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Wir verbessern eine elektronische Sicherung.


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Elektronische Sicherung mit MOSFET

Attention attention

Hier werden MOSFET verwendet. Sie sind empfindlich gegen elektrostatische Entladung.

Bitte Vorsicht-elektrostatische-Entladung beachten.

Bisher haben wir elektronische Sicherungen für kleine Ströme von 20mA und 50mA bei Spannungen um 5V betrachtet.

Wenn wir den Sicherungsstrom und die Betriebsspannung erhöhen, muss der Ausgangstransistor höhere Leistungen verarbeiten.

Bei U=15V und Isi=500mA treten Leistungen bis zu 7,5W auf.

Dafür sind Leistungstransistoren notwendig.

Für einen Sicherungsstrom von 500mA ist ein Basisstrom von 50mA notwendig, wenn der Ausgangstransistor voll eingeschaltet sein soll.

ElektronischeSicherung.png
Bild 1: Einfache elektronische Sicherung

Der Basisstrom von 50mA fließt durch die LED1, die aber mit maximal 20mA betreiben werden darf.

Elektronische Sicherung für höher Ströme

Wenn wir die LED1 einfach durch eine Verbindung ersetzen, haben wir das Problem gelöst. Aber wir verlieren die Anzeige, ob die Sicherung ausgelöst hat.

Diese Anzeige können wir auf einem anderen Weg erzeugen. Wir messen einfach, ob an der Sicherung eine Spannung abfällt.

ElektronischeSicherung1.png
Bild 2: Elektronische Sicherung

In dieser Schaltung wird die LED1 durch den Transistor Q3 eingeschaltet, wenn die Spannung an der Sicherung über 0,6V liegt.

  • Die Anzeige der Sicherung in Bild 2 verhält sich anders als die von Bild 1:
  • Sicherung eingeschaltet -> LED1 aus
  • Sicherung ausgelöst -> LED1 leuchtet.

Der Widerstand R2 versorgt die Basis von Q2 unmittelbar.

Probleme bei höheren Strömen

  • Der Widerstand R1 darf nicht zu groß sein, weil der Basisstrom von Q1 einen Spannungsabfall verursacht, der die Messspannung Um an Rm verfälscht.
  • Der Basisstrom von Q2 fließt durch den Messwiderstand Rm und verursacht eine Abweichung. Das sind nur 10%.
  • Wenn wir die Sicherung auch für kleinere Ströme verwenden wollen, müssen wir R2 dennoch für den höchsten Strom auslegen. Der Basisstrom kann dann zu erheblichen Abweichung führen.

MOSFET als Ausgangstransistor

Die Basisströme der Transistoren Q1 und Q2 bereiten uns eine Reihe von Problemen.

Diese können wir vermeiden, indem wir den Ausgangstransistor Q2 durch einen MOSFET ersetzen. Es muss natürlich ein N-MOSFET sein.

ElektronischeSicherung-MOSFET.png
Bild 3: Elektronische Sicherung mit MOSFET

In das Gate des MOSFET fließt kein Strom. Wir können für den Widerstand R2 einen relativ hohen Widerstand wählen.

  • Mit dem MOSFET sind alle Probleme gelöst.
  • Leider nicht.

Ein MOSFET benötigt eine relativ hohe Gate-Source-Spannung, um voll einzuschalten. Die meisten MOSFET benötigen Spannungen von fast 10V. Damit können wir keine elektronische Sicherung an 5V betreiben.

  • Es gibt leider nur wenige N-MOSFET-Typen, die bei kleinen Gate-Source-Spannungen arbeiten.
  • Der IRLM6402 schaltet schon bei ein Gate-Source-Spannung Uds=-2V und einem Drain-Strom Id=-1A sehr gut ein (Uds<-0,1V).

Der IRLM6402 wird in einem winzigen SMD-Gehäuse geliefert und darf mit maximal 0,8W belastet werden.

  • Der NDP6020P schaltet schon bei ein Gate-Source-Spannung Uds=-2V und einem Drain-Strom Id=-1A sehr gut ein (Uds<-0,1V).

Der NDP6020P wird in einem TO-220-Gehäuse geliefert und darf mit maximal 60W belastet werden.

Attention attention

Achtung Überspannung

  • Die MOSFET IRLM6402 und NDP6020P sind gegen elektrostatische Spannungen empfindlich.

Bitte Vorsicht-elektrostatische-Entladung beachten.

Die MOSFET IRLM6402 und NDP6020P sind besonders empfindlich.

Die maximal zulässige Gate-Source-Spannung ist

  • IRLM6402: ±12V
  • NDP6020P: ±8V

Wird die Gate-Source-Spannung überschritten, wird der MOSFET beschädigt.

Die maximal zulässige Drain-Source-Spannung darf außerdem nicht zu hoch sein:

  • IRLM6402: -20V
  • NDP6020P: -20V

Im nächsten Praktikum behandeln wir eine elektronische Sicherung, die mit einem geringen Spannungsabfall auskommt.