Elektronikprojekte #1 - Die Akkuwächter Schaltung

Heute möchte ich euch mal meine Akkuwächter Schaltung vorstellen. Diese soll meine Bleiakkus des 12V-Netzes vor Tiefentladung schützen. Grob beschrieben überwacht die Schaltung die Spannung der Akkumulatoren und gibt bei Unterschreiten der ersten Grenze ein Warnsignal aus, bei Unterschreiten der zweiten Schwelle schaltet sie dann das Hauptrelais und damit die Verbraucher aus.
Erstellt habe ich den Schaltplan mit KiCAD⁽¹⁾ , einem Open-Source ECAD-Programmpaket für die Erstellung von elektronischen Leiterplatten. Zur Fertigung der Leiterplatte habe ich den Dienst von JLCPCB⁽²⁾, einem Platinenfertiger aus Fernost, in Anspruch genommen, da er mich vom Preis und der Qualität überzeugt hat.

Wie funktioniert die Schaltung?

Fangen wir bei dem wichtigsten Bauteil an, dem ICL7665, dieser macht die komplette Überwachung.
Er besitzt intern eine Spannungsreferenz, diese wird verglichen mit der Spannung am Eingang(Set1). Dieser ist über einen Spannungsteiler (bestehend aus RV1, R2, RV2 und R3) mit der Batteriespannung verbunden. Sollte die Spannung in Ordnung sein, ist der Ausgang(Out1) offen und der Hysterese Ausgang(Hyst1) auf der Batteriespannung, dadurch wird RV1 nicht beachtet.
Fällt jetzt die Batteriespannung unter die berechnete untere Schwellspanung, liegt am Eingang(Set1) eine kleinere Spannung als die interne Referenzspannung an, dadurch schaltet der interne Vergleicher (Komparator) den Ausgang(Out1) auf Ground und den Hysterese Ausgang(Hyst1) offen (kein Potential). Durch diesen Umstand wird der Widerstand von RV1 mit in die Spannungsteilerrechnung einbezogen, dadurch muss die Batteriespannung jetzt höher sein als die untere Schwellspannung und bildet die obere Schwellspannung. Bei wieder Erreichen der oberen Schwellspannung wird der Ausgang(Out1) offen (kein Potential) und der Hysterese Ausgang(Hyst1) auf die Batteriespannung geschaltet. Die Differenz zwischen unterer und oberer Schwellspannung nennt man Hysterese, dadurch kann die Schaltung nicht anfangen zu schwingen, wenn die Batteriespannung so gerade an der unteren Grenzschwelle ist.
Der Ausgang(Out1) wird bei Unterschreiten der Schwellspannung auf offen geschaltet (kein Potential), dadurch wird das Gate vom P-Fet(Q1) mit dem Pull-Up-Widerstand auf die Batteriespannung angehoben und der P-Fet(Q1) hört das Leiten auf. Ein angeschlossenes Relais würde abfallen, bei Überschreiten der oberen Schwellspannung wird das Gate auf Ground gezogen und der P-Fet(Q1) fängt wieder zu leiten an.

Der zweite Ausgang(Out2) mit dem Eingang(Set1) und dem Hysterese Ausgang(Hyst2) funktioniert genau so, nur dass der Ausgang invertiert ist, dieser ist als Open-Drain ausgeführt.
Bei Unterschreiten der Schwellspannung ist der Ausgang(Out2) auf Ground gezogen, bei Überschreiten der oberen Schwellspannung ist er offen (kein Potential) und würde bei Anschluss eines externen Pull-Up-Widerstandes den Zustand "High" annehmen.

---

Untere und obere Schwellspannung berechnen:

Zum Berechnen der Schwellspannungen habe ich hier eine LibreOffice Calc Tabelle⁽³⁾, welche bei Eingabe der Daten in die gestrichelten Felder die Widerstände berechnet. Bei Eingabe der ausgewählten Widerstände wird die Spannung angezeigt, bei der wirklich geschaltet wird. Außerdem wird der Gesamtwiderstand berechnet und der Stromverbrauch, der dadurch entsteht. Rechts sind dann noch zur Orientierung die Widerstandsreihen E12 und E24 abgebildet.

---

Bilder unbestückt

Die gelieferten Platinen von JLCPCB sehen sehr gut aus und ließen sich sehr gut löten. Die benötigten Bauteile habe ich bei TME⁽⁴⁾ ausgesucht und bestellt. Die Einkaufsliste für eine Platine habe ich hier⁽⁵⁾ mal zur Verfügung gestellt.

Bilder bestückt

---

Technische Daten:

Bezeichnung	Wert
absolute Maximalspannung	16V
max. Stromausgang Relais (J1)	ca 10A
max. Stromausgang Schaltkontakt (J2)	25mA
niedrigste Ausschaltschwelle	9,6V
höchste Ausschaltschwelle	12,4V
Hysterese	0V - 1,4V

---

Links:

(1) : KiCAD Homepage
(2) : JLCPCB Homepage
(3) : LibreOffice Calc ICL7665 Rechner
(4) : TME.eu Electronic Components Shop
(5) : Bauteilliste