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Verploungsschutz - Schutzschaltung gegen Verpolung

Verpolungsschutz Schaltungen

Schnell kann es passieren, dass beim Anschließen von einer Schaltung Plus und Minus vertauscht werden. Oder es wird eine Batterie versehentlich verkehrt in den Batteriehalter eingelegt. Dadurch kann nicht nur die angeschlossene Schaltung beschädigt werden, sondern aufgrund eventuell entstehender Kurzschlüsse auch andere Komponenten im Stromkreis zerstört werden. Um dies zu verhindern, gibt es den sogenannten Verpolungsschutz. In diesem Artikel geht es um viele verschiedene Beispiele, wie eine Schaltung oder ein Gerät gegen ein verpoltes Anschließen geschützt werden kann.

Verpolungsschutz mit einer Diode

Eine Diode lässt den Strom nur in eine Richtung fließen (mit Ausnahme vom Sperrstrom), weshalb sich eine übliche Diode bereits als einfacher Schutz gegen eine Verpolung eignet. Allerdings gibt es bei der Serienschaltung einer Diode auch Nachteile, die sich besonders auf Schaltungen mit kleinen Betriebsspannungen auswirkt. An einer herkömmlichen Silizium-Diode fallen etwa 0,7 Volt ab, was für die nachfolgende Schaltung eventuell ein Problem darstellt. Durch den Spannungsabfall und den Strom wird die Diode im laufenden Betrieb warm. Diese Variante ist daher nur für Schaltungen mit einem geringen Strom geeignet. Für diese Schaltung kann zum Beispiel eine Gleichrichterdiode verwendet werden, sofern die Durchbruchspannung und der maximale Strom nicht überschritten werden. Die meisten Dioden haben eine Spannungsfestigkeit von über 30 Volt bis hin zu mehren Hundert Volt. Der folgende Schaltplan zeigt einen einfachen Verpolungsschutz mit einer Diode:

Verpolungsschutz mit einer Diode

Diode mit Schmelzsicherung

Eine alternative Lösung wäre die Schaltung einer Diode antiparallel zur Energieversorgung. Hinzu kommt zusätzlich noch eine Schmelzsicherung zwischen Spannungsquelle und Diode. Vorteil dieser Schaltung ist, dass Sie gegenüber der ersten Variante keinen Spannungsabfall hat. Ist die Polung richtig, so fließt auch kein Strom über die Diode. Kommt es zu einer Verpolung, so erzeugt die Diode einen Kurzschluss. In weitere Folge löst dadurch die Sicherung aus und trennt den Stromkreis. Abgesehen von einer defekten Sicherung hat diese Variante auch einige Nachteile:

Sicherungen sind träge, deshalb fließt während der Verpolung ein extrem hoher Strom, was zu einem Einbruch der Spannung führt. Bis die Sicherung durchbrennt, können oft einige Sekunden vergehen. Dadurch können andere Komponenten, welche an der gleichen Spannungsquelle liegen, beschädigt werden. Im Automotive-Bereich oder in der Industrie sind solche Schaltungen zum Teil verboten. Die Diode ist so zu dimensionieren, dass sie den Kurzschlussstrom bis zum Auslösen der Sicherung problemlos standhalten kann. Der Schaltplan sieht wie folgt aus:

Verpolungsschutz mit Schmelzsicherung

Diode mit Rückstellsicherung (PPTC)

In der zweiten Variante wird bei jeder Verpolung die Schmelzsicherung beschädigt und muss ausgetauscht werden. Es gibt auch thermische Sicherungen, die ab einem bestimmten Stromfluss zu warm werden und abschalten. Nach der Abkühlphase ist diese Sicherung wieder einsatzbereit. Bis auf den Sicherungstausch bleiben alle Nachteile aus der zweiten Variante bestehen.

Verploungsschutz mit Rückstellsicherung

Verpolungsschutz mit Relais

Eine weitere Möglichkeit zum Schutz einer Verpolung bietet ein Relais. Hier wird einfach eine Diode in Serie zum Relais geschaltet. Der Vorteil dieser Schaltung ist, dass es zu keinem Kurzschluss und den daraus entstehenden Spannungseinbruch kommt. Wird diese Schaltung verpolt angeschlossen, so bekommt die Relaisspule keinen Strom und das Relais schaltet nicht durch. Trotzdem hat auch diese Schaltung einige Nachteile:

Das Relais hat im aktiven Zustand einen bestimmten Stromverbrauch. Die Schaltung ist daher für den Batteriebetrieb nicht besonders effizient. Außerdem handelt es sich hierbei um ein mechanisches Bauteil, dass sich abnützen kann. Durch die Mechanik entsteht eine kleine Einschaltverzögerung. Für das Relais ist auch ein erheblicher Platzbedarf notwendig. Die Schaltung sieht wie folgt aus:

Verpolungsschutz mit Relais

Verpolungsschutz mit N-MOSFET

Mit einem N-Kanal MOSFET kann ein recht einfacher und günstiger Verpolungsschutz realisiert werden. Liegt am Gate eine höhere Spannung an als am Drain, so schaltet der MOSFET durch. Bei kleinen Spannungen von 10-20 Volt kann das Gate vom MOSFET direkt über den Widerstand R1 angeschlossen werden. Der Widerstand dient zur Strombegrenzung und kann einen Wert von einigen Hundert Ohm bis hoch zu einhundert Kiloohm haben. Liegt die Eingangsspannung über 20 Volt, muss die Gate-Spannung reduziert werden. Dies kann mit einem Spannungsteiler aus Widerstand und Z-Diode leicht realisiert werden. Die höchst zulässige Gatespannung findet man im Datenblatt des jeweiligen MOSFETs.

Achtung: Neben der maximalen Gatespannung gibt es auch eine minimale Gatespannung, die der MOSFET braucht, um voll durchzuschalten. Die meisten MOSFETs benötigen um die 10 Volt Gate-Spannung (mit Ausnahme der IRL-MOSFETs). Dieser Verpolungsschutz eignet sich daher nur für Schaltungen, deren Betriebsspannung so hoch ist, dass der MOSFET voll durchschalten kann.

Ein weiterer Nachteil dieser Schaltung ist, dass der MOSFET am Minuspol liegt. Gibt es in der Schaltung eine Masseverbindung zum Minuspol, so wird er MOSFET überbrückt und ist nutzlos. Auch das Trennen der Masseverbindung ist teilweise nicht erwünscht bzw. erlaubt. Der Verpolungsschutz mit einem N-Kanal MOSFET kann wie folgt aufgebaut werden:

Verpolungsschutz mit N Kanal MOSFET

Verpolungsschutz mit P-MOSFET

Anstelle des N-Kanal MOSFETs kann auch ein P-Kanal MOSFET angeschlossen werden. Damit wird das Problem mit der Masseverbindung gelöst und die Schaltung kann in vielen Bereichen eingesetzt werden. Auch hier gibt es einen Widerstand für die Strombegrenzung. Eventuell muss auch die Gate-Spannung angepasst werden. Nachteile dieser Schaltung sind lediglich die etwas höheren Kosten und der größere Innenwiderstand gegenüber dem N-Kanal MOSFET. Die Schaltung sieht wie folgt aus:

Verpolungsschutz mit P Kanal MOSFET

Vorsicht bei Pufferkondensatoren

Bei vielen Schaltungen sind Stützkondensatoren verbaut, die zum Stabilisieren bzw. Glätten der Spannung dienen. Diese Kondensatoren können oft einige Sekunden (selten auch Minuten) bis zur vollständigen Entladung brauchen. In dieser Zeit bleibt der MOSFET weiterhin offen und es können Rückströme richtung Spannungsquelle fließen.


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