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Elektronische Sicherung für kleine Ströme mit sehr geringem Spannungsabfall


Elektronische Sicherung mit kleinem Spannungsabfall


Elektronische Sicherung mit kleinem Spannungsabfall

Wer kennt das nicht?

Eine Schaltung mal eben aufbauen, an die Stromversorgung anschließen und Plopp ein Bauteil - nach Murphy das teuerste - ist hin.

Labornetzgeräte mit Strombegrenzung sind nicht immer für Schaltungen mit geringem Strombedarf geeignet. Sie sind für hohe Ströme ausgelegt und lassen sich kaum auf wenige (20) mA einstellen.

Andrerseits gibt es günstige Festspannungsnetzgeräte mit einem Überlastschutz. Es bietet sich an, an ein solches Festspannungsnetzgerät eine elektronische Sicherung anzuschließen. 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 3V bis 5V geeignet sind und
  • gegen Verpolung geschützt ist.

Sie eignet sich für Projekte mit kritischer Stromversorgung,

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

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.

Berechnung des Messwiderstands

Für jede der Stromstärken von 20mA, 50mA und 100mA 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.
  • 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

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_s.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 JP 50mA JP 100mA
20mA offen offen
50mA gesetzt offen
100mA gesetzt gesetzt

Der 1,2Ω Widerstand für 20mA ist immer eingeschaltet. Durch den Jumper JP50 werden der 5,6Ω und ein 1Ω Widerstand dazu parallel geschaltet. Der JP100 schaltet dazu 2 weitere 1Ω Widerstände parallel.

Damit haben wir eine einfache und elegante Schaltung.

Aufbau der Schaltung

Die Schaltung ist klein genug, um sie als Steckmodul für Steckboards zu realisieren. Die Höhe von neun 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 rt 3mm 2 0.10 0.20
LDE2 gn 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_s.png
Bild 4: Aufbau der Elektronischen Sicherung auf einer Lochrasterplatine
Elektronische-Sicherung-Spiegel-Linear-Top_s.png
Bild 5: Ansicht auf die Bestückungsseite

Die Drahtbrücken sind rot eingezeichnet.

Elektronische-Sicherung-Spiegel-Linear-Bottom_s.png
Bild 6: Ansicht auf die Lötseite
Elektronische-Sicherung-Spiegel-Linear-Layout_s.png
Bild 7: Das Layout mit Sicht auf die Bestückungsseite

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

Die Stiftleisten für die Einstellung der Stromstärke sind allerdings nach oben eingebaut. Wir können damit einfach die Stromstärke der elektronischen Sicherung einstellen.

Leider ist der Aufbau für Lötanfänger nicht ganz leicht. Die beiden MOSFET IRLM6402 und der Doppeltransistor BCV62B 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.

Elektronische-Sicherung-Spiegel-Linear-Prototyp.png
Bild 8: Prototyp der elektronischen Sicherung

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.

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.