Eine Diode als Verpolungsschutz ist einfach, kostet aber bei 5 A schnell 2 bis 4 W Wärme und einen halben Volt Spannung. Ein MOSFET kann dasselbe mit einem Bruchteil davon: Er sitzt in der Plusleitung, schaltet bei richtiger Polung von selbst ein und verliert dann nur seinen Durchlasswiderstand von einigen Milliohm. Bei falscher Polung bleibt er aus. Dafür genügen ein P-Kanal-MOSFET, ein Widerstand und eine Z-Diode.
Die Schaltung ist der Standard in Geräten mit Akku, an 12-V- und 24-V-Bordnetzen, in Motorsteuerungen und überall, wo der Verpolungsschutz mit Diode zu warm würde. Hier dimensionieren wir sie für 12 V und 5 A.
Schaltplan
- T1, IRF4905: P-Kanal-MOSFET, 55 V, höchstens 20 mΩ bei 10 V Gate-Source-Spannung, TO-220. Der Drain liegt am Eingang, die Source an der Schaltung.
- Body-Diode (in T1): Jeder Leistungs-MOSFET hat sie durch seinen Aufbau. Beim P-Kanal-Typ zeigt sie vom Drain zur Source.
- R1, 10 kΩ: zieht das Gate auf Masse und schaltet T1 damit ein, sobald an der Source Spannung anliegt.
- D1, Z-Diode 15 V: begrenzt die Gate-Source-Spannung. Der IRF4905 verträgt höchstens 20 V; ohne D1 wäre er an 24 V oder bei Spannungsspitzen gefährdet.
- C1, 100 μF / 25 V: Puffer-Elko der Schaltung.
So funktioniert die Schaltung
Richtig gepolt, Einschalten. Im ersten Moment ist T1 noch aus. Doch seine Body-Diode zeigt vom Eingang zur Schaltung und leitet. Die Source steigt auf etwa 11,3 V. Das Gate liegt über R1 auf Masse, die Gate-Source-Spannung beträgt also rund −11 V. Das ist weit über der Schwellspannung von 2 bis 4 V: Der Kanal schaltet ein und überbrückt die Diode. Jetzt fließt der Strom durch den Kanal, nur noch I · RDS(on) fällt ab.
Verpolt. Am Drain liegen −12 V. Die Body-Diode ist in Sperrrichtung, die Source bleibt auf Masse. Gate und Source haben dieselbe Spannung, der Kanal bleibt aus. Es fließt nichts.
Der Trick mit der Richtung. Ein MOSFET leitet im eingeschalteten Zustand in beide Richtungen; seine Body-Diode nur in eine. Deshalb muss er so eingebaut sein, dass die Body-Diode in Durchlassrichtung des Betriebsstroms zeigt – beim P-Kanal-Typ also mit dem Drain zum Eingang. Andersherum eingebaut leitet die Body-Diode bei Verpolung, und der Schutz ist wirkungslos.
Dimensionierung
1. Drain-Source-Spannung. Bei Verpolung sperrt T1 die volle Eingangsspannung. Für ein 12-V-System sind 30 V das Minimum; die 55 V des IRF4905 decken auch 24-V-Netzteile und Spannungsspitzen ab.
2. Gate-Source-Spannung. Ohne Z-Diode ist UGS = −Uein. Erlaubt sind ±20 V. Für 12 V würde das reichen, doch schon ein 24-V-Netzteil oder eine Spitze beim Anstecken liegt darüber. D1 begrenzt auf 15 V – genug, um T1 voll einzuschalten, und sicher unter 20 V. Bei 24 V am Eingang fließen durch D1 und R1:
Bei 12 V bleibt die Z-Diode stromlos.
3. Durchlasswiderstand und Verlust. Das Datenblatt garantiert 20 mΩ bei 10 V Gate-Source-Spannung und 25 °C. Bei 12 V ist er etwas kleiner, im Diagramm 15,6 mΩ. Warm wächst er auf etwa das 1,5-Fache. Für die Wärme rechnest du mit dem ungünstigen Wert:
Im TO-220 ohne Kühlkörper (62 K/W) sind das rund 47 K über der Umgebung – das geht noch, ein kleines Kühlblech schadet nicht. Eine Schottky-Diode würde bei 5 A gut 2,5 W verheizen.
MOSFET-Verluste
- Leitungsverluste
- 1,61 W
- Schaltverluste
- 594 mW
- Verluste durch Coss
- 5,76 mW
- Summe im MOSFET
- 2,21 W
- Gate-Ansteuerung (Treiber)
- 12 mW
- TJ ohne Kühlkörper
- 308 °C – zu heiß
- TJ mit Kühlkörper
- 66 °C
- RDS(on) warm
- 32,2 mΩ bei 66 °C
PLeit = I² · RDS(on)(TJ) · D; PSchalt = ½ · U · I · (tein + taus) · f; PCoss = ½ · Coss · U² · f; PGate = Qg · UGS · f. Hartes Schalten einer induktiven Last mit Freilaufdiode, Rückstromspitze der Diode nicht enthalten. RDS(on) steigt linear mit TJ; TJ = TA + P · Rth. Die Datenblatt-Schaltzeiten gelten nur für ihre Messbedingungen (dort 28 V, 25 A, RG = 3,4 Ω) – rechne lieber über die Gate-Ladung, wenn du deinen Treiber kennst. Den Kühlkörper bestimmst du genauer mit dem Kühlkörper-Rechner.
4. Spannungsverlust. Bei 5 A: 5 A · 15,6 mΩ ≈ 78 mV, warm etwa 120 mV. Die Schaltung bekommt also fast die volle Netzteilspannung.
5. Untergrenze. Der Kanal braucht deutlich mehr als die Schwellspannung. Unter etwa 4 V Eingangsspannung leitet beim IRF4905 nur die Body-Diode – mit 0,7 V Verlust. Für 5-V- oder 3,3-V-Systeme brauchst du einen Logic-Level-MOSFET mit garantiertem RDS(on) bei 2,5 V, etwa den DMG2305UX im SOT-23.
Bauteilliste
| Bezeichner | Wert/Typ | Hinweis |
|---|---|---|
| T1 | IRF4905 | P-MOSFET 55 V, 20 mΩ, TO-220; Pins G-D-S |
| D1 | BZX79-C15 | Z-Diode 15 V, 0,5 W; Kathode an der Source |
| R1 | 10 kΩ, 0,25 W | Gate nach Masse |
| C1 | 100 μF / 25 V | Elko hinter T1 |
Varianten
N-Kanal-MOSFET in der Masseleitung. N-Kanal-MOSFETs sind bei gleichem Preis niederohmiger. Eingebaut wird er mit der Source zur Masse der Quelle, dem Drain zur Masse der Schaltung und dem Gate über einen Widerstand an Plus; die Z-Diode liegt zwischen Gate und Source. Der Nachteil ist derselbe wie bei der Diode in der Masseleitung: Jede zusätzliche Masseverbindung, etwa über USB, umgeht den Schutz. Mehr dazu unter Masse, Erde und Ground.
Ideale Diode. Der einfache MOSFET-Schutz sperrt bei richtiger Polung keinen Rückstrom: Fällt die Eingangsspannung, entlädt sich C1 über den Kanal zurück in die Quelle. Für ein Dioden-ODER oder eine Pufferung taugt er deshalb nicht. Ein Ideal-Diode-Controller wie der LM74700-Q1 mit N-Kanal-MOSFET in der Plusleitung misst die Spannung über dem Transistor und schaltet ihn ab, sobald Strom zurückfließen will.
Schutz gegen Überspannung. Der Verpolungsschutz hilft nicht gegen zu hohe Spannung. Dafür ergänzt man eine TVS-Diode oder einen Überspannungsschutz, gegen Kurzschluss eine elektronische Sicherung.
Schalter und Schutz in einem. Mit einem zusätzlichen NPN-Transistor am Gate wird aus T1 zugleich ein Schalter, mit dem der Mikrocontroller die Versorgung abschalten kann – die Schaltung des P-MOSFET als High-Side-Schalter.
Typische Fehler
- MOSFET verkehrt herum: Source am Eingang, Drain zur Schaltung – dann zeigt die Body-Diode in die falsche Richtung und leitet bei Verpolung. Die Schaltung läuft im Normalbetrieb trotzdem, der Fehler fällt erst im Ernstfall auf. Bei der Inbetriebnahme einmal verpolt testen, mit Strombegrenzung am Labornetzteil.
- N-Kanal-Typ statt P-Kanal in der Plusleitung: Sein Gate müsste über der Eingangsspannung liegen. Ohne Ladungspumpe leitet nur die Body-Diode, der Transistor wird heiß.
- Z-Diode vergessen: Bei 24 V oder Spannungsspitzen schlägt das Gate durch. Danach ist der MOSFET meist ein Kurzschluss – der Schutz ist weg, ohne dass es jemand merkt.
- Zu niedrige Eingangsspannung: Bei 5 V schaltet ein Standard-MOSFET nicht voll durch. Die Spannung über dem Transistor messen: Mehr als 0,5 V bedeutet, dass die Body-Diode den Strom trägt.
- Gate offen: R1 fehlt oder ist abgerissen. Das Gate lädt sich irgendwohin, der Transistor leitet teilweise oder gar nicht.
Selbsttest
Warum sitzt der P-Kanal-MOSFET mit dem Drain am Eingang?
Damit die Body-Diode in Betriebsrichtung leitet und den Transistor beim Einschalten mit Spannung versorgt; bei Verpolung sperrt sie dann.
Wie viel Leistung verheizt ein MOSFET mit 10 mΩ bei 8 A?
(8 A)2 · 10 mΩ = 0,64 W.
Wozu dient die Z-Diode zwischen Gate und Source?
Sie begrenzt die Gate-Source-Spannung unter das Maximum von meist 20 V, auch bei höheren Eingangsspannungen und Spitzen.
Warum funktioniert die Schaltung mit einem IRF4905 an 3,3 V nicht richtig?
Die Gate-Source-Spannung reicht nicht, um den Kanal einzuschalten; es leitet nur die Body-Diode mit 0,7 V Verlust.
Sperrt der MOSFET-Verpolungsschutz einen Rückstrom, wenn die Eingangsspannung bei richtiger Polung kurz einbricht?
Nein, der eingeschaltete Kanal leitet in beide Richtungen. Dafür braucht es eine ideale Diode mit Controller.