Messungen an der elektronischen Sicherung für 3-18V

Unsere Sicherung können wir genauer mit Volt- und Amperemeter vermessen.

• Wir messen die Ausgangsspannung und den Ausgangsstrom bei den obigen Tests.

• Interessant ist der Spannungsabfall U_in-U_out an der Sicherung.

Die folgenden Daten wurden am Prototypen ermittelt.

Tabelle 2: Zusammenfassung der Messungen bei 5V

Die Widerstandswerte der obigen Tabelle werden mehre 100Ω Widerstände erreicht ( + heißt in Reihe).

• Die Messungen zeigen, dass der Prototyp der Sicherung nicht bei 500mA, sondern bei etwa 400mA auslöst.

Höhere Versorgungsspannungen

Wir schießen die Stromversorgung von 12V bzw. 18V und eine rückstellende Sicherung von 0,25A/0,5A an J5 an. Alternativ kann ein elektronisches Netzgerät mit 12V bzw 18V und 250mA verwendet werden.

Nur für den 500mA-Bereich wird die rückstellende Sicherung von 0,5A/1A verwendet und das Netzgerät auf 550mA gestellt

Wir verwenden wieder 100Ω Widerstände.

Wir testen bei 12V.

Wenn der Ausgang offen ist, sollte bei allen Einstellungen des Stromwählers die blaue LED leuchten und die rote LED3 nicht. Die Ausgangsspannung soll dann 12V sein.

Der Stromwähler wird auf die möglichen Stromstärken eingestellt und die Widerstände R_x am Ausgang angeschlossen.

• Bei 12V können 100Ω Widerstände mit etwa 1,5W belastet werden. Wir nehmen 5W-Widerstände.

• In der folgenden Tabelle sollten für die grau hinterlegten Fälle Leitungswiderstände (100Ω, 5W) verwendet werden.

Wir messen die Spannung am Ausgang. Die angegeben Spannungen unter 12V sind nur Richtwerte und können stark abweichen.

Die Widerstandswerte der obigen Tabelle werden durch mehre 100Ω Widerstände erreicht ( + heißt in Reihe).

• Die vier parallelen 100Ω Widerstände für die 125Ω werden nur mit etwa 0,25W belastet. Das vertragen unsere normalen Widerstände mit 0,6W.

Wir testen bei 18V.

Wenn der Ausgang offen ist, sollte bei allen Einstellungen des Stromwählers die blaue LED leuchten und die rote LED3 nicht. Die Ausgangsspannung soll dann 18V sein.

Der Stromwähler wird auf die möglichen Stromstärken eingestellt und die Widerstände R_x am Ausgang angeschlossen.

• Bei 18V können 100Ω Widerstände mit über 3W belastet werden. Wir nehmen 5W-Widerstände.

• In der folgenden Tabelle sollten für die grau hinterlegten Fälle Leitungswiderstände (100Ω, 5W) verwendet werden.

Wir messen die Spannung am Ausgang. Die angegeben Spannungen unter 18V sind nur Richtwerte und können stark abweichen.

Die Widerstandswerte der obigen Tabelle werden durch mehre 100Ω Widerstände erreicht ( + heißt in Reihe).

Erweiterte Messungen

Die folgenden Messungen sind nur bedingt für Anfänger geeignet. Es werden ein Oszilloskop und ein Funktionsgenerator benötigt.

Abschaltverhalten

Das Abschaltverhalten, d.h. bei welchem Strom löst die Sicherung aus, wurde bei ansteigenden Strom untersucht.

gelbe Kurven: Spannungsabfall U_si an der Sicherung

rote Kurven: Strom I_si durch die Sicherung

gelbes Dreieck rechts: 100mV Spannungsabfall an der Sicherung

Bild 8 beschreibt die Schaltung für die Messung des Abschaltstroms der Sicherung. Die Versorgungsspannung U_v kann zwischen 3V und 18V eingestellt werden.

Ein Funktionsgenerator liefert eine Dreieckspannung zwischen 0V und 15V. Damit wird das Gate eines MOSFET angesteuert. Damit ergibt sich ein ansteigender und abfallender Drainstrom im MOSFET. Der Strom ist zwar nicht dreieckig, aber wir benötigen einen von 0 ansteigenden Strom. Mit diesem Strom wird die Sicherung belastet. Der Strom wird über den Messwiderstand R₁ gemessen.

• Die Masse des Oszilloskops liegt am Pluspol der Stromversorgung.

• Der Funktionsgenerator darf nicht geerdet sein, weil sonst die Masse des Oszilloskops und des Funktionsgenerators einen Kurzschluss erzeugen.

Der eine Kanal des Oszilloskops misst den Spannungsabfall U_k1 = U_si an der Sicherung. Der andere Kanal misst den Spannungsabfall plus der Spannung am Messwiderstand R₁: U_k2 = U_si + U₁

Die Spannung am Messwiderstand R₁ wird im Oszilloskop durch die Subtraktion der beiden Kanäle gebildet: U₁ = U_k2 - U_k1 Der Strom ist dann einfach I_si = U₁ / R_m, d.h. der Spannung an R_m in mV entspricht der Strom I_si in mA.

Die gelben Kurven, Kanal 1, zeigen den Spannungsabfall U_si an der Sicherung.

Die grünen Kurven, Kanal 2, zeigen den Spannungsabfall an U_g = U_si + U_m

• Die rote Kurve werden aus der gelben und grünen berechnet: U_m = U_g - U_si

• Sie zeigen den Strom durch die Sicherung, die Spannung U₁ am 1Ω Widerstand R₁.

• Der steile Anstieg der roten Kurve ergibt sich, weil dann U_g = U_si ist und U_m ≃ 0 wird.

Das gelbe Dreieck am rechten Rand markiert einen Spannungsabfall von U_si = 100mV an der Sicherung.

• Bild 9 beschreibt das Verhalten bei 25mA.

Die Sicherung schaltet bei 25mA ab. Die gelbe Kurve läuft durch 100mV Linie und der Strom (rot) ist 25mA.

• Das Verhalten bei 50mA und 100mA ist ähnlich.

• Bild 10 beschreibt das Verhalten bei 200mA.

Wenn die Spannung an der Sicherung (gelb) 100mV (gelbes Dreieck rechts) ist, ist der Strom (rot) bei 180mA.

• Bild 13 beschreibt das Verhalten bei 500mA.

Die Sicherung schaltet bei 450mA ab: Der tiefste Punkt des Stroms (rot) liegt bei 450mV. Allerdings ist der Spannungsabfall (gelb) an der Sicherung dann auch 450mV.

Wenn der Spannungsabfall (gelb) an der Sicherung 100mV ist, ist der Strom (rot) 350mA.

Die Sicherung ist im 500mA Bereich etwas ungenau, liegt aber im avisierten Bereich von 25%

• Diese Kennlinien gelten für alle Spannungen im Bereich von 3V bis 18V.

Verhalten bei Kurzschluss

Das Verhalten der Sicherung bei Kurzschluss wurde an einem 0,1Ω Widerstand gemessen, der durch einen Schalter an den Ausgang der Sicherung gelegt wurde.

In den Bildern 14 und 15 wird der Kurzschlussstrom jeweils für 500mA, 200mA, 100mA, 50mA und 25mA dargestellt. Der Spannung in V entspricht der Strom in A.

Die maximal auftretenden Ströme hängen natürlich von der Versorgungsspannung ab. Bei 5V für 25mA Sicherung liegen sie etwas über 5A und für 500mA bei 11A. Bei 18V treten für 25mA Ströme bis zu 20A auf und für 500mA bis zu 40A.

• Interessant ist die Reaktionszeit der Sicherung im Bereich um 0,4µs im 25mA-Bereich und von 1µs im 500mA-Bereich.

Vergleich mit Labornetzgeräten

Die folgenden Messungen enthalten die Ergebnisse an zwei Labornetzgeräten, die über 100€ kosten.

Interessant und wichtig sind die Daten

• Unsere elektronische Sicherung reagiert über 100 mal schneller.

• Der maximale Strom ist wesentlich geringer.

Auslösestrom

Der gemessene Auslösestrom I_s weicht im gesamten Spannungsbereich um maximal 10% vom nominalem Wert ab. Bei einem Strom von 0,8*I_s ist der Spannungsabfall an der Sicherung unter 0,1V. Verglichen mit Schmelz- oder PTC-Sicherungen ist der Unterschied zwischen Haltestrom (nicht ausgelöst) und Auslösestrom mit 0,8 gegenüber 0,5 sehr gut.

Das Foldback-Verhalten wird durch den Vergleich von I_s und I_k0 belegt. Der Strom wird bei höheren Spannungen reduziert, bei 5V nicht. Bei I_s=25mA ist der Kurzschlussstrom allerdings nahe 25mA. Dadurch kann die Suche von Fehlern in der geschützten Schaltung unterstützt werden.

Reaktionszeit

Bestechend ist die Reaktionszeit von 1µs, die über 100 bis 1000 mal schneller als bei Labornetzgeräten ist. Die Reaktionszeit von PTC-Sicherungen geringer Stromstärke beträgt gar mehrere Sekunden. Insbesondere die Reaktionszeit ist für den Schutz empfindlicher Bauelemente wichtig.

Die Reaktionszeit wurde mit einem Widerstand von 0,1Ω am Ausgang, der über einen MOSFET IRFB4310Z geschaltet wird, gemessen.

Der maximale Strom ist konstruktiv beschränkt:

I^ < ( Is * Uv ) / 20mV

Insbesondere bei 25mA gilt I^ = U_v / 1Ω:

Uv	I^
3V	3A
5V	5A
12V	13A
18V	18A

• Dieses sind theoretische Werte, die im praktischen Betrieb niemals erreicht werden, wie die Messungen belegen.

Temperatur

Solange die Sicherung nicht auslöst, erwärmt sie sich nicht.

Erst bei Auslösung erhitzt sich der MOSFET Q3 und damit der Kühlkörper.

Die maximalen Temperaturen treten beim Kurzschluss des Ausgangs auf. Sie liegen in einem Bereich, der bei Berührung des Kühlkörpers zu keinen Verbrennungen führt.

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.