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Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Spannungsbegrenzung bei Akkuladung


Autor: Philipp Burch (philipp_burch)
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Hallo zusammen,

ich bin gerade dabei eine Schaltung zu entwickeln, die im Normalbetrieb 
an einem Akku hängen soll. Es ist ein NiMH-Akku von einem Nokia-Handy 
und als Ladegerät möchte ich ebenfalls das Nokia-Teil verwenden (Liefert 
im Leerlauf ca. 8V).
Um nicht zu viel Leistung unnötig zu verbraten habe ich mir gedacht, ich 
hänge den Mikrocontroller (AVR) direkt an den Akku, voll geladen liegt 
die Spannung bei ca. 4.5V, ist also unproblematisch. Den Rest möchte ich 
dann über einen Schaltregler (TPS62026 von TI, max. Eingangsspannung ist 
6V) mit 3.3V versorgen und gegebenenfalls abschalten können.
Soweit so gut, durch den Akku wird die Spannung nicht zu hoch. 
Problematisch wird es nun allerdings, wenn der Akku (aus welchem Grund 
auch immer) einmal fehlt. Dann habe ich 8V am AVR und am Regler und muss 
erstmal zum Lötkolben greifen und einige Bauteile wechseln... Daher 
möchte ich die Schaltung im Anhang verwenden um die Eingangsspannung auf 
max. 5V zu begrenzen. Grundsätzlich hätte es dazu wohl auch ein LDO 
getan, aber dort habe ich immer einen Spannungsverlust was mir beim 
Laden das Gerät etwas aufheizen dürfte...

Meine Frage: Was kann ich an der Schaltung noch verbessern, bzw. ist das 
so zuverlässig? Am Ausgang sollten einfach unter keinen Umständen (Viel 
zu hohe Eingangsspannung mal ausgenommen) mehr als 5V anliegen und im 
Normalbetrieb sollte der FET voll durchgesteuert werden.
Der Controller kann durch hochziehen der Basis von Q3 auch gleich die 
Ladung steuern.

Autor: Philipp Burch (philipp_burch)
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Irgendwelche Anregungen, Vorschläge, Kritik, ...?

Autor: lontano (Gast)
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Batteriespannung ueberwachen. Sobald sie 5V ueberschreitet nimmst du sie 
vom MC weg.

Autor: Philipp Burch (philipp_burch)
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lontano wrote:
> Batteriespannung ueberwachen. Sobald sie 5V ueberschreitet nimmst du sie
> vom MC weg.

Und dann? Gerät tot? Wenn ich sie mit dem Controller überwachen soll 
dann habe ich das Problem, dass es im Zweifelsfall schon zu spät ist und 
das Ding erstmal irgendwie wieder gestartet werden muss. Mache ich es 
mit externer Beschaltung, dann dürfte das komplizierter werden als meine 
Lösung. Oder hast du dafür eine einfache Schaltung?

Autor: HildeK (Gast)
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Reicht da nicht auch eine 5,1V Z-Diode etwas größere Leistung? Wenn der 
Akku dran hängt, hat sie nichts zu tun, wenn nicht, übernimmt sie den 
Strom, den sonst der Akku zum Laden erhält. Ich betrachte dies als 
Schutzschaltung, nicht als normale Betriebsart wegen dem unnützen 
Stromverbrauch.
Siehe auch 'Power-Z-Diode' bei 
http://www.elektronik-kompendium.de/public/schaere...

Autor: lontano (Gast)
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HildeK (Gast) ...hat verstanden was ich meine.
Es soll nur verhindert werden,dass gefaehrliche Spannung am falschen Ort 
auftreten....das soll keine Betriebsart sein sondern sollte ueber zB Led 
angezeigt werden.
....aber du suchst Probleme wo keine sind....
..unnoetige Diskussion.

Autor: Philipp Burch (philipp_burch)
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HildeK wrote:
> Reicht da nicht auch eine 5,1V Z-Diode etwas größere Leistung? Wenn der
> Akku dran hängt, hat sie nichts zu tun, wenn nicht, übernimmt sie den
> Strom, den sonst der Akku zum Laden erhält. Ich betrachte dies als
> Schutzschaltung, nicht als normale Betriebsart wegen dem unnützen
> Stromverbrauch.

Ja, diese Variante hatte ich ursprünglich im Auge, doch irgendwie habe 
ich sie dann wieder verdrängt. Auch wegen der Leistung, die die Z-Diode 
dann verbraten muss. Wobei

> http://www.elektronik-kompendium.de/public/schaere...

das zweite Problem eigentlich lösen sollte. So gesehen wohl schon die 
sinnvollste Lösung... Danke für den Link.

@lontano:
>HildeK (Gast) ...hat verstanden was ich meine.

Wenn du das sagst...

Autor: HildeK (Gast)
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Gerne. :-)

>Auch wegen der Leistung, die die Z-Diode dann verbraten muss.
Ja, und die Z-Spannung ist auch zu deutlich vom Strom abhängig, der 
durch sie fließt. Aber: über den Strom, den das Nokia-Teil liefert, 
hattest du, glaube ich, nichts ausgesagt ...

Autor: Philipp Burch (philipp_burch)
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HildeK wrote:
> Gerne. :-)
>
>>Auch wegen der Leistung, die die Z-Diode dann verbraten muss.
> Ja, und die Z-Spannung ist auch zu deutlich vom Strom abhängig, der
> durch sie fließt. Aber: über den Strom, den das Nokia-Teil liefert,
> hattest du, glaube ich, nichts ausgesagt ...

Korrekt. Hatte ich wohl vergessen. Das Teil liefert (angeschrieben) 
3.7V bei 355mA. Ausserdem sollte wohl ein PTC den Strom auf max. 700mA 
begrenzen wenn ich den Aufdruck richtig deute.

Autor: HildeK (Gast)
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Sieht so aus, als ob es dann bei 5V noch weniger als 355mA kann. Der PTC 
soll wohl nur vor einem Kurzsschluss schützen. Und der AVR sowie der 
Rest der Schaltung will ja auch was haben. Sieht also fast so aus, als 
ob eine 400mW-Diode reichen könnte (mal austesten?), solange du nicht 
Akku, AVR und Schaltregler gleichzeitig abklemmst.
Oder einfach sechs bis sieben 1N4001 in Serie, die können das auf jeden 
Fall ...

Autor: Philipp Burch (philipp_burch)
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HildeK wrote:
> Sieht so aus, als ob es dann bei 5V noch weniger als 355mA kann. Der PTC
> soll wohl nur vor einem Kurzsschluss schützen. Und der AVR sowie der
> Rest der Schaltung will ja auch was haben. Sieht also fast so aus, als
> ob eine 400mW-Diode reichen könnte (mal austesten?), solange du nicht
> Akku, AVR und Schaltregler gleichzeitig abklemmst.

Nunja, es sollte auch funktionieren wenn der AVR schläft und der Akku 
fehlt (Der Schaltregler ist dann auch aus).

> Oder einfach sechs bis sieben 1N4001 in Serie, die können das auf jeden
> Fall ...

Dürfte mit den Toleranzen aber dann schon ziemlich ungenau werden.
Ich denke, ich mach's mit der Z-Diode und zwei Transistoren. Ist ja kaum 
Aufwand. Die Schaltung vom ElKo müsste eigentlich auch mit einem FET als 
Heizdraht funktionieren, oder (R2 müsste dann wohl etwas kleiner gewählt 
werden)? Dann könnte ich nämlich einen kombinierten N+P-Channel-FET im 
SO8-Gehäuse nehmen und das P-Teil für die Ladesteuerung verwenden...

Autor: HildeK (Gast)
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Du meinst vermutlich Bild 2. T1 sollte bipolar sein, sonst funktioniert 
die Spannungsbegrenzung wohl nicht sauber. T2 kann sicher ein FET sein. 
R2 muss ja nur den FET zumachen, das geht auch mit viel größeren Werten. 
Z muss bei deiner Anwendung natürlich bei 4,3V liegen.

Etwas verwirrt bin ich aber jetzt doch: ich dachte, deine 
Ursprungsschaltung sollte nur vor mehr als 5V schützen und nicht auch 
eine Ladesteuerung für den Akku sein - ich meinte, dies sei bereits 
dadurch erledigt, dass Handyakku und Handyladegerät zueinander passen.

Meine Bemühungen zielten dahin, mit minimalem Aufwand NUR den AVR vor 
Überspannung zu schützen.

Autor: Philipp Burch (philipp_burch)
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HildeK wrote:
> Du meinst vermutlich Bild 2. T1 sollte bipolar sein, sonst funktioniert
> die Spannungsbegrenzung wohl nicht sauber. T2 kann sicher ein FET sein.
> R2 muss ja nur den FET zumachen, das geht auch mit viel größeren Werten.
> Z muss bei deiner Anwendung natürlich bei 4,3V liegen.

T1 ist natürlich ein einfacher PNP, klar. T2 ist jetzt ein IRF9952 
(N+P-FET im SO8). Wenn aber R2 zu gross ist, dann wird die "Regelung" 
für T1 wohl schwierig weil dann kaum noch ein Strom fliesst. Hab' ihn 
jetzt mal auf 1k festgesetzt.

> Etwas verwirrt bin ich aber jetzt doch: ich dachte, deine
> Ursprungsschaltung sollte nur vor mehr als 5V schützen und nicht auch
> eine Ladesteuerung für den Akku sein - ich meinte, dies sei bereits
> dadurch erledigt, dass Handyakku und Handyladegerät zueinander passen.

Ja, es ging hier auch nur um die Schutzschaltung. Aber nebenbei möchte 
ich die Ladung auch abschalten können wenn der Akku voll ist, daher 
brauche ich bei dieser Variante noch einen Transistor (FET) in der 
Versorgungsleitung.

> Meine Bemühungen zielten dahin, mit minimalem Aufwand NUR den AVR vor
> Überspannung zu schützen.

Ja, das ist ja auch richtig.

Im Anhang mal die neue Schaltung, sollte so ungefähr passen...

Autor: HildeK (Gast)
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>Aber nebenbei möchte ...
Ach so!

Ja, sieht erfolgversprechend aus. Die Erfahrung zeigt aber, dass die 
Praxis doch noch überraschen könnte ;-).
Durch Variation des R4 kannste dann den Arbeitspunkt der Z-Diode (= 
Einsatz der Begrenzung) noch ein bißchen beeinflussen.
Ich werd mir das Schematic mal aufheben.

Autor: Philipp Burch (philipp_burch)
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HildeK wrote:
>>Aber nebenbei möchte ...
> Ach so!
>
> Ja, sieht erfolgversprechend aus. Die Erfahrung zeigt aber, dass die
> Praxis doch noch überraschen könnte ;-).

Ist mir bekannt, ja ;)

> Durch Variation des R4 kannste dann den Arbeitspunkt der Z-Diode (=
> Einsatz der Begrenzung) noch ein bißchen beeinflussen.

Ja, im Moment ist der für ca. 5mA Z-Strom ausgelegt, das entspricht dem 
Wert im Datenblatt. Genauer werden die Dinger damit aber wohl auch net 
(Z-Spannung ist im Bereich von 4 - 4.6V).

Danke für deine Tipps!

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