Einfache elektronische Sicherungen
So gehen wir vor
Wir beginnen hier mit einer einfachen elektronischen Sicherung.
- Die Berechnung des Messwiderstands ist eine gute Übung, um unserer Kenntnisse anzuwenden. Sie ist aber nicht unbedingt notwendig.
Die folgenden Praktika können auch später durchgeführt werden. Sie beschreiben Varianten elektronischer 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 vorkommen, dass wir eine Schaltung falsch aufbauen. Dadurch können Bauelemente zerstört werden. Bei unseren Schaltungen mit 5V (bis 12V) ist die Ursache fast immer ein zu hoher Strom. Eine Sicherung schaltet den Strom ab, wenn er zu hoch wird.
Leider gibt es keine Sicherungen, die bei den sehr kleinen Strömen, mit denen wir arbeiten, sicher funktionieren. Es gibt Sicherungen für 50 mA, aber die reagieren zu langsam, siehe Sicherungen mit PTC.
Wir bauen unsere eigene Schaltung und lernen etwas über Elektronik.
Überstromanzeige
Die Schaltung der Überstromanzeige ist einfach. Sie besteht aus einem NPN-Transistor, drei Widerständen und einer LED. Drei weitere LEDs dienen als Last.
Die Überstromanzeige entspricht im Wesentlichen einem Inverter. Neu ist der Widerstand Rm mit dem der Strom der 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.
Die Leitungen zu den 3 LEDs können unterbrochen werden. Wir schließen eine, zwei und drei LEDs an. In allen Fällen leuchten die LEDs. Wenn zwei oder drei LEDs angeschlossen sind, leuchtet unsere Überstromanzeige.
Wir können messen, dass der Strom bei zwei oder drei LEDs zu hoch ist.
Eine Sicherung wird normalerweise in die Plusleitung und nie in die Masseleitung geschaltet.
Wir müssten also den Überstrom in der positiven Leitung messen.
Das ist ganz einfach: Statt des NPN-Transistors wird ein PNP-Transistor verwendet.
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 einen Inverter an den Ausgang der Überstromanzeige anschließen. Ein IC ist viel zu aufwendig. Wir nehmen einen Transistor, einen PNP-Transistor.
In der Schaltung in Bild 4 haben wir wie bei der Überstromanzeige in Bild 3 den Messwiderstand Rm und den Transistor Q1, der bei Überstrom einschaltet.
Neu ist der Transistor Q2. Er erhält 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 durch LED1 fließt, leuchtet sie.
Wird am Ausgang zu viel Strom verbraucht, erkennt dies der Transistor Q1 und er schaltet ein. Dadurch wird die LED1 kurzgeschlossen und es fließt kein Strom mehr über LED1 in die Basis von Q2. Q2 schaltet ab und lässt keinen Strom mehr fließen. Die Sicherung schaltet aus.
Wenn die elektronische Sicherung eingeschaltet ist, leuchtet die LED1, wenn sie ausgeschaltet ist, 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.
Links liegt die Stromversorgung mit einer 4,5V-Batterie. R4 und LED2 zeigen an, dass die Stromversorgung vorhanden ist.
Die elektronische Sicherung ist die gleiche wie in Bild 4.
R20 ist der Messwiderstand der Sicherung für 20mA. Wenn R50 zusätzlich eingeschaltet wird, 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 zugeschaltet werden können. Mit TP4 kann der Ausgang der Sicherung kurzgeschlossen werden.
Die Sicherung löst nicht aus, wenn die drei LEDs den Ausgang belasten.
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 sinkt die Spannung am Ausgang und die LEDs mit hoher Flussspannung (gelb und blau) leuchten in einigen 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 Sicherung bei kurzzeitiger Überlastung wirkt, danach aber sofort wieder einsatzbereit ist.
Widerstand R3
Der Widerstand R3 ist für die Funktion der Sicherung nicht notwendig.
Wenn wir ihn entfernen, glimmt die LED1 noch ein wenig, wenn die Sicherung ausgelöst hat. Es fließt also ein kleiner Strom durch 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 volle Spannung Ubat. Durch Q2 fließt dabei 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. Dies ist die Basis-Emitter-Spannung des Transistors Q1, bei der er einschaltet.
An der elektronischen Sicherung kann also eine Spannung von bis zu 0,6V abfallen, ohne dass sie ausgelöst hat. Das ist für unsere ersten Versuche kein Problem, aber für den allgemeinen Einsatz oft zu hoch.
- Im Praktikum Elektronische Sicherung mit Stromspiegel wird eine Sicherung mit kleinem Spannungsabfall behandelt.
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 sofort wieder ein, wenn die Ursache für den Überstrom beseitigt ist.
- Eine begrenzende elektronische Sicherung reduziert die Spannung am Ausgang, bis nur noch der eingestellte Strom fließt.
- Dadurch kann der Fehler in der angeschlossenen Schaltung gesucht werden.
- An der elektronischen Sicherung fällt auch, wenn sie eingeschaltet ist, eine kleine Spannung ab.
Die Sicherung anwenden
Für unsere Versuche und Praktika sollten wir immer eine elektronische Sicherung verwenden.
- Bei unseren Versuchen beginnen wir immer mit 20mA.
- Wenn das nicht ausreicht (sicher?), gehen wir auf 50mA.
Wir sollten die elektronische Sicherung auf einem Steckboard fest aufbauen.
- Der Aufbau unserer Sicherung ist in Bau einer elektronischen Sicherung beschrieben.
- Weitere fest aufgebaute elektronische Sicherungen werden in Projekten vorgestellt:
Interessante Schaltungsvarianten: