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Elektronische Sicherung für Gleichstrom

Diese Schaltung beschreibt eine elektronische Sicherung für unterschiedliche Ansprechgeschwindigkeiten und Spannungen. Sie ist selbstheilend, wenn ein bestimmter Laststrom unterschritten wird. Der Spannungsabfall ist sehr gering.

Im Ruhezustand ist T1 durchgesteuert und T2 hochohmig. R4 sorgt für eine ausreichend hohe VGS und damit für einen geringen Widerstand zwischen Drain und Source von T1. Wird VDS von etwa 0,1V überschritten "brennt" die Sicherung durch. VBE T2 wird von der Spannung über D1 plus VDS bestimmt. D1 wird über R3 vorgespannt. Steigt jetzt der Spannungsabfall durch den steigenden Strom über die Drain-Source-Strecke wird bei etwa VDS= 0,1V der T2 leitend seine VCE fällt. VCE ist gleich VGS und der Widerstand der Drain-Source-Strecke wird hochohmiger und der T2 wird durch die steigende VDS noch stärker durchgesteuert. Es ergibt sich ein stabiles Kippverhalten der Schaltung und der Verbraucherstrom wird vollständig und schlagartig unterbrochen. Die Ansprechgeschwindigkeit ohne zusätzlichen R3 ist schneller als bei einer Schmelzsicherung, weil die Ladungsenergie der Gate-Source-Kapazität schnell durch T2 entladen wird. Aus diesem Grund kann diese elektronische Sicherung auch elektronische Schaltungen, wie z.B. NF-Endstufen oder Netzteile schützen. Je nach Transistoren schaltet sie im Mikro-Sekundenbereich. R3 bildet einen Tiefpaß mit der Source-Gate-Kapazität und macht die Sicherung träge. Das Abschalten wird verzögert und die Anstiegsgeschwindigkeit der Drainspannung VDS wird geringer.

Der Ansprechstrom, bei dem die Sicherung abschaltet, läßt sich durch die Auswahl des Wertes Rds(on) von T1 auswählen. Ein Sourcewiderstand erhöht ebenfalls die Empfindlichkeit. Eine Drahtverbindung zwischen Source T1 und Emitter T2 kann, mit seiner Länge und Querschnitt als Widerstand und Abgleich dienen. So läßt sich eine Sicherung für hohe Ströme ohne nennenswerte Spannungsverluste herstellen, denn die Zuleitung von z.B. 20cm Länge wird als Meßwiderstand genutzt und über den T1 fällt weiterhin nur eine geringe Spannung ab.

Diese Sicherung ist nach unterbrechen des Laststromes "selbstheilend", das bedeutet, sie stellt sich selber wieder auf Druchgang, wenn kein Strom durch die Drain-Source-Strecke von T2 fließt. Also keine Last mehr anliegt. Die Basis-Emitter-Spannung VBE von T2 wird unterschritten und VGS steigt wieder an und der Mosfet wird wieder niederohmig. Es stellt sich wieder ein stabiler Zustand ein. Der Widerstand R1 parallel zu Drain-Source sorgt für eine kleine VDS, wenn der Verbraucher abgeschaltet wurde. Zum wieder einschalten der Sicherung müssen wieder 0,1V unterschritten werden. Der Haltestrom und Kurzschlußstrom der Sicherung wird durch R1 bestimmt. Der maximale Wert von R1 berechnet sich aus der Betriebspannung und R2. Dieser Spannungsteiler muß sicher 0,1V an DS unterschreiten, wenn kein Verbraucher angeschlossen ist. Man könnte auch einen Taster parallel zu R1 löten und so die Sicherung überbrücken und wieder aktivieren.

T1 muß für die maximale Spannung und maximalen Strom ausgelegt sein. Für hohe Ströme sollte T1 gekühlt werden, denn z.B.sind 0,1V x 100A = 10W Wärme. Ist die Sicherung mit R3 träge gebaut worden, dann muß das langsamere Abschalten für die Wärmeentwicklung berücksichtigt werden. Es ist für hohe Ströme auf gute Lötstellen und ausreichenden Drahtquerschnitt zu achten. Für sehr hohe Ströme kann T1 problemlos aus mehreren gleichen FET`s bestehen. Es sind die maximalen Spannungen VGS und VDS für T1 zu beachten. Wird die Sicherung für hohe Spannungen gebaut, dann muß die VGS mit R5 entsprechender Größe begrenzt werden. Man kann auch gleich aus dieser Forderung die Spannung VGS T1= VCE T2 mit einer Zenerdiode begrenzen und die benutzbare Betriebsspannung kann nun sehr variabel sein.

Ideen, Tipps und Weiterentwicklungen bitte an Uli Else - DL5BTE - uelse@web.de

c. by Uli Else