Самодельный ограничитель разряда для акб. Схемы защиты Li-ion аккумуляторов от переразряда (контроллеры разряда)

Несоблюдение правил эксплуатации аккумуляторов (АКБ) (перезаряд, глубокий разряд) сокращает срок службы и ухудшает характеристики этих изделий. В радиолюбительской литературе описано довольно много устройств, предназначенных для контроля напряжения батарей. Для аккумуляторов малой емкости главное требование малый потребляемый ток.

При замыкании контактов реле К1, которые подсоединяют АКБ при отсутствии сетевого напряжения 220В, на схему поступает напряжение с АКБ GB1, но так как транзисторный ключ сам открыться не может, то для его запуска используются пассивные компоненты - С1 и R2. При появлении напряжения на входе, начинает заряжать емкость С1. В начальный момент заряда затвор полевого транзистора оказывается зашунтирован емкостью на общий провод. Транзистор открывается, а если напряжение на АКБ находится выше установленного уровня на компараторе, он остается открытым, если напряжение ниже порога, то полевой транзистор закрывается. Уровень отключения АКБ от нагрузки задается резистором R3. По мере разряда АКБ напряжение на первом выводе DA1 КР142ЕН19 будет снижаться и как только оно приблизится к опорному напряжению микросхемы, где-то 2,5В, начнет расти напряжение на ее третьем выводе, что соответствует снижению уровня напряжения на истоке-затворе VT1. Транзистор закрываться, что приведет к резкому снижению напряжению на первом выводе DA1. Идет лавинообразный процесс запирания VT1. В результате, нагрузка будет отключена от АКБ. Ток нагрузки, коммутируемый этим полевиком, может быть увеличен в несколько раз при установке транзистора на радиатор.

Сопротивление R1 нужно для создания требуемого тока через микросборку, который должен быть не ниже одного миллиампера. Емкости С1 и С3 блокировочные. R4 сопротивление нагрузки. Для экономии энергии АКБ в роли индикатора лучше использовать сверхъяркий светодиод и подобрать номинал резистора R до нужной яркости.

Индикатор разряда аккумулятора предназначен для получения оперативного предупреждения о разряде аккумуляторной батареи, что поможет защитить вас от многих проблем. Предлагаемая схема достаточно проста, а вся регулировка заключается в выставление порога срабатывания переменным резистором для включения светодиодной индикации.

На рисунке ниже изображена принципиальная схема индикатора для контроля напряжения в пределах 7-9 В аккумуляторной батареи типа 7Д-0,115, которые часто используют в переносной аппаратуре. За основу взята схема, опубликованная в , где источник опорного напряжения и пороговое устройство выполнены на универсальной логической микросхеме К176ЛП1, причем отмеченный авторами этой публикации недостаток - заметная зависимость порога от окружающей температуры (снижается на 0,25 В с ростом температуры на 10°С) можно считать вполне приемлемой платой за малое энергопотребление. Этот датчик, кроме изменения параметров нескольких резисторов, дополнен генератором импульсов на КМОП-инверторах К176ЛА7.

Напряжение контролируемого аккумулятора с делителя на резисторах R1-R3 подается на вход компаратора (вывод 3 DD1). Если напряжение на нем окажется выше установленного резистором R2 порога, на его выходе (вывод 12) - лог."0", который удерживает генератор импульсов в заторможенном состоянии. При этом на выводе 3 DD1 - лог."1", а инвертор DD2.3 обеспечивает выключение светодиода. В этом состоянии энергопотребление не превышает нескольких микроампер, что позволяет подключать индикатор к аккумулятору (АКБ), минуя выключатель питания, и контролировать его состояние постоянно. Если напряжение оказывается ниже порога, то на выходе компаратора появляется лог.1", запускающая генератор на элементах DD2.1-DD2.2. Светодиод VD1, являющийся нагрузкой инвертора DD2.3, начинает вспыхивать с частотой около 1 Гц, и устройство потребляет хотя и меньший, чем в прототипе, но все-таки значительный ток (единицы миллиампер). Соединение светодиода VD1 непосредственно с выходом инвертора без балластного резистора возможно, поскольку логический элемент действует как источник тока - выходной ток ограничивается величинами начальных токов КМОП-структур и согласуется с интервалом рабочих токов большинства светодиодов.

Печатная плата устройства (вид со стороны проводников). Предусмотрена возможность составления резисторов R1 и R4 из нескольких последовательно соединенных меньшего сопротивления. Неиспользуемые входы лишнего элемента 2И-НЕ микросхемы DD2 заземлены.

Эта конструкция разработана для функционирования в составе аварийного источника питания со стационарной герметичной аккумуляторной батареей FIAMM-GS 12 В емкостью 7,2 А.ч.

В отличие от автомобильных батарей, в таком источнике питания батарея подзаряжается от сетевого зарядного устройства постоянно, через ограничитель тока и напряжения. При правильном конструировании перезаряд практически исключен и индицировать повышенное напряжение явно излишне. Но крайне необходим контроль степе- ни разряда батареи после исчезновения сетевого напряжения и переключения по- требителей на резервный источник, чтобы предотвратить глубокую разрядку и вовремя отключить эту нагрузку. Желательно также, чтобы индикатор разряда показывал несколько уровней - близкий к но минальному заряд (при подзарядке аккумуляторной батареи от сети), а также разряд, например, на уровне 50 и 75%.Схема уже имеет двухпороговый компаратор (за основу взята схема включения двух операционных усилителей), который в сочетании с генератором импульсов и двумя светодиодными индикаторами способен показывать 3 степени разрядки батареи, причем две из них для большей заметности - миганием, при разрядке на половину емкости. Пороги срабатывания компараторов устанавливают резисторами делителя напряжения R1 (подстройка), R2-R4. Указанные в схеме номиналы соответствуют двум порогам: U1=12,1 В (DA1.1) и U2=12,8 В (DA1.2) при опорном напряжении Uоп = 3,3 В, полученным от стабилитрона типа КС133А зарядного устройства.

При другом применении следует предусмотреть для него место на печатной плате вместе с резистором 1-1,2 кОм. Один из компараторов (ОУ DA1.2) управляет генератором импульсов, а второй (ОУ DA1.1) - цветом включенного светодиода. Логику работы индикатора поможет иллюстрировать таблица. Если напряжение батареи превышает U2, на выходе компаратора DA1.2 (контрольная точка D) будет лог."0", который удерживает генератор импульсов, собранный на элементах DD1.2, DD1.3, R5, C2 аналогично предыдущей схеме, в ждущем режиме. В контрольной точке G, куда подключены катоды обоих светодиодов, присутствует лог."0". Цвет включенного в данный момент времени светодиода определяется напряжением на выходе компаратора DA1.1 (контрольная точка C) - при лог."0" погаснет зеленый VD4, но инвертор DD1.1 (контрольная точка E) включит красный VD3. Когда Ucc ниже порога U1, на выходе DA1.2 в точке D появляется лог."1", которая запускает генератор импульсов, и в точке G появляется меандр: при "0" светодиоды горят, а при "1" выключены.

Диоды VD1 и VD2 блокируют появление на светодиодах напряжения обратной полярности. Несмотря на то что светодиоды могли бы быть подключенными к выходам логических элементов DD1 непосредственно, как в предыдущей конструкции, в данном устройстве все-таки установлен балластный резистор R6. Это сделано потому, что здесь напряжение питания индикатора выше, и зеленый светодиод в дежурном режиме светится постоянно. Что- бы излишне не разогревать корпус и не превышать рекомендуемый в предел мощности для микросхемы DD1, ток ограничен на уровне 10 мА - яркость импортного двухцветного светодиода вполне достаточна, чтобы его включение было заметным даже при дневном свете. Таким образом, постоянно светящийся зеленый индикатор показывает нормальное состояние и достаточный заряд акку- мулятора; мигание зеленого указывает на скорое исчерпание емкости; мигание красного - на необходимость через короткое время отключить резервируемые устройства. Потребляемый ток индикатора около 25-30 мА, что вполне приемлемо для стационарной аккумуляторной батареи такой емкости.

Печатная плата со стороны проводников. В обоих устройствах можно использовать следующие детали: резисторы - любые подходящие по размеру; конденсаторы: C1 малогабаритные электролитические на напряжение не менее 16 В (их емкость некритична), C2 - керамические малогабаритные импортные; светодиоды типа АЛ307 или любые другие, которые повторяющий конструкцию сочтет подходящими по цвету и размеру. В первом индикаторе микросхему DD2 можно заменить на К561ЛА7, но DD1 аналогов в других сериях не имеет. Во втором индикаторе DA1 можно заменить (с коррекцией печатной платы) любой парой одинарных или сдвоенным ОУ с напряжением питания 15 В, а диоды VD1, VD2 - на КД521, КД522 с любым индексом или импортным аналогом 1N4148. Наладка обоих устройств сводится к подбору резисторов в делителях и уточнению порогов подстроечными резисторами. Описанные конструкции эксплуатируются без замечаний более 2 лет.

Предлагаемое устройство постоянно контролирует напряжение батареи аккумуляторов во время её эксплуатации, не допуская глубокой разрядки, отрицательно влияющей на состояние аккумуляторов.

Однако оно не имеет гистерезиса порога срабатывания. В результате этого, когда напряжение батареи под нагрузкой окажется меньше порога срабатывания, а без нагрузки — больше, то устройство будет периодически отключать и подключать нагрузку до тех пор, пока напряжение батареи без нагрузки не станет ниже порога срабатывания. Предлагаемое устройство не имеет этого недостатка, так как при его проектировании предусмотрен гистерезис порога срабатывания.

Схема ограничителя разрядки аккумуляторной батареи

В схему ограничителя разрядки входят два основных элемента — микросхема параллельного стабилизатора напряжения DA1 и сильноточный р-канальный переключательный полевой транзистор VT1. Микросхема DA1 использована как компаратор , контролирующий напряжение батареи, транзистор VT1 — как электронный ключ, разрывающий цепь питания нагрузки.

Устройство работает следующим образом. Через микросхему DA1 течёт ток не более 0,5 мА. не зависящий от напряжения на её входе управления, пока оно меньше порога включения микросхемы (около 2,5 В). Когда напряжение на входе управления превысит порог включения микросхемы, ток через неё существенно возрастёт.

Порог срабатывания устройства устанавливают подстроечным резистором R1. На вход управления микросхемы контролируемое напряжение поступает через фильтр НЧ R3C2, чтобы устройство реагировало на среднее значение питающего напряжения, а не на мгновенные его изменения. Чем больше ёмкость конденсатора С2, тем менее оно чувствительно к пульсациям этого напряжения.

Когда напряжение батареи превышает установленный порог, через микросхему протекает ток несколько миллиампер, падение напряжения на резисторе R2 достаточно для поддержания транзистора VT1 в открытом состоянии, поэтому нагрузка подключена к батарее. Благодаря тому что сопротивление открытого канала транзистора VT1 составляет сотые доли ома, потери напряжения на нём даже при токе в несколько ампер невелики.

Когда напряжение батареи станет менее установленного порога, ток через микросхему упадёт, напряжение на резисторе R2 окажется недостаточным для открывания транзистора VT1, в результате чего он закроется и разорвёт цепь питания нагрузки. При подключении разряженной батареи транзистор VT1 вообще останется закрытым.

Чтобы переключение происходило более чётко, в устройство введена положительная обратная связь через резистор R4. Благодаря этому устройство обладает гистерезисом: отключение нагрузки осуществляется при меньшем напряжении питания, чем её подключение Величину гистерезиса можно регулировать подборкой резистора R4. Для указанных на схеме номиналах гистерезис составил 0,4 В при напряжении питания 9 В и 0,6 В при напряжении питания 12 В. Если напряжение питания ниже порога срабатывания и увеличивается, то напряжение на входе управления микросхемы также возрастает. Но так как нагрузка обесточена, напряжение на вход управления поступает с движка резистора R1 через делитель R3R4. Поэтому подключение нагрузки происходит при напряжении на движке резистора R1, на несколько сотен милливольт большем порога включения микросхемы.

Когда ток через микросхему начинает расти, транзистор VT1 открывается и на выходе появляется напряжение. Через резистор R4 оно поступает на вход управления микросхемы, напряжение на нём возрастает, что приводит к тому, что ток через неё возрастает ещё больше и в конечном итоге транзистор VT1 открывается полностью. При уменьшении питающего напряжения происходит обратный процесс.

Так как полевой транзистор VT1 начинает открываться при напряжении затвор-исток 2,5…3 В, то устройство может работать в интервале питающих напряжений от 5…7 В до 20 В. В нём можно применить микросхему , номера выводов которой на схеме указаны в скобках, переключательные транзисторы с р-канапом из списка, приведённого в Радио, 2001, № 5, с. 45, подстроечный резистор СПЗ-19, постоянные — МЛТ, С2-33, оксидный конденсатор — К50-35, неполярный — К10-17.

При использовании малогабаритных деталей для поверхностного монтажа габариты устройства можно сделать небольшими. Для примера на рис. 2 показан эскиз печатной платы при использовании микросхемы в корпусе SO-8 и транзистора в корпусе SOT-23. Этот транзистор имеет сопротивление канала в открытом состоянии 0,06 Ом и малый ток утечки в закрытом состоянии (несколько микроампер). Он обеспечивает коммутацию тока до 2…3 А. Подстроечный резистор R1 — . Оксидный конденсатор — танталовый импортный типоразмера D. Резисторы — Р1-12.

Налаживание проводят с реальной нагрузкой и аккумуляторной батареей. Перед первым включением движок подстроечного резистора R1 устанавливают в нижнее по схеме положение. Резистор R2 подбирают так, чтобы при выключенной микросхеме DA1 транзистор VT1 был закрыт, а при включённой — открыт. Порог срабатывания устанавливают движком подстроечного резистора R1, а его гистерезис — подборкой резистора R4. Следует учесть, что эти регулировки взаимосвязаны, поэтому для достижения требуемых параметров может возникнуть необходимость повторить их поочерёдно. Величину гистерезиса устанавливают так, чтобы при снижении напряжения батареи нагрузка отключалась без повторного подключения.

Создавая устройства с автономным питанием необходимо позаботиться о защите аккумулятора от глубокого разряда. Достаточно один раз упустить момент и допустить глубокую разрядку акб ниже минимального порога напряжения и ваш аккумулятор выйдет из строя, либо потеряет часть емкости и окажется неспособен работать на номинальных токах нагрузки.

С целью предотвращения случаев снижения напряжения ниже критической отметки в разрыв цепи акб- потребитель устанавливают схемы защиты, которые состоят из нескольких узлов:
компаратора и силового ключа.

Требования к схеме защиты:

малый ток утечки (собственное потребление)
коммутация токов сравнимых с максимально допустимыми для АКБ

Данная схема защиты от глубокого разряда аккумулятора собиралась для защиты кислотно-гелевого 6 вольтового АКБ емкостью 4 ампер-часа, но она может быть настроена и на работу с 12 вольтовыми акб и выше, вплоть до напряжения питания микросхемы ne7555. Прообразом этой платы, была найденная в каком-то журнале и немного измененная. Вместо обычного стабилитрона, был введен регулируемый стабилитрон TL431 который позволяет настраивать напряжение отсечки (отключения нагрузки) в совокупности с подстройкой резистивного делителя R6/R7. С 3-ей ножки микросхемы таймера 555 сигнал стал не засвечивать светодиод, а открывать n-p-n транзистор, который в свою очередь открывает силовой ключ N-channel полевой транзистор. Обратите ваше внимание на характеристики данного транзистора, он должен быть рассчитан на работу с предполагаемыми токами нагрузки, и еще немаловажная деталь- это напряжение открытия затвора. Если вы планируете схему для 6 вольтового акб вам необходим полевой транзистор с напряжением открытия 5 вольт n-channel logic level mosfet. Полевые транзисторы «общего силового» назначения с напряжением открытия 10-20 вольт вам не подойдут, так как при напряжении между затвором и истоком транзистора 5 вольт они будут находиться не в режиме насыщения а в линейном режиме, что приведет к сильному тепловыделению и выходу из строя.

Возникла у меня необходимость защиты аккумулятора от глубокого разряда. И основное требование к схеме защиты, что бы после разряда аккумулятора, она отключила нагрузку, и не смогла ее самостоятельно включить, после того как аккумулятор немного наберет напряжение на клеммах, без нагрузки.

За основу схемы здесь взят 555-й таймер, включенный в качестве генератора одиночного импульса, который после достижения минимального порогового напряжения, закроет затвор транзистора VT1 и отключит нагрузку. Схема сможет включить нагрузку только после отключения, и повторного подключения питания.

Плата (Зеркалить не нужно):

Плата SMD (Нужно зеркалить):

Все SMD резисторы — 0805. Корпус MOSFET — D2PAK, но можно и DPAK.

При сборке, стоит обратить внимание на то, что под микросхемой (в плате на DIP компонентах) есть перемычка и про нее главное не забыть!

Настраивается схема следующим образом: резистор R5 выставляется в верхнее по схеме положение, далее подключаем ее к источнику питания с выставленным на нем напряжением, при котором она должна отключить нагрузку. Если верить википедии , то напряжение полностью разряженного 12-и Вольтового аккумулятора соответствует 10,5 Вольт, это и будет нашим напряжением отключения нагрузки. Далее вращаем регулятор R5 до тех пор, пока нагрузка не отключится. Вместо транзистора IRFZ44 можно использовать практически любой мощный низковольтный MOSFET, необходимо только учитывать, что он должен быть рассчитан на ток, раза в 2 больше, чем будет максимальный ток нагрузки, а напряжение затвора должно быть в пределах напряжения питания.

При желании, подстроечный резистор можно заменить на постоянный, номиналом 240 кОм и при этом резистор R4 необходимо заменить на 680 кОм. При условии, что порог у TL431 2,5 Вольта.

Потребляемый ток платой — около 6-7 mA.

Ограничитель разрядки отключает нагрузку от батареи при уменьшении напряжения ниже заранее установленного порогового значения. Описание устройства аналогичного назначения опубликовано в . Однако оно не имеет гистерезиса порога срабатывания. В результате этого, когда напряжение батареи под нагрузкой окажется меньше порога срабатывания, а без нагрузки - больше, то устройство будет периодически отключать и подключать нагрузку до тех пор, пока напряжение батареи без нагрузки не станет ниже порога срабатывания. Предлагаемое устройство не имеет этого недостатка, так как при его проектировании предусмотрен гистерезис порога срабатывания.

Схема ограничителя разрядки показана на рис. 1. В его состав входят два основных элемента - микросхема параллельного стабилизатора напряжения DA1 и сильноточный р-канальный переключательный полевой транзистор VT1. Микросхема DA1 использована как компаратор , контролирующий напряжение батареи, транзистор VT1 - как электронный ключ, разрывающий цепь питания нагрузки.

Так как полевой транзистор VT1 начинает открываться при напряжении затвор-исток 2,5...3 В, то устройство может работать в интервале питающих напряжений от 5...7 В до 20 В. В нём можно применить микросхему TL431, номера выводов которой на схеме указаны в скобках, переключательные транзисторы с р-канапом из списка, приведённого в , подстроечный резистор СПЗ-19, постоянные - МЛТ, С2-33, оксидный конденсатор - К50-35, неполярный - К10-17.

При использовании малогабаритных деталей для поверхностного монтажа габариты устройства можно сделать небольшими. Для примера на рис. 2 показан эскиз печатной платы при использовании микросхемы TL431CD в корпусе SO-8 и транзистора IRLML6402P в корпусе SOT-23. Этот транзистор имеет сопротивление канала в открытом состоянии 0,06 Ом и малый ток утечки в закрытом состоянии (несколько микроампер). Он обеспечивает коммутацию тока до 2...3 А. Подстроечный резистор R1 - POZ3AN. Оксидный конденсатор - танталовый импортный типоразмера D. Резисторы - Р1-12.

Налаживание проводят с реальной нагрузкой и аккумуляторной батареей. Перед первым включением движок под-строечного резистора R1 устанавливают в нижнее по схеме положение. Резистор R2 подбирают так, чтобы при выключенной микросхеме DA1 транзистор VT1 был закрыт, а при включённой - открыт. Порог срабатывания устанавливают движком подстроечного резистора R1, а его гистерезис - подборкой резистора R4. Следует учесть, что эти регулировки взаимосвязаны, поэтому для достижения требуемых параметров может возникнуть необходимость повторить их поочерёдно. Величину гистерезиса устанавливают так, чтобы при снижении напряжения батареи нагрузка отключалась без повторного подключения.

Литература

1. Нечаев И. Ограничитель разрядки аккумуляторной батареи. - Радио, 2004, № 6, с. 38.

2. Нечаев И. Необычное применение микросхемы КР142ЕН19А. - Радио, 2003, № 5, с. 53, 54.

3. Мощные полевые переключательные транзисторы фирмы International Rectifier. - Радио, 2001, № 5, с. 45.

Дата публикации: 10.02.2013