../../icons/Logo.pngPraktische Elektronik

Einfache elektronische Sicherung

Wie können wir Schaltungen in Betrieb nehmen ohne Gefahr zu laufen, Bauteile zu beschädigen?

Mit einer elektronischen Sicherung.

Nachstehend werden einige Schaltungen vorgestellt und beschrieben, die beim Aufbau von Elektronikschaltungen hilfreich sind.

Die Schaltungen und die Reihenfolge der Schaltungen sollen Anfänger mit der Elektronik vertraut machen. Es wird empfohlen die Schaltungen auf dem Steckboard nachzubauen und die Wirkung nachzuvollziehen.

Verpolungsschutz

Wenn wir eine Schaltung an eine externe Stromquelle, insbesondere eine Batterie anschließen, kann es leicht zu einer Verpolung kommen. Dem können wir durch den Einbau einer Diode vorbeugen. Eine Diode erzeugt allerdings Verluste. Da ist ein MOSFET schon besser, aber der funktioniert nicht unter 3V. Eine Anzeige der Verpolung wäre auch ganz hilfreich.

Die Funktion des Verpolungsschutzes wird im Praktikum Komplementäre Transistoren beschrieben.

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Bild 1: Verpolungsschutz mit zwei LEDs und P-MOSFET

Der P-MOSFET blockiert eine falsch gepolte Versorgung. Dann leuchtet die rote LED. Die grüne zeigt die korrekte Polung an. Der IRLML6402 kann für bis zu 2,5A eingesetzt werden.

Elektronische Sicherung

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Bild 2: Elektronische Sicherung für den positiven Zweig

Diese Schaltung entspricht der im Praktikum Einfache elektronische Sicherungen behandelten Schaltung. Anstelle des NPN-Transistors und N-MOSFET werden ein PNP-Transistor und P-MOSFET eingesetzt. Der positive Strompfad wird unterbrochen. Dieses entspricht der Konstellation für die meisten Schaltungen: Sicherungen liegen im positiven Zweig.

Der IRLML6402 ist ein P-MOSFET in einem winzigen Gehäuse für die Oberflächenmontage, SOT23 genannt. Durch ihn fließt der gesamte Strom der Sicherung und er muss ihn bei Überlast begrenzen. Bei 20mA ist das kein Problem. Schon bei geringer Leistung erhitzt er sich und kommt an seine Grenze von etwa 0,8W. Bei einem Kurzschluss am Ausgang fällt an ihm die gesamte Versorgungsspannung an. Er darf dann nicht mit Strömen über 100mA belastet werden.

Bei welchem Strom die Anzeige auslöst, wird durch den Widerstand R20 mit 30Ω bestimmt. Bei 15Ω sind es 50mA und bei 7,5Ω 100mA. Die Anzeige wird ausgelöst, wenn durch den Strom die Spannung am Widerstand R20 größer als 0,6V wird, der Basis-Emitter-Spannung, bei der der Transistor Q1 leitend wird. R2 hat nur eine Schutzfunktion.

  • Wie bei einer Sicherung kann der Ausgang gefahrlos kurzgeschlossen werden. Die Sicherung brennt allerdings nicht durch, sondern ist nach Behebung der Ursache sofort wieder eingeschaltet.
  • Sie schaltet allerdings nicht wie eine normale Sicherung ganz ab, sondern begrenzt den Strom auf den eingestellten Wert.
  • Damit kann in der geschützten Schaltung die Ursache für den Fehler gesucht werden, ohne die Schaltung zu gefährden.

Einstellbare elektronische Sicherung

Für weitergehende Tests und Experimente ist eine elektronische Sicherung mit einstellbarem Strom hilfreich.

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Bild 3: Vollständige Elektronische Sicherung mit Anzeige

Die rote LED3 übernimmt die Anzeige, dass ein Überstrom erkannt wurde.

Die elektronische Sicherung wird als Modul für Steckboards aufgebaut. Durch vier Stifte kann sie auf ein Steckboard gesetzt werden. Außerdem sind Buchsen vorhanden.

Mit LED1 und LED3 wird angezeigt, dass die Versorgungsspannung anliegt und nicht verpolt ist. Der MOSFET IRLML6402 schützen die elektronische Sicherung und die dahinter liegende Schaltung gegen Verpolung.

Die Stromstärke der Sicherung wird über Jumper eingestellt. Wenn alle Jumper offen sind, löst die Sicherung bei 20mA aus.

Durch die Jumper werden Widerstände parallel geschaltet. Wird der Jumper für 50mA geschlossen liegen zwei 30Ω Widerstände parallel. Das sind 15Ω. Wird zusätzlich noch der 100mA-Jumper geschlossen liegen vier 30Ω Widerstände parallel und wir haben 7,5Ω.

Damit es nicht beim Umschalten auf höhere Stromstärken zu Unterbrechungen kommt, werden die Jumper parallel gesetzt.

  • Die elektronische Sicherung ist für Spannungen von 4V bis 5,5V geeignet. Über 5,5V wird Q3 bei Kurzschlüssen überlastet und brennt durch.

Aufbau

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Bild 4: Layout der Elektronische Sicherung mit Anzeige

Die Schaltung kann leicht auf einer Lochrasterplatine mit durchkontaktierten Lötpunkten aufgebaut werden.

Die Stiftleisten für die Ein- und Ausgänge werden wie bei Modulen von unten eingesetzt und oben verbunden.

Außerdem ist eine zweipolige Stiftleiste für den Eingang und Buchsen für den Ausgang vorgesehen. Beide werden von oben eingebaut.

Ebenso sind die Stiftleisten für die Einstellung der Stromstärke von 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 haben winzige SMD-Gehäuse für die Oberflächenmontage. Sie werden geschickt zwischen vier Lötpunkte gesetzt.

SMD-Bauelemente löten

Der IRLML6402 ist ein SMD-Bauteil, das nicht leicht zu löten ist. Wie wir den IRLML6402 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.

Es sind zwei Drahtbrücken notwendig. Die Drahtbrücke JP1 wird von unten eingesetzt, die Drahtbrücke JP2 von oben. Sie werden mit isoliertem Draht erstellt.

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Bild 5: Aufbau der Elektronische Sicherung von oben in 3D

Die Verbindungen von den Stiften zu daneben liegenden Lötpunkten sind gut zu erkennen.

Die Drahtbrücke JP2 wird von oben eingesetzt und von unten verlötet.

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Bild 6: Aufbau der Elektronische Sicherung von unten in 3D

Wie die beiden SMD-MOSFET eingelötet werden ist dargestellt.

Die Drahtbrücke JP1 wird von unten eingesetzt und oben verlötet.

Daten der elektronischen Sicherung

  • Spannungen von 4V bis 5,5V
  • Schutz gegen Verpolung am Eingang
  • Strom einstellbar
  • 20mA
  • 50mA
  • 100mA
  • nicht abschaltend
  • sofort wieder betriebsbereit
  • Fehler können bei ausgelöster Sicherung gesucht werden.
  • Anzeige bei ausgelöster Sicherung
  • Spannungsabfall bis zu 0,6V
Attention attention

Nicht über 5,5V

Wenn die elektronische Sicherung über 5,5V betrieben wird und auf 100 mA eingestellt ist, fällt am MOSFET Q3 eine Leistung über 500mW ab. Dadurch wird Q3 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.

Nachteile

Diese einfache elektronische Sicherung

  • kann für Spannungen von 4V bis 5,5V verwendet werden.
  • hat einen Spannungsabfall von bis zu 0,6V
  • ist nur für bis 100mA geeignet

Alternativen

Attention :-(

PTC-Sicherungen

Auf den ersten Blick erscheinen selbst-rückstellende Sicherungen ideal als Sicherung für Versuchsschaltungen. Es gibt sie schon für 50mA.

Aber leider sind sie nicht geeignet:

  • Sie reagieren zu langsam
  • Über 1000 mal langsamer als eine elektronische Sicherung
  • Sie sind zu ungenau
  • Reaktion nach mehren Sekunden bei 10-facher Überlastung.

Siehe: PTC-Sicherungen

Die hier vorgestellte elektronische Sicherung ist eine einfache Schaltung, die für erste Versuche geeignet ist. Nachstehend werden Alternativen mit kleinem Spannungsabfall (LDO) vorgestellt:

Attention :-)

LDO-Sicherung für 3-5V

  • Sie hat einen sehr geringen Spannungsabfall unter 100mV.
  • Sie ist für Spannungen von 3V bis 5,5V geeignet.
  • Sie widersteht Verpolung am Eingang.
  • Sie sichert Ströme von 20mA bis 100mA.
  • Sie ist begrenzend.
  • Sie ist sehr gut geeignet, die 3,3V Stromversorgung aus einem Raspberry Pi zu schützen.
  • Sie hat einen sehr geringen Spannungsabfall unter 100mV.
  • Sie ist für Spannungen von 3V bis 18V geeignet.
  • Sie widersteht Verpolung am Eingang.
  • Sie sichert Ströme von 20mA bis 100mA.
  • Sie ist begrenzend.
  • Sie ist sehr gut geeignet, die 3,3V Stromversorgung aus einem Raspberry Pi zu schützen.
  • Sie hat einen sehr geringen Spannungsabfall unter 100mV.
  • Sie ist für Spannungen von 3V bis 12V geeignet.
  • Sie widersteht Verpolung am Eingang.
  • Sie widersteht Spannungen am Ausgang auch Verpolung.
  • Sie sichert Ströme von 20mA bis 500mA.
  • Sie ist abschaltend.
  • Sie ist sehr gut geeignet, die 3,3V und 5V Stromversorgung aus einem Raspberry Pi zu schützen.
  • Sie ist sehr gut geeignet, 5V Stromversorgung für einem Raspberry Pi zu schützen.