Reduzierende elektronische Sicherung
Wir haben bis jetzt zwei Arten von elektronischen Sicherungen betrachtet
- die begrenzende in Einfache elektronische Sicherungen und
- die abschaltende in Elektronische Sicherung mit Abschaltung
Beide haben ihre Vor- und Nachteile
Begrenzende Sicherung
Die begrenzende Sicherung
- begrenzt den Strom auf einen für die zu schützende Schaltung ungefährlichen Wert,
- unterstützt kurzzeitige Überlastung
- schaltet sich automatisch wieder ein.
- Der Nachteil ist die hohe Leistung am Ausgangstransistor Q2, die zu dessen Erhitzen führt.
Abschaltende Sicherung
Die abschaltende Sicherung
- löst bei einem bestimmten Strom aus und reduziert den Strom auf Null, aber
- löst auch bei kurzzeitiger Überlastung aus.
- Die Leistung am Ausgangstransistor ist gering.
Optimale elektronische Sicherung
Die optimale Sicherung
- begrenzt den Strom auf einen für die zu schützende Schaltung ungefährlichen Wert,
- unterstützt kurzzeitige Überlastung
- schaltet sich automatisch wieder ein und
- hat eine geringe Leistung am Ausgangstransistor.
Optimal wäre eine begrenzende Sicherung mit geringer Leistung am Ausgangstransistor Q2.
Leider lässt sich dieses nicht erreichen. Ein guter Kompromiss wäre eine begrenzende Sicherung mit verringerter Leistung am Ausgangstransistor Q2.
Geringe Mitkopplung
Wenn wir Rx entfernen haben wir keine Mitkopplung. Mit Rx haben wir sie.
- Gibt es auch halbe Mitkopplung?
Tauschen wir Rx gegen einen größeren Widerstand aus. Wir nehmen 10kΩ.
Dann schaltet unsere Sicherung nicht mehr so plötzlich aus und auch nur teilweise.
Interessanterweise schaltet sie wieder ein, wenn die Last verringert wird.
Eigene Versuche
Wir können auf die in Elektronische Sicherung mit Abschaltung vorgestellte Testschaltung (Bild 3) zurückgreifen.
Wir setzen für die Mitkopplung einen Widerstand Rx=10kΩ ein.
| Fall | TPs geschlossen | LED1 | LED3, LED4 und LED5 |
| 1 | TPA | leuchtet | leuchten |
| 2 | TPA, TP1 | leuchtet | leuchten |
| 3 | TPA, TP1, TP2 | aus | dunkler |
| 4 | TPA, TP1, TP2, TP3 | aus | aus |
| 5 | TPA, TP1, TP2 | aus | dunkler |
| 6 | TPA, TP1 | leuchtet | leuchten |
| 7 | TPA | leuchtet | leuchten |
| 8 | TPA, TP1 | leuchtet | leuchten |
| 9 | - | leuchtet | aus |
| 10 | TPA | leuchtet | leuchten |
Diese elektronische Sicherung verhält sich fast wie eine mit Strombegrenzung. Sie schaltet sich automatisch wieder ein, wenn die Überlastung entfernt wird. Sie schaltet allerdings etwas drastischer aus als die ohne Mitkopplung.
Verhalten
Wir haben ein eigenartiges Verhalten.
- Die Sicherung löst nur teilweise aus.
- Sie begrenzt den Strom wie eine Sicherung ohne Mitkopplung
- Sie reduziert dem Strom bei höheren Belastung
- Sie schaltet bei Verringerung der Last wieder ein.
Dieses Verhalten kommt unseren Vorstellungen von einer elektronischen Sicherung sehr nahe.
- Sie schützt die Schaltung am Ausgang und
- schaltet automatisch wieder ein.
Der interessanteste Effekt ist die Reduktion des Stroms bei hoher Last.
- Dieser Effekt wird als Foldback-Verhalten bezeichnet.
Reduzierende Sicherung
Die Reduzierende Sicherung begrenzt den Strom. Bei höherer Belastung wird der Strom reduziert.
Wenn die Last größer wird, wird die Spannung am Ausgangstransistor Q2 größer und damit auch die Leistung. Diese Schaltung reduziert den Strom bei höherer Last. Damit wird die Leistung reduziert. Beim Kurzschluss fließt ein relativ geringer Strom, während am Ausgangstransistor die volle Betriebsspannung abfällt.
Die reduzierende Sicherung begrenzt den Strom.
Sie unterstützt kurzzeitige Überlastung
Die Leistung am Ausgangstransistor ist geringer als bei der begrenzenden Sicherung.
Regeln
- Eine Mitkopplung führt das Signal vom Ausgang auf den Eingang zurück.
- Eine elektronische Sicherung mit Strombegrenzung
- ist bei Reduzierung der Last sofort wieder betriebsbereit,
- ermöglicht die Suche der Ursache für die Überlastung und
- kann zu hohen Leistungen im Ausgangstransistor führen.
- Eine elektronische Sicherung mit Abschaltung
- schaltet bei Überlastung ab und
- erst wieder ein, wenn die Last entfernt wurde,
- ermöglicht nicht die Suche der Ursache für die Überlastung,
- aber führt zu relativ geringen Leistungen im Ausgangstransistor.
- Eine reduzierende elektronische Sicherung
- ist bei Reduzierung der Last sofort wieder betriebsbereit.
- ermöglicht die Suche der Ursache für die Überlastung und
- führt zu geringeren Leistungen im Ausgangstransistor als bei Begrenzung.
Wirkung von Foldback-Verhalten
Die folgenden Kennlinien beschreiben eine elektronische Sicherung für 100mA und bis zu 18V. Sie entspricht dem Prinzip in Bild 1. Allerdings sind vor allem die Widerstände Rm, R1 und Rx angepasst worden. Es ist auch ein Ausgangstransistor nötig, der die hohen Leistungen bewältigen kann.
Betrachten wir zunächst eine begrenzende Sicherung.
Die schwarze Kennlinie zeigt, dass bis 100mA die Sicherung keinen Spannungsabfall hat. Bei 100mA fällt die Kennlinie abrupt ab.
Durch einen Widerstand von 500Ω oder 400Ω fließen bei 18V unter 100mA. Wir können ablesen, dass 36mA bzw. 90mA fließen.
Bei 100Ω und 50Ω wird der Strom auf 100mA begrenzt. Wir können Spannungen von 10V und 5V ablesen. Die Sicherung schaltet also nicht völlig ab, sondern reduziert die Ausgangsspannung so weit, dass durch den Lastwiderstand 100mA fließen.
Beim 100Ω-Widerstand haben wir 18V-10V=8V am Transistor Q2. Das ergibt mit 100mA Strom eine Leistung von 0,8W. Mit 50Ω fallen an Q3 13V und eine Leistung von 1,3W ab.
In Bild 4 ist die Wirkung der elektronischen Sicherung mit Foldback-Verhalten dargestellt. Die schwarze Kennlinie zeigt, dass nach dem Überschreiten des maximalen Stroms von 100mA der Strom reduziert wird. Je geringer die Ausgangsspannung ist, umso größer ist die Spannungsdifferenz zwischen der Versorgungsspannung vom 18V und der Ausgangsspannung.
Die Kennlinie zeigt deutlich, warum diese Schaltung Foldback, zurückfalten heißt.
Bei einer Last von 100Ω ergeben sich 5,6V und 56mA. An Q3 fallen dann 12,4V und 56mA also 694mW ab gegenüber 0,8W ohne Foldback-Verhalten.
Bei einer Last von 50Ω ergeben sich 2,2V und 44mA. An Q3 fallen dann 15.8V und 44mA also 348mW ab gegenüber 1,3W ohne Foldback-Verhalten.
- Im Projekt Elektronische Sicherung für Spannungen bis 18V wird eine elektronische Sicherung mit Foldback-Verhalten vorgestellt.