バッテリーは、電子回路に電圧を供給するための最も便利な電源です。アダプター、太陽電池などの電子機器に電力を供給する方法は他にもたくさんありますが、最も一般的なDC電源はバッテリーです。通常、すべてのデバイスには逆極性保護回路が付属していますが、逆極性保護がないバッテリー駆動のデバイスがある場合は、バッテリーを交換する際に常に注意する必要があります。そうしないと、デバイスが爆発する可能性があります。
したがって、この状況では、逆極性保護回路が回路に追加すると便利です。ダイオードまたはダイオードブリッジを使用したり、HIGH側のスイッチとしてPチャネルMOSFETを使用したりするなど、逆極性接続から回路を保護する簡単な方法がいくつかあります。
ダイオードを使用した逆極性保護
ダイオードの使用は逆極性保護の最も簡単で安価な方法ですが、漏電の問題があります。入力電源電圧が高い場合、特に電流が低い場合は、小さな電圧降下が問題になることはありません。しかし、低電圧オペレーティングシステムの場合、わずかな電圧降下でも許容できません。
汎用ダイオードの両端の電圧降下は0.7Vであることがわかっているので、ショットキーダイオードを使用することでこの電圧降下を制限できます。電圧降下は約0.3V〜0.4Vであり、大電流負荷にも耐えることができるからです。ショットキーダイオードの多くは逆電流リークが大きいため、ショットキーダイオードを選択する際は注意してください。逆電流が小さい（100uA未満）ものを選択するようにしてください。
4アンペアでは、回路内のショットキーダイオードによる電力損失は次のようになります。
4 x 0.4W = 1.6W
そして通常のダイオードでは：
4 x 0.7 = 2.8W。
極性に関係なく、逆極性保護にフルブリッジ整流器を使用することもできます。ただし、ブリッジ整流器は4つのダイオードで構成されているため、電力の浪費量は、単一のダイオードを使用した上記の回路の電力の浪費の2倍になります。
PチャネルMOSFETを使用した逆極性保護
逆極性保護にPチャネルMOSFETを使用すると、電圧降下が低く、電流が大きくなるため、他の方法よりも信頼性が高くなります。この回路は、PチャネルMOSFET、ツェナーダイオード、およびプルダウン抵抗で構成されています。電源電圧がPチャネルMOSFETのゲート-ソース間電圧（Vgs）よりも低い場合は、ダイオードまたは抵抗なしのMOSFETのみが必要です。MOSFETのゲート端子をグランドに接続するだけです。
ここで、供給電圧がVgsを超える場合は、ゲート端子とソースの間の電圧を下げる必要があります。回路ハードウェアの作成に必要なコンポーネントを以下に示します。
必要な材料
- FQP47P06PチャネルMOSFET
- 抵抗器（100k）
- 9.1Vツェナーダイオード
- ブレッドボード
- 接続線
回路図
PチャネルMOSFETを使用した逆極性保護回路の動作
さて、回路図のように正しい極性でバッテリーを接続すると、トランジスターがオンになり、電流が流れます。バッテリーが逆向きまたは逆極性で接続されている場合、トランジスターはオフになり、回路は保護されます。
この保護回路は他の回路よりも効率的です。バッテリーが正しく接続されている場合の回路を分析してみましょう。ゲートとソースの間の電圧が負であるため、PチャネルMOSFETがオンになります。ゲートとソース間の電圧を求める式は次のとおりです。
Vgs =（Vg-Vs）
バッテリが正しく接続されていない場合、ゲート端子の電圧は正になり、PチャネルMOSFETは、ゲート端子の電圧が負の場合にのみオンになることがわかります（このMOSFETの最小-2.0V以下）。したがって、バッテリーが逆方向に接続されている場合は常に、回路はMOSFETによって保護されます。
ここで、回路の電力損失について説明します。トランジスタがオンの場合、ドレインとソース間の抵抗はほとんど無視できますが、より正確には、PチャネルMOSFETのデータシートを参照できます。FQP47P06 PチャネルMOSFETの場合、静的ドレイン-ソース間オン抵抗（R DS（ON））は0.026Ω（最大）です。したがって、次のように回路の電力損失を計算できます。
電力損失= I 2 R
トランジスタを流れる電流が1Aであると仮定しましょう。したがって、電力損失は
電力損失= I 2 R =（1A）2 *0.026Ω= 0.026W
したがって、電力損失は、単一のダイオードを使用する回路の約27分の1になります。そのため、逆極性保護にPチャネルMOSFETを使用する方が、他の方法よりもはるかに優れています。ダイオードよりも少しコストがかかりますが、保護回路がはるかに安全で効率的になります。
また、ゲートからソースへの電圧を超えないように保護するために、回路にツェナーダイオードと抵抗を使用しました。抵抗と9.1Vのツェナーダイオードを追加することにより、ゲート-ソース間電圧を最大負の9.1Vにクランプできるため、トランジスタは安全なままです。