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Praktische Elektronik


Wie kann man Schaltungen in Betrieb nehmen ohne Gefahr zu laufen, Bauteile zu beschädigen?

Hier wird eine elektronische Sicherung vorgestellt, die für kleine Ströme geeignet ist und einen sehr geringen Spannungsabfall erzeugt.


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Elektronische Sicherung mit kleinem Spannungsabfall

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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 wird eine elektronische Sicherung vorgestellt, die

  • einen Spannungsabfall unter 100mV erzeugt - LDO,
  • die Plus-Leitung unterbricht,
  • für 3V bis 12V geeignet ist 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 vorgestellte Schaltung benötigt zwar eine Stromversorgung von mindestens 3V. Die Sicherung unterbricht dagegen den positiven Zweig der Stromversorgung und ihr Spannungsabfall ist kleiner als 100mV.

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

Elektronische-Sicherung-PNP_s.png
Bild 1: Schaltung der elektronischen Sicherung

Auf der linken Seite bilden die LED1 und LED2 eine Anzeige für die korrekte Polung der Eingangsspannung. Die rote LED zeigt fehlerhafte Polung, die grüne korrekte an. Der P-MOSFET Q4 schützt die Sicherung selbst und die angeschlossene Schaltung gegen Verpolung.

Unten rechts am Ausgang liegt die blaue LED3, die anzeigt, ob die Sicherung eingeschaltet ist, also Strom liefert. Der Widerstand R7 bildet eine Grundlast.

Oben rechts liegen eine Reihe von Shunt-Widerständen und Jumper mit denen der maximale Strom der Sicherung eingestellt wird. Wenn alle Jumper offen sind, löst die Sicherung bei etwa 25mA aus. Die Jumper werden einfach alle nacheinander bis zur gewünschten Stromstärke gesetzt.

Der Jumper J1A schließt die elektronische Sicherung kurz. Wenn die Sicherung an einem elektronischen (USB-) Netzteil betrieben wird, wird dessen Strombegrenzung wirksam.

Die benötigten Messwiderstände sind sehr niederohmig und nicht einfach zu beschaffen. Daher wurden hier einfach mehrere 1Ω-Widerstände parallel geschaltet. Der 0.1Ω Widerstand für den 500mA-Bereich käme mit 50mW hin. Ein 0,5W-Widerstand sollte mindestens genommen werden. Für alle anderen Widerstände können 250mW verwendet werden.

Der P-MOSFET Q3 bildet den elektronischen Schalter der Sicherung. Er wird über die Transistoren Q1 und Q2 angesteuert.

Der Strom selbst wird über den Widerstand R25 (oder die eventuell parallel dazu liegenden Shunt-Widerstände) gemessen. Die Messspannung von 25mV ist sehr gering. Die Transistoren Q1 und Q2 bilden einen Stromspiegel, der durch die Spannung an R25, aus dem Gleichgewicht gebracht wird. Die Abweichung wird über die Widerstände R2 und R10 dem Gate des elektronischen Schalters Q3 zugeführt. Die Schwellenspannung des Q3 dient als Referenz für die Stromgrenze. Sie streut stark. Mit dem Trimmpoti R10 kann die Sicherung abgeglichen werden.

Die Schaltung von Q1 und Q2 ist im Prinzip ein Stromspiegel, der zur invertierenden Messung verwendet wird.

Der P-MOSFET Q3 würde bei einem Strom von 250mA und 3V überlastet werden, wenn der Ausgang z.B. kurzgeschlossen wird. Deshalb schaltet die Sicherung bei zu hohem Strom einfach ab. Dieses wird durch die Mitkopplung über R3, R4, R5 und R11 erreicht.

Die Kondensatoren C2 und C3 lassen kurzzeitige Überlastungen zu. C2 sorgt in erster Linie dafür, dass die Sicherung automatisch einschaltet, wenn die Eingangsspannung angelegt wird.

Mir dem Taster T1 kann die Sicherung ausgeschaltet werden. Mit T2 kann sie wieder eingeschaltet werden, wenn sie ausgelöst hatte.

Dieses Wiedereinschalten erlaubt eine kurzzeitige Überlastung der Sicherung. Es kann bis zu 150% des Sicherungsstromes fließen, aber maximal für 10ms. Ein solcher Fall liegt vor, wenn der Ausgang kurzgeschlossen wurde. Insbesondere ist diese Überlastung hilfreich, wenn die angeschlossenen Schaltung Stützkondensatoren enthält. Ohne diese Überlastung würde die Sicherung dann immer auslösen. Bei zu großen Stützkondensatoren schaltet die Sicherung allerdings nicht ein. Ebenso schaltet die Sicherung bei Stützkondensatoren am Ausgang nicht automatisch beim Anlegen der Versorgungsspannung ein.

Die Latenzzeit von etwa 10ms zum Einschalten mit Stützkondensatoren am Ausgang wird durch den Kondensator C1 bestimmt. Über 10ms kann jedoch nicht hinausgegangen werden, weil sonst der MOSFET Q3 überlastet würde.

Wird während des Betriebs der Sicherung ein Kurzschluss ausgelöst, schaltet die Sicherung sehr schnell (~10µs) ab. Dabei können allerdings relativ hohe Ströme fließen.

Variante mit 250mA

Für die meisten Testaufbauten werden nicht mehr als 250mA benötigt. In den meisten Fällen werden Fehler schon bei geringen Stromstärken bemerkt. Auf eine Sicherung mit 500mA kann gut verzichtet werden. Der 0,1Ω Widerstand R500 wird eben so nicht benötigt wie auch der Jumper J500. Ein Betrieb ohne Sicherung durch Setzen des Jumpers J1A ist natürlich immer noch möglich.

USB-Anschluss

Es ist möglich die Sicherung mit einer USB-Buchse im Format B-Mini einzubauen. (Reichelt: USB BMW). Der Einbau der USB-Buchse auf eine Lochraster-Platine ist nicht einfach. Das Vorgehen wird weiter unten beschrieben. Mit einem passenden Kabel kann dann eine USB-Netzteil unmittelbar angeschlossen werden. Wenn die Sicherung nur an USB und für 5V betreiben werden soll, können einige Bauteile einfallen:

  • JP1 und JP2 sollten nicht eingebaut werden, damit keine andere Stromversorgung angeschlossen werden kann.
  • Der MOSFET Q4 kann entfallen, weil die Spannung nicht verpolt werden kann. Dann muss eine Drahtbrücke zwischen Drain und Source von Q4 hergestellt werden. Die Spannung an der Sicherung wird dadurch um ein paar 10mV geringen.
  • Die rote LED2 wird ebenfalls nicht benötigt.

Der Aufbau

Die Schaltung lässt sich auch von Anfängern auf einer Lochraster-Platine aufbauen. Die größte Schwierigkeit stellen die MOSFETs im SMD-Gehäuse dar. Sie werden auf der Unterseite auf vier Lötpunkte gesetzt. Der einzelne Pin wird einfach zwischen zwei Lötpunkte gesetzt und diese mit ihm verbunden. Alle Verbindungen, die den Strom der Sicherung führen, müssen nicht mit dickem Draht ausgeführt werden. Schon ein 0,3mm Draht hat etwa den halben Widerstand einer 1,27*0,035mm² Leiterbahn.

Elektronische-Sicherung-PNP-board_s.png
Bild 2: Board der elektronischen Sicherung in der Draufsicht

Alle Bauelemente sind Standard-Bauelemente, die man z.B. bei Reichelt bekommen kann. Insgesamt kann die Schaltung für ein paar Euro aufgebaut werden. Das teuerste Bauteil dürfte die Lochrasterplatine sein.

Für T1 und T2 können auch andere PNP-Kleinsignal-Transistoren eingesetzt werden. Sie sollten aus der gleichen Charge stammen und natürlich die gleiche Stromverstärkungs-Klasse haben. T1 und T2 reagieren auf Temperaturunterschiede. Sie sollten mit einem Draht aneinander gebunden werden.

Beide durch einen speziellen Doppeltransistor zu ersetzen, ist jedoch des Guten zu viel.

Elektronische-Sicherung-PNP-board_flip_s.png
Bild 3: Board der elektronischen Sicherung von der Unterseite

Anschlüsse der Sicherung

An den Ausgängen werden Steckbuchsen verwendet. Dort können Drähte eingesteckt werden, die dann mit dem Steckboard verbunden werden. Drähte mit 0,4mm Durchmesser sind gut geeignet.

Das ist natürlich auch am Eingang möglich. Besser ist es, am Eingang Stifte zu verwenden. Auf diese Weise werden die Anschlüsse für Eingang und Ausgang nicht leicht verwechselt.

Wer die Sicherung nur für die Spannung von 5V verwenden will, sollte sie an ein USB-Netzteil anschließen. Geeignet ist die USB-Einbaubuchse, B-Mini (Reichelt: USB BWM ). Diese Anschlüsse werden meistens für USB-Festplatten verwendet.

Die USB-Buchse ist nicht leicht einzubauen, weil die Anschlüsse enger sind als das Raster der Lochrasterplatine. Die Befestigung des Gehäuse erfolgt mit zwei Lötstiften. Dafür müssen die beiden Bohrungen aufgebohrt werden. Von den anderen Anschlüssen werden nur die beiden äußeren benötigt. Die anderen können leicht abgebrochen werden. Die beiden verbleibenden müssen dann auf das Rastermaß gebogen werden. Das muss ganz vorsichtig erfolgen, weil die Stifte sehr leicht abbrechen.

Gehäuse

Die Schaltung kann in ein Gehäuse eingebaut und die Jumper durch Kippschalter ersetzt werden. Ein Stufenschalter ist auch möglich, aber oft nicht für 500mA und mehr geeignet. Die Taster können an die Anschlüsse Ta1 bis Ta2 angeschlossen werden.

Das Gehäuse selbst ist unkritisch. Eine durchsichtige Plastikdose ist ideal, weil die LEDs nicht herausgeführt werden müssen.

Wenn die Elektronische Sicherung in ein Gehäuse eingebaut wird, ist es sinnvoll ein USB-Netzteil fest anzuschließen. Der Einbau der USB-Buchse und des Verpolungsschutzes Q4 ist dann nicht mehr nötig. Die Leitung muss dann z.B mit einem Kabelbinder zugentlastet werden.

Am Ausgang können 4mm oder 2mm Einbaubuchsen oder Polklemmen verwendet werden. An Polklemmen können einfach Drähte für das Steckboard angeschlossen werden.

Der Prototyp

Prototyp-elektronische-Sicherung.png
Bild 4: Prototyp der elektronischen Sicherung.

Der Prototyp ohne USB wurde auf einer Lochrasterplatine aufgebaut. Die beiden Transistoren werden mit einem isolierten Draht thermisch gekoppelt. Die gelben Jumper sind Testpunkte, die für Messzwecke eingebaut wurden. 2,5mm Schrauben dienen als Füße. Die folgenden Angaben beziehen sich auf diesen Prototypen.

Bedienung der elektronischen Sicherung

  • Die Stromversorgung wird an die Pinheads des Eingangs angeschlossen (3V bis 12V).
  • Wenn die rote LED leuchtet, ist die Eingangsspannung verpolt.
  • Die grüne LED zeigt eine korrekt angeschlossene Eingangsspannung an.
  • Wenn die Sicherung ein, ist leuchtet die blaue LED.
  • Ist die blaue LED aus, hat die Sicherung ausgelöst.
  • Durch den Aus-Taster kann sie ausgelöst werden.
  • Durch den Ein-Taster wird die Sicherung aktiviert.
  • Wenn sie dann nicht einschaltet, ist
  • die Last zu groß oder
  • ein zu großer Kondensator angeschlossen
  • Die Auslösestromstärke wird über Jumper eingestellt:
  • Es müssen immer alle Jumper bis zur maximalen Stromstärke gesetzt werden
    Sonst stimmt die Stromstärke nicht.
  • Der Jumper J1A schließt die Sicherung kurz. Sie ist dann ohne Wirkung. Dann wirkt die hoffentlich vorhandene Sicherung der Stromversorgung.

Jumper für die Stromstärke

Die Jumper für die Stromstärke werden beginnend ohne Jumper für 25mA nacheinander gesetzt.

Stromstärke J50 J100 J250 J500 J1A
25mA - - - - -
50mA J50 - - - -
100mA J50 J100 - - -
250mA J50 J100 J250 - -
500mA J50 J100 J250 J500 -
nicht gesichert x x x x J1A

Der Jumper J1A schließt die Sicherung kurz. Die Stellung der anderen Jumper hat dann keine Wirkung.

Korrekte Anwendung der elektronischen Sicherung

  • Wenn eine neue Schaltung aufgebaut wurde, oder eine Schaltung verändert wurde, wird mit 25mA 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 zu der erwarteten Stromstärke erhöht.
  • Wenn die Sicherung bei der erwarteten Stromstärke auslöst, wird nicht weiter erhöht, sondern der Fehler gesucht.
  • Schaltungen mit mehr als 500mA Strombedarf können kaum mit einer elektronischen Sicherung geschützt werden.
  • Der Teil mit kleinem Leistungsbedarf kann mit einer elektronischen Sicherung in Betrieb genommen werden.
  • Der Lastteil sollte an einer gesicherten Stromversorgung betrieben werden. Es helfen:
  • eine sorgfältige Überprüfung der Schaltung z.B. mit Emulatoren
  • ein sorgfältiger Aufbau
  • eine sorgfältige Überprüfung des Aufbaus
  • Leider helfen Emulatoren wie Spike nicht zur Überprüfung des realen Aufbaus
Attention attention

Bitte beachten

  • Die elektronische Sicherung darf nur bis maximal 12V betrieben werden.
  • Wenn der Jumper J1A gesetzt ist, ist der Verpolungsschutz nicht wirksam.

Dieses ist jedoch kein Nachteil, weil die gesicherten Bereiche zuvor verwendet wurden und die Sicherung bereits korrekt angeschlossen ist. ;-)

Abgleich

Die Auslösestromstärke der Sicherung hängt von den verwendeten Transistoren und dem MOSFET Q3 ab. Ein Abgleich ist notwendig.

1.
Das Trimmpoti auf Mittelstellung bringen.
2.
Den 50mA-Bereich wählen:
  • Jumper 50mA setzen.
3.
5V Eingangsspannung anlegen.
4.
Die blaue LED sollte leuchten.
  • Anderenfalls das Trimmpoti ein wenig gegen den Uhrzeigersinn verstellen und
  • den Ein-Taster betätigen,
  • bis die LED leuchtet.
5.
An den Ausgang einen 100Ω Widerstand anlegen.
6.
Wenn die blaue LED verlischt, das Trimmpoti gegen den Uhrzeigersinn verstellen und
  • den Ein-Taster betätigen,
  • bis die LED leuchtet.
7.
Das Trimmpoti langsam im Uhrzeigersinn verstellen, bis die LED verlischt
8.
Das Trimmpoti minimal zurückdrehen.
9.
Den Ein-Taster betätigen.
  • Die blaue LED sollte jetzt leuchten
10.
Test:
  • ein 1kΩ Widerstand parallel zum 100Ω sollte die Sicherung auslösen: die blaue LED erlischt.

Ergebnisse

Die folgenden Ergebnisse beziehen sich auf den Prototypen.

Genauigkeit

Eine elektronische Sicherung ist nicht für Messzwecke gedacht. Sie soll Schaltungen schützen. Die eingestellte Auslösestromstärke der Sicherung ist in den Bereichen von 3V bis 12V und 25mA bis 500mA auf 20% genau. Das ist gut im Vergleich zu Schmelz- und PTC-Sicherungen.

Spannungsabfall

Im gesamten Spannungsbereich von 3V bis 12V ist der Spannungsabfall unter 100mV, wenn der Strom unter 80% der Auslösestromstärke liegt. Diese Spannungsänderungen zeigen auch Spannungsregler und beeinträchtigen Digitalschaltungen nicht.

Auszustand

Die Sicherung schaltet nicht perfekt aus.

Wenn die Sicherung ausgelöst hat, steht am offenen Ausgang eine Spannung von 2,2V bei einer Eingangsspannung von 12V und 0,5V bei 3V.

Der Kurzschlussstrom der ausgeschalteten Sicherung ist um 1.8mA bei 12V und 0,4mA bei 3V.

Damit werden auch empfindliche elektronische Bauelemente nicht beschädigt.

Schaltverhalten

Interessant ist das Schaltverhalten der Sicherung. Die Sicherung löst unter 10ms aus, wenn die Auslösestromstärke wenig überschritten wird. Der Strom wird auf die Auslösestromstärke begrenzt. Die höchste Belastung tritt auf, wenn der Ausgang der Sicherung kurzgeschlossen ist und sie mit dem Taster eingeschaltet wird. Dann wird der Strom auf die Auslösestromstärke begrenzt und nach 10ms abgeschaltet. Dieses Verhalten zeigt sich auch bei großen Kapazitäten am Ausgang.

Wird während des Betriebs ein Kurzschluss hergestellt, wird in unter 50µs ausgeschaltet. Der Strom kann dann bis zum zehnfachen der Auslösestromstärke betragen.

Kondensatoren am Ausgang

Bei Kondensatoren am Ausgang schaltet die Sicherung meistens nicht automatisch ein, wenn die Eingangsspannung angelegt wird. Mit dem Taster schaltet sie nur ein, wenn die Kapazität nicht zu groß ist.

Maximale Kapazität am Ausgang bei eingestellter Auslösestromstärke

Strom bei 3V bei 5V bei 12V
25mA 100µF 22µF 10µF
50mA 220µF 100µF 22µF
100mA 470µF 220µF 47µF
250mA 1000µF 470µF 100µF
500mA 2000µF 1000µF 220µF

Die obigen Werte sind natürlich nur Richtwerte.

Belastung des Schalt-MOSFET

Der MOSFET Q3 (IRLML6402) wird beim Kurzschluss des Ausgangs am stärksten belastet. Im 500mA Bereich und 12V bleibt die Belastung unter 10A und unter 10µs. Das liegt im sicheren Arbeitsbereich des IRLML6402.

Stromverbrauch

Die elektronische Sicherung selbst verbraucht einige mA. Das ist insbesondere interessant, wenn sie als Sicherung für die 3,3V eines Raspberry Pi eingesetzt werden soll. Im Leerlauf braucht die Schaltung bei 3,3V etwa 7mA, bei 5V sind es 13mA und bei 12V 40mA. Den größten Teil verbraucht die grüne LED für die Eingangsspannung. Diese Ströme können durch die Verwendung von superhellen LEDs reduziert werden. Dann können R8 und R9 auf 10kΩ erhöht werden.

Die blaue LED und die Grundlast R7 erzeugen einen Strom durch den Messwiderstand. Bei 3,3V sind mit 5mA zu rechnen, bei 5V mit 7mA und bei 12V mit 12mA.

Robustheit

Wird versehentlich an den Ausgang eine Spannung angeschlossen, wird die elektronische Sicherung dadurch nicht zerstört. Natürlich nur, wenn die Spannung unter 20V ist.

  • Eine positive am Spannung Ausgang bring leider sowohl die grüne als auch die blaue LED zum leuchten. :-(
  • Bei einer negativen Spannung am Ausgang leuchtet keine LED. :-)

Damit diese Irrtümer vermieden werden, wurden am Eingang Pinheads oder USB und am Ausgang Buchsen verwendet. ;-)

LTspice

Für diejenigen, die sich für das Design interessieren, steht die elektronische Sicherung als Schaltung für LTspice zur Verfügung: ElektronischeSicherung-Stromspiegel-PNP.zip