LiPo-Akku-Schutzschaltung - unterdimensioniert?

Technik Elektronik & Elektrotechnik
#1

Hallo,

ich betreibe des Öfteren einen kleinen PC-Lüfter (12 V, 0,17 A) an einem LiPo-Modellbauakku (2 Zellen, 7,4 V 800 mAh bzw. 1000 mAh).

Da ich einen Akku bereits einmal fast tiefentladen lassen hatte, kam mir der Gedanke, dass eine Tiefentladeschutzschaltung sehr angebracht wäre. Folgende primitive Sache habe ich mir da ausgedacht, da ich keine Riesenplatine herausbekommen wollte:

Bauteile:
Z-Diode: (Z-Spannung 5,6 V), Widerstand (3 x 120 Ohm = 360 Ohm), npn-Transistor C548B

Die Z-Diode ist in Reihe zu dem Widerstand an die Basis des Transistors geschaltet. Am Kollektor hängt der Minuspol vom Lüfter. Am Emitter hängt der Minuspol vom Akku. Die Pluspole von Akku und Lüfter sind beide mit der Kathode der Z-Diode verbunden. Ihre Anode führt zum Widerstand.

Nun habe ich die Schaltung in Probebetrieb genommen. Der Akku war voll aufgeladen. Einige zehn Sekunden lief es. Dann ging plötzlich nichts mehr. Ich habe dann am Augang ohne Lüfter gemessen. Die Spannung hat gestimmt mit 7,xx Volt. Sobald der Lüfter aber dran steckt, bricht sie auf 1,xx V zusammen und nichts dreht sich! Ist der Transistor zu unterdimensioniert für die Last oder hatte er zuviel Basisstrom? Oder ist sogar die Z-Diode kaputtgegangen? Also in der Simulation mit LT Spice lief alles problemlos, dort musste ich allerdings auf eine Z-Diode mit 6,2 V zurückgreifen…

Kann jemand meine Ursachenvermutung untermauern? Danke!

MfG Marius

#2

Hallo !

Das kann man schon so machen,nur ist der Transistor zu schwach!

Der BC 548 liegt ja mit dem Lüfterstrom von 0,17 A schon im absoluten Grenzbereich (200 mA).
Da würde ich einen anderen stärkeren verwenden,z.B. BC 337/338 oder BC 635/637/639(Achtung: andere Pin-Belegung) .

Evtl. muß man den Widerstand ändern,wenn die Verstärkung nicht ausreichen sollte,was ich nicht glaube. 360 Ohm liefert ca. 5 mA Z-Diodenstrom= Basisstrom,das sollte reichen.
Allerdings sinkt der Basisstrom mit fallender Akkuspannung ab bis ca. 1 mA,aber das ist ja der gewünschte Abschalteffekt bei Akkuspannung = Z-Diodenspannung.

Für das Verhalten Deines Aufbaues habe ich keine rechte Erklärung.
Wenn Z-Diode durchgeschlagen oder verpolt,wird der T übersteuert,sollte aber durchaus durchschalten.
Nur 1 V ? wo gemessen,direkt am Lüfter oder Akku ?

Was ist denn mit Akku direkt an Lüfter,da klappt es einwandfrei ?
Spannungseinbruch kann ja auf Akkudefekt hinweisen.

MfG
duck313

#3

Danke für die Antwort.

Der BC 548 liegt ja mit dem Lüfterstrom von 0,17 A schon im
absoluten Grenzbereich (200 mA).

Beachte aber, dass bei der Spannung von maximal 8 V nur etwa 100 mA fließen.

Wenn Z-Diode durchgeschlagen oder verpolt,wird der T
übersteuert,sollte aber durchaus durchschalten.
Nur 1 V ? wo gemessen,direkt am Lüfter oder Akku ?

Gemessen am Lüfter. Die Akkuspannung ist normal.

Was ist denn mit Akku direkt an Lüfter,da klappt es
einwandfrei?

Ja, da gibt’s keine Probleme.

MfG Marius

#4

Hallo !

Habe die kleine Schaltung mal nachbebaut,es klappt schon,allerdings erfolgt das Abschalten nicht schlagartig sondern „schleichend“ indem der Transistor immer weniger durchgesteuert wird.
Deshalb kann man auch bei bestimmtem Akkustand nur 1 V messen,die fehlende Spannung liegt an der C-E-Strecke an.

Ich habe mit einer ZPD 5V1, R = 390 Ohm und einem wichtigen Basis/Emitter-Widerstand von ca. 10 kOhm folgende Werte ermittelt:

Abschaltung bei ca. 4,7 V Versorgungsspannung.

Der fürs gezielte Sperren erforderliche Widerstand Basis an Emitter(Minus),sorgt für endgültiges Sperren. Es fließt nämlich sonst trotzdem noch ein geringer Strom,der aber den Lüfter nicht mehr antreiben kann,er entlädt aber den Akku weiter.

Mit der Z-Diodenspannung muß man experimentieren,ob der Typ zur gewünschten Akku-Abschaltspannung passt.

Eine etwas aufwändigere Schaltung („Schmitt-Trigger-Schaltung“) mit mind. 2 Transistoren und einem gemeinsamen Koppelwiderstand im Emitter des ersten Transistor würde das Umschalten/Abschalten mehr schlagartig auslösen.

MfG
duck313

#5

Habe die kleine Schaltung mal nachbebaut,es klappt
schon,allerdings erfolgt das Abschalten nicht schlagartig
sondern „schleichend“ indem der Transistor immer weniger
durchgesteuert wird.

Reell nachgebaut? Was hast du als Lüfter genommen? Einen Widerstand? Es ist zu bedenken, dass der Lüfter bestimmt keine ganz lineare U/I-Kennlinie hat…

Deshalb kann man auch bei bestimmtem Akkustand nur 1 V
messen,die fehlende Spannung liegt an der C-E-Strecke an.

Das mag sein. Aber der Akku ist frisch voll geladen und hat etwa 8 V.

Eine etwas aufwändigere Schaltung
(„Schmitt-Trigger-Schaltung“) mit mind. 2 Transistoren und
einem gemeinsamen Koppelwiderstand im Emitter des ersten
Transistor würde das Umschalten/Abschalten mehr schlagartig
auslösen.

Das ist mir bewusst. Ich habe diese Variante aber abgewählt, da dies erstens mehr Platz beanspruchen würde und zweitens ein schlagartiges Abschalten nicht wünschenswert ist. Dann steht man ja sofort ohne Vorwarnung ohne Lüfter da.
Das komplette Teifentladen bei unbeaufsichtigtem Betrieb wird ja trotzdem verhindert.

Mit dem Schmitt-Trigger würde ich nur glücklich werden, wenn noch zusätzlich eine LED ca. eine halbe Stunde vor Abschaltung anzeigen würde, dass es mit dem Akku bald zu Ende geht, das würde die Baugröße der Platine aber noch mehr strapazieren.

MfG Marius

#6

Ich habe jetzt nochmal die Spannung über der Basis-Emitter-Strecke gemessen und sie liegt mit knapp 5 V viel zu hoch. Es scheint aber keinerlei Strom dabei zu fließen. Über die Z-Diode und die Widerstände ist keine Spannung messbar.
Also war der Transistor wohl offenbar der Belastung nicht mächtig. War der Basisstrom vielleicht doch zu hoch?

Gruß, Marius

#7

Hallo !

Ja,real nachgebaut,auch ich hatte in der Grabbelkiste einen Lüfter 12 V/0,17 A mit ca. 80/80 mm Gehäuse,den hab ich verwendet.
Auch einen BC 547 B.

Und wenn ich am regelbaren Netzteil(statt Akku) herunterdrehe,dann kann ich alles simulieren.

MfG
duck313