Wie kann man die Stromversorgung abschalten, wenn eine bestimmte Spannung von einem Sensor erreicht wird?

Ich habe ein einfaches Ni-Cd-Ladegerät (im Grunde eine 0,1-C-Stromquelle) für einige 1300-mAh-Zellen gebaut, das ich stoppen möchte, wenn eine bestimmte Spannung an der Zelle erreicht ist. Ich habe versucht, den Schalter mit einem Operationsverstärker zu konstruieren, aber alles, was er tut, ist, die Spannung, die die Stromquelle an die Zelle anlegt, auf die Spannung zu begrenzen, die die Abschaltung auslösen sollte. Ich weiß, dass ich ein Relais verwenden könnte, das vom Operationsverstärker angetrieben wird, aber ich würde sie lieber wirklich nicht verwenden.

Wie kann also die Stromversorgung unterbrochen werden, wenn eine bestimmte Spannung erreicht ist?

Hier ist eine schematische Darstellung meiner Arbeit, um Ihnen eine Idee zu geben.

Sie möchten für NiCd-Akkus keinen Ladeanschluss mit fester Spannung verwenden. Sie müssen aus Sicherheitsgründen eine obere Spannungsgrenze haben, aber der Ladeabschluss erfolgt mit Spannungssteigung und / oder Temperatur.

NiCds weisen eine Spannungserhöhung auf, wenn sie mit einem angemessenen Strom nahezu vollständig aufgeladen sind. Die Spannung sinkt tatsächlich nur ein wenig. Suchen Sie daher nach dem Nulldurchgang der Spannungsableitung und fügen Sie dann für eine feste Zeit eine kleine Ladung mit geringem Strom hinzu, um die Batterie aufzufüllen. Hier ist zum Beispiel ein vollständiger Entlade- und Ladezyklus eines 3-Zellen-NiCd-Akkus:

Der Akku wird entladen, um sich nach 3,4 Stunden effektiv zu entleeren. Bis etwa 4,2 Stunden wird ein niedriger Ladestrom verwendet, bis die Zellen eine ausreichend hohe Spannung erreichen, um "vollen" Ladestrom aufnehmen zu können. Beachten Sie, wie die Spannung ansteigt, eine Beule aufweist und dann nach ca. 6,4 Stunden wieder abfällt. Der Ladealgorithmus erkennt dies durch den Nulldurchgang der blauen Linie und schaltet für feste 2 Stunden in den Niedrigstrom-Auflademodus.

Sie laden mit einer sehr niedrigen Rate (0,1 ° C) auf, sodass Teile davon möglicherweise nicht zutreffen. Es wäre eine gute Idee, eine Ladungskurve zu messen, um zu sehen, wo Sie sich befinden. Lassen Sie es lange genug laufen, um zu wissen, dass Sie die Zelle vollständig aufgeladen haben, und sehen Sie, wie sowohl die Spannung als auch die Ableitung der Spannung aussehen. Bei einer so langsamen Laderate kann eine feste Endspannung die einzige Wahl sein, aber es wäre gut, die Daten zu sehen, bevor Sie sich dafür entscheiden.

Dies kann in einem Mikrocontroller gemessen und erkannt werden. Jede Messung weist ein gewisses Rauschen auf, aber die Signale sind so langsam, dass Sie viele Tiefpassfilter anwenden können. Die Signale sind so langsam, dass eine sinnvolle Filterung in Analog aufgrund der sehr hohen Impedanzen, die zur Realisierung erforderlich sind, und des durch Leckströme verursachten Ergebnisfehlers schwierig ist. Digitale Werte leiden im Laufe der Zeit nicht unter einer Verschlechterung. Sie können also beispielsweise die Steigung in Volt / Stunde berechnen, wie ich es für die blaue Linie in der obigen Grafik getan habe.

Ihre Schaltung sieht so aus, als ob sie genau das tun sollte, was Sie wollen
UND Sie sagen in Ihrer Antwort an Chintalagirl, dass sie das tut, was Sie beabsichtigen, um Spannung und Hysterese
abzuschalten. Ich kann also nicht verstehen, was Sie wollen, was Sie noch nicht haben.

Ich habe kürzlich eine kommerzielle Schaltung für die Produktion in großen Mengen unter Verwendung einer Schaltung implementiert, die dieser ähnlich ist. Es wurde eine Diode verwendet, um das Einstellen einer niedrigen Spannung unter Hystereserückkopplung zu ermöglichen, ohne die Auslösespannung zu ändern, und es wurde ein TL431 verwendet, um eine stabilere Referenzspannung bereitzustellen - beide wie unten erwähnt.

V_USB kann nicht zuverlässig auf 5 V garantiert werden und kann höher oder niedriger sein und variieren, so dass eine geeignete Referenz benötigt wird. Sie können z. B. R8 in zwei Teile teilen und den Mittelpunkt mit einem TL431 "programmierbaren Zener" / Shunt-Regler auf beispielsweise 4 V einstellen. Diese sind in dieser Rolle billig und effektiv. Die Verwendung eines TLV431 ermöglicht eine Referenzeinstellung von 1,25 V.

Besser - Sie können U1A Pin3 mit dem TL431 auf die gewünschte Auslösespannung einstellen, ABER dann funktioniert die Hysterese-Rückmeldung nicht, so dass Sie z. Verwenden Sie einen TL * V * 431 mit zwei Widerständen, um den gewünschten Vtrip einzustellen.
Führen Sie den TLV431 mit ca. 1k von V_USB zur Kathode.
Führen Sie TLV431 über z. B. 10k in den nicht invertierenden Eingang des Operationsverstärkers ein.
Verwenden Sie 100k oder einen beliebigen Hysteresewiderstand wie zuvor für die Seriendiode. Siehe unten.

Die Verwendung von R1 wie gezeigt macht es schwierig, hohe und niedrige Schwellenwerte wie gewünscht einzustellen, da R1 effektiv parallel zu R8 ist, bevor die Batterie den Triggerpunkt erreicht, und parallel zu R9, nachdem der Triggerpunkt erreicht ist, so dass hohe und niedrige Sollwerte betroffen sind. Wenn der Operationsverstärker nicht vollständig auf die hohe Schiene schwingt, wirkt sich dies auch auf die Berechnung des Auslösepunkts aus. Einfacher und genauso effektiv ist es, eine Diode in Reihe mit R1 zu schalten, damit sie mit nur einer Opamp-Polarität leitet, sodass entweder der hohe oder der niedrige Schwellenwert nur von R8 und R9 eingestellt wird. Am besten ist es, die Diodenkathode an den U1A-Ausgang anzuschließen, damit die Diode leitet, wenn der Schwellenwert erreicht wurde, und dann den Schwellenwert zu senken, wenn der U1A-Ausgang niedrig wird. Auf diese Weise können Sie mit R8 & den gewünschten Auslösepunkt genau einstellen R9 (was Sie am meisten interessiert) und dann R1 senken dies etwas um einen Betrag, den Sie berechnen können. Die Diode erhöht die Komplexität der Berechnung des abgesenkten Schwellenwerts geringfügig, ist jedoch nicht sehr wichtig, da das Hauptziel darin besteht, das Laden zu beenden.

Wenn R1 zu groß ist, wird der Schwellenwert nicht ausreichend gesenkt und die Batteriespannung kann nach dem Entfernen der Ladung ausreichend "durchhängen", um einen Neustart des Ladevorgangs zu bewirken. Wenn Sie dies mit einem Messgerät und nicht mit einem Zielfernrohr beobachten, denken Sie möglicherweise, dass Sie eine stabile Gleichspannung sehen, aber die Schaltung schwingt tatsächlich. (Frag mich woher ich weiß :-)).

Die Inspektion mit einem Oszilloskop ist bei solchen Schaltkreisen immer eine sehr gute Idee, da es leicht zu Schwingungen kommen kann.

Es sollte hier keine Rolle spielen, aber beachten Sie, dass der Gleichtakt-Eingangsbereich für den LM358 1,5 V unter Vdd liegt, also hier Vin max ~ = 3,5.

Nachdem Sie die oben vorgeschlagene Diode hinzugefügt haben, können Sie den Auslösepunkt testen, indem Sie an U1A-Pin 3 messen. Sie können R8 oder R9 einstellen, um den Auslösepunkt einzustellen. Sie können den korrekten Betrieb überprüfen, indem Sie anstelle der Batterie einen Kondensator mit geringer Leckage verwenden. Dies sollte sich zu Vtrip aufladen und der Stromkreis sollte sich dann ausschalten und Vcap sollte der Zielspannung entsprechen. Wenn die Kappe undicht ist, wird sie gelegentlich aufgeladen, wenn Vcap die untere Schwelle unterschreitet.

Q1 / R5 ist eine unangenehme Methode, um die aktuelle Einstellung vorzunehmen, da die Vbe-Referenz sehr ungenau ist - aber in dieser Anwendung ist sie gut genug. D3 ist hier wahrscheinlich nicht unbedingt erforderlich, sollte aber keinen Schaden anrichten. Ohne D3 sind Q1 und Q2 möglicherweise durch die Batterie in Sperrrichtung vorgespannt, wenn der Transistor ausgeschaltet ist, aber dies sollte hier kein Problem sein.

Die R1-Hysterese sollte verhindern, dass dieser Stromkreis bei Erreichen des Sollwerts in den Liner-Modus übergeht, insbesondere wenn die Diode hinzugefügt wird. Überprüfen Sie jedoch, ob Schwingungen auftreten. Normalerweise hilft das Hinzufügen eines Kondensators irgendwo im Laufwerk oder in den Rückkopplungsschleifen. zB hier könnte U1A-Pin 3 eine Kappe zur Erde haben, aber ein besserer Ort wäre Pin 2, wobei die Einspeisung zu Pin 2 von der Batterie über zB einen 10k-Widerstand erfolgt. Sie können dies entweder in der Pol / Null-Nomenklatur der formalen Schaltungstheorie ausdrücken oder als Verzögerung der Rate betrachten, mit der sich die erfasste Batteriespannung ändern kann.

Fragen Sie nach Bedarf ...

Eine möglicherweise nicht ideale Lösung könnte darin bestehen, einen Komparator oder einen als Komparator konfigurierten Operationsverstärker zu verwenden. Haben Sie den negativen Eingang als eingestellte Spannung und den positiven als PWRBAT +. Wenn die Zellenspannung diesen Schwellenwert überschreitet, wird der zuvor schwebende Komparatorausgang auf Masse gezogen. Das Anschließen dieses Ausgangs an den Übergang von R2 und R4 sollte den Transistor Q2 ausschalten und Q1 irrelevant machen und daher den Ladevorgang stoppen.

Die eingestellte Spannung kann mit einem einfachen Widerstandsteiler erzeugt werden, da die Komparatoreingänge hochohmig sind.

Der Komparator sollte in der Lage sein, über den Ausgangswiderstand so viel Strom abzusenken, wie für den Abfall des Ausgangs-Operationsverstärkers auf 0 erforderlich ist, was für die meisten typischen Komparatoren wahrscheinlich in Ordnung ist.

Diese Methode hat den Vorteil, dass Sie mit der Schaltung, die Sie bereits haben, ohne allzu große Änderungen arbeiten können.

Ich habe es endlich geschafft. Russell, ich habe versucht, diese Diode hinzuzufügen, aber das hat den Trick nicht getan. Ich verstehe nicht, warum Sie sagen, dass das Hinzufügen dieser Diode den OA von Vcc nach GND schwingen lassen würde. Der TL431 war jedoch ein sehr guter Vorschlag. Nach dem Hinzufügen dieses Relais (das 150 mA verbraucht) benötigte ich eine zuverlässigere Spannungsreferenz als einen Versorgungsspannungsteiler. Prost dafür! Wie auch immer, ich fand im örtlichen Elektronikgeschäft ein sehr kleines versiegeltes 12-V-Relais, das ich aufbremsen und die Spule einstellen musste, damit es mit 5 V funktioniert. Es war die Hölle. Am Ende habe ich die Lochspule von Hand zurückgespult. Aber es hat sich gelohnt, jetzt macht es genau das, was ich wollte:

   - initial battery level is somewhere bellow 1.3V
   - USB is plugged in
   - battery is charged at ~150mA until the voltage applied by the current source is 1.49V
   - 1.49V is reached, the relay goes off, and the battery voltage drops to ~1.44V
   - charger won't start again until cell goes bellow 1.38V

Hier ist das endgültige Schema:

Vielen Dank für die Hilfe!