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Schaltungen für den Verpolungsschutz

Schaden vermeiden!

22. Mai 2018, 06:30 Uhr   |  nach Unterlagen von Texas Instruments

Schaden vermeiden!
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Ohne Verpolungsschutz kann es zu Schäden kommen, falls eine Stromversorgung falsch angeschlossen wird. Doch wie funk­tionieren die unterschiedlichen Verpolungsschutz-Schaltungen und wann verwendet man welchen Verpolungsschutz?

Die meisten elektronischen Geräte sind mit einem Verpolungsschutz ausgestattet. Denn trotz eventueller mechanischer Gegenmaßnahmen kann es passieren, dass Batterien oder andere Stromversorgungen falsch herum angeschlossen werden. Zwingend notwendig ist ein Verpolungsschutz in der Automobilelektronik, damit es zu keinen Schäden kommt, wenn die Fahrzeugbatterie versehentlich mit der falschen Polarität angeschlossen wird.

Angesichts des hohen Elektronikgehalts moderner Kraftfahrzeuge käme dies unter Umständen einem Totalschaden gleich. Zur Realisierung des Verpolungsschutzes kommen verschiedene Methoden in Frage, die ihre spezifischen Vor- und Nachteile haben.

Verpolungsschutz mit Diode

Bild 1. Einfacher Verpolungsschutz mit einer  Diode.
© Texas Instruments

Bild 1. Einfacher Verpolungsschutz mit einer Diode.

Die einfachste und kostengünstigste Möglichkeit, einen Verpolungsschutz zu realisieren, ist eine zwischen Stromversorgung und Verbraucher geschaltete Diode (Bild 1). So zuverlässig diese Lösung auch sein mag, ist sie doch mit
einem gravierenden Nachteil behaftet, der besonders bei höheren Strömen problematisch sein kann.

Das Problem liegt in dem Spannungsabfall, der an der Diode in Vorwärtsrichtung entsteht. Er kann bei einer Schottky-Diode im Bereich von einigen hundert Millivolt liegen und verursacht Verluste, die zu einer Erwärmung der Diode führen. Diese Verlustleistung setzt dem Strom eine Obergrenze und entscheidet über das Gehäuse der Diode.

Als Faustregel gilt, dass SMA-Gehäuse für Verlustleistungen bis 200 mW geeignet sind, SMB-Gehäuse bis 300 mW und SMC-Gehäuse bis 500 mW. Liegen die Verluste noch höher, sind aufwändigere Gehäuse wie das SMPC-Gehäuse (TO-277A) erforderlich.

Die Vorwärtsspannung einer Diode kann jedoch noch weitere Probleme verursachen. Die meisten elektronischen Schaltungen im Auto müssen ihre Funktionsfähigkeit nämlich auch behalten, während der Motor angelassen wird. Während des Anlassvorgangs aber bricht die Bordnetzspannung ein, besonders wenn die Batterie nicht mehr neu ist und niedrige Temperaturen herrschen. Je nach Spezifikation kann die Spannung in dieser Situation bis auf 3,2 V zurückgehen.

Jeder zusätzliche Spannungsabfall, zum Beispiel an der Verpolungsschutz-Diode, kann ernste Auswirkungen haben, da die nachfolgenden Schaltungen dadurch eine noch niedrigere Versorgungsspannung erhalten.
 

Verpolungsschutz mit P-FET

Bild 2. Verpolungsschutz-Lösung auf Basis eines P-FET.
© Texas Instruments

Bild 2. Verpolungsschutz-Lösung auf Basis eines P-FET.

Werden die an einer Diode entstehenden Verluste zu groß oder ist der Spannungsabfall nicht hinnehmbar, kann auf einen Verpolungsschutz auf der Basis eines P-FET zurückgegriffen werden (Bild 2). Eine solche Lösung ist recht einfach und erfordert nur wenige Bauelemente.

Hat die angelegte Spannung die richtige Polung, leitet die Body-Diode des FET. Damit liegt die Eingangsspannung (abzüglich der Vorwärtsspannung der Body-Diode) an der Quelle. Das Gate wird durch einen Widerstand von meist 10 bis 100 kΩ auf das Massepotenzial gezogen. Die Spannung am Gate ist also niedriger als die am Source-Anschluss, sodass der FET leitet.

Damit es zu keinen Schäden am FET kommt, begrenzt eine Z-Diode zwischen Quelle und Gate die dort herrschende Spannung. Die Gate-Source-Spannung und die Z-Diode sollten so gewählt werden, dass der FET vollständig leitend wird – meist im Bereich zwischen 4,5 und 15 V. Der parallel zum Widerstand geschaltete Kondensator reduziert die Störungen und wirkt als Filter.

Je nach Durchlasswiderstand des P-FET eignet sich diese Lösung für Lastströme bis zu einigen Ampere. Nachteilig sind die Kosten und die Leistungsfähigkeit im Vergleich zu N-FETs. Auch ist die Auswahl an P-FETs deutlich geringer.

Verpolungsschutz mit N-FET

Bild 3. Verpolungsschutz auf Basis eines N-FET.
© Texas Instruments

Bild 3. Verpolungsschutz auf Basis eines N-FET.

Die Ansteuerung eines P-FET ist meist recht einfach, denn am Gate des FET muss ein niedrigeres Potenzial liegen als an der Quelle, damit der Baustein einschaltet. Bei einem N-FET sind die Verhältnisse genau umgekehrt. Zum Einschalten muss das Potenzial am Gate also höher sein als am Source-Anschluss. Indem man wie in Bild 3 illustriert den N-FET in die Rückleitung (GND) legt, gestaltet sich seine Ansteuerung ähnlich wie bei der P-FET-Lösung.

Der Widerstand zieht das Gate auf das Niveau der Eingangsspannung, während die Quelle über die Body-Diode des FET mit dem negativen Pol der Versorgungsspannung verbunden ist. Die Spannung am Gate ist folglich höher als die an der Source und der FET wird leitend, solange die Eingangsspannung mit der korrekten Polung anliegt.

Auch in einer solchen Schaltung wird eine Z-Diode benötigt, um die Gate-Source-Spannung des FET in einem tolerierbaren Bereich zu halten. Wird diese Lösung verwendet, kann ein N-FET genutzt werden, der weniger kostet als ein P-FET mit ähnlichem Durchlasswiderstand.

Nachteilig an der Methode ist, dass die Masseleitung unterbrochen wird. Das ist beispielsweise in Automotive-Anwendungen nicht erlaubt. In anderen Anwendungen, in denen eine derartige Restriktion nicht besteht, ist die N-FET-Lösung aber durchaus gangbar.

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