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


Wir vergleichen elektronische Sicherungen.


list.png

Vergleich elektronischer Sicherungen

  • Dieses Praktikum ist für das Verständnis der Elektronik nicht unbedingt erforderlich.
  • Es führt allerdings in die Messung des Verhaltens von Schaltungen ein.
  • Es zeigt auch, wie Messergebnisse interpretiert werden.
  • Wer nicht alles versteht, kann dennoch das Praktikum durchführen
  • und es später noch einmal überarbeiten.

An dieser Stelle wollen wir die elektronischen Sicherungen näher untersuchen.

Wir können auf die in einfache elektronische Sicherung vorgestellte Testschaltung (Bild 5) zurückgreifen. Wir müssen sie nur ein wenig modifizieren:

ElektronischeSicherung2_s.png
Bild 1: Testschaltung der elektronischen Sicherung

Es gibt zwei Änderungen:

  • Der Widerstand Rx wurde für die Mitkopplung eingesetzt.
  • Mit einer neuen Drahtbrücke TPA können wir die drei LEDs der Anzeige ausschalten.

Messung des Stroms

An dieser Stelle untersuchen wir die elektronischen Sicherungen genauer und messen die Ströme durch die Sicherung und die Spannung am Ausgang.

ElektronischeSicherung3_s.png
Bild 4: Messschaltung der elektronischen Sicherung

Das Amperemeter liegt im Stromkreis der Last. Das Voltmeter ist nicht unbedingt notwendig.

Wir stellen drei Fälle gegenüber:

  • Rx = 10kΩ (schwache Mitkopplung)
  • Rx = 1kΩ (starke Mitkopplung)
  • ohne Rx (begrenzende elektronische Sicherung)
Fall TPs geschlossen Isi 10kΩ Usi 10kΩ Isi 1kΩ Usi 1kΩ Isi ohne Usi ohne
1 - 0,0mA 4,4V 0,0mA 4,4V 0,0mA 4,4V
2 TPA 6,4mA 4,2V 6,4mA 4,2V 6,4mA 4,2V
3 TPA, TP1 10,1mA 4,1V 10,1mA 4,1V 10,1mA 4,1V
4 TPA, TP1, TP2 17,3mA 3,9V 2,9mA 0,9V 17,3mA 3,9V
5 TPA, TP1, TP2, TP3 11,4mA 1,4V 3,3mA 0,4V 18,4mA 2,3V
6 TPA, TP1, TP2, TP3, TP4 7,0mA 0,0V 3,8mA 0,0V 18,4mA 0,0V
7 TPA, TP1, TP2, TP3 11,4mA 1,4V 3,3mA 0,4V 18,4mA 2,3V
8 TPA, TP1, TP2 17,3mA 3,9V 2,9mA 0,9V 17,3mA 3,9V
9 TPA, TP1 10,1mA 4,1V 2,0mA 1,8V 10,1mA 4,1V
10 TPA 6,4mA 4,2V 1,4mA 2,4V 6,4mA 4,2V
11 TPA, TP1 10,1mA 4,1V 2,0mA 1,8V 10,1mA 4,1V
12 TPA 6,4mA 4,2V 1,4mA 2,4V 6,4mA 4,2V
13 - 0,0mA 4,4V 0,0mA 4,4V 0,0mA 4,4V
14 TPA 6,4mA 4,2V 6,4mA 4,2V 6,4mA 4,2V

Tabelle 1: Ergebnisse der Messungen

ElektronischeSicherung-Plot.png
Bild 5: Grafische Darstellung der Messungen

In Bild 5 wurden die Messungen in ein Diagramm eingetragen.

  • Die Spannung nach oben und
  • der Strom nach rechts.

Die markierten Punkte sind die Messwerte. Die Zahlen bei den Messwerten sind der Fall. Die Zahlen in Klammern bezeichnen die Fälle bei Rx=1kΩ. Benachbarte Punkte wurden mit farbigen Linien verbunden.

Verhalten ohne Rückkopplung

Die elektronische Sicherung ohne Rückkopplung enthält kein Rx. Es ist die begrenzende Sicherung.

Dazu gehört die violette Kurve. Sie ist oben von der blauen (Rx=1k) und der grünen (Rx=10k) überlagert und hat dort den gleichen Verlauf.

Bei Strömen von 0mA bis 17,3mA (Fälle 1 bis 4) fällt die Ausgangsspannung ein wenig ab. Das ist die Folge des Messwiderstands R20.

Wenn die Belastung größer wird, wird der Strom auf 18,4mA begrenzt. Im Fall 5 wird die Ausgangsspannung auf 2,3V abgesenkt, im Fall 6, dem Kurzschluss auf 0V. Die elektronische Sicherung begrenzt den Strom auf 18,4mA.

Wenn die Last verringert wird steigt die Ausgangsspannung wieder an (Fall 7). Bei noch geringere Last begrenzt die Sicherung nicht mehr.

In allen Fällen mit gleicher Last ergeben sich die gleichen Werte für Strom und Spannung.

Die violette Kurve zeigt die Wirkung der begrenzenden elektronischen Sicherung sehr gut. Bei Strömen unterhalb des Sicherungsstroms fällt an der Sicherung nur eine geringe Spannung ab. Bei größeren Lasten wird die Ausgangsspannung so weit reduziert, dass der Sicherungsstrom fließt.

Verhalten mit starker Rückkopplung

Die elektronische Sicherung mit starker Rückkopplung enthält Rx=1kΩ. Es ist die abschaltende Sicherung.

Dazu gehört die blaue Kurve.

Bei Strömen von 0mA bis 10,1mA (Fälle 1 bis 3) fällt die Ausgangsspannung ein wenig ab. Das ist die Folge des Messwiderstands R20.

Wird die Last weiter erhöht (Fall 4), sinkt der Ausgangsstrom auf 2,9mA und die Ausgangsspannung auf 0,9V. Die Sicherung hat abgeschaltet. Der Strom von 2,9mA fließt über den Widerstand Rx=1kΩ. Wird die Last weiter erhöht (Fall 5) steigt der Strom auf 3,3mA und Ausgangsspannung sinkt auf 0,4V. Beim Kurzschluss (Fall 6) fließt ein Strom von 3,8mA.

Der Strom durch Rx ist beim Kurzschluss:

Ux = Ubat - Ube1
Ux = 4,4V - 0,6V = 3,8V
Ix = Ux  / Rx
Ix = 3,8V / 1kΩ = 3,8mA

Unsere Annahme, dass der geringe Strom durch die abgeschaltete Sicherung durch Rx verursacht wird, stimmt also.

Eine Veränderung der Last (Fälle 7 bis 12) bewirkt nur eine Änderung des kleinen Stroms, der durch Rx verursacht wird.

Erst, wenn die Last vollständig entfernt wird (Fall 13), schaltet die Sicherung wieder ein. Wenn wir jetzt die Last wieder erhöhen (Fall 14), ist die Sicherung wieder eingeschaltet.

Die blaue Kurve verdeutlicht das abschaltende Verhalten durch den rückläufigen Sprung (Fälle 3 auf 4). Die Sicherung bleibt ausgeschaltet bis der Stromkreis unterbrochen wird.

Verhalten mit schwacher Rückkopplung

Die elektronische Sicherung mit schwacher Rückkopplung enthält Rx=10kΩ.

Dazu gehört die grüne Kurve. Sie ist oben von der blauen (Rx=1k) überlagert und hat dort den gleichen Verlauf.

Bei Strömen von 0mA bis 17,3mA (Fälle 1 bis 4) fällt die Ausgangsspannung ein wenig ab. Das ist die Folge des Messwiderstands R20.

Wird die Last weiter erhöht (Fall 5), sinkt der Ausgangsstrom auf 11,4A und die Ausgangsspannung auf 1,4V. Die Sicherung hat nur teilweise abgeschaltet.

Hätte sie ganz abgeschaltet, würden nur 3,3mA fließen.
Würde sie begrenzen, würden 18,4mA fließen.

Beim Kurzschluss (Fall 6) fließt ein Strom von 7,0mA.

Interessant ist das Verhalten, wenn die Last wieder verringert wird. Die Werte der Fälle 5 und 7 stimmen überein. Aber wenn die Last weiter verringert wird (Fall 8), haben wir Werte, die mit denen der eingeschalteten Sicherung übereinstimmen. Das die Sicherung tatsächlich eingeschaltet hat belegen die Fälle 9 und 10.

Diese Sicherung zeigt, wenn sie ausgelöst hat, eine Reduzierung des Stroms. Die grüne Kurve verläuft dann "rückwärts". Dieses Verhalten wird als "foldback" bezeichnet.

Der Sinn von foldback

Wir betrachten hier den Sinn der drei Varianten elektronischer Sicherungen

  • begrenzende Sicherung
  • abschaltende Sicherung
  • foldback Sicherung

Vom Verhalten her ist die begrenzende Sicherung die beste.

  • Sie verhindert eine Überlastung der Last.
  • Sie liefert noch Strom, um im Falle einer Überlastung die Ursache untersuchen zu können.

Sie hat aber auch einen Nachteil:

  • Der Ausgangstransistor Q2 muss eine hohe Leistung aufnehmen.
  • Diese Leistung ist bei einem Kurzschluss des Ausgangs am höchsten:
    P2 = Isi * Ubat

Das kann zu starker Erwärmung oder gar Überlastung des Ausgangstransistors Q2 führen.

Im Fall 6 (Kurzschluss) fließen 18,4mA: P2 = 18,4mA * 4.4V ~ 81mW.
Das ist kein Problem für einen BC327.
Bei Auslösestrom von 100mA an 5V wäre die maximale Leistung an Q2
P2 = Isi * Ubat = 100mA * 5V = 500mW.
Dabei würde einem BC327 ziemlich warm ums Herz.
200mA würden ihn zerstören.

Bei einer abschaltenden elektronischem Sicherung ist Q2 entweder eingeschaltet oder ausgeschaltet. In beiden Fällen ist die Leistung in Q2 gering.

Dafür hat die Sicherung den Nachteil, bei einer Verringerung der Last nicht wieder automatisch einzuschalten.

Die foldback Sicherung reduziert bei zu hoher Last den Strom durch die Sicherung und damit die Leistung im Ausgangstransistor Q2.

Bei einem Kurzschluss wird im Fall 6 der Strom auf 7mA reduziert. Die Leistung an Q2 ist dann:
P2 = 7mA * 4.4V = 30,8mW.
Im Vergleich zu 81mW bei der begrenzenden Sicherung konnte die Leistung im Ausgangstransistor um über 60% verringert werden.

Eine foldback Sicherung kann zur Reduzierung der maximalen Leistung im Ausgangstransistor beitragen.

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