Bausatz: Verpolungsschutz mit P-Kanal-MOSFET

In vielen Schaltungen sind Kondensatoren verbaut, die zum Stabilisieren bzw. Glätten der Spannung dienen. Diese Kondensatoren können oft einige Sekunden oder auch Minuten nach der Abschaltung bis zur vollständigen Entladung Rückströme in Richtung Spannungsquelle fließen lassen.

Die einfachste Lösung für einen Verpolungsschutz ist eine in Reihe geschaltete Diode, die bei falscher Polung sperrt, jedoch einen Spannungsabfall von ca. 0,7 Volt verursacht. Deshalb verwendet man oft eine Schottky-Diode, bei der der Spannungsabfall geringer ist. Effizienter ist nur noch ein P-Kanal-MOSFET, bei dem kaum Verluste entstehen.

Der Verpolungsschutz mit einem P-MOSFET nutzt eine Besonderheit des Bauteils: die integrierte Body-Diode.

Kurzbeschreibung der Funktionsweise eines P-Kanal-MOSFET-Verpolschutzes:

• Bei korrekter Polung liegt die Eingangsspannung (+VCC) am Drain-Anschluss an. Zunächst leitet die interne Body-Diode und hebt die Source-Spannung leicht an. Dadurch wird die Gate-Source-Spannung negativ, sodass der MOSFET durchschaltet. Anschließend fließt der Strom nahezu verlustarm über den leitenden MOSFET-Kanal (Drain–Source), während die Body-Diode keine wesentliche Rolle mehr spielt.
• Bei der Verpolung sind Plus und Minus vertauscht. Die Body-Diode ist jetzt in Sperrrichtung geschaltet. Es ist kein Stromfluss möglich. Die nachfolgende Schaltung ist geschützt. Die Body-Diode übernimmt die Schutzfunktion bei falscher Polung.

Bauteile

1 x 3er Klemmleiste (KF301), rot

MOSFET1: P-Kanal-MOSFET, z. B. BS250 bis maximal 100 mA oder FQP27P06 bis maximal 3 A

Kennzeichnung und Anschlussbelegung

• MOSFET
• Steckbrett und Zubehör zum Experimentieren

Ein P-Kanal-MOSFET als Verpolungsschutz ist eine elegante Lösung. Allerdings sind ein paar Kennwerte zu beachten.

Drain-Source-Spannung (V_DS): Das Drain-Source-Spannung ist die maximal zulässige Spannung zwischen Drain und Source. Bei Verpolung liegt diese Spannung am MOSFET an. Deshalb muss sie größer sein als die maximale Betriebsspannung, inklusive einer Reserve mit einem Faktor von 1,5 bis 2.

Maximale Gate-Source-Spannung (V_GS_max): Das Gate-Source-Spannung ist die maximal zulässige Spannung zwischen Gate und Source. Bei Verpolung liegt diese Spannung am MOSFET an. Deshalb muss sie größer sein als die maximale Betriebsspannung, inklusive einer Reserve mit einem Faktor von 1,5 bis 2.
Oft ergänzt man hier noch eine Z-Diode zwischen Gate und Source.

Einschaltwiderstand R_DS(on): Der MOSFET ersetzt oft eine Diode, über die eine Spannung abfällt. Doch auch zwischen Drain und Source kann eine Spannung abfallen und eine Verlustleistung entstehen.

Deshalb gilt, je kleiner, desto besser. Gerade bei höheren Strömen ist das extrem wichtig.

Einschaltspannung V_GS(th): Die Einschaltspannung sagt, ab welcher Spannung der MOSFET minimal anfängt zu leiten, aber nicht ab wann er gut leitet.
Deshalb ist es wichtig, den R_DS(on) bei der tatsächlichen Gate-Spannung zu betrachten.

Drain-Strom I_D: Der Drain-Strom ist der maximal zulässige Strom, der durch den MOSFET fließen darf. Er muss deutlich über dem maximalen Laststrom liegen. In der Praxis sollte dieser Wert lieber großzügig ausgelegt sein.

Achtung: Gerade bei großen Elkos entstehen hohe Einschaltströme die der MOSFET kurzzeitig verkraften muss.

Verlustleistung und thermische Belastung: Der MOSFET wird durch die Verlustleistung warm. Trotz der Einhaltung der maximalen Spannung und Strom kann es zur Zerstörung des MOSFETs kommen.

Zusammenfassung: Neben der maximalen Gatespannung gibt es auch eine minimale Gatespannung, die der MOSFET braucht, um voll durchzuschalten. Die meisten MOSFETs benötigen um die 10 Volt Gate-Spannung. Dieser Verpolungsschutz eignet sich daher nur für Schaltungen, deren Betriebsspannung so hoch ist, dass der MOSFET voll durchschalten kann.