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Elektronische Sicherung mit sehr geringem Spannungsabfall für höhere Spannungen


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Elektronische Sicherung für Spannungen bis 18V - begrenzend

Attention attention

PTC-Sicherungen

sind nicht zum Schutz empfindlicher elektronischer Bauelemente in Versuchsschaltungen geeignet.

Siehe PTC-Sicherungen

Die in Begrenzende LDO-Sicherung für 3-5V vorgestellte Sicherung kann nur bis 5,5V verwendet werden. Wir werden diese Schaltung modifizieren, damit sie für höhere Spannungen und höhere Ströme geeignet ist.

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Bild 1: Elektronische Sicherung für bis 100mA und 5V

Das Problem Leistung

Betrachten wir verschiedene Versorgungsspannungen. Die Sicherung muss natürlich einen Kurzschluss am Ausgang verkraften. Dann liegt fast die gesamte Spannung am MOSFET Q3, durch den auch der begrenzte Strom fließt. Ist die Versorgungsspannung höher, steigt die Leistung entsprechend

P3 = 5V  * Is
P3 = 5V  *  50mA =  200mW
P3 = 5V  * 100mA =  500mW
P3 = 18V * 100mA = 1800mW
P3 = 18V * 200mA = 3600mW 
P3 = 18V * 500mA = 9000mW 

Eigentlich sind 3,6W kein Problem, aber ohne Kühlkörper für Q3 kommen wir nicht aus. Der IRLML6402 ist allerdings ein winziger SMD-Chip, der nicht gekühlt werden kann. Schon bei 500mW wird ihm ziemlich warm ums Herz und bei 1,8W wird er aufgeben. Wir setzen für Q3 einen kräftigeren MOSFET ein.

Kräftige MOSFETs gibt es in vielen Variationen. Allerdings sind P-MOSFETs, die bei 3V arbeiten, kaum verfügbar. Wir haben Glück, der NDP6020P arbeitet bereits unter 2V und ist für Leistungen bis zu 60W geeignet. Er hat ein TO-220-Gehäuse und kann auf einen Kühlkörper montiert werden.

MOSFET NDP6020P

Der NDP6020P stellt uns jedoch vor neue Probleme. Die Gate-Source-Spannung darf nicht höher als 8V sein und die maximale Drain-Source-Spannung ist 20V.

Mit der Drain-Source-Spannung von 20V können wir leben, eigentlich reichten uns 15V. Wir legen uns auf eine maximale Spannung von 18V fest und haben noch eine Reserve.

Bleibt noch die Gate-Source-Spannung von 8V. Die 8V brauchen wir nicht. Wir kommen mit etwa 3V aus, weil der NDP6020P bei 3V bereits eingeschaltet ist. Wir müssen nur dafür sorgen, dass die Gate-Source-Spannung nicht zu hoch wird.

Für MOSFETs wird standardmäßig die Spannung zwischen Gate und Source mit einer Z-Diode begrenzt.

Begrenzung-Gate-Source-Spannung.png
Bild 2: Begrenzung der Gate-Source-Spannung

Der IRLML6402, den wir für den Verpolungsschutz verwenden, hat eine maximale Drain-Source-Spannung von 20V und eine Gate-Source-Spannung von 12V. Eine weitere Z-Diode ist fällig.

Betriebsspannung 3V bis 18V

Wenn wir Betriebsspannungen zwischen 3V und 18V zulassen wollen, haben wir das Problem, dass der Strom und die Spannungen im Stromspiegel mit Q2 einen großen Bereich umfassen. Das führt zu erheblichen Ungenauigkeiten. Am besten wäre es, wenn die Spannung für den Stromspiegel begrenzt würde. 3V wären günstig. Wir brauchen noch eine Z-Diode.

Anstelle einer Z-Diode mit 3V können wir eine blaue LED nehmen, weil sie eine Flussspannung von 3V hat.

Begrenzung-Gate-Source-Spannung-LED.png
Bild 3: Begrenzung der Spannungen mit LEDs

In Bild 3 wird die Gate-Source-Spannung von Q1 durch eine blaue LED begrenzt. Sie begrenzt auch die Versorgungsspannung für den Stromspiegel. Eine Begrenzung der Gate-Source-Spannung von Q3 ist nicht nötig, da sie nicht höher als die Versorgungsspannung für den Stromspiegel werden kann. Mit der LED2 haben wir damit die Probleme mit der Versorgungsspannung und den Gate-Source-Spannungen gelöst.

Kühlkörper

Wir brauchen nur noch einen passenden Kühlkörper für den Leistungs-MOSFET Q3.

Wir wollen unsere Sicherung als Modul auf dem Steckboard betreiben und müssen dafür sorgen, dass der Kühlkörper nicht zu heiß wird, weil er berührt werden kann. 60°C sind die Grenze. Bei 18V und 200mA

Diese Berechnung können wir auch ignorieren, wichtig ist das Ergebnis.

P    = U * I
P    = 18V * 0.2A
P    = 3,6W

Kges = ( tmax - 25°C ) / P
Kges = ( 60°C - 25°C ) / 3,6W
Kges ~ 9,7K/W

Kk   = Kges - Kq
Kk   = 9,7K/W - 2.5K/w
Kk   ~ 7K/W

Kges ist der gesamte Wärmewiderstand. Er beinhaltet den Wärmewiderstand Kk des Kühlkörpers und den des MOSFET selbst: Kq.

brauchen wir einen Kühlkörper mit maximal 7K/W. Der Fingerkühlkörper FK 223 SA CB wäre geeignet. Seine Maße sind 42mm * 42mm Grundfläche und 17mm Höhe. Er ist wesentlich größer als die Sicherung nach Bild 1.

Begrenzung der Leistung

Falls wir die Leistung begrenzen könnten, wenn die Sicherung ausgelöst hat, könnten wir das Problem der Kühlung in den Griff bekommen.

Aus dem Praktikum Reduzierende elektronische Sicherung kennen wir ein geeignetes Konzept.

Elektronische-Sicherung-Spiegel-foldback.png
Bild 4: Reduzierende elektronische Sicherung

Die Widerstände R4 und R6 bewirken eine Mitkopplung. Damit können wir die Leistung in Q3 begrenzen.

Leider wirkt die Sicherung mit den angegebenen Werten bei Spannungen über 14V abschaltend. Wir müssen versuchen, die Mitkopplung oberhalb 14V zu reduzieren.

Elektronische-Sicherung-Spiegel-foldback-18_s.png
Bild 5: Elektronische Sicherung für 3V bis 18V

Bild 5 fasst die obigen Anpassungen zusammen.

Die Diode D1 reduziert die Mitkopplung oberhalb 14V.

Reduzierte Leistung

Mit den angegebenen Werten kann die Leistung in Q3 weit reduziert werden. Auch bei einer Sicherung für 500mA und 18V fallen maximal 1,8W ab. Wir kommen mit einem kleinen Kühlkörper mit 24K/W aus.

Der Strom wird bei 18V von 500mA auf etwa 80mA reduziert. Selbstverständlich löst die Sicherung auch bei 18V erst bei 500mA aus.

Wir gehen hier nicht auf die Details der Funktion ein, sondern fassen das in Details der elektronischen Sicherung für Spannungen bis 18V zusammen.

Aufbau der Schaltung

Attention :-)

Auch für Anfänger

Diese Schaltung ist zwar für Anfänger geeignet,

  • aber die verwendeten SMD-Bauelemente sind nicht einfach zu löten.
Attention >

Lochrasterplatine

Wie es geht, beschreiben die Praktika

Layout

Die Schaltung lässt sich kompakt auf einer Lochrasterplatine aufbauen.

Elektronische-Sicherung-Spiegel-foldback-18-brd_s.png
Bild 6: Layout der elektronischen Sicherung

Die Darstellung des Layout wird in Darstellung in KiCAD beschrieben.

Elektronische-Sicherung-Spiegel-foldback-18-Top-3D_s.png
Bild 7: Ansicht von oben in 3D

Über die Stiftleiste unten wird der Strom der Sicherung mit Jumpern eingestellt.

Elektronische-Sicherung-Spiegel-foldback-18-Bottom-3D_s.png
Bild 8: Ansicht von unten in 3D

Die vier Stifte für den Einsatz auf Steckboards sind wie bei Modulen nach unten eingebaut.

Prototyp

Der Prototyp wurde auf einer Lochrasterplatine mit durchkontaktierten Lötpunkten erstellt.

Prototyp-18V_s.png
Bild 9: Prototyp der elektronischen Sicherung für 3V bis 18V
Stromwähler Rx LED3 Uout Uin-Uout bei Iout
25mA 225Ω aus 5V 36mV 22mA
25mA 125Ω an 2,6V 21mA
25mA Kurzschluss an 17mA
50mA 125Ω aus 5V 32mV 40mA
50mA 50Ω an 1,9V 38mA
50mA Kurzschluss an 32mA
100mA 55Ω aus 5V 89mV 90mA
100mA 33Ω an 2,6V 61mA
100mA Kurzschluss an 56mA
200mA 21Ω aus 5V 90mV 177mA
200mA 20Ω an 3,6V 177mA
200mA Kurzschluss an 130mA
500mA 12.5Ω aus 4,89V 110mV 390mA
500mA 8,3Ω an 3,3V 400mA
500mA Kurzschluss an 349mA

Tabelle 1: Ergebnisse einer Messung bei 5V

Rx ist der Widerstand am Ausgang der Sicherung. Die Messungen belegen das Foldback-Verhalten der Sicherung.

Attention >

Zusammenfassung

  • Für die Bereiche 25mA bis 200mA liegen die Strömen im Bereich der Planung.
  • Im 500mA Bereich werden die avisierten Werte nicht erreicht. Die Sicherung löst schon bei etwa 450mA aus.
  • Bis zu einem Strom, der 20% unter dem Auslösestrom liegt, ist der Spannungsabfall unter 100mV.
  • Bei höherer Belastung oder gar Kurzschluss wird der Ausgangsstrom reduziert: Foldback-Verhalten.
  • Beim Kurzschluss fließt immer noch ein Strom: Die Sicherung schaltet nicht ab.
  • Die Sicherung schaltet innerhalb 1µs ab.