バッテリーの過充電保護。バッテリーの深放電に対する保護。適切な電界効果トランジスタの選び方

バッテリーにとって最も苦手とすることが 2 つあります。それは過充電と過放電です。そして、最初の問題が現代の技術でうまく解決できれば、充電器(最も単純な整流器を除く)、臨界レベルを下回る放電では事態はさらに悪化します。バッテリー駆動のデバイスが過放電に対する保護を提供することはほとんどありません。偶発的な放電を排除することはできません - 単にデバイスの電源を切るのを忘れて、放電、放電... この問題を解決するには、次のことが提案されています。自己集合シンプルな低電圧サーキットブレーカーモジュール。この回路は非常に単純で、任意のリチウムまたは鉛蓄電池に適用できます。もちろん、シャットダウン閾値はバッテリーに応じて調整できます。

バッテリー保護ユニットの図

これはどのように作動しますか。リセットボタンを押すと、N チャネル MOSFET パワートランジスタのゲートに正の電圧が印加されます。

ツェナーダイオード U1 の出力電圧が、R4、R5、R6 で構成される分圧器によって決定される 2.5 ボルトより高い場合、U1 のカソードはそのアノードに接続され、エミッタ R2 に対して負になります。ベース電流を安全な値に制限し、U1 を動作させるのに十分な電流を供給します。また、リセットボタンを放しても、トランジスタ Q1 は回路を開いたままにします。

U1 の電圧が 2.5 ボルトを下回ると、ツェナーダイオードがオフになり、R1 のエミッタの正の電圧が引き上げられ、R1 がオフになります。抵抗R8もオフになります電界効果トランジスタ、負荷の軽減につながります。また、リセットボタンを押すまでロードオンは再開されません。

ほとんどの小型 FET のゲート - ソース間電圧の定格はわずか +/- 20 ボルトです。つまり、ブロック回路は 12 ボルト以下のデバイスに適しています。より高い動作電圧が必要な場合は、追加の回路要素が必要になります。現場作業員の安全な作業を維持するために追加されました。このような回路の使用例: 単純な充電コントローラーソーラーパネル写真に示されています。

9 ボルトより低い電圧 (または 15 ボルトより高い) が必要な場合は、抵抗 R4 と R6 の値を再計算して調整範囲を変更する必要があります。

定格が 30 ボルト以上のほぼすべてのシリコン PNP トランジスタと、定格電圧が少なくとも 30 ボルトで、スイッチングする電流の 3 倍を超える N チャネル MOSFET を回路に入れることができます。オームの数分の一の貫通抵抗。プロトタイプには、15 アンペア、50 ボルトの F15N05 が使用されました。大電流には、トランジスタ IRFZ44 (最大 50 A) および PSMN2R7-30PL (最大 100 A) が適しています。必要に応じて、同様の電界効果トランジスタを複数並列接続することもできます。

このデバイスは、LED と U1 の電流消費により、デバイス自体が数ミリアンペアを消費するため、長時間バッテリーに接続したままにしないでください。オフの場合、消費電流は無視できます。

バッテリーが深放電すると耐用年数が大幅に短縮されることは誰もが知っています。このバッテリー動作モードを除外するには、次を使用します。さまざまなスキーム– 放電リミッター。マイクロ回路と強力な電界効果スイッチングトランジスタの出現により、そのような回路の寸法は小さくなり、より経済的になりました。

すでに古典的なリミッター回路は図 1 に示されており、多くのアマチュア無線回路で見られます。このデバイスは、の一部として動作することを目的としています。無停電電源装置家庭用保育器に餌を与えています。この回路の電界効果トランジスタ VT1 - IRF4905 はスイッチの機能を実行し、KR142EN19 マイクロ回路は電圧コンパレータです。

接点K1が閉じると、これらは220Vの主電源電圧がないときにバッテリーを接続するリレー接点であり、回路にはバッテリーGB1から電圧が供給されますが、トランジスタスイッチ自体は開くことができないため、トランジスタスイッチを起動するために2つ導入されます追加要素– C1 と R2。したがって、入力に電圧が現れると、コンデンサ C1 が充電を開始します。充電の最初の瞬間に、トランジスタのゲートはこのコンデンサによって回路の共通線に分流されます。トランジスタが開き、バッテリの電圧がコンパレータに設定されたしきい値を超えている場合、トランジスタはさらに開いたままになりますが、電圧が低い場合は、トランジスタはすぐに閉じます。バッテリを負荷から切断するためのしきい値は、抵抗 R3 によって設定されます。コンパレータは次のように動作します。バッテリーが放電すると、DA1 KR142EN19 マイクロ回路のピン 1 の電圧が減少し、このチップの基準電圧 -2.5V に近づくとすぐに、ピン 3 の電圧が増加し始めます。これは減少に相当します。トランジスタVT1のソース-ゲート部分の電圧。トランジスタが閉じ始め、DA1 のピン 1 の電圧がさらに大きく低下します。 VT1 を閉じる雪崩のようなプロセスが発生します。その結果、負荷はバッテリーから切り離されます。このトランジスタによってスイッチングされる負荷電流は、次の条件を満たす場合には数倍に増加する可能性があります。熱体制トランジスタ。ラジエーターに取り付けるという意味ですが、結晶温度が 100°C になると最大ドレイン電流が 52A に減少することを忘れないでください。リファレンスブックには、温度 25°C でのトランジスタのドレイン電力 200W が記載されています。

抵抗 R1 は、マイクロ回路に必要な電流を生成するために必要です。この電流は少なくとも 1 ミリアンペアでなければなりません。コンデンサ C1 と C3 はブロックされています。 R4は負荷抵抗です。ダイオードを負荷、できればショットキーバリアと直列に接続すると、この回路に作業の移行のインジケーターを入力できます。バッテリー– LED HL1。バッテリーのエネルギーを節約するには、非常に明るい LED をインジケーターとして使用し、希望の明るさに応じて抵抗 R の値を選択することをお勧めします。

描画プリント基板バッテリー放電リミッターはここからダウンロードできます。

バッテリーを保護する必要がありました深い放電。そして、保護回路の主な要件は、バッテリーが放電した後、負荷をオフにし、無負荷でバッテリーの端子にわずかな電圧が蓄積された後は、自力で負荷をオンにすることができないことです。

この回路は、単一のパルス発生器として接続された 555 番目のタイマーに基づいており、最小しきい値電圧に達した後、トランジスタ VT1 のゲートを閉じて負荷をオフにします。回路は、電源を切断して再接続した後にのみ負荷をオンにすることができます。

料金（ミラーリング不要）：

SMD ボード (ミラーリングが必要):

SMD 抵抗はすべて 0805 です。MOSFET パッケージは D2PAK ですが、DPAK も可能です。

組み立てるときは、チップの下（DIPコンポーネントを備えたボード）にジャンパーがあることに注意する必要があり、重要なことはそれを忘れないことです。

回路は次のように構成されています。抵抗 R5 は回路に従って最高の位置に設定され、負荷をオフにする必要がある電圧が設定された電源に接続します。 Wikipedia を信じるなら、完全に放電した 12 ボルトのバッテリーの電圧は 10.5 ボルトに相当し、これが負荷切断電圧になります。次にR5レギュレータをロードオフになるまで回転させます。 IRFZ44 トランジスタの代わりに、ほぼすべての強力な低電圧 MOSFET を使用できます。考慮する必要があるのは、最大負荷電流の 2 倍の電流に合わせて設計する必要があることと、ゲート電圧が電源範囲内である必要があることだけです。電圧。

必要に応じて、トリミング抵抗を公称値 240 kOhm の定数抵抗に置き換えることができます。この場合、抵抗 R4 は 680 kOhm に置き換える必要があります。 TL431 のしきい値が 2.5 ボルトであると仮定します。

ボードの消費電流は約 6 ～ 7 mA です。

リチウムイオン電池 (Li-ion) の保護。ご存じの方も多いと思いますが、例えばバッテリーの中には携帯電話また、バッテリー (セル、バンクなど) が 4.2 V 以上の電圧で過充電されたり、2 ～ 3 V 以下で放電されたりしないようにする保護回路 (保護コントローラー) もあります。この回路は、短絡時にジャー自体を消費者からオフにすることで短絡を防ぎます。バッテリが耐用年数に達したら、保護コントローラボードをバッテリから取り外し、バッテリ自体を廃棄できます。保護ボードは、別のバッテリーを修理したり、缶 (保護回路を持たない) を保護したりするのに役立ちます。また、単にボードを電源に接続して実験することもできます。

使えなくなったバッテリーの保護板がたくさんありました。しかし、インターネットで超小型回路のマークを検索しても、その超小型回路が機密扱いであるかのように、何も見つかりませんでした。インターネット上には、保護基板に含まれる電界効果トランジスタのアセンブリに関する文書のみがありました。一般的なリチウムイオン電池の保護回路の設計を見てみましょう。以下は、VC87 と指定されたコントローラーチップとトランジスタアセンブリ 8814 上に組み立てられた保護コントローラーボードです ():

写真では、1 - 保護コントローラー（回路全体の中心）、2 - 2 つの電界効果トランジスタのアセンブリ（以下に説明します）、3 - 保護動作電流を設定する抵抗（たとえば、短絡）、4 - 電源コンデンサ、5 - 抵抗（コントローラーチップに電力を供給するため）、6 - サーミスター（一部のボードでバッテリー温度を制御するために見られます）。

これはコントローラーの別のバージョンです (このボードにはサーミスターはありません)。これは、G2JH という名称のチップとトランジスタアセンブリ 8205A () に組み立てられています。

バッテリーの充電保護 (Charge) と放電保護 (Discharge) を個別に制御するには、2 つの電界効果トランジスタが必要です。トランジスタのデータシートはほとんど常にありましたが、コントローラーチップのデータシートはありませんでした。そして先日、ある種のリチウムイオン電池保護コントローラーの興味深いデータシートを突然見つけました ()。

そして、どこからともなく、奇跡が起こりました。データシートの回路と私の保護ボードを比較した後、回路は一致しており、それらはまったく同じものであり、クローンチップであることに気づきました。データシートを読んだ後は、同様のコントローラーを自作製品で使用することができ、抵抗値を変更することで、保護が作動する前にコントローラーが供給できる許容電流を増やすことができます。

リチウムイオン電池が深放電を嫌うのは周知の事実です。これにより、それらはどんどん枯れていき、内部抵抗も増加し、容量が失われます。一部の標本（保護されている標本）は深い冬眠状態に陥ることさえあり、そこから抜け出すのは非常に困難です。したがって、リチウム電池を使用する場合には、何らかの方法で最大放電を制限する必要があります。

これを行うには、適切なタイミングでバッテリーを負荷から切り離す特別な回路が使用されます。このような回路は放電コントローラーと呼ばれることもあります。

なぜなら放電コントローラは、厳密に言えば、放電電流の量を制御するものではありません。実際、これは深放電保護回路に対して確立されていますが、誤った名前です。

一般に信じられていることに反して、内蔵バッテリー (PCB ボードまたは PCM モジュール) は、充放電電流を制限したり、完全放電時に適時に負荷をオフにしたり、充電の終了の瞬間を正確に判断したりするように設計されていません。充電。

まず、保護基板は原則として、充電または放電電流を制限することができません。これは記憶部門が処理する必要があります。彼らができる最大のことは、次の場合にバッテリーをオフにすることです。短絡負荷がかかっているとき、または過熱しているとき。

第二に、ほとんどの保護モジュールは、2.5 ボルト以下の電圧でリチウムイオン電池をオフにします。そして、大部分のバッテリーにとって、これは非常に強い放電であり、決して許されるべきではありません。

第三に、中国人はこれらのモジュールを数百万個もリベットで留めています...彼らが高品質の精密部品を使用していると本当に信じていますか？それとも、バッテリーに取り付ける前に誰かがテストして調整しているのでしょうか? もちろん、これは真実ではありません。中国のマザーボードを製造する場合、厳格に守られる原則は 1 つだけです。「安ければ安いほど良い」です。したがって、保護機能が正確に 4.2 ± 0.05 V でバッテリーを充電器から切り離す場合、これはパターンというよりも幸運な事故である可能性が高くなります。

もう少し早く (たとえば 4.1V で) 動作する PCB モジュールを入手すると便利です。そうなると、バッテリーが容量の 10% に達しなくなってしまい、それだけになります。バッテリーが常に (たとえば 4.3V まで) 再充電されている場合、状況はさらに悪化します。その後、耐用年数が短くなり、容量が低下し、一般に膨張する可能性があります。

リチウムイオン電池に組み込まれた保護基板を放電リミッターとして使用することは不可能です。充電リミッターとしても。これらのボードは、緊急事態における緊急バッテリー切断のみを目的としています。

したがって、必要なのは別個の回路充電制限および/または深すぎる放電に対する保護。

私たちは、ディスクリートコンポーネントと特殊な集積回路に基づいたシンプルな充電器を検討しました。そして今日は、リチウム電池を過度の放電から保護するために現在存在しているソリューションについて説明します。

まず、わずか 6 つの要素で構成される、シンプルで信頼性の高いリチウムイオン過放電保護回路を提案します。

図に示されている値により、電圧が約 10 ボルトに低下すると、バッテリーが負荷から切り離されます (金属探知機で 3 つの直列接続された 18650 バッテリーを保護しました)。抵抗 R3 を選択することで、独自のシャットダウンしきい値を設定できます。

ちなみにテンションはフルですリチウムイオン放電バッテリーは3.0V以上です。

野草（図などにあるものなど）は古い草から掘り出すことができます。マザーボードコンピュータからは、通常、一度に複数のメッセージが存在します。ちなみにTL区からもそこから行けます。

コンデンサ C1 は、スイッチがオンになったときの回路の初期起動に必要です (ゲート T1 を一時的にマイナスに引き下げ、トランジスタが開き、分圧器 R3、R2 に電力を供給します)。さらに、C1 を充電した後、トランジスタのロックを解除するために必要な電圧が TL431 マイクロ回路によって維持されます。

注意！図に示されている IRF4905 トランジスタは、直列に接続された 3 つのリチウムイオン電池を完全に保護しますが、1 つの 3.7 ボルトバンクの保護にはまったく適していません。電界効果トランジスタが適しているかどうかを自分で判断する方法について説明します。

この回路の欠点は、負荷が短絡した場合 (または消費電流が多すぎる場合)、電界効果トランジスタがすぐに閉じないことです。反応時間はコンデンサ C1 の静電容量によって異なります。そして、この間に何かが適切に燃え尽きる可能性があります。負荷がかかった状態で短い負荷に即座に応答する回路を以下に示します。

スイッチ SA1 は、保護が作動した後に回路を「再起動」するために必要です。デバイスの設計でバッテリーを取り外して充電できるようになっている場合 (別の充電器で)、このスイッチは必要ありません。

抵抗器 R1 の抵抗値は、TL431 スタビライザーが最小バッテリ電圧で動作モードに達するような値でなければなりません。アノード - カソード間の電流が少なくとも 0.4 mA になるように選択されます。これにより、この回路の別の欠点が生じます。保護が作動した後も、回路はバッテリーからのエネルギーを消費し続けます。電流は小さいですが、小さなバッテリーをわずか数か月で完全に使い切るには十分です。

リチウム電池の放電を自作で監視するための以下の図には、この欠点がありません。保護が作動すると、デバイスが消費する電流は非常に小さいため、テスターでも検出できません。

以下にさらにあります現代版放電リミッターリチウム電池スタビライザーTL431を使用。これにより、第一に、必要な応答しきい値を簡単かつ簡単に設定でき、第二に、回路は高温安定性と明確なシャットダウンを実現します。拍手してそれで終わりです！

今日TL-kuを入手することはまったく問題ではありません、それらは一房5コペックで販売されています。抵抗 R1 を取り付ける必要はありません (場合によっては有害ですらあります)。応答電圧を設定するトリマー R6 は、選択された抵抗値を持つ一連の定抵抗器に置き換えることができます。

ブロッキングモードを終了するには、バッテリーを保護しきい値を超えて充電し、S1「リセット」ボタンを押す必要があります。

上記のすべてのスキームの不便な点は、保護に入った後にスキームの動作を再開するには、オペレーターの介入 (SA1 をオンまたはオフにするか、ボタンを押す) が必要であることです。これは、ロックモードでのシンプルさと低消費電力の代償です。

欠点が (ほとんどすべて) ない、最も単純なリチウムイオン過放電保護回路を以下に示します。

この回路の動作原理は最初の2つ（記事の冒頭）と非常に似ていますが、TL431マイクロ回路がないため、それ自体の電流消費は非常に小さな値（約10マイクロアンペア）に減らすことができます。。スイッチやリセットボタンも必要なく、バッテリー両端の電圧が事前に設定されたしきい値を超えるとすぐに、回路がバッテリーを負荷に自動的に接続します。

コンデンサ C1 は、パルス負荷で動作する場合の誤警報を抑制します。低電力ダイオードであれば問題ありませんが、回路の動作電圧を決定するのはその特性と量です (ローカルで選択する必要があります)。

任意の適切なｎチャネル電界効果トランジスタを使用することができる。重要なことは、負担をかけずに負荷電流に耐えることができ、低いゲート-ソース間電圧で開くことができることです。たとえば、P60N03LDG、IRLML6401 など (参照)。

上記の回路は誰にとっても良いものですが、電界効果トランジスタが滑らかに閉じるという不快な瞬間が 1 つあります。これは、ダイオードの電流-電圧特性の最初の部分が平坦であるために発生します。

この欠点は、最新の素子ベース、つまりマイクロパワー電圧検出器（消費電力が極めて低い電力モニター）の助けを借りて解消できます。リチウムを深放電から保護するための次の回路を以下に示します。

MCP100 マイクロ回路は、DIP パッケージとプレーナバージョンの両方で入手できます。私たちのニーズには、3 ボルトのオプション MCP100T-300i/TT が適しています。ブロッキングモードでの標準消費電流は 45 µA です。小規模な卸売のコストは、1 個あたり約 16 ルーブルです。

MCP100 の代わりに BD4730 モニターを使用するとさらに良いです。直接出力があるため、回路からトランジスタQ1を除外する必要があります（マイクロ回路の出力をQ2のゲートと抵抗R2に直接接続し、R2を47 kΩに増やします）。

この回路はマイクロオームの p チャネル MOSFET IRF7210 を使用しており、10 ～ 12 A の電流を簡単に切り替えます。フィールドスイッチはゲート電圧約 1.5 V ですでに完全に開いており、開いた状態では抵抗は無視できます ( 0.01オーム以上）！一言で言えば、非常にクールなトランジスタです。そして最も重要なのは、価格が高すぎないことです。

私の意見では、最後のスキームが最も理想に近いと思います。もしラジオコンポーネントに無制限にアクセスできるとしたら、私はこれを選ぶでしょう。

回路を少し変更することで、N チャネルトランジスタを使用できるようになります (負の負荷回路に接続されます)。

BD47xx 電源モニタ (スーパーバイザ、ディテクタ) は、1.9 ～ 4.6 V の応答電圧 (100 mV ステップ) を備えた一連のマイクロ回路であるため、いつでも目的に合わせて選択できます。

小さな隠れ家

上記の回路はいずれも、複数のバッテリーからなるバッテリーに接続できます (もちろん、ある程度の調整後)。ただし、バンクの容量が異なる場合、回路が動作するずっと前に、最も弱いバッテリーが常に深放電状態になります。したがって、このような場合には、同じ容量のバッテリーを使用するだけでなく、できれば同じバッチのバッテリーを使用することをお勧めします。

そして、このような保護は私の金属探知機で2年間完璧に機能していますが、それでも各バッテリーの電圧を個人的に監視する方がはるかに正確です。

常に個人用の放電コントローラーを使用してくださいリチウムイオン電池瓶ごとに。そうすれば、どのバッテリーもいつまでも快適に使用できます。

適切な電界効果トランジスタの選び方

リチウムイオン電池を深放電から保護するための上記のすべての方式では、スイッチングモードで動作する MOSFET が使用されます。通常、同じトランジスタが過充電保護回路、短絡保護回路、および負荷制御が必要なその他の場合に使用されます。

もちろん、回路が正常に動作するためには、電界効果トランジスタが特定の要件を満たさなければなりません。まず、これらの要件を決定し、次にデータシートに従っていくつかのトランジスタを選択します（データシートによると）。技術仕様）自分に合うかどうかを判断しましょう。

注意！スイッチング速度、ゲート容量、最大パルスドレイン電流などの FET の動的特性は考慮しません。これらのパラメータは、トランジスタが高周波で動作する場合 (インバータ、発電機、PWM 変調器など) に非常に重要になりますが、このトピックの説明はこの記事の範囲外です。

したがって、組み立てる回路をすぐに決定する必要があります。したがって、電界効果トランジスタの最初の要件は - それは正しいタイプでなければなりません(N チャネルまたは P チャネルのいずれか)。これが最初です。

最大電流（負荷電流または充電電流は問題ではありません）が 3A を超えないと仮定しましょう。これは 2 番目の要件につながります。 現場作業員は必ず長い間そのような電流に耐える.

三番目。私たちの回路が 18650 バッテリーを深放電 (1 つのバンク) から保護するとします。したがって、動作電圧を 3.0 ボルトから 4.3 ボルトまで即座に決定できます。手段、 最大許容ドレイン・ソース間電圧 U ds 4.3ボルト以上である必要があります。

ただし、最後のステートメントは、リチウムバッテリーバンクを 1 つだけ使用する (または複数のリチウムバッテリーバンクを並列に接続する) 場合にのみ当てはまります。負荷に電力を供給するために、複数のバッテリーを直列に接続したバッテリーが使用される場合、 最大電圧トランジスタのドレイン-ソース間は、総電圧バッテリー全体.

この点を説明する図は次のとおりです。

図からわかるように、3 つの 18650 バッテリーを直列に接続したバッテリーの場合、各バンクの保護回路では、ドレイン-ソース間電圧 U ds > 12.6V のフィールドデバイスを使用する必要があります (実際には、ある程度のマージン（たとえば 10%）を持って取る必要があります）。

同時に、これは、電界効果トランジスタが、3 ボルト未満のゲート・ソース間電圧 U gs ですでに完全に (または少なくとも十分に強く) 開くことができなければならないことを意味します。実際には、マージンを確保するために、より低い電圧、たとえば 2.5 ボルトに焦点を当てる方が良いでしょう。

大まかな (初期) 推定値については、データシートの「カットオフ電圧」インジケーター ( ゲートしきい値電圧) は、トランジスタが開放のしきい値にある電圧です。この電圧は通常、ドレイン電流が 250 µA に達したときに測定されます。

トランジスタがこのモードでは動作できないことは明らかです。出力インピーダンスがまだ高すぎるため、過剰な電力によって単純に焼き切れてしまいます。それが理由です トランジスタのカットオフ電圧は保護回路の動作電圧よりも低くなければなりません。そして小さければ小さいほど良いのです。

実際には、リチウムイオン電池の 1 つの缶を保護するには、カットオフ電圧が 1.5 ～ 2 ボルト以下の電界効果トランジスタを選択する必要があります。

したがって、電界効果トランジスタの主な要件は次のとおりです。

トランジスタタイプ (p または n チャネル)。
最大許容ドレイン電流。
最大許容ドレイン・ソース間電圧 U ds (バッテリーがどのように直列または並列に接続されるかを思い出してください)。
特定のゲート-ソース電圧 U gs での出力抵抗が低い (1 つのリチウムイオン缶を保護するには、2.5 ボルトに注目する必要があります)。
最大許容電力損失。

さあ、乗りましょう具体的な例。たとえば、トランジスタ IRF4905、IRL2505、IRLMS2002 を自由に使用できます。それらを詳しく見てみましょう。

例 1 - IRF4905

データシートを開くと、これが p 型チャネル (p チャネル) を持つトランジスタであることがわかります。これに満足したら、さらに調べます。

最大ドレイン電流は74Aです。もちろん過剰ですが、それはぴったりです。

ドレイン・ソース間電圧 - 55V。問題の状況によると、リチウムのバンクが 1 つしかないため、電圧が必要以上に大きくなります。

次に、ゲートの開放電圧が 2.5V のときのドレイン・ソース間抵抗がいくらになるかという問題に興味があります。データシートを見ても、すぐにはこの情報がわかりません。しかし、カットオフ電圧 U gs(th) が 2 ～ 4 ボルトの範囲にあることがわかります。私たちはこれに断固として満足していません。

最後の要件が満たされていないため、 トランジスタを捨てる.