil mehr zerstört werden kann. Die gesamte Stromversorgung kann über den Schalter der Batterie ausgeschaltet werden. Die elektronische Sicherung selbst verbraucht keinen Strom, wenn keine Last angeschlossen ist.

Für eine kräftigere Sicherung ist der 2N7000 allerdings zu schwach. Wir können ihn bis 50mA verwenden - mit Rm = 12Ω oder 30Ω parallel zu 20Ω. Allerdings sind 50mA für viele Bauteile schon bedrohlich. Wir bleiben bei 20mA.

Eine bessere und einstellbare elektronische Sicherung, die auch höhere Ströme zulässt ist hilfreicher. Sie wird in Elektronische Sicherungen vorgestellt und kann auf einer Platine aufgebaut werden, wenn wir löten können.

Weitere Versuche

  • Die beiden Ausgänge einfach miteinander verbinden - kurzschließen.
  • Eine LED unmittelbar an die Ausgänge Sicherung +5V und Sicherung - anschließen.