Verpolungsschutz

Oft arbeitet man mit Schaltungen / Boards die über keinen Verpolungsschutz, durch zum Beispiel codierte Buchsen, verfügen (siehe Foto). In diesen Fällen sollte man darüber nachdenken einen elektronischen Verpolungsschutz vorzusehen um Schäden von der Hardware durch Falschgebrauch abzuwenden. In diesem Artikel möchte ich euch eine sehr einfache und vor allem überaus effiziente Methode zur Realisierung eines Verpolungsschutzes vorstellen, der mit nur zwei diskreten Bauelementen auskommt.

verpolungssichere(r) Stecker/Buchse

Eine sehr effektive und elegante Methode eines Verpolungsschutzes ist die eines P-Kanal MOSFET Transistors, der in die Zuleitung der zu sichernden Schaltung platziert wird. Die nachfolgende Abbildung zeigt die Anordnung, die aus einem einfachen PMOS einen Verpolungsschutz macht:

Der Schlüssel zum Verständnis der Funktionsweise liegt in der eingebauten Schutzdiode des FET (wird auch als Bulkdiode bezeichnet). Betrachten wir also die zwei anzunehmenden Fälle, die auftreten werden. Beginnen wir mit der Situation, dass die Versorgungsspannung richtig herum angeschlossen wird:

In diesem Fall ist die Bulkdiode in Durchlassrichtung geschaltet und folglich wird leitend. Somit kann sich am Source des PMOS (auf der Seite der Kathode der Bulk-Diode, Boardseitig) ein Potential (entsprechend der angeschlossenen Spannung) einstellen. Das Potential des Gates wird über den Pulldown-Widerstand R_1 auf Ground gezogen. Das Potential am Gate ist dementsprechend niedriger als das am Source des PMOS. Sobald diese Differenz größer ist als U_{GS(Th)} (Gate-Source-Threshold, im Datenblatt des PMOS zu finden) wird der Transistor leitend. Jetzt wird die Bulkdiode des Transistors gebrückt und der r_{DS(on)} (niederohmiger Reihenwidertsand im leitenden Zustand) des FET wird wirksam. Da der Einschaltwiderstand r_{DS(on)} eines MOSFET sehr klein ist (milli Ohm Bereich), fällt am FET kaum Spannung ab und die eigentliche Schaltung des Boards wird versorgt 🙂

Wird die Versorgungsspannung hingegen falsch herum an das System angeschlossen, so kann kein Stromfluss zustande kommen:

Sowohl die Bulkdiode als auch der Source-Drain-Kanal des FET sperren, denn am Source des FET stellt sich aufgrund der sperrenden Bulkdiode kein der Eingangsspannung entsprechendes Potential ein, was wiederum dazu führt, dass die Spannung Ugsth nicht überwunden und der Transistor eben genau nicht leitet. Der Verpolungsschutz ist aktiv 🙂


Ein denkbarer FET, der für den Verpolungsschutz zum Einsatz kommen könnte, wäre der IRF 5305, welchen es bei Reichelt für circa 0,60€ gibt. Er hat einen r_{DS(on)} von gerade mal 60 mOhm bei -10V U_{GS}.


Vorsicht bei großen Kapazitäten – Diese Art des Verpolungsschutz ist nicht geeignet, wenn auf der Lastseite große Kapazitäten liegen! Diese laden sich im Betrieb auf und lassen den FET auch bei abgezogener Spannungsversorgung noch für eine gewisse Zeit leitend. Wenn nun die Batterie etc. pp. falsch herum angeschlossen werden, dann können große Ströme fließen und Bauteile des Gerätes können Schaden davon tragen!

Alternative: Schottky Diode

Die denkbar einfachste Variante ist natürlich einfach eine Schottky-Diode in die Versorgungsleitung zu setzen. Hier fällt dann allerdings je nach Typ mehr Spannung ab (siehe Diodenkennlinie des verwendeten Typs) als bei der Methode mit einem P-Kanal-MOSFET. Bei der Auswahl der Schottky-Diode ist besonders auf die Sperrspannung zu achten! Diese sollte natürlich so groß sein wie möglich, damit die Diode nicht zerstört wird, wenn die Versorgungsspannung verkehrt herum angeschlossen wird.

Leave a Comment