Durch Verpolung können elektrische Schaltungen schnell beschädigt werden. Lass uns deshalb einige einfache Verpolungsschutzschaltungen ansehen.
Verpolungsschutz
Die richtige Polarität ist wichtig. Fast alle Halbleiterbauelemente und Elektrolytkondensatoren sind empfindlich gegenüber Verpolung. Das versehentliche kurzzeitige Anlegen einer Rückwärtsspannung kann die Bauteile leicht zerstören. In diesem Artikel werden wir uns einfache Verpolungsschutzschaltungen mithilfe einer Diode ansehen.
Es gibt zwei verschiedene Möglichkeiten, die Diode in einer solchen Schutzschaltung zu nutzen:
- Die Diode in Reihe zur Last schalten
- Die Diode als Shunt parallel zur Last verwenden
Schauen wir uns diese beiden Möglichkeiten und ihre Vor- und Nachteile also einmal genauer an.
Diode in Serie
Die gebräuchlichste Verpolungsschutzschaltung besteht aus eine Diode, die in Reihe mit dem Stromkreis geschaltet wird. Bei Verpolung blockiert die Diode den Stromfluss und schützt so die angeschlossene Schaltung.
Ein Beispiel hierfür ist die Schutzschaltung für die Batteriebuchse des Arduino Uno. Wie im Bild gezeigt, befindet sich direkt neben der Buchse eine Diode. Sie dient als Schutz, falls eine negative Spannung über die Buchse eingespeist wird.
Link: Arduino Schaltplan
Diode als Shunt
Alternativ kann die Diode als Shunt verwendet werden. Ein Shunt ist ein alternativer niederohmiger Strompfad. Auf diesem Pfad kann der Strom im Falle einer Verpolung um den geschützten Stromkreis herum fließen.
Bei Dioden und LEDs ist ein typisches Beispiel hierfür der Einsatz einer sogenannten antiparallelen Diode. Wie im untenstehenden Schaltplan zu sehen ist, wird die Diode in der umgekehrten Richtung zur LED angeschlossen.
Unter normalen Bedingungen ist die Schutzdiode in Sperrichtung und der Strom fließt durch die LED. Im Falle einer Verpolung wird die Diode leitend und der Strom fließt stattdessen durch sie. Die LED ist geschützt.
Von der Theorie zur Praxis
Theoretisch ist die in Reihe geschaltete Diode der optimale Verpolungsschutz. Es ist eine einfache, aber wirksame Maßnahme, um Stromfluss in Sperrichtung zu verhindern. Es kommt jedoch auf die Praxis an. In der Praxis liegen die Dinge anders. Warum? Weil Dioden in der Praxis alles andere als perfekt sind:
- Dioden sind keine perfekten Leiter in Durchlassrichtung Der Spannungsabfall über der Diode in Durchlassrichtung quantifiziert die Unzulänglichkeit der Dioden in Bezug auf die Eigenschaft als perfekter Leiter. Bei Standard-Siliziumdioden beträgt dieser Spannungsabfall etwa 0,7 V und bei Schottky-Dioden etwa 0,3 V.
- Dioden sind keine perfekten Isolatoren in Sperrrichtung Der Leckstrom in Sperrrichtung gibt an, wie gut die Diode einen Stromfluss in Sperrrichtung unterdrücken kann. Eine Standarddiode hat einen Leckstrom von einigen Mikroampere. Schottky-Dioden haben einen wesentlich höheren Leckstrom im Bereich von mehreren Milliampere.
Effekt auf Diode in Serie
Immer, wenn man eine Diode in Reihe zu einem Stromkreis schaltet, wird die Versorgungsspannung um den Spannungsabfall an der Diode reduziert. Die verlorene Energie wird als Wärme in der Diode freigesetzt. Dies hat zur Folge, dass eine in Reihe geschaltete Diode sowohl bei niedrigen Spannungen, wie sie von einer einzelnen Batterie oder Knopfzelle geliefert werden, als auch bei hohen Strömen eine schlechte Wahl ist.
Der Leckstrom in Sperrrichtung über die Diode ist dagegen für die meisten Schaltungen vernachlässigbar. Es gibt jedoch eine große Ausnahme: LEDs und vergleichbare Halbleiterbauelemente mit einer geringen Durchbruchspannung. Auch wenn der Leckstrom durch die Schutzdiode gering ist, bedeutet dies nicht, dass die Spannung niedrig ist. Da LEDs in der Regel einen geringeren Leckstrom haben als Standarddioden, fällt der Großteil der angelegten Spannung über der LED und nicht über der Schutzdiode ab. Dadurch kann die Durchbruchspannung der LED trotz der Schutzdiode überschritten werden, wodurch sie mit der Zeit beschädigt wird und schließlich ganz kaputtgeht. Um dies zu verhindern, kann ein Widerstand parallel zur LED geschaltet werden. In der Regel ist es jedoch sinnvoller für LEDs, eine antiparallele Diode anstelle einer in Reihe geschalteten Diode zu verwenden.
Effekt auf Diode als Shunt
Für eine als Shunt genutzte Diode spielen diese Aspekte keine Rolle. Im Gegensatz zur in Reihe geschalteten Diode hat der Spannungsabfall im Normalbetrieb keine negativen Auswirkungen auf die Schaltung. Dadurch ist es möglich, diese Schutzmethode sowohl in Niederspannungs- als auch in Hochstromkreisen zu verwenden. Erst wenn eine Rückwärtsspannung angelegt wird, wird der Spannungsabfall in Durchlassrichtung relevant. Die Diode begrenzt die an den geschützten Schaltkreis angelegte Spannung auf diesen Wert. Für die meisten Stromkreise sind 0,3 - 0,7 V Rückwärtsspannung akzeptabel.
Ist eine Diode als Shunt deshalb die bessere Lösung? Nun, in Bezug auf die Unzulänglichkeiten von Dioden ja, aber der Aufbau der Schaltung bringt einen großen Nachteil mit sich. Ein Shunt stoppt den Stromfluss nicht. Wenn eine Rückwärtsspannung angeschlossen wird, schließt die Diode die Spannungsquelle kurz, was zu Schäden führen kann. An diesem Punkt braucht man also entweder einen Strombegrenzungswiderstand wie in der obigen LED-Schaltung oder eine Art von Kurzschlussschutz wie z.B. eine Schmelzsicherung:
Um zu vermeiden, dass die Sicherung nach einer Verpolung ausgetauscht werden muss, kann eine selbstrückstellende PTC-Sicherung eine gute Alternative sein. Damit eine Sicherungsschaltung funktioniert, muss die Diode so dimensioniert sein, dass sie dem Stromfluss standhält, bis die Sicherung auslöst. Eine PTC-Sicherung ist meist langsamer. Das erhöht die Belastung für die Diode. Dioden erzeugen glücklicherweise in aller Regel einen Kurzschluss, wenn sie kaputtgehen. Das bedeutet, dass der Hauptstromkreis auch dann noch geschützt ist, wenn die Diode überlastet wird. Die Diode muss in diesem Fall jedoch ersetzt werden.
Zusammenfassung
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass eine in Reihe geschaltete Diode nach wie vor die einfachste Lösung für Schaltungen ist, die nicht viel Strom benötigen und nicht in einem engen Spannungsrahmen arbeiten. Für LED-Schaltungen ist die Verwendung einer antiparallelen Diode die beste Lösung. Für andere Schaltungen gibt es keine einfache Antwort. Ist man bereit, im Zweifelsfall die Diode zu opfern, in eine Sicherung zu investieren oder hat ohnehin einen Kurzschlussschutz, dann kann die Verwendung einer Diode als Shunt eine Option sein.
Wenn beide Optionen nicht funktionieren, ist es sinnvoll, sich stattdessen mit MOSFETs als Verpolungsschutz zu befassen. Ein in Reihe geschalteter MOSFET kann den Stromfluss in Rückwärtsrichtung blockieren und ermöglicht im Normalbetrieb viel höhere Ströme und weniger Verlustleistung. Damit kommt er einer echten idealen Diode sehr viel näher. Es gibt sogar fertige ICs, die als ideale Dioden vermarktet werden und dem Anwender die Aufgabe erleichtern, eine Schaltung für die korrekte Ansteuerung des Schutz-MOSFETs zu entwerfen.
Die beste und einfachste Möglichkeit bleibt jedoch immer noch die Verwendung eines Steckers, der von vornherein gar nicht erst verkehrt herum eingesteckt werden kann.
