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Elektronische Sicherung für kleine Ströme mit sehr geringem Spannungsabfall


Elektronische Sicherungen mit kleinem Spannungsabfall


Elektronische Sicherungen mit kleinem Spannungsabfall

Einfache Schaltungen, wie sie in Einfache elektronische Sicherung vorgestellt werden, haben den Nachteil, dass sie

  • einen nicht unerheblichen Spannungsabfall von 0.6V verursachen.

Hier werden eine elektronische Sicherungen vorgestellt, die

  • einen Spannungsabfall unter 100mV erzeugt - LDO,
  • die Plus-Leitung unterbrechen,
  • für Spannungen ab 3V und,
  • für Spannungen bis 5V oder gar 18V geeignet sind,
  • gegen Verpolung geschützt sind.

Sie eignen sich für Projekte mit kritischer Stromversorgung,

  • wie z.B. dem Raspberry Pi und seinem 3,3V-Ausgang.
Attention >

Elektronische Sicherungen mit geringem Spannungsabfall gibt es auch als Chip.

Leider arbeiten sie meistens mit Stromstärken über 0,5A und häufig bei einer festen Spannung. Z.B. STEF05, STEF033 oder NIS5132.

Intelligente High-Side-Schalter (siehe Transistor an Logik und insbesondere MOSFET an Logik) haben Eigenschaften, die für elektronische Sicherungen genutzt werden können.

Für unsere Zwecke ist der TPS2552/TPS2553 geeignet. Leider kann mit dem TPS2552/TPS2553 keine elektronische Sicherung unter 70mA realisiert werden. Außerdem kann er nur für Spannungen bis 6,5V eingesetzt werden.

Die Schaltung

Die elektronische Sicherung benötigt eine Stromversorgung. Sie ist also kein Zweipol wie eine Sicherung im klassischen Sinne.

Elektronische Sicherungen als Zweipol benötigen auch eine Stromversorgung. Sie wird aus dem Stromzweig entnommen. Der Spannungsabfall einer solchen Sicherung ist nicht unter 0,6V zu drücken. Meistens fallen etwa 1,2V ab. Derartige Spannungsabfälle sind für 3V-Versorgungen nicht geeignet.

Die hier vorgestellten Schaltungen benötigen eine Stromversorgung von mindestens 2.5V. Die Sicherungen unterbrechen den positiven Zweig der Stromversorgung und ihr Spannungsabfall ist kleiner als 100mV.

Es gibt außerdem einen Verpolungsschutz und LEDs für die Anzeige des Zustands.

Grundsätzlich gibt es zwei Arten elektronischer Sicherungen:

  • Begrenzenden elektronische Sicherungen
  • Unterbrechende elektronische Sicherungen

Begrenzenden elektronische Sicherungen

  • Die begrenzenden elektronische Sicherungen können auch Schaltungen versorgen, die kurzzeitig einen hohen Strom ziehen, wie z.B. Kondensatoren.
  • Aufgrund der Begrenzung können Fehler in der angeschlossenen Schaltung gesucht werden.
  • Die Sicherung ist sofort wieder eingeschaltet, wenn der Fehlerfall behoben wurde.
  • Bei einem Kurzschluss fällt an der Sicherung eine hohe Leistung ab.

Die hohe Leistung stellt ein gravierendes Problem dar: Die Leistung muss durch Kühlmaßnahmen abgeführt werden.

Unterbrechende elektronische Sicherungen

  • An einer unterbrechenden elektronischen Sicherung wird der Strom beim Überschreiten des Auslösestroms der gesamte Stromkreis unterbrochen. - Wie bei einer herkömmlichen Sicherung.
  • Da elektronische Sicherungen sehr schnell reagieren, können auch kurzzeitige hohe Ströme die Sicherung auslösen. Das ist leicht bei Schaltungen mit Kondensatoren der Fall.
  • Die Sicherung muss nach dem Auslösen meistens manuell wieder eingeschaltet werden.
  • Weil die Sicherung abschaltet, fällt an der Sicherung keine hohe Leistung ab.
  • Durch eine verzögerte Auslösung der Sicherung können auch Kondensatoren angeschlossen werden.
  • Dann kommt es zu kurzzeitiger Überlastung der Sicherung.

Elektronische Sicherung mit kleinem Spannungsabfall

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

Diese Schaltung entspricht der im Praktikum vorgestellten Elektronische Sicherung mit Stromspiegel. Allerdings werden hier PNP-Transistoren und ein P-MOSFET verwendet. Die beiden PNP-Transistoren Q2 und Q3 bilden den Stromspiegel. Q4 ist der Schalter.

Die elektronischen Sicherung in Bild 1 ist begrenzend.

Für eine abschaltende Sicherung muss die Schaltung noch modifiziert werden. Sie wird in abschaltende Sicherung vorgestellt.

Praktische Schaltung

Wir betrachten hier eine einfache begrenzende elektronischen Sicherung.

Für eine praktische Anwendung sollte die Schaltung um einige Eigenschaften erweitert werden:

  • Verpolungsschutz
  • Einstellbare Stromstärke
  • Anzeige bei Auslösung der Sicherung

Einstellbare Stromstärke

Die Stromstärke, bei der die Sicherung auslöst, wird über den Widerstand Rs eingestellt. Die Schaltung in Bild 1 löst bei 20mA aus.

Wir wollen eine begrenzende elektronische Sicherung realisieren. Dann fällt bei einem Kurzschluss am Ausgang der Sicherung am MOSFET die volle Eingangsspannung ab. Er muss außerdem den Kurzschlussstrom leiten. Damit wird der MOSFET mit

Pmosfet = Uein * Is

belastet.

Ein IRLM6402 darf mit maximal 800mW belastet werden.

Bei einer Versorgungsspannung von 5V ist dann

Is = Pmosfet / Uein
Is = 800mW   / 5V
Is = 160mA

möglich. Wir gehen auf Nummer sicher und nehmen maximal 100mA.

Sinnvolle Stromstärken sind dann 20mA, 50mA, und 100mA. Damit kommen wir bei den meisten unserer Praktika und Versuche aus. Für die Berechnung nehmen wir noch 200mA dazu.

Berechnung des Messwiderstands

Für jede der Stromstärken von 20mA, 50mA, 100mA und 200mA ist ein bestimmter Messwiderstand nötig.

Die Sicherung löst bei Us=25mV=0,025V am Messwiderstand aus.

Der Messwiderstand ist Us/Is.

  • Für Is=25mA wäre ein Widerstand von 1Ω nötig.
  • Zwei parallele 1Ω Widerstände lassen 2*25mA=50mA fließen,
  • vier parallele 4*25mA=100mA usw.
  • Für Is=20mA wäre ein Widerstand von 1,25Ω nötig.
  • In der E24 gibt es 1,2Ω.
  • 1,2Ω mit einem parallelen 5,6Ω Widerstand ergeben 1Ω.
Is Rs Anmerkung
20mA 1,25Ω E24: 1,2Ω
25mA 1,0Ω 1,2Ω parallel zu 5,6Ω
50mA 0,5Ω 1Ω parallel zu 1Ω
100mA 0,25Ω 4 mal 1Ω parallel
200mA 0,125Ω 8 mal 1Ω parallel

Die parallelen 1Ω Widerstände haben den Vorteil, leicht beschaffbar und günstig zu sein.

Bein Umschalten der Stromstärken ist es sinnvoll, den Stromkreis nicht zu unterbrechen, wie es bei mechanischen Umschaltern geschieht. Besser ist es, die Widerstände parallel zu schalten. Dann kommt es nicht zu Unterbrechungen. Außerdem werden Widerstände gespart.

Stromschalter.png
Bild 2: Stromschalter

Der Stromschalter in Bild 2 schaltet die Widerstände für die Stromstärken parallel. Es können sowohl Jumper als auch einfache Schalter eingesetzt werden. Es werden nur sieben mal 1Ω benötigt. Für 20mA noch 1,2Ω und die ausgleichenden 5,6Ω für 50mA. Wegen der Parallelschaltung wird der Jumper/Schalter für 200mA nur mit 100mA belastet. Wenn alle Jumper/Schalter geöffnet sind, sind 20mA eingestellt.

Varianten

Höhere Spannungen

Bei höheren Spannungen muss der MOSFET höhere Leistungen verkraften. Bei 15V und 100mA treten 1,5W auf. Dafür ist ein Leistungs-MOSFET nötig.

Module

In Sicherung mit kleinem Spannungsabfall für 3V bis 5V wird eine kleine einfache elektronische Sicherung für bis zu 5,5V vorgestellt. Sie reicht für Digitalschaltungen und die Inbetriebnahme von Schaltungen am z.B. Raspberry Pi aus.

Für manche Schaltungen werden Spannungen von 12V oder 15V benötigt. Dann bietet sich die Begrenzende elektronische Sicherung für Spannungen bis 18V an.

Diese beiden Sicherungen sind

  • kleine Steckmodule für Steckboards
  • einfach aufzubauen
  • einfach zu bedienen
  • gegen Fehlbedienung gesichert.