Elektronische Sicherung/Relais ESI 200
Aus ELVjournal
06/2005
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Technische Daten
Spannungsbereich | 6–24 VDC |
Stromaufnahme (ohne Last) | 8 mA |
Auslösestrom | 0–3,5 A (einstellbar) |
Relaisfunktion | Steuereingang (3–24 V) |
Rds(on) | 20 mΩ |
Abmessungen (Platine) | 36 x 65 mm |
Diese
Schaltung kann gleich zwei Funktionen erfüllen: Sie ist sowohl als
einstellbare elektronische Sicherung für den Bereich bis 3,5 A als auch
als elektronisches Relais einsetzbar. In der Funktion als elektronische
Sicherung können DC-Verbraucher bzw. Spannungsquellen im
Niedervoltbereich (bis 24 V) vor Überlastung geschützt werden. Als
zusätzliche Option ist über einen Steuereingang (Logikpegel) der Einsatz
der Schaltung als elektronisches Relais realisierbar. Durch den Einsatz
eines sehr niederohmigen High-Side-MOSFET-Schalters entsteht praktisch
keine Verlustleistung.Sichern und schalten
Eine
elektronische Sicherung ist, ob im Labor, im Service oder in einem
elektronischen Gerät eingesetzt, eine sehr sinnvolle Einrichtung. Sie
schützt Spannungsversorgung und angeschlossene elektronische Schaltung
gleichermaßen – die eine vor schädlicher Überlastung durch zu hohen
Laststrom, die andere vor Zerstörung infolge einer Fehlfunktion.
Insbesondere beim Aufbau und Test eigener Schaltungen ist, sofern das
eingesetzte Stromversorgungsgerät nicht über eine einstellbare
Stromabschaltung verfügt, solch eine Sicherungsschaltung sehr nützlich.
Sie spart in dieser Phase viele, inzwischen ganz und gar nicht mehr
billige Schmelzsicherungen und ist, aufgrund der fein einstellbaren
Abschaltschwelle, genau an die Bedürfnisse der Last anpassbar. Aber auch
als Ergänzung eines noch nicht mit einer solchen Einrichtung
ausgestatteten Netzgerätes tut eine solche Sicherung gute Dienste.
Während früher „dicke“ Leistungstransistoren, später effizientere
MOSFETs als Schaltelement eingesetzt wurden, verfügen wir heute über
moderne Schaltbauelemente, die die Verluste durch das Schaltelement
erheblich verringern. Bei der hier vorgestellten Schaltung kommt ein
moderner integrierter High- Side-Schalter mit einem Rds(on) von nur 20
mΩ zum Einsatz, so fällt selbst bei voller Belastung mit den hier
konzipierten 3,5 A bei max. 24 VDC keine nennenswerte Verlustleistung
an. Die Abschaltschwelle ist stufenlos einstellbar, das Zurücksetzen
erfolgt bequem über einen externen Schalter, etwa einen Reset-Taster
oder einen Prozessor-Schaltausgang. Durch eine einfache
Schaltungserweiterung ist der Halbleiter-Schalter von außen steuerbar.
Damit ist, zusätzlich zur Sicherungsfunktion, die Schaltung auch als
elektronisches Relais nutzbar. Ein Verbraucher kann mittels einer
Steuerspannung oder eines externen Schalters verschleißfrei einbzw.
ausgeschaltet werden und wird zudem noch durch die Sicherungsfunktion
geschützt.Funktion, Inbetriebnahme und Bedienung
Alle
wichtigen Funktionsbausteine und Bedienelemente der elektronischen
Sicherung sind in Abbildung 1 dargestellt. Die Komponenten im
gestrichelten Feld sind optional, d. h. sind nicht für die
grundsätzliche Funktion erforderlich. Ohne diese externe Beschaltung
muss der Jumper JP 1 geschlossen sein. Hierzu werden die Kontakte von JP
1 durch Auflöten von etwas Lötzinn miteinander verbunden, also eine
gewollte Lötzinnbrücke wird hergestellt. Dies vermeidet unabsichtliches
Öffnen des Jumpers. Die Eingangsspannung der Schaltung kann im Bereich
von 6 V bis 24 V liegen. Die Einstellung des Ansprechstroms erfolgt
durch den Trimmer R 5. Dieser sollte zunächst auf Rechtsanschlag (Imax)
gestellt werden. Die genaue Einstellung auf den gewünschten Strom
erfolgt, indem man den für die jeweilige Aufgabe maximalen Strom fließen
lässt und den Trimmer langsam nach links dreht, bis die Spannung
abgeschaltet wird, d. h. die Sicherung anspricht. Ein Reset
(Zurücksetzen) kann auf drei verschiedene Arten erfolgen:
1. durch Betätigen des Tasters TA 1 oder Kurzschließen der Kontakte KL 2
2.durch kurzzeitiges Unterbrechen der Betriebsspannung UB
3.im Relaisbetrieb: durch einen High- Low-Wechsel am Steuereingang KL 1
![Bild 1: Funktionsbausteine und Bedienelemente Bild 1: Funktionsbausteine und Bedienelemente](Elektronische%20Sicherung_Relais%20ESI%20200%20_%20ELVjournal-Dateien/journal_pic.jpg)
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Bild 1: Funktionsbausteine und Bedienelemente |
Möchte
man die Schaltung zusätzlich als elektronische Relais nutzen, ist
zunächst die Lötzinnbrücke von JP 1 zu entfernen. Eingeschaltet wird der
Verbraucher durch Anlegen einer Spannung (3 V bis 24 V) an die Kontakte
KL 1. Hierbei ist auf die richtige Polarität zu achten. Diese
Steuerspannung kann z. B. von einer Mikrocontrollerschaltung kommen,
oder man verbindet den Plus-Eingang von KL 1 über einen Schalter mit +UB
(KL 3), wie es in Abbildung 1 alternativ dargestellt ist. Hinweis:
Die Ansprechzeit der Schaltung entspricht etwa der einer flinken bis
mittelträgen Sicherung. Dies vermeidet zum einen das versehentliche
Abschalten aufgrund eines erhöhten, jedoch nur sehr kurz auftretenden
Einschaltstroms und zum anderen Schäden durch einen zu lange fließenden
Überstrom, wie es bei einer trägen Sicherung der Fall wäre. Das
Einsatzgebiet ist vorwiegend der Schutz von empfindlichen elektronischen
Komponenten. Bei Verbrauchern mit einem sehr hohen Einschaltstrom, wie
er z. B. bei Halogenlampen auftritt, kann es zu einer Fehlfunktion
(Abschalten im Einschaltmoment) kommen. Deshalb ist die Schaltung für
diese Art von Verbrauchern nicht geeignet.
Schaltung
Das
Schaltbild der elektronischen Sicherung ist in Abbildung 3 dargestellt.
Hauptbestandteil der Schaltung ist IC 4, ein High-Side-Schalter vom Typ
IR3312S in MOSFET-Technologie. Das „Innenleben“ ist im Blockschaltbild
(Abbildung 2) dargestellt.![Bild 2: Blockschaltbild IR3312S Bild 2: Blockschaltbild IR3312S](Elektronische%20Sicherung_Relais%20ESI%20200%20_%20ELVjournal-Dateien/journal_pic_002.jpg)
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Bild 2: Blockschaltbild IR3312S |
![Bild 3: Schaltbild der Elektronischen Sicherung Bild 3: Schaltbild der Elektronischen Sicherung](Elektronische%20Sicherung_Relais%20ESI%20200%20_%20ELVjournal-Dateien/journal_pic_003.jpg)
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Bild 3: Schaltbild der Elektronischen Sicherung |
Neben
einem Ein- und Ausgang (Pin 3, Pin 5) besitzt IC 4 einen Steuereingang
(Pin 1) zum Ein- und Ausschalten und einen Anschluss für einen externen
Widerstand (Pin 2). Bereits für sich allein genommen ist dieses IC schon
eine elektronische Sicherung, denn eine programmierbare Schutzschaltung
verhindert eine Überlastung von IC 4. Über die Größe des Widerstandes
(R 1) an Pin 2 (Ifb) wird der Abschaltstrom programmiert. Sehr praktisch
hierbei ist, dass die Spannung über R 1 proportional zum momentan
fließenden Laststrom ist. R 1 ist so dimensioniert, dass eine
automatische Abschaltung bei ca. 7 A erfolgt. Nebenbei bemerkt – IC 4
ist für Ströme von bis zu 30 A ausgelegt! Wir wollen aber schon bei
einem geringeren Laststrom und vor allem bei einer frei definierbaren
Schwelle den Strom abschalten. Hierzu messen wir die Spannung über dem
Widerstand R 1 und vergleichen diese mit einer durch den Trimmer R 5
einstellbaren Spannung. Das Vergleichen übernimmt der Komparator IC 1 A.
Ist der maximale Strom erreicht, also die Spannung über R 1 hat einen
bestimmten Wert überschritten, wechselt der Ausgang des Komparators von
Low- auf High-Pegel. Hierdurch wird das aus IC 3 A und IC 3 C
realisierte Flipflop gesetzt. Der Ausgang von IC 3 A wechselt auf
„high“. Im Normalfall liegt dieser Ausgang auf „low“. Das NOR-Gatter IC 3
B mit seinen drei Eingängen müssen wir als UND-Gatter betrachten, bei
dem die Eingänge negiert sind. Dies bedeutet, dass der Ausgang (Pin 6)
von IC 3 B nur dann High-Pegel führt, wenn alle drei Eingänge auf „low“
liegen. Im Normalfall führt der Ausgang (Pin 6) dann High-Pegel, und der
Transistor T 1 schaltet durch. Der Steuereingang (Pin 1) von IC 4 liegt
so auf Masse, wodurch der interne MOSFET von IC 4 durchschaltet. Im
Fehlerfall (Flipflop gesetzt) ist T 1 nichtleitend, infolgedessen ist
der Verbraucher an KL 4 (Last) abgeschaltet. Ein Reset (Zurücksetzen der
„Sicherung“) erfolgt durch kurzes Betätigen des Tasters TA 1, hierdurch
wird das Flipflop an Pin 2 von IC 3 A zurückgesetzt. Hat die interne
Schutzschaltung von IC 4 angesprochen, was in der Regel bei einem
Kurzschluss am Ausgang der Fall ist, wird durch den High-Pegel an Pin 4
von IC 3 B der Transistor T 1 nicht mehr angesteuert. Dieses wirkt sich
auf IC 4 in gleicher Weise aus wie das kurzzeitige Unterbrechen der
Betriebsspannung UB, das einen internen Reset von IC 4 auslöst. Kommen
wir nun zum Relais-Betrieb, bei dem der Verbraucher gezielt ein- bzw.
ausgeschaltet werden kann. Für diese Funktion muss der Jumper offen sein
(keine Lötzinnbrücke). Legt man eine Spannung im Bereich von 3 V bis 24
V an den relativ hochohmigen Steuereingang KL 1 an, so schaltet der
Transistor T 2 durch, woraufhin Low-Pegel an Pin 3 von IC 3 B anliegt,
und der Transistor T 1 durchschaltet. Tritt im Relais-Betrieb ein
Fehlerfall auf, erfolgt ein Reset durch kurzzeitiges Unterbrechen der
Steuerspannung. Für die Spannungsversorgung der Steuerelektronik wird
die Eingangsspannung mit IC 2 auf 5 V stabilisiert. Nachbau
Die
Platine wird bereits mit SMD-Bauteilen bestückt geliefert, so dass nur
noch die Schraubklemmen bestückt werden müssen und der mitunter mühsame
Umgang mit den kleinen SMD-Bauteilen somit entfällt. Hier ist lediglich
eine abschließende Kontrolle der bestückten Platine auf
Bestückungsfehler, eventuelle Lötzinnbrücken, vergessene Lötstellen usw.
notwendig. Nach dem Einsetzen und Verlöten der Schraubklemmen
(Kabelöffnungen nach außen) mit reichlich Lötzinn ist der Nachbau
bereits abgeschlossen. Soll die Schaltung in ein Gehäuse eingebaut
werden, steht hierfür ein passendes unbearbeitetes Gehäuse zur
Verfügung, bei dem dann noch entsprechende Bohrungen für Ein- und
Ausgangsleitungen einzubringen sind. Die Schraubklemmen dürfen in diesem
Fall nicht bestückt werden, da deren Einbauhöhe für das Gehäuse zu hoch
ist. Die Anschlussleitungen werden hier dann direkt in die
entsprechenden Bohrungen der Platine geführt und mit reichlich Lötzinn
verlötet. Damit ist das praktische Gerät einsatzbereit und kann nun
zwischen eine Spannungsversorgung (das kann auch ein Akku oder eine
Batterie sein) und das zu versorgende Gerät geschaltet werden.![Ansicht der fertig bestückten Platine der Elektronischen Sicherung mit zugehörigem Bestückungsplan Ansicht der fertig bestückten Platine der Elektronischen Sicherung mit zugehörigem Bestückungsplan](Elektronische%20Sicherung_Relais%20ESI%20200%20_%20ELVjournal-Dateien/journal_pic_005.jpg)
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Ansicht der fertig bestückten Platine der Elektronischen Sicherung mit zugehörigem Bestückungsplan |
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