Защита литиевой батареи 2S от переразряда

Ещё летом коллега по инженерству Димон поделился схемой защитного размыкателя аккумуляторов. Задача его проста — отключить нагрузку при слишком низком заряде батареи, когда индикатор моргал-моргал, да никто на него не смотрел. Мой «ВЭФ» один раз уже остался без аккумуляторов, поэтому новый комплект я дополнил платами на популярном чипе DW01B. Однако из-за низкого порога срабатывания (2,4 В) это скорее аварийная, а не штатная защита. Да, она спасёт батарею от полного опустошения, но всё равно это ниже рекомендованного минимума 2,8…3,0 В. Кроме того, аккумуляторы могут разряжаться неравномерно, и тогда реальна ситуация 6 В = 3,5 В + 2,5 В. Вторая «банка» уже сильно разряжена, но плата защиты её ещё не отключает. Схема Димона такого не допустит — её порог срабатывания заточен под щадящее использование двух аккумуляторов. Образно говоря, если установить этот размыкатель внутри устройства — получится что-то вроде фейсконтроля для батареи. Пока её напряжение выше 6,45 В — устройство нормально работает. Стоит лишь батарее просесть ниже этого порога — размыкатель отключит её, попросит привести себя в порядок и вернуться позже. Вернуться свежей и заряженной минимум до 6,6 В.

У любого охранника есть свой круг полномочий. Эта схема не занимается:
— защитой устройства от переполюсовки;
— защитой устройства от высокого напряжения;
— защитой батареи от короткого замыкания в нагрузке;
— защитой отдельных аккумуляторов от переразряда.

Но два последних пункта возьмёт на себя любая плата на DW01B. Что же касается этой разработки, то после проб на «макетке» я нарисовал две платы:

1) для «ВЭФа» — большую и удобную, с отверстиями под провода;
2) для Димона — универсальную, чтобы встраивать куда угодно.

Характеристики
Ток потребления при питании от 8,4 В, не более — 500 мкА;
Ток нагрузки, не более — 2 А;
Напряжение отключения нагрузки, не более — 6,5 В;
Напряжение подключения нагрузки, не менее — 6,6 В;
Максимальное входное напряжение — 12 В*.

*выше не тестировали

Печатные платы в формате .lay6 — 2 штуки

Описание работы


Давайте условимся, что нагрузка питается только от аккумуляторов, и у неё есть выключатель питания S1.


Между выключателем и нагрузкой врезается плата защиты. На ней установлен другой выключатель, нормально замкнутый. Этот внутренний ключ коммутирует «минус» питания, а «плюс» получается проходным. Туда можно поставить предохранитель, чтобы при коротком замыкании отключать батарею…


…а можно этого не делать — тогда плата защиты включается «трёхполюсником», чтобы не гонять ток через печатную дорожку. В любом случае, как только батарея разрядится до 6,45 В, внутренний ключ схемы отрежет её от нагрузки. Если аккумуляторы одинаковые, то на них останется по 3,2 В — это очень щадящий режим. Ёмкость при этом используется не полностью, но и для «ВЭФа» нежелательно питание ниже 6,5 В — УНЧ искажает, стабилизатор «уплывает». Поэтому порог срабатывания получился как нельзя кстати.

Принципиальная схема


Главное в схеме — супервизор питания MAX809LTRG. Это что-то вроде экономичного и быстрого компаратора на очень точное напряжение. Обычно их используют, чтобы следить за питанием микропроцессоров и микроконтроллеров.

Допустим, неопытный разработчик пожалел фильтров по пятивольтовой шине, и напряжение на ней ощутимо пульсирует. Микропроцессор от нестабильного питания может непредсказуемо зависать и ошибаться в математике. Разработчик ругается и ставит супервизор. Теперь, как только напряжение просядет ниже критического порога, супервизор подаст сигнал сброса, а микропроцессор перезагрузится. Если напряжение просело основательно и надолго — супервизор не даст процессору включиться и наделать ошибок.

Выводов отсюда два:
1) не жалей фильтров по питанию;
2) раз уж супервизор весь такой компаратор, то пусть и следит за напряжением батареи!

Однако редко какой супервизор наблюдает за напряжением выше пяти вольт, в то время как батарею хотелось бы отключать при 6,0…6,5 В. В ближайшем радиомагазине нашлись только MAX809LTRG — они срабатывают, когда напряжение ниже 4,63 В. Казалось бы, нам такие совсем ни к чему… Но Димон придумал трюк: погасить «лишнее» напряжение цепочкой VD0, R1 — и супервизор стал срабатывать при 6,44…6,5 В.

Плюсы этого решения:
— просто и дёшево;
— светящийся VD0 показывает, что батарея подключена и работает.
Минусы:
— VD0 светится всегда, расходуя батарею впустую;
— это нелинейный прибор, ВАХ которого может поменяться из-за температуры;
— возможно, придётся подбирать светодиод по падению напряжения, чтобы поднять порог срабатывания MAX809 до нужной величины.

Полевой транзистор VT1 работает ключом. Пока напряжение батареи выше порога 6,45 В — он открыт и соединяет «минус» нагрузки с батареей. Как только напряжение уменьшится — супервизор «приземлит» затвор, и ключ закроется. Однако у схемы очень маленький гистерезис, поэтому возможны «качели»: батарея чуть придёт в себя, когда нагрузка отключится, и супервизор откроет «полевик». Из-за нагрузки напряжение батареи чуть просядет, и супервизор опять скомандует «всем спать». Так будет продолжаться, пока батарея уверенно не просядет ниже порога срабатывания.

Похожий эффект происходит, если включать нагрузку от подсевшего аккумулятора (6,7…6,9 В). Чем мощнее нагрузка — тем больше ток и просадка напряжения. Если даже на миг на батарее окажется меньше 6,45 В — супервизор откажется включать транзистор. Конденсатором C1.1 можно немного увеличить время реакции.

Стабилитрон VD1 защищает супервизор от бросков напряжения внутри «ВЭФа», но об этом я расскажу в следующем разделе.

Резисторы:
R1 — 2k2, SMD 0805 (1 штука);
R2 — 1k, SMD 0805 (1 штука);
R3 — 100k, SMD 0805 (1 штука).

Конденсаторы:
C1.1 — 1 мкФ 25 В, SMD 1206 (1 штука);
C1.2 — 100 нФ 50 В, SMD 0805 (1 штука). Отсутствует на маленькой плате.

Диоды:
VD0 любой красный, SMD 1206 (1 штука);
VD1 — стабилитрон BZX84 5v6, SOT-23 (1 штука).

Транзисторы:
VT1 — IRF7311, SOIC-8 (1 штука).

Микросхемы:
DA1 — MAX809LTRG, SOT-23 (1 штука).


Бонусная схема для джентльменов, которые желают иметь предохранитель по «плюсу».

Подключение

Вернёмся к этой схеме:


Она отлично прошла испытания на резистивной нагрузке, но внутри «ВЭФа» сразу вылезло много проблем. Он стал нестабильно включаться даже с полной батареей, а выключался намного раньше положенного. Кроме того, после работы от внутреннего блока питания защита вообще сломалась, и батарею уже не отключала. Поэтому для приёмника пришлось изменить схему подключения.


Вот «ВЭФ» до переделки. Конденсатор C50 всегда под напряжением — хоть с батареи, хоть с блока питания. Такая конструкция.


А вот в схему внедрён размыкатель, причём так, что он постоянно соединён с батареей. Перенести IN+ за выключатель не получилось — при включении разряженные конденсаторы внутри приёмника дают просадку, которая не нравится супервизору. Здесь же постоянно заряженный C50 нам на руку.


Интересные вещи происходят при переключении питания на сетевое: конденсатор C50 и другие электролиты внутри «ВЭФа» заряжаются до 12 вольт…


…а при обратном переключении случается рефлюкс — 12 вольт с конденсаторов забрасываются на батарею. Этот момент очень короткий, но первые два MAX809 сгореть успели. Поэтому стабилитрон VD1 на 5,6 В как раз гасит этот импульс. Аккумуляторам такая «подзарядка» тоже не нужна, поэтому чем короче будет переходной процесс — тем лучше. Чтобы ускорить разрядку конденсаторов, надо выдёргивать шнур из работающего приёмника. Если его сначала выключить, а потом вытаскивать провод, то C50 будет долго хранить высокое напряжение.

Печатные платы


Плата для «ВЭФа». Размеры: 35×21 мм.


Маленькая универсальная плата — 20×13 мм. Димон применил её на электротранспорте: радиоуправляемая машинка сына главного энергетика не поедет, если заряда мало.

Размыкатель внутри «ВЭФа»


Когда я разрабатывал эту плату, то рассчитывал на тугую посадку под коробом главного конденсатора. Но для пущей надёжности можно прилепить кусочек двухстороннего скотча на тыльную сторону.


Размыкатель включается в разрыв минусового провода батареи. Самый простой способ это сделать:
1. Отпаять от пружины проволоку, которая идёт на «минус» главного конденсатора;
2. Припаять к трём контактам платы провода длиной около 50 мм;
3. Подключить контакт IN+ к плюсовому контакту батарейного отсека (красный);
4. Подключить контакт OUT- к «минусу» главного конденсатора (голубой);
5. Подключить контакт IN- к пружине (синий).


Теперь плата будет подворовывать 500 мкА в час при полностью заряженной батарее, даже когда приёмник выключен или работает от сети. По мере разряда этот ток уменьшится до 200 мкА. Если слушать «ВЭФ» каждый день — утечка незаметна, всего 12 мА в сутки. Обычный светодиод за час сожрёт все двадцать. Но если вы планируете даже недельное отсутствие, то лучше отключить батарею совсем. Всё-таки нет более надёжного выключателя, чем расстыкованный разъём.

Кроме того, из-за размыкателя пружина фактически перестаёт быть «минусом» схемы. Поэтому на время ремонтов придётся искать другую «массу», чтобы опирать на неё чёрный щуп мультиметра. Например, корпус УКВ-блока, или «минус» главного конденсатора, или третий контакт темброблока.

И выходит так, что при разрядке батареи до 6,8 В начинает моргать индикатор. Если пользователь не реагирует, то при 6,45…6,5 В приёмник отключится сам.

На видео попали и «качели» — по подсветке стрелки хорошо видно, как циклически включается и отключается сработавший размыкатель.


Конечно, это устройство можно и нужно дорабатывать — уменьшить потребление, заменить стабилитрон супрессором, улучшить гистерезис, добавить предохранитель… Если у вас получится — черкните пару строк. Потому как мои три «ВЭФа» довольны и перемен не требуют.

Запись опубликована в рубрике Печатные платы, Радиоприемники, Электроника с метками , , , . Добавьте в закладки постоянную ссылку.

Добавить комментарий

Заполните поля или щелкните по значку, чтобы оставить свой комментарий:

Логотип WordPress.com

Для комментария используется ваша учётная запись WordPress.com. Выход /  Изменить )

Google photo

Для комментария используется ваша учётная запись Google. Выход /  Изменить )

Фотография Twitter

Для комментария используется ваша учётная запись Twitter. Выход /  Изменить )

Фотография Facebook

Для комментария используется ваша учётная запись Facebook. Выход /  Изменить )

Connecting to %s