Защита автомобильных аккумуляторов от перезарядки. Защита от глубокого разряда аккумулятора Arduino защита акб от глубокого разряда

Всем известно, что глубокая разрядка аккумуляторных батарей резко уменьшает срок эксплуатации последних. Для того чтобы исключить такой режим работы аккумуляторов применяют различные схемы – ограничители разрядки. С появлением микросхем и мощных полевых переключательных транзисторов такие схемы стали иметь небольшие габариты, стали более экономичными.

Схема ограничителя, ставшая уже классической, показана на рисунке 1, ее можно встретить во многих схемах радиолюбителей. Устройство предназначено для работы в составе бесперебойного источника питании домашнего инкубатора. Полевой транзистор VT1 – IRF4905 в данной схеме выполняет функцию ключа, а микросхема КР142ЕН19 является компаратором напряжения.

При замыкании контактов К1, это контакты реле, которые подключают аккумулятор при отсутствии напряжения сети 220В, на схему подается напряжение с аккумуляторной батареи GB1, но так как сам по себе транзисторный ключ открыться не может, то для его запуска введены два дополнительных элемента – С1 и R2. И так, при появлении напряжения на входе, начинает заряжать конденсатор С1. В первый момент начала его заряда затвор транзистора оказывается зашунтирован этим конденсатором на общий провод схемы. Транзистор открывается и если напряжение на аккумуляторной батарее находится выше установленного на компараторе порога, он остается открытым и далее, если же напряжение ниже…, то транзистор сразу же закрывается. Порог отключения аккумулятора от нагрузки устанавливается резистором R3. Компаратор работает следующим образом. По мере разряда аккумуляторной батареи напряжение на выводе 1 микросхемы DA1 КР142ЕН19 будет уменьшаться и как только оно приблизится к опорному напряжению данной микросхемы -2,5В, начнет увеличиваться напряжение на ее выводе 3, что соответствует уменьшению напряжения на участке исток-затвор транзистора VT1. Транзистор начнет закрываться, что приведет к еще большему уменьшению напряжению на выводе 1 DA1. Возникает лавинообразный процесс закрывания VT1. В результате этого нагрузка будет отсоединена от аккумулятора. Ток нагрузки, коммутируемый данным транзистором, может быть увеличен в разы при условии соблюдения теплового режима транзистора. Я имею в виду установку его на радиатор, но не забывайте, что при температуре кристалла 100°С, максимальный ток стока уменьшается до 52А. Мощность стока транзистора 200Вт дана в справочнике для температуры 25°С.

Резистор R1 нужен для создания необходимого тока через микросхему, который должен быть не менее одного миллиампера. Конденсаторы С1 и С3 блокировочные. R4 это сопротивление нагрузки. Если последовательно с нагрузкой включить диод, лучше с барьером Шоттки, то можно ввести в данную схему индикатор перехода работы на аккумуляторную батарею – светодиод HL1. Для экономии энергии батареи в качестве индикатора лучше взять сверхъяркий светодиод и подобрать номинал резистора R по нужной яркости.

Рисунок печатной платы ограничителя разряда аккумулятора скачать можно здесь.

Простая схема защиты автомобильного АКБ от перезарядки на TL431 и реле.

Перезарядка ведет к выкипанию электролита, осыпанию и разрушению положительных пластин, а длительный перезаряд может вызвать взрыв, пожар и даже несчастный случай. Вреден любой перезаряд малым или большим током.

Промышленные обычно имеют встроенную защиту от перезаряда, но многие ее не имеют, а часто для заряда используются любые источники постоянного тока.

Для защиты от перезаряда предложено много разных схемных решений.

Описываемая приставка – одно из таких устройств. Она проста для повторения, малогабаритна, выполнена отдельным блоком и может соединяться с любым зарядным устройством.

Основной элемент схемы – регулируемый кремневый стабилитрон TL 431 (КР142ЕН19А), который используется в качестве компаратора. В отличие от известных компараторов TL431 имеет только один вход, а стабилизированное опорное напряжение вырабатывается в самой микросхеме, что заметно упрощает конструкцию приставки.

Нагрузка микросхемы – реле с сопротивлением обмотки 280 Ом.
Допустимый ток микросхемы – 100 МА, поэтому сопротивление обмотки реле при напряжении 14….16 вольт должно быть, по крайней мере, не меньше 150 Ом.

Работа устройства

Напряжение на управляющем электроде 1 микросхемы задается делителем R1, R2. Когда на выводе 1 напряжение больше 2,5 вольт микросхема открыта. Меньше 2,5 вольт – закрыта. Регулируя R2 можно добиться включения микросхемы при заданном напряжении U. Делитель не обязательно должен быть тех номиналов, которые указаны на схеме. Их можно выбрать из соотношения

R2/R1=2,5/ (U-2,5)

Настройка

Подключите устройство к источнику постоянного тока и установите на нем напряжение U, при котором аккумулятор должен отключиться. По поводу величины U существуют разные мнения.

Одни авторы рекомендуют общепринятое напряжение 14,4 вольт, другие 14,6 вольт, а некоторые даже 14,7 вольт (2,45 вольт на банку). Трудно сказать кто из них прав, но у каждого есть свой резон. Теперь переменным резистором R2 добейтесь включения реле при заданном U.

Если у вас резистор с винтовой регулировкой, а именно такие применяют для точной настройки, то нащупать момент включения очень трудно. Не ясно, в какую сторону нужно вращать винт.

Присоедините к выводам 1 и 2 микросхемы в режиме измерения напряжения и, поворачивая винт настройки резистора, следите за изменением напряжения. Сразу становится ясно, в какую сторону нужно вращать винт.

При 2,5 вольтах реле должно сработать. В разработанном устройстве выводы 1 и 2 соединены с гнездами, выведенными на лицевую панель.

Теперь проверьте работу устройства наоборот. Установите U меньше 14 вольт и постепенно увеличивайте напряжение. Когда U достигнет установленного вами значения, реле срабатывает. При необходимости подкорректируйте настройку.

Диод в плюсовом проводе установлен для защиты схемы от переплюсовки.

Примененное реле содержит две группы мощных перекидных контактов, работающих на замыкание и размыкание.

Клеммы выводов контактов реле установлены на лицевой панели.

Использовать контакты можно по-разному. Если предполагается заряжать аккумулятор током 5,5 ампер, то контакты обеих групп нужно запаралелить. Если ток меньше, то одну группу контактов можно использовать для индикации конца зарядки, например с помощью контрольной лампы. Именно так сделано на демонстрационной фотографии.

Защита литий-ионных аккумуляторов (Li-ion). Я думаю, что многие из вас знают, что, например, внутри аккумулятора от мобильного телефона имеется ещё и схема защиты (контроллер защиты), которая следит за тем, чтобы аккумулятор (ячейка, банка, итд…) не был перезаряжен выше напряжения 4.2 В, либо разряжен меньше 2…3 В. Также схема защиты спасает от коротких замыканий, отключая саму банку от потребителя в момент короткого замыкания. Когда аккумулятор исчерпывает свой срок службы, из него можно достать плату контроллера защиты, а сам аккумулятор выбросить. Плата защиты может пригодиться для ремонта другого аккумулятора, для защиты банки (у которой нету схем защиты), либо же просто можно подключить плату к блоку питания, и поэкспериментировать с ней.

У меня имелось много плат защиты от пришедших в негодность аккумуляторов. Но поиск в инете по маркировкам микросхем ничего не давал, словно микросхемы засекречены. В инете находилась документация только на сборки полевых транзисторов, которые имеются в составе плат защиты. Давайте посмотрим на устройство типичной схемы защиты литий-ионного аккумулятора. Ниже представлена плата контроллера защиты, собранная на микросхеме контроллера с обозначением VC87, и транзисторной сборке 8814 ():

На фото мы видим: 1 - контроллер защиты (сердце всей схемы), 2 - сборка из двух полевых транзисторов (о них напишу ниже), 3 - резистор задающий ток срабатывания защиты (например при КЗ), 4 - конденсатор по питанию, 5 - резистор (на питание микросхемы-контроллера), 6 - терморезистор (стоит на некоторых платах, для контроля температуры аккумулятора).

Вот ещё один вариант контроллера (на этой плате терморезистор отсутствует), собран он на микросхеме с обозначением G2JH, и на транзисторной сборке 8205A ():

Два полевых транзистора нужны для того, чтобы можно было отдельно управлять защитой при заряде (Charge) и защитой при разряде (Discharge) аккумулятора. Даташиты на транзисторы находились практически всегда, а вот на микросхемы контроллеров - ни в какую!! И на днях вдруг я наткнулся на один интересный даташит на какой-то контроллер защиты литий-ионного аккумулятора ().

И тут, откуда не возьмись, явилось чудо - сравнив схему из даташита со своими платами защиты, я понял: Схемы совпадают, это одно и то же, микросхемы-клоны! Прочитав даташит, можно применять подобные контроллеры в своих самоделках, а поменяв номинал резистора, можно увеличить допустимый ток, который может отдать контроллер до срабатывания защиты.

Устройство для защиты 12v аккумуляторов от глубокого разряда и короткого замыкания с автоматическим отключением его выхода от нагрузки.

ХАРАКТЕРИСТИКИ

Напряжение на аккумуляторе, при котором происходит отключение - 10± 0.5V. (У меня вышло ровно 10,5 В) Ток, потребляемый устройством от аккумулятора во включенном состоянии, не более - 1 мА. Ток, потребляемый устройством от аккумулятора в выключенном состоянии, не более - 10 мкА. Максимально допустимый постоянный ток через устройство - 5А.(30 Ватт лампочка 2,45 А - Мосфит без радиатора +50 градусов(комнатная +24))

Максимально допустимый кратковременный (5 сек) ток через устройство - 10А. Время выключения при коротком замыкании на выходе устройства, не более - 100 мкс

ПОРЯДОК РАБОТЫ УСТРОЙСТВА

Подключите устройство между аккумулятором и нагрузкой в следующей последовательности:
- подключите клеммы на проводах, соблюдая полярность (оранж. провод +(красный), к аккумулятору,
- подключите к устройству, соблюдая полярность (плюсовая клемма помечена значком +), клеммы нагрузки.

Для того чтобы на выходе устройства появилось напряжение нужно кратковременно замкнуть минусовой выход на минусовой вход. Если нагрузку кроме аккумулятора питает другой источник, то этого делать не надо.

УСТРОЙСТВО РАБОТАЕТ СЛЕДУЮЩИМ ОБРАЗОМ;

При переходе на питание от аккумулятора, нагрузка разряжает его до напряжения срабатывания устройства защиты (10± 0.5V). При достижении этой величины, устройство отключает аккумулятор от нагрузки, предотвращая дальнейший его разряд. Включение устройства произойдет автоматически при подаче со стороны нагрузки напряжения для заряда аккумулятора.

При коротком замыкании в нагрузке устройство также отключает аккумулятор от нагрузки, Включение его произойдет автоматически, если со стороны нагрузки подать напряжение больше 9,5V. Если такого напряжения нет, то надо кратковременно перемкнуть выходную минусовую клемму устройства и минус аккумулятора. Резисторами R3 и R4 устанавливается порог срабатывания.

Запчасти

1. Монтажная плата(не обязательно, можно навесу)
2. Полевой транзистор любой, подбирайте по А и В. Я взял RFP50N06 N-канал 60В 50А 170 град
3. Резисторы 3 на 10 ком, и 1 на 100 ком
4. Биполярный транзистор КТ361Г
5. Стабилитрон 9.1 В
Доп. Можно клеммы + Микрик для запуска.(Я себе не делал т.к. у меня это будет часть другого устройства)
6. Можно по светодиоду на вход и выход для наглядности(Подбирайте резистор, паяйте в параллельно)

Паяльник+олово+спиртоканифоль+кусачки+проводки+мультиметр+нагрузка и т.д. и т.п. Паял Оловянно-сопельным путём. Травить на плате мне не охота. Лейаута нет. Нагрузка 30 Ватт, Ток 2,45 А полевик греется на +50 град(комнатная +24). Охлаждение не нужно.

Пробывал нагрузку 80 Ватт … ВАХ-ВАХ. Температура за 120 град. Дорожки начали краснеть… Ну сами знаете нужно радиатор, Хорошо пропаянные дорожки.

Есть две вещи, которые очень не любят аккумуляторы: перезарядка и переразрядка. И если первую проблему успешно решают современные зарядные устройства (кроме простейших выпрямителей), то с разрядом ниже критического уровня дела обстоят хуже - почти никогда питаемые от батарей устройства не обеспечивают предохранение от сверхразрядки. Не исключается и случайный разряд - когда просто забыли отключить прибор и он разряжается, разряжается... Для решения этой проблемы предлагается к самостоятельной сборке простой низковольтный модуль отключения цепи. Такая схема довольно проста и применима к любой литиевой или свинцово-кислотной аккумуляторной батарее. Естественно порог отключения можно настроить соответственно АКБ.

Схема блока защиты АКБ

Как это работает. Когда кнопка сброса нажата, положительное напряжение поступает на затвор N-канального MOSFET силового транзистора.

Если напряжение на выходе стабилитрона U1 выше 2.5 вольт, а это определяется делителем напряжения, состоящим из R4, R5 и R6, катод U1 оказывается подключен к его аноду, что делает его отрицательным по отношению к его эмиттеру, R2 ограничивает базовый ток до безопасного значения и обеспечивает достаточный ток для работы U1. И транзистор Q1 будет удерживать схему открытой, даже когда вы отпустите кнопку сброса.

Если напряжение на U1, падает ниже 2,5 вольт, стабилитрон отключается и подтягивает положительное напряжение эмиттера R1, выключив его. Резистор R8 также выключает полевой транзистор, приводя к отключению нагрузки. Причём нагрузка не будет включена снова до нажатия кнопки сброс.

Большинство малогабаритных полевых транзисторов рассчитаны только для +/- 20 вольт на затворе - источник напряжения, а это означает, что схема блока подходит для не более чем 12 вольтовых устройств: если требуется рабочее напряжение выше, необходимо будет добавить дополнительные элементы схемы, чтобы сохранить безопасность работы полевика. Пример использования такой схемы: простой контроллер заряда солнечных батарей показанный на фото.

Если требуется более низкое напряжение, чем 9 вольт (или выше 15) - надо будет пересчитывать значения резисторов R4 и R6, чтобы изменить диапазон регулировки.

В схему можно поставить практически любой кремниевый PNP транзистор с номиналом не менее 30 вольт и любой N-канальный MOSFET с номинальным напряжением не менее 30 вольт и током более чем в 3 раза от того, что вы собираетесь коммутировать. Проходное сопротивление доли Ома. Для прототипа использовался F15N05 - 15 ампер, 50 вольт. Для высоких токов подойдут транзисторы IRFZ44 (50 А Макс.) и PSMN2R7-30PL (100 А Макс.). Также можно параллельно соединить несколько однотипных полевых транзисторов по мере необходимости.

Это устройство не должно оставаться подключенным к АКБ долговременно, так как потребляет само несколько миллиампер из-за светодиода и тока потребления U1. В выключенном состоянии его ток потребления ничтожно мал.