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Messungen an der elektronischen Sicherung für 3-18V


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Messungen an der elektronischen Sicherung für 3-18V

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

  • Wir messen die Ausgangsspannung, den Ausgangsstrom bei den obigen Tests.
  • Interessant ist der Spannungsabfall Uin-Uout an der Sicherung.

Die folgenden Daten wurden am Prototypen ermittelt.

Stromwähler Rx LED3 Uout Uin-Uout bei Iout
25mA 225Ω aus 5V 36mV 22mA
25mA 125Ω an 2,6V 21mA
25mA Kurzschluss an 17mA
50mA 125Ω aus 5V 32mV 40mA
50mA 50Ω an 1,9V 38mA
50mA Kurzschluss an 32mA
100mA 55Ω aus 5V 89mV 90mA
100mA 33Ω an 2,6V 61mA
100mA Kurzschluss an 56mA
200mA 21Ω aus 5V 90mV 177mA
200mA 20Ω an 3,6V 177mA
200mA Kurzschluss an 130mA
500mA 12.5Ω aus 4,89V 110mV 390mA
500mA 8,3Ω an 3,3V 400mA
500mA Kurzschluss an 349mA

Tabelle 2: Zusammenfassung der Messungen bei 5V

Wert Schaltung
225Ω 100Ω + 100Ω + 4 * 100Ω parallel
125Ω 100Ω + 4 * 100Ω parallel
50Ω 2 * 100Ω parallel
55Ω 100Ω parallel 125Ω
33Ω 3 * 100Ω parallel
21Ω 4 * 100Ω parallel dazu 125Ω parallel
20Ω 5 * 100Ω parallel
12.5Ω 8 * 100Ω parallel
8,3Ω 12 * 100Ω parallel

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

  • 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 rückstellende 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 rückstellende Sicherung von 0,5A/1A eingesetzt 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 Widerstände Rx am Ausgang angeschlossen.

  • Bei 12V können 100Ω Widerstände mit etwa 1,5W 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 angegeben Spannungen unter 12V sind nur Richtwerte und können stark abweichen.

Stromwähler Rx LED3 Uout Uin-Uout bei Iout
25mA 500Ω aus 12V 40mV 24mA
25mA 400Ω an 8,0V 20mA
25mA Kurzschluss an 10mA
50mA 250Ω aus 12V 60mV 48mA
50mA 200Ω an 7V 35mA
50mA Kurzschluss an 16mA
100mA 125Ω aus 12V 115mV 96mA
100mA 100Ω an 6V 60mA
100mA Kurzschluss an 29mA
200mA 66Ω aus 12V 69mV 180mA
200mA 50Ω an 6,6V 132mA
200mA Kurzschluss an 53mA
500mA 33Ω aus 12V 88mV 370mA
500mA 20Ω an 5,1V 260mA
500mA Kurzschluss an 120mA

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

Wert Schaltung
500Ω 5 * 100Ω in Reihe
400Ω 4 * 100Ω in Reihe
250Ω 100Ω + 2 * 100Ω parallel
200Ω 2 * 100Ω in Reihe
125Ω 100Ω + 4 * 100Ω parallel
66Ω 100Ω parallel zu 100Ω und 200Ω
50Ω 4 * 100Ω parallel
20Ω 5 * 100Ω parallel
  • 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 Widerstände Rx am Ausgang angeschlossen.

  • Bei 18V können 100Ω Widerstände mit über 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 angegeben Spannungen unter 18V sind nur Richtwerte und können stark abweichen.

Stromwähler Rx LED3 Uout Uin-Uout bei Iout
25mA 700Ω aus 18V 47mV 26mA
25mA 600Ω an 7,2V 12mA
25mA Kurzschluss an 18mA
50mA 400Ω aus 18V 37mV 45mA
50mA 300Ω an 5,8V 19mA
50mA Kurzschluss an 25mA
100mA 200Ω aus 18V 51mV 90mA
100mA 150Ω an 5,1V 34mA
100mA Kurzschluss an 38mA
200mA 100Ω aus 18V 59mV 176mA
200mA 66Ω an 4,5V 68mA
200mA Kurzschluss an 68mA
500mA 40Ω aus 18V 120mV 460mA
500mA 33Ω an 4,8V 145mA
500mA Kurzschluss an 153mA

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

Wert Schaltung
700Ω 7 * 100Ω in Reihe
600Ω 6 * 100Ω in Reihe
400Ω 4 * 100Ω in Reihe
300Ω 3 * 100Ω in Reihe
200Ω 2 * 100Ω in Reihe
150Ω 100Ω + 2 * 100Ω parallel
66Ω 100Ω parallel zu 200Ω
40Ω 100Ω parallel zu 66Ω
33Ω 3 * 100Ω parallel

Erweiterte Messungen

Die folgenden Messungen sind nur bedingt für Anfänger geeignet. Es werden ein Oszilloskop und ein Funktionsgenerator benötigt.

Abschaltverhalten

Das Abschaltverhalten, d.h. bei welchem Strom löst die Sicherung aus, wurde bei ansteigenden Strom untersucht.

Kennlinie-Elektronische-Sicherung-Spiegel-foldback-18_s.png
Bild 8: Messschaltung
Sicherung_bei_25mA_s.png
Bild 9: Abschaltverhalten bei 25mA
Sicherung_bei_50mA_s.png
Bild 10: Abschaltverhalten bei 50mA
Sicherung_bei_100mA_s.png
Bild 11: Abschaltverhalten bei 100mA
Sicherung_bei_200mA_s.png
Bild 12: Abschaltverhalten bei 200mA
Sicherung_bei_500mA_s.png
Bild 13: Abschaltverhalten bei 500mA

Bild 8 beschreibt die Schaltung für die Messung des Abschaltstroms der Sicherung. Die Versorgungsspannung Uv 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 einen von 0 ansteigenden Strom. Mit diesem Strom wird die Sicherung belastet. Der Strom wird über den Messwiderstand R1 gemessen.

  • Die Masse des Oszilloskops liegt am Pluspol der Stromversorgung.
  • Der Funktionsgenerator darf nicht geerdet sein, weil sonst die Masse des Oszilloskops und des Funktionsgenerators einen Kurzschluss erzeugen.

Der eine Kanal des Oszilloskops misst den Spannungsabfall Uk1 = Usi an der Sicherung. Der andere Kanal misst den Spannungsabfall plus der Spannung am Messwiderstand R1: Uk2 = Usi + U1

Die Spannung am Messwiderstand R1 wird im Oszilloskop durch die Subtraktion der beiden Kanäle gebildet: U1 = Uk2 - Uk1 Der Strom ist dann einfach Isi = U1 / Rm, d.h. der Spannung an Rm in mV entspricht der Strom Isi in mA.

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

Die grünen Kurven, Kanal 2, zeigen den Spannungsabfall an Ug = Usi + Um

  • Die rote Kurve werden aus der gelben und grünen berechnet: Um = Ug - Usi
  • Die zeigen den Strom durch die Sicherung, die Spannung U1 am 1Ω Widerstand R1.
  • Der steile Anstieg der roten Kurve ergibt sich, weil dann Ug = Usi ist und Um ≃ 0 wird.

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

  • Bild 9 beschreibt das Verhalten bei 25mA.

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

  • Das Verhalten bei 50mA und 100mA ist ähnlich.
  • Bild 10 beschreibt 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 auch 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 wurde an einem 0,1Ω Widerstand gemessen, der durch einen Schalter an den Ausgang der Sicherung gelegt wurde.

Kurzschluss_5V_25mA-500mA_s.png
Bild 14: Kurzschluss bei 5V
Kurzschluss_18V_25mA-500mA_s.png
Bild 15: Kurzschluss bei 18V

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

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

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

Vergleich mit Labornetzgeräten

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

Interessant und wichtig sind die Daten

I^ maximaler Strom bei Kurzschluss
ts Zeit bis Sicherung reagiert
I1^ Gerät 1: maximaler Strom bei Kurzschluss
t1 Gerät 1: Zeit bis Sicherung reagiert
I2^ Gerät 2: maximaler Strom bei Kurzschluss
t2 Gerät 2: Zeit bis Sicherung reagiert
  • Unsere elektronische Sicherung reagiert über 100 mal schneller.
  • Der maximale Strom ist wesentlich geringer.
Uv Is Iss U08 Ik I^ ts I1^ t1 I2^ t2
3V 500mA 350mA 1110mV 370mA 8,5A 1µs 10A 200µs
5V 500mA 350mA 110mV 349mA 11A 1µs 18A 200µs 14A 4800µs
12V 500mA 350mA 110mV 130mA 32A 1µs 45A 200µs
18V 500mA 350mA 110mV 128mA 35A 1µs 75A 200µs
3V 200mA 190mA 80mV 150mA 8A 1µs 10A 200µs
5V 200mA 190mA 80mV 130mA 11A 1µs 18A 200µs 14A 4800µs
12V 200mA 190mA 80mV 56mA 28A 1µs 45A 200µs
18V 200mA 190mA 80mV 65mA 35A 1µs 75A 200µs
3V 100mA 110mA 30mV 71mA 6A 1µs 10A 200µs
5V 100mA 110mA 30mV 61mA 8A 1µs 18A 200µs 14A 4800µs
12V 100mA 110mA 30mV 30mA 12A 1µs 45A 200µs
18V 100mA 110mA 30mV 35mA 35A 1µs 75A 200µs
3V 50mA 50mA 25mV 38mA 5A 1µs 10A 200µs
5V 50mA 50mA 25mV 32mA 7,5A 1µs 18A 200µs 14A 4800µs
12V 50mA 50mA 25mV 17mA 10A 1µs 45A 200µs
18V 50mA 50mA 25mV 25mA 18A 1µs 75A 200µs
3V 25mA 23mA 10mV 20mA 4A 1µs 10A 200µs
5V 25mA 23mA 10mV 17mA 6A 1µs 18A 200µs 14A 2000µs
12V 25mA 23mA 10mV 11mA 8A 1µs 45A 200µs
18V 25mA 23mA 10mV 18mA 11A 1µs 75A 200µs
Wert Bedeutung
Uv Versorgungsspannung
Is eingestellter Auslösestrom
Iss Strom bei Auslösung
U08 Spannungsabfall bei 0,8*Is
Ik Kurzschlussstrom
I^ maximaler Strom bei Kurzschluss
ts Zeit bis Sicherung reagiert
I1^ Gerät 1: maximaler Strom bei Kurzschluss
t1 Gerät 1: Zeit bis Sicherung reagiert
I2^ Gerät 2: maximaler Strom bei Kurzschluss
t2 Gerät 2: Zeit bis Sicherung reagiert

Auslösestrom

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

Das Fold-back-Verhalten wird durch den Vergleich von Is und Ik0 belegt. Der Strom wird bei höheren Spannungen reduziert, bei 5V nicht. Bei Is=25mA ist der Kurzschlussstrom allerdings nahe 25mA. Dadurch kann die Suche von Fehlern in der geschützten Schaltung unterstützt werden.

Reaktionszeit

Bestechend ist die Reaktionszeit von 1µs, die über 100 bis 1000 mal schneller als bei Labornetzgeräten ist. Die Reaktionszeit von PTC-Sicherungen geringer Stromstärke beträgt gar mehrere Sekunden. Insbesondere die Reaktionszeit ist für den Schutz empfindlicher Bauelemente wichtig.

Die Reaktionszeit wurde mit einem Widerstand von 0,1Ω am Ausgang, der über einen MOSFET IRFB4310Z geschaltet wird, gemessen.

Der maximale Strom ist konstruktiv beschränkt:

I^ < ( Is * Uv ) / 20mV

Insbesondere bei 25mA gilt I^ = Uv / 1Ω:

Uv I^
3V 3A
5V 5A
12V 13A
18V 18A
  • Dieses sind theoretische Werte, die im praktischen Betrieb niemals erreicht werden, wie die Messungen belegen.

Temperatur

Solange die Sicherung nicht auslöst, erwärmt sie sich nicht.

Erst bei Auslösung erhitzt sich der MOSFET Q3 und damit der Kühlkörper.

Die maximalen Temperaturen treten beim Kurzschluss des Ausgangs auf. Sie liegen in einem Bereich, der bei Berührung des Kühlkörpers zu keinen Verbrennungen führt.

Attention >

Zusammenfassung

  • Für die Bereiche 25mA bis 200mA liegen die Strömen im Bereich der Planung.
  • Im 500mA Bereich werden die avisierten Werte nicht erreicht. Die Sicherung löst schon bei etwa 450mA aus.
  • Bis zu einem Strom, der 20% unter dem Auslösestrom liegt, ist der Spannungsabfall unter 100mV.
  • Bei höherer Belastung oder gar Kurzschluss wird der Ausgangsstrom reduziert: fold-back.
  • Beim Kurzschluss fließt immer noch ein Strom: Die Sicherung schaltet nicht ab.
  • Die Sicherung schaltet innerhalb 1µs ab.