Bausatz: Weiche für zwei Spannungsquellen

Diese Schaltung ist nicht als unterbrechungsfreie Stromversorgung (USV) konzipiert, bei der bspw. eine angeschlossene Batterie ein ausfallendes, primäres Netzteil oder umgekehrt „unterbrechungsfrei“ ersetzt. Aufgrund der Umschaltzeit des MOSFETs muss mit einer Unterbrechung der Stromversorgung gerechnet werden. Diese Schaltung dient nur dazu, dass zwei Spannungsquelle angeschlossen sein dürfen und sich nicht gegenseitig beeinträchtigen.

Diese Schaltung ist für eine Stromversorgung mit einem USB-Netzteil mit ca. 5 Volt und einer Batterie-Versorgung mit 3 x 1,5-Volt-Batterien (4,0 bis 4,5 Volt) gedacht. Sie funktioniert auch mit ein paar Volt darüber. Unter 4 Volt arbeitet der MOSFET ineffizient, weshalb dann ein stabiler Betrieb nur eingeschränkt möglich ist.

Wenn eine Schaltung von zwei unterschiedlichen Spannungsquellen versorgt werden kann, wird häufig eine der beiden bevorzugt genutzt. Zum Beispiel ein Netzteil gegenüber einer Batterie. Dafür benötigt man eine Schaltung, die als Weiche für die beiden Spannungsquellen dient. In technischen Datenblättern wird das als Power Path Management bezeichnet.

Das Grundprinzip ist dabei relativ einfach: Es stehen zwei Spannungsquellen zur Verfügung, etwa ein Netzteil und eine Batterie. Solange die bevorzugte Quelle (z. B. das Netzteil) verfügbar ist, versorgt sie die Schaltung. Fällt diese jedoch aus, erfolgt automatisch eine Umschaltung auf die zweite Quelle, sodass die Versorgung weiterhin gewährleistet bleibt.

Damit sich in solchen Fällen die beiden Stromquellen nicht gegenseitig beeinflussen, bedarf es einer geeigneten Schutzbeschaltung, um einen unerwünschten Stromfluss zwischen den beiden Spannungsquellen zu vermeiden. Das ist der Rückstrom, auch Backfeeding genannt. Das kann zu Fehlfunktionen oder im schlimmsten Fall zu Schäden an den beteiligten Komponenten führen. Daher ist eine saubere Entkopplung der Spannungsquellen ein zentraler Bestandteil eines zuverlässigen Power Path Managements.

Eine einfache und zugleich elegante Möglichkeit zur Realisierung einer Spannungsversorgungs-Weiche (SV-Weiche) ist der Einsatz eines P-Kanal-MOSFETs in Kombination mit einer Diode. Diese Lösung ermöglicht eine verlustarme Umschaltung zwischen zwei Spannungsquellen und ist eine einfache Art des Power Path Managements.

Dabei übernimmt der P-Kanal-MOSFET im Idealfall die Funktion einer „idealen Diode“: Er lässt Strom in Durchlassrichtung mit sehr geringem Spannungsabfall fließen, sperrt jedoch zuverlässig in die Gegenrichtung. Die zusätzliche Diode D1 sorgt dafür, dass der Strom nur von der Spannungsquelle in die zu versorgende Schaltung fließt und kein Strom zurückfließen kann. Damit schützt sie die anderen angeschlossenen Schaltungen und Spannungsquellen.
Ein kleiner Haken: Die Diode D1 verursacht einen Spannungsabfall (typisch 0,2 bis 0,7 V je nach Typ).
Der Widerstand R1 sorgt dafür, dass das Gate im unbeschalteten Zustand auf GND liegt.

Bauteile

2 x 2er Klemmleiste (KF301), blau

MOSFET1: P-Kanal-MOSFET, z. B. BS250 bis maximal 100 mA
D1: Schottky-Diode oder Universal-Diode, z. B. 1N4007 oder 1N4148 (Universal-Dioden)
R1: Metallfilm-Widerstand, 10 kOhm (Braun-Schwarz-Schwarz-Rot-Braun)

Hinweis: Die Diode D1 sollte einen möglichst geringen Spannungsabfall haben. Dafür eignen sich am besten Schottky-Dioden (z. B. 1N5818, 1N5819 oder 1N5822). Wenn man keine hat, kann man auch eine Universal-Diode mit einem höheren Spannungsabfall verwenden.

Kennzeichnung und Anschlussbelegung

• Diode
• MOSFET
• Steckbrett und Zubehör zum Experimentieren

Bauteile

2 x 2er Klemmleiste (KF301), blau

MOSFET1: P-Kanal-MOSFET, z. B. BFQP27P06 bis maximal 3 A
D1: Schottky-Diode oder Universal-Diode, z. B. 1N4007 oder 1N4148 (Universal-Dioden)
R1: Metallfilm-Widerstand, 10 kOhm (Braun-Schwarz-Schwarz-Rot-Braun)

Hinweis: Die Diode D1 sollte einen möglichst geringen Spannungsabfall haben. Dafür eignen sich am besten Schottky-Dioden (z. B. 1N5818, 1N5819 oder 1N5822). Wenn man keine hat, kann man auch eine Universal-Diode mit einem höheren Spannungsabfall verwenden.

Kennzeichnung und Anschlussbelegung

• Diode
• MOSFET
• Steckbrett und Zubehör zum Experimentieren

Ein P-Kanal-MOSFET in Kombination mit einer Diode ist eine einfache und elegante Lösung für eine SV-Weiche. Allerdings müssen bei der Auswahl des P-Kanal-MOSFETs einige wichtige Kennwerte beachtet werden.

Gate-Source-Spannung (V_GS): Bestimmt, ob und wie stark der Transistor durchschaltet. Wichtig ist insbesondere die notwendige Gate-Spannung für vollständiges Durchschalten (nicht nur die Schwellspannung-Spannung!).

Schwellspannung (V_GS(th)): Gibt an, ab wann der MOSFET beginnt zu leiten.

Durchlasswiderstand R_DS(on): Er beeinflusst die Verlustleistung und damit die Effizienz der Schaltung. Ein möglichst niedriger R_DS(on) ist hier vorteilhaft. Wichtig zu beachten: R_DS(on) steigt mit der Temperatur (reale Betriebsbedingungen).

Maximale Drain-Source-Spannung (V_DS max): Sie muss höher sein als die maximale im Betrieb auftretende Spannung, inklusive möglicher Spannungsspitzen beim Einschalten oder Umschalten.

Maximal zulässiger Strom (I_D max): Gibt an, wie viel Strom der MOSFET dauerhaft (und ggf. kurzzeitig) führen kann.

Verlustleistung (P_tot): Die Verlustleistung erzeugt Wärme, die abgeführt werden muss. Wichtig für die thermische Auslegung.

In diesem Experiment wird eine Schaltung untersucht, die eine automatische Umschaltung zwischen zwei Spannungsquellen ermöglicht. Die Schaltung stellt sicher, dass die bevorzugte, primäre Spannungsquelle die Last versorgt. Wenn die nicht mehr angeschlossen ist, erfolgt automatisch eine Umschaltung auf die sekundäre Spannungsquelle. Sobald die Primäre Spannungsquelle wieder verfügbar ist, übernimmt diese erneut die Versorgung.

Die Besonderheit in diesem Aufbau sind die zwei Spannungsquellen.

1. Eine Spannungsquelle ist mit dem Gate-Anschluss des MOSFETs verbunden. Dabei handelt es sich um die primäre Spannungsquelle.
2. Die zweite Spannungsquelle ist mit dem Drain-Anschluss des MOSFETs verbunden. Dabei handelt es sich um die sekundäre Spannungsquelle.

Die sekundäre Spannungsquelle übernimmt, wenn die primäre Spannungsquelle nicht angeschlossen ist.

Mit diesem Experiment wollen wir diese Aussage überprüfen.

• Dazu brauchen wir zwei Spannungsquelle, die eine möglichst unterschiedliche Spannung haben.
• Bausatz: LED mit Vorwiderstand
• Optional: Mini-Voltmeter oder Messgerät zum Messen einer Spannung

Experiment 1

1. Primäre Spannungsquelle: ca. 5 Volt (z. B. USB-Netzteil)
2. Sekundäre Spannungsquelle: ca. 3,3 Volt (z. B. Spannungswandler)

Entferne die primäre Spannungsquelle am Gate-Anschluss des MOSFETs und stelle fest, ob die Umschaltung auf die sekundäre Spannungsquelle erfolgt ist (Messen der Spannung oder LED leuchtet).

Experiment 2

1. Primäre Spannungsquelle: ca. 5 Volt (z. B. USB-Netzteil)
2. Sekundäre Spannungsquelle: ca. 4,5 Volt (z. B. 3 x 1,5 Volt Batterien)

Entferne die primäre Spannungsquelle am Gate-Anschluss des MOSFETs und stelle fest, ob die Umschaltung auf die sekundäre Spannungsquelle erfolgt ist (Messen der Spannung oder LED leuchtet).