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Verpolschutz und Überspannungsschutz bei Pedalen

Veröffentlicht: Samstag, 16. Mai 2020

Autor: Daniel Saulheimer

Reverse the polarity of the neutron flow!

Es gibt sicherlich viele (wenn nicht nur) Themen die mit mehr Sex-Appeal behaftet sind als das Thema Verpolschutz im Umfeld von Effektgeräten. Für die meisten wird das Thema vermutlich erst dann relevant, wenn mal wieder ein nicht center-negatives Netzteil oder eine Wandwarze mit zu hoher Spannung für den gemeinen Bodentreter verwendet wurde und die Rauchzeichen bereits von Ungemach gekündet haben.
In Anbetracht der Menge an verpolt betriebenen Effektgeräten die dem Autor immer wieder zur Reparatur vorgelegt werden, kann eine kann eine gewisse Relevanz jedoch nicht bestritten werden.

Viele der im Innern von Pedalen genutzten Bauteile können bei Anlegen einer falsch gepolten Spannung Schaden tragen. Eine Beschädigung dieser Komponenten würde dann in vielen Fällen dazu führen, dass eine Reparatur aufgrund des Aufwandes die Bauteile zu tauschen unwirtschaftlich wird. Es ist daher üblich, der für die eigentliche Funktion zuständigen Schaltung Bauteile vorzuschalten, die im Fall eines Verpolens die Beschädigung der nachfolgenden Teile verhindert.
Dabei kann man die folgenden Ansätze unterscheiden:

  • Nicht zerstörungsfreier Verpolschutz:
    Der Verpolschutz sorgt dafür, dass die nachfolgenden Bauteile geschützt sind, es kann aber in der Schutzschaltung selbst zu Schäden kommen. Ein Bauteil wird quasi „geopfert“, der Effektteil selbst kann jedoch relativ leicht durch Tausch der Schutzkomponente wieder repariert werden. Ein klassisches Beispiel ist die Diode parallel zum Pedaleingang, wie sie in den meisten Geräten Anwendung findet.

  • Zerstörungsfreier Verpolschutz
    Der Verpolschutz sorgt dafür, dass die nachfolgenden Bauteile geschützt sind und gleichzeitig die Verpolschutzschaltung selbst sicher ist.
1N4002 Diode Verpolschutz
Abbildung 1: EHX-Pedal mit 1N4002 Diode als parallelem, nicht zerstörungsfreiem Verpolschutz


Im Folgenden gehen wir kurz auf Beispiele der beiden Ansätze sowie deren Vor- und Nachteile ein:

Nicht zerstörungsfreier Verpolschutz:

  1. Der Klassiker- Diode parallel zum Eingang
    Im Falle des Verpolens wird die Diode in Vorwärtsrichtung betrieben. Die Spannung für die nachfolgende Schaltung wird auf die sich einstellende Vorwärtsspannung der Diode begrenzt. Um dies zu erreichen kann die Diode einen sehr hohen Strom fließen lassen. Wird dieser zu hoch, erwärmt sich die Diode und kann Schaden nehmen. Der Defekt der Verpolschutzdiode aufgrund der Verwendung eines falschen Netzteils ist einer der, wenn nicht sogar der am häufigsten zu beobachtende Fehler bei Pedal-Defekten.
    1N4002 Diode Verpolschutz
    Abbildung 2: Diode als paralleler Verpolschutz


  2. Wenn’s mehr Headroom sein soll - Zener Diode als Verpol- und Überspannungsschutz
    Eine Zener-Diode funktioniert in Vorwärtsrichtung in gleicher Weise wie eine herkömmliche Diode. Zusätzlich limitiert sie in Rückwärtsrichtung die Spannung. Die Spannung auf die limitiert wird nennt sich „Zener“-Spannung. Eine 12V-Zener Diode begrenzt folglich in Rückwärtsrichtung auf 12V. Um dies zu erreichen kann das Bauteil einen sehr hohen Strom fließen lassen. Ähnlich wie bei der Diode in Vorwärtsrichtung kann es bei nicht limitiertem Strom zu einem Defekt des Bauteils kommen.
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    Abbildung 3: Z-Diode als paralleler Verpol- und Überspannungsschutz


    Diese Art von Schaltung findet man oft in Pedalen mit Ladungspumpe, ein gängiges Beispiel wäre der Klon Centaur späterer Baujahre. Dies kommt oftmals daher, dass die gängigen Ladungspumpen-ICs wie TC1044 oder LMC7660 nur mit Eingangsspannungen um die 9V zurechtkommen und bei höheren Spannungen Schaden nehmen können. Ein weiterer Grund ist, dass die Ladungspumpen-Schaltungen die Eingangsspannung annähernd verdoppeln oder verdreifachen. Die in Pedalen verwendeten Bauteile können zwar meistens deutlich mehr als 9V, bei einem Betrieb mit Überspannung, welche gleichzeitig noch vervielfacht wird, kann es aber auch hier zu weitreichenden Folgeschäden kommen.
    Beide Ansätzen können auch mit einer zusätzlichen Sicherung implementiert werden, was die „Reparatur“ erleichtern kann. Aus Platz- und Kostengründen wird dies bei Pedalen aber keine gerne oft genutzte Option.

Zerstörungsfreier Verpolschutz:

  1. Der Klassiker II - Diode in Reihe zum Eingang
    Ein in vielen Anwendungen genutzter Ansatz ist die Reihenschaltung einer Diode zur eigentlichen Effektschaltung.
    Der Vorteil liegt auf der Hand: Im Falle des Verpolens sperrt die Diode und es kann kein Strom fließen. Sowohl die nachfolgende Schaltung als auch die Diode selbst sind vor Zerstörung sicher.
    1N4002 Diode Verpolschutz
    Abbildung 4: Diode als serieller Verpolschutz

    Ein gravierender Nachteil zeigt sich bei Verwendung mit korrekter Polarität: Über die Diode fallen je nach Arbeitspunkt üblicherweiße 0.7V-1V ab, d.h. bei Verwendung eines 9V Netzteils stehen statt 9V nur noch 8.3V für die Effektschaltung zur Verfügung. Aufgrund der geringeren Versorgungsspannung kann es in der nachfolgenden Schaltung zu negativ empfundenen Effekten kommen: Arbeitspunkte verschieben sich, es steht weniger „Headroom“ zur Verfügung. Eine Variation dieser Schaltung wäre die Verwendung von Schottky-Diode, dabei reduziert sich die über der Diode abfallende Spannung auf ca. 0.3V bis 0.5V, die negativen Effekte sind die selben wie bei Verendung einer herkömlichen Diode, jedoch weniger stark ausgeprägt.


  2. Etwas Progressiver: Transistor als Verpolschutz
    Der oben genannte Nachteil der Diode in Reihe entfällt bei Verwendung eines Transistors. Wird die Schaltung in korrekter Polarität betrieben stellt sich eine positive Spannung am Steuereingang (Gate-Source) ein und der Transistor leitet. Bei Verwendung eines Transistors mit geringem Durchgangswiderstand fällt quasi keine Spannung über diesem ab.
    Wird das Gerät mit falscher Polarität betrieben, stellt sich eine negative Spannung am Steuereingang ein und der Transistor sperrt.
    Der Nachteil dieser Schaltung ist die oftmals notwendige Verwendung von zusätzlichen Bauteilen, um z.B. den Transistor vor statischen Entladungen zu schützen. Darüber hinaus sind Transistoren zumeist etwas teurer als Dioden, auch wenn die Preisdifferenz eher im einstelligen Cent-Bereich liegt.
    1N4002 Diode Verpolschutz
    Abbildung 5: Transistor als serieller Verpolschutz


  3. Nichts für Hitzköpfe- Zener Diode+Selbstrückstellende Sicherung
    Wie oben beschrieben hat ein Verpolschutz mit Zener-Diode den Vorteil, gleichzeitig vor Überspannung zu schützen, allerdings besteht der Nachteil, dass im Falle eines Fehlers die Diode beschädigt werden kann. Beide Fälle können durch Vorschalten einer Sicherung abgefangen werden. Einen Sonderfall einer Sicherung stellen sogenannten selbstrückstellende PTC-Sicherungen dar. Im Falle des zu viel fließenden Stroms erwärmen sie sich, was zu einem schlagartigen Anstieg ihres Widerstandes führt. Ähnlich wie ein Schalter trennen sie die nachfolgende Schaltung von der Versorgungsspannung und stellen damit einen sicheren Betriebspunkt her. Nach dem Abkühlen, welches üblicherweise einige Minuten dauert, wird die Sicherung wieder leitend und die Funktion der Schaltung ist wiederhergestellt. Ein Nachteil hierbei ist, dass dem Nutzer vermittelt werden muss, dass nach einem Verpolen des Gerätes zur Diagnose einige Minuten gewartet werden sollte.
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    Abbildung 6: Z-Diode und Rückstellbare Sicherung als serieller Verpol- und Überspannungsschutz


Fazit:

Die Parallelschaltung einer Diode ist bislang immer noch der quasi-Standard als Verpolschutz für Effektpedale. Der vorliegende Text hat versucht aufzuzeigen, welche Vor- und Nachteile unterschiedliche Verpolschutz-Schaltungskonzepte im Allgemeinen bieten und zu zeigen, dass es einige sinnvolle Alternativen zur parallelen Diode gibt.
Der Autor dieser Zeilen verbleibt mit der Hoffnung in Zukunft weniger Pedal mit defekten Verpolschutz-Dioden reparieren zu müssen. In der Zwischenzeit bleibt das Lager an 1N4002 Ersatz-Dioden zur Sicherheit weiter reichlich gefüllt.



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