Überarbeitet am 13.11.2023
Mit einem zusätzlichen Kleinleistungs-Transistor und einem Widerstand erhalten längsgeregelte Netzteile eine Strombegrenzung, die vor Schaden bewahrt. Die Berechnung ist einfach.
Stabilisiertes Netzteil mit einem Operationsverstärker und einer Strombegrenzung.
Bei dieser Schaltung handelt es sich um die auf „Spannungs-Stabilisierung mit einem Operations-Verstärker als Regelverstärker“ vorgestellte Schaltung, welche hier um eine Strombegrenzung (Q2, R7) erweitert wurde. Die Strombegrenzung dient als Kurzschlusssicherung und verhindert Schäden durch Überbelastung. Der Ausgangsstrom kann einen bestimmten Wert Imax niemals übersteigen.
Funktionsweise: Durch R7 fließt der gesamte Ausgangsstrom. Solange der Spannungsabfall an ihm unter etwa 0.8 Volt liegt, ist der Transistor Q2 gesperrt. Durch den Emitter und Kollektor von Q2 kann also kein Strom fließen. Der Steuerstrom, welcher vom Ausgang des Operationsverstärkers geliefert wird, kann in voller Stärke zur Basis von Q1 fließen. Die gesamte Schaltung funktioniert so, als ob Q2 und R2 nicht vorhanden werden. Auch hat R2 keinen Einfluss auf die Stabilität der Ausgangsspannung, da der invertierende (-) Eingang des Operationsverstärkers direkt mit dem Ausgang der Schaltung verbunden ist.
Q2 gesperrt: Der gesamte Steuerstrom fließt durch die Basis von Q1. Q2 offen: Ein Teil des Steuerstroms fließt nach Q2.
Was passiert nun, wenn der Ausgangsstrom soweit ansteigt, dass mehr als ca. 0.8 Volt an R2 abfallen? Dann ist die Basis-Emitter-Schwellenspannung von Q2 überwunden. Es fließt ein Basisstrom nach Q2, und es fließt folglich ein Kollektor- bzw. Emmitterstrom durch Q2. Ein Teil des Steuerstroms fließt demnach auch durch Q2.
Dies bedeutet jedoch, dass der Basisstrom von Q1 weniger „abbekommt“ und geringer wird. Und wenn der Basisstrom von Q1 geringer wird, wird auch weniger Strom durch den Kollektor von Q2 und damit durch R7 fließen. Es stellt sich ein Gleichgewicht ein, bei dem der Spannungsabfall an R7 etwa bei 0.8 Volt liegt.
Berechnung: Mit R7 können wir den maximalen Ausgangsstrom Imax bestimmen. Imax = 0.8 Volt / R7. Der Widerstand R7 ist dann:
R7 = 0.8 Volt / Imax
In unserem Beispiel hat R7 = 0.8 Volt / 0.423 A = 1.89 Ohm. Gewählt wurde der nächste Normwert: 2 Ohm. Zu beachten ist noch die manchmal beträchtliche Verlustleistung des „Strombegrenzungswiderstandes“ R7:
Pv = (0.8 Volt * 0.8 Volt) / 0.423 A = 1.5 Watt
Die Verlustleistung von Q2: Sie ist hingegen eher gering. Dazu folgende Überlegung. Maximal kann nur der Basisstrom von Q1 durch den Kollektor von Q2 fließen.
Zwischen dem Kollektor und Emitter von Q2 wird höchstens ein Spannungsabfall auftreten können, der dem Spannungsabfall an R7 plus der Schwellenspannung zwischen Basis und Emitter von Q1 entspricht – also etwa 1.5 Volt.
Wenn wir von einem ungünstigen Fall ausgehen, dass der Stromverstärkungsfaktor Beta von Q2 nur 20 beträgt, können höchstens 0.423 A / 20 = 21 mA durch die Basis von Q1 fließen. Die Verlustleistung Pv von Q2 ist dann höchstens 1.5 Volt * 21 mA = 31 mW. Damit hätte man die Größenordnung von Q2 abgeschätzt. Jeder Silizium-Kleinleistungstransistor wäre also für Q2 geeignet.