Bausatz: Weiche für zwei Spannungsquellen

Eine Schaltung oder ein elektronisches Gerät kann nicht ohne Weiteres von zwei unterschiedlichen Spannungsquellen gleichzeitig versorgt werden. Zwei Spannungsquellen dürfen nicht einfach so parallel geschaltet werden. Je nach Spannungsverhältnis können dabei hohe Ausgleichsströme fließen, die Spannungsquellen oder angeschlossene Bauteile beschädigen können.

Es gibt jedoch Schaltungen, mit denen sich zwei Spannungsquellen so kombinieren lassen, dass eine Quelle bevorzugt verwendet wird und die zweite als Standby-Versorgung dient. Fällt die bevorzugte Spannungsquelle aus, versorgt die zweite Spannungsquelle automatisch die zu versorgende Schaltung.

Ein typisches Anwendungsbeispiel ist eine Schaltung, die grundsätzlich von einer Batterie versorgt wird. Ist jedoch ein Netzteil verfügbar, soll das die primäre Versorgung übernehmen, um die Batterie zu schonen.

Für eine solche Anwendung benötigt man eine Schaltung, die die beiden Spannungsquellen voneinander entkoppelt und die jeweils verfügbare Quelle zur Versorgung verwendet. Dieses Prinzip wird als Power Path Management bezeichnet. Eine einfache Ausführung wird häufig als Spannungsversorgungs-Weiche (SV-Weiche) bezeichnet.

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.

Das Grundprinzip ist einfach: Es stehen zwei Spannungsquellen zur Verfügung. Zum Beispiel ein Netzteil und eine Batterie. Wenn die bevorzugte Quelle, etwa das Netzteil, verfügbar ist, versorgt das die Schaltung. Ist es nicht angeschlossen, dann übernimmt die Batterie die Versorgung.

Eine einfache Möglichkeit zur Realisierung einer solchen Weiche ist die Kombination aus einem P-Kanal-MOSFET und einer Diode. Der MOSFET übernimmt dabei im Wesentlichen die Funktion einer verlustarmen, elektronisch gesteuerten Diode. Im eingeschalteten Zustand kann der Strom mit einem sehr kleinen Spannungsabfall durch den MOSFET fließen. Gleichzeitig verhindert die Schaltung einen Stromfluss in die andere Richtung.

Dabei sind die beiden Spannungsquellen nicht direkt miteinander verbunden. Die Schaltung verhindert, dass Strom von einer Spannungsquelle zurück in die jeweils andere fließt. Ein solcher unerwünschter Stromfluss wird als Rückstrom oder Backfeeding bezeichnet. Er kann zu Fehlfunktionen und unter Umständen zu Schäden an den beteiligten Komponenten führen.

Die Diode D1 dient zur Entkopplung der primären Spannungsquelle. Sie sorgt dafür, dass diese Quelle die Versorgung übernehmen kann, ohne dass bei einem niedrigeren Pegel an dieser Spannungsquelle ein Strom von der Batteriespannung zurück in das Netzteil fließt.

Der Widerstand R1 legt das Gate des MOSFETs auf GND, wenn keine andere Spannung am Gate anliegt. Dadurch wird der MOSFET in diesem Zustand eingeschaltet.

Ein Nachteil dieser einfachen Schaltung ist der Spannungsabfall an D1. Je nach Diodentyp und Strom beträgt er typischerweise etwa 0,2 bis 0,7 V. Dieser Spannungsabfall muss bei der Auslegung der Versorgung berücksichtigt werden.

Die Funktionsweise lässt sich anhand der beiden Betriebszustände erklären.

Wenn die primäre Spannungsquelle vorhanden ist

Solange die primäre Spannungsquelle anliegt, fließt der Strom über die Diode D1 zum Ausgang. Das gilt, solange die sekundäre Spannung niedriger ist als die primäre Spannung abzüglich des Spannungsabfalls an D1.

Dadurch liegt die Ausgangsspannung über dem Potential der sekundären Quelle. Die Body-Diode des P-Kanal-MOSFETs ist dadurch in Sperrrichtung gepolt: Sie blockiert einen möglichen Stromfluss von der sekundären Quelle zum Ausgang. Solange die primäre Versorgung aktiv ist, bleibt der MOSFET damit gesperrt und es kann kein Strom aus der sekundären Quelle fließen.

Wenn die primäre Spannungsquelle ausfällt

Fällt die primäre Spannungsquelle aus, sperrt die Diode D1. Sie verhindert, dass Strom aus der sekundären Quelle bzw. vom Ausgang zurück in die (ausgefallene) primäre Spannungsquelle fließen kann (wenn die Spannung zu gering ist).

Das Gate des MOSFETs wird über den Widerstand R1 auf GND gezogen. Da der Source-Anschluss, verbunden mit der sekundären Spannungsquelle, nun auf einem höheren Potential liegt als GND, entsteht eine ausreichende Gate-Source-Spannung, um den P-Kanal-MOSFET einzuschalten.

Vor diesem Einschalten fließt der Strom kurzzeitig über die Body-Diode des MOSFETs, da die sekundäre Spannung höher liegt als die Ausgangsspannung. Sobald der MOSFET durch die genannte Gate-Source-Spannung einschaltet, überbrückt sein niederohmiger Kanal die Body-Diode. Der Strom fließt dann hauptsächlich über diesen Kanal, wodurch der Spannungsabfall deutlich geringer ausfällt als über eine normale Diode.

Zur Diode D1

Für die Entkopplung der beiden Spannungsquellen ist außerdem die Rückwärtssperre der verwendeten Diode wichtig.

• Eine Schottky-Diode hat zwar eine geringe Durchlassspannung, weist je nach Typ aber einen höheren Rückwärtsleckstrom auf als eine normale Siliziumdiode.
• Wenn ein möglichst geringer Rückstrom in die abgeschaltete Versorgung gefordert ist, ist eine normale Diode mit geringerem Sperrstrom aber höherer Durchlassspannung besser. Welche Diode tatsächlich sinnvoll ist, hängt vom zulässigen Rückstrom, dem Betriebsstrom und dem akzeptablen Spannungsabfall ab.

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. FQP27P06 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).

Diese Lösung eignet sich für Projekte und Anwendungen, die sowohl stationär über USB-C als auch mobil über Batterien betrieben werden sollen.

Solange die bevorzugte Spannungsquelle, also das USB-C-Netzteil, verfügbar ist, versorgt es das angeschlossene Gerät. Wird das Netzteil entfernt oder fällt aus, erfolgt automatisch eine Umschaltung auf die Batterie.

• SV-Weiche für USB-C-Netzteil und Batterie