Unterspannungswächter

Ein Bleiakku, der unter etwa 10,5 V entladen wird, verliert dauerhaft Kapazität. Lithium-Akkus nehmen eine Tiefentladung noch übler. Trotzdem passiert es ständig: Die Campingleuchte bleibt an, der Kühlschrank im Wohnmobil läuft übers Wochenende, die Solaranlage bekommt eine Woche keine Sonne. Ein Unterspannungswächter passt auf. Er misst die Akkuspannung und trennt die Last, bevor es zu spät ist.

Zwei Dinge muss er richtig machen. Er braucht eine genaue Schaltschwelle, und er braucht eine große Hysterese. Ein entlasteter Akku erholt sich nämlich sofort um einige Zehntel Volt. Ein Wächter mit nur einer Schwelle würde die Last deshalb gleich wieder einschalten, und das Spiel ginge im Sekundentakt weiter. Diese Schaltung schaltet bei 11,0 V ab und erst bei 12,35 V wieder ein, also erst, wenn der Akku nachgeladen wurde. Herz der Schaltung ist eine Spannungsreferenz TL431, die hier als Komparator arbeitet.

Schaltplan

• R1, 18 kΩ, und R2, 4,7 kΩ: ein Spannungsteiler, der die Akkuspannung auf etwa 2,5 V herunterteilt.
• IC1, TL431: vergleicht die Spannung an seinem Referenzeingang mit 2,495 V. Liegt sie darüber, leitet er von der Kathode zur Anode, darunter sperrt er.
• R3, 4,7 kΩ, und R4, 1 kΩ: R3 hält das Gate auf Source-Potenzial, solange der TL431 sperrt. Leitet er, ziehen R4 und der TL431 das Gate nach unten.
• T1, IRF4905: ein P-Kanal-MOSFET mit höchstens 20 mΩ Durchlasswiderstand. Er sitzt als High-Side-Schalter in der Plusleitung.
• R5, 150 kΩ: führt die Spannung am Lastausgang auf den Referenzeingang zurück und erzeugt die Hysterese.
• Last: beliebige 12-V-Verbraucher bis 5 A, etwa Beleuchtung, Pumpe oder Kühlbox.

So funktioniert die Schaltung

Akku voll. Bei 12,7 V liefert der Teiler mehr als 2,495 V an den Referenzeingang. Der TL431 leitet und zieht seine Kathode auf etwa 2 V. Über R3 und R4 fließt Strom, am Gate liegen rund 8 V weniger als an der Source. Der MOSFET leitet voll, die Last bekommt Spannung. Weil der Lastausgang nun auf Akkuspannung liegt, schiebt R5 zusätzlich Strom in den Referenzeingang. Der Teiler sieht dadurch etwas mehr Spannung, als der Akku allein liefern würde.

Akku leert sich. Die Spannung sinkt langsam. Wegen R5 reicht sie bis 11,03 V für die Referenzspannung. Darunter sperrt der TL431, R3 zieht das Gate auf Source-Potenzial, der MOSFET trennt die Last.

Akku erholt sich. Jetzt liegt der Lastausgang auf 0 V. R5 zieht den Referenzeingang nach unten, statt ihn anzuheben. Um wieder einzuschalten, muss der Akku auf 12,35 V steigen. Die Erholung nach dem Abschalten bleibt weit darunter. Erst ein Ladegerät oder die Sonne auf dem Solarmodul hebt den Akku so weit an.

Diese Rückkopplung vom Ausgang auf den Eingang ist eine Mitkopplung wie beim Komparator mit Hysterese. Sie sorgt außerdem für ein sauberes Umschalten: Beginnt der MOSFET zu sperren, sinkt die Spannung am Ausgang, R5 zieht den Referenzeingang weiter herunter, und der Vorgang beschleunigt sich selbst.

Dimensionierung

1. Schwellen festlegen. Abschalten bei 11,0 V unter Last schützt den Bleiakku zuverlässig. Wieder einschalten soll er erst bei etwa 12,4 V, das entspricht einem zu gut zwei Dritteln geladenen Akku in Ruhe.

2. Teiler ohne Hysterese. Ohne R5 gilt U_S = U_ref · (1 + R₁ / R₂). Die Mitte zwischen den Schwellen, rund 12 V, ergibt R₁ / R₂ ≈ 3,8. Damit der Eingangsstrom des TL431 von bis zu 4 µA kaum stört, soll der Teiler einige 100 µA führen: R₂ = 4,7 kΩ und R₁ = 18 kΩ aus der E24-Reihe.

3. Hysterese mit R5. Bei eingeschalteter Last liegt R5 parallel zu R1, bei abgeschalteter parallel zu R2:

Je kleiner R5, desto weiter liegen die Schwellen auseinander. Mit R5 = 150 kΩ:

4. Gate-Ansteuerung. Leitet der TL431, fließt durch R3 und R4

und am Gate liegen −1,75 mA · 4,7 kΩ = −8,2 V gegenüber der Source.

Wie lange ein Akku eine Last versorgt, rechnest du mit dem Rechner für die Akku-Laufzeit aus.

Bauteilliste

Varianten

Andere Akkus. Für einen LiFePO4-Akku mit vier Zellen (12,8 V) liegen sinnvolle Schwellen bei 12,0 V und 13,0 V. Du rechnest mit denselben Formeln neu: zuerst das Verhältnis R1/R2 für die Mitte, dann R5 für den Abstand. Für Lithium-Ionen-Zellen gehört der Schutz meist schon in den Akku selbst, siehe Lithium-Ionen-Akku.

Nur Anzeige. Soll nur eine LED warnen, ohne die Last zu trennen, genügt ein Komparator wie im Artikel Komparator durchgerechnet, oder ein Fensterkomparator, wenn auch Überspannung gemeldet werden soll.

Fertige Bausteine. Spannungsdetektoren wie die TPS3839- oder BD48-Reihe enthalten Referenz, Komparator und Hysterese in einem SOT-23-Gehäuse und brauchen weniger als 1 µA. Für feste Schwellen sind sie die eleganteste Lösung.

Mehr Strom. Für höhere Ströme schaltest du zwei MOSFETs parallel oder nimmst einen Typ mit wenigen Milliohm. Die Ansteuerung bleibt gleich. Wie High-Side-Schalter allgemein funktionieren, zeigt der P-MOSFET als High-Side-Schalter.

Typische Fehler

• MOSFET falsch herum: Mit vertauschtem Drain und Source leitet die Body-Diode immer. Die Last bekommt dann auch bei abgeschaltetem MOSFET Strom, nur 0,7 V weniger. Die Source gehört an den Akku.
• Ohne Last kein sauberes Ausschalten: Hängt nichts am Ausgang, liegt er bei gesperrtem MOSFET nicht auf 0 V, und die Hysterese fehlt. Ein Widerstand von 100 kΩ vom Ausgang nach Masse sorgt für einen festen Pegel.
• TL431 verpolt oder falsch angeschlossen: Bei TO-92-Gehäusen unterscheiden sich die Anschlussbelegungen je nach Hersteller. Prüfe am Datenblatt, wo Referenz, Anode und Kathode liegen.
• Abschaltung im Sekundentakt: Die Hysterese ist zu klein. Prüfe R5: Ein zu großer Wert, etwa 1,5 MΩ statt 150 kΩ, schrumpft den Abstand der Schwellen auf rund 0,15 V.
• Verpolter Akku: Dann leitet die Body-Diode, die Last bekommt die falsche Polarität. Gegen Verwechslungen beim Anklemmen hilft ein Verpolungsschutz mit MOSFET.

Selbsttest