Verpolungsschutz

Ein Verpolungsschutz wird in der Spannungsversorgung eines Verbrauchers (Gerätes) eingesetzt. Die Schutzschaltung verhindert entweder die falsche Polarität oder begrenzt den durch diese Verpolung entstehenden Schaden.

Verpolungsschutz mit Dioden

Einfacher Verpolungsschutz mit Diode

• Variante 1: Eine Diode wird in Reihe mit der Versorgungsspannung geschaltet.
  • Funktion: Bei Verpolung sperrt die Diode, der Verbraucher erhält keinen Strom.
  • Vorteil: Nur eine Diode.
  • Nachteil: Für die Diode müssen Verlustleistung, Spannungsabfall sowie Durchlaßstrom beachtet werden.

Verpolungsschutz mit Diode und Sicherung

• Variante 2: Eine Diode wird antiparallel zur Versorgungsspannung geschaltet, zusätzlich wird eine Sicherung in die Zuleitung eingefügt.
  • Funktion: Bei Verpolung schließt die Diode die Versorgungsspannung kurz. Die Sicherung spricht an und verhindert den echten Kurzschluss sowie das Durchbrennen der Diode.
  • Vorteil: Bei korrekter Polung hat die Schutzschaltung keinen Einfluß auf den Rest der Schaltung.
  • Nachteil: Bei Verwendung von normalen Sicherungen ist nach einer Verpolung ein Wechsel notwendig.

Verpolungsschutz mit TVS und Sicherung

• Varinate 2b: wie Variante 2, nur statt einer normalen Diode wird ein unipolarer Überspannungsschutz (engl.: transient voltage suppressor TVS; z.B. 1.5KE12A) benutzt.
  • Vorteil: bietet zusätzlichen Schutz vor zu hoher Spannung.
  • Nachteil: teurer als normale Diode

Verpolungsschutz mit MOSFETs

Für den Verpolungsschutz mit einem MOSFET wird der FET andersherum als sonst üblich benutzt, also beim N-Kanal-FET mit Drain zur negativen Seite der Spannungsquelle. Anfangs fließt der Strom über die interne Diode im MOSFET. Wenn etwa 2-4 V erreicht sind, leitet dann zusätzlich der eigentliche MOSFET. Für Spannungen, die sicher unter etwa 20V liegen (maximale Gate-Source-Spannung), kann man auf die Diode, Zenerdiode und den Widerstand verzichten.

Verpolungsschutz mit N-MOSFET

• Variante 1: n-Kanal-MOSFET in Reihe mit der negativen Spannungsversorgung (GND)
  • Vorteil: sehr geringer Spannungsabfall, Überspannung kann zur Quelle abgleitet werden
  • Nachteil: Mindestspannung ca. 4 V, mit Logic-Level-FETs ca. 2 V.
  • Nachteil: Ein Elko in der Schaltung bietet keinen Schutz vor Spannungseinbrüchen auf der Versorgungsseite.
  • Nachteil: Etwas Stromverbrauch (z.B. 10 µA) bei Spannungen über etwa 20 V.
  • Nachteil: Oft teurer als Diodenlösung.

• Variante 2: p-Kanal-MOSFET in Reihe mit der positiven Spannungsversorgung
  • Vorteil: wie Variante 1
  • Nachteile: wie Variante 1, Logic-Level-FETs selten, oft teurer als N-MOSFET

Verpolungsschutz mit anderen Bauteilen

• Variante 1: Vorgeschalteter Brückengleichrichter.
  • Funktion: siehe Gleichrichter
  • Vorteil: Es liegt immer die richtige Polarität am Verbraucher an, auch wenn beim Anschluss die Leitungen vertauscht werden.
  • Vorteil: Verträgt auch Wechselstrom als Speisequelle.
  • Nachteil: Spannungsabfall (ca. 1.4 V) und Verlustleistung am Brückengleichrichter
  • Nachteil: Schaltungsmasse (GND) ist um 0,7V potentialverschoben zu der Versorgungsspannung.

• Variante 2: Relais schaltet mit Hilfe einer Diode die Versorgungsspannung zum Verbraucher.
  • Vorteil: Kaum Spannungsabfall an den Schaltkontakten.
  • Nachteile: Aufwendig. Zusätzliche Verlustleistung in der Relaisspule. Kein Schutz vor Pulsen mit falscher Polung.

• Variante 3: Ähnlich wie mit MOSFET, aber mit normalem Transistor
  • Vorteile: für Spannungen ab ca. 1 V möglich, kleiner Spannungsabfall (<100mV), ggf. auch als Strombegrenzung
  • Nachteile: Stromverbrauch (Basistrom), Schutz nur bis etwa 5V, ggf. etwas Leckstrom

• Variante 4: Spannungsregler mit integriertem Verpolungsschutz (z.B. LM2931)
  • Vorteile: keine extra Bauteile
  • Nachteile: nur wenige, eher teure Regeler bieten diese Funktion, Elko vor dem Regler ist nicht geschützt

Links

Schutz mit MOSFETS (englisch) ... Entweder funtioniert der Link nicht oder ist extrem langsam (williwilli - 21.10.2009)

Autor

--Williwilli 14:54, 11. Dez 2008 (CET)