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Elektrik und Elektronik: Sicherung

Ein Kurzschluss entsteht, wenn die zwei Pole einer Spannungs– und Stromquelle ohne einen nennenswerten Verbraucher miteinander verbunden werden (Beispiel: Sie lassen einen Schraubendreher mit der Klinge quer über die Gleise Ihrer Modellbahn liegen). Eine Überlastung liegt vor, wenn einer Stromquelle mehr Strom entzogen wird, als sie liefern kann, oder eine Schaltung mehr Strom aufnimmt, als sie vertragen kann. Beispiel: Sie wollen sechs Lokomotiven mit einem 1 A–Fahrpult und 40 Wagen die 4 %–Rampe der Modelleisenbahn hinauf jagen.

Nicht aufgefangene Kurzschlüsse und Überlastungen führen unweigerlich dazu, dass irgend etwas durchbrennt, da der Strom in Wärme umgewandelt wird. Ein verschmorter Transistor ist äußerlich nicht zu erkennen - die Fehlersuche wird schwierig. Daher sollten geeignete vorbeugende Maßnahmen ergriffen werden, damit solche Situationen gar nicht erst auftreten. Der zu sichernde Strom (Einheit Ampère, Kürzel A) ist der entscheidende Faktor bei der Bemessung von Sicherungen.

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Schmelzsicherungen

In Schmelzsicherungen, wie sie zum Beispiel auch aus der Kraftfahrzeug–Elektrik bekannt sind, befindet sich ein dünner Metall–Streifen oder Draht. Der hat auch einen gewissen Eigenwiderstand. Wird der Strom, der hindurch fließt, zu groß, wird die Wärme so groß, dass der Draht schmilzt - die Sicherung ist „durchgebrannt”.

Schmelzsicherungen gibt es auch als 5 × 20 oder 6 × 30 mm große Glasrohr–Feinsicherungen mit verschiedenen Stromwerten und Trägheits–Verhalten (flink, mittelträge, träge). Sie werden in Halter eingeclipst oder –geschraubt.

Solche Sicherungen sind nur dort sinnvoll, wo der Kurzschluss–Fall extrem selten ist. Das gilt zum Beispiel für die Primär– (Netz–)Seite von Transformatoren. Für Modellbahn–Zwecke, wo Kurzschlüsse wahrscheinlicher sind, eignen sie sich kaum: Schließlich müssten sie im Fall der Fälle stets ersetzt werden.

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Bimetall–Sicherungen

Bimetall–Sicherungen bestehen aus zwei miteinander verbundenen Metallstreifen, die sich bei Wärme unterschiedlich stark ausdehnen. Um diesen Streifen ist eine Wicklung Widerstandsdraht angebracht. Wird der Widerstand zu heiß, verbiegt sich der Bimetall–Streifen und unterbricht über einen Kontakt die Stromzufuhr. Solche Sicherungen sind in fast allen handelsüblichen Modellbahn–Transformatoren eingebaut.

Sie haben den (nur bedingten, wie sich gleich zeigen wird) Vorteil, dass sie sich selbsttätig wieder einschalten, sobald sich der Draht abgekühlt hat, den Vorteil, dass sie nicht ersetzt werden müssen, und den, dass sie in Grenzen einstellbar sind (durch verstellen der Kontakte). Sie haben aber einen gravierenden Nachteil, der sie in diesem Kontext nahezu unbrauchbar macht: Sie sind viel zu langsam. Elektronische Bauteile sind schon lange „hinüber”, bevor der Streifen auch nur die kleinste Bewegung ausgeführt hat.

Auch als Zusatz–Sicherung vor einer elektronischen Sicherung (für den Fall, dass diese versagt) sind sie nur bedingt zu empfehlen. Da dieser Fall eigentlich nicht auftreten sollte, ist eine minimal höher als der Sicherungsstrom der elektronischen Sicherung dimensionierte Schmelzsicherung besser - denn die ist wesentlich schneller.

Es gibt auch thermisch arbeitende Sicherungen mit einem Auslösekontakt. Bei Kurzschluss springt ein Knopf hervor, der erst nach Beseitigung der Fehlerursache wieder eingedrückt werden kann. Das ist schon ein wesentlicher Fortschritt, aber die Sicherungen sind nach wie vor zu träge.

Sinnvoll sind Bimetall–Schalter jedoch, wenn sie eine Betriebstemperatur überwachen sollen. Sobald zum Beispiel die Temperatur in einem Netzteil 75° C überschreitet, unterbrechen sie die Stromzufuhr und schalten sie erst bei 65° C wieder ein. Diese Schwelle wird „Hysterese” genannt.

 

Glühlampen

Wenn eine konstante Spannung nicht ganz so wichtig ist, kann eine Glühlampe eine nahezu ideale Sicherung sein. Sie wird einfach in die Plus–Zuleitung der zu sichernden Schaltung eingeschleift (siehe Bild).

Grundsätzlich wird der Strom gesichert, den die Glühlampe benötigt, wenn sie brennt. Bei einer Glühlampe mit 12 V Nennspannung und 21 W Leistung (KFZ–Blinker– oder –Bremsleuchten) ergeben sich (theoretisch!) 1,75 A Strom. Das wird jedoch nicht ganz stimmen, da eine Auto–Glühlampe mindestens bis 14 V spannungsfest sein sollte (dann bleiben noch 1,5 A).

Der Glühdraht einer Lampe hat einen „positiven Temperaturkoeffizienten”. Sein Widerstand ist sehr viel kleiner, wenn er kalt ist. In diesem Fall liegt er etwa bei 1,5 . Wenn die Lampe brennt, wird er sehr viel größer sein, etwa 6,9 . Der größte Strom, der nun fließen kann, sind also etwa 1,7 A (R = U ÷ I. I = U ÷ R).

Im kalten Zustand ergibt sich ein von Strom abhängiger Spannungsabfall zwischen Ein– und Ausgang der Glühlampe (A und B). Statt 12 V erhält die Schaltung bei einem Strom von 800 mA nur noch 12 V - (0,8A × 1,5 ) = 12 V - 1,2 V = 10,8 V. Bei 1,5 A kommen nur noch 9,75 V an.

Diese Sicherungsart ist beispielsweise geeignet, um die Stromquellen von Versorgungen für elektromagnetische Spulenantriebe zu sichern.

 

Elektronische Sicherung (1)

Aus dem oben Gesagten geht hervor, dass an eine ideale Sicherung drei Forderungen gestellt werden: Sie muss wiedereinschaltbar sein, sollte sich aber nicht von selbst wieder einschalten; sie sollte einstellbar sein, und sie muss so schnell reagieren, dass elektronische Bauelemente noch wirksam geschützt werden. Die Reaktionszeit sollte möglichst auch einstellbar sein.

Hier wird eine elektronische Sicherung beschrieben, deren Grundaufbau schon viele Jahre in verschiedenen Fachpublikationen zu sehen war. Sie ist geeignet für rund 12 Volt und Ströme bis etwa 3 Ampère.

Transistor 1 arbeitet als Spannungsregler. Nach Anlegen der Spannung (Uv) wird er Transistor (Ts) 2 den nötigen Basisstrom zur Verfügung stellen. Der Strom fließt nahezu ungehindert durch R1 (1 , 5 Watt) und Ts 2.

Zwischen den Punkten A und B entsteht ein Spannungsabfall aus R1 und dem Widerstand zwischen Kollektor und Emitter von Ts 2. An diesen Punkten ist außerdem ein einstellbarer Spannungsteiler angeschlossen, dessen Abgriff an der Basis von Ts 3 liegt (und damit ein Teil des oben genannten Spannungsabfalls).

Je größer der Strom durch R1 und Ts 2 wird, desto höher wird die Spannung an der Basis von Ts 2 sein. Sobald die Spannung an der Basis von Ts 3 höher wird als die Basis–Emitter–Spannung, wird er etwas durchlässig. In Folge wird Ts 1 ein wenig Basisstrom entzogen und Ts 2 ebenfalls. Der Widerstand zwischen Kollektor und Emitter von Ts 2 nimmt zu, der Spannungsabfall wird noch größer. Das steigert den Effekt immer mehr, bis Ts 1 und Ts 2 völlig gesperrt sein werden - die Sicherung ist „durchgebrannt”.

Jetzt ist der Spannungsabfall gleich der Versorgungsspannung. Ts 3 bleibt völlig offen. Ein sehr kleiner Strom im milliAmpère–Bereich fließt noch durch den Spannungsteiler. Wird der Schalter am Ausgang geöffnet, wird auch der letzte winzige Strom durch Ts3 unterbrochen, und er sperrt.

 

Die Sicherung reagiert sehr schnell. Wenn in dem abzusichernden Bereich ein mittlerer Elko ist, genügt sein Ladestromstoß vollauf, um sie „rausfliegen” zu lassen. Daher ist an der Basis von Ts 3 - der ja die Überwachung steuert - ein Beruhigungs–Kondensator angebracht. Er verzögert das Ansprechen von Ts 3, bis er aufgeladen ist. Bei 0,15 µF entsteht eine Verzögerung von etwa 1 ms, sie reicht für Kondensatoren bis etwa 50 µF. Eine äußerste Grenze für C1 sind 0,5 µF - damit wird die Sicherung schon so träge, dass Transistoren zerstört werden können.

Sofern die nachgeschalteten Elkos größer sind, gibt es noch einen anderen Kniff, der viel besser ist als ein zu großer Beruhigungs–Kondensator. Legen Sie parallel zur elektronischen Sicherung eine Leitung mit einem Widerstand von zum Beispiel 5  und 5 Watt, die über einen Schalter zwischen dieser Leitung und der Sicherung umschaltbar ist. Der Strom über diesen Widerstand kann maximal 2,4 A betragen. Die Kondensatoren können sich in aller Ruhe aufladen, dann schalten Sie zurück auf die elektronische Sicherung mit all ihren Vorteilen.

Dieser Vorgang lässt sich ausgezeichnet automatisieren. Zum Einschalten der Sicherung wird ein Monoflop mit einem Startzyklus verwendet, das über ein Relais für etwa 1 s die Widerstands–Leitung wählt und dann die Sicherung die Aufgabe übernehmen lässt. Da dieses Monoflop auch beim Anlegen von Uv (der Versorgungsspannung) einen Startzyklus haben wird, ist diese Situation ebenfalls abgefangen.

Die Schaltung kommt eigentlich ohne Minuspol aus. Der eingezeichnete PNP–Transistor unten links wird angesteuert, wenn seine Basis negativer wird als sein Emitter, was bei offener Sicherung der Fall sein wird - die LED (Leuchtdiode) wird leuchten.

Zum Einstellen der Sicherung verwenden Sie einen passenden Widerstand (bei 12 V und 2 A zu sicherndem Strom 6 ). Drehen Sie nun so lang am Poti, bis Sie genau den Punkt gefunden haben, an dem die Sicherung anspricht.

 

Elektronische Sicherung (2)

Die oben beschriebene Sicherung ist zur Absicherung von Fahrströmen mit bis zur 24 V und 10 A ungeeignet. Eine sehr viel bessere Lösung stellt Thomas Schaerer bei seinen Fremde Seite Elektronik–Minikursen vor. Suchen Sie dort nach den Beiträgen „Vom Overload–Sensor zur elektronischen Sicherung” (Teil 1: Theorie, Teil 2: Praxis).

Um die Theorie und den im zweiten Teil beschriebenen Schaltplan zu verstehen, braucht es schon ein wenig Know–How. Bitte lesen Sie unbedingt die Ausführungen zum Thema „Philosophie der Kurse”.

Die Erklärungen sind sehr verständlich. Mit etwas Zusatzlektüre und eigenem Engagement ist es kein Problem, beide zu verstehen.

Die dort vorgestellte Schaltung für 24 V und maximal 10 A Strom ist ideal für die Fahrstrom–Sicherung von Eisenbahnen in Baugröße IIm (1:22,5). Der Sicherungsstrom, die Trägheit und Einschaltverzögerung lassen sich individuell einstellen. Das Projekt wurde mit minimalen Änderungen nachgebaut und funktioniert absolut zufrieden stellend.

Der einzige Kritikpunkt: Die Bezeichnungen auf dem Schaltplan sind mächtig klein und teilweise schwer zu lesen. Achtung: Die Widerstände „Rs” haben 22 milliOhm, IC2 ist ein 4011.

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Aufteilen von Sicherungs–Strömen

Es sei angenommen, dass Sie eine Strom– und Spannungsquelle für verschiedene Aufgaben verwenden möchten. Der insgesamt maximal zu entnehmende Strom soll 7,5 A betragen.

Nun können Sie jedem Stromkreis einen festen Strom zuweisen (zum Beispiel 3,5 A und 4 A). Das ist jedoch eigentlich eine gar nicht so pfiffige Verschwendung vorhandener Ressourcen.

Im Grunde spielt es keine Rolle, wie viel Strom in welchem Stromkreis verbraucht wird. Wichtiger ist, dass die Summe den zulässigen Gesamtstrom nicht übersteigt. Es kann jedoch erwünscht sein, dass bestimmte Stromkreise auch nur bestimmte Ströme verbrauchen. Das hat beispielsweise den Vorteil, dass Sie erkennen können, in welchem Stromkreis ein Kurzschluss– oder Überlastungsfall aufgetreten ist - denn die 5 A–Sicherungen im Beispielbild werden vor der 7,5 A–Gesamtsicherung ansprechen.

In so einem Fall ordnen Sie konventionelle und elektronische Sicherungen wie hier gezeigt an. Jetzt kann sich jeder Stromkreis den ihm zugestandenen Strom nehmen, solange die Summe den maximal zulässigen Wert nicht überschreitet.

Achtung: Achten Sie beim Einfügen von Sicherungen darauf, dass keine Ströme über gemeinsame Masse–Leitungen fließen können!

 
 
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