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Wir verbessern die elektronische Sicherung durch einen Stromspiegel.


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Elektronische Sicherung mit Stromspiegel

Elektronischer Stromspiegel


Elektronische Sicherung mit Stromspiegel

Wir haben uns eine einfache elektronische Sicherung angesehen. Hier werden wir auf einen Nachteil dieser Schaltung eingehen und eine Lösung betrachten, die uns zu einer interessanten elektronischen Schaltung führt.

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Bild 1: Die einfache elektronische Sicherung

Der durch die Sicherung fließende Strom wird über dem Messwiderstand Rm in eine Spannung umgewandelt und mit der Basis-Emitter-Spannung des Transistors Q1 verglichen. Wenn die Spannung größer als 0,6V ist, löst die Sicherung aus.

Diese Messspannung von 0,6V ist im Vergleich zur verwendeten Spannung von 5V relativ hoch. Wir werden versuchen, diese Spannung zu reduzieren.

Verringerung der Messspannung

Attention > Wir gehen im Folgenden davon aus, dass die Transistoren Q1 und Q2 idealerweise gleich sind.

Wenn es uns gelänge, einen Teil der Basis-Emitter-Spannung zu kompensieren, würden wir mit einer niedrigeren Messspannung auskommen. Am besten wäre es, die Basis-Emitter-Spannung ganz zu eliminieren.

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Bild 2: Schaltung mit 2 Transistoren

Die Schaltung in Bild 2 ersetzt den Basis-Widerstand R1 von Q1 in Bild 1 durch die Basis-Emitter-Strecke eines weiteren Transistors Q2.

Analysieren wir die Spannungen der Schaltung:

Ube1 = Ube2 + Um

Wenn kein Strom fließt, ist Um = 0V. Dann müssen Ube1 und Ube2 gleich sein.

Wenn eine Spannung Um auftritt ( erzeugt durch den Messstrom Im in Rm ), wird Ube1 größer als Ube2.

Schön und gut, aber woher kommt die Spannung an den Basen der Transistoren?

Wir müssen einen Strom in die Basen schicken. Diese Aufgabe übernimmt der Widerstand Rb in Bild 3.

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Bild 3: Schaltkreis mit 2 Transistoren

Der Strom durch den Widerstand Rb teilt sich in zwei Teile, nämlich Ib1 und Ib2 auf. Die beiden Transistoren Q1 und Q2 sind gleich, und wir können davon ausgehen, dass Ib2 und Ib2 gleich sind. Dieses wird insbesondere der Fall sein, wenn Um Null ist.

Wenn jedoch ein Strom durch Rm fließt, wird die Basis-Emitter-Spannung Ube1 von Q1 durch Um, größer als die von Q2. Das bedeutet, dass der Basisstrom Ib1 größer wird als der Basisstrom Ib2 von Q2.

Wenn der Basisstrom von Q1 größer wird, wird auch der Kollektorstrom von Q1 größer.

Bevor wir die Schaltung der elektronischen Sicherung betrachten, schauen wir uns noch einmal auf die Schaltung in Bild 3 an. Diese Schaltung wird als Stromspiegel bezeichnet. Meistens wird ein Stromspiegel jedoch anders dargestellt.

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Bild 4: Stromspiegel

In dem in Bild 4 dargestellten Stromspiegel sind die Basen der beiden Transistoren gemeinsam mit dem Kollektor des rechten Transistors Q2 verbunden. Bei Um=0V sind die Basisströme beider Transistoren gleich und damit auch die Kollektorströme:

Ic1 = Ic2

Der Kollektorstrom Ic2 des rechten Transistors Q2 wird durch den Widerstand R2 bestimmt. Der Kollektorstrom Ic1 des linken Transistors Q1 wird ebenfalls über R2 eingestellt, unabhängig von R1. R1 darf nicht größer als R2 sein.

Sicherung mit Stromspiegel

Wir wenden unsere neuen Erkenntnisse auf die komplette Schaltung der elektronischen Sicherung an.

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Bild 5: Elektronische Sicherung mit Stromspiegel

Tatsächlich sind sich die beiden Schaltungen in Bild 1 und Bild 5 sehr ähnlich. Auf den ersten Blick fällt auf, dass

  • die LED fehlt und
  • der Messwiderstand Rm nicht mehr 33Ω beträgt, sondern nur noch 1Ω.

Am Messwiderstand fallen bei 25mA nur noch 0,025V = 25mV ab. Das ist sehr wenig im Vergleich zu den 0,6V unserer Schaltung in Bild 1.

Details zur Funktion

Bei der einfachen elektronischen Sicherung in Bild 1 wurde die Basis-Emitter-Spannung eines Transistors zur Messung des Stroms verwendet.

In Bild 5 wird ein Stromspiegel verwendet.

Mit R2 wird der Strom Ic2 im Stromspiegel eingestellt. Derselbe Strom fließt durch Q1. R1 ist kleiner als R2, d.h. an R1 fällt eine kleinere Spannung ab als an R2. Die Kollektor-Emitter-Spannung von Q1 ist daher größer als die von Q2.

Die Kollektor-Emitter-Spannung von Q1 ist die Basis-Emitter-Spannung von Q3.

Wenn ein Strom durch die Sicherung, d.h. den Messwiderstand Rm, fließt, wird der Kollektorstrom von Q1 größer und die Spannung an R1 steigt. Dadurch sinkt die Kollektor-Emitter-Spannung von Q1, d.h. die Basis-Emitter-Spannung von Q3.

Wenn der Strom so weit angestiegen ist, dass Q3 nicht mehr voll durchschaltet, ist die Schaltschwelle der elektronischen Sicherung erreicht.

Der Zusammenhang zwischen dem Strom Isi und der die Basis-Emitter-Spannung von Q3 ist nicht mehr so einfach wie bei der Basis des Transistors Q1 in Bild 1.

Im Praktikum Kleine Spannungen mit dem Stromspiegel messen wird näher darauf eingegangen, wie sich ein Stromspiegel beim Messen kleiner Spannungen verhält.

Bei einer Eingangsspannung von 20mV ist der Kollektorstrom in Q1 doppelt so groß wie der Kollektorstrom in Q2. Bei noch höheren Eingangsspannungen steigt der Kollektorstrom in Q1 noch stärker an.

Ein steigender Kollektorstrom in Q1 verringert den Basisstrom in Q3. Ein stark ansteigender Strom in Q1 bedeutet, dass der Basisstrom Q3 oberhalb von 20mV stark abfällt.

Die Schaltschwelle der elektronischen Sicherung liegt damit im Bereich von 25mV.

Anzeige der Strombegrenzung

Im Praktikum Elektronische Sicherung mit MOSFET wurde gezeigt, wie mit geringem Aufwand eine Anzeige für das Auslösen der Sicherung realisiert werden kann.

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Bild 6: Elektronische Sicherung mit Stromspiegel und Anzeige

Der Transistor Q4 misst einfach, ob an der Sicherung mehr als 0,6V abfallen und schaltet dann die LED1 ein.

LED1 leuchtet auf, wenn die Sicherung ausgelöst hat.

Wahl der Transistoren

Die Transistoren des Stromspiegels sollten möglichst identischen Eigenschaften haben. Wir müssen darauf achten, möglichst gleiche Transistoren zu verwenden:

  • Am besten sind spezielle Doppeltransistoren.
  • Es gibt aber auch Möglichkeiten, passende Transistoren zu finden.
  • vom gleichen Typ: BC327
  • mit gleicher Stromverstärkungsklasse (-25, -45, -100)
  • aus der gleichen Charge (zusammen gekauft, am besten auf einem Gurt)

Gepaarte Transistoren

Wir können zwei ähnliche Transistoren ausmessen.

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Bild 7: Bestimmung gepaarter Transistoren

Mit der Schaltung in Bild 7 können gepaarte Transistoren leicht bestimmt werden. Die beiden Transistoren mit der geringsten Spannung zwischen den Basen sind am besten gepaart. Die Polarität der Spannung spielt dabei keine Rolle.

Temperaturabhängigkeit

Eine Schaltung mit Stromspiegel ist temperaturabhängig. Beide Transistoren müssen die gleiche Temperatur haben.

Wir schalten einen Lastwiderstand von 220Ω ein. Die LED wird kaum glimmen. Wenn wir nun den Transistor Q2 berühren, wird er durch unsere Körperwärme etwas erwärmt. Und die LED wird heller.

Diese Temperaturabhängigkeit ist ein Nachteil der neuen Sicherung.

Wir können diesen Effekt verringern,

  • indem wir die Gehäuse von zwei gepaarten Transistoren zusammenkleben
  • oder einen Doppeltransistor in einem gemeinsamen Gehäuse verwenden.

Spannungsabfall am Ausgangstransistor

Der Ausgangstransistor Q3 schaltet leider nicht perfekt ein. An ihm fällt eine Spannung von etwa 100mV ab. Diese Spannung kann durch einen höheren Basisstrom verringert werden. Die Widerstände R1 und R2 müssen kleiner gewählt werden.

Bessere Ergebnisse erzielen wir mit MOSFETs. Wir haben dieses im Praktikum Elektronische Sicherung mit MOSFET behandelt.

Eigene Versuche

Die Schaltung kann auf einem kleinen Steckboard aufgebaut werden.

Attention :-)

Streiche der Steckboards

Leider können Steckboards uns böse Streiche spielen.

Die Kontakte der Steckboards verursachen kleine Übergangswiderstände. Diese machen sich bei dem kleinen Widerstand Rm=1Ω durchaus bemerkbar.

Der Widerstand Rm wird am besten mit langen Anschlüssen unmittelbar mit den Kontaktgruppen der Emitter der beiden Transistoren Q1 und Q2 verbunden.

  • Wir sollten nur für dieses Praktikum eine elektronische Sicherung mit Stromspiegel auf einem Steckboard aufbauen.

Bevor wir die Schaltung in Betrieb nehmen, prüfen wir, ob sie korrekt aufgebaut ist. Wer eine elektronische Sicherung nach Bild 1 hat, schaltet sie natürlich davor.

Die alte Sicherung nach Bild 1 wird am besten auf 50mA eingestellt. Sie darf natürlich nicht auslösen, wenn die neue ohne Last am Ausgang angeschlossen ist.

Wird der Ausgang der neuen Sicherung belastet oder gar kurzgeschlossen, darf nur die neue Sicherung reagieren. Sie sollte auf 25mA begrenzen, d.h. die alte Sicherung darf nicht auslösen.

Die Schaltschwelle der Sicherung ist natürlich nicht sehr genau. Sie wird im Bereich zwischen 23mA und 27mA liegen.

Fazit

Diese nur etwas komplexere elektronische Sicherung in Bild 6 hat gegenüber der einfachen Schaltung in Bild 1 einen wesentlich geringeren Spannungsabfall von unter 0,1V.

Das Projekt