
Fischertechnik AVR Raspberry Pi Elektronik Netzwerk Sonstiges Impressum	Verpolungsschutz mit einem P-Channel FET Bei vielen Schaltungen wird auf einen Verpolungsschutz verzichtet. Ein Grund hierfür kann der Spannungsabfall an der üblicherweise eingesetzten Schutzdiode und die damit verbundene Verlustleistung sein. Moderne Geräte werden häufig mit einem einzelligen LiPo versorgt; die Versorgungsspannung liegt dann bei ca. 3,7 V und der Betriebsstrom erreicht oft auch bei kleinen Geräten die Größenordnung von 1 A. Der Spannungsabfall an einer Diode erreicht Werte von 0,7 bis 1 V und damit eine relevante Höhe. Der hier beschriebene Verpolungsschutz mit einem P-Channel-MOSFET in der positiven Versorgungsspannung ist eine einfache und wirkungsvolle Alternative: Drain an die Spannungszuführung, Source an V_CCder Schaltung und Gate an GND. Auf den ersten Blick scheint Drain mit Source vertauscht, dieses ist aber richtig und gewollt. Beim Einschalten wird die parasitäre Diode des MOSFET zur Versorgung der Schaltung genutzt. Damit bekommt der "innenliegende" Source-Anschluss Spannung gegenüber dem an GND liegenden Gate. Die Spannung reicht, um den Source-Drain-Kanal leitend zu machen und zwar in beide Richtungen. Die Diode wird so überbrückt und der Schutz arbeitet nahezu ohne Spannungsverlust. Sollte die Spannung falschherum angeschlossen werden, sperrt sowohl die Diode, als auch der Source-Drain-Kanal. Theoretisch mögliche Restströme liegen im μA-Bereich und reichen nicht zur Zerstörung. Ein solcher Schutz reduziert sich auf die Wirkung einer Diode, falls die Betriebsspannung kleiner als die zum Durchschalten des MOSFET erforderliche ist. Moderne Logic-Level-Typen beginnen aber bereits bei V_GS=-1,5 V zu leiten, so dass sich auch 3,3 V-Schaltungen so schützen lassen. Bei Reichelt habe ich den Typ IRLML 6401 (0,22 €) gefunden. Er bietet einen maximalen Strom von 4,3 A und hat bei V_GS=-3,3 V ein R_DS(on) von ca. 45 mΩ. Selbst bei V_GS=-2,0 V liegt R_DS(on) noch bei ca. 75 mΩ und ist somit bei Strömen bis zu 1 A noch "besser" als die einfache Si-Diode. Alternativen und Grenzen Alternativ zum Schutz in der positiven Versorgungsspannung kann mit einem N-Channel-FET in der negativen Versorgungsspannung gearbeitet werden. N-Channel-FET haben oft noch niedrigere R_DS(on) und sind tendenziell leichter und günstiger zu bekommen. Einziger Nachteil ist, dass Masse nicht gleich Masse ist :-) FET sind relativ empfindlich gegenüber Überspannung. Je nach Typ können schon 10 V zuviel sein. Ein weiterer Nachteil soll hier auch nicht verschwiegen werden: Liegen auf der Lastseite Kondensatoren mit einem geringen Innenwiderstand an der Versorgungsspannung, dann bleibt der Schutz-FET lange durchgeschaltet wenn die Stromzuführung abgezogen wird. Wird sie jetzt falschherum angesteckt, können kurzzeitig sehr hohe (zerstörerische!) Ströme fließen. Es ist offensichtlich, dass die Schaltung nicht geeignet ist, Schaltungen zu schützen, die eine eigene Spannungsquelle an der Versorgungsspannung haben. Also Finger weg bei Ladeschaltungen etc.

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Verpolungsschutz mit einem P-Channel FET

Bei vielen Schaltungen wird auf einen Verpolungsschutz verzichtet. Ein Grund hierfür kann der Spannungsabfall an der üblicherweise eingesetzten Schutzdiode und die damit verbundene Verlustleistung sein.
Moderne Geräte werden häufig mit einem einzelligen LiPo versorgt; die Versorgungsspannung liegt dann bei ca. 3,7 V und der Betriebsstrom erreicht oft auch bei kleinen Geräten die Größenordnung von 1 A.
Der Spannungsabfall an einer Diode erreicht Werte von 0,7 bis 1 V und damit eine relevante Höhe. Der hier beschriebene Verpolungsschutz mit einem P-Channel-MOSFET in der positiven Versorgungsspannung ist eine einfache und wirkungsvolle Alternative: Drain an die Spannungszuführung, Source an V_CCder Schaltung und Gate an GND. Auf den ersten Blick scheint Drain mit Source vertauscht, dieses ist aber richtig und gewollt. Beim Einschalten wird die parasitäre Diode des MOSFET zur Versorgung der Schaltung genutzt. Damit bekommt der "innenliegende" Source-Anschluss Spannung gegenüber dem an GND liegenden Gate. Die Spannung reicht, um den Source-Drain-Kanal leitend zu machen und zwar in beide Richtungen. Die Diode wird so überbrückt und der Schutz arbeitet nahezu ohne Spannungsverlust. Sollte die Spannung falschherum angeschlossen werden, sperrt sowohl die Diode, als auch der Source-Drain-Kanal. Theoretisch mögliche Restströme liegen im μA-Bereich und reichen nicht zur Zerstörung. Ein solcher Schutz reduziert sich auf die Wirkung einer Diode, falls die Betriebsspannung kleiner als die zum Durchschalten des MOSFET erforderliche ist. Moderne Logic-Level-Typen beginnen aber bereits bei V_GS=-1,5 V zu leiten, so dass sich auch 3,3 V-Schaltungen so schützen lassen. Bei Reichelt habe ich den Typ IRLML 6401 (0,22 €) gefunden. Er bietet einen maximalen Strom von 4,3 A und hat bei V_GS=-3,3 V ein R_DS(on) von ca. 45 mΩ. Selbst bei V_GS=-2,0 V liegt R_DS(on) noch bei ca. 75 mΩ und ist somit bei Strömen bis zu 1 A noch "besser" als die einfache Si-Diode.

Alternativen und Grenzen

Alternativ zum Schutz in der positiven Versorgungsspannung kann mit einem N-Channel-FET in der negativen Versorgungsspannung gearbeitet werden. N-Channel-FET haben oft noch niedrigere R_DS(on) und sind tendenziell leichter und günstiger zu bekommen.
Einziger Nachteil ist, dass Masse nicht gleich Masse ist :-)
FET sind relativ empfindlich gegenüber Überspannung. Je nach Typ können schon 10 V zuviel sein.
Ein weiterer Nachteil soll hier auch nicht verschwiegen werden: Liegen auf der Lastseite Kondensatoren mit einem geringen Innenwiderstand an der Versorgungsspannung, dann bleibt der Schutz-FET lange durchgeschaltet wenn die Stromzuführung abgezogen wird. Wird sie jetzt falschherum angesteckt, können kurzzeitig sehr hohe (zerstörerische!) Ströme fließen.
Es ist offensichtlich, dass die Schaltung nicht geeignet ist, Schaltungen zu schützen, die eine eigene Spannungsquelle an der Versorgungsspannung haben. Also Finger weg bei Ladeschaltungen etc.