13. Dezember 2008
MOS-FET als Verpolschutz

Dioden werden gern verwendet, um einen Verpolschutz zu realisieren. In Schaltungen mit hohen Eingangsströmen kann die Vorwärtsspannung einer Diode dazu führen, dass übermäßig viel Leistung im Verpolschutz verloren geht.

Dioden haben eine nicht zu vernachlässigende Vorwärtsspannung. Siliziumdioden liegen bei typ. 0,6..0,7 Volt. Bei hohen Strömen kann die Spannung aber auch durchaus auf Werte über 1 Volt ansteigen. Schottky-Dioden sind da zwar etwas besser, aber Typen für hohe Ströme sind auch nicht leicht zu bekommen und dann auch nicht preisgünstig.

Die hohe Vorwärtsspannung von Dioden führt zu einer erheblichen Eigenerwärmung.
Als Beispiel betrachten wir eine 1N5400. Diese Diode ist für  3 Ampere Vorwärtsstrom ausgelegt.
Diesen Strom kann die Diode führen bei bis zu 75°C Umgebungstemperatur: Die Vorwärtsspannung beträgt bei 3 Ampere 1,2 Volt. Die Leistung, die damit an der Diode verloren geht, beträgt also bei Nennstrom 3,6 Watt. Der thermische Widerstand Rθja beträgt 20K/W. Das bedeutet, dass die Diode sich bei Nennstrom um 72°C erwärmt. Die maximale Sperrschichttemperatur darf 150°C betragen.

Als Alternative zu Dioden bieten sich MOSFET-Transistoren an. MOSFET haben einen geringen Durchlasswiderstand (RDS-on). Für Verpolschutz-Schaltungen sind P-MOSFET gut geeignet, da sie in die positive Versorgungsleitung eingefügt werden können.
Um den gleichen Strom wie die Diode im obigen Beispiel führen zu können, nehmen wir einen P-MOSFET RSS060P05. Dieser kann bis zu 6 Ampere leiten und sperrt bis zu 45 V. Sein Durchlasswiderstand liegt bei maximal 53 mΩ. Bei 3 A wird also eine Leistung von (3A)2 × 0,053 Ω = 0,477 W umgesetzt. Der Spannungsabfall beträgt nur 3A × 0,053 Ω = 0,159 V. Die Erwärmung des MOSFET mit einem Rθja von 62,5 K/W beträgt dann 29.8 °C.
Das bedeutet, in der Schaltung würden beim Ersatz der Diode durch den MOSFET über 3 Watt weniger Leistung in Wärme umgesetzt. Der MOSFET würde sich trotz des 3 fach höheren Wärmewiderstands nur um rund 30°C erwärmen, die Diode dagegen um über 70°C.

Verpolschutz mit P-MOSFET

Verpolschutz mit P-MOSFET

Die oben gezeigte Schaltung ist natürlich deutlich aufwändiger als eine simple Diode. MOSFET sind aber in deutlich höheren Leistungsklassen als Dioden zu finden, 2 stellige Ampere-Zahlen sind leicht zu bekommen.
Da die Gate-Source-Strecke sehr empfindlich auf hohe Spannungen reagiert, ist in der Schaltung eine Schutz(-Z-)diode für das Gate vorgesehen. Weiterhin fällt auf, dass der MOSFET „verkehrt herum“ eingebaut ist. Das ist auch wichtig, denn sonst würde der MOSFET gar nicht als Verpolschutz verwendet werden können. Man sieht im Bild die (parasitäre) Body-Diode, die hier in Durchlassrichtung geschaltet ist. Das bedeutet, dass auch bei nicht angesteuertem MOSFET und richtiger Polarität der Spannungsquelle ein Strom zur nachfolgenden Schaltung (R_Last) fließt. Durch diesen „Trick“ fließt auch bei kleineren Spannungen schon ein Strom. Man sollte dabei jedoch beachten, dass die Body-Diode nur einen kleinen Strom im Vergleich zum Strom des MOSFET führen kann.
Ein MOSFET braucht eine Source-Gate-Spannung von größer 3 Volt um durchzuschalten. Das Gate muss also ein mindestens 3 Volt kleineres Potential als die Source haben. Die Schaltung ist also nur für Spannungen größer 3 Volt geeignet.
Sobald eine genügend hohe Spannung zwischen Source und Gate anliegt, wird der MOSFET automatisch leitend und entlastet die Diode. Man könnte also auch außen noch eine Diode parallel schalten, um bei kleinen Spannungen auf der sicheren Seite zu sein.
Im Verpolfall ist zum einen die Body-Diode in Sperrichtung geschaltet, zum anderen wird auch der MOSFET nicht aufgesteuert, da sein Gate positiver als seine Source ist.

Die Kosten für einen MOSFET sind natürlich höher. Die 1N5400 ist schon für 0,05 EUR zu bekommen. Der MOSFET RSS060P05 kostet dagegen fast 1 EUR, ist also um den Faktor 20 teuerer. Der Preisunterschied hängt natürlich vom gewählten Transistor ab, aber die Tendenz ist klar.

Trotzdem kann der Einsatz eines MOSFET einer Diode vorzuziehen sein.
Bei Anwendungen, die mit Batterien funktionieren, kann die eingesparte Leistung dazu führen, dass eine günstigere Batterie verwendet werden kann. Bei Anwendungen, die bei hohen Temperaturen eingesetzt werden, kann es sogar dazu kommen, dass sich mit einer Diode die Schaltung gar nicht realisieren lässt.



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