Stopschakeling

Dit artikel is een vervolg op de stopschakeling om de ontlading te onderbreken als de batterijpack leeg is. Deze schakeling is aangepast voor camping cars en caravans.

Aan-uit schakelaar

Om de voedingsspanning met een N-type mosfet te kunnen schakelen moet de spanning op de gate hoger worden dan de voedingspanning (minstens 5V hoger). Dit wordt hier opgelost door een kleine DC-DC converter die ongeveer 18V levert. Het verbruik is zo laag dat de schakelende voeding niet onderbroken moet worden als de schakeling in stop-modus gaat (verbruik aan: 5mA, verbruik uit: 2mA). Ingeschakelt zou de montage de batterij leeg trekken in een jaar tijd (maar het is wel aangeraden de batterij van de camper regelmatig bij te laden).

Met de weerstand van 1MΩ à 1.5MΩ ontstaat er een hysteresis om te vermijden dat de schakeling constant zou in- en uitschakelen (bij de uitschakeling van de belasting stijgt de batterijspanning opnieuw). Met een weerstand van 1.2MΩ heb je een hysteresis van ongeveer 1.2V (als de uitschakeling bij 10.8V gebeurt, dan gebeurt de inschakeling opnieuw bij 12.0V. Met de trimmer kan de uitschakelspanning ingesteld worden.

Er is een elko van 680µF geplaatst tussen de positieve aansluiting van de trimmer en de massa om de plotse spanningsveranderingen te onderdrukken vooraleer ze op de basis van de eerste transistor terechtkomen. Daarmee wordt vermeden dat een zware verbruiker die de spanning kortstondig doet zakken de schakeling zou uitschakelen. Je kan een waarde kiezen van 22 tot 1000µF. Een klein nadeel is dat bij het onder stroom zetten de inschakeling vertraagd wordt met 5 seconden per 22µF.

Voor de mosfet is het beter van een aantal kleinere (en goedkopere) mosfets in parallel te zetten. Indien je wat reserve wenst in te bouwen om 100A te kunnen schakelen moet de totale ON-weerstand kleiner zijn dan 1.5mΩ. Zelfs met zo'n lage waarde is de dissipatie toch nog altijd 15W. De verliezen zijn groter bij het schakelen, neem dus een ruime marge, zowel wat betreft de koelplaat als de stroom die de mosfets moeten kunnen schakelen.

Als schakeltransistor gebruik ik een AUIRFB8409 die in theorie meer dan 100A kan schakelen. De eigenschappen zijn: maximale voedingsspanning (source-drain): 40V, R ON 1.2mΩ en een stroom van meer dan 100A. Om de dissipatie te beperken gebruik il één transistor per 10A. De transistor gaat in geleiding vanaf een gatespanning van 4V, maar je moet minstens 6V hebben als de transistor een stroom van 10A moet leveren (anders is de inwendige weerstand te hoog en wordt de transistor zeer snel warm).

Drukknop AAN (en UIT)

De startknop zorgt dat de schakeling voeding krijgt via de massa. Is de voedingsspanning hoog genoeg, dan schakelen de transistoren in, waardoor de voeding van de schakeling en de gebruikers aanwezig blijft als de drukknop losgelaten wordt. Zakt de spanning onder de limiet, dan schakelen alle transistoren uit, waardoor ook de voeding van de schakeling wegvalt.

Een voordeel van deze schakeling is dat de gebruikers niet meer automatisch ingeschakeld worden als de batterijspanning weer stijgt (Peukert effekt). Het verbruik wordt dan nul (verliesstroom van een paar µA door de mosfet 2N6660).

Het is mogelijk een stopknop te voorzien, die de de spanning op de basis van de eerste transistor verlaagt (zichtbaar op de grote afbeelding, klik op de thumbnail) . Daardoor gaat de eerste transistor (comparator) uit geleiding, waardoor ook de rest uitgeschakeld wordt.

Een verdere evolutie van de schakeling is te vinden op de pagina over een laadautomaat voor een camperbatterij.

Specifieke eigenschappen van de vermogen MOSFET

Bij een mosfet transistor hebben we een stijging van de weerstand met de temperatuur, en dus een betere verspreiding van de warmte in de transistor zelf. Mosfet transistoren vertonen daarom geen second breakdown.

Maar een stijging van de weerstand in de mosfet transistor veroorzaakt ook een hogere dissipatie, en dus een verdere stijging van de temperatuur, enz. Om een idee te geven van de stijging, een mosfet op 20° heeft een inwendige weerstand van 1.2mΩ en op 50° een weerstand van 15mΩ. Bij een stroom van 10A (wat een gewone stroom is in deze soort applikaties) wordt de dissipatie meer dan tienmaal hoger, waardoor de transistor nog warmer wordt als die onvoldoende gekoeld wordt.

De lekstroom door de gate stijgt ook met de temperatuur (en ook gedeeltelijk door de drainstroom). Terwijl die beneden de 10µA is voor een temperatuur van 20° en 10A, stijgt die tot ongeveer 1mA bij 50° (afhankelijk van de type transistor). De geïsoleerde gate van een mosfet is dus eigenlijk niet volledig geïsoleerd: er loopt een kleine stroom door de gate (weliswaar zeer klein in vergelijking met de drainstroom).

De schakeling die met 22V gevoed wordt trekt 2.5mA (rond de PNP transistor: polarisatie, basestroom en collectorstroom). Onze DC-DC converter met CMOS 4049 kan deze stroom probleemloos leveren, maar er kunnen problemen ontstaan als de gatestroom hoger wordt, waardoor de gatespanning zakt (de gate moet een spanning hebben die minstens 6V hoger ligt dan de source). Daardoor daalt ook de geleiding van de transistor, waardoor de dissipatie verder stijgt, enz. De transistor kan heel snel beschadigd worden bij een stroom van 10A als die geen enkele koeling heeft.

Om dit effekt te vermijden moet de transistor zeer goed gekoeld worden. In deze schakeling moet de stroom door een transistor beperkt worden tot minder dan 10A (mosfet transistoren in TO220 behuizing), zelfs als de specs aangeven dat de transistor 100A kan leveren. Omdat de inwendige weerstand van een transistor stijgt met de temperatuur heb je een automatische egalisatie van de warmte-ontwikkeling over de verschillende transistoren.

Omdat de drainstroom per transistor lager is, is ook de lekstroom lager (de lekstroom stijgt ongeveer kwadratisch met de drainstroom), zelfs al blijft de totale stroom gelijk.

De DC DC omvormers worden hier besproken.

-