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Elektronische Sicherung für kleine Ströme mit kleinem Spannungsabfall


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Elektronische Sicherung für 3V bis 5V

LDO = Low-Drop-Out = kleiner Spannungsabfall

Attention sticker

Die Begrenzende LDO-Sicherung für 3-18V

  • ist eine Alternative,
  • die nur wenig komplexer,
  • aber für höhere Spannungen geeignet ist.

Wir gehen von der Schaltung aus, die im Praktikum Elektronische Sicherung mit Stromspiegel vorgestellt wurde.

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Bild 1: Elektronische Sicherung mit kleinem Spannungsabfall

Höherer Strom

Die elektronische Sicherung mit kleinem Spannungsabfall in Bild 1 ist nur für Ströme bis zu 50mA geeignet. Für höhere Ströme benötigt der Transistor Q3 einen höheren Basisstrom.

Wir wählen eine andere Variante: Wir ersetzen den Ausgangstransistor durch einen MOSFET. Dieses kennen wir aus dem Praktikum Elektronische Sicherung mit MOSFET.

ElektronischeSicherung-mit-Spiegel-MOSFET.png
Bild 2: Elektronische Sicherung mit kleinem Spannungsabfall und MOSFET

Die Werte für R1 und R2 wurden angepasst.

Verpolungsschutz

Den Verpolungsschutz kennen wir bereits:

Verpolungsschutz_2.png
Bild 3: Verpolungsschutz mit zwei LEDs und P-MOSFET

Umschalter für Strom

Wir wollen den Auslösestrom der Sicherung umschalten können. Dazu muss der Widerstand Rm für die Ströme entsprechend ausgelegt werden:

Die Sicherung löst bei etwa 25mV an Rm aus.

Auslösestrom Rm
20mA 1,2Ω
50mA 0,5Ω
100mA 0,25Ω

Wenn wir einen normalen Umschalter verwenden, haben wir beim Umschalten immer eine kurze Unterbrechung. Der angeschlossene Stromkreis wird kurzzeitig unterbrochen.

Für höhere Ströme ist es besser, Widerstände parallel zu schalten.

Auslösestrom Rm
20mA 1,2Ω
50mA 0,5Ω 1.2Ω || 1Ω || 5,6Ω
100mA 0,25Ω 0,5Ω || 1Ω || 1Ω

Widerstände unter 1Ω sind nicht leicht zu beschaffen und relativ teuer. Wir schalten einfach einige 1Ω-Widerstände parallel.

Alles zusammen

Elektronische-Sicherung-Spiegel-Linear.png
Bild 4: Elektronische Sicherung für 20mA, 50mA und 100mA

Links ist der Verpolschutz mit dem MOSFET Q1 und zwei LEDs.

Ganz rechts wird mit Q4 und LED3 die Anzeige der Auslösung realisiert. R4 begrenzt den Basisstrom von Q4, R5 den Strom durch die LED3.

Die beiden Transistoren in Q2 bilden zusammen mit dem MOSFET Q3 die elektronische Sicherung. Die beiden BC327 in Bild 1 wurden durch einen speziellen Doppeltransistor, den BCV62B ersetzt. Die beiden Transistoren des BCV62B sind speziell für Schaltungen mit Stromspiegel gut aufeinander abgestimmt.

Der Messwiderstand wird, wie oben beschrieben, durch parallel geschaltete Widerstände gebildet. Er kann über Jumper eingestellt werden.

Strom J 50mA J 100mA
20mA offen offen
50mA gesetzt offen
100mA gesetzt gesetzt

Der 1,2Ω Widerstand R20 für 20mA ist immer angeschlossen. Der Jumper J50 schaltet R51 mit 5,6Ω und R52 mit 1Ω parallel dazu. Der Jumper J100 schaltet dazu zwei weitere 1Ω Widerstände parallel.

Damit haben wir eine einfache und elegante Schaltung.

Aufbau der Schaltung

Attention attention

Hier werden MOSFETs verwendet. Sie sind empfindlich gegen elektrostatische Entladungen.

Bitte Vorsicht-elektrostatische-Entladung beachten.

Attention :-)

Die Schaltung ist für Einsteiger geeignet.

  • Die verwendeten SMD-Bauelemente sind relativ einfach zu löten.

Die Schaltung ist klein genug, um sie als Steckmodul für Steckboards zu realisieren. Die Höhe von zehn Rasterpunkten erlaubt es, das Modul auf ein Steckboard zu stecken und die seine Anschlüsse mit Drähten auf dem Steckboard zu verbinden.

Zusätzlich kann die Eingangsversorgung über eine zweipolige Stiftleiste angeschlossen werden. Für den Ausgang steht eine zweipolige Buchsenleiste zur Verfügung.

Der SMD-Widerstand R51 kann entfallen bzw. nachträglich eingebaut werden. Dann sind die eingestellten Ströme um 5mA niedriger: 45mA und 95mA.

Bauelement Wert Typ Stück Preis Gesamt
R1, R5 1kΩ 0207 2 0.11 0.22
R2 22kΩ 0207 1 0.11 0.11
R3 7.5kΩ 0207 1 0.11 0.11
R4 10kΩ 0207 1 0.11 0.11
R20 1.2Ω 0207 1 0.11 0.11
R51 5.6Ω 603 1 0.11 0.11
R52, R101, R102 0207 3 0.11 0.33
LDE1, LED3 rot 3mm 2 0.10 0.20
LDE2 grün 3mm 2 0.10 0.20
Q1, Q3 P-MOSFET IRLML6402 2 0.86 1.72
Q2 Dual-PNP BCV62B 1 0.12 0.12
Uout Buchse 2-polig 1 0.16 0.16
Uin, Stifte Stiftleiste 2-polig 3 0.05 0.15
Gesamt 3.65
Attention >

Lochrasterplatine

Dieses Projekt wird auf einer Lochrasterplatine mit durchkontaktierten Lötpunkten aufgebaut.

Wie es geht, beschreibt dieses Praktikum.

Die Darstellung des Layouts ist in Darstellung in KiCAD ausführlich beschrieben.

Elektronische-Sicherung-Spiegel-Linear-brd_s.png
Bild 4: Layout der elektronischen Sicherung auf einer Lochrasterplatine
Elektronische-Sicherung-Spiegel-Linear-brd-top-3D.png
Bild 5: 3D-Ansicht auf die Oberseite
Elektronische-Sicherung-Spiegel-Linear-brd-bottom-3D.png
Bild 6: 3D-Ansicht auf die Unterseite

Die Verbindungen auf der Oberseite sind in der Draufsicht in Bild 5 gut zu erkennen. Die beiden Drahtbrücken, eine rechts neben LED2 und die andere zwischen R2 und R5 sind in der 3D-Darstellung gut zu erkennen. Sie müssen mit isoliertem Draht hergestellt werden.

Die Stifte für die Ein- und Ausgänge werden wie bei Modulen nach unten eingelötet. Die Verbindungen zu den Stiften auf der Oberseite sind einfach.

Für den Ausgang ist eine Buchse und für den Eingang eine Stiftleiste vorgesehen. Sie werden nach oben eingebaut. Damit können leicht Verbindungen zu Geräten hergestellt werden.

Die Stiftleiste für die Einstellung der Stromstärke sind ebenfalls nach oben eingebaut. Damit kann die Stromstärke der elektronischen Sicherung einfach eingestellt werden.

Für Lötanfänger sind die beiden MOSFETs IRLM6402 und der Doppeltransistor BCV62B eine Herausforderung. Die Bauelemente haben winzige SMD-Gehäuse für die Oberflächenmontage. Sie werden geschickt zwischen vier Lötpunkte gesetzt. Der SMD-Widerstand R51 lässt sich etwas einfacher zwischen zwei Lötpunkte setzen. Die 3D-Ansicht der Unterseite in Bild 6 zeigt, wie die SMD-Bauelemente eingebaut werden. Wie SMD-Bauelemente auf eine Lochrasterplatine gelötet werden, ist in SOT-Gehäuse beschrieben.

Prototyp

Elektronische-Sicherung-Spiegel-Linear-Prototyp_s.png
Bild 7: Prototyp der elektronischen Sicherung

Der Prototyp wurde auf einer Lochrasterplatine mit einseitigen Lötinseln realisiert. Deshalb sind die Stifte für das Steckboard von oben eingebaut. Die Drahtbrücke oben links muss auf einer durchkontaktierten Lochrasterplatine mit isoliertem Draht erstellt werden.

Die elektronische Sicherung in Bild 7 ist auf ein Steckboard gesetzt. Links liegt der Eingang mit Uin+ oben. Die Verbindung kann über Drähte zu den Kontaktreihen des Steckboards oder über die Stiftleiste links in der Mitte erfolgen. Bei korrekter Polung leuchtet die grüne LED. Eine Verpolung der Eingangsspannung wird durch die rote LED oben links angezeigt. Dann ist die Sicherung deaktiviert.

Der Ausgang der Sicherung liegt rechts. Die negativen Anschlüsse Gnd von Ein- und Ausgang sind verbunden. Der abgesicherte Ausgang Uout+ liegt rechts oben. In der Mitte rechts befindet sich eine Buchse mit den Ausgängen.

Der Strom der Sicherung kann über Jumper eingestellt werden. Ist kein Jumper gesetzt, ist löst die Sicherung bei 20mA aus. Mit dem Jumper für 50mA kann sie auf 50mA eingestellt werden. Für 100mA müssen beide Jumper 50mA und 100mA gesetzt werden. Dadurch wird eine Unterbrechung der Ausgangsspannung beim Umschalten auf einen anderen Strom vermieden.

Daten der elektronischen Sicherung

Is 5V 3V
20mA 20mA 18mA
50mA 48mA 42mA
100mA 95mA 82mA
  • Spannungen von 3V bis 5,5V
  • Der Auslösestrom ist bei 3V um 15% niedriger (3V ist 40% niedriger als 5V)
  • Die Sicherung soll vor Zerstörung schützen, nicht messen.
  • geringer Spannungsabfall unter 100mV (50mV bei 90mA)
  • Das Auslösen der Sicherung wird erst ab einem Spannungsabfall von 500mV angezeigt.
  • nicht abschaltend
  • sofort wieder betriebsbereit
  • Fehler können bei ausgelöster Sicherung gesucht werden.
  • Die Sicherung ist kurzschlussfest:
  • Ansprechzeit unter 300ns
  • maximaler Strom unter 200 * Is ( gemessen 100 * Is ) im Kurzschlussfall.
  • Abmessungen: 32mm x 27mm
Attention attention

Nicht über 5,5V

Wenn die elektronische Sicherung über 5,5V betrieben wird und auf 100 mA eingestellt ist, fällt bei einem Kurzschluss am MOSFET Q3 eine Leistung von über 500mW ab Dadurch wird Q3 zu heiß und kann zerstört werden.

Auch bei 20mA und 50mA darf die Sicherung nicht an 12V betrieben werden, da die MOSFETs Q1 und Q3 (IRLML6402) dieser Spannung nicht standhalten.

Die Begrenzende elektronische Sicherung für Spannungen bis 18V kann hilfreich sein.

Korrekte Anwendung der elektronischen Sicherung

  • Wenn eine neue Schaltung aufgebaut wurde, oder eine Schaltung verändert wurde,
  • wird mit 20mA begonnen (alle Jumper sind entfernt).
  • Wenn die Sicherung unter dem erwarteten Strom auslöst,
  • kann dieses akzeptiert werden.
  • Wird ein höherer Strom erwartet,
  • wird der Auslösestrom der elektronischen Sicherung schrittweise durch Setzen der Jumper
  • bis zum erwarteten Strom erhöht.
  • Die Jumper werden parallel geschaltet.
  • Löst die Sicherung beim erwarteten Strom aus,
  • wird nicht weiter erhöht, sondern der Fehler gesucht.
Attention sticker

Raspberry Pi

Der Raspberry Pi stellt über seine GPIO-Pins 5V und 3,3V zur Verfügung.

Diese Anschlüsse dürfen für externe Schaltungen verwendet werden. Die entnommenen Ströme sind natürlich begrenzt.

Die 5V sind über eine PTC-Sicherung mit den 5V der USB-Versorgung verbunden. Die 3,3V werden intern über einen Spannungsregler bereitgestellt.

Wird aus diesen Stromversorgungen Strom entnommen, kann das zu Fehlfunktionen des Raspberry Pi führen. Sie sollten daher nicht überlastet werden. Maximal kann die Sicherung im 5V-Zweig auslösen.

Folgende Ströme können entnommen werden:

Spannung Pins sicher möglich
5V 2 50mA 200mA
3,3V 1 50mA 100mA
GND 6

Elektronische Sicherung

  • Die Ausgänge des Raspberry Pi können für eigene Experimente genutzt werden.
  • Sie sollten mit einer elektronischen Sicherung abgesichert werden.
  • Wenn die 5V und die 3,3V parallel verwendet werden, ist für jede Spannung eine eigene elektronische Sicherung erforderlich.
Attention attention

Keine PTC-Sicherungen

PTC-Sicherungen sind nicht zum Schutz empfindlicher elektronischer Bauelemente in Versuchsschaltungen geeignet.

Siehe PTC-Sicherungen