Strombegrenzungsschaltungen: Schutz für Elektronik & Netzteile

1. Was ist eine Strombegrenzungsschaltung?

Einfacher ausgedrückt: Strombegrenzer (Current Limiter) verhindern Schaltkreisschäden, indem sie den Strom aus einem geregelten Netzteil limitieren. So wird nur der maximal zulässige Stromwert langfristig angewendet.

(elektronische Schaltung)

Warum brauchen wir Strombegrenzer?

Da sie in vielen Anwendungen einsetzbar sind, sichern sie Langlebigkeit und Sicherheit elektronischer Bauteile → dauerhafter Stromschutz.

Oft in linearen Netzteilen oder mit Messverfahren in Schaltnetzteilen eingesetzt. Auch für High-Power-LEDs als stromgesteuerte Schaltung nutzbar.

2. Arten von Strombegrenzungsschaltungen

Vielfalt an Limitern – hier die gängigsten:

Konstanter Strombegrenzer (Constant Current Limiting)

Basistechnik bei geregelten Netzteilen.

Wirkprinzip: Hält Ausgangsspannung konstant, während Strom auf Maximum ansteigt. Bei Erreichen des Maximums: Strom konstant, Spannung fällt bei steigender Last ab.

Vorteile:

• Einfache Schaltung, verständliche Schaltungstechnik
• Wenige Bauteile nötig

Nachteile:

• Bei Kurzschluss wird Strom nicht reduziert – bleibt auf Maximum → mögliche Schäden.
• Beim Einsetzen der Begrenzung fließt Maximalstrom, Ausgangsspannung fällt → Spannung an Serientransistor steigt → erhöhte Leistungsaufnahme im Bauelement.
• Bei fast 0 V Ausgang und Maximalstrom ≈ Eingangsspannung nach Gleichrichtung/Glättung → großer Serientransistor + großer Kühlkörper nötig → größer, teurer.

(Kurzschluss mit Schäden)

(Kühlkörper für Wärmeableitung auf Leiterplatte)

Foldback-Strombegrenzung (Fold-back Current Limiting)

Hält Ausgangsspannung bis zum Einsetzen der Strombegrenzung. Dann sinkt Strom bei weiterer Überlast – reduziert Schadensrisiko.

Vorteile:

• Reduziert Leistungsaufnahme: Steigende Überlast → fallender Strom → geringere Leistung → begrenzte Wärme am Serientransistor.
• Umsetzbar mit wenigen Bauteilen.
• Kosteneffizient: In geregelten Netzteil-ICs oft unverzichtbares Feature → Kosten kaum ins Gewicht fallend.

Nachteile:

• Komplexer als konstanter Begrenzer (mehr Bauteile, mehr Komplexität im linearen Netzteil).
• Schlecht bei nicht-ohmschen Lasten.
• Lockout-Gefahr bei nicht-ohmschen Lasten: Geräte ziehen konstanten Strom unabhängig von Versorgungsspannung.

Hinweis: Transiente Verzögerung im Foldback-Limiter vermeidet Lockout.

3. Berechnung des Strombegrenzungswiderstands

(Anwendung von Widerständen in elektrischen Komponenten)

Betrachtung einer Schaltung mit einstellbarem Widerstand für Stromsteuerung.

Für R1 (fest): Berechnung per Formel:

R1 (Begrenzungswiderstand) = V_ref / I

Alternative: R1 = 1,25 / I

R1 Leistung = 1,25 × I

Hinweis: Unterschiedliche LEDs haben unterschiedliche Ströme. Berechnung: Optimaler Vorwärtsspannung / Leistung (bei 3,3 V Standard).

Beispiel: 2 W LED → 2 / 3,3 V = 0,6 A = 600 mA. (Im Original: 300 mA – prüfen Sie Datenblattwerte.)

Berechnung analog für andere LEDs.

4. Anwendung einer Strombegrenzungsschaltung

Entwurf einer stromgesteuerten LED-Schaltung.

Wichtigkeit der Stromregelung für LEDs

LEDs leuchten effizient bei geringem Verbrauch. Aber Strom und Wärme beeinträchtigen Leistung – besonders bei High-Power-LEDs (viel Wärme).

LED mit zu hohem Strom → Überhitzung über Toleranz → Zerstörung. Unkontrollierte Wärmeableitung → mehr Stromzug → Zerstörung.

Strombegrenzung löst diese Probleme.

Anwendungsschaltung: Stromgesteuerte LED-Röhre

Präzise stromgesteuerte LED-Röhrenschaltungen mit konstanter Stromquelle. Beispiel: 30 W Konstantstrom-LED-Treiber.

Reihenwiderstand-Formel:

R = (Versorgungsspannung – Gesamt-LED-Vorwärtsspannung) / LED-Strom

R (Watt) = (Versorgungsspannung – Gesamt-LED-Vorwärtsspannung) × LED-Strom

Ohne IC: Bipolar-Transistoren oder wenige Transistoren als operativer Stromregler.

(LED-Controller mit Transistor)

Praktische Designvarianten:

Zwei Dioden + Widerstand

Diodentypen als elektrische Komponenten

Netzteil nutzt Emitter des Ausgangs-Transistors mit Messwiderstand in Reihe. Zwei Dioden zwischen Basis und Ausgang → Strombegrenzungseffekt.

Im Normalbetrieb: kleine Spannung am Messwiderstand. Kleinere Spannung + Basis-Emitter-Spannung oft zu gering für zwei Dioden (≈ 2× Dioden-Flussspannung).
Stromanstieg → Spannungsanstieg am Widerstand. Bei Gleichheit von Basis-Emitter-Spannung + Widerstandsspannung = 2× Dioden-Flussspannung → Dioden leiten → Begrenzung.

Widerstandsberechnung:

R1 = (U_s – 0,7) × h_FE / Laststrom

U_s = Versorgungsspannung
h_FE = T1 Stromverstärkung
Laststrom = LED-Strom = 100 W / 35 V = 2,5 A

R2 = 0,7 / LED-Strom

Fazit

Elektronische Geräte mit Dauerstrom benötigen Sicherheitsmaßnahmen für lange Lebensdauer. Maßnahmen: wenige Zusatzbauteile, kostengünstig, einfach umsetzbar. Strombegrenzer erfüllt alle Kriterien.

Selbstintegration im Projekt möglich. Bei Fragen kontaktieren Sie uns – wir helfen gerne.