Unterspannungsschutz für einen LiPo-Akku
Ein Akku darf nicht zu tief entladen werden, da er sonst beschädigt werden kann und seine Kapazität verliert.
Die Entladeschlussspannung eines LiPo-Akkus wird von verschiedenen Herstellern mit 2,8V bis 3,0V angegeben. Wenn ein LiPo-Akku vollständig entladen ist, fällt seine Spannung schnell ab. Zwischen 3V und 2,8V können noch ca. 3% der Nennkapazität des LiPo-Akkus entnommen werden. Wir gehen auf Nummer sicher und legen die Entladeschlussspannung auf 3V fest.
Die Entladeschlussspannung eines LiPo-Akkus ist nicht so kritisch wie die Ladeschlussspannung, die bei 4,2V und auf 1% genau eingehalten werden muss.
Wir könnten z.B eine Schaltung mit einer Z-Diode und einem Transistor in Erwägung ziehen. Die Spannung einer Z-Diode wird jedoch nur auf 10% genau geliefert, d.h. wir müssten mit 2,7V bis 3,3V rechnen.
Wir brauchen eine genauere Vergleichsspannung. Dafür gibt es spezielle ICs. Da wir auch eine Vergleichsschaltung benötigen, verwenden wir einen IC mit einem Komparator und einer Referenzspannung: MCP65R41. Der Komparator MCP65R41T-1202E hat eine Referenzspannung von 1,21V mit 2% Toleranz.
Die Schaltung ist relativ einfach aufgebaut. Der Komparator arbeitet als Schmitt-Trigger. Die Spannung des LiPo-Akkus von 3,0V wird durch den Spannungsteiler aus R1 und R2 auf die Referenzspannung von 1,21V geteilt. Bei der Berechnung ist zu beachten, dass solange die Spannung des LiPo-Akkus >= 3,0V ist, die Referenzspannung durch R3 und R4 um einige mV reduziert wird.
Die in Bild 1 angegebenen Widerstände sind optimal. Widerstände über 1MΩ sind jedoch nicht einfach zu beschaffen. Kleinere Widerstände führen zu höheren Strömen, die den LiPo-Akku auch nach dem Abschalten noch belasten. Deshalb sind in der folgenden Tabelle einige Werte angegeben. Durch den Widerstand R4 und den MCP65R41 fließen zusätzliche Ströme. Diese sind im Gesamtstrom Iges enthalten. Der Unterspannungsschutz schaltet bei der Spannung Uaus ab und bei Uein wieder ein.
| R1 | R2 | R3 | R4 | Uaus | Uein | I1 | Iges |
| 1,5MΩ | 1,0MΩ | 13kΩ | 1,0MΩ | 2,99V | 3,08V | 1,2µΑ | 7,0µA |
| 200kΩ | 130kΩ | 24kΩ | 1,0MΩ | 3,00V | 3,18V | 9,1µA | 15,0µA |
| 2,0MΩ | 1,3MΩ | 24kΩ | 1,0MΩ | 3,00V | 3,18V | 0,9µA | 6,7µA |
Die Widerstände R1 und R2 sollten eine Toleranz von 1% haben, R3 und R4 können bis zu 5% haben.
Mit R1=1,5MΩ R2=1,0MΩ und R3=13kΩ sind die Werte auch als SMD-Widerstände verfügbar. Allerdings schaltet der Unterspannungsschutz bereits bei 3,08V wieder ein. Dies kann zu wiederholtem Ein- und Ausschalten führen, da sich der LiPo-Akku nach dem Ausschalten wieder erholt.
Aufbau
Aufbau auf Lochrasterplatine
Dieses Projekt ist auf einer Lochrasterplatine aufgebaut.
Wie das geht, beschreibt dieses Praktikum.
Die Darstellung ist ausführlich in Darstellung in KiCAD beschrieben.
Der MOSFET IRLML6402 hat ein SMD-Gehäuse SOT-23-3 der MCP65R41 ein SOT-23-6. Die Montage dieser SMD-Gehäuse auf Lochrasterplatinen ist unter SOT-Gehäuse beschrieben. Der IRLML6402 kann direkt auf die Lochrasterplatine montiert werden. Für das 6-polige SOT-23-6 des MCP65R41 ist es einfacher, einen Adapter zu verwenden. Im Layout in Bild 2 ist der MCP65R41 mit dem Adapter als DIL-6-Gehäuse dargestellt.