Messungen an der elektronischen Sicherung für 3V bis18V

Unsere Sicherung können wir genauer mit dem Volt- und Amperemeter vermessen.

• Wir messen die Ausgangsspannung und den Ausgangsstrom unter verschiedenen Testbedingungen.

• Interessant ist der Spannungsabfall U_in-U_out an der Sicherung.

Die folgenden Daten wurden am Prototyp gemessen.

Tabelle 2: Zusammenfassung der Messungen bei 5V

Die Widerstandswerte in der obigen Tabelle werden durch mehrere 100Ω Widerstände erreicht ( + heißt in Reihe geschaltet).

• Die Messungen zeigen, dass der Prototyp der Sicherung nicht bei 500mA, sondern bei etwa 400mA auslöst.

Höhere Versorgungsspannungen

Wir schießen die Stromversorgung von 12V bzw. 18V und eine selbstrückstellende Sicherung von 0,25A/0,5A an J5 an. Alternativ kann ein elektronisches Netzgerät mit 12V bzw. 18V und 250mA verwendet werden.

Nur für den 500mA-Bereich wird die selbstrückstellende Sicherung von 0,5A/1A verwendet und das Netzgerät auf 550mA gestellt.

Wir verwenden wieder 100Ω Widerstände.

Wir testen bei 12V.

Wenn der Ausgang offen ist, sollte bei allen Einstellungen des Stromwählers die blaue LED leuchten und die rote LED3 nicht. Die Ausgangsspannung soll dann 12V sein.

Der Stromwähler wird auf die möglichen Stromstärken eingestellt und die Widerstände R_x am Ausgang angeschlossen.

• Bei 12V können 100Ω Widerstände mit etwa 1,5W belastet werden. Wir nehmen deshalb 5W-Widerstände.

• In der folgenden Tabelle sollten für die grau hinterlegten Fälle Leitungswiderstände (100Ω, 5W) verwendet werden.

Wir messen die Spannung am Ausgang. Die angegebenen Spannungen unter 12V sind nur Richtwerte und können stark abweichen.

Die Widerstandswerte der obigen Tabelle werden durch mehrere 100Ω Widerstände erreicht ( + heißt in Reihe).

• Die vier parallelen 100Ω Widerstände für die 125Ω werden nur mit etwa 0,25W belastet. Das vertragen unsere normalen Widerstände mit 0,6W.

Wir testen bei 18V.

Wenn der Ausgang offen ist, sollte bei allen Einstellungen des Stromwählers die blaue LED leuchten und die rote LED3 nicht. Die Ausgangsspannung soll dann 18V sein.

Der Stromwähler wird auf die möglichen Stromstärken eingestellt und die Widerstände R_x am Ausgang angeschlossen.

• Bei 18V können 100Ω Widerstände mit mehr als 3W belastet werden. Wir nehmen 5W-Widerstände.

• In der folgenden Tabelle sollten für die grau hinterlegten Fälle Leitungswiderstände (100Ω, 5W) verwendet werden.

Wir messen die Spannung am Ausgang. Die angegebenen Spannungen unter 18V sind nur Richtwerte und können stark abweichen.

Die Widerstandswerte der obigen Tabelle werden durch mehrere 100Ω Widerstände erreicht ( + heißt in Reihe).

Erweiterte Messungen

Die folgenden Messungen sind für Einsteiger nur bedingt geeignet. Ein Oszilloskop und ein Funktionsgenerator sind erforderlich.

Abschaltverhalten

Das Abschaltverhalten, d.h. bei welchem Strom die Sicherung auslöst, wird bei ansteigendem Strom untersucht.

gelbe Kurven: Spannungsabfall U_si an der Sicherung

rote Kurven: Strom I_si durch die Sicherung

gelbes Dreieck rechts: 100mV Spannungsabfall an der Sicherung

Bild 8 beschreibt die Schaltung zur Messung des Abschaltstroms der Sicherung. Die Versorgungsspannung U_v kann zwischen 3V und 18V eingestellt werden.

Ein Funktionsgenerator liefert eine Dreieckspannung zwischen 0V und 15V. Damit wird das Gate eines MOSFET angesteuert. Damit ergibt sich ein ansteigender und abfallender Drainstrom im MOSFET. Der Strom ist zwar nicht dreieckig, aber wir benötigen nur einen von 0 ansteigenden Strom. Mit diesem Strom wird die Sicherung belastet. Der Strom wird mit dem Messwiderstand R₁ gemessen.

• Die Masse des Oszilloskops ist mit dem Pluspol der Stromversorgung verbunden.

• Der Funktionsgenerator darf nicht geerdet sein, weil sonst die Masse des Oszilloskops und des Funktionsgenerators einen Kurzschluss bilden.

Der eine Kanal des Oszilloskops misst den Spannungsabfall U_k1 = U_si an der Sicherung. Der andere Kanal misst den Spannungsabfall plus die Spannung am Messwiderstand R₁: U_k2 = U_si + U₁.

Die Spannung am Messwiderstand R₁ wird im Oszilloskop durch die Subtraktion der beiden Kanäle gebildet: U₁ = U_k2 - U_k1 Der Strom ist dann einfach I_si = U₁ / R_m, d.h. die Spannung an R_m in mV entspricht dem Strom I_si in mA.

Die gelben Kurven, Kanal 1, zeigen den Spannungsabfall U_si an der Sicherung.

Die grünen Kurven, Kanal 2, zeigen den Spannungsabfall an U_g = U_si + U_m.

• Die rote Kurve werden aus den gelben und grünen Kurven berechnet: U_m = U_g - U_si.

• Sie zeigen den Strom durch die Sicherung, die Spannung U₁ am 1Ω Widerstand R₁.

• Der steile Anstieg der roten Kurve ergibt sich, weil dann U_g = U_si ist und U_m ≃ 0 wird.

Das gelbe Dreieck am rechten Rand markiert einen Spannungsabfall von U_si = 100mV an der Sicherung.

• Bild 9 zeigt das Verhalten bei 25mA.

Die Sicherung schaltet bei 25mA ab. Die gelbe Kurve läuft durch 100mV Linie und der Strom (rot) beträgt 25mA.

• Das Verhalten bei 50mA und 100mA ist ähnlich.

• Bild 10 zeigt das Verhalten bei 200mA.

Wenn die Spannung an der Sicherung (gelb) 100mV (gelbes Dreieck rechts) ist, ist der Strom (rot) bei 180mA.

• Bild 13 beschreibt das Verhalten bei 500mA.

Die Sicherung schaltet bei 450mA ab: Der tiefste Punkt des Stroms (rot) liegt bei 450mV. Allerdings ist der Spannungsabfall (gelb) an der Sicherung dann 450mV.

Wenn der Spannungsabfall (gelb) an der Sicherung 100mV ist, ist der Strom (rot) 350mA.

Die Sicherung ist im 500mA Bereich etwas ungenau, liegt aber im avisierten Bereich von 25%

• Diese Kennlinien gelten für alle Spannungen im Bereich von 3V bis 18V.

Verhalten bei Kurzschluss

Das Verhalten der Sicherung bei Kurzschluss wird mit einem 0,1Ω Widerstand gemessen, der über einen Schalter an den Ausgang der Sicherung angeschlossen wird.

In den Bildern 14 und 15 wird der Kurzschlussstrom jeweils für 500mA, 200mA, 100mA, 50mA und 25mA dargestellt. Die Spannung in V entspricht dem Strom in A.

Die maximal auftretenden Ströme hängen natürlich von der Versorgungsspannung ab. Bei 5V liegen sie für die 25mA Sicherung etwas über 5A und für 500mA die Sicherung bei 11A. Bei 18V treten für 25mA Sicherung Ströme bis zu 20A auf und für 500mA Sicherung bis zu 40A auf.

• Interessant ist die Reaktionszeit der Sicherung im Bereich von 0,4µs für die 25mA Sicherung und von 1µs für die 500mA Sicherung.

Vergleich mit Labornetzgeräten

Die folgenden Messungen zeigen die Ergebnisse an zwei Labornetzgeräten, die über 100€ kosten.

Interessant und wichtig sind folgenden Daten:

• Unsere elektronische Sicherung reagiert über 100-mal schneller.

• Der maximale Strom ist wesentlich geringer.

Auslösestrom

Der gemessene Auslösestrom I_s weicht im gesamten Spannungsbereich um maximal 10% vom nominalen Wert ab. Bei einem Strom von 0,8*I_s ist der Spannungsabfall an der Sicherung kleiner als 0,1V. Im Vergleich zu Schmelz- oder PTC-Sicherungen ist der Unterschied zwischen Haltestrom (nicht ausgelöst) und Auslösestrom mit 0,8 gegenüber 0,5 sehr gut.

Das Foldback-Verhalten wird durch den Vergleich von I_s und I_k0 belegt. Bei höheren Spannungen wird der Strom reduziert, bei 5V jedoch nicht. Bei I_s=25mA ist der Kurzschlussstrom über den gesamten Spannungsbereich fast immer 25mA. Dadurch kann die Suche von Fehlern in der geschützten Schaltung unterstützt werden.

Reaktionszeit

Bemerkenswert ist die Reaktionszeit von 1µs, die um den Faktor 100 bis 1000 schneller ist als bei Labornetzgeräten ist. Die Reaktionszeit von PTC-Sicherungen für kleine Ströme beträgt sogar mehrere Sekunden. Die Reaktionszeit ist besonders wichtig für den Schutz empfindlicher Bauelemente.

Zur Messung der Reaktionszeit wurde ein Widerstand von 0,1Ω über einen MOSFET IRFB4310Z geschaltet.

Der maximale Strom ist konstruktiv begrenzt:

I^ < ( Is * Uv ) / 20mV

Insbesondere für 25mA gilt I^ = U_v / 1Ω:

Uv	I^
3V	3A
5V	5A
12V	13A
18V	18A

• Dieses sind theoretische Werte, die im praktischen Betrieb nie erreicht werden, wie die Messungen zeigen.

Temperatur

Solange die Sicherung nicht auslöst, erwärmt sie sich nicht.

Erst wenn die Sicherung auslöst, erwärmt sich der MOSFET Q3 und damit der Kühlkörper.

Die maximalen Temperaturen treten auf, wenn der Ausgang kurzgeschlossen wird. Sie liegen in einem Bereich, der bei Berührung des Kühlkörpers keine Verbrennungen verursachen kann.

Zusammenfassung

• Im Bereich von 25mA bis 200mA liegen die Ströme im Bereich der Planung.

• Im 500mA Bereich werden die avisierten Werte nicht erreicht. Die Sicherung löst bereits bei etwa 450mA aus.

• Bis zu einem Strom, der 20% unter dem Auslösestrom liegt, beträgt der Spannungsabfall weniger als 100mV.

• Bei höherer Belastung oder gar Kurzschluss wird der Ausgangsstrom reduziert: Foldback-Verhalten.

• Im Kurzschlussfall fließt immer noch ein Strom: Die Sicherung schaltet nicht ab.

• Die Sicherung löst innerhalb 1µs aus.