RPP reverse polarity protection P-channel MOSFET circuit

/in /door

RPP reverse polarity protection P-channel MOSFET circuitOf we het willen toegeven of niet, het gebeurt ons allemaal wel eens dat we even niet opletten. En oeps de plus en min omgedraaid tijdens een van de vele experimenten in de shack. Met een beetje geluk zit er een RPP, reverse polarity protection circuit, in het elektronica project verwerkt. Niet? Met een eenvoudige schakeling is het omkeren van de polariteit geen probleem meer. Maar waarom dan juist met een P-channel MOSFET?

RPP met een diode

Het is mogelijk om een diode op te nemen in serie met de plusleiding. Prima het werkt en voor schakelingen die weinig stroom gebruiken misschien wel een goede oplossing. Een groot nadeel is echter het spanningsverlies dat over de diode staat. Namelijk de 0,6V dat, let wel, toeneemt naar mate er meer stroom door de diode stroomt. Zie bijvoorbeeld de specsheet van de 1N4007 dat bij 1A een forward voltage laat zien van 0,9V. Een test hier in de shack met een 1N4007 laat zien dat dit ook werkelijk zo is.

Dan komen we direct op op het volgende nadeel. Namelijk het vermogen dat de diode dissipeert. We hebben in onze theorie geleerd dat P(vermogen) = U(spanning) * I(stroom). In dit voorbeeld P = 0,9 * 1 is dus 0,9W(att). Tijdens te test blijkt ook hoe warm de diode wordt. Zeg maar heet want deze was bijna 100 graden Celsius. Dat brengt mij dan weer op het volgende. Hoe ver kun je gaan dan met een diode die 1A continue kan leveren. Wanneer gaat dit dingetje stuk?

Nou, je kunt heel ver gaan. Zelfs met de 1N4007 uit China. Toen de diode >200 graden Celsius werd en de warmtebeeldcamera het wel mooi vond, stond de electronic load op 2A. De stroom is nog even verder opgedraaid naar 3A en nog bleef de diode heel. Alleen was de shack inmiddels wel gevuld met de aroma van verbrandende elektronica componenten. Kortom een diode is prima te gebruiken als het spanningsverlies geen probleem is en de stroom niet te hoog.

RPP P-channel MOSFET

Wat heel geschikt is voor een beveiliging voor de omgekeerde polariteit is een P-channel MOSFET. Deze heeft namelijk een hele lage weerstand tussen Drain en Source. Deze Rds(on) waarde draagt zorg voor een heel laag spanningsverlies. Hierdoor dissipeert de MOSFET weinig vermogen en is voor hoge stromen nog heel goed te gebruiken. Een zoektochtje op Mouser levert al snel een P-Channel MOSFET op die een Rds(on) heeft van 20 mOhm (0,02 Ohm). Even de vergelijking maken met het voorbeeld van de 1N4007. Om hetzelfde vermogen te dissiperen in de MOSFET als in de diode. Mag de stroom door de MOSFET 6,7A zijn.

Maar hoe werkt de RPP schakeling?

Hier maak ik gebruikt van een IRF9540. Geen bewuste keuze. Het is toevallig een P-channel MOSFET die hier in de bakjes ligt. Een Rds(on) van 0,2 Ohm. Hieruit blijkt weer dat je componten goed moet selecteren voor de bouw. Maar voor dit experiment maakt het even niet heel veel uit. Deze MOSFET kan dan wel weer een gate source spanning hebben van -20V. Voor dit experiment zijn dus verder geen componenten nodig (kom ik later op terug).

De P-channel MOSFET gaat pas geleiden als de gatespanning lager is dan de source. Volgens de specsheet is dit tussen de -2 en -4 Vgs. Door de parasitaire diode die een MOSFET heeft. Met aan de drain de anode heeft en aan de source de kathode. Komt de voedingsspanning (min de forward voltage van de parasitaire diode) op de source van de MOSFET. Nu is de gate die aan ground (min) hang dus de voedingsspanning lager dan de source waardoor de MOSFET in geleiding komt. De MOSFET laat nu een stroom door die alleen een Rds(on) tegenkomt. De MOSFET is niet gekoeld maar bij een stroom van 1A dissipeert de MOSFET niet meer dan 30mW. Pas bij 3A is het bij deze IRF9540 op het niveau van de diode bij 1A. De temperatuur van de MOSFET is dan nog steeds heel laag.

Bij het ompolen is er geen geleiding van de Source van de MOSFET naar de Drain. De spanning op de Gate is hoog ten opzichte van de source dus de MOSFET gaat niet geleiden. De schakeling achter de MOSFET blijft spanningsloos en heel.

Maar pas op

Er zit echt wel een addertje onder het gras. Een MOSFET is in staat om zichzelf op te blazen. Een van de veelvoorkomende storingen bij onder andere laptops. Op het moment dat de temperatuur oploopt gaat de Rds(on) mee omhoog (zie specsheet). Hierdoor dissipeert de MOSFET meer vermogen, wordt warmer, Rds(on) verder omhoog en het kringetje is compleet. De MOSFET zal zichzelf opblazen. Van belang is dus wel dat je bij hogere stromen de MOSFET op een koeling plaatst.

Voedingsspanningen > Vgs

Nu is het mogelijk dat je een MOSFET wilt gebruiken waarbij in de schakeling de Vgs te hoog is. Hierdoor beschadigt de MOSFET onherstelbaar. Om dit op te lossen is het toevoegen van een zenerdiode met een waarde waarbij de MOSFET goed open gaat (zie de betreffende specsheet). En een weerstand van 100k van gate naar ground is hierbij voldoende. Maar controleer wel even de specs van de zenerdiode.

Succes met experimenteren en houd je schakelingen heel.

Meer informatie RPP