Защита от глубокого разряда (12 В)

[bvitaly]

Добрый вечер.

В сети бегает серия достаточно однотипных схем защиты аккумуляторов от глубокого разряда, отключающих нагрузку при напряжении ниже установленного значения. Примеры - длинный текст тут, короткий тут, и аналогичная схема с размыканием плюса, но без описания всех использованных радиодеталей здесь. Решил собирать эту схему:

В процессе подгонки (источник - напряжение с делителя 0-13 вольт, нагрузка - 3 светодиода) был выбран стабилитрон на 9.1 вольт, установкой разных входных напряжений пришел к выводу (или, скорее, убедился) что верхнее плечо R3 вычисляется по формуле Rверх = R * Uбэ / (Uвыкл - Uстаб), где Uбэ - напряжение открытия КТ361Г, которое оказалось равным 0.632 В (среднее по десятку замеров), R - сопротивление переменного резистора "от края до края" (оказалось 9775 Ом, по номиналу 10К), Uстаб - падение напряжение на стабилитроне, равное 9.04 В, Uвыкл - напряжение, при котором транзисторы должны закрываться. Все вроде бы хорошо, проверено и работает (выставил отключение на 11.0).

 

Далее я убираю делитель, вешаю это все на аккумулятор, вместо светодиодов вешаю более-менее серьезную нагрузку и вижу картину Репина "не ждали" - вырубается при напряжениях 12 с лишним. В процессе изучения проблемы прихожу к выводу, что от нагрузки зависит не только напряжение на клеммах аккумулятора (чем больше ток - тем ниже оно просаживается при включении, но держится стабильным и медленно падает в процессе разряда, как и должно быть) но и напряжение на стабилитроне относительно земли. А это проблема, т.к. на переменный резистор приходится разный "остаток", и транзистор закрывается при напряжении, отличном от задуманного. Опыта у меня, конечно, не много, и набор барахла сильно ограничен, потому были измерены параметры потребляемый схемой ток (со стороны АКБ) и напряжения на всех 3 клеммах резистора R3 при разном наборе нагрузок чем выступили параллельно соединенные 12V кулеры в разных комплектациях.

Картинками флудить не буду, скажу кратко. На интервале токов от 0.02 до 0.44 А падение напряжения на стабилитроне линейно зависит от тока. Последняя точка графиков (0.78А) улетает куда-то в небеса, что может говорить о том что либо линейность где-то там закончилась, либо китайский мультиметр на таких токах глючит, или погода на улице плохая. К сожалению, проверить какие-то другие значения в интервале от 0.5 до 1А пока что нечем.

Зависимость напряжения от тока, потребляемого всей схемой с нагрузкой:

для 9.1V стабилитрона Uст = 0.914 * I + 9.0659

для стабилитрона, который покупался как десятивольтовый, Uст = 0.9503 * I + 9.748

R² = 0.97 и 0.99 соответственно, то есть сомневаться в линейности оснований нет. Это все считалось для интервала 0 - 0.54 А, т.е. без той последней точки.

Если отстроить это в виде вольт-амперной характеристики (отложив -I от -U), получается прямая, идущая влево вниз по диагонали квадрата, хотя должна быть вроде как почти горизонтальная прямая, резко уходящая вниз по асимптоте. Извините за мой плохой французский. Если честно, я вообще не понял в какую часть ВАХ я попал и откуда там линейность с таким угловым коэффициентом.

Понимаю, что для нагрузки, имеющей заведомо идеально постоянное потребление это все фигня и тлен, просто на реальной нагрузке подкручивается резистор и порядок. Но что делать с нагрузкой, ток потребления которой меняется, и сильно? Например, включение или отключение вентиляторов или реле какой-то логикой. Пошел ток по катушке реле и все погасло, хотя на входе напряжение еще намного выше предельно допустимого. В описаловках эта схема должна работать якобы для токов до 5А, но в текущем виде реально до 0.5А, хотя я хочу иметь хотя бы 2А.

Для чего в этих схемах выбран стабилитрон? Можно обойтись просто делителем на резисторах, для выставления 0.63В на базе КТ-361Г ? Будет лучше или хуже в связи с описанным?

 

P.S. что нужно теоретически изменить в исходной схеме, чтобы она работала на большие напряжения (24, 36, 48В)? Замена транзистора на КТ361Д или КТ361К, пересчет делителя R3 и делителя на резисторах R1 - R2 или я что-то не учел?

Изменено 4 января, 2021 пользователем bvitaly

[Реклама]

Реклама: ООО ТД Промэлектроника, ИНН: 6659197470, Тел: 8 (800) 1000-321

[DedLogoped]

49 минут назад, bvitaly сказал:

Для чего в этих схемах выбран стабилитрон?

Стабилитрон - как ключ (выключатель, кнопка...): при напряжении меньше его номинала - он практически не оказывает влияния на схему; а вот при напряжении выше его номинала он становится кнопкой, и замыкает на себя цепь питания. "Переключения" происходят очень быстро, потому в питаемой после стабилитрона цепи напряжение поддерживается на уровне номинала стабилитрона. И потому для защиты стабилитрона от слишком высокого тока пробоя перед стабилитроном обязательно нужен ограничивающий резистор. Потому его и ставят в подобные схемы, чтобы поддержать в отслеживаемой цепи постоянное напряжение, не зависящее от колебания напряжения от источника напряжения. Более подробно про стабилитроны смотрите инфу в сети сами.

49 минут назад, bvitaly сказал:

Можно обойтись просто делителем на резисторах, для выставления 0.63В на базе КТ-361Г ?

Можно, но такая схема будет очень сильно зависеть от напряжения, тока, температуры, погоды на Марсе и т.д. Потому на стабилитроне точнее и стабильнее. Но ещё лучше в подобных схемах вместо стабилитрона будет работать специальная микросхема, например широко известная и дешёвая TL431(2,3). И, кстати, на ней общий ток потребления схемой защиты будет даже несколько ниже, чем на стабилитроне.

49 минут назад, bvitaly сказал:

что нужно теоретически изменить в исходной схеме, чтобы она работала на большие напряжения (24, 36, 48В)?

R1 в любом случае нужно увеличивать на два порядка, а  R2 увеличить на порядок (но тут нужно маленько посчитать, сейчас лень). К R3 добавить постоянный резистор между стабилитроном и нижним по схеме выводом R3, а его ползунок соединить с нижним выводом. Тогда заменой постоянного резистора можно будет переводить схему на разные напряжения. 

Изменено 4 января, 2021 пользователем DedLogoped
Попутал выводы

[Реклама]

20% скидка на весь каталог электронных компонентов в ТМ Электроникс!

Акция "Лето ближе - цены ниже", успей сделать выгодные покупки!

Плюс весь апрель действует скидка 10% по промокоду APREL24 + 15% кэшбэк и бесплатная доставка!

Перейти на страницу акции

Реклама: ООО ТМ ЭЛЕКТРОНИКС, ИНН: 7806548420, info@tmelectronics.ru, +7(812)4094849

[bvitaly]

Назначение стабилитрона, в целом, я понимаю. Если говорить о живых кислотных аккумуляторах, то напряжение на них не может быть ниже 10.8 вольт или ниже, допустим, 9.0 если их настойчиво хотят убить, потому будем считать что напряжение на стабилитроне всегда выше его номинала (особенно того что 9.1). В этой схеме я его представлял как деталь, вычитающая свой номинал из общего напряжения между верхом R3 и землей, а весь остаток делится R3 пропорционально, чтобы на базе КТ361Г было необходимое для открытия напряжение. Но уж никак не предполагал что сам его номинал зависит от силы тока, причем тока нагрузки, а не тока, проходящего через стабилитрон. В роли ограничивающего резистора перед стабилитроном выступает нижняя половина R3, которая в моем случае равна примерно 6.6К. Ток, протекающий через участок + - R3 - стабилитрон - земля порядка 1мА.

Что касается потребления - несколько ниже погоды не делает, вот если бы сказали что на порядок ниже или хотя бы в 2 раза ниже...но тут и так мелочи должны быть. А схему я выбирал простейшую, с минимумом деталей, и если бы на варианте с размыканием плюса было нормальное описание радиодеталей - собирал бы её по некоторым причинам, но так как там ни черта не понятно кроме общего принципа - решил начать с этой. Схема скорее учебная, на макетке, вот так вот вляпаться и придумать как ее улучшить, чтобы работать с уже отлаженным вариантом. Только пока ничего придумать не получается.

Собственно вопросы остаются - что за линейный участок и с какой части ВАХ он берется? Что-то зависит от номинала R3?

[Реклама]

Выбираем схему BMS для корректной работы литий-железофосфатных (LiFePO4) аккумуляторов

 Обязательным условием долгой и стабильной работы Li-FePO4-аккумуляторов, в том числе и производства EVE Energy, является применение специализированных BMS-микросхем. Литий-железофосфатные АКБ отличаются такими характеристиками, как высокая многократность циклов заряда-разряда, безопасность, возможность быстрой зарядки, устойчивость к буферному режиму работы и приемлемая стоимость. Но для этих АКБ, также как и для других, очень важен контроль процесса заряда и разряда, а специализированных микросхем для этого вида аккумуляторов не так много. Инженеры КОМПЭЛ подготовили список имеющихся микросхем и возможных решений от разных производителей. Подробнее>>

Реклама: АО КОМПЭЛ, ИНН: 7713005406, ОГРН: 1027700032161

[_abk_]

2 hours ago, bvitaly said:

Назначение стабилитрона, в целом, я понимаю.... В этой схеме я его представлял как деталь, вычитающая свой номинал из общего напряжения...

Не понимаешь; неправильно представляешь. Поэтому и вопросы остаются. Надо читать , что такое стабилитрон,  а потом смотреть, как  распределяются токи в точке расположения движка R3 при изменении напряжения АКБ. Токи нагрузки  тут вообще не причем, твои "графики" бессмысленны. 

[bvitaly]

Мои графики очень даже осмысленны. Если мне нужно будет на постоянную нагрузку выставить постоянным резистором - я по току нагрузки нахожу из этой статистической зависимости напряжение, которое будет на стабилитроне, а из него сопротивление на делителе и готово. Но хотел бы избавиться от этой зависимости полностью или по крайней мере на интервале 0-2А нагрузки.

А как  распределяются токи? I = I1 = I2, вроде бы. Или я не понял мысль?

Изменено 5 января, 2021 пользователем bvitaly

[LazyEd]

R1 надо заменить стабилитроном на 12 В или увеличить до 100 кОм или R2 уменьшить до 1кОм (не более). Сейчас напряжение на затворе близко к нижнему пределу, потому и закрывается полевик от малейшего чиха.

Изменено 5 января, 2021 пользователем LazyEd

[bvitaly]

На затворе полевика делитель 10К + 10К дает порядка 6 вольт, это предостаточно для его открытия. Отпирающее напряжение 2-4В. Даже уменьшать надо, ИМХО. Но потом. Напряжение открытия КТ361Г в 0.63В было установлено по нижней границе. Лучше чуть раньше отключить нагрузку, чем чуть позже.

Повторил вчерашний эксперимент с разными номиналами R3 с не присоединенной базой КТ (цепь из R3 и D1 параллельно нагрузке, остальное не участвует) и уже не 10 точек (разных токов нагрузки) а 3-4 на график. Пришел к выводу что от номинала R3 (от края до края - 15К, 32К, 72К) ничего толком не зависит,  "опорное" напряжение со стабилитрона все так же меняется в зависимости от тока нагрузки. Дальше было веселее -  коэффициент наклона оказался больше, чем вчера (1.42 вместо 0.95) и уже не было оснований исключать последнюю точку (на ломаной из четырех она лежала не хуже предпоследней) и вчерашнее значение "последней точки" (для максимальной нагрузки - 0.8А) подозрительно хорошо совпало с сегодняшним. Напряжения источника те же что вчера, в пределах погрешности измерений.

Что-то мне подсказывает что нужно ставить отдельный ключ. Эта схема будет питать только контроль напряжения, имеющий низкое постоянное потребление, R3 подогнать, а от нее запитать реле или еще какой-то МОП для отключения непосредственно нагрузки, потребляющей заведомо неизвестный ток.

 

Изменено 5 января, 2021 пользователем bvitaly

[Alkarn]

4 часа назад, bvitaly сказал:

На затворе полевика делитель 10К + 10К дает порядка 6 вольт, это предостаточно для его открытия. Отпирающее напряжение 2-4В. Даже уменьшать надо, ИМХО. Но потом.

2-4 В - это пороговое напряжение, начало отпирания, Для полного отпирания полевика и малого падения напряжения на нем, нужно 6-8 вольт, или больше, LazyEd прав. Для стабилитрона , если это отечественный, обычный - минимальный ток стабилизации 3 мА, у тебя (11-9)/10к=0,2 мА. Лучше взять стабилитрон на 6,8 - 8,2 В и R3 на 1-2 кОм, и последовательно с ним  Ом на 330 ограничительный резистор поставить. А для большей нагрузки - что, автомобильной лампочки старой не найдется?

[bvitaly]

Буду знать. Из таблиц характеристик транзистора это не очевидно. Буду подгонять в конце. Я не заметил на нем падения напряжения, но еще раз проверю.

О стабилитронах тоже не знал. Обычная красная стекляшка с черной полоской. Читал что перегружать нельзя, но чтобы было требование по минимальному току - не хватает опыта и знаний. Я не в ту сторону проверял: ставил 15К и больше разные номиналы R3, а надо было уменьшать. Проверю, если окажется что на том же 9-10В стабилитроне при меньшем номинале резистора от нагрузки напряжение не скачет - можно будет дорабатывать схему. Начну с номинала 3К.

Найдется лампочка, которая лист бумаги прожигает. Но ее МОП не выдержит, не говоря за проводки и макетную плату. Использую только для нагрузочного тестирования блоков питания. Если под лампой свистит или что-нибудь рванёт - значит емкости менять .

[bvitaly]

После быстрой проверки (цепь R3-D1 параллельно нагрузке и больше ничего) R3 номиналом 3.3к и 1к вижу все ту же картину - на стабилитроне (не важно какой стоит, 9.1 или 10в) напряжение зависит от тока нагрузки почти линейно. Для резистора 1К зависимость почти идеальная прямая (U = 1.4014*I + 9.1073, R2=0.999), для 3.3К U = 1.1078*I + 9.062 (R2=0.939). Для минимального тока нагрузки (20мА, 3 последовательно соединенных светодиода с ограничивающим резистором) совпадение напряжения стабилитрона в пределах погрешностей (9.10 и 9.14, у меня погрешность измерения около 0.02 В), для более мощных нагрузок 0.1 - 0.2В. В случае 3.3К резистора ток по формуле из предыдущего поста порядка 1мА, для 1к там 2.5мА, но принципиально ничего не изменилось. На 510 Ом ток стабилизации порядка 5мА, U = 1.5519*I + 9.1649 (R² = 0.9953)

Уменьшать дальше номинал R3 ?

Падение напряжения на МОПе я зарегистрировать не могу, на делении 200m показывает 7.0, но что на МОПе что при включенном ключе параллельно МОПу - это не значение, а погрешность. Считаю что он полностью открыт, хотя с напряжением базы поэкспериментирую

Изменено 5 января, 2021 пользователем bvitaly

[_abk_]

Долго так колупаться будешь... Пока не поймешь, как работает стабилитрон.

 

Изменено 6 января, 2021 пользователем _abk_

[Dr. West]

5 часов назад, bvitaly сказал:

не говоря за проводки и макетную плату

Это всё дело проверяется на китайской беспаечной макетке?

[_abk_]

Стоит еще добавить резистор в базу. Если напряжение АКБ не превысит 18В, R1 можно исключить. Вот так

[bvitaly]

_abk_, что за разные уровни на графике? Разные номиналы стабилитронов, токи нагрузки (номиналы R6), R4, или что?

Это что за прога? У меня есть Electronics Workbench и LTSpice IV но первая хороша для рисования схем но не для остального, а вторая достаточно неудобная, я так к ней и не привык.

Цитата

Основная область применения стабилитрона — стабилизация постоянного напряжения источников питания. В простейшей схеме линейного параметрического стабилизатора стабилитрон выступает одновременно и источником опорного напряжения, и силовым регулирующим элементом. В более сложных схемах стабилитрону отводится только функция источника опорного напряжения, а регулирующим элементом служит внешний силовой транзистор.

(Wikipedia)

Я не могу понять какое нафиг переменное опорное напряжение, когда по описаниям должно быть постоянное...

 

Для чего резистор в базу, когда база подключается к ползунку переменного резистора, и его роль будет играть либо верхнее, либо нижнее плечо делителя? На край его выкручивать никто не станет.

Цитата

Это всё дело проверяется на китайской беспаечной макетке?

Конечно, я проэволюционировал от собирания соплей на скрутках и карабинчиках до макетки. Удобно. Даже если не на макетке (если речь об адской лампочке на 12В) она изоляцию на проводах плавила 

Изменено 6 января, 2021 пользователем bvitaly

[_abk_]

Это LTspice.

Разные уровни на графике - это выходное напряжение для  разного входного от 14 до 8 вольт с шагом уменьшения 0,5 В. Видно, что после  снижения до 10 В нагрузка отключается.

Резистор в базе нужен для ограничения базового тока, т.к. в рабочем режиме ...-  посчитай, кстати, какое напряжение Uэб будет. Исключить R1 - имелось в виду замкнуть его .  

Делай, как нарисовано, и не выноси мозг своими графиками, уравнениями и измерениями всем известного напряжения на p-n переходе. Переменный резистор тут не нужен, так же как и точность, правильно и проще будет подобрать один раз стабилитрон. Если хочешь продолжать поиск непознанного в схеме из 3 деталек, замени стабилитрон на TL431 и настраивай порог до немыслимой точности.

[bvitaly]

Uэб будет 0.63В, как раз для открытия КТ в рабочем режиме. В нерабочем от 0.3 до 1 бывало. По схеме выше (R3, R4 без переменного) напряжение на стабилитроне 9.1В в зависимости от нагрузки пляшет от 9.18 до 9.40В, транзисторы все еще открыты при напряжении 10.32 на источнике при малом токе нагрузки, и закрываются сразу при токе порядка 0.35А, хотя напряжение еще выше 11.5. Точность все же нужна. Ладно, видимо стоит прекращать мучать изначально не пригодную для произвольного тока схему. Исходный вариант работает только для случая если нагрузка потребляет всегда одно и то же значение тока.

[Alkarn]

Думаю, проблемы от источника входного напряжения. Видимо, он маломощный, или с большими пульсациями. Напряжение стабилитрона при зменении тока через него в пределах 0,1-5 ма и должно меняться на примерно 0,2-0,4 В. На модели Ве отлично работает.

[_abk_]

Поражает маниакальное упорство ломиться в открытую дверь. Напомню, как называется тема  "Защита от глубокого разряда (12V)". Вот что написано в первом сообщении

On 1/5/2021 at 5:38 AM, bvitaly said:

схем защиты аккумуляторов от глубокого разряда, отключающих нагрузку при напряжении ниже установленного значения... Решил собирать эту схему:

А вот что в последнем

11 hours ago, bvitaly said:

стоит прекращать мучать изначально не пригодную для произвольного тока схему.

Открою тебе секрет: эта схема про ток вообще ничего не знает.

Зря потратил время, пытаясь помочь. Не в коня корм.

 

[LazyEd]

5 часов назад, _abk_ сказал:

маниакальное упорство ломиться в открытую дверь

Скорее биться лбом об стену рядом с открытой дверью.

[bvitaly]

Пошел оффтоп, лучше бы по делу.

Ожидалось что вся наладка схемы закончится подкруткой R3, оказалось что напряжение на стабилитроне (а соответственно и на резисторе - делителе R3) зависит от тока нагрузки и сильно.

В теории действительно должно быть что-то наподобие картинки от Alkarn. Реально транзистор закрывается при черт знает каком напряжении. Да там долбанных пол вольта, но когда у тебя задача отключать нагрузку при 10.8 или 11 вольтах на батарее, а она отключается при 10.4 (убив батарею в хлам) или на 11.5 когда ей бы еще работать и работать - хрень собачья. Схема про ток не знает, и не должна знать, и вроде бы у стабилитрона есть ВАХ в учебнике, и там есть вертикальный и горизонтальный участки, на которых вообще ничерта меняться не должно, но напряжение на нем меняется при разных токах нагрузки и это поведение не меняется при любых взятых номиналах R3.

 

[Dr. West]

Продолжай собирать силовые схемы на китайских макетках и сопливых проводах - ещё и не таких чудес насмотришься.

[Alkarn]

Вот тебе ВАХ стабилитрона. Я же писал, что при малых токах напряжение стабилизации сильно плавает, и вообще стабилитрон работает как генератор шума, иногда очень приличной амплитуды, больше 100 мВ, Поэтому и советовал взять более низковольтный стабилитрон и увеличить ток за счет уменьшения R2 (на моей схеме). И не надо отлавливать сотые вольта, ты уверен, что твой мультиметр не врет на пару десятых ? И при изменении температуры и стабилитрон, и транзистор изменяют напряжение отпирания, у транзистора, сколько помню, 5-7 мВ/град.

[Bobius]

[Гость Геннадий]

Хотите доработать схему? Пожалуйста: R1 = 10 K,  R2 = 1K, R3 = 560 Oм (иначе стабилитрон оказывается не в рабочем диапазоне тока), Так же следует добавить килоом 5...10 последовательно в базу транзистора, иначе есть риск сжечь его при самом нижнем положении движка потенциометра.  Провода должны иметь сечение не менее 1 мм2, припой на силовых соединениях не жалейте.  Параллельно К-Э транзистора кнопка запуска. (кнопка Reset в работающей схеме не нужна) Именно такая схема у меня работает с соблюдением напряжения отключения с точностью 0,05 вольт. Если крокодилы для подключения к аккумулятору будут слабенькие (переходной контакт плохой), то напряжение отключения повысится на много. Все соединения и провода должны иметь сопротивления не более десятков милли Ом.  Если у вас  от истока полевика до минуса БП, от стока полевика до нагрузки  и от плюса БП до плюса аккумулятора по пол Ома, то при токе разряда 1 А  только на этих участках вы потеряете 1, 5 вольт. Притоке 2 А - соответственно теряете 3 вольта. Отключаться будет когда захочет. Где уж тут десятые доли вольт ловить? А стабилитрон - это не кнопка. Он при уменьшении напряжения сильно уменьшает ток через себя, уменьшая напряжение на Б-Э биполярного транзистора,  но это только при соблюдении условия - ток через него не должен быть меньше минимального. Обычно 3...5 мА. А у вас он равен 0,2 мА.

[Alex.1959]

Проще всего, ИМХО, схема защиты от переразряда 12V АКБ строится на TL431 и P-MOSFET.

Если применять более распространённые N-MOSFET, то приходится ставить транзистор.

При расчёте элементов нужно учитывать, что производители рекомендуют использовать TL431 при токах катода на менее 0,5 мА. Поэтому в схеме на P-MOSFET резистор между затвором и истоком лучше поставить около 10 кОм.

А в схеме @Bobius цепочку измерения с TL431 лучше перенести к нагрузке.

В 08.01.2021 в 17:45, Bobius сказал: