Reduzierende elektronische Sicherung
Wir haben bisher zwei Arten von elektronischen Sicherungen betrachtet:
- die begrenzende in Einfache elektronische Sicherungen und
Beide haben ihre Vor- und Nachteile.
Begrenzende Sicherung
Die begrenzende Sicherung
- begrenzt den Strom auf einen Wert, der für den zu schützenden Stromkreis ungefährlich ist,
- verkraftet kurzzeitige Überlastung und
- schaltet sich selbsttätig wieder ein.
- Der Nachteil ist die hohe Leistung am Ausgangstransistor Q2, die zu dessen Erhitzung führt.
Abschaltende Sicherung
Die abschaltende Sicherung
- löst bei einem bestimmten Strom aus und reduziert den Strom auf Null, aber
- löst auch bei kurzzeitiger Überlast aus.
- Die Leistung am Ausgangstransistor ist gering.
Optimale elektronische Sicherung
Die optimale Sicherung
- begrenzt den Strom auf einen Wert, der für den zu schützenden Stromkreis ungefährlich ist,
- verkraftet kurzzeitige Überlastung,
- schaltet sich selbsttätig wieder ein und
- hat eine geringe Leistung am Ausgangstransistor.
Leider kann dies nicht erreicht werden. Ein guter Kompromiss wäre eine begrenzende Sicherung mit reduzierter Leistung am Ausgangstransistor.
Geringe Mitkopplung
Wenn wir in der elektronischen Sicherung in Bild 1 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 und auch nur teilweise aus.
Interessanterweise schaltet sie wieder ein, wenn die Last verringert wird.
Eigene Versuche
Wir können auf die in Elektronische Sicherung mit Abschaltung vorgestellte Testschaltung 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 Sicherung mit Strombegrenzung. Sie schaltet sich automatisch wieder ein, wenn die Überlast beseitigt ist. Sie schaltet allerdings etwas abrupter aus als bei einer Sicherung ohne Mitkopplung.
Verhalten
Wir haben ein seltsames Verhalten.
- Die Sicherung löst nur teilweise aus.
- Sie begrenzt den Strom wie eine Sicherung ohne Mitkopplung.
- Sie reduziert dem Strom bei steigender Last.
- Sie schaltet wieder ein, wenn die Last abnimmt.
Dieses Verhalten kommt unserer Vorstellung von einer elektronischen Sicherung sehr nahe.
- Sie schützt die Schaltung am Ausgang und
- schaltet automatisch wieder ein.
Der interessanteste Effekt ist die Reduzierung des Stroms bei hoher Last.
- Dieser Effekt wird als Foldback-Verhalten bezeichnet.
Reduzierende Sicherung
Die reduzierende elektronische Sicherung begrenzt den Strom. Bei höherer Belastung wird der Strom reduziert.
Mit zunehmender Last steigt die Spannung am Ausgangstransistor Q2 und damit auch die Leistung. Diese Schaltung reduziert den Strom bei höherer Last. Dadurch verringert sich die Leistung. Beim Kurzschluss fließt ein relativ geringer Strom, während am Ausgangstransistor die volle Betriebsspannung abfällt.
Die reduzierende Sicherung begrenzt den Strom.
Sie unterstützt kurzzeitige Überlast.
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, jedoch sind insbesondere die Widerstände Rm, R1 und Rx angepasst worden. Außerdem ist ein Ausgangstransistor erforderlich, der die höheren Leistungen verarbeiten kann.
Betrachten wir zunächst eine begrenzende Sicherung.
Die schwarze Kennlinie in Bild 3 zeigt, dass die Sicherung bis 100mA keinen Spannungsabfall aufweist. Bei 100mA fällt die Kennlinie steil ab.
Durch einen Widerstand von 500Ω bzw. 400Ω fließen bei 18V weniger als 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 komplett ab, sondern reduziert die Ausgangsspannung so weit, dass durch den Lastwiderstand 100mA fließen.
Bei einem Widerstand von 100Ω haben wir am Transistor Q2 eine Spannung von 18V-10V=8V. Das ergibt bei 100mA Strom eine Leistung von 0,8W. Bei 50Ω fallen an Q3 13V und eine Leistung von 1,3W ab.
Bild 4 zeigt die Wirkung der elektronischen Sicherung mit Foldback-Verhalten. Die schwarze Kennlinie zeigt, dass nach dem Überschreiten des maximalen Stroms von 100mA der Strom reduziert wird. Je niedriger die Ausgangsspannung ist, desto größer ist die Spannungsdifferenz zwischen der Versorgungsspannung von 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 also 12,4V*56mA=694mW ab im Vergleich zu 0,8W=800mW ohne Foldback-Verhalten.
Bei einer Last von 50Ω ergeben sich 2,2V und 44mA. An Q3 fallen dann 15,8V d.h. 348mW ab gegenüber 1,3W ohne Foldback-Verhalten.
- Im Projekt Elektronische Sicherung für Spannungen bis 18V wird eine elektronische Sicherung mit Foldback-Verhalten vorgestellt.