Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Verpolschutz für große Lasten


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von Tony S. (tooony)


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Hallo in die Runde,

aktuell suche ich nach einer geeigneten Variante für einen Verpolschutz. 
Auch wenn das Thema schon oft aufgegriffen wurde, wurde ich noch nicht 
richtig fündig. Welche Möglichkeiten es für den Verpolschutz gibt (Diode 
in Reihe, Mosfet, etc.) ist mir grundlegend klar, jedoch suche ich nach 
einem Verpolschutz für "große" Lasten, ohne nennenswerten 
Spannungsabfall.

Folgende Anwendung: Eine Schaltung wird mit 24 Volt versorgt. Auf der 
Platine befindet sich ein Schaltregler der 5 Volt für AVR und andere ICs 
wandelt. Zudem werden mit den 24 Volt diverse 24 Volt Lasten versorgt. 
Das soll in meinem Fall mit einem Verpolschutz gestaltet werden. Zu 
erwarten sind insgesamt rund 35 A, die sich wie folgt aufteilen:

- 4 Heizer zu je 5 A
- 3 Komponenten zu 6 A / 3,5 A / 2,5 A
- weitere Komponenten zu je 0,5..1 A

Da es keinen Spannungsabfall geben soll, kommt für mich die 
Verpolschutzvariante mit einem P-Mosfet in Frage (mit Z-Diode 12V und 
100K am Gate). Mit folgendem Mosfet 
(http://www.farnell.com/datasheets/2018448.pdf?_ga=2.6636791.414678857.1543514029-877943801.1530443153) 
kommen hier jedoch ca. 3,8 W Verlustleistung zusammen. Mit dem 
entsprechendem Kühlkörper ist das sicherlich realisierbar. Mir kommt 
dabei jedoch die Frage auf, ob dies für eine Dauerbelastung so 
praktikabel ist?

Was wäre euer Ansatz für diesen Fall? Alternativ wäre vor jedem 
Verbraucher eine Polyfuse (die ist sowieso drin) mit einer parallelen 
unipolaren TVS Diode denkbar?

Vielen Dank für eure Ratschläge!

von Nimm (Gast)


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Einen Spezialstecker

von Matthias S. (Firma: matzetronics) (mschoeldgen)


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Opferdiode und Sicherung

von karadur (Gast)


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Diode und Relais!

von Mike (Gast)


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Hallo

Ich würde jeder Last einen eigenen Verpolschutz(Ideale Diode) 
spendieren.
Dann ist die Verlustleistung insgesamt auch kleiner.
P=I_D*I_D*R_DSON


Tony S. schrieb:
> - 4 Heizer zu je 5 A
> - 3 Komponenten zu 6 A / 3,5 A / 2,5 A
> - weitere Komponenten zu je 0,5..1 A

mfg
Mike

von Armin X. (werweiswas)


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Warum machst Du dir bei den "Heizern" Gedanken um einen Verpolschutz?
Da sollte es doch reichen wenn deren Steuerung bei Verpolung nicht mehr 
arbeitet...

von Jörg R. (solar77)


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Tony S. schrieb:
> Da es keinen Spannungsabfall geben soll, kommt für mich die
> Verpolschutzvariante mit einem P-Mosfet in Frage (mit Z-Diode 12V und
> 100K am Gate).

Wie wäre es mit einer Kombination aus P-Mosfet und Relais? Nachdem der 
P-Mosfet leitet (Polung korrekt) wird er durch einen Relaiskontakt 
überbrückt.

von Karl K. (karl2go)


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Erstmal die Last reduzieren.

Brauchen die Heizer einen Verpolschutz? Wenn nicht, schonmal 20A weniger 
die geschaltet werden müssen.

Ansonsten aufteilen in mehrere Kreise, mit 3 Fets ist das nur noch 1/9 
der Verlustleistung.

von Jörg R. (solar77)


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Ich würde versuchen den Verpolschutz mechanisch umzusetzen. 
Verpolsichere Steckverbindungen aus dem Solarbereich schaffen auch die 
geforderten Ströme, wobei ich die Last auch aufteilen würde.

Feste Verdrahtung ist nicht möglich?

von Tony S. (tooony)


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Jörg R. schrieb:
> Ich würde versuchen den Verpolschutz mechanisch umzusetzen.

Ich verwende die steckbaren Reihenklemmen von Phoenix. Wenn der 
Gegenstecker einmal verdrahtet ist, passt das grundlegend, da Buchse und 
Gegenstecker kodiert sind. Aber für den Fall einer falschen Verdrahtung 
des Gegensteckers, möchte dennoch einen Verpolschutz vorsehen.

Armin X. schrieb:
> Warum machst Du dir bei den "Heizern" Gedanken um einen Verpolschutz?
> Da sollte es doch reichen wenn deren Steuerung bei Verpolung nicht mehr
> arbeitet...

Die Heizelemente werden mittels N-Mosfet gegen Masse geschalten. Die 5 V 
für AVR und Co. sind verpolsicher, sprich die N-Mosfets für die Heizer 
würde nicht schalten. Dann würde das so passen? (Oder mag der N-Mosfet 
das nicht, wenn eine negative Spannung am Drain anliegt im 
ungeschalteten Zustand?)

karadur schrieb:
> Diode und Relais!

Jörg R. schrieb:
> Wie wäre es mit einer Kombination aus P-Mosfet und Relais? Nachdem der
> P-Mosfet leitet (Polung korrekt) wird er durch einen Relaiskontakt
> überbrückt.

Klingt gut!

Matthias S. schrieb:
> Opferdiode und Sicherung

Das habe ich bei anderen Projekten oft so realisiert. Die Diode war dann 
eine unidirektionale TVS Diode.

von Karl K. (karl2go)


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Tony S. schrieb:
> Die Heizelemente werden mittels N-Mosfet gegen Masse geschalten. Die 5 V
> für AVR und Co. sind verpolsicher, sprich die N-Mosfets für die Heizer
> würde nicht schalten.

Verpolt leitet die Bodydiode der Mosfets dauerhaft durch. Und es kann 
einen Kurzschluss geben, wenn +24V der Heizer auf dem GND des AVR kommen 
und die Versorgungen verbunden sind.

Dagegen hilft: Optische Trennung mittels Optokoppler. Ansteuerung mit 
zwei antiseriellen Mosfets. Oder halt - Verpolschutz.

von Lurchi (Gast)


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Wenn man den Verpolschutz auch in der negativen Leitung haben kann, kann 
man einen N-MOSFET nutzen, mit weniger Verlust.

Der Verpolschutz ist eine Art Schaltanwendung - da darf  man auch 2 oder 
3 MOSFETs parallel nutzen um den Verlust zu reduziere.

Eine Diode und Relais sind auch möglich, ggf. auch nur für die Heizer 
oder ähnliches die dann ggf. auch mit dem Relais geschaltet werden 
können.

von Michael B. (laberkopp)


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Lurchi schrieb:
> Der Verpolschutz ist eine Art Schaltanwendung - da darf  man auch 2 oder
> 3 MOSFETs parallel nutzen um den Verlust zu reduziere.

35A ist Kinderkacke für einen soliden MOSFET, egal ob NMOS oder PMOS, 
die Verluste sind minimal.

Das Problem des MOSFETs zur Überbrückung der internen Body-Diode ist nur 
die mögliche Überspannung am 24V Eingang. Die muss der MOSFET nämlich 
aushalten. Man braucht also ESD rugged design.

Ein IPP120P04 kostet gerade mal 3.5 Watt und hält auch Anlaufströme aus.

von Tony S. (tooony)


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Michael B. schrieb:
> Ein IPP120P04 kostet gerade mal 3.5 Watt und hält auch Anlaufströme aus.

Einen PMOS aus der OptiMos-Reihe hatte ich auch schon im Auge.

Michael B. schrieb:
> Man braucht also ESD rugged design.

Hast du ein Beispiel dafür?

von Fred R. (Firma: www.ramser-elektro.at/shop) (fred_ram)


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Sieh dir mal das USB Redundanzmodul auf meiner Seite an.
Ist auch nur ein Pmos, welches aber noch über einen Strompiegel verfügt.
Musst aber noch ein bischen umbauen, um Spannungen >5V abzukönnen.

von MiMa (Gast)


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Relais mit einer Diode in Serie zur Erregerwicklung. -> Zieht nur an 
wenn die Spannung richtig angeschlossen ist.

von Amateur (Gast)


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Ich würde einfach einen asymmetrischen Stecker nehmen.
Die zusätzlichen Verluste sind dann gleich Null...

von Rainer V. (a_zip)


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Amateur schrieb:
> Ich würde einfach einen asymmetrischen Stecker nehmen.
> Die zusätzlichen Verluste sind dann gleich Null...

Hallo, das würde ich auch! Du mußt ja eh einige Amperes durchbringen. Da 
lohnt es sich auf jeden Fall, kodierte Steckverbinder von z.B. Harting 
oder Phoenix einzusetzen. Korrekte Anschlußbelegung prüft man dann im 
Vorfeld. Kann nicht schiefgehen (natürlich kann alles schiefgehen :-) 
und kostet nichts.
Gruß Rainer

von Tony S. (tooony)


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Vielen Dank für die zahlreichen Ratschläge! Nach längerer Überlegung 
sieht mein aktueller Plan so aus:

Neben dem Einsatz von steckbaren Phoenix Reihenklemmen soll der 
Verpolschutz auf der Platine weitestgehend mit mehreren Mosfets 
(IPB120P04 SMD) in mehreren Pfaden realisiert werden. Hier mal das 
Datenblatt:

http://www.farnell.com/datasheets/2255636.pdf?_ga=2.12286836.1133308735.1544126317-1298806203.1534249782

Folgende Pfade und damit Mosfet-Einteilung schweben mir vor:

- 6,5A und 2,5A (2 Pumpen) über einen IPB120P04 -> ca. 280mW 
Verlustleistung
- diverse 24V Komponenten sowie der 3,4A Verbraucher über einen 
IPB120P04 (insgesamt knapp 9A) -> knapp 280mW Verlustleistung
- 2 Heizer (10A insgesamt) über einen IPB120P04 -> ca. 350mW 
Verlustleistung
- 2 Heizer (10A insgesamt) über einen IPB120P04 -> ca. 350mW 
Verlustleistung

Alternativ wäre der Verpolschutz der Heizer mittels Relais möglich. Aus 
Platzgründen bevorzuge ich jedoch die Mosfets.

Die Ausgerechneten Ströme beziehen sich auf den Worst-Case und sind bei 
normalem Betrieb geringer. Teilweise nur beim Anfahren von 
beispielsweise der beiden Pumpen.

300...400mW Verlustleistung sollten auch für den Dauerbetrieb noch 
vertretbar sein, sodass ein Kühlkörper oder eine Kupferfläche nicht 
zwingend notwendig ist. Geht ihr da mit?

Gruß,

Tony

von Tony S. (tooony)


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Michael B. schrieb:
> Das Problem des MOSFETs zur Überbrückung der internen Body-Diode ist nur
> die mögliche Überspannung am 24V Eingang. Die muss der MOSFET nämlich
> aushalten. Man braucht also ESD rugged design.

Kleine Nachfrage:

Bei Verwendung eines PMOS als Verpolungsschutz ist ja auf eine 
Überspannung am Eingang zu achten. Die Überspannung kann ich zunächst 
für meine Applikation weitestgehend ausschließen, doch wie sieht es mit 
ESD aus?

Hätte ich hinter dem PMOS nur einen Verbraucher, würde ich vor den PMOS 
eine Polyfuse und eine parallele TVS Diode setzen. Da ich aber nach 
einem PMOS mehrere Verbraucher habe (die jeweils eine Polyfuse bekommen 
sollen), würde die Sicherung vor dem PMOS extrem groß ausfallen. Wie ist 
damit umzugehen?

Von Michael B. wurde ja schon ein ESD rugged design angesprochen. Kann 
das jemand näher erläutern, gerne mit Schaltungsbeispiel?

Vielen Dank für eure Hilfe!

von Tony S. (tooony)


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Anbei habe ich mal den Verpolschutz für einen Verbraucher gezeichnet. 
Die 24 V Eingangsspannung kommen von einem Netzteil. Der Verbraucher 
wird in diesem Fall an einer Klemme angeschlossen (andere Verbraucher 
direkt auf der Platine).

Eine Frage kam mir noch auf: Ich habe öfters schon im Zusammenhang mit 
einem Verpolschutz eine sogenannte ideale Diode gesehen (PMOS + 2xPNP). 
Welcher Vorteil ergibt sich bei der idealen Diode, im vergleich zu 
meienr Schaltung?

von Lothar M. (lkmiller) (Moderator) Benutzerseite


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Tony S. schrieb:
> Welcher Vorteil ergibt sich bei der idealen Diode, im vergleich zu
> meienr Schaltung?
Der simple Verpolschutz lässt Srom auch rückwärts durch. In manchen 
Fällen ist das nicht gewünscht. siehe dort das vorletezte bild: 
http://www.lothar-miller.de/s9y/categories/39-Verpolschutz

von Anja (Gast)


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Tony S. schrieb:
> Anbei habe ich mal den Verpolschutz für einen Verbraucher gezeichnet.

Und wer schützt jetzt F1 vor ESD?
Ich würde noch einen 100nF vor F1 plazieren.

Gruß Anja

von Tony S. (tooony)


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Lothar M. schrieb:
> Der simple Verpolschutz lässt Srom auch rückwärts durch. In manchen
> Fällen ist das nicht gewünscht. siehe dort das vorletezte bild:
> http://www.lothar-miller.de/s9y/categories/39-Verpolschutz

Danke für den Hinweis! In meinem Fall wird das eigentlich nur beim 
abschalten der Versorgung interessant, sprich wenn ich das Netzteil 
ausschalte und nach dem Verpolschutz der Verbraucher einen dicken 
Eingangs-Elko hat. In diesem Moment könnte was zurückfließen. Wäre das 
ein Fall, bei dem der rückwärts fließende Strom nicht gewünscht ist (im 
Sinne von schädlich für die Schaltung)?

Anja schrieb:
> Und wer schützt jetzt F1 vor ESD?
> Ich würde noch einen 100nF vor F1 plazieren.

Danke auch für deinen Hinweis! Theoretisch würde es ja genügen, wenn C1 
vor die Sicherung wandert?

Danke für eure Hilfe!

von Lothar M. (lkmiller) (Moderator) Benutzerseite


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Tony S. schrieb:
> sprich wenn ich das Netzteil ausschalte und nach dem Verpolschutz der
> Verbraucher einen dicken Eingangs-Elko hat. In diesem Moment könnte was
> zurückfließen.
Das ist unkritisch, denn das muss so ein Netzteil ja auch ohne den FET 
aushalten. Du musst dir da gedanklich einfach den Verpolschutz durch 
eine Brücke ersetzen. Wenn dann keine unerwünschten Effekte auftreten, 
reicht der simple Verpolschutz aus.

von Karl K. (karl2go)


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Anja schrieb:
> Ich würde noch einen 100nF vor F1 plazieren.

Und wer schützt dann den 100n vor Kurzschluss? Ich habe schon 100n 50V 
Kerkos an 24V abrauchen sehen, gab einen hübaschen Brandfleck auf der 
Platine.

Tony S. schrieb:
> würde ich vor den PMOS
> eine Polyfuse und eine parallele TVS Diode setzen

Ich wurde da eine Feinsicherung setzen, ja gibts auch in 10A. Überleg 
mal, was eine Polyfuse mit 10A an 24V für Leistungen wegstecken muss, 
bevor sie dicht macht und wo Du diese Leistungen wegkühlen willst.

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