Многофункциональное УЗАБ.

Автор: nHz
Опубликовано 05.06.2015
Создано при помощи КотоРед.

При питании различных самодельных устройств от аккумуляторной батареи постоянно возникает задача не дать аккумулятору разрядиться ниже какого-то предела.
Для 12 вольтовых свинцовых аккумуляторов этот предел равен примерно 10.8 вольта. Дальнейший разряд сильно вредит АКБ, поэтому необходимо отключать нагрузку при достижении этого рубежа.

К тому же, если нагрузка потребляет солидный ток , то для управления потребуется мощное реле или выключатель. Контакты механических размыкателей со временем портятся от большого тока, поэтому логичным решением было бы применить для управления питанием транзистор. Полевой транзистор с малым сопротивлением канала - лучший выбор в этом случае. Для управления же самим транзистором удобно было бы применить тактовую кнопку. Такая кнопка не имеет фиксации, следовательно для удержания состояния потребуется триггерная схема.

Если нагрузка будет потреблять слишком большой ток или закоротится, то транзистор может выйти из строя. На такой случай пригодится защита от КЗ и сверхтока.

Не найдя готового решения всех этих задач накидал следующую схему.

Схема.

Питание на нагрузку от батареи поступает через полевой транзистор VT3. А он, в свою очередь, управляется триггерной ячейкой на D1VT1. Если транзистор VT1 открыт - открыт и VT3, так как через R8 подается отпирающее его напряжение. Стабилитрон VD3 нужен для защиты затвора, если напряжение батареи более 20 вольт. С коллектора открытого VT1 напряжение поступает еще и через делитель R4R5 на вход TL431. Если напряжение на этом делителе будет >2,5 вольт, то катод D1 подтягивается к земле, удерживая VT1 в открытом состоянии. Изменить состояние триггерной ячейки можно ненадолго закоротив вход TL431 на землю(подав нулевой потенциал). В этот момент она перестанет пропускать через себя ток, открывающий VT1. Транзистор закроется и на вход D1 перестанет поступать напряжения с делителя. Схема перейдет в состояние, при котором VT3 будет закрыт. Вернуть схему в исходное состояние можно, если на вход TL431 подать напряжение больше 2,5 вольт. 

 Импульсы переключающего напряжения подаются через тактовую кнопку с конденсатора C1 на вход D1. Будут это импульсы высокого уровня, включающие схему, или низкого, выключающие ее, зависит от состояния  конденсатора. Напряжение на конденсаторе равно напряжению на стоке полевого транзистора, но устанавливается с некоторой задежкой, так как C1 подключен к стоку через R10. Если транзистор открыт - на конденсаторе примерно 0 вольт, если закрыт - напряжение батареи. Легко видеть, что при нажатии кнопки состояние триггерной ячейки инвертируется и остается таким, сколько бы мы не удерживали кнопку. Сопротивление R10 выбирается настолько большим, чтобы не влиять на делитель R4R5, когда кнопка нажата. При отпускании кнопки конденсатор придет в нужное состояние, чтобы при повторном нажатии снова изменить состояние схемы. Можно немного изменить схему, если потребуется осуществлять включение-выключение не одной, а двумя отдельными кнопками.  Общей точкой соединения  этих кнопок будет правый вывод R3, а вторым выводом кнопка выключения подключится на минус батареи, а кнопка включения, через резистор 5-10кОм на + батареи. Конденсатор C1 и R10 при таком подключении не нужны.

Делитель R4R5 подбирается так, чтобы при критическом напряжении на батарее на вход TL431 поступало 2,5 вольта. Если напряжение упадет еще чуть чуть, то произойдет переключение триггера и выключение нагрузки. Нажатие на кнопку хоть и будет приводить к краткому включению, но удержания в этом состоянии происходить не будет. Так реализуется защита от переразряда батареи. На схеме приведены номиналы R4 и R5 для 24 вольтовой свинцовой батареи.

Защита от КЗ в нагрузке собрана на VT2. Датчиком тока служит сам полевой транзистор, переход которого обладает хоть малым, но определенным сопротивлением открытого канала(берется из даташита). Падение напряжения на этом сопротивлении откроет транзистор VT2 при достижении приблизительно 0,6 вольт на истоке VT3. Открытие VT2 уменьшит падение напряжения на R5 и принудительно переведет схему в выключенное состояние. Ток сработки защиты расчитывается по закону ома и может оказаться слишком большим. Для его уменьшения в базу VT2 можно добавить немного положительного смещения резистором R6. Чтобы R6 имел разумный номинал параллельно R9 подключается диод. Падение напряжение на диоде примерно равно падению напряжения на переходе б-э, поэтому такое подключение уменьшает напряжение на стоке VT3, при котором откроется транзистор VT2. Однако, сильно смещением увлекаться не стоит, так как транзистор - существо термозависимое, поэтому предел срабатывания по току будет плавать и может случайно снизиться до 0. Лучше его отодвинуть подальше.

Последней защитой, которую при желании можно обеспечить, будет защита от превыщения входного напряжения с батареи. Такая ситуация может возникнуть, например, при неисправном зарядном устройстве или подключении не той батареи. Стабилитрон VD1 и резистор R7 начинают пропускать через себя ток, если напряжение на батарее > Uстабилизации стабилитрона+0.6 вольта. Этот ток открывает VT2, который выключает схему точно так, как делает это при превышении тока.

Если полевой транзистор будет рассеивать более 1Вт тепла, то его лучше установить на радиатор. Для транзистора, указанного в схеме радиатор не потребуется при токе до 10А.

Данную схему можно применять с аккумуляторами от 12 до 30 вольт. Максимальное напряжение, подаваемое на схему, не должно превышать 36 вольт. Для конкретного аккумулятора потребуется подобрать пределы срабатывания защит резисторами R4,R5 и номиналом стабилитрона VD1. Если использовать полевой транзистор с низким напряжением затвора, то, вероятно, можно снизить рабочий диапазон до 2.5 вольт - минимальное напряжение на входе TL431. Но я это не проверял, так как такого низковольтного полевика у меня не нашлось.

Устройство можно применить в составе любого изделия, питающегося от батарей( фонарик, инвертор, преобразователь напряжения для усилителя). Но данная схема может защищать не только батареи. Поставив ее на выход нестабилизированного блока питания, можно обеспечить как защиту от КЗ, так и от большого или малого напряжения, поступающего в нагрузку. Это не стабилизатор, конечно, но иногда требуется просто обеспечить потребителя напряжением в некотором диапазоне.   

Желаю всем удачи в повторении и улучшении данной конструкции!!!

Файлы:
Изображение

Все вопросы в Форум.