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Elektronische Sicherung für Spannungen bis 18V - begrenzend

Die in Begrenzende LDO-Sicherung für 3-5V vorgestellte Sicherung kann nur bis 5,5V verwendet werden. Wir werden diese Schaltung modifizieren, damit sie für höhere Spannungen geeignet ist.

Elektronische-Sicherung-Spiegel-Linear.png
Bild 1: Elektronische Sicherung für bis 100mA und 5V

Das Problem Leistung

Betrachten wir verschiedene Versorgungsspannungen. Die Sicherung muss natürlich einen Kurzschluss am Ausgang verkraften. Dann liegt fast die gesamte Spannung am MOSFET Q3, durch den auch der begrenzte Strom fließt. Ist die Versorgungsspannung höher steigt die Leistung entsprechend

P3 = 5V  * Is
P3 = 5V  *  50mA =  200mW
P3 = 5V  * 100mA =  500mW
P3 = 15V * 100mA = 1500mW
P3 = 15V * 200mA = 3000mW 

Eigentlich sind 3W kein Problem, aber ohne Kühlkörper für Q3 kommen wir nicht aus. Der IRLML6402 ist allerdings ein winziger SMD-Chip, der nicht gekühlt werden kann. Schon bei 500mW wird ihm ziemlich warm ums Herz und bei 1,5W wird er aufgeben. Wir setzen für Q3 einen kräftigeren MOSFET ein.

Kräftige MOSFETs gibt es in vielen Variationen. Allerdings sind solche, die bei 3V arbeiten, kaum verfügbar. Wir haben Glück, der NDP6020P arbeitet bereits unter 2V und ist für Leistungen bis zu 60W geeignet. Er hat ein TO-220-Gehäuse und kann auf einen Kühlkörper montiert werden.

Der NDP6020P stellt uns jedoch vor neue Probleme. Die Gate-Source-Spannung darf nicht höher als 8V sein und die maximale Drain-Source-Spannung ist 20V.

Mit der Drain-Source-Spannung von 20V können wir leben, eigentlich reichten uns 15V. Wir legen uns auf eine maximale Spannung von 18V fest und haben noch eine Reserve.

Bleibt noch die Gate-Source-Spannung von 8V. Die 8V brauchen wir nicht. Wir kommen mit etwa 2V aus, weil der NDP6020P bei 2V bereits eingeschaltet ist. Wir müssen nur dafür sorgen, dass die Gate-Source-Spannung nicht zu hoch wird.

Für MOSFETs wird standardmäßig die Spannung zwischen Gate und Source mit einer Z-Diode begrenzt.

Begrenzung-Gate-Source-Spannung.png
Bild 2: Begrenzung der Gate-Source-Spannung

Der IRLML6402, den wir für den Verpolungsschutz verwenden, hat eine maximale Drain-Source-Spannung von 20V und eine Gate-Source-Spannung von 12V. Eine weitere Z-Diode ist fällig.

Wenn wir Betriebsspannungen zwischen 3V und 18V zulassen wollen, haben wir das Problem, dass der Strom und die Spannungen im Stromspiegel mit Q2 einen großen Bereich umfassen. Das führt zu erheblichen Ungenauigkeiten. Am besten wäre es, wenn die Spannung für den Stromspiegel begrenzt würde. 3V wären günstig. Wir brauchen noch eine Z-Diode.

Anstelle einer Z-Diode mit 3V können wir eine blaue LED nehmen, weil sie eine Flussspannung von 3V hat.

Begrenzung-Gate-Source-Spannung-LED.png
Bild 3: Begrenzung der Spannungen mit LEDs

In Bild 3 wird die Gate-Source-Spannung von Q1 durch eine blaue LED begrenzt. Sie begrenzt auch die Versorgungsspannung für den Stromspiegel. Eine Begrenzung der Gate-Source-Spannung von Q3 ist nicht nötig, da sie nicht höher als die Versorgungsspannung für den Stromspiegel werden kann. Mit der LED2 haben wir damit die Probleme mit der Versorgungsspannung und den Gate-Source-Spannungen gelöst.

Wir brauchen nur noch einen passenden Kühlkörper für den Leistungs-MOSFET Q3.

Wir wollen unsere Sicherung als Modul auf dem Steckboard betreiben und müssen dafür sorgen, dass der Kühlkörper nicht zu heiß wird, weil er berührt werden kann. 60°C sind die Grenze. Bei 18V und 200mA

Diese Berechnung können wir auch ignorieren, wichtig ist das Ergebnis.

P    = U * I
P    = 18V * 0.2A
P    = 3,6W

Kges = (tmax - 25°C) / P
Kges = (60°C - 25°C) / 3,6W
Kges ~ 9,7K/W

Kk   = Kges - Kq
Kk   = 9,7K/W - 2.5K/w
Kk   ~ 7K/W

Kges ist der gesamte Wärmewiderstand. Er beinhaltet den Wärmewiderstand Kk des Kühlkörpers und den des MOSFET selbst: Kq.

brauchen wir einen Kühlkörper mit maximal 7K/W. Der Fingerkühlkörper FK 223 SA CB wäre geeignet. Seine Maße sind 42mm * 42mm Grundfläche und 17mm Höhe. Er ist wesentlich größer als die Sicherung nach Bild-1.

Falls wir die Leistung begrenzen könnten, wenn die Sicherung ausgelöst hat, könnten wir das Problem der Kühlung in den Griff bekommen.

Eine Möglichkeit kennen wir bereits: eine abschaltende Sicherung. Die hat aber des Problem, dass sich nicht automatisch wieder einschaltet. Aber wir sind auf der richtigen Spur: Die Sicherung darf eben nicht ganz abschalten.

Elektronische-Sicherung-Spiegel-foldback.png
Bild 4: Elektronische Sicherung mit Mitkopplung

Wenn die Sicherung auslöst, wird über die Widerstände R4 und R6 eine zusätzliche Spannung am Emitter erzeugt. Damit kann die Sicherung abschaltet werden. Bei den Werten von R4 und R6 nicht ist das nicht der Fall. Sie wird nur teilweise abgeschaltet. Der Strom wird umso mehr reduziert, je höher die Spannung am Ausgang ist. Damit können wir die Leistung in Q3 begrenzen.

Elektronische-Sicherung-Spiegel-foldback-18_s.png
Bild 5: Elektronische Sicherung für 3V bis 18V

Bild 5 fasst die obigen Anpassungen zusammen.

Leider erfolgt die teilweise Abschaltung auch bei Spannungen unter 5V, obwohl die Leistung unter 5V relativ gering ist. Mit der Z-Diode D1 sorgen wir dafür, dass die Reduzierung des Stroms erst über 5V erfolgt.

Mit den angegebenen Werten wird die maximale Leistung an Q3 bei 12V erreicht und beträgt etwa 1,6W. Wir kommen mit einem kleinen Kühlkörper mit 24K/W aus. Der Strom wird bei 18V von 200mA auf etwa 80mA reduziert. Selbstverständlich löst die Sicherung auch bei 18V erst bei 200mA aus. Erst wenn die Spannung an Q3 über 5V ist, wird der Strom reduziert.

Wir gehen hier nicht auf die Details der Funktion ein, sondern fassen das in Details der elektronischen Sicherung für Spannungen bis 18V zusammen.

Der Stromwähler wurde modifiziert, weil die in Elektronische Sicherungen mit kleinem Spannungsabfall berechneten Widerstände, für den Fall gelten, dass die Sicherung bei allen Strömen bei 20mV am Messwiderstand auslöst. Das ist nicht der Fall. Sie ist bei höheren Strömen geringer. Daher wurden die Widerstände etwas modifiziert (R52 und R201 geändert, zusätzlich R102 und R205).

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.

Liste der Bauelemente

Bauelement Wert Typ Stück Preis/€ Gesamtpreis/€
R1 1kΩ 0603 1 0.08 0.08
R2, R8 1kΩ 0207 2 0.08 0.16
R2 22kΩ 0207 1 0.08 0.08
R4 4,7Ω 0207 1 0.08 0.08
R5 7,5kΩ 0207 1 0.08 0.08
R6 3,6kΩ 0207 1 0.08 0.08
R7 10kΩ 0207 1 0.08 0.08
R25 1,2Ω 0207 1 0.08 0.08
R51, R101, R201 3,0Ω 0207 1 0.08 0.08
R52, R102, R103, R202, R203, R204, R205 1,0Ω 0603 7 0.02 0.14
LED1 gelb 3mm 1 0.10 0.10
LED2 blau 3mm 1 0.10 0.10
LED3 rot 3mm 1 0.10 0.10
Q1 P-MOSFET IRLML6402 1 0.18 0.18
Q2 Dual-PNP BCV62B 1 0.19 0.19
Q3 P-MOSFET NDP6020P 1 1.98 1.98
Q4 PNP BC327 1 0.03 0.03
KK1 24K/W FK 231 1 0.36 0.36
Uout Buchse 2-polig 1 0.16 0.16
Uin, Stifte, J50, J100, J200 Stiftleiste 2-polig 6 0.05 0.30
Gesamt 4.44

Die meisten Bauelemente sind z.B. bei Reichelt zu bekommen, der NDP6020P z.B. bei Conrad. Die Widerstände R1, R51, R102, R103 und R202 bis R205 sind SMD-Bauelemente der Größe 0603.

Layout

Die Schaltung lässt sich kompakt auf einer Lochrasterplatine aufbauen.

Elektronische-Sicherung-Spiegel-foldback-18-brd_s.png
Bild 5: Layout der elektronischen Sicherung

Rechts liegt der Kühlkörper, der kaum größer als der NDP6020P im TO-220-Gehäuse ist.

Die rot eingezeichneten Leitungen werden beim Aufbau auf einer Lochrasterplatine auf der Oberseite ausgeführt.

Der SMD-Transistor Q1 ist links oben auf der Oberseite auf vier Lötpunkte gesetzt.

Außer dem Doppeltransistor Q2 werden noch acht 1Ω Widerstände als SMD Bauelemente auf der Unterseite eingesetzt.

Drei Drahtbrücken, die auf der Unterseite verlegt werden, sind magenta dargestellt.

Elektronische-Sicherung-Spiegel-foldback-18-Top-3D_s.png
Bild 7: Ansicht von oben in 3D

Es ist gut zu erkennen, wie der SMD-Transistor Q1 ist links oben auf vier Lötpunkte gesetzt wird.

Die Verbindungen zu den nach unten eingesetzten Stiften werden auf der Oberseite zu benachbarten Lötpunkten erstellt.

Links liegt die zusätzliche Steckleiste Uin als alternativer Eingang für die Versorgungsspannung.

Rechts unten liegt die Buchse als alternativer Ausgang der Sicherung.

Elektronische-Sicherung-Spiegel-foldback-18-Bottom-3D_s.png
Bild 8: Ansicht von unten in 3D

Der Doppeltransistor Q2 wurde auf vier Lötpunkte gesetzt. Darunter liegen die SMD-Widerstände, die jeweils auf benachbarte Lötpunkten liegen.

Die Drahtbrücken werden mit isoliertem Draht erstellt und auf der Unterseite verlötet.

Die Stiftleisten für die Ein- und Ausgänge werden wie bei Modulen nach unten eingelötet.

Außerdem ist die Buchse B1 für den Ausgang sowie eine Stiftleiste J1 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.

Leider ist der Aufbau für Lötanfänger nicht ganz einfach. Der MOSFET IRLM6402 und der Doppeltransistor BCV62B haben winzige SMD-Gehäuse für die Oberflächenmontage. Sie werden geschickt zwischen vier Lötpunkte gesetzt. Die SMD-Widerstände R1, R52 und R102, R103 und R202 bis R205 können etwas einfacher zwischen zwei Lötpunkte gesetzt werden.

SMD-Bauelemente löten

Der IRLML6402 und der BCV62B sind SMD-Bauteile, die nicht leicht zu löten sind. Wie wir einfache SMD-Bauelemente auf eine Lochrasterplatine aufbauen, ist prinzipiell auf der Bauelemente-Seite für SOT-Gehäuse beschrieben.

Die Lötpunkte werden dünn verzinnt und dann das SMD-Bauelement darauf gelegt, mit einer Pinzette fixiert und ein Anschluss erhitzt.

Der nächste Anschluss wird erst verlötet, wenn das Bauelement gut abgekühlt ist. Dann muss sehr schnell gelötet werden, damit sich der erste Anschluss nicht löst. Danach können die übrigen Anschlüsse ebenso verlötet werden.

Der dritte Anschluss eines IRLM6402 liegt zwischen zwei Lötpunkten. Er wird später mit einem Verbindungsdraht, der die beiden Lötpunkte überbrückt, verbunden.

Der MOSFET Q3 im TO-220-Gehäuse wird mit dem Kühlkörper und der Platine verschraubt (M3).

  • Der Kühlkörper darf nicht unmittelbar auf die Platine gesetzt werden, weil er durchkontaktierte Lötpunkte kurzschließen könnte. Am besten wird eine wärmebeständige Folie dazwischengelegt.

Aufbau der Schaltung

Zunächst wird die Lochrasterplatine auf 15 * 13 Lötpunkte zugeschnitten und die Bohrung für den MOSFET Q3 und den Kühlkörper erstellt.

Attention attention

Achtung empfindliche MOSFET

Wie alle MOS-Bauelemente sind MOSFETs sehr empfindlich gegen hohe Spannungen, insbesondere elektrostatische Entladung.

MOSFETs enthalten meistens keine Schutzbeschaltung gegen elektrostatische Aufladung.

Die maximale Gate-Source-Spannung von MOSFETS liegt meistens bei 20V. Die Gates sind sehr hochohmig und können leicht statisch aufgeladen werden, wodurch hohe Spannungen entstehen. Bei zu hohen Spannungen werden die MOSFETs zerstört.

  • Die Maßnahmen zur Vermeidung statischer Aufnahmen, die heute für fast alle Halbleiterbauelemente gelten, werden natürlich eingehalten.

MOSFETs in SMD-Gehäusen, wie der IRLML6402, werden deshalb aus der Aufbewahrungsbox unmittelbar auf die Platine gesetzt.

Bei einem MOSFET mit Anschlussdrähten werden diese am besten mit einem dünnen Draht verbunden, der erst entfernt wird, wenn der MOSFET eingebaut wurde.

Der Aufbau erfolgt dann in mehreren Runden, die jeweils mit einer Prüfung der Schaltung abgeschlossen werden.

Runde 1

Wir betrachten die Platine von oben wie in Bild 5 und Bild 7.

Die Lage der Bauelemente ist in Bild 5 nicht einfach zu erkennen aber Bild 7 hilft.

Wir beginnen mit dem Einsetzen der Bauelemente auf der Oberseite. Sie werden zwar auf der Unterseite verlötet, aber Verbindungen werden noch nicht hergestellt.

Die flachen Bauelementen werden zuerst eingesetzt und dann nach und nach die höheren. Auf diese Weise können mehrere Bauelemente gleichzeitig eingesetzt werden und einfach mit einem Schwamm und Klammern gehalten werden.

Zuerst werden alle Widerstände außer den SMD-Widerständen eingesetzt. Der Widerstand R8 hat etwas längere Anschlussdrähte mit einem Raster von 17,7mm. R3 und R5 haben ein Raster von 10,16mm. Alle anderen Widerstände haben ein Raster von 7,62mm.

Die Diode D1 wird mit einem Raster von 19,16mm eingesetzt. Dabei muss auf die korrekte Polung geachtet werden. Der Markierungsring von D1 muss wie in Bild 7 gezeigt liegen.

Dann folgen die drei LEDs und der BC327 Q4. Die Anode der LEDs ist der lange Anschluss und im Layout durch die abgeflachte Seite dargestellt. Bild 7 hilft.

Die Jumper und die Buchse werden danach eingesetzt. Der MOSFET NDP6020P Q3 wird zusammen mit dem Kühlkörper eingebaut und mit einer M3-Schraube gefestigt.

  • Der Kühlkörper darf nicht unmittelbar auf die Platine gesetzt werden, weil er durchkontaktierte Lötpunkte kurzschließen könnte. Am besten wird eine wärmebeständige Folie dazwischengelegt.

Runde 2

Der SMD-Widerstand R1 wird eingebaut.

Erste Verbindungen auf der Unterseite erstellen:

Wir gehen am besten von den Darstellungen in Bild 6 und Bild 8 aus.

Als erstes stellen wir die Verbindungen für U- unten von der Lötinsel neben dem Stift J2 für U- bis zur Buchse B1 für den Ausgang her. Dann unten R2 - LED1 - U- und R4 - R25 - J50. Schließlich Uin+ von der Lötinsel unter dem Stift J1 links oben zu R1 und weiter bis zum oberen Anschluss der Steckleiste J5 für Uin.

Der zweite Anschluss des SMD-Widerstands R1 wird mit LED 1 verbunden. Dazu muss die Drahtbrücke JP1 mit einem isolierten Draht eingesetzt werden. Sie wird auf der Unterseite verlötet. Die blanken Enden des isolierten Drahtes der Drahtbrücke JP1 dürfen nicht die Widerstände auf der Oberseite berühren. Am besten wird JP1 wie eine Verbindung flach mit den Lötpunkten verlötet.

Wir können den ersten Test durchführen.

An einen Lötpunkt für Uin+ wird 5V über einen 100Ω-Widerstand angelegt. Uin- wird auch natürlich angeschlossen :-)

  • Bein korrekter Polung tut sich nichts. Bei falscher leuchtet die gelbe LED.

Wir setzen unseren Spannungs-Tester ein und testen die Spannung am Eingang. Wer keinen Spannungs-Tester hat, nimmt eine LED mit Vorwiderstand oder baut den Spannungs-Tester auf dem Steckboard nach.

  • Die Spannung am Eingang sollte passend von dem Spannungs-Tester angezeigt werden.
  • Bei positiver Polung sollten die grüne und die blaue LED des Spannungs-Testers leuchten. Die Spannung sollte nicht von 5V abweichen. Falls des der Fall ist, liegt eine nicht korrekte Verbindung vor.

Runde 3

Q1 auf der Oberseite einbauen

Die beiden nebeneinander liegenden Anschlüsse vorsichtig auf zwei verzinnte Lötpunkte setzen und ohne Lot anlöten. Die Verbindung oben (Drain) wird mit einem Draht, der über zwei Lötpunkte geht erstellt und dann weiter zu J1 für Uin- führt. Der Draht sollte nicht an dem Lötpunkt für den Stift von Uin- angelötet werden, weil dann der Stift nicht leicht eingesetzt werden kann.

Weitere Verbindungen auf der Unterseite

Die Anschlüsse zwischen LED2 und Q2 und weiter LED2 - R3 - R5 - R2 verbinden.

Die oberen Anschlüsse von R25, R51, R101 und R201 werden verbunden.

LED2 wird mit R201 usw. wird über die Drahtbrücke J2 verbunden. J2 wird nur flach an die Lötpunkte gelötet.

Test des Verpolungsschutzes.

J1 wird mit 5V über einen 100Ω-Widerstand verbunden.

  • Bei korrekter Polung leuchtet die blaue LED2. Am Eingang liegen wegen der 100Ω etwas weniger als 5V und beim Spannungstester leuchtet die grüne LED, die blaue dunkel oder nicht. Das gleiche sollte zwischen U- und J50 unten der Fall sein.
  • Bei vertauschter Polung leuchtet die gelbe LED1. An J50 unten liegt dann keine Spannung.

Runde 4

Q3 verbinden

Unten J50-J100-J200 weiter mit der Drahtbrücke JP3 aus isoliertem Draht zur Source von Q3.

B1 nach oben Uout+ und an die Drain (Mitte) von Q3.

R5 zum Gate von Q3.

Test Q3.

  • Der Draht um die Beine von Q3 wird entfernt.

Uin + wird mit 5V über einen 100Ω-Widerstand verbunden.

  • Bei Verpolung der Eingangsspannung darf am Ausgang von B1 keine Spannung liegen.
  • Bei Korrekter Polung muss am Ausgang die gleiche Spannung wie an J50 unten liegen, d.h. beim Spannungstesters leuchtet die grüne LED, die blaue dunkel oder nicht.

Runde 5

Q2 einbauen

  • auf die Orientierung von Q2 achten. Ein Anschluss ist breiter als die anderen. Bild 8 zeigt die korrekte Lage.

Die Anschlüsse des SMD-Bauteils Q2 werden auf (den Rand) von vier Lötpunkten platziert.

Q2 liegt auf der Unterseite unter den beiden Widerständen R5 und R3 auf der Oberseite. Dieses ist am besten in Bild 5 zu erkennen.

Die Verbindungen von Q2 zu R5 und R3 liegen unmittelbar neben zwei Lötpunkten von Q2.

Auf der anderen Seite wird der obere Anschluss von Q2 an R4 und D1 angeschlossen. Der untere geht an R25.

Test Q2

Uin + wird mit 5V über einen 100Ω-Widerstand verbunden.

  • Bei Verpolung der Eingangsspannung darf am Ausgang von B1 keine Spannung liegen und die gelbe LED leuchtet.
  • Bei Korrekter Polung leuchtet die blaue LED und am Ausgang liegt die gleiche Spannung wie an J50 unten, d.h. beim Spannungstester leuchtet die grüne LED, die blaue dunkel oder nicht.

Wir können es wagen, die 5V unmittelbar anzuschließen. Wer eine elektronische Sicherung hat, sollte sie auf 50mA einstellen.

  • Bei Korrekter Polung muss am Ausgang volle 5V liegen. Beim Spannungstester leuchten die grüne und die blaue LED.
  • Am Ausgang wird ein 330Ω-Widerstand angeschlossen.
  • Am Ausgang liegen 5V. Beim Spannungstester an B1 leuchten die grüne und die blaue LED.
  • Am Ausgang wird parallel zum 330Ω-Widerstand einer mit 220Ω angeschlossen.
  • Am Ausgang liegen unter 5V. Beim Spannungstester an B1 leuchtet nur die grüne LED. Die Sicherung hat dann bei 20mA korrekt ausgelöst :-)

Runde 6

Anzeige für Auslösung anschließen

Q4 wird angeschlossen: Q4 - LED2 und Q4 - R7 und Q4 R8.

R7 anschließen: R7 - R6 - Uout+ .

R8 und LED3 anschließen: R8 - LED3 und LED3 an U- .

Test der Anzeige für Auslösung

5V am Eingang Uin + anschließen. Der Ausgang B1 ist offen.

  • Die blaue LED leuchtet und am Ausgang liegen 5V. Beim Spannungstester an B1 leuchten die grüne und die blaue LED.
  • Die rote LED3 leuchtet nicht.
  • Am Ausgang wird ein 330Ω-Widerstand angeschlossen.
  • Die rote LED3 leuchtet nicht.
  • Am Ausgang liegen 5V. Beim Spannungstester an B1 leuchten die grüne und die blaue LED.
  • Am Ausgang wird parallel zum 330Ω-Widerstand 220Ω angeschlossen.
  • Am Ausgang liegen unter 5V. Beim Spannungstester an B1 leuchtet nur die grüne LED. Die Sicherung hat dann bei 20mA korrekt ausgelöst :-)
  • Die rote LED3 leuchtet.

Runde 7

Steckbrücken für 50, 100 und 200mA anschießen.

R51 an J50, R101 an J100 und R201 an J200 anschließen.

1Ω SMDs einbauen

Die sieben nebeneinander liegenden 1Ω SMD-Widerstände einbauen und oben miteinander verbinden. Diese Verbindung wird dann mit der darüber liegenden Verbindung zwischen R25 bis R201 oberhalb R102 verbunden (Bild 8).

Nun folgen die unteren Verbindungen der SMD-Widerstände:

R102 - R103 - J100

R205 - R204 - R203 - R202 - J200

R52 - J5 ist etwas schwieriger, weil die Verbindung diagonal liegt.

Test Strom

  • Test wie Runde 6

5V ohne oder mit Sicherung mit 500mA oder mehr anschließen.

  • Keinen Jumper setzen (20mA) und 100Ω am Ausgang: die rote LED3 leuchtet. Beim Spannungstester an B1 leuchtet die grüne LED schwach.
  • Jumper J50 setzen (50mA) und am Ausgang B1 parallel zum 330Ω-Widerstand 220Ω anschließen.
  • Die rote LED3 leuchtet nicht. Beim Spannungstester an B1 leuchten die grüne und die blaue LED.
  • Jumper J50 setzen (50mA) und am Ausgang B1 100Ω anschließen.
  • Bei 100Ω an 5V fließen 50mA. Dann ist nicht eindeutig, ob die Sicherung auslöst. Daher ist die rote LED3 ist nicht eindeutig: sie kann leuchten oder auch nicht. Beim Spannungstester an B1 leuchtet die grüne LED, aber die blaue LED könnte auch leuchten. Die Spannung am Ausgang ist etwas unter 5V (4,5 bis 4,9V), aber auch 5V können auch vorkommen.
  • Jumper J50 setzen (50mA) und am Ausgang B1 100Ω und 220Ω parallel anschließen.
  • LED3 leuchtet. Beim Spannungstester an B1 leuchtet die grüne LED, die blaue nicht. Die Spannung am Ausgang ist unter 4,4V.
  • Jumper J50 und J100 setzen (100mA) und am Ausgang B1 100Ω und 220Ω parallel anschließen.
  • LED3 leuchtet nicht. Beim Spannungstester an B1 leuchten die grüne und die blaue LED. Am Ausgang liegen 5V.
  • Jumper J50 und J100 setzen (100mA) und am Ausgang B1 2 * 100Ω und 220Ω parallel anschließen.
  • LED3 leuchtet. Beim Spannungstester an B1 leuchtet die grüne LED. Die Spannung am Ausgang ist unter 4,4V.
  • Jumper J50, J100 und J200 setzen (200mA) und am Ausgang B1 3 * 100Ω parallel anschließen.
  • LED3 leuchtet nicht. Beim Spannungstester an B1 leuchten die grüne und die blaue LED. Am Ausgang liegen 5V.
  • Jumper J50, J100 und J200 setzen (200mA) und am Ausgang B1 4 * 100Ω und 220Ω parallel anschließen.
  • LED3 leuchtet. Beim Spannungstester an B1 leuchtet die grüne LED. Die Spannung am Ausgang ist unter 4,4V.

Runde 8

Stifte für das Steckboard einsetzen

  • Wenn alle Test bestanden wurden, ist die elektronische Sicherung offensichtlich fehlerfrei aufgebaut worden.

Wir brauchen nur noch die Stifte für das Steckboard einzusetzen. Sie werden von unten eingesetzt und oben verlötet. Abschließend werden die Verbindungen zu den daneben liegenden Lötpunkten (rot in Bild 5) auf der Oberseite hergestellt

Höhere Versorgungsspannungen

Wir testen bei 12V.

Wenn der Ausgang offen ist, sollte bei allen Einstellungen des Stromwählers die blaue LED leuchten und die rote LED3 nicht. Die Ausgangsspannung soll 12V sein.

Der Stromwähler wird auf die möglichen Stromstärken eingestellt und Widerstände Rx am Ausgang angeschlossen. Wir messen die Spannung am Ausgang mit dem Spannungstester.

Ein 100Ω Widerstand wird bei 12V mit 1,44W belastet. Es ist am besten, drei 100Ω Widerstände mit 2W zu haben. Wenn keine 2W Widerstände vorhanden sind, müssen bei 100mA und 200mA mindestens drei 100Ω Widerstände parallel angeschlossen werden. Die Stromversorgung ist während dessen natürlich ausgeschaltet und wird erst dann eingeschaltet, wenn alle Widerstände angeschlossen sind.

Stromwähler Rx LED3 Spannungstester Spannung
25mA 1kΩ aus grün, blau 12V
25mA 100Ω leuchtet grün ~2,5V
50mA 3 * 1k parallel aus grün, blau 12V
50mA 100Ω an grün, blau? 5V
50mA 100Ω, 220Ω parallel an grün 3,4V
100mA 3 * 1k parallel aus grün, blau 12V
100mA 2 * 100Ω parallel an grün, blau 10V
100mA 2 * 100Ω parallel an grün 3,3V
200mA 100Ω (2W) aus grün, blau 12V
200mA 3 * 100Ω parallel an grün, blau 6,6V
200mA 4 * 100Ω parallel an grün, blau 5V
200mA 5 * 100Ω parallel an grün 4V

Prototyp

Der Prototyp wurde auf einer Lochrasterplatine mit einseitigen Lötpunkten erstellt. Das Layout ist geringfügig anders. Im wesentlichen liegt der MOSFET Q1 auf der Unterseite. Die Stifte wurden von oben eingsetzt.

Prototyp-18V.png
Bild 9: Prototyp der elektronischen Sicherung für 3V bis 18V

An diesem Prototypen wurden die folgenden Daten ermittelt.

Messungen

Attention pin

Vergleich mit Labornetzgeräten

Die folgenden Messungen enthalten die Ergebnisse an zwei Labornetzgeräten, die über 100€ kosten.

Interessant und wichtig sind die Daten

I^ maximaler Strom bei Kurzschluss
ts Zeit bis Sicherung reagiert
I1^ Gerät 1: maximaler Strom bei Kurzschluss
t1 Gerät 1: Zeit bis Sicherung reagiert
I2^ Gerät 2: maximaler Strom bei Kurzschluss
t2 Gerät 2: Zeit bis Sicherung reagiert
  • Die elektronische Sicherung reagiert über 100 mal schneller.
  • Der maximale Strom ist wesentlich geringer.
Uv Is Iss U09 Ik0 Ik Tc Tf I^ ts I1^ t1 I2^ t2
3V 200mA 193mA 138mV 182mA
5V 200mA 193mA 95mV 202mA 180mA 56°C 47°C 9A 1,5µs 14A 200µs 14A 4800µs
12V 200mA 200mA 77mV 135mA 125mA 72°C 55°C
18V 200mA 220mA 71mV 88mA 90mA 76°C 56°C
3V 100mA 97mA 88mV 98mA
5V 100mA 101mA 64mV 101mA 8A 1,5µs 14A 200µs 14A 4800µs
12V 100mA 110mA 48mV 71mA
18V 100mA 110mA 48mV 40mA
3V 50mA 48mA 57mV 49mA
5V 50mA 48mA 48mV 50mA 6A 1µs 14A 200µs 14A 4800µs
12V 50mA 51mA 41mV 36mA
18V 50mA 54mA 38mV 22mA
3V 20mA 21mA 32mV 20mA
5V 20mA 20mA 34mV 21mA 4A 1µs 14A 200µs 14A 2000µs
12V 20mA 21mA 33mV 16mA
18V 20mA 22mA 30mV 14mA
Wert Bedeutung
Uv Versorgungsspannung
Is eingestellter Auslösestrom
Iss Strom bei Auslösung
U09 Spannungsabfall bei 0,9*Is
Ik0 Kurzschlussstrom
Ik Kurzschlussstrom bei Erwärmung
Tc Gehäusetemperatur Q3
Tf Temperatur am Fingerkühlkörper
I^ maximaler Strom bei Kurzschluss
ts Zeit bis Sicherung reagiert
I1^ Gerät 1: maximaler Strom bei Kurzschluss
t1 Gerät 1: Zeit bis Sicherung reagiert
I2^ Gerät 2: maximaler Strom bei Kurzschluss
t2 Gerät 2: Zeit bis Sicherung reagiert

Auslösestrom

Der gemessene Auslösestrom Is weicht im gesamten Spannungsbereich um maximal 10% vom nominalem Wert ab. Bei einem Strom von 0,9*Is ist der Spannungsabfall an der Sicherung unter 0,1V, außer bei 3V und 200mA ist er bei 0.14V. Verglichen mit Schmelz- oder PTC-Sicherungen ist der Unterschied zwischen Haltestrom (nicht ausgelöst) und Auslösestrom mit 0,9 gegenüber 0,5 sehr gut.

Das Fold-back-Verhalten wird durch den Vergleich von Is und Ik0 belegt. Der Strom wird bei höheren Spannungen reduziert, bei 5V nicht. Bei Is=20mA ist der Kurzschlussstrom allerdings nahe 20mA. Dadurch kann die Suche von Fehlern in der geschützten Schaltung unterstützt werden.

Reaktionszeit

Bestechend ist die Reaktionszeit von 1µs, die über 100 bis 1000 mal schneller als bei Labornetzgeräten ist. Die Reaktionszeit von PTC-Sicherungen geringer Stromstärke beträgt gar mehrere Sekunden. Insbesondere die Reaktionszeit ist für den Schutz empfindlicher Bauelemente wichtig.

Die Reaktionszeit wurde mit einem Widerstand von 0,1Ω am Ausgang, der über einen MOSFET IRFB4310Z geschaltet wird, gemessen.

Der maximale Strom ist konstruktiv beschränkt:

I^ < ( Is * Uv ) / 20mV

Insbesondere bei 20mA gilt I^ = Uv / 1.2Ω:

Uv I^
3V 2.5A
5V 4A
12V 10A
18A 15A
  • Dieses sind theoretische Werte, die im praktischen Betrieb niemals erreicht werden, wie die Messungen belegen.

Temperatur

Solange die Sicherung nicht auslöst, erwärmt sie sich nicht.

Erst bei Auslösung erhitzt sich der MOSFET Q3 und damit der Kühlkörper.

Die maximalen Temperaturen treten beim Kurzschluss des Ausgangs auf. Sie liegen in einem Bereich, der bei Berührung des Kühlkörpers zu keinen Verbrennungen führt.