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Praktische Elektronik


Elektronische Sicherung für kleine Ströme mit sehr geringem Spannungsabfall


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Elektronische Sicherung - begrenzend

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Elektronische Sicherung mit kleinem Spannungsabfall - begrenzend

Es werden begrenzende elektronische Sicherungen beschrieben:

  • für kleine Ströme von 20mA und 50mA,
  • für Ströme bis 1,5A und
  • eine Kombination beider Schaltungen mir einem Mikrocontroller.

Die Schaltung

Elektronische-Sicherung-Spiegel-PNP-Prinzip.png
Bild 1: Schaltung einer begrenzenden elektronischen Sicherung

Die Schaltung in Bild 1 begrenzt den Strom auf 25mA. Sie kann natürlich für größere Ströme ausgelegt werden. Dazu muss lediglich der Widerstand Rs angepasst werden. Mit Rs=0.5Ω wird die Sicherung auf 50mA begrenzen (doppelter Strom - halber Widerstand).

Es gibt noch eine weitere Möglichkeit, nämlich den Widerstand R2 anzupassen. Setzen wir für 7.5kΩ 3kΩ ein begrenzt die Sicherung auf 50mA. Leider ist die Bestimmung des Widerstands nicht so einfach wie bei Rs.

Die Anpassung von R2 hat den Vorteil, dass durch R2 ein wesentlich kleinerer Strom fließt aus durch Rs, nämlich I2=1mA und Is=50mA. Sie hat aber auch den entscheidenden Nachteil, dass dann an Rs die doppelte Spannung abfällt. Diese Spannung liegt im Stromkreis der Sicherung und sollte möglichst gering sein. In der obigen Schaltung fallen aber auch bei 50mA weit unter 0,1V an der Sicherung ab.

Das Problem Leistung

Natürlich benötigen wir eine Sicherung, die auf Ströme über 50mA begrenzt.

Gehen wir von einer Versorgungsspannung von 5V aus. Die Sicherung muss natürlich eine Kurzschluss am Ausgang verkraften. Dann liegt fast die gesamte Spannung am MOSFET Q4, durch den auch der begrenzte Strom fließt.

P4 = 5V * Is
P4 = 5V *  50mA =  200mW
P4 = 5V * 100mA =  500mW
P4 = 5V * 500mA = 2500mW = 2,5W

Eigentlich sind 2,5W kein Problem aber ohne Kühlkörper für Q4 kommen wir nicht aus. Der IRLML6402 ist allerdings ein winziger SMD-Chip, der nicht gekühlt werden kann. Schon bei 200mW wird ihm ziemlich warm ums Herz. Bei 2,5W wird er aufgeben. Wir könnten für Q4 einen kräftigeren MOSFET einsetzen. Leider gibt es keine P-MOSFETs die bei Spannungen um 3V zuverlässig arbeiten.

Mit Schaltungstricks könnten wir die Leistung in Q4 begrenzen, so dass wenigstens 100mA möglich sind. Diese Schaltung setzt den Strom durch die Sicherung herab, wenn die Spannung am MOSFET Q4 größer wird. Im Prinzip handelt es sich um eine abschaltende elektronische Sicherung, die nicht völlig abschaltet.

Am besten wäre es, wenn wir die Temperatur in Q4 messen würden und nur dann, wenn Q4 zu heiß wird, den Strom herabsetzen. Dieses hat den Vorteil, dass kurzzeitig der volle, begrenzte Strom durch die Sicherung fließen kann. Ein Übertemperaturschutz kann aber nur auf dem Chip des MOSFET realisiert werden.

Elektronische Sicherung im Chip

Das IC TPS2552 ist eigentlich ein High-Side-Schalter (Siehe: MOSFET an Logik).

ElektronischeSicherung_TPS2552-Prinzip.png
Bild 2: Leistungsschalter TPS2552

Der TPS2552 ist ein Leistungsschalter, der bis zu 1,5A an Spannungen von 2,5V bis 5,5V schalten kann. Über den Digital-Eingang ~EN kann der Schalter eingeschaltet werden. Mit einer logischen 0 an ~EN, also 0V, wird der Schalter eingeschaltet. Dann wird der der Ausgang OUT mit dem Eingang IN verbunden.

Wird der Ausgang überlastet, begrenzt der TPS2552 den Strom. Bei 5,5V und 1,5A fallen dann 8,25W an ihm ab. Der TPS2552 ist ein winziger SMD-Chip. Bei 8,25W würde er nach kurzer Zeit überhitzen. Der TPS2552 misst seine Temperatur und reduziert den Strom bei Übertemperatur.

Der Clou des TPS2552 ist jedoch, dass der maximale Strom eingestellt werden kann. Nicht wie in unserer Schaltung in Bild 1 über den Widerstand Rs im Strompfad, sondern über den Widerstand R2 durch den nur etwa 1/1000 des Stroms fließt:

  • R2 = 220kΩ für ~100mA
  • R2 = 16kΩ für ~1,5A

Der Ausgang ~FAULT erzeugt eine logische 0, wenn der eingestellte Strom überschritten wird. Die LED1 zeigt diesen Zustand an.

Voilà unsere elektronische Sicherung

Tatsächlich, der TPS2552

  • begrenzt den Strom auf einen einstellbaren Wert
  • zwischen 100mA und 1,5A (75mA sind auch möglich)
  • schaltet sich bei Überlast ab (und danach wieder ein)
  • zeigt an, dass die Sicherung ausgelöst hat
  • arbeitet mit Spannungen zwischen 2,5V und 5,5V
  • hat einen geringen Spannungsabfall (0,128V bei 1,5A)

Die maximale Spannung von 5,5V beschränkt den Einsatz. Die meisten digitalen Schaltungen arbeiten allerdings mit 3V, 3,3V oder 5V.

Tatsächlich ist der TPS2552 für USB-Systeme vorgesehen.

Sicher ist sicher

Wer ganz sicher gehen will, sollte eine elektronische Sicherung mit 25mA und 50mA haben. Das kann der TPS2552 nicht leisten. Wir kombinieren die einfache elektronische Sicherung in Bild 1 mit dem TPS2552.

ElektronischeSicherung_TPS2552-Schalter_s.png
Bild 3: Elektronische Sicherung für 25mA bis 1500mA

In Bild 3 ist die elektronische Sicherung mit dem TPS252 und der einfachen Schaltung aus Bild 1 dargestellt.

Zunächst fallen die beiden Schalter auf. Es ist ein Schalter mit zwei Ebenen und 12 Stellungen. Wir nutzen nur 8 Stellungen:

Aus - 25mA - 50 mA - 100mA - 200mA - 500mA - 1000mA - 1500mA.

Der untere Schalter S1B stellt über Widerstände den maximalen Strom der Sicherung ein. Der obere schaltet zwischen unserem Stromspiegel und dem TPS2552 um.

Am Eingang liegen die beiden LEDs mit denen die korrekte Polarität der Eingangsspannung angezeigt wird. Der MOSFET Q3 schützt die Schaltung gegen Verpolung.

Dann folgt unsere Schaltung mir dem Stromspiegel. Anstelle von 2 BC327 wird der spezielle Doppeltransistor BCV62B eingesetzt. Mit den beiden Widerständen R25 und R50 wird der maximale Strom der Sicherung eingestellt. Wenn die beiden Widerstände nicht angeschlossen sind, ist diese Sicherung ausgeschaltet. Mit dem Transistor Q4 wird die Spannung zwischen dem Eingang und Ausgang eine Spannung gemessen. Wenn die Spannung über 0,6V liegt, hat die Sicherung ausgelöst. Dann leuchtet die LED4. Diese Messung ist nicht besonders genau aber eine bessere Schaltung ist aufwändiger. Die LED4 wird nur für die Bereiche 25mA und 50mA mit dem oberen Schalter S1A aktiviert.

Für die höheren Ströme wird der TPS2552 über den oberen Schalter aktiviert (~EN). Mit dem unteren Schalter werden die Widerstände für den maximalen Strom eingestellt. Die 1%-Widerstände gaukeln eine hohe Genauigkeit vor, die allerdings vom TPS2552 nicht eingehalten wird - etwa 6%. Der Widerstand R100 darf laut Datenblatt des TPS2552/TPS2553 nicht größer als 232kΩ +1% sein.

Bedienung der Sicherung

  • Die Sicherung wird auf AUS geschaltet und
  • die Stromversorgung sowie die zu schützende Schaltung angeschlossen.
  • Beginnend mit 25mA wird der Sicherungsstrom erhöht
  • bis zur erwarteten Stromstärke.
  • Wenn die Sicherung bei der erwarteten Stromstärke einen Fehler anzeigt,
  • wird der Fehler gesucht und
  • nicht weitergeschaltet.

Sicherung mit Mikrocontroller

Die Bedienung der bisher vorgestellten elektronischen Sicherungen ist nicht besonders komfortabel. Entweder müssen Jumper gesetzt oder ein Drehschalter bedient werden. Eine einfache Bedienung könnte über zwei Tasten erfolgen:

  • Sicherung aus Off
  • Strom erhöhen I++
  • Der gewählte Auslösestrom sollte angezeigt werden.

Ein Mikrocontroller kann diese Funktion übernehmen.

ElektronischeSicherung_Mikrocontroller_s.png
Bild 4: Elektronische Sicherung mit Mikrocontroller

Der Mikrocontroller PIC16F1826 ersetzt im wesentlichen die beiden Schalter.

Wie bei der Version mit den Schaltern kann die Sicherung auf

Aus - 25mA - 50mA - 100mA - 200mA - 500mA - 1000mA - 1500mA

eingestellt werden.

Die Sicherung für 25mA und 50mA wird über die Widerstände R25 und R50 aktiviert. Der Mikrocontroller bestimmt auch, ob in diesem Fall die Sicherung ausgelöst hat und aktiviert dann die LED1. Dazu misst er die Spannung zwischen Ein- und Ausgang.

Der Strom für den TPS2552 wird über nur vier Widerstände eingestellt. Bei manchen Stromstärken werden mehrere Widerstände parallel geschaltet:

 500mA = 400mA + 100mA
1000mA = 800mA + 200mA
1500mA = 800mA + 400mA + 200mA + 100mA

Mit der Taste T1 (Off) wird die Sicherung ausgeschaltet. Mit der Taste T2 (I++) wird die nächst höhere Stromstärke eingestellt. Die eingestellte Stromstärke wird mit 6 LEDs angezeigt. Keine LED bedeutet aus. Für alle Stromstärken wird jeweils nur eine LED aktiviert. Außer bei 1500mA werden die LEDs für 1000mA + 500mA eingeschaltet.

Die Schaltung mit sechs LEDs an drei Anschlüssen wird in LEDs an Mikrocontroller beschrieben.

Die Schaltung und vor allem das Programm für den Mikrocontroller sind in Arbeit und werden demnächst hier veröffentlicht.