Dioden-ODER: zwei Quellen entkoppeln

Dein Gerät soll am USB-Kabel laufen und, wenn keines steckt, aus drei Mignonzellen. Einfach beide Quellen zusammenzuschalten geht nicht: Das USB-Netzteil würde die Batterien laden – bei Alkalizellen ein sicherer Weg zu Auslaufen und Hitze – und die Batterien würden über die USB-Buchse in einen ausgeschalteten Computer zurückspeisen. Die Lösung sind zwei Dioden, eine je Quelle, deren Kathoden an der gemeinsamen Versorgungsschiene hängen. Strom kann nur von jeder Quelle zur Schiene fließen, nie zurück. Die Quelle mit der höheren Spannung versorgt die Last.

Das Dioden-ODER findest du überall dort, wo mehrere Quellen eine Last speisen dürfen: Steckernetzteil und Batterie, USB und Akku, zwei redundante 24-V-Netzteile im Schaltschrank, Hauptversorgung und Pufferbatterie einer Echtzeituhr. Der Name kommt aus der Digitaltechnik: Die Schiene ist „high“, wenn Quelle A oder Quelle B Spannung liefert – genau wie bei der Dioden-Logik.

Schaltplan

• D1, 1N5819: Schottky-Diode vom USB-Anschluss zur Schiene. Sie verhindert, dass die Batterien in die USB-Buchse zurückspeisen.
• D2, 1N5819: Schottky-Diode vom Batteriefach zur Schiene. Sie verhindert, dass USB die Batterien lädt, und schützt nebenbei gegen falsch eingelegte Zellen.
• BT1, 3 × AA: 4,5 V nominal, frisch bis 4,8 V, leer etwa 3,3 V.
• C1, 10 μF: Eingangskondensator des Reglers, direkt an der Schiene.
• U1, MCP1700-3302: LDO-Regler auf 3,3 V, 250 mA, mit nur 1,6 μA Eigenverbrauch – günstig im Batteriebetrieb.
• C2, 1 μF: Ausgangskondensator, wie im Datenblatt des MCP1700 gefordert.

So funktioniert die Schaltung

Nur Batterien. D2 leitet, die Schiene liegt eine Flussspannung unter der Batteriespannung. D1 sperrt; die USB-Leitung ist offen, nichts fließt hinein.

Nur USB. D1 leitet, D2 sperrt. Die Batterien sehen in Sperrrichtung nur den winzigen Sperrstrom der Schottky-Diode.

Beide. Die Schiene stellt sich auf die höhere der beiden Spannungen minus Flussspannung ein. Die andere Diode bekommt dann eine kleine Sperrspannung oder eine so geringe Flussspannung, dass praktisch kein Strom fließt. Weil die Diodenkennlinie exponentiell ist, gibt es keinen harten Umschaltpunkt, sondern eine Übergangszone von etwa 0,2 V, in der beide Quellen sich den Strom teilen.

Umschalten. Ziehst du das USB-Kabel, sinkt die Schiene so weit, bis D2 leitet. Das geschieht ohne Unterbrechung, C1 überbrückt die Mikrosekunden dazwischen. Der Mikrocontroller merkt davon nichts.

Dimensionierung

1. Diode wählen. Jede Diode trägt den vollen Laststrom ihrer Quelle, hier 100 mA, kurzzeitig beim Einschalten mehr für C1. Sie muss die größte Spannungsdifferenz zwischen den Quellen sperren, hier höchstens 5,25 V gegen leere 3,3 V. Eine Schottky-Diode verliert bei 100 mA etwa 0,3 V, eine Siliziumdiode wie der 1N4001 etwa 0,75 V. Für Batteriebetrieb zählt jedes Zehntelvolt, also Schottky. Der 1N5819 verträgt 1 A und 40 V.

2. Schienenspannung mit USB. USB liefert 4,75 bis 5,25 V; mit 5,0 V und 0,25 Ω für Kabel und Quelle:

3. Wann teilen sich die Quellen den Strom? Die Batterie liefert erst nennenswert, wenn ihre Spannung minus Innenwiderstand und Diode die 4,67 V der Schiene erreicht. Laut Diagramm ist das ab etwa 4,9 V der Fall. Frische Alkalizellen haben 1,6 V pro Zelle, zusammen 4,8 V – sie liefern dann 0,3 mA. Hängt das Gerät aber an einem schwachen USB-Port mit 4,75 V, rückt die Übergangszone um 0,25 V nach unten, und frische Zellen tragen einen Teil mit. Wer das sicher ausschließen will, nimmt einen Umschalter statt Dioden (siehe Varianten).

4. Wie weit reichen die Batterien? Der MCP1700 braucht bei 100 mA höchstens 0,35 V mehr am Eingang als am Ausgang, also 3,65 V. Mit 0,30 V an D2 und 0,045 V am Innenwiderstand der Zellen:

Das sind 1,33 V pro Zelle. Eine Alkalizelle hat dann je nach Strom erst 40 bis 60 % ihrer Ladung abgegeben. Die Diode kostet also spürbar Laufzeit; mit einer idealen Diode wäre bei etwa 3,7 V Schluss.

Bauteilliste

Varianten

Ideale Diode. Ein MOSFET, den ein kleiner Regler wie der LM66100 genau dann einschaltet, wenn Strom in Durchlassrichtung fließen würde, verliert bei 100 mA nur etwa 10 mV statt 300 mV. Das ist die bessere Wahl für Akkubetrieb oder Ströme über 1 A, wo eine Schottky-Diode sonst warm wird. Das Prinzip ist dasselbe wie beim Verpolungsschutz mit MOSFET.

USB hat Vorrang. Soll USB die Batterien sicher abschalten, auch wenn sie mehr Spannung haben, ersetzt man D2 durch einen P-Kanal-MOSFET, dessen Gate an der USB-Spannung hängt. Steckt USB, sperrt er; fehlt USB, zieht ein Widerstand das Gate auf Masse und er leitet. So machen es viele Mikrocontrollerboards.

Pufferbatterie. Für eine Echtzeituhr mit Knopfzelle ist der Sperrstrom einer Schottky-Diode zu groß: Lithiumzellen dürfen nicht geladen werden. Dort nimmt man eine Siliziumdiode mit wenigen Nanoampere Sperrstrom und einen Widerstand von 1 kΩ in Reihe, oder einen Uhrenbaustein mit eingebautem Umschalter. Mehr unter Batterie-Backup.

Redundante Netzteile. Zwei 24-V-Netzteile über je eine Schottky-Diode auf eine Schiene: Fällt eines aus, übernimmt das andere ohne Unterbrechung. Bei mehreren Ampere werden die Dioden heiß, deshalb gibt es dafür fertige Redundanzmodule mit idealen Dioden.

Verpolungsschutz gratis. Jede der beiden Dioden schützt zugleich gegen eine verpolte Quelle, siehe Verpolungsschutz mit Diode.

Typische Fehler

• Siliziumdiode im Batteriezweig: 0,75 V statt 0,3 V Verlust. Der Regler steigt dann schon bei 4,4 V Batteriespannung aus, die Laufzeit halbiert sich fast.
• Batterien werden trotz USB leer: Die Batteriespannung liegt über der USB-Spannung, etwa bei frisch geladenen NiMH-Zellen oder schwachem USB-Port. Mit dem Multimeter im Strommessbereich in der Batterieleitung nachsehen.
• Diode vergessen, „weil sie nur Spannung kostet“: Dann lädt USB die Batterien – bei Alkalizellen gefährlich.
• Schiene zu niedrig für den Regler: Die Flussspannung der Diode wird oft vergessen. Miss U_S unter Last, nicht im Leerlauf.
• Kurze Einbrüche beim Umstecken: C1 zu klein oder zu weit weg. 10 μF direkt am Regler reichen für den Wechsel.

Selbsttest