DE19835183A1 - Protection circuit for accumulator is based on thyristor principle with two transistors that keep each other conducting or not conducting, and protects against short circuit and excessive discharge - Google Patents

Abstract

The circuit is based on the principle of the thyristor, has two transistors (T1, T2) that keep each other conducting or not conducting, consumes very little current because of the thyristor principle and provides protection against short circuit and excessive discharge. A FET (T3) is protected against excessive current and power so that the conductivity at low drain source voltages can be used to the greatest possible extent.

Description

Translated fromGerman

Akkus koennen grosse Stroeme liefern, sind also potentiell feuergefaehrlich.Batteries can deliver large currents, so they are potentialflammable product.

Akkus die aus vielen Zellen bestehen sind auch leicht zu beschaedigen wenn sie zu tief entladen werden.Batteries that consist of many cells are also easy todamage if they are discharged too deeply.

Dann wird die erste Zelle die leer ist oft in die falsche Richtung aufgeladen durch den Strom der produziert wird von den noch nicht leeren Zellen.Then the first cell that is empty often goes into the wrong oneDirection charged by the electricity that is being producedfrom the not yet empty cells.

Darum gilt speziell fuer Ni-Cd- und Ni-Metallhydrid-Akkus die Regel dass sie nicht tiefer entladen werden sollen als 1 Volt per Zelle.That is why it applies especially to Ni-Cd and Ni-metal hydride batteriesthe rule that they should not be unloaded deeperas 1 volt per cell.

Die hier praesentierte Akku Schutzschaltung bietet eine Loesung fuer diese Probleme, gerade weil die Schaltung in dem Akkubehaelter eingebaut werden kann.The battery protection circuit presented here offers oneSolution to these problems, precisely because the circuit inthe battery case can be installed.

Komponentenliste beiBild 5Component list atpicture 5

A Mehrzellige Akku, in diesem Beispiel 12 V
S Schmelzsicherung z. B. 10 A flink (nur wichtig wenn die elektronische Sicherung fehlt)
C1 Kondensator (elektrolytisch) 0,47 µF
C2 10 nF (nur gegen Empfindlichkeit fuer Hochfrequenzspannung)
C3 1 nF (ebenso)
C4 100 nF (ebenso)
R1 1,5 MOhm
R2 1,5 MOhm
R3 1,5 MOhm
R4 4,7 MOhm
R5 330 kOhm
R6 10 kOhm
R7 0,05 Ohm
T1 PNP Transistor Silicium z. B. BC557
T2 NPN Transistor Silicium z. B. BC547
T3 Leistungs-MOSFET z. B. BUZ11 auf Kuehlblech montiert
Z Zenerdiode die auch bei 3 µA die gewuenschte Zenerspannung behaelt z. B. ZPD 9,1 V (die meisten kleinen Zenerdioden sind fuer etwa 1 mA bemessen, also dies muss geprueft werden)
D Siliciumdiode z. B. 1N4148

A Multi-cell battery, 12 V in this example
S fuse f. B. 10 A fast (only important if the electronic fuse is missing)
C1 capacitor (electrolytic) 0.47 µF
C2 10 nF (only against sensitivity for high frequency voltage)
C3 1 nF (also)
C4 100 nF (likewise)
R1 1.5 MOhm
R2 1.5 MOhm
R3 1.5 MOhm
R4 4.7 MOhm
R5 330 kOhm
R6 10 kOhm
R7 0.05 ohm
T1 PNP transistor silicon z. B. BC557
T2 NPN transistor silicon z. B. BC547
T3 power MOSFET z. B. BUZ11 mounted on a cooling plate
Z Zener diode which holds the desired Zener voltage even at 3 µA z. B. ZPD 9.1 V (most small Zener diodes are rated for about 1 mA, so this must be checked)
D silicon diode z. B. 1N4148

Beschreibung der WirkungDescription of the effect

In dem Arbeitszustand leitet T3 und haelt seinen Drain auf niedrige Spannung gegenueber den Minuspol des Akkus (Referenzpunkt) Z leitet und haelt T1 leitend. T1 haelt T3 leitend.In the working state, T3 conducts and keeps its drain openlow voltage compared to the negative pole of the battery(Reference point)Z conducts and keeps T1 conductive. T1 keeps T3 conductive.

Wenn ein grosser Strom fliesst leitet T2 und begrenzt den Strom auf einen Wert der nicht schaedlich ist fuer T3. T2 schuetzt T3 auch gegen ein zu grosses Strom.Spannungsprodukt.When a large current flows, T2 conducts and limits itCurrent to a value that is not harmful to T3.T2 also protects T3 against an excessive current. 

Wenn ein (zu) grosser Strom fliesst und nach einigen Sekunden ist T3 noch nicht faehig um seinen Drain auf niedrige Spannung zu bringen, dann sperrt T1 und auch T3. Dann liefert der Akku nur noch einen Strom von ca. 40 µA der durch R5 fliesst. Die Zeitverzoegerung ist notwendig um auch Geraete mit grossen Elkos und Gluehlampen mit niedrigem Widerstand des kalten Gluehfadens betreiben zu koennen.When a (too) large current flows and after someSeconds T3 is not yet able to open its drainbring low voltage, then locks T1 and also T3.Then the battery only delivers a current of approx. 40 µAthat flows through R5. The time delay is necessaryaround devices with large electrolytic capacitors and incandescent lampslow resistance of the cold filament operate toocan.

Wenn die Last weggenommen wird von den Anschlusspunkte (+ und -) bringt der Strom durch R5 den Drain des T3 wieder auf niedrige Spannung, Z leitet wieder und T1 und T3 leiten wieder. Die Schaltung ist wieder in dem Arbeitszustand.When the load is removed from the connection points(+ and -) the current through R5 restores the drain of T3to low voltage, Z conducts again and T1 and T3 conductagain. The circuit is again in the working state.

Mit der Schaltung in Arbeitszustand und eine angeschlossene Last wird der Strom durch Z zu klein werden um T1 leitend zu halten wenn die Akkuspannung unter ca. 10 V herabfallt. T3 sperrt dann und wieder bleibt ein Strom von etwa 40 µA fliessen. Auch wenn der Akkuspannung wieder steigt (unbelastet) bleibt die Schaltung im Schutzzustand. Das wegnehmen der Last wird die Schaltung wieder in dem Arbeitszustand zurueckbringen.With the circuit in working condition and a connectedUnder load the current through Z will become too small to conduct T1to hold when the battery voltage drops below approx. 10 V.T3 then blocks and again a current of about 40 µA remainsflow. Even if the battery voltage rises again(unloaded) the circuit remains in the protected state.Removing the load will put the circuit back in theBring back working condition.

In dem Arbeitszustand verbraucht die Schaltung einen Strom von ca. 5 µA.In the working state, the circuit consumes a currentof approx. 5 µA.

Das Laden des Akkus kann durch den Anschlusspunkte (+ und -) stattfinden.The battery can be charged through the connection points(+ and -) take place.

Wenn die Anschlusspunkte (+ und -) kurzgeschlossen werden mittels ein Strommessgeraet wird man waehrend einigen Sekunden einen Strom sehen der weniger ist als der Grenzstrom. Das wird dadurch verursacht weil die Schaltung auf Leistungsgrenze des FETs abschaltet.When the connection points (+ and -) are short-circuitedby means of an ammeter you become duringsee a stream less than that for a few secondsLimiting current. This is because the circuitswitches off at the power limit of the FET.

Diese Akkuschutzschaltung kann fest eingebaut sein in dem Akkubehaelter, auch bei kleinen Akkus, so dass der Benutzer die Akku nicht ohne Schutzschaltung betreiben kann. Bei Ni-Cd-Akkus will der Benutzer oft die Akku bis zum Ende der Ladung benutzen, um das Memory Effekt zu entgehen. Das wird mit diese Schutzschaltung moeglich. Das Ergebnis ist ein Akku der nur noch durch falsch Laden zerstoert werden kann. Wenn man ein gesichertes Ladegeraet benuetzt, mit begrenzter Strom und automatisch Abschalten des Ladestroms bei maximal zugelassene Ladespannung, hat man ein elektrisch fast unzerstoerbares System.This battery protection circuit can be permanently installed in theBattery container, even with small batteries, so that the userthe battery cannot operate without a protective circuit.With Ni-Cd batteries, the user often wants the battery to the enduse the charge to avoid the memory effect.This is possible with this protective circuit.The result is a battery that is only wrongStore can be destroyed. If you have a securedCharger used, with limited current and automaticallySwitching off the charging current at the maximum permittedCharging voltage, you have an almost indestructible electrical chargeSystem.

Stand der TechnikState of the art

In das Europaeische Patent Nr. 85300085.9 "Intrinsically safe miner's lamp" wird eine Schaltung praesentiert mit 2 Komparators und einem FET. Hier ist der FET nicht geschuetzt gegen zu viel Leistung, die Steuerschaltung verbraucht viel Strom (einigen mA), und die Abschaltung bei zu niedrige Akkuspannung ist offenbar basiert auf der Gate-Schwellenspannung des FETs. Das bedeutet das diese Schaltung nur geeignet ist fuer Batterien von 3 bis 5 Ni-Cd- oder Ni-Metallhydrid-Zellen.In European Patent No. 85300085.9 "Intrinsicallysafe miner's lamp "a circuit is presented with 2Comparator and a FET. The FET is not hereprotected against too much power, the control circuitconsumes a lot of current (a few mA), and the shutdown attoo low battery voltage is apparently based on theGate threshold voltage of the FET. That means thisCircuit is only suitable for batteries from 3 to 5Ni-Cd or Ni-metal hydride cells. 

Wie man von einem Thyristor nach die Akkuschutzschaltung kommt:
Bild 1 stellt einen Thyristor da, mit Gleichspannungs­quelle und Lampe. Der Thyristor ist aufgebaut durch 2 Transistoren und 2 Widerstaende. Es gibt 2 moegliche Zustaende: Strom fliesst oder Strom fliesst nicht.
InBild 2 ist die Lampe auf eine andere Stelle in der Schaltung angebracht. Jetzt gibt es die Moeglichkeit der Steuertransistor (PNP) viel weniger Strom leiten zu lassen als der Ausgangstransistor (NPN).
InBild 3 kann der Steuertransistor noch viel weniger Strom leiten bei gleichbleibender Ausgangsstrom weil der NPN Transistor ersetzt ist von einem FET.How to get the battery protection circuit from a thyristor:
Figure 1 shows a thyristor with a DC voltage source and lamp. The thyristor is made up of 2 transistors and 2 resistors. There are two possible states: electricity flows or electricity does not flow.
InFigure 2, the lamp is attached to another location in the circuit. Now there is the possibility of having the control transistor (PNP) conduct much less current than the output transistor (NPN).
InFigure 3 the control transistor can conduct much less current with the same output current because the NPN transistor is replaced by an FET.

Der Zenerdiode und Serienwiderstand (S) inBild 4 sorgen dafuer dass der umgebaute Thyristor von selbst abschaltet wenn die Spannung der Spannungsquelle unter einen Grenzwert kommt. Die Gate-Schwellenspannung koennte besser nicht dafuer benutzt werden denn der FET soll bei herabsinkender Akkuspannung oder beim Liefern eines grossen Stroms so lange wie moeglich voll offengesteuert sein.The Zener diode and series resistor (S) inFigure 4 ensure that the converted thyristor switches off automatically when the voltage of the voltage source comes below a limit. The gate threshold voltage could not be used better because the FET should be fully open-controlled as long as possible when the battery voltage drops or when a large current is supplied.

T2, R3, R5, R6, R7 hinzufuegen um T3 zu schuetzen, C1 hinzufuegen um zu vermeiden dass die Schaltung zu schnell abschaltet, D hinzufuegen um zu vermeiden dass C1 bei Kurzschluss direkt entladen wird, und man hatBild 5, die Akkuschutzschaltung.Add T2, R3, R5, R6, R7 to protect T3, add C1 to prevent the circuit from switching off too quickly, add D to prevent C1 from being directly discharged in the event of a short circuit, and you havepicture 5, the battery protection circuit.

Gluecklicherweise dient der Strom durch R5 auch noch dafuer um die Schaltung vom Schutzzustand in dem Arbeitszustand zurueck zu bringen wenn die Last abgekoppelt wird.Fortunately, the current through R5 also serves this purposeto switch from the protection state to the working statebring back when the load is disconnected.

Claims (3)

Translated fromGerman

1. Akkuschutzschaltung die auf das Prinzip des Thyristors basiert ist: 2 Transistoren die einander leitend halten oder nicht, die wegen des Thyristorprinzips sehr wenig Strom verbraucht und die Schutz bietet gegen Kurzschluss und Tiefentladung.1. Battery protection circuit based on the principle of the thyristoris based: 2 transistors that keep each other conductiveor not, because of the thyristor principleuses little electricity and offers protection againstShort circuit and deep discharge.2. Akkuschutzschaltung wie oben der ausgestattet ist mit einem FET der geschuetzt ist gegen zu viel Strom und gegen zu viel Leistung, so dass die Stromleitungsfaehigkeit bei niedrigen Drain Source Spannungen so gut wie moeglich benutzt werden kann.2. Battery protection circuit as above which is equipped witha FET that is protected against too much current and againsttoo much power, so the power transmission capability atlow drain source voltages as much as possiblecan be used.3. Akkuschutzschaltung wie oben die einen Zenerdiode benutzt um den Spannungsgrenzwert zu bestimmen, so dass jede Zahl von in Reihe geschalteten Zellen geschuetzt werden kann, die eine Mindestspannung liefern die gross genug ist um den FET voellig leitend zu steuern.3. Battery protection circuit as above the one Zener diodeused to determine the voltage limit so thatprotect any number of cells in seriesthat can provide a minimum voltage which is greatis enough to completely control the FET.