Durch Verpolung können elektrische Schaltungen leicht beschädigt werden. Lass uns also einige einfache Verpolungsschutzschaltungen ansehen.
Verpolungsschutz
Die richtige Polarität ist entscheidend. Fast alle Halbleiterbauelemente und auch Elektrolytkondensatoren sind empfindlich gegenüber Verpolung. Geräte wie der Arduino Uno können durch Anlegen einer Rückwärtsspannung leicht zerstört werden. In diesem Tutorial werden wir uns ansehen, wie man eine Schaltung mithilfe von Dioden gegen Verpolungen schützen kann.
Wir werden eine Beispielschaltung mit einer LED und einer 9-V-Batterie verwenden. LEDs sind auch Dioden und leiten keinen Strom, wenn sie in Sperrrichtung betrieben werden. LEDs sind jedoch nicht dafür ausgelegt, als Gleichrichter eingesetzt zu werden. In vielen LED-Datenblättern wird eine Durchbruchspannung von 5 V bei einem zulässigen Strom von nur wenigen Mikroampere angegeben. Der Hersteller sagt damit im Wesentlichen: "Bitte legen Sie niemals eine höhere Rückwärtsspannung an unsere LEDs an". Wenn wir die Batterie verkehrt herum anschließen, könnte die Rückwärtsspannung von 9 V die LED theoretisch bereits zerstören. In der Praxis ist ein Durchbruch bei 5 V unwahrscheinlich. Die tatsächliche Durchbruchspannung liegt in der Regel bei 30 V und mehr. Entscheidend ist, dass es dafür keine Garantie gibt. Wenn wir die 5 V überschreiten, arbeiten wir außerhalb der Spezifikation. Die LED kann dann schneller altern und je nach Alter, Konstruktion oder Temperatur kann ein Durchbruch auch bereits bei niedrigeren Spannungen eintreten. Wie auch immer, die LED ist nur ein Beispiel. Wenn man sie durch einen Mikrocontroller ersetzt, kann man sich ziemlich sicher sein, dass dieser beim Anlegen einer Rückwärtsspannung von 9 V durchbrennt. Sehen wir uns also einige Verpolungsschutzschaltungen an.
Diode in Reihe
Der einfachste Weg, eine Schaltung gegen Verpolung zu schützen, ist es, eine Diode in Reihe zu schalten. Eine in Sperrrichtung gepolte Diode lässt keinen Stromfluss zu, sodass die angeschlossene Schaltung bei Anlegen einer Rückwärtsspannung stromlos ist und nicht beschädigt wird. Diese einfache Lösung ist im nachfolgenden Schaltplan dargestellt.
Diese Schaltung ist wahrscheinlich die am meisten genutzte Verpolungsschutzschaltung und wird in vielen Produkten verwendet. Ein Beispiel dafür ist die Hohlbuchse des Arduino Uno. Wie in der Abbildung unten dargestellt, befindet sich direkt neben der Buchse eine Diode zum Schutz des Arduino vor einer versehentlich angelegten Rückwärtsspannung. Dieser Schutz gilt jedoch nur für die Hohlbuchse. Wenn man die Rückwärtsspannung direkt an den Pin VIN anlegt, kann man den Arduino Uno trotzdem noch zerstören.
Die Verwendung einer Verpolungsschutzdiode in Serie zu einer Schaltung besticht durch Einfachheit und die Tatsache, dass beim Anlegen einer Rückwärtsspannung kein Strom fließt. Diese Lösung hat jedoch einige Nachteile. Der Spannungsabfall über der Diode beträgt bei einer normalen Siliziumdiode etwa 0,7 V. Dies ist besonders bei niedriger Versorgungsspannung ein Problem.
Wenn man einen 3,3-V-Mikrocontroller mit einer Lithium-Polymer-Batterie betreiben will, bekommt man Probleme, wenn man eine Schutzdiode hinzufügen möchte. Normalerweise benötigt man eine Spannung von etwa 3,5 V, wenn man einen guten Low-Dropout-Spannungsregler zur Erzeugung der 3,3-V-Versorgungsspannung verwendet. Eine Lithium-Polymer-Zelle erreicht eine Spannung von 4,2 V, wenn sie voll geladen ist. Bei einem Spannungsabfall von 0,7 V über der Schutzdiode befindet man sich auch bei einer voll geladenen Batterie bereits bei der minimalen Betriebsspannung von 3,5 V für den Spannungsregler. Eine Schottky-Diode ist hier eine Verbesserung, aber der Spannungsabfall ist immer noch problematisch. In der Praxis besteht die Lösung darin, einfach einen verpolungssicheren Steckverbinder für die Batterie zu verwenden. Dadurch wird eine Verpolung effektiv verhindert, ohne dass zusätzliche Elektronik erforderlich ist.
Auch wenn die Versorgungsspannung kein Thema ist, gibt es noch einen Punkt zu berücksichtigen: die Verlustleistung der Diode. Da die Diode in Reihe geschaltet ist, muss der gesamte Strom durch die Diode fließen. Die Diode muss dafür ausgelegt sein, den von der Schaltung benötigten Strom durchzuleiten. Darüber hinaus kann ein zusätzlicher Energieverbrauch durch die Diode entstehen.
Für unsere einfache LED-Schaltung ist dies kein Problem. Nehmen wir an, dass die LED mit einem konstanten Strom von 20 mA betrieben wird. Wir tun dies der Einfachheit halber, der tatsächliche Strom in der oben gezeigten Schaltung beträgt etwa 13,4 mA. Nehmen wir ferner einen konstanten Spannungsabfall von 2,0 V über der LED und von 0,5 V über der Diode an. Ohne Diode müssen die verbleibenden 7 V über den Widerstand abfallen. Betrachten wir die Verlustleistung, so werden etwa 40 mW von der LED verbraucht und 140 mW über den Widerstand abgeleitet. Wenn wir eine Diode hinzufügen und die Helligkeit der LED beibehalten wollen, müssen wir den Strom von 20 mA auch beibehalten. Dazu müssen wir den Widerstandswert anpassen. Die Gesamtleistungsaufnahme bleibt gleich und beträgt immer noch \(P_{tot} = 9 V \cdot 20 mA = 180 mW\). Die 140 mW, die durch den Widerstand als Wärme abgeleitet wurden, werden nun aufgeteilt. 14 mW werden durch die Diode und 126 mW durch den Widerstand abgeleitet.
Wie du siehst, macht die Diode hier keinen Unterschied im Energieverbrauch. Das liegt aber nur an der Art und Weise, wie der strombegrenzende Widerstand in dieser Schaltung arbeitet. Die verbleibende Leistung wird buchstäblich durch den Widerstand verheizt. Bei anderen Schaltungen ist dies anders. Wenn wir einen richtigen LED-Treiber verwenden würden, würde die Schutzdiode einen zusätzlichen Energieverbrauch verursachen.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass eine in Reihe geschaltete Diode eine suboptimale Lösung für Anwendungsfälle ist, bei denen die Versorgungsspannung oder der Energieverbrauch kritisch ist. Glücklicherweise ist dies für viele gängige Anwendungen nicht der Fall, und daher ist eine in Reihe geschaltete Diode immer noch einer der gebräuchlichsten Schutzmechanismen gegen Verpolung.
Dioden als Shunt
Schauen wir uns eine alternative Lösung an, die unter normalen Betriebsbedingungen keine negativen Effekte hat. Eine Diode kann als Shunt verwendet werden. Ein Shunt ist ein niederohmiger alternativer Strompfad. Auf diesem Pfad kann der Strom bei umgekehrter Polarität um den geschützten Stromkreis herum fließen.
Ein typisches Beispiel für Dioden und LEDs ist die Verwendung einer parallelgeschalteten Diode. Wie im Schaltplan unten zu sehen ist, wird die Diode in umgekehrter Richtung zur LED eingebaut.
Unter normalen Bedingungen ist die Schutzdiode in Sperrrichtung gepolt und der Strom fließt vollständig durch die LED. Im Falle einer Rückwärtsspannung wird die Diode leitend und begrenzt die Spannung über der LED auf 0,7 V. Die LED ist geschützt. Diese Methode setzt voraus, dass die Schaltung nicht durch Rückwärtsspannungen, die kleiner als die Durchlassspannung der Diode sind, beschädigt wird. Dies ist nicht bei allen Komponenten der Fall. Ein Beispiel ist der Mikrocontroller ATMega328P, der auf dem Arduino Uno verwendet wird und nur eine Rückwärtsspannung von 0,5 V verträgt. Der Einsatz einer Schottky-Diode sollte dieses Problem jedoch in fast allen Fällen lösen.
Der Vorteil dieser Lösung besteht darin, dass die Diode im Normalbetrieb keine negative Wirkung hat und bei Verpolung trotzdem Schutz bietet. Der Nachteil ist, dass auch bei Anlegen einer Rückwärtsspannung noch Strom fließt. Die Diode muss in der Lage sein, genügend Leistung abzuführen. Da die Diode einen geringeren Spannungsabfall als die LED hat, ist der Strom im Falle der Verpolung höher als unter normalen Bedingungen. In unserer Beispielschaltung ist dies kein großes Problem, da der Widerstand den Strom begrenzt. Wenn eine Schaltung jedoch einen hohen Strom benötigt, brauchen wir eine andere Lösung.
Unten ist ein Schaltplan für einen Stromkreis zu sehen, der zusätzlich eine Sicherung verwendet. Wenn eine Sperrspannung angelegt wird, wird die Diode leitend und ein hoher Strom kann durch die Diode fließen. Über eine lange Zeit würde dies die Diode zerstören, aber wenn die Sicherung richtig dimensioniert ist, brennt sie durch, bevor dies geschieht. Der Stromkreis ist nun von der Stromversorgung getrennt und es fließt kein Strom mehr.
Der Vorteil ist, dass der Stromkreis stromlos ist, sobald die Sicherung durchbrennt. Der Nachteil ist, dass die Sicherung irreparabel zerstört wird und ersetzt werden muss. Zusätzlich müssen sowohl die Diode als auch die Stromversorgung in der Lage sein, den hohen Strom zu bewältigen, der fließt, bis die Sicherung schließlich durchbrennt.
Eine komfortablere Lösung ist hier eine selbstrückstellbare PPTC-Sicherung. Der PPTC begrenzt den Strom, sobald er sich durch den hohen Stromfluss, der durch die Verpolung und die leitende Schutzdiode verursacht wird, erhitzt. Sobald die Spannung unter 0,7 V fällt, sperrt die Diode jedoch den Stromfluss und der PPTC kühlt wieder ab. Die Spannung über der Diode steigt wieder, ein Strom fließt und der PPTC erhitzt sich wieder. Letztendlich stellt sich ein Gleichgewicht bei einem relativ niedrigen Strom ein. Der Stromfluss wird jedoch nicht vollständig blockiert. Ich habe dies mit einer 0,5-A-PPTC-Sicherung ausprobiert, und der Strom wurde dabei auf etwa 45 mA begrenzt. Die Diode kommt damit gut zurecht, es wird jedoch immer noch etwas Energie verschwendet. Es ist wichtig zu beachten, dass eine PPTC-Sicherung länger braucht als eine normale Sicherung, bevor sie sich erwärmt und der Stromfluss begrenzt. Die Diode muss folglich in der Lage sein, den anfänglich hohen Strom über einen längeren Zeitraum auszuhalten und sollte hierfür korrekt dimensioniert sein.
