Verpolschutz schützt nicht

[Martin S. (sirnails)]

Guten Morgen,

folgend eines Threads hier auf µC.net habe ich den Verpolschutz 
übernommen. Ich musste leider feststellen, dass er nicht schützt.

Der nachgeschaltete PCA9615DPJ brennt ab, wenn verpolt wird.

Warum ist das so? Ich hab Tomaten auf den Augen. Ich finde auch den 
Thread nicht mehr.

[Alex (Gast)]

Moin,

Der Mosfet hat eine geringe Gate-Source Voltage... laut datenblatt max. 
+-8V.
Bei >8V brennt dir also das Gate durch, auch wenn er nicht verpolt ist.
Du brauchst eine zusätzliche Zenerdiode zwischen Gate & Source kann dir 
die Spannung begrenzen und den Fet schützen.

schönen Gruß,
Alex

[Name: (Gast)]

Wenn du dir nicht sicher bist:
Ich sehe den Fehler auch nicht, aber wenn du ihn übersehen hast, hat er 
ja schon eine Grunderkennungsschwierigkeit...

Ein kleines Problem sehe ich schon: Wo fließen die Leckströme des 
Transistors? Was aber nicht der Grund sein sollte...

Also:
Sagt LTSPICE dass das tut?
Wennd laut LTSPICE tut, gibts viele Möglichkeiten. NMOS erwischt, Symbol 
falsch, Batzen drauf, FET kaputt...

Ich würde mal das Piepserl auspacken.

[Alex (Gast)]

Sehe jetzt erst, dass nur 5V anliegen...

schönen Gruß,
Alex

[Auch Martin (Gast)]

Guten Morgen Martin.

Der PCA9615DPJ wird rechts angeschlossen, oder?
Der Verpolschutz schützt doch aber nur davor, dass die Spannung, die von 
Links kommt, verpolsicher ist...?

[Harald (Gast)]

Ein paar Ideen:
- MOSFET versehentlich falsch oder gar Fake?
- Verbindung Masse mit anderen Komponenten, z.B. PC
- Wie ist der nachgeschaltete Teil wo angeschlossen?

[Name: (Gast)]

Eins ist mir noch eingefallen.

Bei Verpolung gilt: GND = +5V
Damit kann man ICs auch über Datenleitungen zerstören, wenn eine andere 
Platine angeschlossen ist. Weil die Datenleitung dann eine negative 
Spannung sieht.

Wenn also noch eine Datenleitung irgenwo hinführt, und die 5V GND-Bezug 
haben, kann es durchaus auch zu Problemen kommen.

[Volker B. (Firma: L-E-A) (vobs)]

Martin S. schrieb:

> Der nachgeschaltete PCA9615DPJ brennt ab, wenn verpolt wird.
>
> Warum ist das so? Ich hab Tomaten auf den Augen. Ich finde auch den
> Thread nicht mehr.

Source und Drain vertauscht?
Oder hast Du für den Test die Schaltung zuerst richtig bestromt und dann 
sofort, also ohne nennenswerte Pause verpolt bestromt? Dann könnte 
aufgrund des hochohmigen Gatewiderstands das Gate noch geladen gewesen 
sein als die verpolte Sapnnung anlag.

100k erscheinen mir auch als etwas sehr hochohmig für diese Anwendung, 
ibs. wenn mit max. 5V gespeist wird.

Grüßle
Volker

Nachtrag: Bei 1nF Gatekapazität ergibt sich eine Zeitkonstante von 
0,1ms, somit müsste das Verpolen innerhalb einer ms erfolgen, was wohl 
eher unwahrscheinlich ist. Also doch eine andere Fehlerursache :-(

Aber der Hinweis aus dem vorhergehenden Artikel könnte wirklich die 
Ursache sein, wenn Du die Signalleitungen aus der gleichen 
Spannungsquelle gespeist hast.

[Martin S. (sirnails)]

Danke für die Antworten bisher.

Im Anhang nochmal die ganze Schaltung. Ist eigentlich nicht viel dran.

5V / I²C kommen von einem Atmega. Der Si2323DS kommt von Mouser. Würde 
mich wundern, wenn die gefälscht wären (gut, unmöglich ist das nicht, 
wäre jetzt aber nicht meine erste Annahme).

Der Verpolschutz soll nur sicherstellen, dass VDD/GND nicht vertauscht 
sind. Alle willkürlichen Verpolungen kann ich nicht ausschließen. Kern 
ist der, dass man die JST-Buchse falsch herum auflöten kann. SDA/SCL 
wäre dann vertauscht, aber eben auch VDD/GND. Den fall wollte ich 
erschlagen.

Für den Test war keine Fremdversorgung aktiv - nur die Versorgung über 
I2C.

Irgendwie scheint also doch was durchzukommen. Verstehe aber nicht, 
wieso.

Als einfache Lösung könnte ich nach dem Mosfet eine Schottky-Diode 
einsetzen, die im Kurzschlussfall hart kurschließt. Aber ich möchte das 
Problem gerne verstehen.

[ACDC (Gast)]

klemm mal SDA und SCL ab. Dann funkioniert der Verpolschutz.

[Auch Martin (Gast)]

Hab ich jetzt einen Denkfehler?
Der Verpolschutz, so wie er hier verwendet wird, ist doch dafür gedacht, 
eine
nachfolgende Schaltung davor zu schützen, wenn an der Klemme die 
Spannung falsch herum angelegt wird.

Bei dir ist aber nur der IC nach dem Verpolschutz falsch herum 
angeschlossen, die 5V davor sind richtig. D.h. der IC hat +5V auf seinen 
GND Pin und umgekehrt, was ihn killt.

[Lothar M. (Firma: Titel) (lkmiller) (Moderator)]

Martin S. schrieb:
> Der nachgeschaltete PCA9615DPJ brennt ab, wenn verpolt wird.
> Warum ist das so?
Probier mal aus, nur SDA und SCL anzuschließen und dann +5V an den Pin 1 
vom X1 zu legen. Pin 4 vom X4 bleibt offen. In diesem Fall ist der 
Mosfet also gar nicht beteiligt.
Geht der PCA dann auch kaputt?

Volker B. schrieb:
> 100k erscheinen mir auch als etwas sehr hochohmig für diese Anwendung,
> ibs. wenn mit max. 5V gespeist wird.
Kein Problem.
Dann leitet eben die ersten Millisekunden nur die Body-Diode und dann 
übernimmt die DS-Strecke.

[Martin S. (sirnails)]

Volker B. schrieb:
> Source und Drain vertauscht?

Gerade kontrolliert. Ist richtig.

[Auch Martin (Gast)]

Hab das mal schnell simuliert.
Wenn du die Schaltung nur über den I2C-Chip versorgst (also von rechts) 
und das verpolt ist, dann ist der FET ja sozusagen im Massepfad und die 
Body-Diode leitet...
Bei richtigem Anschluss ist die GS-Spannung -5V und der FET leitet.

Wie oben erwähnt, bin ich der Meinung, dieser Schutz funktioniert nur 
vor Verpolung "von links"... Oder sehe ich da was falsch?

[Auch Martin (Gast)]

Sorry, falsches Bild...

[Marek N. (Gast)]

Ich könnte mir auch vorstellen, dass in dem I2C-Chip Schutzdioden 
zwischen SCL/SDA und den Versorgungspins sind.

Durch die Pull-Up-Widerstände wird der MOSFET aufgesteuert und es fließt 
ein unzulässig hoher Kurzschluzssstrom durch die Dioden.

Die Schaltung mit dem P-MOS ist zwar ein Verpolschutz, aber kein 
Rückstromschutz. Besser (aber auch nicht perfekt) ist da die schaltung 
mit dem Stromspiegel, wie im Raspberry: 
Beitrag "Verpolschutz Spannung?"

[Teo (Gast)]

Auch Martin schrieb:
> Wie oben erwähnt, bin ich der Meinung, dieser Schutz funktioniert nur
> vor Verpolung "von links"... Oder sehe ich da was falsch?

Wäre da auch die Bodydiode mit eingezeichnet, würdest du sicher nicht 
fragen....
Ohne würde das NUR von rechts gespeist funktionieren, den ohne Bodydiode 
bliebe Source auf dem selben Potentialwie das Gate (GND/-).

[mkn (Gast)]

Auch Martin schrieb:
> Wie oben erwähnt, bin ich der Meinung, dieser Schutz funktioniert nur
> vor Verpolung "von links"... Oder sehe ich da was falsch?

X1 Verpolung fängt der ab.
Bei X2 Verpolung kann der nix tun.
Verdrehst Du X2, wird die Schaltung an X2 gegrillt und reisst den Pfet 
wahrscheinlich in den Überstromtod.

Wenn X1 Verpolung zum defekt führt muss da ein Fehler drin sein.
Im Prinzip funktioniert so ein Pfet Verpolschutz sehr gut.

Aber das kannst Du Dir doch am Labornetzgerät ansehen, wenn Du das 
langsam im verpolten Zustand hochdrehst.
Der Fehler sollte sehr leicht zu finden sein.

[Martin S. (sirnails)]

Auch Martin schrieb:
> D.h. der IC hat +5V auf seinen
> GND Pin und umgekehrt, was ihn killt.

Der IC hat dann 5V am Ground pin aber kein Ground am 5V Pin, weil der 
Mosfet dann in Sperrichtung liegt.

[Name: (Gast)]

Nochmal:
Wenn du verpolst, schließt du +5V an GND an.
Dann kannn auch über Dinge wie I2C eine MENGE Strom fließen.
Der Strom fließt an dem FET vorbei, da kann der nichts machen.

Ein Verpolschutz in VCC funktionier nur, wenn das Gerät alleinesteht, 
oder das Netzteil isoliert ist.

Daran kann auch eine Diode nichts ändern. Der MOSFET tut seinen Dienst 
schon korrekt.

Das ist deshalb nicht leicht zu verstehen, weil eben auch Dinge 
beteiligt sind, die in der Schaltung nicht vorkommen (externe Platinen). 
Auch mir sind schon verpolgeschützte Platinen um die Ohren geflogen ;-)

Ich würde mir das mit allen angeschlossenen Platinen aufzeichnen, dann 
wird es klarer.

[mkn (Gast)]

Name: schrieb:
> Dann kannn auch über Dinge wie I2C eine MENGE Strom fließen.

I²C wird über Pull Ups gespeist die hinter dem Verpolschutz liegen.
Wo sollen diese Ströme herkommen?

[Auch ein Martin (Gast)]

Martin S. schrieb:
> 5V / I²C kommen von einem Atmega.

Martin S. schrieb:
> Für den Test war keine Fremdversorgung aktiv - nur die Versorgung über
> I2C.

Kannst du nochmal klarstellen, woher jetzt deine Versorgung kommt?
Vom I2C des Atmega (also über X1) oder vom I2C über das TP-Kabel und X2?

Falls vom Atmega, dann ist der Verpolschutz zwar richtig, er kann aber 
nur dafür sorgen, dass die 5V von X1 kommend nichts anrichten können, 
sollten diese verpolt sein. Im korrekten Fall (von X1 kommend) ist dein 
FET bzw. die Body-Diode leitend und wenn der IC dahinter falsch 
angeschlossen ist, raucht er halt. GND/VCC vertauscht mögen die 
wenigsten ICs...

Falls über das TP-Kabel der Atmega versorgt wird (von X2 kommend), dann 
bringt der FET nichts, weil:
Marek N. schrieb:
> Die Schaltung mit dem P-MOS ist zwar ein Verpolschutz, aber kein
> Rückstromschutz

[Arno (Gast)]

mkn schrieb:
> Name: schrieb:
>> Dann kannn auch über Dinge wie I2C eine MENGE Strom fließen.
>
> I²C wird über Pull Ups gespeist die hinter dem Verpolschutz liegen.
> Wo sollen diese Ströme herkommen?

Aus dem AVR. Sobald der AVR SCL auf Low zieht, hat der 9615 bei 
verpolter Versorgungsspannung an seinem SCL-Pin -5V ggü. GND. Einer von 
beiden gibt dann nach.

Halbgare Idee: Zusätzlichen N-FET in die GND-Leitung?

MfG, Arno

[Marek N. (Gast)]

Neuer Lösungsansatz:
Der 100nF-Kondensator ist der Übeltäter, denn er hält den MOSFET auch 
nach dem Umpolen aufgesteuert, wodurch die volle verpolte Spannung an 
den PCA durchgeschaltet wird, bis der Kondensator sich umgeladen hat un 
den MOSFET sperrt. Er wirkt quasi als Bootstrap-Kondensator
Hast du ein Scope, um dieses Verhalten (ohne den PCA-IC) zu 
verifizieren?
Mit einer (Schottky-)Diode in Sperrichtung zwischen VccA und Vss könnte 
man diese Spannung auf die zulässigen -0,5 V klemmen.

[Martin S. (sirnails)]

Teo schrieb:
> ne würde das NUR von rechts gespeist funktionieren, den ohne Bodydiode
> bliebe Source auf dem selben Potentialwie das Gate (GND/-).

Es wird ausschließlich über X1 gespeist.

Diese Platine kommt im I²C zweig mehrfach, sodass hier dann ein Drop von 
0,4V zu viel wäre.

Ich fürchte, es hat wirklich was mit den I2C-Leitungen zu tun. Ich messe 
das aber nochmal nach. Bin mir nur nicht sicher, ob ich da heute dazu 
komme.

Das Fazit ist aktuell jedenfalls, dass die Schaltung für sich genommen 
i.O. aussieht, und irgendwelche Querströme über I2C den Verpolschutz 
kosten.

Dann wäre allerdings eine Überlegung, ob man SDA/SCL nicht über schnelle 
Dioden entkoppelt. Durch den Wandler werden nach jeder Stufe wieder 
saubere Pegel hergestellt.

[Martin S. (sirnails)]

Marek N. schrieb:
> Der 100nF-Kondensator ist der Übeltäter

Die Zeitkonstante (100n / 100k) ist aber nur 10 ms. So schnell kann 
niemand einen Stecker falsch rum einlöten.

[Lothar M. (Firma: Titel) (lkmiller) (Moderator)]

Marek N. schrieb:
> Der 100nF-Kondensator ist der Übeltäter, denn er hält den MOSFET auch
> nach dem Umpolen aufgesteuert
Wie schnell wird denn da umgepolt, dass sich nicht mal ein 
Blockkondensator entladen kann?

Martin S. schrieb:
> Es wird ausschließlich über X1 gespeist.
Kannst du dafür nicht einen Stecker nehmen, denn nur ausgemachte Trottel 
falsch stecken können?

Auch Martin schrieb:
> Sorry, falsches Bild...
Du hast da in deiner Simulation den Eingang und den Ausgang der 
Schaltung verwechselt.
Siehe http://www.lothar-miller.de/s9y/categories/39-Verpolschutz

[Martin S. (sirnails)]

Lothar M. schrieb:
> Kannst du dafür nicht einen Stecker nehmen, denn nur ausgemachte Trottel
> falsch stecken können?

Das Problem ist anders herum: Es muss ein bestehender Stecker ab- und 
ein neuer angelötet werden. DIESER kann verdreht werden. Der Stecker 
auf der kleinen Platine ist verdrehsicher.

Dieser kleine Symmetrierer soll überall dort eingesetzt worden, wo I2C 
zu unzuverlässig läuft. D.h. es muss auf verschiedenen Leiterkarten 
umgelötet werden, die teilweise ziemlich teuer sind, und nicht durch so 
einen Lötfehler zerstört werden können sollen.

[Auch Martin (Gast)]

Lothar M. schrieb:
> Du hast da in deiner Simulation den Eingang und den Ausgang der
> Schaltung verwechselt.

Nein, eben nicht. Dass der Verpolschutz "von links" tut, weiß ich. Habe 
den auch schon oft so verbaut. Ich wollte schnell ausprobieren, was 
passiert wenn Martin S. die Speisung über I2C (X2) macht, weil es mir zu 
diesem Zeitpunkt noch nicht klar war, von welcher Seite er jetzt was 
schützen will.

[Lothar M. (Firma: Titel) (lkmiller) (Moderator)]

Martin S. schrieb:
> Es muss ein bestehender Stecker ab- und ein neuer angelötet werden.
> DIESER kann verdreht werden.
Dann ist das also ein menschlicher Bedienungsfehler, der im Leben der 
Schaltung genau 1x passieren kann?

> D.h. es muss auf verschiedenen Leiterkarten umgelötet werden,
> die teilweise ziemlich teuer sind, und nicht durch so einen Lötfehler
> zerstört werden können sollen.
Das hört sich für mich danach an, dass es lediglich eine gute Anleitung 
für den Umbau und die anschließende Kontrolle geben sollte.
Denn meine Erfahrung zeigt: immer wenn du eine Schaltung machst, die den 
GDDT (Größten Derzeit Denkbaren Trottel) überlebt, wird morgen ein noch 
Größerer aufstehen und deine Schaltung trotzdem umbringen.

[Arno (Gast)]

Martin, ich weiß nicht, ob du die Beiträge von (mindestens) ACDC, Name: 
und mir überlesen hast, daher nochmal:

Du baust bei Verpolung einen wunderbaren Kurzschluss von VCC auf der 
AVR-Platine über den verpolten X1 durch GND des PC9615 und die 
"parasitäre ESD-Schutzdiode" des SDA- oder SCL-Pins des PC9615 zurück 
über den verpolten X1 zu SCL oder SDA des AVR. Sobald der AVR SCL oder 
SDA auf Low schaltet.

Mal dir den Stromfluss mal auf. Ich hab gerade keinen Schaltplaneditor 
zur Hand.

[Arno (Gast)]

Ergänzung, zu früh auf Senden geklickt:

Evtl. hilft dagegen ein zweiter Verpolschutz mit einem N-FET in der 
GND-Leitung.

MfG, Arno

[Martin S. (sirnails)]

Arno schrieb:
> Martin, ich weiß nicht, ob du die Beiträge von (mindestens) ACDC, Name:
> und mir überlesen hast, daher nochmal:

Sicher :-)

Beitrag "Re: Verpolschutz schützt nicht"

Daher auch der Vorschlag, SDA und SCL zu schützen. Oder den Verpolschutz 
komplett weg zu lassen (siehe Lothar).

[Martin M. (mcmaier)]

Arno schrieb:
> Du baust bei Verpolung einen wunderbaren Kurzschluss von VCC auf der
> AVR-Platine über den verpolten X1 durch GND des PC9615 und die
> "parasitäre ESD-Schutzdiode" des SDA- oder SCL-Pins des PC9615 zurück
> über den verpolten X1 zu SCL oder SDA des AVR. Sobald der AVR SCL oder
> SDA auf Low schaltet.

So siehts aus...

[Martin S. (sirnails)]

Der Strom aus der Simulation ist plausibel. Der 7805 ging in die Knie. 
Das kommt also gut hin mit 2,5W Verlustleistung.

Die Frage von oben bleibt aber: Würden zwei Dioden in SDA und SCL 
helfen? So wie ich das sehe, schon. Alternativ natürlich noch der zweite 
Mosfet. Aber der passt auf die Leiterplatte nicht mehr drauf.

[Arno (Gast)]

Würde I2C dann denn überhaupt noch funktionieren? Mindestens SDA ist 
doch bidirektional?

Ansonsten ja, sollte gegen den Kurzschluss helfen.

MfG, Arno