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Tiefentladeschutz für Akkus

Hintergrund

(Bild: Dirk Knop)

Viele Bastelschaltungen arbeiten mit Akkus zur Stromversorgung. Die dabei eingesetzten Step-Up- oder Step-Down-Regler scheren sich jedoch nicht darum, dass eine Tiefentladung die Akkus zerstört. Abhilfe gelingt mit einer sehr einfachen Schaltung.

Beim Herumspielen mit diversen Step-Up-Reglern fiel deren Eigenschaft auf, die Akkus bis auf 0,8V oder gar noch weniger zu entladen. Insbesondere wenn man zwei Zellen in Reihe einsetzt, um auf etwa 2,5V Speisung zu kommen, endet damit eine der beiden Zellen stets bei 0V. NiMH-Akkus sind zwar nicht so empfindlich wie beispielsweise Lithium-Ionen-Zellen, dennoch führt auch hier eine Tiefentladung zur Schädigung der Elektroden und sollte daher unbedingt vermieden werden [1].

Die wenigsten Schaltregler haben hierfür einen (einstellbaren) Tiefentladeschutz, der auch als UVLO (Undervoltage Lock Out) bezeichnet wird. Abhilfe muss man also meist selber schaffen. Es gibt fertige Wächter-ICs, insbesondere die als "Reset-ICs" von den Herstellern gekennzeichneten Modelle. Als Beispiel sei hier der NCP303 genannt [2], der nicht all zu teuer, jedoch nicht unbedingt einfach zu beschaffen ist. So etwas hat man meist nicht vorrätig oder zur Hand, wenn man es braucht. Ein weiterer Nachteil: Durch die Hysterese neigt eine Abschaltung mit NCP303 zum Wiederanspringen, wenn die Zellspannung sich ohne Last erholt.

Die weiter unten vorgestellte Schaltung zum Schutz vor Tiefentladung ist sehr einfach und lässt sich schnell auf Lochraster aufbauen. (Bild: Dirk Knop)

Lösung gesucht

Die erste Idee dazu: Man könnte einen populären Shunt-Regler wie den TL431 verwenden, der bei Spannungen über 2,5V regelt. Darunter findet keine Regelung statt, damit könnte man einen MOSFET an- und abschalten. Damit läge man jedoch direkt im eigentlichen Arbeitsbereich von zwei NiMH-Akkus in Reihe. Die Abschaltung sollte hingegen bei etwa 1,8V stattfinden, also 0,9V pro Zelle. Dafür gäbe es beispielsweise den TLV431, der eine Referenzspannung von 1,2V bereitstellt. Allerdings benötigt dieser Baustein Strom zur Regelung – Minimum sind etwa 100µA, eher mehr.

Die günstigere und naheliegende Lösung: Denselben Effekt kann man mit der Flussspannung einer Diode erreichen. Die billige und meist in jeder Bastelkiste vorhandene 1N4148 beispielsweise hat eine Flussspannung von 0,6V bis 0,7V. Erst wenn die Spannung darüber liegt, leitet sie und schaltet damit etwa einen P-MOSFET ein, wenn dessen Gate mit einem Widerstand zunächst auf Versorgungsspannung gehalten, bei ausreichend großer Spannung jedoch durch die Dioden in Richtung GND gezogen wird.

Über die Dimensionierung des Widerstands sowie der Reihenschaltung mehrerer Dioden lässt sich nun die Sperr-Spannung und der dazu nötige Stromverbrauch einstellen. Experimentell mit LTSpice lässt sich bestimmen, dass man drei Dioden in Reihe benötigt. Der Widerstand von 100 kOhm führt zu einem Stromfluss von etwa 10–20µA, je nach Akku-Ladestand. Man kann ihn größer dimensionieren, um den Stromverbrauch weiter zu senken, jedoch sinkt damit auch die Abschaltspannung – bei 200 kOhm schon auf 1,8V, mit 910 kOhm auf 1,6V bei nur noch gut 2µA "Eigenverbrauch". Als P-FET muss ein Logic-Level-Baustein herhalten, der schon bei geringer Gate-Source-Spannung voll durchschaltet. Hier hat der AO3415A hervorragende Werte [3] und ist billig im Versand erhältlich.

Die Schaltung in LTSpice muss mit einem Ersatztyp für den P-FET auskommen, liefert aber schon Hinweise auf die Tauglichkeit der Schaltung. (Bild: Dirk Knop)
Die Simulation in LTSpice zeigt, dass ab etwa 1,9V Eingangsspannung der Ausgang auf 0V abfällt. (Bild: Dirk Knop)

Schutzschaltung gefunden

Die Schaltung nach dem oben gezeigten Schema ist sehr schnell aufgebaut und zusammengelötet. Ein erster praktischer Test mit Labornetzteil und Oszilloskop zeigt, dass die Simulation korrekt war. Die Schaltung funktioniert wie erwartet und fängt unterhalb von 2,0V an, den Ausgang abzuregeln. Unter 1,8V sind nur noch wenige mV Spannung zu sehen.

Test des Tiefentladungsschutzes (0 Bilder) [1]

[2]

In der Praxis mit Step-up-Wandler und einer Lichterkette als Last zeigt die Schaltung, dass sie die Akkus tatsächlich gut schützt. Anstatt dass der Boost-Konverter den Akku bis zum Ende leer saugt, deaktiviert die Schaltung den Rest des Aufbaus ab rund 1,97V. Dabei fließt stetig fallend erst noch ein Strom um die 300µA – anstatt der 10mA und mehr im "Normalbetrieb". Dadurch verschafft die Schaltung einem deutlich mehr Zeit, die Akkus zu wechseln, bevor sie bis zur Tiefentladung leergezogen werden. Nach mehreren Stunden in diesem Zustand haben die einzelnen Zellen jeweils ziemlich genau 1,0V. Die Schaltung hinter dem Schutz springt auch nicht wieder an, da sich die Zellspannung aufgrund der minimalen Belastung nicht erhöht.

Tiefentladungsschutz in der Praxis (0 Bilder) [3]

[4]

Um Akkus wie die guten und teuren Eneloops vor Tiefentladung zu schützen, kann man sich mit dieser einfachen Schaltung behelfen. Sie funktioniert bei Zimmertemperatur hervorragend. Da Dioden jedoch eine stark temperaturabhängige Vorwärtsspannung besitzen, sollte man dies für den Einsatzzweck berücksichtigen. Jedoch selbst bei extremeren Temperaturen dürfte die Schaltung dafür sorgen, dass keine der Zellen in einer Serienschaltung auf 0V fällt und dadurch irreversible Schäden davonträgt. Um eine einzelne NiMH-Zelle zu schützen, kann man die drei 1N4148-Dioden durch kleine Schottky-Dioden wie MBR0520 ersetzen – damit setzt man den Abschaltpunkt auf knapp 1,1V.

Literatur

[1] Panasonic Technical Handbook for NiMH [PDF [5]]

[2] NCP303 Datenblatt [PDF [6]]

[3] AO3415A Datenblatt [PDF [7]]

Essentiell hierfür ist die niedrige Schaltschwelle des P-MOSFET – gegebenenfalls muss man die über die Anzahl der Dioden anpassen. Ein BSS84 ist komplett untauglich; mit nur einer MBR0520-Diode und einem AO3415A-FET hingegen erreicht man eine Abschaltung bei etwa 0,9V. Mit einer parametrischen Suche beispielsweise bei Mouser kann man zahlreiche passende P-MOSFETs mit einer Vgs(th)-Spannung kleiner als 1V finden, die sich alternativ einsetzen lassen. Als günstige Bezugsquelle für AO3415 kann man beispielsweise eBay nutzen. (pek [8])

Noch kompakter und mit weniger Teilen lässt sich ein Spannungswächter wie der NCP303L beschalten. Er ist zwar präziser und benötigt noch weniger Strom, aber auch schwerer beschaffbar und selten zur Hand. (Bild: Dirk Knop)

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[3] https://www.heise.de/make/bilderstrecke/bilderstrecke_3276796.html?back=3276794
[4] https://www.heise.de/make/bilderstrecke/bilderstrecke_3276796.html?back=3276794
[5] https://eu.industrial.panasonic.com/sites/default/pidseu/files/downloads/files/ni-mh-handbook-2014_interactive.pdf
[6] http://www.onsemi.com/pub_link/Collateral/NCP302-D.PDF
[7] http://www.aosmd.com/pdfs/datasheet/AO3415A.pdf
[8] mailto:pek@ct.de