Akkuwächter mit NCP431
von Jürgen Heidbreder
Motiviert durch den schönen Artikel über den TL431
und dessen Beschaltungsmöglichkeiten möchte ich hier eine
konkreteAnwendung mit dieser Spannungsreferenz beschreiben: einen
Akkuwächter.
Vor Jahren entstand eine Schaltung aus einer
Spannungsreferenz und einem Doppel-Operationsverstärker, der eine
rot-grüne Doppel-LED ansteuerte, die das Folgende anzeigen konnte:
LED leuchtet grün für Spannungen > oberer Schwellwert
LED leuchtet rot für Spannungen < unterer Schwellwert.
LED leuchtet rot/grün, also gelblich bei allen Spannungen zwischen den beiden Schwellwerten.
Die Schaltung war entsprechend aufwändig, weil auch noch zwei Dioden für den Verpolschutz spendiert werden mussten.
Setzt
man die Spannungsreferenzen direkt als aktive Elemente ein, dann geht
das auch, und zwar deutlich einfacher. Einzige Bedingung: die einzelnen
Pins der rot-grünen LED müssen separat zugänglich sein. Die
Standard-5mm-rot-grüne LED mit gemeinsamer Kathode kann leider nicht
verwendet werden.
Schauen wir uns direkt das Schaltbild an. Es
ist ausgelegt für einen 9V-Akku mit Schaltschwellen von 7 V und 9
V. Der linke 431 steuert direkt die grüne LED an. Wird der untere
Schwellwert überschritten, der mit R1 und R2 auf 7 V eingestellt ist,
dann leuchtet die grüne LED. Der rechte 431 muss mit umgekehrter Logik
arbeiten: er muss die rote LED unterhalb des oberen Schwellwerts von 9
V einschalten. Das geht am einfachsten, indem man die rote LED
kurzschließt. Leider ist der 431 kein perfekter Schalter. An seiner
Kathode misst man im eingeschalteten Zustand noch rund 2 V. Das ist für
eine rote LED mit einer Schwellenspannung von rund 1,6 V zu wenig.
Daher muss man die Schwellenspannung mit Hilfe der Diode D1
etwas anheben.
Da ich viele Schaltungen für den rauen
Betrieb am Fahrrad baue, bin ich früh dazu übergegangen, alles nur noch
im SMD-Technik zu bauen. So auch diese Schaltung. Ergebnis ist eine
kleine Platine mit 12 x 10 mm:.
Das hat einen weiteren Vorteil. Wenn man die Schaltschwellen mit diesen Formeln berechnet:
Untere Schaltschwelle Uab1 (grüne LED): R2 = R1* (Uab1/ Uref –1)
obere Schaltschwelle Uab2 (rote LED): R6 = R5* (Uab2/ Uref –1)
dann
werden in den wenigsten Fällen passende Normwerte für dieWiderstände
herauskommen. Es ist aber recht einfach, durch
passendes parallel-Schalten weiterer Widerstände den gewünschten
Wert recht genau zu treffen.
Der obere Schwellwert für 9 V ist
so ein Fall: mit der obigen Formel ergibt sich für R6 = 26 k. Der
nächste, etwas höherer Normwert wäre 27 k. Schaltet man dazu einen
weiterenWiderstand von 820 k (auch ein Normwert) parallel, so erhält
man 26,14 k. Das ist weniger als 1% von Idealwert entfernt. Weil
aber die meisten Widerstände ebenfalls eineToleranz von 1% haben, wird
man ohne größeren Aufwand nicht besser werden. Der
zusätzlicheWiderstand von 820 k wird einfach auf den 27 k-Widerstand
drauf gelötet.
Ich verwende, wie man im Schaltbild auch
erkennt, keinen TL431, sondern die neuerenVersionen wir ZR431
(Reichelt) oder den NCP431 (Pollin). Diese benötigen deutlich weniger
Kathodenstrom (TL431: 250 µA, NCP431: 40 µA) und deutlich weniger
Eingangsstrom am Referenzeingang (TL431: 800 nA, ZR431; 120 nA, NCP431:
81 nA). So kann man die Spannungsteiler deutlich hochohmiger
dimensionieren, was einen stromsparenden Design ermöglicht.
