Eine Tankuhr für Akkus

Eine Unter- und Überspannungsabschaltung für 12V Funkgeräte Vers. 1.4

Das Nachfolgende Thema befasst sich mit dem Aufbau einer Unter- und Überspannungsabschaltung für 12V Verbraucher, mit einer maximalen Strombelastung von 25A. Mittels Leuchtdioden wird die aktuelle Spannungslage am Eingang der Schaltung in Form einer Spannungslupe angezeigt und der Ausgang zum Verbraucher bei einer Unter- oder Überspannung abgeschaltet. Im Mittel beträgt die hier eingestellte Spannung 13,8V, es sind aber auch andere Spannungslagen, mittels der Poti's, einstellbar.

Die Anzeige der Betriebsspannung (Akku/Netzgerät) erfolgt
ähnlich der Tankuhr eines PKW's.
Es wird die aktuelle Klemmenspannung der Spannungsquelle mittels
1. 10 Leuchtdioden (LED), die in einem Halbkreis angeordnet sind, angezeigt
2. die Anzeige erfolgt in farbigen Segmenten und ist punktförmig
3. der Übergang von Punkt zu Punkt, ist fließend
4. ein Trend wird sichtbar
5. das Spannungsfenster ist einstellbar

Wozu braucht man überhaupt eine Unter- und Überspannungsabschaltung?

Eine automatische Unter- und Überspannungsabschaltung kann die Lebensversicherung für ein Funkgerät oder einen Akku sein.

Eine Unterspannungsabschaltung ist immer dann notwendig wenn
1. ein Akku als Stromversorgung dient
2. ein Akku unbeaufsichtigt entladen wird
3. eine Akku-Pufferung über das Netz stattfindet (Netzausfall)
4. ein Funkgerät bei Unterspannung stirbt ;-)

Eine Überspannungsabschaltung wird in der Regel nur dann notwendig, wenn z.B. ein 12V Funkgerät an einem externen 12V Netzteil betrieben wird.
Und auch nur dann, wenn

1. das Netzgerät an seiner Leistungsgrenze betrieben wird so dass der Längsregler durchschlagen könnte und somit die hohe, ungeregelte Spannung, an den Anschlussklemmen zu liegen käme
2. das Netzgerät, hervorgerufen durch HF-Einstrahlung in seiner Regelung, unstabil wird, und es dadurch zu Spannungsspitzen an die Anschlussklemmen kommt, die oberhalb von 13,8V liegen.

Die Anzeige einer erfolgten Abschaltung.
Eine erfolgte Abschaltung wird durch eine rote Leuchtdiode (LED), die sich direkt neben der Auslöse LED befindet, angezeigt und in einem Flip Flop (FF) gespeichert.
Somit erfolgt, auch noch nach einer Abschaltung der Ausgangspannung,
1. die Anzeige des Abschaltekriteriums
2. die Abschaltung bleibt, bis zur Trennung von der Eingangsspannung, gespeichert
3. nach der Trennung erfolgt eine automatische Löschung (Reset) des Speichers

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Kaum zu glauben

Es soll doch tatsächlich 12V Funkgeräte geben, die sich bei einer Betriebsspannung, die knapp unter 12V liegt, automatisch zerstören.
Hier sollte vielleicht, seitens des Herstellers, eine Unterspannungsabschaltung von Haus aus vorgesehen werden, bzw. eine andere Schaltungsvariante der Endstufe gewählt werden.
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Der gute alte Blei Gel Akku

Ansonsten hatte man eher an den, allseits so beliebten Blei-Gel Akku gedacht, als diese Schaltung entwickelt wurde.
Denn dieser Akku-Typ nimmt einem eine Tiefentladung unter Hochstrom besonders übel.
Er ist ansonsten ein lageunabhängiges Allroundtalent mit vielen Facetten.

Und für alle Typen gilt…oder…das Wichtigste zusammengefasst:

Eine Klemmenspannung von 1,8V/Zelle, das entspricht 10,8V bei einem 12V Akku, sollte während der Belastung nicht all zu lange Zeit unterschritten werden. Denn danach kommt bald der Punkt, bei dem die schwächste Zelle im Verbund durch „0“ geht und diese dann, mit einer falschen Polarität, von den anderen Zellen, gegengeladen wird.
Hierbei wird die falsch gepolte Zelle warm und irreparabel geschädigt.

Irrig ist auch die Annahme, das ein Blei Gel Akku mit z.B. einer angegebenen Kapazität von 7Ah, diese innerhalb 1 Stunde abgeben könne.

Mit einem Stromfluss von 7A wird nur etwa 60% der angegebenen Kapazität von 7Ah erreicht, dann hat der Akku seine Entladeschlussspannung erreicht und die Entladung sollte beendet werden.
Die Hersteller von Blei Gel Akkus bedienen sich, zur Ermittlung der Kapazität ihrer Akkus, einer sehr obskuren Messmethode.
Dabei geht man von einer imitierenden Entladung über 20 Stunden aus.
Da sich der Akku in jeder Erholungsphase wieder etwas regeneriert, kommen zum Schluss doch noch etliche mAh zusammen, ohne dass man dabei in die für ihn schädliche Tiefentladungsphase gerät.
An die angegebenen mAh kommt man aber auch heran, wenn man den Akku mit nur 1/10 seiner Nennkapazität entlädt. Das währe, bei einem Akku mit 7Ah, ein konstanter Strom von 700mA, über einen Zeitraum von 10 Stunden.

Bei der Ladung verhält es sich so ähnlich.
Der Blei Gel Akku sollte mit nur 1/10 der angegebenen Kapazität geladen werden.
Hier ist weniger eher besser.
Die Ladeschlussspannung, an den Akkuklemmen gemessen, soll 2.35-2,38V/Zelle, das entspricht 14,1-14,28V bei einem 12V Akku, nicht überschreiten.
Diese Spannungsgrenze wird schon wenige Stunden nach Ladebeginn erreicht.
Falsch wäre es jetzt die Ladung zu unterbrechen, sondern es ist gilt die Spannung stabil zu halten und den sich langsam absinkenden Strom zu beobachten.
Ist dieser nach ca.14-20 Stunden, auf etwa 20mAh abgesunken, so befindet man sich in der Erhaltungsphase, oder Erhaltungsladung.
Theoretisch kann der Akku so ständig am Netz verbleiben (USV- Betrieb), ohne dadurch einen Schaden zu nehmen.
Der Akku hat nun seine maximale Kapazität aufgenommen.

Anforderungen an ein Ladegerät für Blei-Gel Akkus

Das Ladegerät für Blei-Gel Akkus sollte daher immer eine einstellbare (Stufen/Zelle) stabilisierte Ausgangsspannung von z.B. 2,36V/Zelle und einen einstellbaren maximalen Strom von 1/10 der Kapazität des Akkus, liefern können. Der Strom stellt sich während der Ladung automatisch ein und ist von der Qualität des Akkus abhängig.
Weitere Parameter, wie Selbstentladung, Temperatur, Alter und Betriebsart spielen hierbei ebenfalls eine große Rolle, würden den Rahmen dieser Kurzbeschreibung jedoch sprengen.

Welche Variante der Unter- und Überspannungsabschaltung ist für mich die richtige?

Soll die Über- und Unterspannungsabschaltung für den rauhen Außeneinsatz gedacht sein,
so empfiehlt sich unbedingt eine verpolungssichere Variante zu wählen.
Eine Verpolung des Akkus geschieht öfter als man denkt und nicht jedes Funkgerät ist mit einem Verpolschutz ausgestattet (Diode und Sicherung).

So elegant eine elektronische Lösung auch aussieht, empfehlen kann man sie aus den o.g. Gründen nicht immer, es sei denn man schaltet eine Leistungsdiode in ihrer Sperrichtung hinter die erste Sicherung, direkt gegen die Massebuchse am Eingang.
Dann löst, bei einer Verpolung am Eingang der Schutzschaltung, die 25A Sicherung aus.
So benötigt man im dümmsten Fall eine Ersatzsicherung.
Mir ist leider kein elektronischer MOS-FET Leistungsschalter bekannt, der keine Schutzdiode über Source und Drain hat.

Bewährt hat sich die Variante mit einem KFZ-Relais (30A 12V 135mA/65mA).
Das Relais zieht bei einer Verpolung der Eingangsspannung erst gar nicht an und man benötigt auch keine speziellen Ersatzsicherungen von 25A.
Das 12V KFZ Rel. spricht sicher ab 8V an und benötig eine eine Haltespannung von etwa 6V.
Durch ein Herabsetzen der Relaisspannung kann man hier den Strom noch um einige mA reduzieren. Hier wäre noch ein wenig Schaltungstrickserei möglich.
Halbe Spannung, weniger Strom.
Die elegante Lösung wäre ein bistabiles Relais einzusetzen. Leider ist mir auch hier keines bekannt, dass eine so hohe Ströme schalten kann und dabei auch noch verhältnismäßig klein ist.
Man könnte den Kern des KFZ Rel. ausbohren und einen Dauermagneten einsetzen……
Das ist allerdings eine Bastelei, die auch schiefgehen kann…..(neues Experimentierfeld)
Bei Reedrelais wird diese Art der Steuerung gerne für Umschaltkontakte angewendet.

Resume:

Wer um jedes mA kämpfen muss, ist allerdings mit der elektronischen Variante besser bedient.
Bei dem Betrieb an einem externen 12V Netzteil spielt dieses jedoch nur eine untergeordnete Rolle.
Möchte man einen verpolungssicheren Ein/Ausgang haben, so sollten hier verdrehsicherer Hochstromstecker zum Einsatz kommen (z.B. 30A Multiplex-Buchse/Stecker, die im Modellbauhandel erhältlich sind).

Auch Polzangen passen wunderbar, auch auf die verkehrten Pole, eines Autoakkus.
Denn Rot ist Blau und Plus ist Minus - und Schwarz mischt auch noch mit ;-)

Hier sollte jeder selber entscheiden, worauf man besonderen Wert legt.

Ein genauso wichtiger Punkt ist die rechtzeitige Abschaltung der Versorgungsspannung, beim

1. Erreichen der unteren Spannungsgrenze (einstellbare Verzögerung der Abschaltung)
2. Erreichen der oberen Spannungsgrenze (schnelle Abschaltung)

Die Funktionsbeschreibung in Kürze

Der LM3914 als quasi A/D Wandler

Gegenüber dem Fensterdiskriminator TCA965 mit nur 3 LED’s, hat der LM3914 den Vorteil, dass einem jederzeit die aktuelle Spannungslage des Akkus. durch den wandernden Lichtpunkt von 10 LED’s angezeigt wird. In fünf Farbsegmente unterteilte LED Gruppen, sorgen auch im Dunkeln für eine übersichtliche Anzeige.
Auch der Trend der Entladung ist gut sichtbar, da der Übergang von LED zu LED fließend geschieht.
Durch diesen fließenden Übergang der LED Treiberausgänge des LM3914, werden zur exakten Potentialauswertung Gatter mit einem Schmittriggereingang verwendet.
Die untere und die obere Spannungsgrenze (Fenster) werden mittels zweier Trimmpotentiometer eingestellt.
Als Auswertekriterium dienen jeweils die erste und die zehnte LED, bzw. deren Treiber.
Neben jeder dieser LED’s befindet sich eine weitere, gleichfarbige LED, die als Ereignisanzeige dient und deren Ansteuerung durch ein Flip Flop (FF) erfolgt.
Das Ereignis einer Abschaltung bleibt in diesem FF so lange gespeichert, bis durch das Unterbrechen der Eingangsspannung, ein Reset ausgelöst wird und damit eine Löschung erfolgt.
Es leuchten im Normalfall immer nur max. zwei LEDs.

Sperr- und Schutzzeiten Der Spannungsüberwachung.
Nach dem Anlegen der Akkuspannung wird für wenige Sekunden die Auswertung gesperrt, da der LM3914 kurzzeitig ein Low Signal an seine 10 Ausgänge legt.
Dieses Sperre geschieht mittels einer R/C Kombination am Reset Eingang der beiden FF’s
Diese Zeit ist unkritisch.

Eine Überspannung führt zu einer sofortigen Unterbrechung der Ausgangsspannung.
Die kürzeste Reaktionszeit (Trägheit) zur Überspannungsauslösung liegt hier in der Abfallzeit des Relais begründet, kann aber auch mittels eines Jumpers am Eingang des LM3914, bei Bedarf verlängert werden.

Da Blei Gel Akkus relativ „weich“ auf hohe Strombelastungen reagieren, so darf ein kurzes Durchdippen auf unter 10,8V der Akkuspannung, nicht zu einer Auslösung der Schaltung führen, sofern sich die Spannung nach kurzer Zeit wieder auf über 10,8V erholt hat.

Auch in diesem Fall verhindert ein Zeitglied (4,7µ/22µ über Jumper schaltbar) die sofortige Unterbrechung der Stromzufuhr zum Funkgerät.

Bei der Verwendung von LED’s mit einem Strom von nur 2-5mA hat sich gezeigt, dass nur der erste LED Treiber die LED nicht ganz dunkel steuert, obwohl er gesperrt ist.
Diese Erscheinung wird durch einen, zur LED parallel geschalteten Widerstand, weitgehend unterdrückt.

Der mechanischen Aufbau der Schaltung

Ein passendes Gehäuse für die fertige Platine zu finden ist manchmal sehr schwierig, das Problem kennt wohl jeder Entwickler eines Eigenbauprojektes.

Besser ist es allerdings, wenn man es sich Angewohnheit macht, erst nach einem passenden Gehäuse zu suchen, um danach dann die Platinengröße festzulegen.

In diesem, hier vorliegenden Fall, sollte es ein kleines transparentes Kunststoffgehäuse sein.
Hierzu bot sich die Umverpackung für 8 mm Datenbänder gerade zu an.
Es ist eine helle, etwas milchig transparente Schachtel aus Weichplastik.
In ihr passt eine Platine mit den Maßen 100x64x18 mm genau hinein.
Die Bearbeitung des Gehäuses beschränkt sich auf das Bohren der Löcher für die vier Anschlussbuchsen (Telefonbuchsen). Die LED’s werden so lang eingelötet, das sie den Deckel gerade berühren.
Dort, wo sich später die Buchsen befinden, sollten keine Bauteile im Wege stehen.

Dieses Gehäuse erfüllt die nach folgenden Bedingungen optimal, denn es ist

1. klein
2. stoßsicher
3. spritzwasserfest
4. einfach und ohne Werkzeug zu öffnen
5. elektrisch nicht leitend
6. leicht zu bearbeiten
7. es kostet praktisch nichts und die Umwelt wird geschont.

Schaltplan und Layout der Tankuhr