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Praktische Elektronik


Schaltungen in Betrieb nehmen ohne Bauteile zu beschädigen.


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Elektronische Sicherungen

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Elektronische Sicherung mit kleinem Spannungsabfall


Einfache elektronische Sicherungen

Wie kann man 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 Steckbrett nachzubauen und die Wirkung nachzuvollziehen.

Verpolungsschutz

Wenn man eine Schaltung hat, die an eine externe Stromquelle, insbesondere eine Batterie angeschlossen wird, kann es leicht zu einer Verpolung kommen. Dem kann man 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.

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Bild 1: Verpolungsschutz mit zwei LEDs und P-MOSFET

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

Elektronische Sicherung

ElektronischeSicherung_1.png
Bild 2: Elektronische Sicherung mit Anzeige

Diese Schaltung misst mit dem Widerstand Rm den Strom aus der Stromquelle. Der Transistor Q1 BC337 schaltet ein, wenn der Strom größer als 20mA ist. Wenn der Transistor Q1 nicht eingeschaltet ist, liegt am Gate des MOSFET Q2 eine positive Spannung über 2,5V. Q2 ist eingeschaltet. Es kann ein Strom über die Sicherung fließen. Schaltet Q1 aufgrund eines zu hohen Stroms ein, wird die Gate-Spannung von Q2 geringer und Q2 sperrt. Die Sicherung wird aktiviert. Diese Elektronische Sicherung schaltet nicht vollständig ab, wenn der Strom zu groß wird, sondern begrenzt den Strom.

Der IRFZ24N ist ein Leistungs-MOSFET in einem speziellen Gehäuse, TO220 genannt. Durch ihn fließt der gesamte Strom der Sicherung und er muss ihn bei Überlast begrenzen. Bei 20mA ist das kein Problem. Wenn er allerdings 200mA bewältigen soll, kann ihm schon mal warm werden. Für andere Ströme kann man R20 wie bei der Überstromanzeige anpassen.

Bei welchem Strom die Anzeige auslöst wird durch den Widerstand R20 mit 30Ω bestimmt. Bei 12Ω sind es 50mA, bei 6,2Ω 100mA und bei 3,3Ω 200mA. Die Anzeige wird ausgelöst, wenn durch den Strom die Spannung am Widerstand R20 größer als 0,6V wird. R2 hat nur eine Schutzfunktion.

Wie bei einer Sicherung kann man den Ausgang gefahrlos kurzschließen. Die Sicherung brennt allerdings nicht durch, sondern ist nach Behebung der Ursache sofort wieder eingeschaltet.

Einstellbare elektronische Sicherung

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

ElektronischeSicherung_2_s.png
Bild 3: Vollständige Elektronische Sicherung mit Anzeige

Die gelbe LED1 übernimmt die Anzeige, dass ein Überstrom erkannt wurde.

Die elektronische Sicherung kann entweder mit einem Schraubanschluss oder einem USB-Stecker versehen werden.

Mit LED2 und LED3 wird angezeigt, dass die Versorgungsspannung anliegt und nicht verpolt ist. Die Diode 1N4004 oder der MOSFET IRLML6402 schützen die elektronische Sicherung und die dahinter liegende Schaltung gegen Verpolung. Wer die Versorgungsspannung fest anschließt oder den USB-Stecker verwendet, kann sich die Diode bzw. P-MOSFET sparen und statt dessen eine Drahtbrücke einbauen.

Der IRLML6402 ist ein SMD-Bauteil, das nicht leicht zu löten ist. Wie man den IRLML6402 auf eine Lochrasterplatine aufbaut, ist auf der Bauelemente-Seite des IRLML6402 beschrieben.

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

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

Mit den angegebenen Werten kann die Sicherung bis zu 200mA betrieben werden.

Wenn die Sicherung bei 200mA betrieben werden soll, sollte der Transistor Q2 gekühlt werden.

Die Elektronische Sicherung ist für Spannungen von 4V bis 12V geeignet.

ElektronischeSicherung_2Board_s.png
Bild 4: Layout der Elektronische Sicherung mit Anzeige

Die Schaltung kann leicht auf einer Lochrasterplatine aufgebaut werden. Um den Transistor Q2 herum ist genügend Platz gelassen, um ein Kühlblech für den Betrieb bei 200mA einzubauen.

Auf der Platine sind 4 Bohrungen für Schrauben als Füße vorgesehen.

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.

Die Sache mit der Kühlung

Die elektronische Sicherung ist im Prinzip ausgelegt für:

  • Spannungen von 4V bis 12V
  • Ströme von 20mA bis 200mA

Wenn die elektronische Sicherung bei 12V betrieben wird und auf 200 mA eingestellt ist fällt am MOSFET Q2 eine Leistung von bis zu 2,4W ab. Dadurch wird Q2 ziemlich heiß. Ohne eine Kühlung in Form eines Kühlblechs wird er nach einigen Sekunden zerstört sein.

Wir verwenden den Kühlkörper SK 13 35 SA 220 von Fischer oder V PR18/25 von Reichelt. Q2 und der Kühlkörper müssen natürlich mit der Platine verschraubt werden. Der Kühlkörper ist mit Minus der Ausgangsspannung verbunden. Also Vorsicht.

Damit ist die Kühlung für 200mA an 12V gewährleistet.

Man kann Q2 auch einfach auf das Platine schrauben und hoffen, dass er nicht zu heiß wird. Q2 wird nur dann heiß, wenn die Sicherung bei 200mA an 5V auslöst. Bei 12V wird Q2 nach kurzer Zeit zerstört.

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 zu der erwarteten Stromstärke erhöht.
  • Wenn die Sicherung bei der erwarteten Stromstärke auslöst, wird nicht weiter erhöht, sondern der Fehler gesucht.

Nachteile

Diese einfache elektronische Sicherung

  • kann nur mit einer Spannungsquelle verwendet werden, deren Plus- und Minus-Leitung nicht weiter benötigt werden.

Sie kann also nicht z.B. die Stromversorgung aus einem Raspberry Pi verwenden.

  • kann für Spannungen von 4V bis 12V verwendet werden.
  • hat einen Spannungsabfall von bis zu 0,6V

Alternativen

Die vorgestellte elektronische Sicherung ist eine einfache Schaltung, die für erste Versuche geeignet ist. Es werde hier in Kürze Alternativen vorgestellt:

  • Sie hat einen sehr geringen Spannungsabfall unter 100mV.
  • Sie ist sehr gut geeignet, die 3,3V Stromversorgung aus einem Raspberry Pi zu schützen.
  • Sie braucht keinen Kühlkörper, weil sie einfach abschaltet.
  • Sie kann an ein USB-Netzteil angeschlossen werden.
  • Ein einfaches geregeltes Netzgerät mit einstellbarer Strombegrenzung. Es benötigt aber
  • ein spezielles Steckernetzteil und
  • einen Kühlkörper