Elektronische Sicherung und Strombegrenzung

Eine Schmelzsicherung schützt die Leitung vor dem Brand, aber selten die Elektronik: Bis eine 1-A-Sicherung bei 3 A durchbrennt, vergehen Sekunden, und danach muss jemand sie tauschen. Wenn ein Ausgang deines Geräts nach außen geht – eine Versorgung für Sensoren, eine 12-V-Buchse, ein Steckplatz für Erweiterungskarten –, wird früher oder später jemand dort einen Kurzschluss machen. Eine elektronische Strombegrenzung reagiert in Mikrosekunden, hält den Strom auf einem festen Wert und gibt den Ausgang wieder frei, sobald der Fehler weg ist.

Das Prinzip ist alt und bewährt: Ein kleiner Widerstand, der Shunt, misst den Strom. Erreicht die Spannung daran etwa 0,6 V, schaltet ein Transistor ein und nimmt dem Leistungstransistor so viel Ansteuerung weg, dass der Strom nicht weiter steigen kann. Hier dimensionieren wir die Schaltung für einen 12-V-Ausgang mit knapp 1 A.

Schaltplan

• R1, 0,68 Ω (Shunt): wandelt den Laststrom in eine Spannung. Bei 0,93 A liegen daran 0,63 V. Bauform mit 1 W.
• T2, BC557: PNP-Kleinsignaltransistor. Sein Emitter liegt vor, seine Basis hinter dem Shunt; er sieht also genau die Shuntspannung als Basis-Emitter-Spannung.
• R2, 1 kΩ: begrenzt den Basisstrom von T2 bei schnellen Stromspitzen.
• T1, IRF4905: P-Kanal-MOSFET, Source am Shunt, Drain zum Ausgang. Normalerweise voll durchgeschaltet, im Fehlerfall arbeitet er als steuerbarer Widerstand.
• R3, 10 kΩ: zieht das Gate nach Masse und schaltet T1 damit ein. Gegen diesen Widerstand arbeitet T2.
• C1, 100 nF: am Ausgang, dämpft Schwingneigung bei langen Leitungen.

So funktioniert die Schaltung

Normalbetrieb. Bei 0,5 A liegen an R1 nur 0,34 V. T2 sperrt, das Gate von T1 liegt über R3 auf Masse, die Gate-Source-Spannung beträgt rund 11,7 V. T1 ist voll an. Am Ausgang fehlen nur die 0,34 V am Shunt und ein paar Millivolt an T1.

Überstrom. Steigt der Strom auf etwa 0,93 A, erreicht die Shuntspannung 0,63 V. T2 beginnt zu leiten und schiebt Strom ins Gate von T1, gegen R3. Das Gate steigt, die Gate-Source-Spannung sinkt, T1 wird hochohmiger. Es stellt sich ein Gleichgewicht ein: Mehr Strom würde T2 weiter aufsteuern und T1 weiter zudrehen. Der Strom bleibt bei 0,93 A, egal wie klein der Lastwiderstand wird.

Kurzschluss. Bei 0 Ω am Ausgang liegen fast die vollen 12 V an T1, bei 0,93 A. Er setzt jetzt über 10 W in Wärme um. Die Strombegrenzung schützt Netzteil, Leitung und Last – T1 selbst muss diese Leistung aber aushalten.

Dimensionierung

1. Shunt. Der Grenzstrom ergibt sich aus der Spannung, bei der T2 merklich leitet. Für den BC557 bei einigen hundert Mikroampere Kollektorstrom sind das etwa 0,63 V:

Mit 0,68 Ω aus der E12-Reihe liegt die Grenze bei 0,93 A. Die Verlustleistung im Shunt beim Grenzstrom: (0,93 A)² · 0,68 Ω ≈ 0,59 W – also ein 1-W-Widerstand.

2. R3 und T2. Damit T2 das Gate wirksam anheben kann, muss er mehr Strom liefern, als R3 bei der Plateauspannung zieht: (12 V − 0,6 V − 4 V) / 10 kΩ ≈ 0,74 mA. Das schafft ein BC557 mühelos. Mit R3 = 10 kΩ wird die Gate-Source-Spannung im Normalbetrieb 11,7 V – sicher unter den erlaubten 20 V. Bei Eingangsspannungen über 18 V gehört eine Z-Diode 15 V zwischen Gate und Source, wie beim Verpolungsschutz mit MOSFET.

3. Verlust im Kurzschluss. T1 muss die volle Spannung bei Grenzstrom aushalten:

Das ist dieselbe Rechnung wie bei einem Linearregler. Mit einem Kühlkörper von 5 K/W, 0,75 K/W vom Chip zum Gehäuse und 0,5 K/W für die Wärmeleitfolie wird der Chip bei 40 °C Umgebung 40 °C + 10,5 W · 6,25 K/W ≈ 106 °C heiß – zulässig sind 175 °C. Ohne Kühlkörper wären es über 600 K Erwärmung; T1 stirbt in Sekunden.

4. Temperaturdrift. Die Basis-Emitter-Spannung von T2 sinkt um etwa 2 mV pro Kelvin. Wird T2 70 °C warm, etwa weil er neben dem Kühlkörper sitzt, sinkt der Grenzstrom auf 0,80 A. Halte T2 deshalb von T1 fern – oder nutze den Effekt bewusst: Thermisch gekoppelt senkt T2 den Strom, wenn T1 heiß wird.

Bauteilliste

Varianten

Abschalten statt begrenzen (eFuse). Eine echte elektronische Sicherung begrenzt nur kurz und schaltet dann ab, damit T1 nicht dauerhaft heizt. Dafür braucht es eine Zeitstufe und eine Selbsthaltung, die der Fehler setzt und ein Taster oder das Aus- und Einschalten zurücksetzt. Diskret wird das schnell aufwendig. Fertige eFuse-Bausteine wie der TPS2595 (bis 18 V, 4 A) erledigen Strombegrenzung, Abschaltung, Übertemperatur und Einschaltstrombegrenzung in einem kleinen Gehäuse; der Grenzstrom wird mit einem Widerstand eingestellt.

Foldback. Bei der Rückregelung sinkt der Strom im Kurzschluss unter den Grenzstrom, etwa auf 30 %. Dazu bekommt T2 über einen Spannungsteiler vom Ausgang eine Vorspannung, die bei hoher Ausgangsspannung mehr Strom erlaubt. Die Wärme in T1 sinkt im Kurzschluss auf ein Drittel – dafür kann eine Last mit großem Anlaufstrom hängen bleiben.

NPN-Variante im Linearregler. Dieselbe Idee steckt in fast jedem Linearregler: Ein Transistor misst die Spannung an einem Shunt und nimmt dem Längstransistor den Basisstrom weg. Das zeigt der Transistor-Längsregler; der LM317 hat sie eingebaut.

Rückstellende Sicherung. Für einfache Fälle genügt eine rückstellende Sicherung (PTC). Sie ist billig und braucht keine Elektronik, reagiert aber in Sekunden statt Mikrosekunden und lässt im Fehlerfall einen Reststrom durch.

Strom messen statt nur begrenzen. Wer den Strom auch kennen will, greift zu einem Messverstärker am Shunt: High-Side-Strommessung.

Typische Fehler

• T1 ohne Kühlkörper: Im Normalbetrieb bleibt er kalt, im ersten Kurzschluss stirbt er. Die Kurzschlussleistung ist der Auslegungsfall, nicht der Normalbetrieb.
• Shunt zu schwach: 0,59 W in einem 0,25-W-Widerstand verfärben die Platine. Für den Shunt mindestens die doppelte Leistung vorsehen.
• Schwingen im Begrenzungsfall: Lange Ausgangsleitungen und große Gate-Kapazität bilden mit der Regelschleife einen Schwingkreis. Mit dem Oszilloskop am Ausgang bei Kurzschluss prüfen; 1 bis 10 nF zwischen Basis und Emitter von T2 oder C1 am Ausgang beruhigen die Schleife.
• Grenzstrom zu niedrig: T2 sitzt warm, oder der Spannungsfall an den Leitungen zum Shunt verfälscht die Messung. Die Basis- und Emitterleitung direkt an den Pads des Shunts abgreifen (Vierleiteranschluss).
• Ausgang bricht schon im Normalbetrieb ein: Der Shunt ist zu groß, oder die Last zieht Spitzenströme über dem Grenzwert – etwa ein Motor beim Anlauf. Grenzstrom an die Spitzen anpassen.

Selbsttest