Elektronische Sicherung für Gleichstrom
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Es wird eine elektronische Sicherung für unterschiedliche
Ansprechgeschwindigkeiten und Spannungen beschrieben.
Sie ist selbstheilend, wenn ein bestimmter Laststrom unterschritten wird.
Der Spannungsabfall ist sehr gering.


pdf Datenblatt IXFX180N10
 
Im  Ruhezustand ist T1 durchgesteuert und T2 hochohmig.
R4 sorgt für eine ausreichend hohe Ugs und damit für einen
geringen Widerstand zwischen Drain und Source von T1.  
Wird  Uds von etwa 0,1V überschritten "brennt" die Sicherung durch.
Ube T2 wird von der Spannung über D1 plus Uds bestimmt.
D1 wird über R3 vorgespannt.
Steigt jetzt der Spannungsabfall durch den steigenden Strom über die
Drain-Source-Strecke wird bei etwa Uds= 0,1V der T2 leitend seine Uce fällt.
Uce ist gleich Ugs und der Widerstand der Drain-Source-Strecke wird
hochohmiger und der T2 wird durch die steigende Uds noch stärker durchgesteuert.
Es ergibt sich ein stabiles Kippverhalten der Schaltung und der Verbraucherstrom wird
schlagartig unterbrochen und es fließt nur noch ein Grundstrom, welcher von R1 und Ub
bestimmt wird.
 
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 Uds wird geringer.  Eine träge Sicherung kann z.B. vorteilhaft für eine
Motorsteuerung sein um eine Zerstörung wegen Motorstillstand bei Maximalstrom zu verhindern.
Ein hoher Anlaufstrom und eine kurzzeitige sehr hohe Belastung ist damit realisierbar
ohne den Motor zu gefährden.

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 Durchgang, wenn kein Strom durch  die Drain-Source-Strecke
von T2 fließt. Also keine Last mehr anliegt.  Die Basis-Emitter-Spannung Ube  von T2 wird
unterschritten und Ugs 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 Uds, wenn
der Verbraucher abgeschaltet wurde.
Zum wieder einschalten der Sicherung müssen wieder 0,1V unterschritten werden.
Der Haltestrom, Rückstellstrom und Kurzschlußstrom der Sicherung wird durch  R1 bestimmt.  
Der maximale Wert  von  R1 ist abhängig von der Betriebspannung, R2 und den Transistordaten.
Dieser komplexe Spannungsteiler muß sicher 0,1V für Uds unterschreiten,
wenn kein Verbraucher angeschlossen ist. 
Man könnte einen Taster in Reihe  zu R1 löten um die Sicherung manuell zu aktivieren.

T1 muß für die vorhandene 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.  
Dadurch wird die Sicherung langsamer, weil die Kapazität zwischen Gate und Source steigt.
Es sind zusätzlich die maximalen Spannungen Ugs für T1 und Uce für T2 zu beachten.
Wird die Sicherung für hohe Spannungen gebaut, dann muß die Ugs mit R5 oder einer
Zenerdiode entsprechender Größe begrenzt werden.
Die benutzbare Betriebsspannung kann nun sehr variabel sein.

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