Transistorausgänge gegen Kurzschluss und Überlast absichern

[Oliver W. (oli2)]

Hi!

Ich frage mich, wie man Transistorausgänge gegen Kurzschluss und 
Überlast effektiv absichern kann. Eine konventionelle Sicherung (5x20) 
ist hierfür meiner Erfahrung nach zu träge.

In meinem Fall gehe ich von einem Mikrocontrollerpin aus, welcher einen 
Mosfet ansteuert. Der Mosfest schaltet dann z. B. 24V für ein Relais 
oder macht eine PWM für LEDs.

Wie lange hält ein Transistor normalerweise einen Überstrom aus? Nach 
welchem Wert müsste ich im Datenblatt schauen? Bei Thyristoren habe ich 
mal von einen I²T Wert gelesen.

Wie geht man hier normalerweise vor?
Eine Schaltung entwerfen, welche beim Überschreiten eines bestimmten 
Stroms abschaltet? Dies stelle ich mir problematisch vor, da manche 
Verbraucher einen etwas höheren Einschaltstrom verursachen.

Oder wäre eine Konstantstromregelung besser? Hier würde dann die 
Verlustleistung zum Problem werden. Evtl. eine Konstantstromregelung mit 
Abschaltung nach Zeit X? Wie könnte man so etwas realisieren?

Schöne Grüße
Oli

[Michael B. (laberkopp)]

Oliver W. schrieb:
> Ich frage mich, wie man Transistorausgänge gegen Kurzschluss und
> Überlast effektiv absichern kann

Dafür gibt es smart high side swutches bzw. low side, von Infineon, ST, 
OnSemi, Rohm...

[Rainer W. (rawi)]

Oliver W. schrieb:
> Wie lange hält ein Transistor normalerweise einen Überstrom aus?

Das kommt drauf an, wie "Über" der Strom ist.
Was für Zeiträume interessieren dich, wenn du in Zusammenhang mit 
Kurzschluss und Überstrom von "lange" sprichst?
Begrenzend ist meist die Temperatur in der Halbleiterstruktur, d.h. bei 
kurzer Überlast kommt es auf die Energie an. Im Datenblatt findest du 
oft einen Graph, der I_Drain, V_DS und die Dauer der Belastung darstellt 
(Maximum Safe Operating Area).

Gegen groben Unfug hilft nur eine umfangreichere Schutzbeschaltung, d.h. 
ein IC, bei dem um den eigentlichen Transistor noch Schutzfunktionen 
integriert sind.

[Klaus H. (hildek)]

Oliver W. schrieb:
> Wie geht man hier normalerweise vor?
> Eine Schaltung entwerfen, welche beim Überschreiten eines bestimmten
> Stroms abschaltet? Dies stelle ich mir problematisch vor, da manche
> Verbraucher einen etwas höheren Einschaltstrom verursachen.

Man muss ja nicht abschalten, sondern nur den Maximalstrom begrenzen.
Aber: normalerweise fällte an der Last die Spannung ab und der 
eingeschaltete Transistor hat nur wenige 100mV Spannungsabfall.
Schließt man die Last kurz, dann wird die gesamte Leistung am Transistor 
verheizt. Wenn das möglich sein soll, muss man weit überdimensionieren 
....
Deshalb ist der Hinweis von Michael B. zu den smart switches schon 
richtig, die haben Schutzmechanismen drin, die es sogar erlauben, einen 
Kurzschluss der Last, die von einem Autoakku gespeist wird, zu 
überstehen.

Ansonsten wäre mein Prinzip das im Bild, welches natürlich keinen Schutz 
vor zu großem Ptot am Transistor hat. Aber ein kleines 24V-Relais (~1k 
Spulenwiderstand) könnte man darüber betreiben, denn da kann man die 
Schaltung auf ca. 30mA auslegen und sie würde einen Kurzschluss an der 
Last überleben.

[Steve van de Grens (roehrmond)]

Klaus H. schrieb:
> Ansonsten wäre mein Prinzip das im Bild, welches natürlich keinen Schutz
> vor zu großem Ptot am Transistor hat. Aber ein kleines 24V-Relais (~1k
> Spulenwiderstand) könnte man darüber betreiben, denn da kann man die
> Schaltung auf ca. 30mA auslegen und sie würde einen Kurzschluss an der
> Last überleben.

24V * 30mA = 0,72 Watt

Das ist für Q1 schon zu viel. Ein Transistor im TO-220 Format würde es 
ohne Kühlkörprr vertragen, wenn er gut belüftet ist.

[Klaus H. (hildek)]

Du hast recht - für den BC337 sind 24V/30mA zu viel. Ich hatte mit 15V 
gerechnet, da reicht es noch.
Dann halt mindestens einen BC140 oder größer. Und kühlen ...
Das Prinzip bleibt und ich schrieb auch:

Klaus H. schrieb:
> Wenn das möglich sein soll, muss man weit überdimensionieren

und bekräftigte den Hinweis auf die Smart Switches.

[Rainer W. (rawi)]

Oliver W. schrieb:
> Eine Schaltung entwerfen, welche beim Überschreiten eines bestimmten
> Stroms abschaltet? Dies stelle ich mir problematisch vor, da manche
> Verbraucher einen etwas höheren Einschaltstrom verursachen.

Dann darf der Grenzwert eben nicht unter dem Einschaltstrom liegen, oder 
du musst dir eine andere Strategie überlegen. "Wasch mir den Pelz, aber 
mach mich nicht nass" funktioniert selten.
Es ist also gut, etwas genauer zu wissen, was das ganze werden soll.

Gegen Einschaltstrom hilft, bei einem Überstrom auch, nur kurz 
abzuschalten und es nach einem kurzem Moment erneut zu versuchen, d.h. 
eine Begrenzung des mittleren Stromes durch kleinen Duty Cycle.

Oder du verwendest zwei Grenzwerte, von denen der untere nur mit einer 
Verzögerung greift.

Bei manchen Labornetzgeräten gibt es auch die Möglichkeit, zwischen 
Strombegrenzung und Abschaltung zu wählen (z.B. HMC804x von R&S)

[Dieter D. (Firma: Hobbytheoretiker) (dieter_1234)]

Oliver W. schrieb:
> Oder wäre eine Konstantstromregelung besser?

In dem Falle muss der Halbleiter im SOA-Diagramm eine Kennlinie für DC 
enthalten (Linearbetrieb).

Andernfalls gibt es nur diese Lösung:

Oliver W. schrieb:
> Eine Schaltung entwerfen, welche beim Überschreiten eines bestimmten
> Stroms abschaltet?

[Gerhard H. (hauptmann)]

Oliver W. schrieb:
> Ich frage mich, wie man Transistorausgänge gegen Kurzschluss und
> Überlast effektiv absichern kann.

Am effektivsten = ökonomischsten indem der Transistor passend ausgelegt 
und vor Kurzschlüssen gesichert wird. Die passieren doch nicht aus 
heiterem Himmel.

[Mark S. (voltwide)]

Gerhard H. schrieb:
> Oliver W. schrieb:
>> Ich frage mich, wie man Transistorausgänge gegen Kurzschluss und
>> Überlast effektiv absichern kann.
>
> Am effektivsten = ökonomischsten indem der Transistor passend ausgelegt
> und vor Kurzschlüssen gesichert wird. Die passieren doch nicht aus
> heiterem Himmel.
Ach was. Das war ja wieder sehr hilfreich.

[Jens G. (jensig)]

Oliver W. schrieb:
> Wie lange hält ein Transistor normalerweise einen Überstrom aus? Nach
> welchem Wert müsste ich im Datenblatt schauen?

Nach dem SOA-Diagramm. Dieses beantwortet Dir die Frage für 
unterschiedlichste Überströme in Kombination mit Spannung und Zeit bei 
exakt 25°C Ausgangstemperatur.

[U. M. (oeletronika)]

Hallo,
wie man einen Transistor oder FET vor Zerstörung schützt, kommt ganz 
darauf an, welche Randbedingungen vorherrscher.
Da muß man schon etwas klarer definieren, ob es um
- AC oder DC geht,
- welche Spannung man am Transistor annehmen kann (paar mV bis paar kV),
- mit welchen Strömen man rechnen muß (paar mA bis paar kA)
- mit welcher Geschw. die Schaltung arbeitet (DC bis HF -> GHz)
- mit welcher Geschw. Störungen auftreten (wenige ns bis ständig)
- wieviel Aufwand man treiben darf oder muß (Kosten, Einsatzzweck)
- wieviel Platz für Schutzbeschaltungen zur Verfügung steht
- welche Möglichkeiten einem die Schaltung überhaupt läßt
- welche Eigenschaften der eingesetzte Transistor hat (Datenblatt)
- welche Schutzbauteile verfügbar sind usw.

Es gibt also hunderte von Möglichkeiten, wie man Schutzbeschaltungen 
machen kann bzw. machen muß.
Für konkrete Fälle gibt es aber meist gängige Lösungen.
Gruß Oeletronika