Транзисторная схема защиты аккумуляторов от разряда и КЗ

Устройство для защиты любых типов аккумуляторов от глубокого разряда и короткого замыкания с автоматическим отключением нагрузки своими руками

Глубокого разряда не любят аккумуляторы любого типа. Поэтому, будь то Li-ion аккумуляторы, никель-кадмиевые или автомобильные свинцово-кислотные АКБ, важным аспектом эксплуатации является недопущение их глубокого разряда посредством специальных устройств защиты от переразряда. При отсутствии такой защиты аккумулятор будет довольно быстро чахнуть, увеличивать своё внутреннее сопротивление и терять ёмкость.

Представленное на Рис.1 электронное устройство автоматически отключает нагрузку от аккумулятора в тот момент, когда аккумулятор разряжается до определённого заданного значения напряжения.
В отличие от многих аналогов, выполненных на регулируемом стабилизаторе напряжения TL431 с собственным минимальным током потребления ~ 1мА, здесь в качестве порогового элемента выступает полевой транзистор, который в статическом режиме не потребляет вообще ничего. Поэтому весь собственный ток потребления устройства в проводящем состоянии определяется исключительно номиналами R1 и R2 (100...150 микроампер), а при разрядке и отключении аккумулятора от нагрузки – практически равен нулю.

Рис.1 Cхемы защиты аккумуляторов от глубокого разряда и КЗ в нагрузке: слева на P-канальном ключе, справа на N-канальном ключе

Обе схемы идентичны и по сути представляют собой "перевёрнутые" копии друг друга. Они довольно универсальны и (при соответствующем выборе мощности и напряжения отсечки транзистора Т1) могут служить для защиты практически любых типов аккумуляторов, независимо от их напряжения и тока нагрузки.

Рассмотрим принцип работы левой схемы, выполненной на P-канальном силовом транзисторе (Т1).

Конденсатор С1 предназначен для первоначального запуска схемы. При подключении аккумулятора либо замыкании выключателя S1 он кратковременно подтягивает затвор Т1 к минусу, транзистор отпирается и остаётся в таком состоянии до тех пор, пока напряжение на клеммах АКБ находится выше определённого значения, т. е. до тех пор, пока аккумулятор заряжен.

За напряжением на аккумуляторе (в данном случае на нагрузке) следит N-канальный транзистор Т2, имеющий порог открытия близкий к напряжению отсечки (Uотс), которое для транзистора 2N7000 составляет величину ~ 2.5 В. При заряженном аккумуляторе напряжение Uзи транзистора превышает напряжение отсечки и транзистор остаётся отрытым, притягивая затвор Т1 к минусу и поддерживая его в открытом состоянии.
По мере разрядки аккумуляторной батареи, напряжение Uзи Т2 снижается и когда оно приблизится к 2.5 В, то транзистор начнёт закрываться. Это приведёт к росту напряжения на затворе Т1, что, так или иначе, также приводит к его закрыванию и отключению АКБ от нагрузки.
Поскольку вся эта цепочка охвачена положительной обратной связью, то отключение нагрузки от аккумулятора происходит резко и с предсказуемым порогом, близким к напряжению отсечки Т2.

Для выхода из режима блокировки, нужно зарядить аккумулятор выше порога срабатывания защиты, после чего поставить его на штатное место либо замкнуть выключатель S1.

Напряжение отключения устанавливается подстроечным резистором R2.

Падение напряжения на электронном ключе (транзисторе T1) определяется сопротивлением канала выбранного типа прибора. К примеру, для приведённого транзистора IRLTS2242, сопротивление открытого канала (при токе 6,9 А и Uзи = 4,5 В) составляет 0,032 Ом, что обеспечивает падение напряжения на нём ~ 220 мВ. Такое падение напряжения будет иметь место лишь при максимальном токе нагрузки (6,9 А), при более же низких токах это значение будет кратно уменьшаться, т. е. при 690 мА составит всего лишь 22 мВ.

В случае КЗ или чрезмерно высокого тока в нагрузке, напряжение, выдаваемое аккумулятором, неминуемо снизится, что также приведёт к срабатыванию схемы защиты. Время срабатывания при КЗ – около 50 мсек.

Ток потребления устройства с заряженным аккумулятором составляет I(ма) = U_акк(В)/67(кОм).
При срабатывании защиты потребляемый ток практически равен нулю.

Внимание!!!
1. Допустимые напряжения сток-исток и затвор-исток применяемых MOSFET транзисторов должны превышать максимальное напряжение аккумуляторов.
И если с этим требованием, как правило, проблем не возникает, то к следующему пункту следует отнестись серьёзно.
2. Значение напряжения отсечки транзистора Т1 должно быть как минимум в 2,5 раза меньшим, чем напряжение разряженного аккумулятора, при котором происходит срабатывание защиты.
А поскольку транзисторов с низкими напряжениями отсечки не так уж и много, то мы поднатужились и выложили-таки список с такими полевиками на отдельной странице – MOSFET транзисторы с низкими напряжениями отсечки.