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Elektronische LDO-Sicherung für 3V bis 5V

LDO = Low-Drop-Out = kleiner Spannungsabfall

Wir gehen von der in Elektronische Sicherung mit kleinem Spannungsabfall vorgestellten Schaltung aus.

Elektronische-Sicherung-Spiegel-PNP-Prinzip.png
Bild 1: Prinzip einer elektronischen Sicherung mit kleinem Spannungsabfall

Verpolungsschutz

Den Verpolungsschutz kennen wir bereits:

Verpolungsschutz_2.png
Bild 2: Verpolungsschutz mit zwei LEDs und P-MOSFET

Anzeige der Auslösung

Die Auslösung der Sicherung kann nur indirekt festgestellt werden. Bei einer ausgelösten Sicherung fällt an der Sicherung eine Spannung ab. Wir messen diese mit einem Transistor, der dann eine LED einschaltet.

Alles zusammen

Elektronische-Sicherung-Spiegel-Linear.png
Bild 3: Elektronische Sicherung für 20mA, 50mA und 100mA

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 2 weitere 1Ω Widerstände parallel.

Damit haben wir eine einfache und elegante Schaltung.

Aufbau der Schaltung

Attention attention

Hier werden MOSFET verwendet. Sie sind empfindlich gegen elektrostatische Entladung.

Bitte Vorsicht-elektrostatische-Entladung beachten.

Attention :-)
  • Diese Schaltung ist für Anfänger geeignet.
  • Die verwendeten SMD-Bauelemente sind 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 R52 kann entfallen. 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
R25 1.2Ω 0207 1 0.10 0.10
R51 1.0Ω 0207 1 0.10 0.10
R52 5.6Ω 603 1 0.10 0.10
R101 R102 0207 2 0.10 0.20
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
Elektronische-Sicherung-Spiegel-Linear-brd.png
Bild 4: Layout der elektronischen Sicherung auf einer Lochrasterplatine

Die Verbindungen auf der Oberseite sind rot eingezeichnet. Die Stifte werden ebenfalls auf der Oberseite zu danebenliegenden Lötpunkten verbunden. Drahtbrücken sind magenta eingezeichnet. Sie werden mit isoliertem Draht auf der Oberseite hergestellt.

Die Ansicht ist von oben. Deshalb sind die Leiterbahnen auf der Unterseite gespiegelt dargestellt.

Die dünnen türkisen Linien stellen das Lochraster der Platine dar.

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 Verbindungen zu den Stiften sind einfach. 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.

Außerdem ist eine Buchse für den Ausgang sowie eine Stiftleiste für den Eingang 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. Wir können damit einfach die Stromstärke der elektronischen Sicherung einstellen.

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 R52 kann etwas einfacher zwischen zwei Lötpunkte gesetzt werden. Die 3D-Ansicht der Unterseite in Bild 6 zeigt, wie die SMD-Bauelemente eingesetzt werden. Außerdem ist das Layout der Unterseite gut zu erkennen.

Elektronische-Sicherung-Spiegel-Linear-Prototyp.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 eingesetzt. 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 ein 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
Attention attention

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.
Attention sticker

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 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.
  • Für jede Spannung ist eine eigene elektronische Sicherung nötig.
Attention attention

PTC-Sicherungen

sind nicht zum Schutz empfindlicher elektronischer Bauelemente in Versuchsschaltungen geeignet.

Siehe PTC-Sicherungen