[:de]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.

[:en]Diodes are often used to realize inverse-polarity protection. For circuits with high input currents the forward voltage of the diode can lead to a very high power dissipation of the inverse-polarity protection.

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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 R_θja 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 (R_DS-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 R_θja 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.

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.[:en]

Diodes have a forward voltage that is not to be disregarded. Silicon diodes have a forward voltage of typically 0.6..0.7 Volts. At high currents this voltage can raise up to more than 1 Volt. Schottky diodes are better than silicon diodes but for high currents there are not many choices and also not very cheap ones.

The high forward voltage of diodes leads to a considerable heat dissipation.
Lets take a 1N5400 for example. This diode has a forward current of 3 Amperes.
The diode can handle this current up to 75°C (167 °F) ambient temperature. The forward voltage at 3 Amperes is 1.2 Volts. The power dissipation on the diode is therefore 3.6 Watts. The thermal resistance R_θja of the diode is 20K/W. That means the temperature of the diode raises by 72°C. The maximum allowed junction temperature of the diode is 150°C (302 °F).

An alternative for diodes are MOSFET-transistors. MOSFET have a low on-state resistance (R_DS-on). For inverse-polarity protection P-MOSFET are a perfect choice because they can be inserted into the positive power supply line.
To be able to handle the same forward current as the above mentioned diode we choose a P-MOSFET RSS060P05. This has a forward current of 6 Amperes and can block up to 45 V. Its on-state resistance is maximum 53 mΩ. At 3 A the dissipated power equals (3A)² × 0,053 Ω = 0,477 W. The voltage drop equals only 3A × 0,053 Ω = 0,159 V. The temperature raise of the MOSFET (R_θja = 62,5 K/W) is then 29.8 °C.
That means the curcuit will dissipate more than 3 W less power when using a MOSFET and not a diode. Additionally the MOSFET (three times more thermal resistance than the diode) will warm up only about 30 °C where the diode will warm up more than 70 °C.

The circuit above is much more complicated than a simple diode. But MOSFET can handle much more current. A MOSFET that can handle more than 10 Amperes is very easy to get. The Gate-Source junction of the MOSFET is very sensitive to high voltages. Thats why there is a protection with a Z-diode for the Gate.
Additionally you can see that the MOSFET is used „inverse“. That is important for the desired use of the MOSFET as a inverse-polarity protection. The figure shows the parasitic body diode that is connected in forward direction.
That means even if the MOSFET is not „open“ and the voltage source has the right polarity there can flow a current to the protected circuit. By this „trick“ there can flow a current even at low voltages. But keep in mind that the body diode can withstand only small currents.
The MOSFET needs a Gate-Source voltage of about 3 Volt to turn on. Tat means the gate voltage must be 3 Volts lower than the source voltage. That means that this curcuit is only usable for circuits tha run at more than 3 V.
When the voltage between Source and Gate is high enough the MOSFET turns on and the body diode is released. To protect the body diode at low voltages against high currents one can connect a external diode parallel to the body diode.

In the case of inverse polarity of the voltage source the body diode is connected reverse and will block the flow of current. Additionally the MOSFET will not turn on becuase its Gate is more positive than its Source.

A MOSFET is of course more expensive than a diode. A 1N5400 is available for 0,05 EUR. The MOSFET RSS060P05 costs almost 1,00 EUR, it is about 20 times more expensive. The difference depends on the choosen transistor but you can see the direction.

Despite this disadvantages of the costs and more complicated circuit there may be cases where the MOSFET preferable to the diode.
In applications running on batteries the lower dissipation power can lead to a cheaper battery or longer operation times.
In applications that operate in high temperature environments it can be that the ciruit using a diode will not be possible to realize.[:]