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Hardware-TippsProf. Jürgen Plate |
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Hardware-TippsProf. Jürgen Plate |
Bei Geräten, die an wechselnden Gleichspannungsquellen (Akku, Batterie, Netzteil etc.) angeschlossen werden, aber auch für solche, die nur am Steckernetzteil hängen,, ist ein Verpolungsschutz ratsam. das gilt erst recht für offene Platinen von Prototypen und Versuchsaufbauten.
Die einfachste Variante des Verpolungsschutzes wird mit einer Diode realisiert, die nur für einen genügend hohen Strom ausgelegt sein muss. Die Allerweltsdiode 1N4004 kann beispielsweise maximal 1 A verkraften, die 1N5004 ist für max. 3 A spezifiziert. Die Schaltung, die auch "Deppendiode" genannt wird, hat jedoch einen Spannungsabfall von bis zu 1 Volt (im Bild oben). Das Netzteil muss also eine genügend hohe Spannung liefern.
Das Bild darunter zeigt einen Verpolungsschutz mit Diode und Sicherung, auch "Sicherungskiller" genannt. Während der Benutzer bei der "Deppendiode" nur feststellt, dass "es nicht geht", wenn das Netzteil falsch angeschlossen ist, muss hier gegebenenfalls repariert werden (Sicherung austauschen), denn die Sicherung brennt durch, wenn die Eingangsspannung falsch herum angeschlossen wird. Dafür tritt kein Spannungsabfall auf.
Die Spannungsquelle muss natürlich genügend Strom zum Auslösen der Sicherung liefern kann. Sonst brennt eventuell die Diode vor der Sicherung durch. Bis zur Auslösung der Sicherung liegt auch eine verpolte Spannung von bis zu 1V an der Schaltung an.Anstelle einer normalen diode kann auch eine Überspannungsschutzdiode (TVS, transient voltage suppressor) verwendet werden, welche die Schaltung vor Spannungsspitzen schützt (z.B. 1.5KE12A).
Am elegantesten kann ein Verpolungsschutz mit einem P-Kanal-MOSFET realisiert werden. Der P-Kanal-MOSFET leitet, sobald das Gate um Ugsth negativer als der Source-Anschluss wird. Beim Anlegen einer richtig gepolten positiven Spannung am Eingang leitet zuerst die Bulk-Diode, sodass am Source in etwa die Eingangsspannung anliegt. Weil die Source-Spannung dann positiver ist als Ugsth, leitet der MOSFET, und es wirkt nur noch der kleine Kanalwiderstand.
Ist die Eingangsspannung falsch gepolt (negativ), sperrt die Bulk-Diode und der MOSFET gelangt nicht in den leitenden Zustand. Die Z-Diode begrenzt Ugs auf einen für den MOSFET ungefährlichen Wert. Bei niedriger Versorgungsspannung (max. 20 V) kann die Z-Diode weggelassen werden. Dann ist der Verpolschutz auch verlustleistungsfrei, weil nach dem Laden der Gatekapazität nur noch Leckströme fliessen können. Den Spannungsabfall über dem MOSFET könnte man noch weiter reduzieren, indem man zwei MOSFETS parallel schaltet. Oder man "spiegelt" die Schaltung und legt einen N-Kanal-MOSFET in die negative Zuleitung. Die N-Kanal-MOSFETs haben einen noch geringeren Innenwiderstand. Nachteilig ist in diesem Fall, dass Stromversorgung und Gerät keinben gemeinsamen Massebezug mehr haben.
Zu beachten ist jedoch eine Tatsache: Befindet sich hinter dem MOSFET ein Kondensator mit höherer Kapazität, beispielsweise zum Auffangen kurzer Stromspitzen, kann dieser über den MOSFET entladen werden, sobald die Eingangsspannung unter die Kondensatorspannung sinkt - die Stromversorgung muss mit derartigen Rückströmen umgehen können. In diesem Fall arbeitet der MOSFET auf klassische Weise, der Source-Anschluss ist wegen des Kondensators positiver als der Drain-Anschluss und das Gate ist negativer als der Source. Somit leitet der P-Kanal-MOSFET.
Der Schaltung wird ein Brückengleichrichter vorgeschaltet. Es liegt dann immer die richtige Polarität am Verbraucher an, auch wenn beim Anschluss die Leitungen vertauscht werden und die Schaltung würde auch Wechselspannung vertragen. Nachteilig sind der Spannungsabfall (ca. 1,4 V) und die Verlustleistung am Brückengleichrichter. Auch ist die Schaltungsmasse (GND) zur Versorgungsspannung um 0,7 V potentialverschoben.
Man kann auch ein Relais nehmen, das in Reihe mit einer Diode an der Versorgungsspannung liegt. Über den Schaltkontakt wird der Verbraucher an die Spannungsquelle gelegt. Das Relais kann nur bei richtiger Polung der Versorgung anziehen. An den Schaltkontakten entsteht kein Spannungsabfall, jedoch entsteht eine zusätzliche Verlustleistung in der Relaisspule. Durch Trägheit des Relais ergibt sich kein Schutz vor Impulsen mit falscher Polung.
Wenn man die Schaltung oben etwas erweitert, kann man auch eine Einschaltstrombegrenzung daraus machen. Manche Verbraucher ziehen ja im Moment des Einschaltens einen hohen Strom, der ggf. das Netzteil überlastet. Das können nicht nur Glühlampen (Halogen) sein, die im kalten Zustand einen sehr viel niedrigern Innenwiderstand besitzen, sondern auch z. B. Kondensatoren mit hoher Kapazität oder Motoren beim Anlaufen.
Zur obigen Schaltung kommen nur eine Diode, ein Widerstand und ein Kondensator hinzu - aber der MOSFET ist nun anders gepolt. Beim Einschalten ist C1 entladen und der Strom fliesst nur über R2 begrenzt zum Verbraucher. Dort können sich nun beispielsweise große Kondensatoren aufladen. R2 muss - zumindest kurzzeitig - eine entsprechende Leistung vertragen (2 - 5 W). Über R1 lädt sich nun der Kondensator C1 langsam auf und steuert damit auch den MOSFET Q1 auf - bis dieser voll durchschaltet und nur noch sein RDSon den Strom begrenzt. Die Diode D1 sorgt dafür, dass sich C1 beim Ausschalten rasch über den Verbraucher entlädt.
Natürlich kann man auch diese Schaltung wieder "spiegeln", wenn man die positive Leitung über den MOSFET schalten will.