Elektronische Sicherung mit Abschaltung

Wir haben eine einfache elektronische Sicherung betrachtet. Diese Schaltung benötigt für größere Ströme einen Leistungstransistor, der durch einen Kühlkörper gekühlt werden muss. Die Sicherung begrenzt den maximalen Strom.

Wir betrachten hier eine elektronische Sicherung, die wie eine normale Sicherung abschaltet, wenn der Strom zu groß wird.

Elektronische Sicherung mit Gedächtnis

Der durch die Sicherung fließende Strom wird über den Messwiderstand R_m in eine Spannung umgewandelt, die mit der Basis-Emitter-Spannung des Transistors Q1 verglichen wird. Wenn die Spannung größer als 0,6V ist, löst die Sicherung aus und begrenzt den Strom so weit, dass er den eingestellten Wert nicht überschreitet.

Der Transistor Q1 erkennt, dass der Strom zu hoch ist und steuert den Transistor Q2 so, dass der Strom begrenzt wird.

Würde Q1 einfach ganz durchschalten, so würde er damit Q2 abschalten, und dieser würde dann den Strom abschalten. So läuft es aber nicht, denn durch den geringeren Strom würde Q1 wieder ausgeschaltet, Q2 eingeschaltet, der Strom ...

Die Sicherung müsste sich merken können, dass sie ausgelöst hat.

• Sie hat ausgelöst, wenn Q2 ausgeschaltet ist. In diesem Fall ist die Spannung am Kollektor von Q2 0V gegen Minus der Batterie.

• Wenn die Sicherung eingeschaltet ist, ist Q2 eingeschaltet und die Spannung am Kollektor 5V.

In Bild 2 teilen wir diesen Zustand dem Transistor Q1 mit, indem wir den Widerstand R_x vom Kollektor von Q2 auf die Basis von Q1 legen.

• Wenn Q2 ausgeschaltet ist, fließt über R_x ein Strom aus der Basis von Q1: Q1 schaltet ein und damit Q2 aus. Passt!

• Wenn Q2 eingeschaltet ist, fließt dieser Strom nicht. Q1 bleibt ausgeschaltet und somit Q2 eingeschaltet. Passt auch!

Aber löst die Sicherung überhaupt aus?

Wir erhöhen den Strom durch die Sicherung. Dadurch steigt die Spannung am Messwiderstand R_m. Wenn die Spannung 0,6 V erreicht, wird der Transistor Q1 aktiviert. Q1 entzieht Q2 einen Teil des Basisstroms. Dann leitet Q2 nicht mehr so gut. An seinem Kollektor steigt die Spannung. Dadurch bekommt Q1 über R_x etwas Strom und wird noch stärker aktiviert. Q2 leitet noch schlechter, seine Kollektor-Spannung sinkt, über R_x fließt mehr Strom und ... Wie eine Lawine. Plötzlich schaltet Q1 ein und Q2 aus. Die Sicherung hat ausgelöst.

Und das war's. Wir müssen die Sicherung austauschen

Fast. Wir nehmen die Last von der Sicherung. Dann kann kein Strom mehr fließen, auch nicht durch R_x. Der Transistor Q1 wird wieder ausgeschaltet. Q2 wird eingeschaltet und die Sicherung ist wieder betriebsbereit.

Hurra, die Sicherung funktioniert!

Mitkopplung

Logisch betrachtet besteht unsere Schaltung aus zwei hintereinander geschalteten Invertern. NOT hinter NOT. Alles in allem wird der Zustand vom Eingang zum Ausgang gespiegelt. Die Schaltung ist nicht invertierend (nicht nicht).

Wenn wir den Ausgang mit dem Eingang koppeln - über R_x, hat das eigentlich keine Auswirkung. Der Zustand der Schaltung bleibt erhalten. Wenn wir jedoch die Schaltung ein wenig aus dem Gleichgewicht bringen, indem wir über R_m Q1 ein wenig aktivieren, kippt die Schaltung in den AUS-Zustand um.

Diesen Zustand können wir wieder stören, indem wir die Last entfernen. Es genügt sogar, sie so weit zu reduzieren, dass der Strom in R_x nicht mehr ausreicht und Q1 schlechter leitet. Dann kippt die Schaltung wieder in den EIN-Zustand.

Diese Art der Kopplung, vom Ausgang einer nicht invertierenden Schaltung auf ihren Eingang, wird als Mitkopplung bezeichnet.

Unsere Mitkopplung wird erst ausgelöst, wenn eine Schwelle überschritten wird:

• Der Strom in R_m erzeugt eine Spannung von mehr als 0,6V.

• Der Strom durch die Last reicht nicht mehr aus, um Q1 eingeschaltet zu halten.

Das ist das Prinzip. Wir wollen uns aber nicht mit den Theorien dazu beschäftigen.

Eigene Versuche

Wir können auf die in einfache elektronische Sicherung vorgestellte Testschaltung (Bild 5) zurückgreifen. Wir müssen sie nur ein wenig modifizieren:

Es gibt zwei Änderungen:

• Der Widerstand R_x wird für die Mitkopplung verwendet.

• Mit einer neuen Drahtbrücke TPA können wir die drei LEDs der Anzeige ausschalten.

Versuche

Fazit

Wir haben eine elektronische Sicherung kennengelernt, die bei Überstrom ausschaltet. Sie schaltet wieder ein, wenn die Last entfernt wird.

Vor- und Nachteile der Abschaltung

Wir vergleichen die elektronische Sicherung ohne und mit Abschaltung.

• Die elektronische Sicherung ohne Abschaltung begrenzt den Strom. Wir können noch in der Schaltung messen, wenn die Sicherung ausgelöst hat.

• Der Ausgangstransistor Q₂ der elektronischen Sicherung ohne Abschaltung wird bei größeren Strömen stark belastet. Er wird heiß und muss eventuell mit einem Kühlkörper gekühlt werden.

• Die elektronische Sicherung mit Abschaltung schaltet den Strom ab. Wir können dann nicht mehr messen.

• Die elektronische Sicherung mit Abschaltung schaltet auch bei kurzzeitigem Überstrom ab.

• Dieser Effekt tritt leicht bei Schaltungen mit Kondensatoren auf.

• Die elektronische Sicherung mit Abschaltung belastet den Ausgangstransistor Q₂ sehr wenig. Er muss nicht gekühlt werden.

• Die elektronische Sicherung mit Abschaltung schaltet nicht automatisch wieder ein, wenn der Strom sinkt. Wir müssen die Last vom Stromkreis trennen.

Leistung am Ausgangstransistor

Der Strom durch die elektronische Sicherung fließt durch den Ausgangstransistor.

Wenn der Ausgang kurzgeschlossen wird, liegt am Ausgangstransistor Q2 die gesamte Spannung U_bat. Da aber die Sicherung abschaltet, fließt kein Strom durch die Sicherung und damit auch nicht durch den Ausgangstransistor Q2: I_si=0.
Die Leistung an Q2 ist 0W.

Wenn die Sicherung eingeschaltet ist, fällt am Ausgangstransistor Q2 keine Spannung ab:
Die Leistung an Q2 ist 0W (oder sehr klein).

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