../../../icons/Logo.pngPraktische Elektronik


Wir betrachten eine reduzierende elektronische Sicherung.


list.png

Reduzierende elektronische Sicherung

Wir haben bis jetzt zwei Arten von elektronischen Sicherungen betrachtet

Beide haben ihre Vor- und Nachteile

Begrenzende Sicherung

Die begrenzende Sicherung

  • begrenzt den Strom auf einen für die zu schützende Schaltung ungefährlichen Wert,
  • unterstützt kurzzeitige Überlastung
  • schaltet sich automatisch wieder ein.
  • Der Nachteil ist die hohe Leistung am Ausgangstransistor Q2, die zu dessen Erhitzen führt.

Abschaltende Sicherung

Die abschaltende Sicherung

  • löst bei einem bestimmten Strom aus und reduziert den Strom auf Null, aber
  • löst auch bei kurzzeitiger Überlastung aus.
  • Die Leistung am Ausgangstransistor ist gering.

Optimale elektronische Sicherung

Die optimale Sicherung

  • begrenzt den Strom auf einen für die zu schützende Schaltung ungefährlichen Wert,
  • unterstützt kurzzeitige Überlastung
  • schaltet sich automatisch wieder ein und
  • hat eine geringe Leistung am Ausgangstransistor.

Wir möchten eine begrenzende Sicherung mit geringer Leistung am Ausgangstransistor Q2.

Leider lässt sich dieses nicht einfach erreichen. Ein guter Kompromiss wäre begrenzende Sicherung mit verringerter Leistung am Ausgangstransistor Q2.

Geringe Mitkopplung

ElektronischeSicherung-schaltend.png
Bild 1: Elektronische Sicherung mit Mitkopplung

Wenn wir Rx entfernen haben wir keine Mitkopplung. Mit Rx haben wir sie.

  • Gibt es auch halbe Mitkopplung?

Tauschen wir Rx gegen einen größeren Widerstand aus. Wir nehmen 10kΩ.

Dann schaltet unsere Sicherung nicht mehr so plötzlich aus und auch nur teilweise.

Interessanterweise schaltet sie wieder ein, wenn die Last verringert wird.

Eigene Versuche

Wir können auf die in Elektronische Sicherung mit Abschaltung vorgestellte Testschaltung (Bild 3) zurückgreifen.

ElektronischeSicherung2_s.png
Bild 2: Testschaltung der elektronischen Sicherung

Wir setzen für die Mitkopplung einen Widerstand Rx=1kΩ ein.

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

Diese elektronische Sicherung verhält sich fast wie eine mit Strombegrenzung. Sie schaltet sich automatisch wieder ein, wenn die Überlastung entfernt wird. Sie schaltet allerdings etwas drastischer aus als die ohne Mitkopplung.

Verhalten

Wir haben ein eigenartiges Verhalten.

  • Die Sicherung löst nur teilweise aus.
  • Sie begrenzt den Strom wie eine Sicherung ohne Mitkopplung
  • Sie reduziert dem Strom bei höheren Belastung
  • Sie schaltet bei Verringerung der Last wieder ein.

Dieses Verhalten kommt unseren Vorstellungen von einer elektronischen Sicherung sehr nahe.

  • Sie schützt die Schaltung am Ausgang und
  • schaltet automatisch wieder ein.

Der interessanteste Effekt ist, die Reduktion des Stroms bei hoher Last.

Reduzierende Sicherung

Die Reduzierende Sicherung begrenzt den Strom. Die höherer Belastung wird der Strom reduziert.

Wenn die Last größer wird, wird die Spannung am Ausgangstransistor Q2 größer und damit auch die Leistung. Diese Schaltung reduziert den Strom bei höherer Last. Die Leistung wird damit reduziert. Beim Kurzschluss fließt ein relativ geringer Strom während am Ausgangstransistor die volle Betriebsspannung abfällt.

Die reduzierende Sicherung begrenzt den Strom.

Sie unterstützt kurzzeitige Überlastung

Die Leistung am Ausgangstransistor ist geringer als bei der begrenzenden Sicherung.

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,
  • ermöglicht nicht die Suche der Ursache für die Überlastung,
  • aber führt zu relativ geringen Leistungen im Ausgangstransistor.
  • Eine elektronische Sicherung mit foldback
  • ist bei Reduzierung der Last sofort wieder betriebsbereit.
  • ermöglicht die Suche der Ursache für die Überlastung und
  • führt zu geringeren Leistungen im Ausgangstransistor als bei Begrenzung.

Wirkung von fold-back

Die folgenden Kennlinien beschreiben eine elektronische Sicherung für 100mA und bis zu 18V. Sie entspricht dem Prinzip in Bild 1. Allerdings sind vor allem die Widerstände Rm, R1 und Rx angepasst worden. Es ist auch ein Ausgangstransistor nötig, der die hohen Leistungen bewältigen kann.

Betrachten wir zunächst eine begrenzende Sicherung.

Sicherung_18V_100mA.png
Bild 3: Kennlinie einer begrenzenden Sicherung

Die schwarze Kennlinie zeigt, dass bis 100mA die Sicherung keinen Spannungsabfall hat. Bei 100mA fällt die Kennlinie abrupt ab.

Durch einen Widerstand von 500Ω oder 400Ω fließen bei 18V unter 100mA. Wir können ablesen, dass 36mA bzw. 90mA fließen.

Bei 100Ω und 50Ω wird der Strom auf 100mA begrenzt. Wir können Spannungen von 10V und 5V ablesen. Die Sicherung schaltet also nicht völlig ab, sondern reduziert die Ausgangsspannung so weit, dass durch den Lastwiderstand 100mA fließen.

Beim 100Ω-Widerstand haben wir 18V-10V=8V am Transistor Q2. Das ergibt mit 100mA Strom eine Leistung von 0,8W. Mit 50Ω fallen an Q3 13V und eine Leistung von 1,3W ab.

Sicherung_18V_100mA_foldback.png
Bild 4: Fold-Back-Kennlinie

In Bild 4 ist die Wirkung der elektronischen Sicherung mit fold-back dargestellt. Die schwarze Kennlinie zeigt, dass nach dem Überschreiten des maximalen Stroms von 100mA der Strom reduziert wird. Je geringer die Ausgangsspannung ist, umso größer ist die Spannungsdifferenz zwischen der Versorgungsspannung vom 18V und der Ausgangsspannung.

Die Kennlinie zeigt deutlich, warum diese Schaltung fold-back, zurückfalten heißt.

Bei einer Last von 100Ω ergeben sich 5,6V und 56mA. An Q3 sind dann 12,4V und 56mA also 694mW gegenüber 0,8W ohne fold-back.

Bei einer Last von 50Ω ergeben sich 2,2V und 44mA. An Q3 sind dann 15.8V und 44mA also 348mW gegenüber 1,3W ohne fold-back.

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

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