Sicherungen schützen Leitungen (Kabel) vor Überlastung , oder auch Menschen vor einer zu hohen Spannung.
Außerdem schützen Sicherungen Bauteile vor Überlastung und können somit auch Brände verhindern.
Es gibt Sicherungen die den Stromfluss unterbrechen, oder auch Sicherungen die nur ein anwachsen des Stromes verhindern.
Eines haben aber alle herkömmlichen mechanisch auslösbare Sicherungen gemeinsam, sie reagieren zu langsam um einen
wirksamen Schutz für elektronische Bauelemente insbesondere Halbleiter her zu stellen.
Sicherungen die schneller reagieren als mechanische Sicherungen müssen dem zu Folge aus reinen elektronischen
(Halbleiter) Komponenten bestehen.
Dabei tun sich aber einige Probleme auf.
Erstens reagieren Halbleiter Sicherungen so schnell das sie auch auslösen wenn sehr kurze hohen Einschaltströme zu verzeichnen sind.
Und die treten bei fast allen Komponenten mal mehr und mal weniger auf.
Nimmt man Beispielsweise eine Glühlampe, stellt man fest das bei ihr der Einschaltstrom um das ca. 10 fache größer ist als im Normal Betrieb.
Bei zu großen Strömen sind auch Halbleiter Sicherungen mitunter nicht schnell genug um der im Kurzschluss Fall enorm
hohen auftretende Verlustwärme zu begegnen.
Deshalb können Halbleiter Sicherungen auch sehr schnell zerstört werden.
Sicherungen sind quasi eine Soll Bruchstelle und lösen hoffentlich aus bevor andere Bauteile größeren Schaden nehmen.
Meistens aber lösen Sicherungen aus nach dem andere Schäden schon die Vorarbeit geleistet haben.
Dann aber ist es schwierig den eigentlichen Schaden messtechnisch fest zu stellen weil dazu erst einmal eine neue Sicherung eingesetzt werden muss
um die Schaltung wieder unter Spannung zu setzen.
Aber je nach schon entstanden Schaden , kann es durchaus sein das die neu eingesetzte Sicherung gleich wieder ihren Geist auf gibt.
Um in dieser Situation dennoch die Oberhand zu behalten kann man einfach eine Glühlampe als Pseudo Sicherung einsetzen.
Dazu sieht man sich am besten die Aufschrift auf der alten defekten Sicherung an die beispielsweise die Aufschrift 230 Volt und 0,5 Ampere trägt.
Zu diesen Daten berechnet man sich die Leistung in Watt ( Watt = Spannung mal Strom) und kommt damit auf 150 Watt.
Also setzt man als Pseudo Sicherung eine Glühlampe von ca. 230 Volt und 150 Watt ein.
Zum einen kann man den Überstrom erfassen indem man einen sogenannten Shunt in die zu überwachende Leitung einsetzt.
Ein Shunt ist ein Widerstand mit in der Regel sehr kleinen Widerstandswert den man nur zu Messzwecke einsetzt.
Die über den Widerstand abfallende Spannung ist ein Maß für den durchfließenden Strom.
Der Nachteil besteht darin dass am Shunt eine Spannung abfällt die natürlich an der eigentlichen Last , hier als Glühlampe angedeutet fehlt.
Außerdem fällt natürlich am Shunt eine ungewollte Leistung in Form von Wärme ab.
Damit möglichst wenig Leistung verloren geht sollte der Shunt so klein wie möglich sein,
was aber den Nachteil hat das dann auch die Messspannung kleiner ist und das ist in der Regel nicht gewollt.
Also gilt es den Shunt so klein wie möglich und so groß wie nötig zu machen.
Mit einen Shunt ist es dann möglich eine Gleich sowie eine Wechselspannung zu messen und daraus den resultierenden Strom zu errechnen.
Der große Vorteil dieser Art der Messung liegt an der Einfachheit, es bedarf nur einen Widerstand um Wechsel sowie Gleichstrom zu erfassen.
In der Spule wird dann eine Spannung induziert die als Messwert dient.
Das Problem liegt hierbei wohl darin das immer der stromführende Leiter durch eine Spule gefädelt werden muss.
Es gibt aber auch Spulen die aufklappbar sind um dann den Leiter komfortabel durch zu führen.
Der Vorteil liegt darin das man auch sehr hohe Ströme damit messen kann, weil dann einfach die Windungszahl der Spule angepasst werden kann.
Der Nachteil ist die eigentliche Impedanz der Spule die sich je nach Frequenz der Spannung ändert und so das Messergebnis verfälscht.
Deshalb verwendet man diese Art der Stromvermessung in der Regel nur bei einer festgelegten Frequenz.
Eine solche Spule ist natürlich nicht für Gleichstrom zu verwenden.
Der zu überwachende Stromleiter wird also durch diese Spule geführt ,dabei wird in der Spule eine Wechselspannung
induziert welche in einen gewissen Verhältnis zum messenden Strom in Relation steht.
Da es sich um bei der Spule abgegeben Spannungen um sehr kleine Spannungen handelt , muss diese Spannung erst einmal verstärkt werden um sie weiter zu verarbeiten.
Die gemessenen Spannung bei einem fließenden Strom von 50 mA beträgt bei der hier angezeigten Spule bei ca. 200 mV eff.
Als erstes müssen dann einmal diese 200 mV verstärkt werden und zwar so hoch das ich mit dieser verstärkten Spannung zum Beispiel einen Triac ansteuern kann.
Zum schalten eines Triac werden bis zu 5 Volt benötigt.
zur Verfügung steht.
Die Verstärkung liegt bei mindestens 10 fach.
Zusätzlich kann die Verstärkung durch den Operationsverstärker mit Hilfe eines Spindel Trimmers P1
variabel eingestellt werden.
Somit lässt sich der Strom welcher den Stromkreis später unterbrechen soll kontinuirlich in der Höhe einstellen .
Benötigt man also jetzt noch einen Strom Unterbrecher.
Dazu könnte man ein Relais benutzen was wohl relativ einfach machbar ist.
Ein mechanisches Relais ist aber relativ langsam und schaltet evtl. viel zu spät ab.
Also muss über einen geeigneten Unterbrecher der noch zu finden ist nachgedacht werden.
Das Gelbe Signal ist das Eingangs Signal (M1) am Verstärker und das Lila Signal
stellt den Ausgang (M2) dar.
Es ist zu sehen das die von der Spule aufgenommene Wechselspannung nur
im positiven Bereich verstärkt wird.
Außerdem wurde das Signal am Ausgang gemessen als noch kein Kondensator eingebaut war.
Um die Spannung aber auf einen Mittelwert zu bringen wurde noch ein Kondensator angebracht .
Ausgang bewirkt eine an M2 aus gegebene Gleichspannung.
Das geschieht bei etwa 550 mA, ab dann steigt der Strom nicht mehr weiter an.
In der Ausgangslage fließt durch R1 und R2 ein Strom in die Basis von Q1 und schaltet den Transistor damit durch .
Der nun fließende Strom fließt auch durch R3 und lässt an diesem Widerstand ein Spannung abfallen.
Wenn diese Spannung die Höhe von etwa 0,65 Volt erreicht schaltet der zweite Transistor Q2 durch und legt die Basis von Q1
damit auf annähernd Masse Potenzial was den Transistor Q1 zu regelt.
Bei Q1 sollte es sich um einen Leistungstransistor handeln , weil er den gesamten Strom verkraften muss.
Bei dieser Schaltung wurde für Q1 ein BD 139 verwendet.
Der zweite Transistor Q2 ist ein üblicher Standard klein Signal Transistor vom Typ BC 547.
Beim ersten Versuch diese Sicherung zu testen ist Q1 gleich ins Nirwana gegangen, somit auch Q2 gleich mit.
Also Q1 erneuert aber gleich gegen einen 2 N 3055 ausgetauscht ein sehr robuster Transistor außerdem Q2 erneuert.
Bei einen Belastungsstrom von ca 650 mA regelt die Sicherung auch und hält den Strom konstant , aber Q1 wird sehr heiß.
Offensichtlich ist es keine gute Idee den Strom konstant zu halten.
Denn am 3055 fällt dann fast die ganze Spannung von ca. 29 Volt ab bei einen Strom von 0,650 Ampere.
Das macht dann fast 20 Watt die in Wärme umgesetzt wird.
Das funktioniert mit der nachfolgenden Variante.
Bei zu hohem Strom schaltet der Q3 durch und gibt ein Signal auf die Steuerelektrode des Triac,
dieser wird durchgeschaltet und legt die Basis von Q1 auf Masse und sperrt diesen.
Nun fließt ein Strom durch R1 dann durch den Triac und lässt die Leuchtdiode aufleuchten.
Solange der Strom der Leuchtdiode durch den Triac fließt bleibt dieser niederohmig und schaltet die Sicherung ab.
Zurück gestellt wird die Sicherung dann durch ein Reset am Taster S1.
Aber auch bei dieser Schaltung wurde der Transistor Q1 ziemlich heiß , außerdem floss nach dem die Sicherung ausgelöst hatte immer noch
ein Strom von ca. 220 mA durch die Last.
Also wurde der Transistor Q1 durch einen N-MOS Transistor von Typ IRF 510 ausgetauscht.
Der wurde so gut wie gar nicht warm lies auch einen Reststrom von nur 20 mA fließen wenn die Sicherung ausgelöst hatte.
Nun funktionierte die Schaltung bis auf die Tatsache das die Betriebsspannung mindestens 19 Volt sein musste.
Das lag nun daran das der Triac , wenn er erst mal ausgelöst hat und sich in den leitenden Zustand befand er einen Mindestrom fließen lassen muss
um in diesen Zustand auch zu verweilen.
Durch verringern des Widerstand R1 von 1 Kilo auf 500 Ohm funktioniert die Schaltung auch im Bereich 12 bis 30 Volt.
Es muss sichergestellt sein das durch den Triac ca. 10 mA fließt um ihn in den leitenden Zustand zu halten wenn er ausgelöst hat.
Blindwiderstand den maximal Strom begrenzt.
Das ist zwar keine Sicherung die abschaltet, aber eine die zumindest den maximalen Strom begrenzt und so als Leitungsschutz dient.
Angenommen ich habe eine Spannung von 230 Volt und möchte den Strom auf 1 Ampere begrenzen.
Es genügt dann einen Blindwiderstand in Form eines Kondensator ein zu schleifen.
Je nach gewünschten maximalen Strom berechnet sie die Kapazität folgender maßen.
Natürlich müssen die Kondensatoren für Wechselstrom vorgesehen sein, also keine gepolten Elektrolyt Kondensatoren,
außerdem müssen sie für die erforderlichen Spannung bemessen sein.
Dabei ist nicht die effektive Wechselspannung gemeint sondern die maximal auftretende Spitzen Spannung also
230 mal 1,4 , also mindestens für 325 Volt.
| gewünschter maximal Strom / Ampere |
erforderliche Kapazität/ uF |
| 0,2 |
2,8 |
| 0,5 |
6,9 |
| 0,67 |
9 |
| 1 |
13,8 |
| 2 |
27,7 |
| 5 |
69 |
und umso höher der Strom.
Wenn man nicht die nötige Kapazität zur Hand hat kann man die Kondensatoren natürlich auch parallel oder auch in Reihe schalten.
Bei parallel Schaltung addieren sich die Kapazitäten natürlich.
Im folgenden Beispiel wurden 9 mal 1 uF parallel geschaltet und eine 40 Watt Halogen Lampe angeschlossen.
Bei einem Kurzschluss direkt an der Glühlampe fließt dann ein maximaler Strom von 657 mA.
Im normal Fall fließt ein Strom über R1 und schaltet den Transistor T1 durch.
T1 schaltet wiederum T2 durch, und der wiederum T3.
Damit fließt Strom durch T3 und die Lampe leuchtet.
Durch den nun fließenden Strom fällt über die Kollektor -Emitter Strecke des T3
ein Spannung ab die in ihrer Höhe abhängig von der Stromstärke ist.
Parallel dazu liegt der gleiche Spannungsabfall am Widerstand R4 und P1 an.
Ein Teil der abfallenden Spannung schaltet nun den Tyristor durch , der wiederum die
Strecke zwischen der Basis von T1 und Emitter von T3 brückt.
Dadurch wird T3 gesperrt.
Der Thyristor bleibt aber weiter durchgeschaltet.
Um die Sicherung wieder Rück zu setzen muss der Stromfluss einmal kurz unterbrochen
werden.
Bei einer angeschlossenen Glühlampe von 12 Volt und 5 Watt fließt ein realer Strom von 0,43 Ampere.
Ist der Glühfaden allerdings kalt so liegt der Einschaltstrom bei ca. das 10 fache und die Sicherung löst sofort aus,
bzw lässt sich erst gar nicht einschalten.
Abhilfe schafft hier ein zusätzlicher Taster den man beim Starten kurz gedrückt hält so lange bis die Lampe vollends leuchtet.
Gleichzeitig wird dieser Taster auch benutzt um bei ausgelöster Sicherung diese wieder zurück zu stellen.
Hier wird also nicht abgeschaltet sondern nur ein Überstrom verhindert.
Der Widerstand R1 ist für die Erfassung des Stromes zuständig.
Wenn ein zu hoher Strom durch den Widerstand R1 fließt fällt an diesem ein Spannung ab welche dafür sorgt das der erste Transistor
durch gesteuert wird und den Gate Anschluss des zweiten Transistor auf Plus legt der zuvor über R3 auf Masse lag und damit durchgeschaltet war.
Liegt der also jetzt auf Plus , wird der zweite Transistor zugeregelt und verhindert eine weiteres ansteigen des Strom.
Berechnen wir zuerst den Widerstand R1 so stellen wir fest das die daran abfallende Spannung sich aufteilt aus der abfallenden Spannung des Widerstand R2
und der Basis Emitter Strecke des ersten Transistor.
Schauen wir ins Datenblatt erkennt man das der Transistor durchsteuert bei einer Basis -Emitter Spannung ( VBE) von ca.0,55 bis 0,7 Volt
Nehmen wir einfach mal den Durchnitt der beiden Spannungen so macht das eine Spannung von 0,625 Volt die an der Basis Emitter Strecke
des ersten Transistor abfallen.
Der nächste Wert ist auch dem Datenblatt zu entnehmen , und zwar der höchst zulässige Kollektorstrom ( IC)
Zu finden ist der auf den ersten Auszug des Datenblatt und ist angegeben mit minimal 110.
Das bedeutet das in der Basis den Hundert zehnte Teil des Stroms der im Kollektor fließt sein darf.
Also 100mA geteilt durch 110 ist gleich 0,9 mA.
Bei einer Betriebsspannung der Schaltung von 30 Volt, kann auch an diesen Widerstand nur eine maximalen Spannung von 30 Volt auftreten nehmen wir
dann noch den Basisstrom , kann ich den Widerstand berechnen mit
R= U/I und komm auf einen Widerstand von 33 Kilo Ohm.
Schauen wir uns den Transistor im Datenblatt an und suchen heraus wie hoch der an der Basist auftretende Strom sein darf.
Um den Strom ztu bestimmen sehen wir an das der Kollektorstrom maximal 100 mA groß sein darf
Dann sehen wir uns der Verstärkungsfaktor an.
Der wird im Datenbaltt mit der Bezeichnung hFE angegeben und beträgt minimum 110 fach.
Aktualisiert
09.06.2024