Verpolschutz

nospam@example.com (Lothar Miller) — Thu, 25 Mar 2010 22:20:00 +0100

Für Geräte, die immer wieder an wechselnden Gleichspannungsquellen (Akkus, Batterien, Netzteile...) betrieben werden, lohnt sich u.U. wenn ein Verpolungsschutz vorgesehen wird.

Die einfachste Variante mit einer Diode hat leider einen deutlichen Spannungsabfall von bis zu 1 Volt.

Verpolungsschutz mit Diode

Das sind dann bei z.B. 12V Versorgungsspannung immerhin schon 8% Verlust.

Nächster Versuch: die zerstörerische Variante.

Verpolschutz mit Diode und Sicherung

Die Sicherung brennt durch, wenn die Eingangsspannung verpolt ist. Dazu ist natürlich eine Spannungsversorgung nötig, die mindestens den Auslösestrom liefern kann. Denn sonst kann es sein, dass in der Diode eine kleine Siliziumschmelze angeworfen wird. Dazu kommt, dass bis zur Auslösung der Sicherung eine verpolte Spannung von bis zu 1V an der Schaltung anliegt. Das ist weniger schön

Am elegantesten ist die Lösung mit einem P-Kanal MOSFET.

Verpolschutz mit P-Kanal MOSFET

Der P-Kanal-MOSFET IRF9530 leitet, wenn das Gate um Ugsth negativer als die Source wird. Beim Anlegen einer korrekten Spannungsversorgung am Eingang leitet erst mal die Bulk-Diode, so dass an der Source die Eingangsspannung ankommt. Weil die Spannung an der Source nun größer ist als Ugsth, leitet der MOSFET, und dem Strom steht nur noch der kleine Kanalwiderstand im Weg. Die Z-Diode begrenzt Ugs auf einen für den MOSFET ungefährlichen Wert.
Beim Anlegen einer verpolten Spannung sperrt die Bulk-Diode und der MOSFET kommt nicht in den leitenden Zustand.

Bei Spannungen kleiner als Ugsmax (idR. 10..20V) kann die Z-Diode weggelassen werden. Das ist z.B. beim Betrieb einer Schaltung mit LiPo Akkus (3,7 und 7,4V) ganz praktisch.

Verpolschutz für kleine Spannungen

Und für ganz Wagemutige ist sogar der Widerstand überflüssig. Ich lasse diesen Angstwiderstand aber gern drin, damit die hauchdünne Oxidschicht des Gates nicht allzusehr an der Aussenwelt freiliegt.

Allerdings kann die MOSFET-Schaltung eine Diode nicht immer komplett ersetzen:
Machen wir mal hinter dem MOSFET einen dicken Kondensator, der z.B. eine gewisse Zeit einen Spannungsausfall überbrücken soll. Dann ist es ohne weiteres möglich, dass der Kondensator über den MOSFET und andere Verbraucher, die von der Eingangsspannung versorgt werden, entladen wird.

Puffer-C wird durch externen Verbraucher entladen

Denn in diesem Fall arbeitet der MOSFET sogar so, wie der Hersteller sich das ausgedacht hat: die Source ist positiver als der Drain (wegen des Kondensators am Ausgang) und das Gate ist negativer als die Source --> der P-Kanal-MOSFET leitet.
Danke an Matthias Gottke für diesen Tipp

Den Spannungsabfall über dem Mosfet weiter reduzieren:
Obwohl sich die P-Kanal Mosfets mit ihren Bahnwiderständen Rdson schon in recht brauchbaren Bereichen um 50mOhm bewegen, lässt sich mit einem N-Kanal Mosfet nochmal einiges rausholen. Ein IRF1404 hat da gerade mal 4mOhm. Damit lässt sich also die Verlustleistung und der Spannungsabfall nochmal um den Faktor 10 reduzieren.

Verpolschutz mit N-Kanal Mosfet: geringerer Rdson

Allerdings muß jetzt darauf geachtet werden, dass kein Massebezug zwischen Versorgung (Batterie) und Verbraucher mehr besteht, und auch nicht hergestellt werden darf. Denn sonst ist der Mosfet ja einfach überbrückt.

Lothar Miller - Verpolschutz

Verpolschutz