Eine ganz banale Unterspannungsabschaltung?

  • Hallo und Sers miteinander.
    Habe nun nach einigen Tagen zaghaften Herumstöberns mich doch in diesem netten, informativen Forum angemeldet.
    Etliche Fragen, die ich hatte sind schon im Vorfeld beantwortet (Danke dafür).


    Eine hätte ich zz. noch:
    Ich suche eine ganz banale Unterspannungsabschaltung. Kein Ladecontroller, keine Warnleuchten, keine Digitalanzeige, nur ganz banal cut-off wenn 2,7 V unterschritten werden.
    Ein beleuchtetes Modell wird mit einer 18650 Li-Io-Zelle versorgt. Wenn die Spannung zu niedrig wird, *schlupp* Strom aus.


    Einige Schaltungen die ich bislang gefunden habe, erscheinen mir als Semi-Laien noch zu aufwändig. Geht so was banales nicht mit ein paar Bauteilen weniger?
    Ich stelle mir da einen simplen Transistor oder Mosfet vor, der schlicht sperrt, wenn zuwenig Spannung am Gate / an der Basis anliegt.
    Nur fürchte ich - wenn ich die Funktionsweise soweit begriffen hab - dass ich keine schlagartige Abschaltung haben werde, sondern der Transistor den Strom lediglich allmählich drosselt. Dabei hätte ich bis zum Erreichen der 2,7V den Tranistor gerne voll durchgeschaltet (und anschließend natürlich voll gesperrt).


    Gibt es sowas einfaches?


    Und wenn es sowas für ein paar Euro fertig zu laufen gäbe, wäre auch das eine Lösung für mich. Über Google finde ich aber nur so mordsgroße Teile für Campingwagen etc.

  • Hi,


    also ich würde dafür eine Schmitt-Trigger Schaltung nehmen. Die kann man auch ganz einfach mit 2 Transistoren und wenigen Bauteilen (Widerstände) realisieren.


    Zur Erklärung des Schmitt-Triggers: Das ist ein sog. Schwellwertschalter der schlagartig schaltet, also nicht schleichend. Dabei ist der Transistor voll durchgeschaltet oder voll gesperrt, sollte also genau das sein was du willst.
    Die Schwellwertspannung, bei der geschaltet wird,kann man mittels entsprechenden Widerstandswerten in einem Spannungsteiler einstellen.


    Versuch mal ob du entsprechende Schaltungen im Netz findest, Stichwort: Schmitt-Trigger

  • Da war doch neulich erst sowas ähnliches... siehe hier...


    Zur Dimensionierung sind dort auch Hinweise, geht für 2,7 Volt auch - wie viel Strom braucht die Beleuchtung denn..? - je nachdem reicht der OP alleine schon (im Datenblatt schauen, was der an Strom ausgeben kann) oder halt noch ein Transistor dahinter zum Verstärken... also einfach Emitter an GND, LED(s) mit Vorwiderstand an den Kollektor, und die Basis an den Ausgang des OP, dazwischen noch ein Widerstand (1 - 10 kOhm)...


    Und da bei der verlinkten Schaltung die LED angeht, wenn die Spannung *unterschritten wird*, musst Du die Eingänge des OP tauschen (+ und -), dann leuchtet die LED immer wenn die Spannung über 2,7 Volt ist....


    was sind das eigentlich für LEDs...? weil bei weißen, blauen etc., wird's mit 2,7 Volt eh' schon eng....

    It's only light - but we like it!


    Da es sich in letzter Zeit häuft: Ich beantworte keine PNs mit Fragen, die sich auch im Forum beantworten lassen!
    Insbesondere solche von Mitgliedern mit 0 Beiträgen, die dann meist auch noch Sachen fragen, die bereits im entsprechenden Thread beantwortet wurden.
    Ich bin keine private Bastler-Hotline, technische Tipps etc. sollen möglichst vielen Lesern im Forum helfen!

  • Pesi : Werde ich mir ausführlichst anschauen und mich dann melden. Danke!


    @Superflux-Fan: An eine Schmitt-Trigger-Schaltung hatte ich auch gedacht. Aber habe ich die Schaltung mit meinem Elektronik-Spatzenhirn richtig verstanden?: Bei Unterschreiten der Schwelle wird von einem Stromkreis auf den anderen umgeschaltet. Das heißt, eine wirkliche Trennung des Akkus findet nicht statt, es fließt weiterhin Strom (wenn auch steuerbar über etwaige hochohmige Widerstände nur ein geringerer).


    Zur Frage, wieviel Strom durchfließt (mal eben überschlagen): Ganz grob 300-330mA bei 3,6V verteilt auf ca. 15 Leuchtdioden und einer Blinkschaltung (noch nicht ganz klar ob´s´n NE555 oder ein Multivibrator wird).


    Meine zweite Denke wäre die, eine 18650er Zelle mit integriertem Tiefentladeschutz zu nehmen.

  • Na das is ja im Endeffekt eine Komparatorschaltung.


    Hatte Anfangs auch die Idee den ST mit OPs zu realisieren --> Problem Der OP selbst benötigt eine Versorgungsspannung die weit über den 3,7V des Akkus liegen. Ich kenn nur den OP TLC2272, den ich verbaut habe und der benötigt eine min. Vcc von 8V-16V. Wäre also nix zu machen mit der obigen Schaltung, deshalb der Verweis auf die Transistoren.In dem Schaltbild fehlen die Versorgungsanschlüsse des OPs, verwendet man aber einen OP im Chip gibt es durchaus einen Vcc- und GND Pin an den der OP angeschlossen werden muß um die Funktion zu gewährleisten.


    Vom Prinzip her eigentlich die gleiche Funkt nur eben mit Transistoren und nicht so elegant mit OP.



    Ich bin davon Ausgegangen dass die Beleuchtung mit 3,7V betrieben wird und sonst keine Versorgungsspannung zur Verfügung steht.

  • Also ich hab mir die Site mal angesehn, da man da mit Logik arbeitet würde man mit stabilen 5V gut arbeiten können..


    ansonsten laut Datenblatt für den Fairchild IC : Supply Voltage (Versorgungs Spannung): 3-15V


    Dabei sind für 3 typ. Werte : 5, 10, 15 V Angaben im Datenblatt zu finden.

  • Nun, die Aufgabenstellung ist doch nicht so banal, wie sie im ersten Moment ausschaut.


    Versucht man das mit einem Schaltpunkt hinzukriegen, handelt man sich einen schönen
    Oszillator ein. Grund: Wenn die Abschaltung erfolgt und die Last weg ist, wird die Akkuspannung
    wieder etwas ansteigen, es erfolgt eine Wiedereinschaltung, die Spannung geht wieder runter,
    es wird wieder abgeschaltet ................ ;(;(;(


    Der Ansatz mit einer Hysterese (Schmitt-Trigger) ist daher genau richtig, ergo 2 Schaltpunkte.
    Ich würde dann den Abschaltpunkt auf 2,7V legen und der Wiedereinschaltpunkt auf etwa 3,3V,
    so dass erst nach Aufladen des Akku über diesen Punkt hinaus eine Wiedereinschaltung erfolgt.


    Ein CMOS-Baustein CD4093 eignet sich jedoch eher nicht, weil die Schaltpunkte festgelegt sind
    auf ca. 50% (ein) sowie 40% (aus) bezogen auf die Versorgungsspannung, wobei diese ja auch
    noch das IC versorgen soll. Zudem unterliegen diese Schaltpunkte der Fertigungsstreuung.


    Ein weiterer Knackpunkt ist, wie schon bemerkt, dass alle Komponenten bei 2,7V noch sauber
    arbeiten müssen und - last not least - nach der Abschaltung soll möglichst wenig Strom aus dem
    Akku entnommen werden.


    Lange Rede kurzer Sinn - hier mein Schaltungsentwurf:
    [Blockierte Grafik: http://www.novatime-systeme.de/images/CUT-OFF.GIF]
    keine Angst, sieht wilder aus als es ist und die Bauteilekosten liegen so im 3€ Bereich.


    Als Referenzspannung habe ich diesmal 1,235V gewählt, weil 2,5V zu dicht an 2,7V liegen
    würde und der Vorwiderstand zu niederohmig ausfallen würde.


    Der TS912 OpAmp ist ein CMOS-Typ und ist ab 2,7V spezifiziert, ist extrem sparsam und
    - wichtig - ist ein RailtoRail Typ, wird also am Ausgang die volle Versorgungsspannung
    durchschalten. Wichtig für die Ansteuerung des MOSFET!!


    Der MOSFET (erhältlich bei kessler-electronic.de) ist für 2,5V Gatespannung spezifiziert
    und schaltet schön niederohmig durch ( 20 mOhm bei 2,5V). Und - die Ansteuerung erfolgt
    hierbei stromlos, während ein normaler Transistor doch gerne einige mA konsumiert.


    Das Schmitt-Trigger Verhalten wird nun durch den 240k als Mitkopplung realisiert.
    Ohne diesen würde nämlich die Schaltschwelle am + Eingang auf 3V reagieren.
    Durch die Mitkopplung wird diese Schaltschwelle einmal auf 2,7V runtergezogen
    und zum zweiten auf 3,2-3,3V erhöht.


    Den 100µ Kondensator habe ich mal eingefügt, damit bei Stromschwankungsspitzen
    durch die Last ( Blinkschaltung, Taktgeber etc) keine frühzeitige Abschaltung erfolgt.


    So, nach der Abschaltung wird zwar noch etwas Strom dem Akku entnommen, dürfte
    aber unter 1mA liegen. Ich tippe mal auf etwa 800µA. Getestet habe ich die Schaltung
    nicht; müsste aber soweit in Ordnung sein.


    mfg
    Bernd

  • Hey Bernd,


    das is ja genial. Ich wusste gar nict dass es solche OPs gibt, zugegeben ich hab auch noch nicht wirklich gesucht.


    Du hast mir gerade ne Menge neuer Schaltungsmöglichkeiten eröffnet :)


    Die Schaltung sollte genau den Zweck erfüllen, is ja im Endeffekt au nichts anderes als ein Schmitt-Trigger. Und mit nem OP sehr effizient.


    Korrigeire mich wenn ich falsch liege - für andere Zwecke: Wenn an Stelle des 47k Widerstandes ein Poti verwendet wird, z.B. 50 K könnte man die Einschaltspannung sogar einstellen?

  • Ja, das ist richtig.


    Denn das Verhältnis von 47k zu 33k bestimmt den mittleren Schaltpunkt (hier 3V)
    und der 240k spreizt diesen auf -0,3V bzw. +0,3V = Hysterese. Je niederohmiger
    der 240k ist, desto größer wird die Spreizung.


    Ist natürlich alles voneinander abhängig; du wirst also sowohl den oberen als auch
    den unteren Schaltpunkt mit verändern


    mfg
    Bernd

  • Kennst du denn einen Transistor der so eine Funktion bietet?


    Ich find die Schaltung exakt für den Zweck genau die Richtige, ich würde sogar sagen es ist die perfekte Schaltung für sein Problem?


    Sie schaltet bei der eingestellten Spannung ab und verbraucht µA, das ist so gut wie nichts, im abgeschalteten Zustand.. also ich weiß nicht...besser geht kaum.

  • Hallo BerndK,


    Mensch das ist ja spitze! Vielen Dank für das gedankliche Auskonstruieren einer kompletten Schaltung!


    Das ist ja absolut treffend, was ich haben wollte, und zusätzlich hast du dir noch Gedanken gemacht, an die ich gar nicht gedacht hatte.


    Das finde ich ja Klasse, zumal das mein erster Post in diesem Forum ist. Kenn ich so gar nicht. In anderen Foren werden Neulinge, die mit "Ich hätte gern XYZ (am liebsten fix und fertig vor den Arsch serviert, ohne dass ich selber nachdenken muss)..." erst einmal angefremdelt (könnt ja ein Einfragesteller sein und sich nie wieder und ohne Dankeschön melden).


    Hm, ich hoffe, ich kann von dieser Hilfsbereitschaft was zurückgeben (obwohl ich das bezweifle).


    Hm...


    Einen netten Avatar hast du ja schon. Aber wenn du da vielleicht noch Änderungswünsche hast, meld dich doch mal. Da entwerfe ich dir dann gerne was (siehe http://www.blankes-blech.de).


    Und auch Danke an alle anderen, die sich hier Gedanken zu meiner Problemstellung gemacht haben.

  • Argh, ich sehe gerade, dass ich wohl die Polarität
    am Ausgang des OpAmp falsch eingeschätzt hab;
    in der obigen Schaltung würde der MOSFET bei
    Unterspannung einschalten statt ausschalten.


    Also mal den Ausgang mit dem 2. OpAmp im TS912
    fix invertieren, dann sollte es stimmen:
    [Blockierte Grafik: http://www.novatime-systeme.de/images/CUT-OFF2.GIF]


    Oder man setzt einen N-Kanal MOSFET ein, dann geht's wie geplant,
    dann wird eben der GND durchgeschaltet:
    [Blockierte Grafik: http://www.novatime-systeme.de/images/CUT-OFF3.GIF]


    Nun zur Dimensionierung für andere Schaltspannungen, z.B. 5,4V


    Hierbei ist zu beachten, dass wir ja 2 Schaltpunkte haben;
    einmal den Abschaltpunkt (5,4V) und den Wiedereinschaltpunkt,
    den ich mal wegen fehlender Angaben mal ca. 1V höher annehme.


    Der Mittelwert zwischen 5,4V und 6,4V ist somit 5,9V und mit dieser
    mittleren Spannung 'Um' wird der Spannungsteiler R1 R2 berechnet:


    R2 = R1 * ( Um / 1,235V - 1 )


    wählt man R1 als gegeben mit 18K erhält man für R2 68K


    Für den echten Abschaltpunkt spielt ja nun R3 mit rein,
    der sich elektrisch parallel zu R2 legt, solange der Ausgang
    des OpAmp high ist. Die echte untere Schaltspannung Us
    lässt sich nun mit folgender Formel errechnen:


    Us = 1,235V ( R2||R3 / R1 + 1 ) <- soll heissen R2 parallel R3


    Wenn man nun für R3 560k einsetzt, ergibt sich die gewünschte
    Schaltspannung Us mit 5,4V und die Wiedereinschaltspannung Uw
    ergibt sich mit 6V nach der Formel


    Uw = 1,235V ( R2 / R1||R3 + 1 )


    Man sieht, aus den geplanten 6,4V ist nun 6V geworden, müsste
    man ggf. nochmal neu durchrechnen.


    Hm, wäre wohl einfacher, die Formeln nach R3 aufzulösen. Aber
    da meine Vorlesung Mathe rd. 30 Jahre zurückliegt, hat sich da
    ein wenig Rost angesetzt. Vielleicht bekommt das ja jemand hin.


    Nunja, am einfachsten ist die Berechnung des Vorwiderstand
    zum LM385-Z1,2 mit R(kOhm) = (Us - 1,235V) / 0,1mA => 39k


    Vielleicht könnte ja noch ein Pro einen Blick auf die Schaltungen
    werfen, ob da nich doch noch eine Klinke drinsteckt.


    mfg
    Bernd

  • Zu beachten wäre nur noch, dass der Anwendungsbereich dieser Schaltung durch die Grenzwerte der eingesetzten Bauteile in der Betriebsspannung nach oben hin beschränkt ist.
    Im speziellen Fall hat der IRF7401 eine max. Gate-Source-Spannung von 12 Volt, die nicht überschritten werden darf.
    Beim TS912 sind es max. 18 Volt.


    Andererseits muss der MOSFET ja in dieser Schaltung auch bereits bei einer sehr geringen Gate-Source-Spannung schon einen geringen Kanalwiderstand aufweisen, von daher ist dieser Typ sehr gut geeignet.


    Hab' mir nur die letzte Schaltung näher angeschaut, die sollte in der angegebenen Beschaltung sehr gut funktionieren.

  • ... in welchem Spannungsbereich das 4093 wie angedacht arbeiten würde ...

    Ergänzend noch: Der 4093 ist als Schmitt-Trigger eine sehr einfache und billige Lösung.
    Ist aber leider nicht zur Überwachung der (eigenen) Betriebsspannung einsetzbar, da seine Schaltschwelle in etwa bei der halben Betriebsspannung liegt. Verändert sich diese Betriebsspannung, so verschiebt sich die Schaltschwelle in gleicher Richtung.

  • Doch, das vertragen die schon; die sind jeweils mit 10A und 13A (max) angegeben.


    Wenn die Abschaltspannung >= 5V liegt, eignet sich jeder LL-Typ und >=10V
    kann man jeden MOSFET nehmen, sofern der Rdson schön klein ist, also besser
    mit 0,0.. irgendwas Ohm anfangend.


    z.B. der IRL3803 (N-Kanal) im TO220 Gehäuse , der verträgt dann bis 140A :D


    mfg
    Bernd


    Edit: Aufpassen muss man auf die zulässige "Gate-to-Source Voltage Vgs"
    im Datenblatt des MOSFET, dass die bei vollem Akku auf keinen Fall erreicht
    oder überschritten wird, wie schon Lötmeister gesagt hat.