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Batteriespannungsüberwachung

Status: Proposal
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May 28, 2014
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Bei batteriebetriebenen elektronischen Geräten ist es oft angebracht, den Entladezustand der Spannungsquelle zu überwachen, so dass rechtzeitig ein Batteriewechsel erfolgen kann. Besonders bei Akkus ist es empfehlenswert, da bei zu tiefer Entladung die Zellen bleibenden Schaden nehmen können. Dabei ist eine ständige Messung der Klemmenspannung nicht erforderlich und wäre auch unverhältnismäßig aufwendig. Es reicht aus, wenn das Unterschreiten eines vorgegebenen Wertes der Klemmenspannung angezeigt wird.

Folgende Anforderungen sind an eine solche Überwachung zu stellen:

1. Der Stromverbrauch soll so gering wie möglich sein (gilt für batteriebetriebene Geräte generell).

2. Die Abmessungen des Moduls sollen klein sein, damit es auch nachträglich in vorhandene Geräte integriert werden kann.

3. Eine evtl. bereits vorhandene LED zur Betriebsspannungsanzeige soll auch für die Spannungsüberwachung verwendet werden, um konstruktive Änderungen des Gerätes weitgehend zu vermeiden. Der Austausch einer normalen LED gegen eine Dual-LED gleicher Bauform ist denkbar.

Die genannten Anforderungen werden wie folgt realisiert:

1. Zur Minimierung des Stromverbrauches soll die LED blinken (auch bei der normalen Betriebsspannungsanzeige). Ein Tastverhältnis von 0,01 ist dabei ausreichend (z. B. 10 ms „ein“ und 990 ms „aus“).

2. Die Schaltung wird in SMD-Technik aufgebaut.

3. Es wird eine Dual-LED mit zwei Anschlüssen (rote LED und grüne LED antiparallel geschaltet) verwendet.

Wie diese Anforderungen im Mustergerät umgesetzt wurden, zeigt der Stromlaufplan.

Den Kern der Schaltung bildet der mit dem Operationsverstärker N1A realisierte Komparator. Hier wird die mit dem Spannungsteiler R1/R8/R10 herabgeteilte Batteriespannung mit einer stabilen Referenzspannung von 2,5 V verglichen. Diese wird von der Referenzdiode LM385-2.5 erzeugt. Prinzipiell könnte auch eine Z-Diode verwendet werden, die Referenzdiode hat aber zwei entscheidende Vorteile. Die Temperaturabhängigkeit der Referenzspannung ist bei der Referenzdiode weitaus geringer als bei einer Z-Diode. Weiterhin benötigt die LM385-2.5 einen geringeren Arbeitsstrom (min. 20 µA gegenüber ca. 1 mA bei der Z-Diode).

Die Funktion der Überwachungsschaltung ist anhand des Stromlaufplanes leicht zu erkennen: Am negativen Eingang des Komparators (N1:6) liegt die Referenzspannung. Diese bleibt auch bei sinkender Batteriespannung stabil. An den positiven Eingang des Komparators (N1:5) gelangt die Spannung vom Spannungsteiler, die von der Batteriespannung abgeleitet wird.

Solange die Batterie noch „frisch“ ist, ist die Spannung am Spannungsteiler größer als 2,5 V. Der Ausgang des Komparators hat somit High-Pegel. Sinkt nun die Batteriespannung, so sinkt auch die Spannung am positiven Eingang des Komparators. Sobald diese den Wert der Referenzspannung unterschreitet, kippt der Ausgang des Komparators von High- auf Low-Pegel.

Durch eine positive Gegenkopplung (Mitkopplung) des Operationsverstärkers N1A mittels R6 entsteht eine Schalthysterese, d. h. die Umschaltspannung liegt bei sinkender Eingangsspannung etwas tiefer als bei steigender. Der Ausgang kann damit nicht mehr in den linearen Bereich gelangen, was bei sehr langsamer Änderung der Eingangsspannung zu Unstabilitäten führen könnte.

Mit dem Einstellregler R8 kann genau justiert werden, bei welcher Batteriespannung die Umschaltung erfolgt. Die vorliegende Schaltung ist für eine Batterie aus vier Zellen dimensioniert. Je nachdem, ob Akkus oder Primärzellen verwendet werden, beträgt die Batteriespannung anfangs 4,8 bzw. 6,0 V. Die Schaltschwelle wird nun so eingestellt, dass die Umschaltung bei 4,0 V erfolgt. Dann ist jede Zelle auf 1,0 V entladen. Eine Primärzelle kann dann meist als „verbraucht“ betrachtet werden. Bei Akku-Zellen wird es Zeit, dass sie wieder geladen wird (Bei NiCd- und NiMH-Zellen wird häufig 0,9 V als Entlade-Schlussspannung angegeben). Für die Überwachung höherer Betriebsspannungen (möglich bis ca. 15 V) ist lediglich der Spannungsteiler R1/R8/R10 und die max. Spannung für C2 anzupassen.

Der OpAmp N1B ist als Impulsgenerator geschaltet und erzeugt einen Rechteckimpuls mit dem erforderlichen Tastverhältnis.

Die restlichen OpAmp’s N1C und N1D steuern die Dual-LED. Es ergeben sich folgende Pegelverhältnisse:

1. Betriebsspannung normal

Der Ausgang des Komparators N1A ist high, ebenso der Pegel an N1:12. VT1 ist durchgesteuert, und der Pegel an N1:10 beträgt ca. 1/3 der Betriebsspannung. An N1:9 und N1:13 liegt der Rechteckimpuls. Während der Impulspause sind diese Eingänge auf Low-Pegel. Damit wird sowohl N1:8 als auch N1:14 = high und es leuchtet keine LED. Während der Impulsdauer sind N1:9 und N1:13 auf High-Pegel. Jetzt wird N1:8 = low. Da der Pegel an N1:12 auf Grund des Pull-up-Widerstandes R4 etwas höher ist, als der Pegel an N1:13 (Ausgang von N1B ohne Pull-up), wird N1:14 = high. Die grüne LED leuchtet.

2. Betriebsspannung unter dem Grenzwert

Der Ausgang des Komparators N1A ist low, der Pegel an N1:12 beträgt ca. 1/3 der Betriebsspannung VT1 ist gesperrt, und der Pegel an N1:10 = high. An N1:9 und N1:13 liegt wiederum der Rechteckimpuls. Während der Impulspause sind diese Eingänge auf Low-Pegel. Damit wird sowohl N1:8 als auch N1:14 = high und es leuchtet keine LED. Während der Impulsdauer sind N1:9 und N1:13 auf High-Pegel. Jetzt wird N1:14 = low. Da der Pegel an N1:10 auf Grund des Pull-up-Widerstandes R3 etwas höher ist, als der Pegel an N1:9 (entspricht Ausgang von N1B ohne Pull-up), wird N1:8 = high. Die rote LED leuchtet.

Die gesamte Schaltung (ohne Dual-LED) passt auf eine einseitige Leiterplatte mit den Abmessungen 29 mm x 17 mm, ausgeführt in SMD-Technik (siehe „Layout“ und „Bestückung“).

Hinweise zu den verwendeten Komponenten:

R und C: Größe 0603

N1: LM324M (Package SO-14, National Semiconductor)

VD1: LM385M-2.5 (Package SOT-23, National Semiconductor)

VD2, 3: BAS16 (Package SOT-23, Vishay)

C2: Tantal-Elko 100µF/10V Größe D

C3: Tantal-Elko 10µF/25V Größe C

 

Nachtrag vom 17.08.2014

Für den OpAmp wurde der Typ LM324 gewählt, da er zufällig vorhanden war. Es gibt jedoch (weitgehend) kompatible Typen, die weniger Strom verbrauchen. Ich habe inzwischen den LM324 durch den LPV324M von Texas Instruments ersetzt. Der Stromverbrauch ist nun deutlich geringer.

Messwerte des Mustergerätes:

            0,7 mA @ 5,0 V

            0,3 mA @ 4,0 V

(siehe auch Stromlaufplan Rev. 01)

Damit wird die oben aufgestellte Forderung nach minimalen Stromverbrauch des Moduls noch besser erfüllt.

 

 

 

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