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Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Verpolungsschutz für 1 NiMH-Zelle


Autor: Sebastian D. (bineuling)
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Hallo,

für meinen Batteriebetriebenen Fahrradcomputer suche ich eine 
Möglichkeit den Eingang meines Stepup-Reglers (MAX1724) vor einer falsch 
eingelegten Batterie/Akku zu schützen.
Das Gerät zieht primär von der Batterie durchschnittlich ca 25mA wobei 
Spitzen von 80mA auftreten können.
Bisher habe ich mir über die folgenden Methoden als Verpolungsschutz 
Gedanken gemacht:

- Diode in Reihe zur Plusleitung
--> Spannungsabfall zu groß Batteriekapazität kann nicht vollständig 
ausgenutzt werden

- Diode (Schottky) parallel (Kathode auf +) mit Polyfuse (750mA 
Auslösestrom) in Reihe
--> Beim Testaufbau hat sich die Diode aufgrund der anstehenden Leistung 
selbst ausgelötet. Die Polyfuse hat nie ausgelöst da der Auslösestrom 
wohl nicht erreicht wurde. Einé Polyfuse mit geringerem Strom ist 
problematisch da deren Widerstand zu hoch ist und dadurch die Effizienz 
zu sehr leided.

- wie letztere nur mit Schmelzsicherung
--> Erstens ist es unbequem die Sicherung zu wechseln und zweitens haben 
die Ausführungen mit geringem Auslösestrom - wie die Polyfuses - einen 
relativ hohen Widerstand

- Low Ugs P-Channel FET
--> Wäre eine Lösung allerdings besitzen sie eine Diode zwischen Source 
und Drain die mir die Fehlspannung an den Eingang des Spannungsreglers 
leiten würde


Hat jemand eine ähnliche Anwendung ? Gibt es noch andere Möglichkeiten ?

Autor: Anja (Gast)
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Sebastian D. schrieb:
> Gibt es noch andere Möglichkeiten ?

-Mechanisch? der Pluspol hat einen kleineren Durchmesser als der 
Minuspol.
-PNP-Transistor mit Basis-widerstand nach Masse. (braucht halt 1 mA)

Gruß Anja

Autor: Sebastian D. (bineuling)
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Danke erstmal !

Mechanisch ist da nix zu machen da es sich um eine AAA-Zelle handelt. 
Die kann man einlegen wie man will...

Ich denke dass die Lösung mit dem FET am sinnvollsten erscheint. Die 
Methode wird zumindest in der Application NOte von Maxim erwähnt:
http://pdfserv.maxim-ic.com/en/an/AN636.pdf

Autor: Sebastian D. (bineuling)
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Kann mir jemand erklären wie die im Bild gezeigte Schaltung 
funktionieren soll ? (Quelle: 
http://pdfserv.maxim-ic.com/en/an/AN636.pdf)

Meiner Meinung nach ist der Mosfet in Sperrrichtung geschaltet und der 
Strom fließt nur über die Diode... Bei einem N-Kanal MOSFET fließt der 
Strom doch von Drain nach Source, oder ? In dem Fall ist es aber genau 
andersrum.

Autor: Sven (Gast)
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Ne, dem MOS ist egal, in welche Richtung der Strom fließt, wenn er 
einmal aufgesteuert ist. Wichtig ist, dass am Gate eine Spannung positiv 
zu Source anliegt. Am Anfang fließt der Strom über die interne Diode, 
die Spannung am Step-Up wird aufgebaut und der MOS steuert durch. Dann 
fließt der Strom durch den MOS und die Diode wird überbrückt.

Muss aber ein Logik-Level MOS sein.

Autor: Knut Ballhause (Firma: TravelRec.) (travelrec) Benutzerseite
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Sebastian D. schrieb:
> Mechanisch ist da nix zu machen da es sich um eine AAA-Zelle handelt.
> Die kann man einlegen wie man will...

Das ist nicht korrekt. Die (-)-Platte ist komplett eben, der 
Plusanschluß ist eine kleine Kuppel. Wenn man in den Batteriehalter eine 
Kunststoffscheibe einklebt, durch die die Pluskuppel gerade so durchpaßt 
und hinter der sich eine flache Kontaktfläche befindet, die die 
(-)-Platte beim Falschherumeinlegen nicht erreichen kann, ist das 
Problem gelöst.

Autor: Egon (Gast)
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Mechanische Lösung: wo der Pluspol etwas zurückversetzt ist sollte die 
Einfachste sein.

Die Pluskontakte der fernöstlichen Akkus sind leider nicht immer 
DIN-genau.

Autor: Günther (Gast)
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Die einfachste Methode beim Batteriewechsel eine Falschpolung zu zu 
verhindern wäre wohl:Keinen Alkohol trinken ,kein komisches Zeug rauchen 
(quasi keine bewusstseinsverändernden Substanzen konsumieren).Bei 
optischen Problemen gilt: "Fielmann hilft".Ansonsten ist wohl die 
mech.Variante (Kunststoffscheibe) sehr geeignet.Günther

Autor: Abdul K. (ehydra) Benutzerseite
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Beim Nintendo GBA ist es mechanisch gemacht. Hier ein Foto:
http://ehydra.dyndns.info/tech/free/Good%20Constru...

Autor: Sebastian D. (bineuling)
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Sven schrieb:
> Ne, dem MOS ist egal, in welche Richtung der Strom fließt, wenn er
> einmal aufgesteuert ist. Wichtig ist, dass am Gate eine Spannung positiv
> zu Source anliegt. Am Anfang fließt der Strom über die interne Diode,
> die Spannung am Step-Up wird aufgebaut und der MOS steuert durch. Dann
> fließt der Strom durch den MOS und die Diode wird überbrückt.
>
> Muss aber ein Logik-Level MOS sein.

Danke für Die Antwort. Jetzt verstehe ich auch die Schaltung. Ich werde 
wohl die im Bild gezeigte Methode wählen.

Autor: Knut Ballhause (Firma: TravelRec.) (travelrec) Benutzerseite
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Ich glaube kaum, daß Du einen FET findest, der mit nur 1V 
Gate-Source-Spannung einen adäquaten RDSon vorweisen kann. Hier wird 
Energie vernichtet. Hast Du bei der mechanischen Lösung nicht.

Autor: Sebastian D. (bineuling)
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Das Gate liegt doch am Ausgang der Stepup-Reglers der 3,0V erzeugt. Das 
sollte ausreichen

Autor: Andreas K. (derandi)
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Die mechanische Lösung besteht aus einer einzelnen Plastik-Beilagscheibe 
und verursacht keine Verluste, Spannungsabfälle oder sonstiges, sie 
dürfte auch die billigste sein, wird aber trotzdem übergangen.
Gibts da auch einen Grund dafür?

Autor: Sebastian D. (bineuling)
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Einfacher wärs wahrscheinlich schon. Und auch günstiger.
Aber die Lösung mit dem MOSFET ist halt interessanter. ICh habe schon 
einen Transistor gefunden der bei 2,5V nur ca 50mOhm Widerstand 
entgegensetzt (FDN339AN)

Autor: Yalu X. (yalu) (Moderator)
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Bei nur einer Zelle wird's mit dem Mosfet ziemlich schwierig. Nehmen wir
an, die Schaltung soll bei Ubatt=1V noch laufen und als Mosfet wird ein
N-Kanal in die Masseleitung eingefügt:

Möglichkeit 1: Das Gate des Mosfet liegt direkt am Pluspol der Batterie.
               (Abb. 3 in der Appnote von Maxim)

Solange der Mosfet noch sperrt, ist Ugs=Ubatt-Uf=0,4V (Uf ist die
Flussspannung der Diode im Mosfet und wird als 0,6V angenommen). Das
könnte gerade so gehen, wenn man einen Mosfet findet, der bei Ugs=0,4V
bereits ein Rds<Uf/25mA=24Ω hat, denn nur dann kann Ugs steigen, bis
irgendwann der Mosfet voll durchgesteuert ist. Es gibt m.W. ein paar
Mosfets aus dem HF-Bereich, bei denen die Schwellenspannung in diesem
Bereich liegt. Lateral aufgebaute Typen fangen sogar schon bei Ugs>0V an
zu leiten. Ich habe nur gerade keine Namen im Kopf, um nachschauen zu
können, ob sie auch von ihren übrigen Eigenschaften her geeignet sind.

Möglichkeit 2: Das Gate des Mosfet liegt am Ausgang des Boost-Wandlers.
               (Abb. 7 in der Appnote von Maxim)

Ugs ist hoch genug, wenn der Boost-Wandler erst einmal läuft. Er müsste
aber bereits bei Ubatt-Uf=0,4V anspringen, und ich kenne keinen, der das
tut. Die Untergrenze liegt bei den meisten guten so bei 0,9-1V.

Nicht umsonst gibt es nur relativ wenige Geräte, die von einer einzelnen
Zelle gespeist werden. Diese wenigen haben dann meist keinen elektroni-
schen Verpolschutz und verlangen trotzdem oft nach einer Alkalizelle mit
1,5V Nennspannung. Da Plus von 0,3V macht hier einen großen Unterschied.

Autor: Sebastian D. (bineuling)
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Der Stepup MAX1724 hat ne min. EIngangspannung von garantiert 0,91V 
(also sicher niedriger). Mein Gerät ist so ausgelegt, dass es bei 1.0V 
Batteriespannung eine Low Batt Warnung ausgiebt. Dann wird eine volle 
Zelle mit ca 1,5V eingelegt. Also kein Problem....
Um den Start des Gerätes mit einer fast leeren Batterie zu ermöglichen 
hätte ich ja noch die Möglichkeit die int. Diode des FET mit einer 
Schottkydiode zu überbrücken um nicht unter die min. Startspannung des 
MAX1824 zu kommen. Ich werds mal ausprobieren und davon berichten....

Autor: Sebastian (Gast)
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Hier das Ergebnis meines Versuchs:

Ich habe die Eingangsbeschaltung des DCDC-Wandlers wie oben beschrieben 
aufgebaut, jedoch ohne Drossel und mit dem Transistor FDN339AN (50mOhm @ 
Ugs=2.5V) als Verpolungsschutz. Der Wandler ist ein MAX1724EZK30 (3.0V).

Ich habe es mit einer entladenen Batterie (ca 1.0V) versucht und die 
Ausgangsspannung lag sofort an. Der Spannungsabfall bei ca 100mA 
Batteriestrom betrug nur ca 3mV.

Im Fehlerfall (Batterie verpolt) baute sich eine Eingangsspannung von 
nur ca 60mV auf (evtl. Aufgrund des Leckstroms der Diode des FET).

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