DE19835183A1

DE19835183A1 - Schutzschaltung für Akku

Info

Publication number: DE19835183A1
Application number: DE1998135183
Authority: DE
Inventors: Tot Echten Anne Willem Holthe
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1998-08-04
Filing date: 1998-08-04
Publication date: 2002-01-03

Abstract

Hier wird eine Schutzschaltung präsentiert, die eine aufladbare Batterie schützt gegen Kurzschluss und Tiefentladung. Die Schaltung enthält wenig Komponenten und verbraucht so wenig Strom, dass sie permanent angeschlossen bleiben kann. Die Schaltung kann also in einem Akkubehälter eingebaut werden. DOLLAR A Ein Resetknopf oder Schalter wird nicht benötigt; die Anschlüsse, wo die Last angeschlossen wird, können auch verwendet werden zum Laden der Batterie.

Description

Akkus koennen grosse Stroeme liefern, sind also potentiell feuergefaehrlich.

Akkus die aus vielen Zellen bestehen sind auch leicht zu beschaedigen wenn sie zu tief entladen werden.

Dann wird die erste Zelle die leer ist oft in die falsche Richtung aufgeladen durch den Strom der produziert wird von den noch nicht leeren Zellen.

Darum gilt speziell fuer Ni-Cd- und Ni-Metallhydrid-Akkus die Regel dass sie nicht tiefer entladen werden sollen als 1 Volt per Zelle.

Die hier praesentierte Akku Schutzschaltung bietet eine Loesung fuer diese Probleme, gerade weil die Schaltung in dem Akkubehaelter eingebaut werden kann.

Komponentenliste bei Bild 5

A Mehrzellige Akku, in diesem Beispiel 12 V
S Schmelzsicherung z. B. 10 A flink (nur wichtig wenn die elektronische Sicherung fehlt)
C1 Kondensator (elektrolytisch) 0,47 µF
C2 10 nF (nur gegen Empfindlichkeit fuer Hochfrequenzspannung)
C3 1 nF (ebenso)
C4 100 nF (ebenso)
R1 1,5 MOhm
R2 1,5 MOhm
R3 1,5 MOhm
R4 4,7 MOhm
R5 330 kOhm
R6 10 kOhm
R7 0,05 Ohm
T1 PNP Transistor Silicium z. B. BC557
T2 NPN Transistor Silicium z. B. BC547
T3 Leistungs-MOSFET z. B. BUZ11 auf Kuehlblech montiert
Z Zenerdiode die auch bei 3 µA die gewuenschte Zenerspannung behaelt z. B. ZPD 9,1 V (die meisten kleinen Zenerdioden sind fuer etwa 1 mA bemessen, also dies muss geprueft werden)
D Siliciumdiode z. B. 1N4148

Beschreibung der Wirkung

In dem Arbeitszustand leitet T3 und haelt seinen Drain auf niedrige Spannung gegenueber den Minuspol des Akkus (Referenzpunkt) Z leitet und haelt T1 leitend. T1 haelt T3 leitend.

Wenn ein grosser Strom fliesst leitet T2 und begrenzt den Strom auf einen Wert der nicht schaedlich ist fuer T3. T2 schuetzt T3 auch gegen ein zu grosses Strom.Spannungsprodukt.

Wenn ein (zu) grosser Strom fliesst und nach einigen Sekunden ist T3 noch nicht faehig um seinen Drain auf niedrige Spannung zu bringen, dann sperrt T1 und auch T3. Dann liefert der Akku nur noch einen Strom von ca. 40 µA der durch R5 fliesst. Die Zeitverzoegerung ist notwendig um auch Geraete mit grossen Elkos und Gluehlampen mit niedrigem Widerstand des kalten Gluehfadens betreiben zu koennen.

Wenn die Last weggenommen wird von den Anschlusspunkte (+ und -) bringt der Strom durch R5 den Drain des T3 wieder auf niedrige Spannung, Z leitet wieder und T1 und T3 leiten wieder. Die Schaltung ist wieder in dem Arbeitszustand.

Mit der Schaltung in Arbeitszustand und eine angeschlossene Last wird der Strom durch Z zu klein werden um T1 leitend zu halten wenn die Akkuspannung unter ca. 10 V herabfallt. T3 sperrt dann und wieder bleibt ein Strom von etwa 40 µA fliessen. Auch wenn der Akkuspannung wieder steigt (unbelastet) bleibt die Schaltung im Schutzzustand. Das wegnehmen der Last wird die Schaltung wieder in dem Arbeitszustand zurueckbringen.

In dem Arbeitszustand verbraucht die Schaltung einen Strom von ca. 5 µA.

Das Laden des Akkus kann durch den Anschlusspunkte (+ und -) stattfinden.

Wenn die Anschlusspunkte (+ und -) kurzgeschlossen werden mittels ein Strommessgeraet wird man waehrend einigen Sekunden einen Strom sehen der weniger ist als der Grenzstrom. Das wird dadurch verursacht weil die Schaltung auf Leistungsgrenze des FETs abschaltet.

Diese Akkuschutzschaltung kann fest eingebaut sein in dem Akkubehaelter, auch bei kleinen Akkus, so dass der Benutzer die Akku nicht ohne Schutzschaltung betreiben kann. Bei Ni-Cd-Akkus will der Benutzer oft die Akku bis zum Ende der Ladung benutzen, um das Memory Effekt zu entgehen. Das wird mit diese Schutzschaltung moeglich. Das Ergebnis ist ein Akku der nur noch durch falsch Laden zerstoert werden kann. Wenn man ein gesichertes Ladegeraet benuetzt, mit begrenzter Strom und automatisch Abschalten des Ladestroms bei maximal zugelassene Ladespannung, hat man ein elektrisch fast unzerstoerbares System.

Stand der Technik

In das Europaeische Patent Nr. 85300085.9 "Intrinsically safe miner's lamp" wird eine Schaltung praesentiert mit 2 Komparators und einem FET. Hier ist der FET nicht geschuetzt gegen zu viel Leistung, die Steuerschaltung verbraucht viel Strom (einigen mA), und die Abschaltung bei zu niedrige Akkuspannung ist offenbar basiert auf der Gate-Schwellenspannung des FETs. Das bedeutet das diese Schaltung nur geeignet ist fuer Batterien von 3 bis 5 Ni-Cd- oder Ni-Metallhydrid-Zellen.

Wie man von einem Thyristor nach die Akkuschutzschaltung kommt:
Bild 1 stellt einen Thyristor da, mit Gleichspannungs quelle und Lampe. Der Thyristor ist aufgebaut durch 2 Transistoren und 2 Widerstaende. Es gibt 2 moegliche Zustaende: Strom fliesst oder Strom fliesst nicht.
In Bild 2 ist die Lampe auf eine andere Stelle in der Schaltung angebracht. Jetzt gibt es die Moeglichkeit der Steuertransistor (PNP) viel weniger Strom leiten zu lassen als der Ausgangstransistor (NPN).
In Bild 3 kann der Steuertransistor noch viel weniger Strom leiten bei gleichbleibender Ausgangsstrom weil der NPN Transistor ersetzt ist von einem FET.

Der Zenerdiode und Serienwiderstand (S) in Bild 4 sorgen dafuer dass der umgebaute Thyristor von selbst abschaltet wenn die Spannung der Spannungsquelle unter einen Grenzwert kommt. Die Gate-Schwellenspannung koennte besser nicht dafuer benutzt werden denn der FET soll bei herabsinkender Akkuspannung oder beim Liefern eines grossen Stroms so lange wie moeglich voll offengesteuert sein.

T2, R3, R5, R6, R7 hinzufuegen um T3 zu schuetzen, C1 hinzufuegen um zu vermeiden dass die Schaltung zu schnell abschaltet, D hinzufuegen um zu vermeiden dass C1 bei Kurzschluss direkt entladen wird, und man hat Bild 5, die Akkuschutzschaltung.

Gluecklicherweise dient der Strom durch R5 auch noch dafuer um die Schaltung vom Schutzzustand in dem Arbeitszustand zurueck zu bringen wenn die Last abgekoppelt wird.

Claims

1. Akkuschutzschaltung die auf das Prinzip des Thyristors basiert ist: 2 Transistoren die einander leitend halten oder nicht, die wegen des Thyristorprinzips sehr wenig Strom verbraucht und die Schutz bietet gegen Kurzschluss und Tiefentladung.

2. Akkuschutzschaltung wie oben der ausgestattet ist mit einem FET der geschuetzt ist gegen zu viel Strom und gegen zu viel Leistung, so dass die Stromleitungsfaehigkeit bei niedrigen Drain Source Spannungen so gut wie moeglich benutzt werden kann.

3. Akkuschutzschaltung wie oben die einen Zenerdiode benutzt um den Spannungsgrenzwert zu bestimmen, so dass jede Zahl von in Reihe geschalteten Zellen geschuetzt werden kann, die eine Mindestspannung liefern die gross genug ist um den FET voellig leitend zu steuern.