Elektronische LDO-Sicherung für 3V bis 5V
LDO = Low-Drop-Out = kleiner Spannungsabfall
Die Begrenzende LDO-Sicherung für 3-18V
- ist eine Alternative,
- die nur wenig komplexer,
- aber für höhere Spannungen geeignet ist.
Wir gehen von der im Praktikum Elektronische Sicherung mit Stromspiegel vorgestellten Schaltung aus.
Höherer Strom
Die elektronische Sicherung mit kleinem Spannungsabfall in Bild 1 ist nur für Ströme bis zu 50mA geeignet. Für einen höheren Strom benötigt der Transistor Q3 einen höheren Basisstrom. Der Widerstand R1 muss kleiner werden und damit auch R2.
Wir wählen eine andere Variante: Wir ersetzen den Ausgangstransistor durch einen MOSFET. Das kennen wir aus dem Praktikum Elektronische Sicherung mit MOSFET.
Wir haben für R1 und R2 höhere Werte gewählt.
Verpolungsschutz
Den Verpolungsschutz kennen wir bereits:
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. Die angeschlossene Schaltung wird kurzzeitig ausgeschaltet.
Besser ist es für die höheren Ströme einen Widerstand 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 ein paar 1Ω-Widerstände parallel.
Alles zusammen
Links ist der Verpolschutz mit dem MOSFET Q1 und zwei LED.
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 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 gut aufeinander abgestimmt, speziell für Schaltungen mit Stromspiegel.
Wie oben beschrieben, wird der Messwiderstand durch parallel geschaltete Widerstände gebildet. Er kann per Jumper eingestellt werden.
| Strom | J 50mA | J 100mA |
| 20mA | offen | offen |
| 50mA | gesetzt | offen |
| 100mA | gesetzt | gesetzt |
Der 1,2Ω Widerstand für 20mA ist immer eingeschaltet. Durch den Jumper J50 werden der 5,6Ω und ein 1Ω Widerstand dazu parallel geschaltet. Der J100 schaltet dazu zwei weitere 1Ω Widerstände parallel.
Damit haben wir eine einfache und elegante Schaltung.
Aufbau der Schaltung
Hier werden MOSFET verwendet. Sie sind empfindlich gegen elektrostatische Entladung.
Bitte Vorsicht-elektrostatische-Entladung beachten.
Diese Schaltung ist für Anfänger 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 eine einfache Verbindung zu den Anschlüssen herzustellen.
Drüber hinaus kann über eine zweipolige Stiftleiste die Eingangsstromversorgung angeschlossen werden. Für den Ausgang steht eine zweipolig Buchsenleiste zur Verfügung.
Der SMD-Widerstand R51 kann entfallen bzw. später eingebaut werden. Dann sind die eingestellten Ströme um 5mA geringer: 45mA und 95mA.
| Bauelement | Wert | Typ | Stück | Preis | Gesamt |
| R1, R5 | 1kΩ | 0207 | 2 | 0.10 | 0.20 |
| R2 | 22kΩ | 0207 | 1 | 0.10 | 0.10 |
| R3 | 7.5kΩ | 0207 | 1 | 0.10 | 0.10 |
| R4 | 10kΩ | 0207 | 1 | 0.10 | 0.10 |
| R20 | 1.2Ω | 0207 | 1 | 0.10 | 0.10 |
| R51 | 5.6Ω | 603 | 1 | 0.10 | 0.10 |
| R52, R101, R102 | 1Ω | 0207 | 3 | 0.10 | 0.30 |
| LDE1, LED3 | rot | 3mm | 2 | 0.10 | 0.20 |
| LDE2 | grün | 3mm | 2 | 0.10 | 0.20 |
| Q1, Q3 | P-MOSFET | IRLML6402 | 2 | 0.18 | 0.36 |
| Q2 | Dual-PNP | BCV62B | 1 | 0.19 | 0.19 |
| Uout | Buchse | 2-polig | 1 | 0.16 | 0.16 |
| Uin, Stifte | Stiftleiste | 2-polig | 3 | 0.05 | 0.15 |
| Gesamt | 2.26 |
Lochrasterplatine
Dieses Projekt wird auf einer Lochrasterplatine mit durchkontaktierten Lötpunkten aufgebaut.
Wie es geht, beschreibt dieses Praktikum.
Die Darstellung des Layout wird ausführlich in Darstellung in KiCAD beschrieben.
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 Stiftleisten 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 MOSFET 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 kann etwas einfacher zwischen zwei Lötpunkte gesetzt werden. Die 3D-Ansicht der Unterseite in Bild 6 zeigt, wie die SMD-Bauelemente eingebaut werden. Wie einfache SMD-Bauelemente auf eine Lochrasterplatine gelötet werden, ist auf der Bauelemente-Seite für SOT-Gehäuse beschrieben.
Prototyp
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 bei 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 hergestellt werden. Bei korrekter Polung leuchtet die grüne LED. Eine Verpolung der Eingangsspannung wird über die rote LED links oben 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 oben rechts. Außerdem gibt es rechts in der Mitte eine Buchse mit den Ausgängen.
Der Strom der Sicherung kann über Jumper eingestellt werden. Wenn kein Jumper gesetzt ist löst die Sicherung bei 20mA aus. Mit dem Jumper für 50mA kann sie auf 50mA gesetzt werden. Für 100mA müssen beide Jumper 50mA und 100mA gesetzt sein. Dadurch kommt es zu keiner Unterbrechung der Ausgangsspannung, wenn auf eine andere Stromstärke umgeschaltet wird.
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% geringer (3V ist 40% unter 5V)
- Die Sicherung soll vor Zerstörung schützen, nicht messen.
- geringer Spannungsabfall unter 100mV (50mV bei 90mA)
- Anzeige erst bei ausgelöster Sicherung mit einem Spannungsabfall von 500mV
- nicht abschaltend
- sofort wieder betriebsbereit
- Fehler können bei ausgelöster Sicherung gesucht werden.
- Die Sicherung widersteht Kurzschlüssen am Ausgang:
- Reaktion unter 300ns
- maximaler Strom unter 200 * Is ( gemessen 100 * Is ) bei Kurzschluss.
- Maße: 32mm x 27mm
Nicht über 5,5V
Wenn die elektronische Sicherung über 5,5V betrieben wird und auf 100 mA eingestellt ist, fällt bei Kurzschluss am MOSFET Q3 eine Leistung von über 500mW ab Dadurch wird Q3 zu heiß und kann zerstört sein.
Auch bei 20mA und 50mA darf die Sicherung nicht an 12V betrieben werden, weil die MOSFET Q1 und Q3 (IRLML6402) dieser Spannung nicht widerstehen.
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 unterhalb der erwarteten Stromstärke auslöst,
- kann es akzeptiert werden.
- Wenn ein höherer Strom erwartet wird,
- wird die Stromstärke der elektronischen Sicherung Schritt für Schritt durch setzen der Jumper
- bis zur erwarteten Stromstärke erhöht.
- Die Jumper werden parallel gesetzt.
- Wenn die Sicherung bei der erwarteten Stromstärke auslöst,
- wird nicht weiter erhöht, sondern der Fehler gesucht.
Raspberry Pi
Der Raspberry Pi stellt über seine GPIO-Pins 5V und 3,3V bereit.
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 über einen Spannungsregler internen bereitgestellt.
Wenn diesen Stromversorgungen Strom entnommen wird, kann das zu Störungen des Raspberry Pi führen. Sie sollten also nicht überlastet werden. Maximal kann die Sicherung im 5V-Zweig auslösen.
Die folgenden 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 verwendet werden.
- Sie sollten durch eine elektronische Sicherung geschützt werden.
- Wenn die 5V und 3,3V parallel verwendet werden, ist für jede Spannung eine eigene elektronische Sicherung nötig.
Keine PTC-Sicherungen
sind nicht zum Schutz empfindlicher elektronischer Bauelemente in Versuchsschaltungen geeignet.
Siehe PTC-Sicherungen