hi zusammen, ich habe mich mal wieder mit dem Unterspannungsschutz von Akkus beschäftigt. Dazu gibt es von LT die Schaltung im Anhang. Die Erklärung im Artikel ist mir als nicht-analogmensch etwas zu schnell. Daher habe ich meine eigene Erklärung versucht und in Excel ein paar Punkte dazu ausgerechnet. Nomenklatur: U_A und U_B sind an den Eingängen wie im Bild; U_C liegt am Knoten zwischen Z-Diode und R4, U_D am Ausgang des OPAMPS. U_BAT ist die Versorgungsspannung und U_Z ist die Diodenspannung (1,25V). Die Ströme I_1 bis I_5 fließen durch die Widerstände R_1 bis R_5. In die Eingänge des OPAMPs fließt kein Strom. 1. Die Spannung U_A ist nur vom Spannungsteiler abhängig und sinkt linear mit der Batteriespannung. U_A = 0,457*U_BAT 2. Die Spannung U_C liegt immer um einen konstanten Wert unterhalb von U_A. Also: U_Z = U_A - U_Z Der Grund dafür ist, dass der OPAMP stets U_A = U_B hält. Hierbei wurde angenommen, dass immer genug Strom durch die Z-Diode fließt, um U_Z auf 1,25V zu halten 3. I_4 = U_C/R_4 U_C wird übrigens immer größer als 0V sein, da U_B=U_A erst ab einer Batteriespannung von unter 2,7375V unter 1,25V fallen müsste 4. I_3 = (U_BAT - U_B) / R_3 allerdings ist wieder U_B = U_A 5. I_5 = I_4 - I_3 Darf theoretisch auch irgendwann negativ werden, wird es aber praktisch nicht bevor U_B auf 3V fällt und das Ding abschaltet 6. U_D = U_C + I_5 * R_5, limitiert zwischen 0V und U_BAT Dazu wird angenommen, dass im Equillibrium in das MOSFET-gate kein Strom fließt Diese Gleichungen habe ich genutzt, um mir in Excel die Spannung U_D gegenüber U_BAT anzuzeigen. Das Diagramm habe ich ebenfalls angehängt. Es ist eigentlich ganz hübsch. Die große Steigung (bedingt durch das große R5) sorgt für ein eindeutiges Schaltereignis. Je größer man R5 wählt, desto steiler wird die Flanke. Sie geschieht im Grenzfall bei etwa 3,005V. Im Sheet fällt außerdem auf, dass die Spannungsreferenz bei der Schaltspannung gefährlich nahe an die laut Datenblatt erlaubten I_3 von 800nA rankommen. Und für weiter fallende Batteriespannung gehen U_C und damit auch I_4 in die Sättigung (0V, 0µA). Im Sättigungsfall gilt wohl die Gleichung 2 nicht mehr, oder? So lange alle Spannungen aber im gültigen Bereich liegen, darf ich aber so rechnen, oder? Was mich am Ergebnis stört ist, dass U_D zum "Abschalten" der Last nicht auf U_BAT zu gehen scheint - so wie das im Paper beschrieben ist. Vielmehr springt U_D bei zu geringer Spannung auf GND. Wo ist der Fehler? Leider erklärt mein Ansatz auch nicht, woher der Hystereseeffekt kommt. Das Ding muss ja irgendeine Art "Gedächtnis" haben, also ein bit "speichern" können. In einem anderen Versuch habe ich alle Gleichungen aufgeschrieben, darunter die OPAMP-Gleichung (U_B - U_A)*k = U_D und dann k gegen inf laufen lassen und komme auf dasselbe Ergebnis. Der Grund, warum ich hierauf so herumreite ist, weil ich die Schaltung anpassen möchte. Mit anderem OPAMP (MCP6441) und anderer Spannungsreferenz (LT1004: 1.2V@10µA) soll ein LiFePO4-Akku geschützt werden. Die Schaltschwelle müsste also auf einen Wert zwischen 2.5V und 2.7 gesetzt werden.
Angehängte Dateien:
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protection.png
72 KB -
U_D_vs._U_BAT.png
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A. S. schrieb: > Dazu gibt es von LT die Schaltung im Anhang. Und LT hat LTSpice, kostenlos. Der LT1495 ist als Modell mit dabei. Gruss Klaus.
daran habe ich auch schon gedacht. Leider finde ich in LTSpice aber weder LT1389 noch irgendeine andere Spannungsreferenz die bei diesen Strömen irgendetwas macht. Und für die spätere Auslegung fehlt auch LT1004...
Angehängte Dateien:
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nmos_protection.jpg
53 KB
der Vollständigkeit halber: die Schaltung sieht jetzt so aus. es ist zwar nicht so schön, GND zu schalten, aber bei einem Akku halte ich's für in Ordnung. NMOS hat auch niedrigere Widerstände. und bei diesem Layout ist es für mich verständlicher, was passiert :)
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Bearbeitet durch User
Die Hysterese kommt über die Mitkopplung über die 10MOhm auf den nichtinvertierenden Eingang zu Stande, da wird einfach der Messwert etwas verschoben. Dein Punkt unter 2 "Der Grund dafür ist, dass der OPAMP stets U_A = U_B hält." ist bei einem 10MOhm in der Rückkopplung nicht richtig, der OP arbeitet hier im nicht-linearen Bereich, im Schaltbetrieb. Ich würde die Schaltschwelle auf 3V legen, die Akkus werden es mit mehr Lebensdauer danken. Wie oft werden die Akkus geladen? Für sehr lange Pausen und kleine Zellen eignet sich die Schaltung nur bedingt, allein der 68k-Widerstand vor der Spannungsreferenz zieht 50uA. Bleibe besser bei der Applikation von LT. Der Unterschied P- zu N-MOS spielt im Kleinleistungsbereich heute keine Rolle mehr.
Natürlich möchte Linear Tech seine Bauteile verkaufen, sogar möglichst viele davon, deshalb sind in den Schaltung schon 2 davon drin. Aber Intersil hat schon seit 30 Jahren den besseren (braucht nur 3uA statt 4.5uA) ICL7665 für das Problem, da kommt man mit einem Bauteil aus und die Hysterese bietet der auch schon. Berechnung im Datenblatt.
Da stimme ich MaWin vorbehaltlos zu, bei Reichelt kostet der ICL7665 1,50€. Ok, ist noch DIL, gab damals nichts anderes: http://www.reichelt.de/ICs-CA-ISD-/ICL-7665/3/index.html?&ACTION=3&LA=446&ARTICLE=39370&GROUPID=2910&artnr=ICL+7665&SEARCH=7665 Vor ein paar Tagen hab ich selbst was mit dem Teil gepostet, siehe den Schaltungsteil ganz rechts. Funktioniert einwandfrei: Beitrag "Re: Wirkungsgrad Villard-Gleichrichterschaltung"
Holler schrieb: > Ich würde die Schaltschwelle auf 3V legen, die Akkus werden es mit mehr > Lebensdauer danken. du hast gelesen, dass ich von LiFePO4 rede? Hier steht eher etwas von 2.5-2.7V: http://www.effektmodell.de/index.php?main_page=index&cPath=255_1336 Wenn ich mit 3V sichtbaren Lebensdauergewinn habe, mache ich das sofort! Noch weitere Meinungen hierzu? MaWin schrieb: > Intersil hat schon seit 30 Jahren den besseren Super! So etwas habe ich gesucht. Der ist ja alleine schon günstiger als die blöde Spannungsreferenz von LT ;) Dummerweise ist SO8 noch einen Tick zu groß für meine Anwendung (nicht dass die Spannungsreferenz viel kleiner wäre...). Das googlen nach Alternativen hat keine Ergebnisse gebracht. Ich bleibe dran!
A. S. schrieb: > du hast gelesen, dass ich von LiFePO4 rede? Hier steht eher etwas von > 2.5-2.7V: > http://www.effektmodell.de/index.php?main_page=index&cPath=255_1336 > Wenn ich mit 3V sichtbaren Lebensdauergewinn habe, mache ich das sofort! > Noch weitere Meinungen hierzu? Ja. Wenn deine Entladerate < 1C beträgt, macht es Sinn, bei 3V aufzuhören: http://www.ib-haertling.de/amateurfunk/assets/images/LiFePO4_Entladekurve_1.jpg Der Gewinn bei Entladung auf 2.5V ist minimal; etwa 2-3% Und eher als 'maximum Rating' anzusehen bei verringerter Lebensdauer. Tesla & Co werden wohl wissen, warum sie das vermeiden.
A. S. schrieb: > Dummerweise ist SO8 noch einen Tick zu groß für meine Anwendung (nicht > dass die Spannungsreferenz viel kleiner wäre...). Das googlen nach > Alternativen hat keine Ergebnisse gebracht. Ich bleibe dran! Ich würde einen PIC12F1840 oder ATTiny85/45/25 nehmen. Ist zwar auch SO8 aber die Referenz ist bereits drin. Außerdem braucht man nur einen 100nF Abblockkondensator als Beschaltung wenn man die interne Referenzspannung mit der Akkuspannung so alle Sekunde als Referenz vergleicht. Bauteilpreis ist um 1 Euro bei Reichelt Stromverbrauch die meiste Zeit im Sleep-Mode dürfte beim PIC ca 2uA beim ATTINY 3-4uA sein. Gruß Anja
ok. Dann sollen es also 3V Abschaltspannung sein! Die Idee mit dem µC finde ich auch ganz hübsch. Einen Spannungsteiler brauche ich aber trotzdem, oder kann ich einfach die Versorgungsspannung messen und erhalte einen sinnvollen Ausgabewert vom ADC? Ich überlege mal etwas weiter: meint ihr, mit überschaubarem Aufwand könnte man gleich noch eine Laderegelung für LiFePO4 in einen µC packen? Es müsste dann natürlich ein größeres Modell mit DAC sein. Etwa im Sinne von meinem derzeitigen Favouriten? http://www.microchip.com/wwwproducts/Devices.aspx?dDocName=en543954 Ich würde mir lieber den Aufwand sparen und einen fertigen Chip kaufen, aber für LiFePO4 hat keiner meiner Lieferanten (reichelt, tme, farnell) einen schlank beschalteten Laderegler den man handlöten kann :(
A. S. schrieb: > Die Idee mit dem µC finde ich auch ganz hübsch. Einen Spannungsteiler > brauche ich aber trotzdem, Nein solange die Akkuspannung < 5,5V ist. > oder kann ich einfach die Versorgungsspannung > messen und erhalte einen sinnvollen Ausgabewert vom ADC? Umgekehrt: Du mißt die interne Bandgap-Spannung (1V oder 2V) mit der Akkuspannung (2,5-3,7V) als Referenz für den ADC. A. S. schrieb: > meint ihr, mit überschaubarem Aufwand könnte man gleich noch eine > Laderegelung für LiFePO4 in einen µC packen? Es müsste dann natürlich > ein größeres Modell mit DAC sein. Das wird nicht ohne (externe) Präzisionsreferenz gehen. Die ADC-Auflösung sollte dann auch eher 12-14 Bit betragen. Gruß Anja
A. S. schrieb: > Leider erklärt mein Ansatz auch nicht, woher der Hystereseeffekt kommt Der Beitrag ist zwar älter, aber für Antworten ist es nie zu spät: Das macht R4 der bei ausgeschalteter Last vom Strom durch R5 durchflossen wird und damit die Vergleichsspannung etwas anhebt.
MaWin schrieb: > Der Beitrag ist zwar älter, aber für Antworten ist es nie zu spät Du solltest noch die offenen Probleme von 2012 mitbearbeiten…besser noch bei 2006 anfangen.
Boris O. schrieb: > Du solltest noch die offenen Probleme von 2012 mitbearbeiten…besser noch > bei 2006 anfangen Wäre eine gute Idee, damals hatten die Leute noch sinnvolle Fragen, heute kommt ja nur noch inhaltsloses Rumgerülpse.
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