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.
Das sind dann bei z.B. 12V Versorgungsspannung immerhin schon 8% Verlust.
Nächster Versuch: die zerstörerische Variante.
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.
Der P-Kanal-MOSFET IRF9530 leitet, wenn das Gate um Ugsth negativer als die Source wird. Beim Anlegen einer korrekt gepolten positiven Spannung am Eingang leitet erst mal die Bulk-Diode, so dass an der Source die Eingangsspannung ankommt. Weil die Spannung an der Source nun positiver 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. Dass der Mosfet dadurch quasi "verkehrt herum" leitet, also der Drain positiver ist als die Source, kümmert den Mosfet dabei herzlich wenig, denn das sind wegen des durchgeschalteten Kanals sowieso nur ein paar Millivolt.
Beim Anlegen einer verpolten negativen Spannung sperrt die Bulk-Diode und der MOSFET kommt nicht in den leitenden Zustand.
Und für ganz Wagemutige ist sogar der Gatewiderstand überflüssig und kann durch eine Brücke ersetzt werden. Ich lasse diesen Angstwiderstand aber gern drin, damit die hauchdünne Oxidschicht des Gates nicht allzu direkt an der Aussenwelt hängt.
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.
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
Achtung: Sperrverzug!
Wenn
man eine dieser Mosfet-Schaltungen als Ersatz für eine
Gleichrichterdiode nehmen will, dann gibt es das Problem, dass durch den
hochohmigen 100k Widerstand das Gate recht langsam umgeladen wird.
Solange am Mosfet dann die Ugsth überschritten ist, leitet der Mosfet.
Somit dauert der Übergang von "leitend" zu "gesperrt" ein paar µs, und
während dieser Zeit lässt der Mosfet auch verpolte Spannungen durch.
Ähnliches passiert auch, wenn eine Spannungsquelle korrekt gepolt angeschlossen wird: durch diese korrekt gepolte Spannung wird das Gate geladen und der Mosfet leitend. Wird jetzt die Spannungsquelle abgeklemmt, kann es je nach nachfolgender Schaltung sein, dass sich der Gatekondensator nicht entlädt und so der Mosfet weiter leitend bleibt. Wird nun die Spannungsquelle verpolt angeschlossen, dauert es wieder einige µs, bis der Mosfet sperrt. Während dieser Zeit liegt eine verpolte Spannung am Verbraucher an.
Hier würde es helfen, wenn man zwischen die Eingangspins zwischen Vin und GND ebenfalls einen 100k Widerstand löten würde. Denn dann kann sich bei abgeklemmter Eingangsspannung das Gate über den Gatewiderstand und den zusätzlichen Widerstand entladen. Diese Entladung dauert bei 10nF Gatekapazität und 2x100k etwa 10ms, was bei manuellem Verpolen hinreichend schnell ist.
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.
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.
Verpolunschutz mit ÜberspannungsabschaltungAuf dem mikrocontroller.net findet sich auch noch eine Lösung, die Verpolschutz und Überspannungsabschaltung beinhaltet: http://www.mikrocontroller.net/Verpolungs- und Überspannungsschutz mit P-MOSFET