Схема защиты от глубокого разряда (Low-Voltage Cutoff): проектирование, работа и DIY-сборка

Что такое защита от низкого напряжения (LVC)?

Вздувшиеся перезаряжаемые батареи из-за перезаряда

Источник: Wikiwand

Правильный уход за перезаряжаемыми батареями (NiCd, свинцово-кислотные, Li-ion) продлевает их жизнь до 2+ лет. Главное — избегать полного разряда. Устройство Low-Voltage Cutoff (LVC) автоматически отключает нагрузку от батареи при достижении порогового напряжения, измеряя его самостоятельно.

Теория LVC

Цифровая схема

Сердце схемы — MOSFET-транзистор, работающий как ключ в плюсовом проводе нагрузки. Это позволяет иметь общую землю для батареи и нагрузки — удобно для широкого круга применений (в т.ч. переменного тока).

Транзисторы

Для высоковольтного ключения можно использовать напряжение затвору выше питания схемы — например, через умножитель напряжения (Op-Amp, генерирующий ~5 кГц меандр, конденсаторно-диодная лестница). Это дает напряжение затвора в 3 раза выше амплитуды меандра.

Символ MOSFET

При срабатывании защиты один из резисторов разряжает заряд затвора — MOSFET открывается.

Три компаратора схемы LVC

Компаратор построен на:

• Стабилизаторе 5 В
• Подстроечном резисторе (подстроечника)
• Два операционных усилителя (dual op-amp)

Схема монитора напряжения батареи

Источник: Flickr

Подстроечник как делитель напряжения задает порог отключения, защищая батарею. Операционный усилитель выдает высокий уровень, когда напряжение батареи выше порога — предотвращает перезаряд. Положительный выход создает смещение через делитель, запуская осциллятор умножителя напряжения при минимальном токе.

Этап работы

Когда напряжение батареи падает ниже порога, выход ОУ падает до нуля → осциллятор, умножитель и MOSFET отключаются. Резистор добавляет гистерезис, предотвращающий дрожание у порога. Диод отключает питание схемы при открытии MOSFET. При включении конденсатор ведет себя как КЗ, тянув линию Vcc ОУ к напряжению батареи — схема запускается до открытия MOSFET, затем рабочий ток идет через MOSFET и диод.

Что происходит при отключении выключателем?

Компаратор принудительно замыкает пин 3 на землю → MOSFET открывается. Подстроечник к Vcc — резистор предотвращает КЗ. Конденсатор разряжается через токоограничивающий резистор и вторую половину кнопки, готовя схему к следующему включению. Диод защищает MOSFET от импульсов индуктивной нагрузки/двигателя.

Если ток нагрузки > пары ампер — используйте термопасту и радиатор на MOSFET. Можно заменить DPDT выключатель на тактовые кнопки: «Выкл» между землей и входом ОУ, «Вкл» между катодом D6 и стоком Q1. При кнопках C11 и R8 не нужны.

Как собрать схему LVC

Схема низковольтного отсека

Источник: Research gate © Ravi Ramachandran

Компоненты:

• Резисторы (все 1/4 Вт)
• Транзистор
• Диод 1N750
• Реле
• Батарея 12 В
• Подстроечник
• Толстые провода
• Печатная плата
• LM324
• Белые светодиоды
• Керамический дисковый конденсатор
• Входные/выходные разъемы

Шаги сборки

1. По схеме выполните точечный монтаж на плате.
2. Используйте тонкий провод с тефлоновой изоляцией (не плавится).
3. Толстые провода для силовых цепей.
4. Установите разъемы. Схема работает как выключатель: при падении напряжения ниже порога — отключает нагрузку.
5. При зарядке батареи выключите и включите схему заново.

Важные нюансы настройки

1. Нагрузку (лампу) к выходу, питание — к входу батареи.
2. Подстроечник в середину, переменное питание 13 В.
3. Если лампа не загорается — поворачивайте подстроечник к земле, выкл/вкл питание, повторяйте до срабатывания.

Применение

• Ландшафтное освещение
• Термостаты
• Домофоны/звонки
• Охранное освещение дома

Заключение

NiCd и свинцовые батареи служат долго при работе в допустимых пределах разряда/заряда. LVC предотвращает глубокий разряд, контроллер заряда — перезаряд. Вместе они держат батарею в безопасной зоне. Пользовались LVC? Нужна помощь с выбором? Пишите.