Verpolungsschutz mit Diode

Zwei Kabel, rot und schwarz, und eine Schraubklemme: Früher oder später hält jemand sie falsch herum dran. Ohne Schutz fließt dann ein großer Strom durch die Schutzdioden der ICs, Elkos werden verpolt und Spannungsregler gehen sofort kaputt. Gegen vertauschte Anschlüsse hilft die mechanische Lösung am besten – ein Stecker, der nur in einer Richtung passt. Wo das nicht geht, etwa bei Schraubklemmen, Batterieclips, Akkus mit offenen Kabeln oder Bordnetzen, braucht die Schaltung einen elektrischen Verpolungsschutz.

Die einfachste Form ist eine Diode in der Plusleitung. Bei richtiger Polung leitet sie, bei falscher sperrt sie und nichts passiert. Dafür kostet sie im Betrieb dauerhaft ihre Flussspannung und wird warm. Die zweite Variante, eine Diode parallel zum Eingang mit Sicherung davor, kostet im Betrieb nichts – opfert aber im Fehlerfall die Sicherung. Beide Varianten rechnen wir hier für ein Gerät mit 12 V und 0,5 A durch.

Schaltplan

• D1, SS34: Schottky-Diode mit 3 A und 40 V im SMD-Gehäuse SMA. Anode am Eingang, Kathode (Strich) zur Schaltung.
• C1, 100 μF / 25 V: Puffer-Elko hinter der Diode. Weil D1 nicht rückwärts leitet, hält er bei kurzen Einbrüchen der Versorgung die Spannung etwas länger.
• Schaltung, 12 V / 0,5 A: etwa ein Mikrocontroller mit Spannungsregler, Sensoren und ein paar LEDs.

So funktioniert die Schaltung

Richtig gepolt. D1 leitet. Die Schaltung bekommt die Versorgungsspannung minus die Flussspannung, bei 0,5 A sind das rund 0,34 V. Der gesamte Strom fließt durch die Diode und erwärmt sie.

Verpolt. Jetzt liegt die Kathode auf +12 V gegenüber der Anode, D1 sperrt. Es fließt nur der Sperrstrom der Schottky-Diode, bei Raumtemperatur höchstens ein halbes Milliampere. Die Schaltung bleibt praktisch spannungslos; C1 sieht keine nennenswerte negative Spannung.

Masse geht durch. Die Diode sitzt in der Plusleitung, nicht in der Masseleitung. So bleibt die Masse der Schaltung dieselbe wie die der Quelle – wichtig, sobald die Schaltung über ein weiteres Kabel mit anderen Geräten verbunden ist (siehe Masse, Erde und Ground).

Wie viel Spannung und Wärme die Diode kostet, hängt stark vom Typ ab:

Dimensionierung

1. Strom. Dauerstrom 0,5 A, beim Einstecken lädt sich C1 kurz mit einigen Ampere. Wähle eine Diode, die den Dauerstrom mit Reserve trägt – auch thermisch. Die SS34 ist für 3 A ausgelegt, verträgt 100 A Stoßstrom und hat damit für 0,5 A reichlich Abstand.

2. Sperrspannung. Mindestens die größte mögliche Eingangsspannung. Bei einem 12-V-Netzteil reichen 20 V; die 40 V der SS34 decken auch ein 24-V-Netzteil ab. Im Kfz-Bordnetz sind Spannungsspitzen weit über 40 V üblich, dort brauchst du zusätzlich einen Überspannungsschutz.

3. Spannungsverlust. Bei 0,5 A laut Diagramm:

Darf das Netzteil 5 % Toleranz haben, bleiben im schlechtesten Fall 11,4 V − 0,34 V ≈ 11,1 V. Für einen nachfolgenden 5-V-Regler ist das egal. Läuft die Schaltung direkt an 12 V, etwa ein Relais oder ein LED-Streifen, prüfe, ob sie 11 V noch verträgt.

4. Verlustleistung und Temperatur. Die elektrische Leistung in der Diode:

Im SMA-Gehäuse auf einer kleinen Kupferfläche rechnest du mit etwa 90 K/W Wärmewiderstand. Die Diode wird also rund 15 K wärmer als ihre Umgebung. Mehr zur Rechnung unter Wärme und Kühlung.

Bauteilliste

Varianten

Diode parallel mit Sicherung. Statt in Reihe liegt die Diode in Sperrrichtung parallel zum Eingang, davor eine Sicherung. Im Betrieb fließt durch sie nichts, es geht keine Spannung verloren. Bei Verpolung leitet sie, schließt die Quelle kurz und die Sicherung brennt durch.

Die Diode muss den Kurzschlussstrom bis zum Auslösen überleben. Eine flinke 1-A-Feinsicherung lässt nur ein Grenzlastintegral von etwa 1 A²s durch, die 1N5408 verträgt 166 A²s. Aber Achtung: Während des Fehlers liegen an der Schaltung je nach Strom −1 V und mehr, viele ICs vertragen nur −0,3 V. Mit einer Schottky-Diode bleibt die Spannung kleiner. Mit einer rückstellenden Sicherung muss man das Bauteil nach dem Fehler nicht tauschen, sie braucht aber Sekunden zum Auslösen – die Diode muss dann deutlich mehr aushalten.

Brückengleichrichter. Ein Brückengleichrichter im Eingang macht jede Polung richtig, das Gerät läuft in beiden Richtungen. Das kostet zwei Flussspannungen, also 1,5 bis 2 V, und die Masse der Schaltung liegt nicht mehr auf der Masse der Quelle. Sobald die Schaltung noch eine andere Verbindung hat, etwa USB zum Rechner, ist diese Lösung tabu.

MOSFET statt Diode. Für Ströme ab etwa 1 A oder im Batteriebetrieb ist ein MOSFET die bessere Wahl. Er verliert nur Millivolt: Verpolungsschutz mit MOSFET.

Mehrere Quellen. Eine Diode je Quelle schützt gegen Verpolung und entkoppelt zugleich die Quellen voneinander – das ist das Dioden-ODER.

Typische Fehler

• Diode in der Masseleitung: Das funktioniert nur, solange die Schaltung keine weitere Masseverbindung hat. Hängt zusätzlich ein USB-Kabel oder ein geerdeter Oszilloskop-Tastkopf dran, umgeht der Strom die Diode – im Verpolungsfall über die Masse des Rechners.
• Rückspeisung vergessen: Ein Motor, der bremst, oder ein großer Kondensator am Ausgang kann seine Energie nicht mehr in die Quelle zurückgeben. Die Spannung hinter der Diode steigt dann. Ein Elko mit Reserve oder eine TVS-Diode fangen das ab.
• Diode zu klein: Eine 1-A-Diode bei 1 A Dauerstrom wird ohne Kühlfläche heiß und fällt nach Wochen aus. Wähle den Nennstrom mindestens doppelt so groß wie den Dauerstrom.
• Spannung zu niedrig: Hinter einer Siliziumdiode kommen an einem 5-V-Netzteil nur noch 4,2 V an, für viele 5-V-Schaltungen zu wenig. Schottky oder MOSFET nehmen.
• Polarität der Diode falsch: Dann kommt auch bei richtiger Polung nichts an. Der Strich auf dem Gehäuse zeigt zur Schaltung.

Selbsttest