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

Details der elektronischen Sicherung für Spannungen bis 18V

Wir gehen von dem in Begrenzende elektronische Sicherung für Spannungen bis 18V vorgestellten Schaltbild aus.

Elektronische-Sicherung-Spiegel-foldback-18_s.png
Bild 1: Elektronische Sicherung für 3V bis 18V

Die Widerstände R4 und R6 sowie die Z-Diode D1 bewirken eine gewisse Mitkopplung.

Sie bewirkt, dass der Strom durch die Sicherung reduziert wird, wenn eine Spannung an ihr (am MOSFET Q3) abfällt.

Ein solches Verhalten wird als fold-back (umschlagen, zurückfalten) bezeichnet. Wir werden weiter unten sehen, warum dieser Name treffend ist.

Überschlägige Abschätzung

Wir betrachten zwei einfache Fälle für 100mA bei 18V Versorgungsspannung:

  • Die Sicherung hat nicht ausgelöst.
  • Der Ausgang ist kurzgeschlossen.

Die Sicherung hat nicht ausgelöst

Wenn die Sicherung nicht ausgelöst hat, ist Q3 eingeschaltet und die Spannung an R6 und D1 unter 100mV. D1 sperrt und es fließt kein Strom.

An R4 fällt nur eine sehr geringe Spannung ab:

Ic2 = (3V - 0,6V) / 22kΩ
Ic2 = 0,11mA
U4  = Ic2 * R4
U4  = 0,11mA * 1.3
U4  = 0,14mV

Die Sicherung löst bei 25mV am Messwiderstand Rs aus. Die Widerstände R25, R51, R52, R101 und R102 sind alle parallel geschaltet und ergeben Rs=0,25Ω. Damit ergeben sich die 100mA=25mV/0,25Ω.

Die Spannung U4=0,14mv ist gegen die 25mV klein (0,6%). Diese Abweichung können wir tolerieren.

Der Ausgang ist kurzgeschlossen

An R6 und D1 fällt die gesamte Versorgungsspannung von Uv=18V ab. Die Spannungen an R4 und Rs können wir vernachlässigen, da sie in der Gegend von 25mV sind.

Damit haben wir den Strom in R6:

I6 = (Uv - Ud1) / R6
I6 = (18V - 5,6V) / 1,0kΩ
I6 = 12,4mA

Dieser Strom erzeugt an R4 eine Spannung von

U4 = R4 * I6
U4 = 1,3Ω * 12,4mA
U4 = 16.1mV

Der Stromspiegel löst bei 25mV aus. Dann bleibt für Rs nur noch eine Spannung von 8.9mV und der Strom in Rs ist

Usi = 25mV
Us  = Usi - U4
Us  = 25mV - 15.1mV
Us  = 8.9mV
Is  = Us / Rs
Is  = 8.9mV / 0,125Ω
Is  = 71.2mA

Durch die Schaltung mit R4, R6 und D1 wird der Kurzschlussstrom bei Uv=18V auf 71mA begrenzt. Die Leistung an Q1 ist dann Is*Uv=18V*71.2mA=1,28W. Ohne die Schaltung wäre die Leistung 200mA*18V=1800mW=3,6W. Wir konnten die Leistung auf fast ein Drittel begrenzen.

Genauere Betrachtung

Um sicher zu gehen, dass wir maximale die Leistung an Q3 ermittelt haben, müssten wir die obigen Rechnungen für alle Versorgungsspannungen durchführen. Das überlassen wir dem Kollegen Computer.

Stromkennlinien-foldback.png
Bild 2: Stromkennlinien

Bild 2 zeigt, welche Kurzschlussströme sich bei verschiedenen Beschaltungen ergeben.

Ohne R6 und D1 ergibt sich die 200mA-Linie.

Wenn R6=1,8kΩ ist und D1 nicht eingebaut ist, sondern eine Verbindung, zeigt sich, dass auch bei Spannungen unter 5V der maximale Strom reduziert wird. Bei 18V fließen dann nur noch 96mA.

Die beiden anderen Kennlinien zeigen unter 5V einen Strom über 200mA. Das ist natürlich nicht der Fall. Die Rechnungen berücksichtigen nicht, dass die Z-Diode unter 5,6V nicht leitet.

Die Kennlinie für R6=750Ω zeigt, dass bei 18V nur noch 28mA fließen. Bei R6=1,0kΩ ist der Strom, wie oben berechnet, bei 71mA.

Leistungskennlinien-foldback.png
Bild 3: Leistungskennlinien

Die Kurven in Bild 3 zeigen die auftretenden Leistungen bei verschiedenen Versorgungsspannungen.

Ohne die Fold-Back-Schaltung ergibt sich die höchste Leistung von 3,6W bei 18V.

Die Kurven für fold-back zeigen, dass sich die höchste Leistung bei geringeren Spannungen als 18V ergibt. Sie zeigen vor allem, dass sich die Leistung sehr wohl reduzieren lässt. Am günstigsten erweisen sich R6=1,0kΩ und Ud=5,6V.

Höhere Werte für R6 nähern sich der Linie ohne fold-back, kleinere lassen bei 18V zu wenig Strom fließen.

Interessant ist die maximale Leistung. Sie beträgt für R6=1,0kΩ 1,6W und tritt bei etwa 12V auf. Es war also gut, genauer zu rechnen.

Wirkung von fold-back

Betrachten wir zunächst eine begrenzende Sicherung.

Sicherung_18V_100mA.png
Bild 5: 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 MOSFET Q3. 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 6: Fold-Back-Kennlinie

In Bild 6 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. Das ist die Spannung am MOSFET Q3 und die, die an R4, R6 und D1 wirksam sind.

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 44mmA. An Q3 sind dann 15.8V und 44mA also 348mW gegenüber 1,3W ohne fold-back.

Fold-back bei 20mA

Die Fold-Back-Schaltung ist sinnvoll ab 100mA und 18V.

Ohne fold-back ergibt sich bei einem Kurzschlussstrom von 100mA und 18V eine Leistung von 100mA*18V=1,8W. Das ist etwas über den 1,6W für Fold-Back bei 18V und 200mA.

Ohne fold-back ergibt sich bei einem Kurzschlussstrom von 50mA und 18V eine Leistung von 50mA*18V=900mW. Das ist unter den 1,6W für Fold-Back bei 200mA.

Bei einem Kurzschlussstrom von 20mA und 18V ergibt sich eine Leistung von 20mA*18V=360mW.

Wir könnten bei 20mA und 50mA fold-back ganz ausschalten und bei 100mA modifizieren. Damit wird die Schaltung komplexer. Wir wenden einen einfachen Trick an. Der Strom durch R6 fließt zum Ausgang. R6 wurde so bemessen, dass bei 20mA der aufgrund von float-back reduzierte Strom durch R6 fließt.

Stromkennlinien-foldback-I.png
Bild 7: Stromkennlinien mit kompensiertem Strom

In Bild 7 stellt die grüne Linie die Wirkung der Fold-Back-Schaltung bei 20mA dar. Bei 18V würde der Strom auf etwa 7mA reduziert werden. Die hellblaue Linie beinhaltet den Strom durch R6. Sie ist bei 18V nur wenig unter 20mA. Die violette Linie ist nicht genau 20mA, weil 25mV/1,2Ω=20,8mA sind.

Die gelbe und die dunkelblaue Linie zeigen das Verhalten bei 50mA. Bei 18V sinkt der Strom nur noch auf 28mA.

  • Bleibt noch die Leistung in R6. Der Strom durch R6 ist bei 18V Versorgungsspannung (18V-5,6V)/1kΩ=12,4mA. Damit ist die Leistung (18V-5,6V)*12,4mA=154mW. Das verkraftet ein 250mW-Widerstand leicht. In der Z-Diode D1 fallen 5,6V*12,4mA=70mW ab.

Fazit

Durch die Fold-Back-Schaltung mit R4, R6 und D1 konnte die maximale Leistung am MOSFET Q3 von 3,6W auf 1,6W begrenzt werden. Es kann ein wesentlich kleinerer Kühlkörper verwendet werden.

P    = 0.8W
Kk   = 24K/W
Kq   = 2.5K/W

Tmax = 25°C + P * ( Kk + Kq)
Tmax = 25°C + 1.6W * ( 24K/W + 2.5K/W )
Tmax = 67.4°C

Die Temperatur von 67°C ist soeben noch vertretbar. Dieses ist allerdings die Temperatur des Chips. Die Oberflächentemperatur des Kühlkörpers wird niedriger sein. Ohne fold-back wären es 126°C.