2-Zellen-NiMH-Batterieschutzschaltung(en) - Gunook

2024 Autor: John Day | [email protected]. Zuletzt bearbeitet: 2024-01-30 07:21

Wenn Sie hierher gekommen sind, wissen Sie wahrscheinlich, warum. Wenn Sie nur eine schnelle Lösung sehen möchten, springen Sie direkt zu Schritt 4, der die Schaltung beschreibt, die ich selbst verwendet habe. Wenn Sie sich aber nicht ganz sicher sind, ob Sie diese oder eine andere Lösung wirklich wollen, neugierig auf die Hintergründe sind oder einfach nur Spaß daran haben, interessante Stellen auf meiner Trial-and-Error-Reise zu besuchen, hier die ausführliche Version:

Das Problem

Sie haben ein Elektronikprojekt, das Sie mit wiederaufladbaren Batterien betreiben möchten. LiPo ist die Batterietechnologie du jour, aber Lithiumbatterien bringen immer noch einige schlechte Angewohnheiten mit sich, wie z, und Zeug). Im Gegensatz dazu sind NiMH-Akkus in Standardformfaktoren von AA bis AAA erhältlich, was bedeutet, dass Sie die gleichen Batterien für Ihre Digitalkamera, Ihre Taschenlampe, Ihr Spielzeug-RC-Auto und Ihre Heimwerkerelektronik verwenden können. Tatsächlich haben Sie wahrscheinlich sowieso eine Menge von ihnen herumliegen. Sie sind auch viel weniger dafür bekannt, Probleme zu verursachen, außer dass eine Sache, die sie wirklich nicht mögen, "tief entladen" ist.

Dieses Problem wird viel schwerwiegender, wenn Sie einen "Step-Up-Buck-Converter" verwenden, um Ihre Eingangsspannung zu erhöhen - sagen wir auf 5 V für die Stromversorgung eines Arduino. Während sich Ihr RC-Car immer langsamer bewegt, wenn Ihre Batterien leer werden, versucht ein Abwärtswandler, die Ausgangsspannung konstant zu halten, selbst wenn die Eingangsspannung schwindet, und Sie könnten so die letzten paar Elektronen aus Ihrer Batterie saugen, ohne sichtbare Anzeichen von Problemen.

Wann müssen Sie also aufhören zu entladen?

Eine vollständig geladene NiMH-Zelle hat eine typische Spannung von etwa 1,3 V (bis 1,4 V). Für den größten Teil seines Arbeitszyklus liefert es etwa 1,2 V (seine Nennspannung), die langsam abfällt. Nahe der Erschöpfung wird der Spannungsabfall ziemlich steil. Eine häufig gefundene Empfehlung ist, das Entladen zwischen 0,8 V und 1 V zu stoppen, zu diesem Zeitpunkt ist der größte Teil der Ladung sowieso aufgebraucht (mit vielen Faktoren, die die genauen Zahlen beeinflussen - ich werde nicht mehr ins Detail gehen).

Wenn Sie jedoch wirklich an die Grenzen gehen möchten, sollten Sie vorsichtig sein, wenn Ihr Akku unter 0 V entladen wird, wodurch er ernsthaften Schaden erleidet (Achtung: Denken Sie daran, dass ich hier über NiMH-Zellen spreche; für LiPos permanent Schaden beginnt viel früher!). Wie kann das überhaupt passieren? Nun, wenn Sie mehrere NiMH-Zellen hintereinander haben, kann es sein, dass einer der Akkus noch in der Nähe seiner Nennspannung ist, während ein anderer bereits vollständig entladen ist. Jetzt wird die Spannung der guten Zelle weiterhin einen Strom durch Ihren Stromkreis leiten - und durch die leere Zelle, wobei sie unter 0 V entleert wird. Diese Situation ist einfacher, als es auf den ersten Blick erscheinen mag: Denken Sie daran, dass der Spannungsabfall gegen Ende des Entladezyklus viel steiler wird. So können selbst relativ geringe Anfangsunterschiede zwischen Ihren Zellen zu sehr unterschiedlichen Restspannungen nach dem Entladen führen. Dieses Problem wird jetzt noch ausgeprägter, je mehr Zellen Sie in Reihe schalten. Für den hier diskutierten Fall von zwei Zellen wäre es immer noch relativ sicher, auf eine Gesamtspannung von etwa 1,3 V zu entladen, was im schlimmsten Fall einer Batterie bei 0 V und der anderen bei 1,3 V entsprechen würde. Es hat jedoch nicht viel Sinn, so tief zu gehen (und wie wir sehen werden, wäre das sogar schwer zu erreichen). Als obere Grenze erscheint es jedoch verschwenderisch, irgendwo oberhalb von 2 V anzuhalten (obwohl AFAIU im Gegensatz zu NiCd-Akkus häufige Teilentladungen für NiMH-Akkus kein Problem darstellen). Die meisten Schaltungen, die ich vorstellen werde, zielen etwas darunter auf etwa 1,8 V als Abschaltung.

Warum nicht einfach eine eigenständige Lösung verwenden?

Denn das scheint es nicht zu geben! Lösungen für höhere Zellzahlen sind reichlich vorhanden. Bei drei NiMH-Zellen könnten Sie beginnen, Standard-LiPo-Schutzschaltungen zu verwenden, und darüber hinaus werden Ihre Möglichkeiten nur noch größer. Aber eine Unterspannungsabschaltung bei oder unter 2 V? Ich für meinen Teil konnte keinen finden.

Was ich präsentieren werde

Nun, keine Angst, ich werde Ihnen nicht eine, sondern vier relativ einfache Schaltungen vorstellen, um genau das zu erreichen (eine in jedem "Schritt" dieser Anleitung), und ich werde sie im Detail besprechen, damit Sie es wissen wie und warum Sie sie ändern sollten, wenn Sie das Bedürfnis verspüren. Nun, ehrlich gesagt, empfehle ich nicht, meine erste Schaltung zu verwenden, die ich nur einfüge, um die Grundidee zu veranschaulichen. Die Schaltkreise 2 und 3 funktionieren zwar, erfordern jedoch ein paar mehr Komponenten als Schaltkreis 4, den ich letztendlich selbst verwendet habe. Wenn Sie die Theorie satt haben, fahren Sie einfach mit Schritt 4 fort.

Schritt 1: Die Grundidee (diese Schaltung nicht empfohlen!)

Beginnen wir mit der obigen Grundschaltung. Ich empfehle nicht, es zu verwenden, und wir werden später besprechen, warum, aber es ist perfekt, um die grundlegenden Ideen zu veranschaulichen und die Hauptelemente zu besprechen, die Sie auch in den besseren Schaltungen finden, weiter unten in dieser Anleitung. Übrigens, Sie können diese Strecke auch in einer vollständigen Simulation im großartigen Online-Simulator von Paul Falstad und Iain Sharp sehen. Einer der wenigen, bei dem Sie sich nicht registrieren müssen, um Ihre Arbeit zu speichern und zu teilen. Machen Sie sich keine Sorgen über die Umfangslinien unten, ich werde diese jedoch am Ende dieses "Schritts" erklären.

Okay, um Ihre Batterien vor einem zu tiefen Entladen zu schützen, benötigen Sie a) eine Möglichkeit, die Last zu trennen, und b) eine Möglichkeit, zu erkennen, wann dies an der Zeit ist, d. h. wenn die Spannung zu weit abgefallen ist.

Wie schalte ich die Last ein und aus (T1, R1)?

Beginnend mit der ersten ist die naheliegendste Lösung die Verwendung eines Transistors (T1). Aber welchen Typ soll man wählen? Wichtige Eigenschaften dieses Transistors sind:

1. Es sollte genügend Strom für Ihre Anwendung vertragen. Wenn Sie einen generischen Schutz wünschen, möchten Sie wahrscheinlich mindestens 500 mA und mehr unterstützen.
2. Es sollte im eingeschalteten Zustand einen sehr geringen Widerstand bieten, um Ihrer ohnehin niedrigen Versorgungsspannung nicht zu viel Spannung / Leistung zu stehlen.
3. Es sollte mit der Spannung, die Sie haben, umschaltbar sein, dh etwas unter 2V.

Punkt 3 oben scheint auf einen BJT ("klassischen") Transistor hinzuweisen, aber damit ist ein einfaches Dilemma verbunden: Wenn die Last auf die Emitterseite gelegt wird, so dass der Basisstrom für die Last verfügbar ist, Sie senken die verfügbare Spannung effektiv durch den "Base-Emitter-Spannungsabfall". Normalerweise sind das etwa 0,6 V. Unverschämt viel, wenn man von 2V Gesamtversorgung spricht. Im Gegensatz dazu, wenn Sie die Last auf der Kollektorseite platzieren, "verschwenden" Sie den Strom, der durch die Basis fließt. Das ist in den meisten Anwendungsfällen kein großes Problem, da der Basisstrom nur in der Größenordnung eines 100stel des Kollektorstroms (je nach Transistortyp) liegt. Wenn Sie jedoch für eine unbekannte oder variable Last entwerfen, bedeutet dies, dass Sie dauerhaft 1 % Ihrer erwarteten maximalen Last verschwenden. Nicht so toll.

Betrachtet man also MOSFET-Transistoren, zeichnen sich diese stattdessen in den Punkten 1 und 2 oben aus, aber die meisten Typen benötigen erheblich mehr als 2 V Gate-Spannung, um vollständig einzuschalten. Beachten Sie, dass eine "Schwellenspannung" (V-GS-(th)) knapp unter 2V nicht ausreicht. Sie möchten, dass der Transistor bei 2 V weit im Einschaltbereich liegt. Glücklicherweise gibt es einige geeignete Typen mit den niedrigsten Gate-Spannungen, die typischerweise in P-Kanal-MOSFETs (dem FET-Äquivalent eines PNP-Transistors) zu finden sind. Und trotzdem wird Ihre Auswahl an Typen stark eingeschränkt sein, und es tut mir leid, es Ihnen zu sagen, die einzigen geeigneten Typen, die ich finden konnte, sind alle SMD-verpackt. Um Ihnen zu helfen, diesen Schock zu überwinden, werfen Sie einen Blick auf das Datenblatt des IRLML6401 und sagen Sie mir, dass Sie von diesen Spezifikationen nicht beeindruckt sind! Der IRLML6401 ist auch ein Typ, der zum Zeitpunkt des Schreibens dieses Artikels sehr weit verbreitet ist und Sie nicht mehr als etwa 20 Cent pro Stück kosten sollte (weniger bei Mengeneinkäufen oder aus China). Sie können es sich also durchaus leisten, ein paar davon zu braten - obwohl meine alle überlebt haben, obwohl ich ein Anfänger im SMD-Löten bin. Bei 1,8V am Gate hat es einen Widerstand von 0,125 Ohm. Gut genug, um in der Größenordnung von 500 mA ohne Überhitzung zu fahren (und höher, mit einem geeigneten Kühlkörper).

In Ordnung, also wird der IRLML6401 für T1 in dieser und allen folgenden Schaltungen verwendet. R1 ist einfach dazu da, die Gate-Spannung standardmäßig hochzuziehen (entsprechend einer getrennten Last; denken Sie daran, dass dies ein P-Kanal-FET ist).

Was brauchen wir noch?

Wie erkennt man eine niedrige Batteriespannung?

Um eine möglichst definierte Spannungsabschaltung zu erreichen, missbrauchen wir eine rote LED als - relativ - scharfe Spannungsreferenz von ca. 1,4V. Sollten Sie eine Zener-Diode mit geeigneter Spannung besitzen, wäre das viel besser, aber eine LED scheint immer noch eine stabilere Spannungsreferenz zu liefern als zwei normale Siliziumdioden in Reihe. R2 und R3 dienen dazu, a) den durch die LED fließenden Strom zu begrenzen (beachten Sie, dass wir kein wahrnehmbares Licht erzeugen möchten) und b) die Spannung an der Basis von T2 etwas weiter zu senken. Sie könnten R2 und R3 durch ein Potentiometer für eine etwas einstellbare Abschaltspannung ersetzen. Wenn nun die an der Basis von T2 ankommende Spannung etwa 0,5 V oder mehr beträgt (genug, um den Basis-Emitter-Spannungsabfall von T2 zu überwinden), beginnt T2 zu leiten, zieht das Gate von T1 auf niedrig und verbindet somit die Last. Übrigens, T2 kann als Ihre Gartenvariante angenommen werden: Welcher Kleinsignal-NPN-Transistor auch immer in Ihrem Werkzeugkasten verweilt, obwohl eine hohe Verstärkung (hFe) vorzuziehen ist.

Sie fragen sich vielleicht, warum wir T2 überhaupt brauchen, und verbinden nicht einfach unsere behelfsmäßige Spannungsreferenz zwischen Masse und dem Gate-Pin von T1. Nun, der Grund dafür ist ganz wichtig: Wir wollen einen möglichst schnellen Wechsel zwischen Ein und Aus, weil wir vermeiden wollen, dass T1 für längere Zeit in einem "halben" Zustand ist. Im halb eingeschalteten Zustand fungiert T1 als Widerstand, was bedeutet, dass die Spannung zwischen Source und Drain abfällt, aber Strom fließt, und dies bedeutet, dass sich T1 aufheizt. Wie stark es erwärmt wird, hängt von der Impedanz der Last ab. Wenn es zum Beispiel 200 Ohm sind, dann fließen bei 2 V 10 mA, während T1 vollständig eingeschaltet ist. Jetzt ist der schlechteste Zustand, wenn der Widerstand von T1 diesen 200 Ohm entspricht, was bedeutet, dass 1 V über T1 abfällt, der Strom auf 5 mA sinkt und 5 mW Leistung abgeführt werden müssen. Meinetwegen. Aber für eine Last von 2 Ohm muss T1 500 mW verbrauchen, und das ist viel für ein so kleines Gerät. (Es liegt tatsächlich innerhalb der Spezifikationen für den IRLML6401, aber nur mit einem geeigneten Kühlkörper und viel Glück beim Designen). Denken Sie in diesem Zusammenhang daran, dass ein als Primärlast angeschlossener Aufwärtsspannungswandler den Eingangsstrom als Reaktion auf eine fallende Eingangsspannung erhöht und damit unsere thermischen Probleme vervielfacht.

Take-Home-Botschaft: Wir möchten, dass der Übergang zwischen Ein und Aus so scharf wie möglich ist. Darum geht es bei T2: Den Übergang schärfer zu machen. Aber ist T2 gut genug?

Warum diese Schaltung es nicht schneidet

Werfen wir einen Blick auf die Oszilloskoplinien, die unten in der Simulation von Circuit 1 angezeigt werden. Sie haben vielleicht bemerkt, dass ich anstelle unserer Batterien einen Dreiecksgenerator von 0 bis 2,8 V platziert habe. Dies ist nur eine bequeme Möglichkeit, sich vorzustellen, was passiert, wenn sich die Batteriespannung (obere grüne Linie) ändert. Wie die gelbe Linie zeigt, fließt praktisch kein Strom, solange die Spannung unter etwa 1,9 V liegt. Gut. Der Übergangsbereich zwischen etwa 1,93 V und 1,9 V erscheint auf den ersten Blick steil, aber wenn man bedenkt, dass es sich um eine Batterie handelt, die sich langsam entlädt, entsprechen diese 0,3 V immer noch einer Menge Zeit, die im Übergangszustand zwischen vollständig an und vollständig verbracht wird. (Die grüne Linie unten zeigt die Spannung am Gate von T1).

Was jedoch noch schlimmer an dieser Schaltung ist, ist, dass nach dem Abschalten selbst eine leichte Erholung der Batteriespannung die Schaltung wieder in den halb eingeschalteten Zustand bringt. Wenn man bedenkt, dass sich die Batteriespannung leicht erholt, wenn eine Last abgeschaltet wird, bedeutet dies, dass unsere Schaltung lange Zeit im Übergangszustand verweilt (währenddessen bleibt der Lastkreis auch in einem halb unterbrochenen Zustand und sendet möglicherweise ein Arduino durch Hunderte von Neustart-Zyklen, zum Beispiel).

Zweite Nachricht zum Mitnehmen: Wir möchten nicht, dass die Last zu früh wieder angeschlossen wird, wenn sich die Batterie erholt.

Lassen Sie uns zu Schritt 2 übergehen, um dies zu erreichen.

Schritt 2: Hysterese hinzufügen

Da dies eine Schaltung ist, die Sie vielleicht tatsächlich bauen möchten, gebe ich eine Teileliste für die Teile an, die aus dem Schaltplan nicht ersichtlich sind:

• T1: IRLML6401. Siehe "Schritt 1" für eine Diskussion, warum.
• T2: Jeder übliche Kleinsignal-NPN-Transistor. Ich habe BC547 beim Testen dieser Schaltung verwendet. Jeder gängige Typ wie 2N2222, 2N3904 sollte genauso gut funktionieren.
• T3: Jeder übliche Kleinsignal-PNP-Transistor. Ich habe BC327 verwendet (hatte kein BC548). Verwenden Sie wieder die gängige Art, die für Sie am bequemsten ist.
• C1: Typ spielt keine Rolle, billige Keramik reicht aus.
• Die LED ist ein standardmäßiger roter 5 mm Typ. Farbe ist wichtig, obwohl die LED nie sichtbar aufleuchtet: Der Zweck besteht darin, eine bestimmte Spannung abzusenken. Sollten Sie eine Zenerdiode zwischen 1V und 1,4V Zenerspannung besitzen, verwenden Sie diese stattdessen (verpolt angeschlossen).
• R2 und R3 könnten durch ein 100k-Potentiometer zur Feinabstimmung der Abschaltspannung ersetzt werden.
• Die "Lampe" repräsentiert einfach Ihre Last.
• Die Widerstandswerte können dem Schaltplan entnommen werden. Die genauen Werte sind jedoch nicht wirklich wichtig. Die Widerstände müssen weder präzise sein noch eine nennenswerte Nennleistung aufweisen.

Was ist der Vorteil dieser Schaltung gegenüber Schaltung 1?

Sehen Sie sich die Oszilloskoplinien unter dem Schaltplan an (oder führen Sie die Simulation selbst aus). Auch hier entspricht die obere grüne Linie der Batteriespannung (hier der Einfachheit halber von einem Dreiecksgenerator). Die gelbe Linie entspricht dem fließenden Strom. Die untere grüne Linie zeigt die Spannung am Gate von T1.

Vergleicht man dies mit den Oszilloskoplinien für Circuit 1, werden Sie feststellen, dass der Übergang zwischen Ein und Aus viel schärfer ist. Dies wird besonders deutlich, wenn man sich die T1-Gate-Spannung an der Unterseite ansieht. Um dies zu erreichen, wurde T2 über das neu hinzugefügte T3 eine positive Rückkopplungsschleife hinzugefügt. Aber es gibt noch einen weiteren wichtigen Unterschied (obwohl Sie Adleraugen brauchen, um ihn zu erkennen): Während die neue Schaltung die Last bei etwa 1,88 V abschaltet, wird sie die Last nicht (wieder) verbinden, bis die Spannung auf über 1,94 V ansteigt. Diese "Hysterese" genannte Eigenschaft ist ein weiteres Nebenprodukt der hinzugefügten Rückkopplungsschleife. Während T3 "an" ist, versorgt es die Basis von T2 mit einer zusätzlichen positiven Vorspannung, wodurch die Abschaltschwelle gesenkt wird. Während T3 jedoch bereits ausgeschaltet ist, wird der Schwellenwert für das Wiedereinschalten nicht auf die gleiche Weise gesenkt. Die praktische Konsequenz ist, dass die Schaltung nicht zwischen Ein und Aus schwankt, da die Batteriespannung abfällt (bei angeschlossener Last), sich dann geringfügig erholt (bei getrennter Last) und dann abfällt… Gut! Der genaue Betrag der Hysterese wird durch R4 gesteuert, wobei niedrigere Werte eine größere Lücke zwischen Ein- und Ausschaltschwellen ergeben.

Übrigens, der Stromverbrauch dieser Schaltung im ausgeschalteten Zustand beträgt etwa 3 Mikroampere (deutlich unter der Selbstentladungsrate) und der Overhead im eingeschalteten Zustand beträgt etwa 30 Mikroampere.

Worum geht es in C1?

Nun, C1 ist komplett optional, aber ich bin immer noch ziemlich stolz auf die Idee: Was passiert, wenn Sie die Batterien manuell trennen, während sie fast leer sind, sagen wir bei 1,92 V? Beim Wiederverbinden wären sie nicht stark genug, um den Kreislauf wieder zu aktivieren, obwohl sie in einem laufenden Kreislauf noch für eine andere gut wären. C1 kümmert sich darum: Wenn die Spannung plötzlich ansteigt (Batterien wieder angeschlossen), fließt ein winziger Strom von C1 (unter Umgehung der LED) und führt zu einem kurzen Einschalten. Wenn die angeschlossene Spannung über der Abschaltschwelle liegt, hält die Rückkopplungsschleife sie aufrecht. Liegt er unter der Abschaltschwelle, schaltet sich der Stromkreis schnell wieder ab.

Exkurs: Warum nicht den MAX713L zur Unterspannungserkennung nutzen?

Sie fragen sich vielleicht, ob so viele Teile wirklich benötigt werden. Gibt es da nicht schon etwas Fertiges? Nun, MAX813L schien mir gut zu passen. Es ist ziemlich billig und hätte gut genug sein sollen, um zumindest T2, T3, die LED und R1 zu ersetzen. Wie ich jedoch auf die harte Tour herausgefunden habe, hat der "PFI" -Pin (Stromausfallerkennungseingang) des MAX813L eine ziemlich niedrige Impedanz. Wenn ich einen Spannungsteiler über etwa 1k verwenden würde, um PFI zu speisen, würde sich der Übergang zwischen Ein und Aus bei "PFO" über mehrere zehn Volt erstrecken. Nun, 1k entspricht 2mA konstantem Strom im ausgeschalteten Zustand - unerschwinglich viel und fast tausendmal so viel, wie diese Schaltung benötigt. Außerdem pendelt der PFO-Pin nicht zwischen Masse und dem vollen Versorgungsspannungsbereich, so dass wir bei dem geringen Spielraum, den wir zum Ansteuern unseres Leistungstransistors (T1) haben, auch einen zusätzlichen NPN-Transistor wieder einfügen müssen.

Schritt 3: Variationen

Beim Thema der positiven Rückkopplungsschleife, die wir in Schritt 2 / Schaltung 2 eingeführt haben, sind viele Variationen möglich. Die hier vorgestellte unterscheidet sich von der vorherigen darin, dass sie nach dem Ausschalten bei einer steigenden Batteriespannung nicht von selbst wieder aktiviert wird. Vielmehr müssen Sie nach Erreichen der Abschaltschwelle (Batterien wechseln und) einen optionalen Taster (S2) drücken, um ihn erneut zu starten. Zur Sicherheit habe ich einen zweiten Druckknopf hinzugefügt, um den Stromkreis manuell auszuschalten. Die kleine Lücke in den Oszilloskoplinien zeigt, wo ich die Schaltung zu Demonstrationszwecken ein-, ausgeschaltet und eingeschaltet habe. Die Unterspannungsabschaltung erfolgt selbstverständlich automatisch. Probieren Sie es einfach in der Simulation aus, wenn ich es nicht gut beschreibe.

Die Vorteile dieser Variante bestehen nun darin, dass sie die schärfste Abschaltung der bisher betrachteten Schaltungen bietet (bei genau 1,82 V in der Simulation; in der Praxis hängt die Höhe der Abschaltung von den verwendeten Teilen ab, und kann je nach Temperatur oder anderen Faktoren variieren, ist jedoch sehr scharf). Es reduziert auch den Stromverbrauch im ausgeschalteten Zustand auf winzige 18 nA.

Technisch gesehen bestand der Trick darin, das Spannungsreferenznetzwerk (LED, R2 und R3) von direkt mit der Batterie verbunden auf eine Verbindung nach T2 zu verschieben, sodass es zusammen mit T2 ausgeschaltet wird. Dies hilft beim scharfen Abschaltpunkt, denn sobald T2 nur ein kleines bisschen herunterfährt, beginnt auch die für das Referenznetzwerk verfügbare Spannung zu sinken, was zu einer schnellen Rückkopplungsschleife von vollständig ein bis vollständig aus führt.

Die Knöpfe loswerden (wenn du willst)

Natürlich, wenn Sie nicht gerne Tasten drücken müssen, nehmen Sie einfach die Tasten heraus, aber schließen Sie einen 1nF-Kondensator und einen 10M Ohm Widerstand an (der genaue Wert ist egal, muss aber mindestens drei- oder viermal höher als R1 sein) parallel vom Gate von T1 zur Masse (wo S2 war). Wenn Sie nun neue Batterien einlegen, wird das Gate von T1 kurzzeitig nach unten gezogen (bis C1 aufgeladen ist), und so schaltet sich der Stromkreis automatisch ein.

Die Teileliste

Da dies eine weitere Schaltung ist, die Sie vielleicht tatsächlich bauen möchten: Die Teile sind genau die gleichen wie für Schaltung 2 (außer den unterschiedlichen Widerstandswerten, wie aus dem Schaltplan ersichtlich). Wichtig ist, dass T1 immer noch IRLML6401 ist, während T2 und T3 beliebige generische Kleinsignal-NPN- bzw. PNP-Transistoren sind.

Schritt 4: Vereinfachen

Die Schaltungen 2 und 3 sind absolut in Ordnung, wenn Sie mich fragen, aber ich habe mich gefragt, ob ich mit weniger Teilen auskommen könnte. Vom Konzept her benötigt die Rückkopplungsschleife, die die Schaltungen 2 und 3 ansteuert, nur zwei Transistoren (in diesen T2 und T3), aber sie haben auch separat T1, um die Last zu steuern. Kann T1 als Teil der Feedbackschleife verwendet werden?

Ja, mit einigen interessanten Implikationen: Selbst wenn T1 eingeschaltet ist, hat er einen niedrigen, aber nicht null Widerstand. Daher fällt die Spannung über T1 ab, mehr bei höheren Strömen. Wenn die Basis von T2 nach T1 geschaltet ist, beeinflusst dieser Spannungsabfall den Betrieb der Schaltung. Zum einen bedeuten höhere Lasten eine höhere Abschaltspannung. Laut Simulation (HINWEIS: zum einfacheren Testen habe ich hier C1 gegen einen Taster getauscht), liegt die Abschaltung bei einer 4 Ohm Last bei 1,95 V, bei 8 Ohm bei 1,8 V, bei 32 Ohm bei 1,66 V, und für 1k Ohm bei 1,58V. Darüber hinaus ändert sich nicht viel. (Die tatsächlichen Werte unterscheiden sich je nach T1-Probe vom Simulator, das Muster ist ähnlich). Alle diese Grenzwerte liegen innerhalb sicherer Grenzen (siehe Einführung), aber das ist zugegebenermaßen nicht ideal. NiMH-Akkus (insbesondere alternde Akkus) zeigen bei schnellen Entladungen einen schnelleren Spannungsabfall, und idealerweise sollte bei hohen Entladungsraten die Spannungsabschaltung niedriger und nicht höher sein. Umgekehrt bietet diese Schaltung jedoch einen wirksamen Kurzschlussschutz.

Aufmerksame Leser werden auch bemerkt haben, dass der in den Scope-Linien gezeigte Ausschnitt im Vergleich zu Circuit 1 sehr flach erscheint. Dies ist jedoch kein Grund zur Sorge. Es ist wahr, dass die Schaltung in der Größenordnung von 1/10 Sekunde zum vollständigen Abschalten benötigt, aber der Spannungspunkt, an dem die Abschaltung stattfindet, ist immer noch genau definiert (in der Simulation müssen Sie einen konstanten DC einwechseln Quelle, anstelle des Dreieckgenerators, um dies zu sehen). Das Zeitverhalten ist C1 geschuldet und erwünscht: Es schützt vor vorzeitiger Selbstabschaltung, falls die Last (denken Sie: ein Aufwärtswandler) kurze Stromspitzen zieht, anstatt einen meist konstanten Strom. Übrigens, der zweite Zweck von C1 (und R3, dem Widerstand, der zum Entladen von C1) benötigt wird, besteht darin, den Stromkreis automatisch neu zu starten, wenn die Batterie getrennt / wieder angeschlossen wird.

Die Teileliste

Die benötigten Teile sind wieder die gleichen wie bei den vorherigen Schaltungen. Bestimmtes:

• T1 ist IRLML6401 - siehe Schritt 1 für eine Diskussion der (fehlenden) Alternativen
• T2 ist ein beliebiges generisches Kleinsignal NPN
• C1 ist eine billige Keramik
• Die Widerstände sind auch billig. Weder Präzision noch Leistungstoleranz sind erforderlich und die im Schaltplan angegebenen Werte sind meist eine grobe Orientierung. Machen Sie sich keine Sorgen über das Eintauschen ähnlicher Werte.

Welche Schaltung ist die beste für mich?

Auch hier rate ich davon ab, Circuit 1 zu bauen. Zwischen Circuit 2 und 3 tendiere ich zu letzterem. Wenn Sie jedoch größere Schwankungen Ihrer Batteriespannung erwarten (z. B. durch Erkalten der Batterien), können Sie einen automatischen Neustart basierend auf der Hysterese einem manuellen Neustart der Schaltung vorziehen. Schaltung 4 ist insofern schön, als sie weniger Teile verwendet und einen Kurzschlussschutz bietet, aber wenn Sie sich Sorgen machen, bei einer ganz bestimmten Spannung abzuschalten, ist diese Schaltung nichts für Sie.

In den folgenden Schritten führe ich Sie durch den Bau von Circuit 4. Wenn Sie einen der anderen Circuits bauen, ziehen Sie in Betracht, einige Fotos zu teilen.

Schritt 5: Beginnen wir mit dem Bau (Circuit 4)

Ok, also bauen wir Circuit 4. Zusätzlich zu den im vorherigen Schritt aufgeführten elektronischen Teilen benötigen Sie:

• Ein 2-Zellen-Batteriehalter (meiner war ein AA-Halter, der von einer Weihnachtsdekoration geplündert wurde)
• Etwas Perfboard
• Eine ordentliche Pinzette für den Umgang mit dem IRLML6401
• Ein (kleiner) Seitenschneider
• Lötkolben und Lötdraht

Vorbereitungen

Mein Batteriehalter kommt mit einem Schalter und - praktischerweise - ein bisschen leerer Kopffreiheit, die einfach perfekt scheint, um unsere Schaltung zu platzieren. Es gibt einen Stift, um eine (optionale) Schraube darin zu halten, und ich schneide diese mit dem Seitenschneider aus. die kontakte und kabel wurden nur lose eingesteckt. Ich habe sie für einen leichteren Zugang entfernt, die Drähte abgeschnitten und die Isolierung an den Enden entfernt.

Ich habe dann die elektronischen Teile lose in ein Stück Perfboard gelegt, um herauszufinden, wie viel Platz sie einnehmen würden. Grob gesagt wird die untere Reihe geerdet, die mittlere Reihe enthält die Spannungserfassungselemente und die obere Reihe hat die Verbindung zum Gate von T1. Ich musste die Teile recht dicht verpacken, damit alles in den benötigten Raum passte. Der IRLML6401 ist noch nicht platziert. Aufgrund der Pinbelegung muss es auf dem Perfboard nach unten gehen. (BEACHTEN SIE, dass ich versehentlich T2 - einen BC547 - falsch herum platziert habe! Folgen Sie dem nicht blind, überprüfen Sie die Pinbelegung des von Ihnen verwendeten Transistors - sie sind alle unterschiedlich.) Als nächstes habe ich den Seitenschneider zum Clippen verwendet das Perfboard auf die gewünschte Größe.

Schritt 6: Löten - der schwierige Teil zuerst

Entfernen Sie die meisten Komponenten, aber stecken Sie eine Leitung von R1 zusammen mit der Plusleitung von der Batterie (in meinem Fall vom Batterieschalter) in die mittlere Reihe direkt zur Seite. Nur dieses eine Loch anlöten, Stifte noch nicht abklemmen. Der andere Pin von R1 geht in die untere Reihe (von unten gesehen), ein Griff nach links. Befestigen Sie das Perfboard horizontal, mit der Unterseite nach oben.

Ok, als nächstes der IRLML6401. Dieses Teil ist nicht nur winzig, sondern auch empfindlich gegenüber elektrostatischer Entladung. Meistens passiert nichts Schlimmes, auch wenn Sie das Teil ohne Vorkehrungen handhaben. Aber es besteht eine echte Chance, dass Sie es beschädigen oder zerstören, ohne es zu bemerken, also versuchen Sie, vorsichtig zu sein. Versuchen Sie zunächst, dabei weder Plastik noch Wolle zu tragen. Wenn Sie kein antistatisches Armband haben, ist es jetzt an der Zeit, etwas Geerdetes (vielleicht einen Heizkörper oder eine Rohrleitung) sowohl mit der Hand als auch mit Ihrem Lötkolben zu berühren. Greifen Sie nun den IRLML6401 vorsichtig mit Ihrer Pinzette und bewegen Sie ihn in die Nähe seines endgültigen Platzes, wie auf dem Foto gezeigt. Der "S" -Pin sollte sich neben dem Pin von R1 befinden, den Sie gelötet haben, die anderen Pins sollten sich wie gezeigt auf zwei anderen Löchern befinden.

Lass dir Zeit! Irre hier auf der Seite der Genauigkeit und nicht der Geschwindigkeit. Wenn Sie mit der Platzierung zufrieden sind, schmelzen Sie das Lot bei R1 erneut, während Sie den IRLML6401 vorsichtig mit Ihrer Pinzette darauf zu bewegen, so dass der "S" -Pin verlötet wird. Prüfen Sie sorgfältig, ob der IRLML6401 nun fixiert ist und ob er an der richtigen Stelle (auch: flach auf dem Perfboard) fixiert ist. Wenn Sie mit der Platzierung nicht ganz zufrieden sind, schmelzen Sie das Lot noch einmal und passen Sie die Position an. Wiederholen Sie ggf.

Fertig? Gut. Nehmen Sie einen tiefen Seufzer der Erleichterung und löten Sie dann den zweiten Pin von R1 in das Loch neben dem "G" -Pin (auf der gleichen Seite des Gehäuses wie der "S" -Pin). Stellen Sie sicher, dass Sie sowohl R1 als auch den "G"-Pin anschließen. Klemmen Sie den Pin von R1 noch nicht ab!

Stecken Sie einen Pin von R2 und die positive Ausgangsleitung durch das Loch neben dem "D" -Pin (der auf der gegenüberliegenden Seite des Transistorgehäuses). Löten Sie diese Verbindung und achten Sie erneut darauf, den "D" -Pin mit R2 und dem Ausgangskabel zu verbinden.

Zum Schluss noch etwas Lötzinn auf den ersten Lötpunkt (den "S" -Pin) auftragen, da die beiden anderen Lötpunkte den Transistor in Position halten.

Beachten Sie, dass ich R1 und R2 absichtlich sehr nahe an T1 platziere. Die Idee ist, dass diese als rudimentärer Kühlkörper für T1 fungieren. Auch wenn Sie mehr Platz zur Verfügung haben, sollten Sie diese ebenfalls eng halten. Seien Sie auch hier nicht zu sparsam mit der Lotmenge.

Bis jetzt alles in Ordnung? Groß. Von nun an wird es nur noch einfacher.

Schritt 7: Löten - der einfache Teil

Der Rest des Lötens ist ziemlich einfach. Setzen Sie die Teile nacheinander wie im ersten Bild ein (außer, achten Sie genau auf die Pinbelegung Ihres T2-Transistors!), und löten Sie sie dann. Ich habe mit der mittleren Reihe angefangen. Sie werden feststellen, dass ich in einigen Fällen mehrere Pins in ein Loch gesteckt habe (zB das andere Ende von R2 und die lange Leitung der LED), und wo dies nicht möglich war, habe ich einfach die Pins der bereits gelöteten Elemente gebogen, um die erforderliche Verbindung(en).

Die gesamte untere Reihe (von unten gesehen) ist mit dem "G" -Pin von T1 verbunden, und wir verwenden den Pin von R2 (ich habe Sie gewarnt, ihn nicht zu klemmen!), um diese Verbindung herzustellen (mit dem Kollektor von T2, C1, und R3).

Die gesamte obere Reihe (von unten gesehen) ist mit Masse verbunden, und der Pin von R3 wird verwendet, um diese Verbindung herzustellen. Der andere Anschluss von C1, Emitter von T2 und vor allem Batteriemasse und Ausgangsmasseleitung sind damit verbunden.

Die letzten beiden Bilder zeigen die Endschaltung von unten und oben. Wieder habe ich T2 falsch herum gelötet, und das musste ich nachträglich reparieren (keine Bilder gemacht). Wenn Sie einen BC547 verwenden (wie ich es getan habe), geht es genau umgekehrt. Für einen 2N3904 wäre es aber richtig. Mit anderen Worten, überprüfen Sie die Transistor-Pinbelegung vor dem Löten!

Schritt 8: Letzte Schritte

Jetzt ist ein guter Zeitpunkt, um Ihre Schaltung zu testen

Wenn alles funktioniert, ist der Rest einfach. Ich habe die Schaltung zusammen mit dem Schalter und den Batteriekontakten in meinen Batteriehalter gelegt. Da ich mir Sorgen machte, dass der Pluspol der Batterie den Stromkreis berührt, habe ich ein bisschen rotes Isolierband dazwischen gelegt. Abschließend fixierte ich die abgehenden Kabel mit einem Tropfen Heißkleber.

Das ist es! Ich hoffe, Sie konnten alles verfolgen und denken Sie darüber nach, Bilder zu posten, wenn Sie eine der anderen Schaltungen machen.