../../../icons/Logo.pngPraktische Elektronik


Wir bauen eine elektronische Sicherung für unsere Versuche.


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Einfache elektronische Sicherungen

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So gehen wir vor

Wir beginnen mit einer einfachen elektronischen Sicherung.

Die folgenden Praktika können auch später bearbeitet werden. Sie beschreiben Varianten von elektronischen Sicherungen, die auf dem Prinzip der Mitkopplung beruhen.

Eine Elektronische Sicherung mit MOSFET entspricht unserer bekannten elektronischen Sicherung mit einem anderen Bauelement.

Elektronische Sicherungen mit Stromspiegel beruhen auf einem neuen Prinzip. Sie haben einen sehr kleinen Spannungsabfall.

  • In Projekten werden gute elektronische Sicherungen vorgestellt:

Bei unseren Versuchen kann es passieren, dass wir eine Schaltung fehlerhaft aufbauen. Dadurch können Bauelemente zerstört werden. Die Ursache ist bei unseren Schaltungen mit 5V (bis 12V) fast immer ein zu hoher Strom. Eine Sicherung schaltet den Strom ab, wenn er zu groß wird.

Leider gibt es keine Sicherungen, die bei den sehr kleinen Strömen, mit denen wir arbeiten, sicher funktionieren. Es gibt 50mA-Sicherungen, die aber zu langsam regieren, siehe Sicherungen mit PTC.

Wir bauen eine eigene Schaltung und lernen einiges über Elektronik.

Überstromanzeige

Die Schaltung der Überstromanzeige ist einfach. Sie besteht aus einem NPN-Transistor, drei Widerständen und einer LED. Drei weitere LEDs sind unsere Last.

Ueberstromanzeige.png
Bild 1: Versuchsschaltung für eine Überstromanzeige

Im wesentlichen entspricht sie der Schaltung eines Inverters. Neu ist der Widerstand Rm mit dem der Strom von den drei übrigen LEDs gemessen wird. Für unsere Versuche nehmen wir einen 220Ω Widerstand. Der Farbcode ist rot - rot - braun - gold oder rot - rot - schwarz - schwarz - braun.

Wir bauen die Schaltung auf dem Steckboard auf.

SteckbrettUeberstromanzeige.png
Bild 2: Aufbau der Versuchsschaltung für eine Überstromanzeige

Die Leitungen zu den 3 LEDs kann unterbrochen werden. Wir schließen eine, zwei und drei LEDs an. In allen Fällen leuchten die LEDs. Wenn zwei oder drei LEDs angeschlossen werden, leuchtet unsere Überstromanzeige.

Wir können messen, dass der Strom bei zwei oder drei LEDs zu groß ist.

Attention idea

Eine Sicherung wird meistens in die positive Leitung eingeschaltet und nie in die Masseleitung.

Wir müssten dafür den Überstrom in der positiven Leitung messen.

Das ist ganz einfach: Anstelle des NPN-Transistors wird ein PNP-Transistor verwendet.

Ueberstromanzeige-PNP.png
Bild 3: Überstromanzeige für die positive Leitung

Prinzip der elektronischen Sicherung

Eigentlich ist es ganz einfach. Wenn die Überstromanzeige feststellt, dass der Strom zu groß ist, könnte sie den Strom ausschalten. Die Logik ist

Strom-zu-groß -> Strom aus.

Das ist nichts anderes als ein Inverter. Wir müssen an den Ausgang der Überstromanzeige für die positive Leitung einen Inverter anschließen. Ein IC ist viel zu aufwändig. Wir nehmen einen Transistor, einen PNP-Transistor.

ElektronischeSicherung.png
Bild 4: Elektronische Sicherung

Wir haben in der Schaltung in Bild 4 wie bei der Überstromanzeige in Bild 3 den Messwiderstand Rm und den Transistor Q1, der bei Überstrom einschaltet.

Neu ist der Transistor Q2. Er bekommt über die LED1 und den Widerstand R2 einen Basisstrom und schaltet ein. Die Sicherung lässt über Rm und Q2 Strom zum Ausgang in die Last R4 und LED2 fließen.

Wenn Strom über LED1 fließt, leuchtet sie.

Wird am Ausgang zu viel Strom verbraucht, wird dieses vom Transistor Q1 bemerkt und er schaltet ein. Damit schließt er die LED1 kurz und über die LED1 fließt kein Strom mehr in die Basis von Q2. Q2 schaltet aus und lässt keinen Strom mehr fließen. Die Sicherung schaltet aus.

Wenn die elektronische Sicherung eingeschaltet ist leuchtet die LED1, ist sie ausgeschaltet erlischt sie.

Damit haben wir das Prinzip der elektronischen Sicherung erklärt.

Elektronische Sicherung

Wir untersuchen das Verhalten der elektronischen Sicherung genauer. Dazu bauen wir eine Testschaltung auf.

ElektronischeSicherung-einfach-Test_s.png
Bild 5: Elektronische Sicherung mit Testschaltung

Wir haben links die Stromversorgung mit einer 4,5V-Batterie. R4 und LED2 zeigen an, dass die Stromversorgung anliegt.

Die elektronische Sicherung entspricht der in Bild 4.

R20 ist der Messwiderstand für die Sicherung für 20mA. Wird R50 zusätzlich eingeschaltet, ist die Sicherung für 50mA ausgelegt.

Der Widerstand R3 wird später erklärt.

Die Anzeige ist eigentlich ein einfacher Spannungsmesser mit LEDs.

Der eigentliche Test besteht aus drei Widerständen, die mit Drahtbrücken angeschlossen werden können. Mit TP4 kann der Ausgang der Sicherung kurzgeschlossen werden.

ElektronischeSicherung-einfach-Aufbau-Test.png
Bild 6: Aufbau der elektronischen Sicherung

Die Sicherung löst bei den drei LEDs am Ausgang nicht aus.

Testfälle

Fall TPx schließen Folge
1 - Alle LEDs leuchten.
2 TP1 Alle LEDs leuchten.
Keine Änderung.
3 TP1, TP2 Die grüne LED1 wird etwas dunkler.
Die rote LED3, gelbe LED4 und blaue LED5 leuchten.
4 TP1, TP2, TP3 Die grüne LED1 und die blaue LED5 sind aus.
Die rote LED3 leuchtet.
Die gelbe LED4 glimmt.
5 TP2, TP3 Die grüne LED1 ist aus.
Die rote LED3 leuchtet.
Die gelbe LED4 und die blaue LED5 glimmen.
6 TP3 Die grüne LED1 ist aus.
Die rote LED3 leuchtet.
Die gelbe LED4 und die blaue LED5 leuchten heller.
7 TP4 Die grüne LED1 ist aus.
Die rote LED3, gelbe LED4 und blaue LED5 sind aus.
8 TP1 Alle LEDs leuchten.
  • Im Fall 3 beginnt die Sicherung zu reagieren.
  • In den Fällen 4 bis 7 löst die Sicherung aus.
  • In den Fällen 4 bis 6 schaltet die Sicherung nicht ganz aus. Sie begrenzt den Strom auf 20mA. Dadurch wird die Spannung am Ausgang kleiner und die LEDs mit hoher Flussspannung (gelb und blau) leuchten in manchen Fällen nicht mehr.
  • Im Fall 7 ist der Ausgang kurzgeschlossen und die 20mA fließen über den Kurzschluss.
  • Im Fall 8 ist die Sicherung wieder eingeschaltet.

Die Sicherung bei 50mA testen

Die Drahtbrücke I50 einsetzen.

Testfälle

Fall TPx schließen Folge
9 - Alle LEDs leuchten.
10 TP1, TP2, TP3 Die grüne LED1 wird etwas dunkler.
Die rote LED3, gelbe LED4 und blaue LED5 leuchten.
11 TP4 Die grüne LED1 ist aus.
Die rote LED3, gelbe LED4 und blaue LED5 sind aus.
12 TP1 Alle LEDs leuchten.
  • Im Fall 10 beginnt die Sicherung zu reagieren.
  • Im Fall 11 (Kurzschluss) schaltet die Sicherung aus.
  • Im Fall 12 ist die Sicherung wieder eingeschaltet.

Unsere elektronische Sicherung schaltet den Strom nicht einfach ab, sondern begrenzt ihn. Dieses Verhalten hat den Vorteil, dass die Schaltung bei kurzzeitiger Überlastung wirkt, aber danach sofort wieder bereit ist.

Widerstand R3

Der Widerstand R3 ist für die Funktion der Sicherung nicht notwendig.

Wenn wir ihn entfernen, glimmt die LED1 bei ausgelöster Sicherung noch ein wenig. Es fließt also ein kleiner Strom über die LED1. Dieser Strom ist nötig, damit der Transistor Q2 die 20mA bzw. 50mA fließen lässt. Mit dem Widerstand R3 wird dieser kleine Basisstrom von der LED1 abgeleitet.

Leistung am Ausgangstransistor

Der Strom durch die elektronische Sicherung fließt durch den Ausgangstransistor. Beim Kurzschluss des Ausgangs liegt am Ausgangstransistor Q2 die gesamte Spannung Ubat und der Strom Isi, auf den die Sicherung begrenzt.

Der Ausgangstransistor muss die gesamte Leistung aufnehmen:

P2 = Ubat * Isi
P2 = 4,5V * 20mA = 90mW
P2 = 4,5V * 50mA = 225mW

Das sind geringe Leistungen, aber ein BC325 wird bei 225mW schon etwas warm. Ein BC325 kann mit bis zu 400mW belastet werden. Für höhere Ströme werden Leistungstransistoren mit Kühlung benötigt.

Schaltungen bei denen die Leistung im Ausgangstransistor geringer ist, behandeln die Praktika:

Spannungsabfall an der Sicherung

Beim Auslösen der Sicherung fällt am Widerstand Rm (R20 und R50) eine Spannung von 0,6V ab. Es ist die Basis-Emitter-Spannung des Transistors Q1, mit der er einschaltet.

Damit kann an der elektronischen Sicherung, ohne dass sie ausgelöst hat, eine Spannung von bis zu 0,6V abfallen. Das ist für unseren ersten Versuche kein Problem, für den allgemeinen Einsatz aber oft zu hoch.

Regeln

  • Die elektronische Sicherung in Bild 4 ist eine begrenzende Sicherung.
  • Eine elektronische Sicherung misst den Strom durch die Sicherung.
  • Eine begrenzende elektronische Sicherung begrenzt den Strom auf den eingestellten Wert.
  • Eine begrenzende elektronische Sicherung schaltet nach dem Beseitigen der Ursache für den Überstrom sofort wieder ein.
  • Eine begrenzende elektronische Sicherung reduziert die Spannung am Ausgang bis nur noch der eingestellte Strom fließt.
  • Damit kann in der angeschlossenen Schaltung nach dem Fehler gesucht werden.
  • An der elektronische Sicherung fällt auch, wenn sie eingeschaltet ist, eine kleine Spannung ab.
Attention pin

Die Sicherung anwenden

  • Für unsere Versuche und Praktika sollten wir immer eine elektronische Sicherung verwenden.
  • Wir sollten sie auf einem Steckboard fest aufbauen.
  • Weitere fest aufgebaute elektronische Sicherungen werden in Projekten vorgestellt:
  • Bei unseren Versuchen beginnen wir immer mit 20mA.
  • Wenn das nicht ausreicht (sicher?), gehen wir zu 50mA.