Vergleich elektronischer Sicherungen

Messung des Stroms

An dieser Stelle untersuchen wir die elektronischen Sicherungen genauer und messen die Ströme durch die Sicherung und die Spannung am Ausgang.

Das Amperemeter befindet sich im Stromkreis der Last. Das Voltmeter ist nicht unbedingt erforderlich.

Wir vergleichen drei Fälle:

• R_x = 10kΩ (schwache Mitkopplung)

• R_x = 1kΩ (starke Mitkopplung)

• ohne R_x (begrenzende elektronische Sicherung)

Fall	TPs geschlossen	Isi 10kΩ	Usi 10kΩ	Isi 1kΩ	Usi 1kΩ	Isi ohne	Usi ohne
1	-	0,0mA	4,4V	0,0mA	4,4V	0,0mA	4,4V
2	TPA	6,4mA	4,2V	6,4mA	4,2V	6,4mA	4,2V
3	TPA, TP1	10,1mA	4,1V	10,1mA	4,1V	10,1mA	4,1V
4	TPA, TP1, TP2	17,3mA	3,9V	2,9mA	0,9V	17,3mA	3,9V
5	TPA, TP1, TP2, TP3	11,4mA	1,4V	3,3mA	0,4V	18,4mA	2,3V
6	TPA, TP1, TP2, TP3, TP4	7,0mA	0,0V	3,8mA	0,0V	18,4mA	0,0V
7	TPA, TP1, TP2, TP3	11,4mA	1,4V	3,3mA	0,4V	18,4mA	2,3V
8	TPA, TP1, TP2	17,3mA	3,9V	2,9mA	0,9V	17,3mA	3,9V
9	TPA, TP1	10,1mA	4,1V	2,0mA	1,8V	10,1mA	4,1V
10	TPA	6,4mA	4,2V	1,4mA	2,4V	6,4mA	4,2V
11	TPA, TP1	10,1mA	4,1V	2,0mA	1,8V	10,1mA	4,1V
12	TPA	6,4mA	4,2V	1,4mA	2,4V	6,4mA	4,2V
13	-	0,0mA	4,4V	0,0mA	4,4V	0,0mA	4,4V
14	TPA	6,4mA	4,2V	6,4mA	4,2V	6,4mA	4,2V

Tabelle 1: Ergebnisse der Messungen

In Bild 3 sind die Messungen in einem Diagramm dargestellt.

• Die Spannung nach oben und

• der Strom nach rechts.

Die markierten Punkte sind die Messwerte. Die Zahlen bei den Messwerten sind die Fälle. Die Zahlen in Klammern bezeichnen die Fälle bei R_x=1kΩ. Benachbarte Punkte sind durch farbige Linien verbunden.

Verhalten ohne Rückkopplung

Die elektronische Sicherung ohne Rückkopplung enthält kein R_x. Es ist die begrenzende Sicherung.

Sie wird die violette Kurve dargestellt. Sie wird oben von der blauen (R_x=1k) und der grünen Kurve (R_x=10k) überlagert und hat dort den gleichen Verlauf.

Bei Strömen von 0mA bis 17,3mA (Fälle 1 bis 4) fällt die Ausgangsspannung etwas ab. Dieses ist auf den Messwiderstand R₂₀ zurückzuführen.

Mit zunehmender Belastung wird der Strom auf 18,4mA begrenzt. Im Fall 5 sinkt die Ausgangsspannung auf 2,3V und im Fall 6, dem Kurzschluss, auf 0V. Die elektronische Sicherung begrenzt den Strom auf 18,4mA.

Wird die Last reduziert, steigt die Ausgangsspannung wieder an (Fall 7). Bei noch geringerer Last begrenzt die Sicherung nicht mehr.

In allen Fällen mit gleicher Last ergeben sich die gleichen Werte für Strom und Spannung.

Die violette Kurve zeigt sehr gut die Wirkung der begrenzenden elektronischen Sicherung. Bei Strömen unterhalb des Sicherungsstroms fällt an der Sicherung nur eine geringe Spannung ab. Bei größeren Lasten wird die Ausgangsspannung so weit reduziert, dass der Sicherungsstrom fließt.

Verhalten mit starker Rückkopplung

Die elektronische Sicherung mit starker Rückkopplung enthält R_x=1kΩ. Es ist die abschaltende Sicherung.

Dazu gehört die blaue Kurve.

Bei Strömen von 0mA bis 10,1mA (Fälle 1 bis 3) fällt die Ausgangsspannung ein wenig ab. Dieses ist auf den Messwiderstand R₂₀ zurückzuführen.

Wird die Last weiter erhöht (Fall 4), sinkt der Ausgangsstrom auf 2,9mA und die Ausgangsspannung auf 0,9V. Die Sicherung hat abgeschaltet. Der Strom von 2,9mA fließt über den Widerstand R_x=1kΩ. Wird die Last weiter erhöht (Fall 5) steigt der Strom auf 3,3mA und Ausgangsspannung sinkt auf 0,4V. Beim Kurzschluss (Fall 6) fließt ein Strom von 3,8mA.

Der Strom durch R_x ist beim Kurzschluss:

   Ux = Ubat - Ube1
   Ux = 4,4V - 0,6V = 3,8V
   Ix = Ux  / Rx
   Ix = 3,8V / 1kΩ = 3,8mA

Unsere Annahme, dass der geringe Strom durch die abgeschaltete Sicherung durch R_x verursacht wird, stimmt also.

Eine Veränderung der Last (Fälle 7 bis 12) bewirkt nur eine Änderung des kleinen Stroms, der durch R_x verursacht wird.

Erst, wenn die Last vollständig entfernt wird (Fall 13), schaltet die Sicherung wieder ein. Wenn wir jetzt die Last wieder erhöhen (Fall 14), ist die Sicherung wieder eingeschaltet.

Die blaue Kurve verdeutlicht das abschaltende Verhalten durch den rückläufigen Sprung (Fälle 3 auf 4). Die Sicherung bleibt ausgeschaltet bis der Stromkreis unterbrochen wird.

Verhalten mit schwacher Rückkopplung

Die elektronische Sicherung mit schwacher Rückkopplung enthält R_x=10kΩ.

Dazu gehört die grüne Kurve. Sie wird oben von der blauen Kurve (R_x=1k) überlagert und hat dort den gleichen Verlauf.

Bei Strömen von 0mA bis 17,3mA (Fälle 1 bis 4) fällt die Ausgangsspannung etwas ab. Dieses ist auf den Messwiderstand R₂₀ zurückzuführen.

Wird die Last weiter erhöht (Fall 5), sinkt der Ausgangsstrom auf 11,4mA und die Ausgangsspannung auf 1,4V. Die Sicherung hat nur teilweise abgeschaltet.

Hätte sie ganz abgeschaltet, würden nur 3,3mA fließen.
Bei einer Begrenzung würden 18,4mA fließen.

Beim Kurzschluss (Fall 6) fließt ein Strom von 7,0mA.

Interessant ist das Verhalten, wenn die Last wieder reduziert wird. Die Werte der Fälle 5 und 7 stimmen überein. Wird die Last aber noch weiter reduziert (Fall 8), haben wir Werte, die mit denen der eingeschalteten Sicherung übereinstimmen. Dass die Sicherung tatsächlich eingeschaltet hat belegen die Fälle 9 und 10.

Diese Sicherung zeigt nach dem Auslösen eine Reduzierung des Stroms. Die grüne Kurve verläuft dann "rückwärts". Dieses Verhalten wird als "Foldback" bezeichnet.

Der Sinn von Foldback-Verhalten

Wir betrachten hier den Sinn der drei Varianten elektronischer Sicherungen

• begrenzende Sicherung

• abschaltende Sicherung

• Sicherung mit Foldback-Verhalten

Vom Verhalten her ist die begrenzende Sicherung die beste.

• Sie verhindert eine Überlastung der Last.

• Sie liefert noch Strom, um im Falle einer Überlastung die Ursache untersuchen zu können.

Sie hat aber auch einen Nachteil:

• Der Ausgangstransistor Q2 muss eine hohe Leistung aufnehmen.

• Diese Leistung ist am höchsten, wenn der Ausgang kurzgeschlossen ist:
  P₂ = I_si * U_bat

Dieses kann zu einer starken Erwärmung bis hin zur Überlastung des Ausgangstransistors Q2 führen.

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