Детектор разряда литиевого аккумулятора

Иногда в простых (или не очень простых) конструкциях возникает необходимость отслеживать порог разряда литиевого аккумулятора. 
В случае применения микроконтроллера все просто, в МК обычно есть встроенный источник опорного напряжения и АЦП. Ну или хотя бы компаратор. Тогда напряжение аккумулятора можно отслеживать самим микроконтроллером.

А что делать, если устройство не содержит МК или содержит ну совсем-совсем простой МК без ИОН, АЦП и компаратора? 

В данном случае нам поможет простой и достаточно стабильный "управляемый стабилитрон" - TL431. 

Я понимаю, что TL431 - это интегральная схема разработки Texas Instruments 1977 года и ее внутренняя структура и применение разжевано вдоль и поперек. Но все же я опишу здесь простой принцип ее работы и приведу парочку простых схем детекторов разряда аккумулятора.

Начнем с внутренней структуры.
Интегральная схема представляет собою операционный усилитель, нагруженный на транзистор.
Инвертирующий вход усилителя подключен к достаточно точному внутреннему источнику опорного напряжения. 
Неинвертирующий вход выведен на управляющий вывод интегральной схемы.

Wiki

Когда напряжение на управляющем выводе меньше опорного - транзистор закрыт. При этом через интегральную схему, в зависимости от приложенного напряжения, будет протекать ток собственного потребления порядка 100..200 мкА, возрастающий при приближении к порогу переключения. 
Когда напряжение на управляющем выводе достигнет порога переключения - управляющий транзистор начнет открываться и протекающий через ИС ток будет определяться схемой включения ИС.

Поскольку ИС позиционируется, как управляемый стабилитрон, принято её выводы и называть анодом и катодом, по аналогии со стабилитроном. Ну и управляющий вывод, куда ж без него.

Типичное включение TL431 в режиме стабилитрона выглядит так:

Когда напряжение +U менее 2.5 вольт, выходной транзистор ИС закрыт, через нагрузочный резистор протекает мизерный собственный ток потребления ИС.
Соответственно, на выходе OUT1 будет почти полное напряжение питания +U, а на выходе OUT2 - десятки милливольт. Эти напряжения определяются нагрузочными резисторами R1 и R2 и собственным током потребления ИС.

Как только напряжение питания достигнет порога переключения ИС, начнет открываться внутренний транзистор ИС. Поскольку в данном включении управляющего вывода ИС (подключен к катоду) реализована отрицательная обратная связь, то ИС будет стараться поддерживать свои 2.5 вольта между катодом и анодом при любых девиациях питания от 2.5 вольт и до максимально допустимого для ИС напряжения питания. А остальное напряжение будет падать на нагрузочном резисторе.

Соответственно, на выходе OUT1 будет поддерживаться напряжение +2.5 вольт относительно общего провода, а на OUT2 -2.5 вольт относительно питания +U.

Почему же ИС называют управляемым стабилитроном?
Да потому, что управляющий вывод можно подключать разными способами, тем самым меняя напряжение стабилизации или вообще используя ИС как компаратор.

Стабилитрон с произвольным напряжением стабилизации.

Делитель R2R3 понижает напряжение на управляющем выводе, заставляя ИС открывать внутренний транзистор при большем напряжении между анодом и катодом.
Напряжение стабилизации определяется следующим выражением:

Uстаб = 2.5 * ( 1 + R2/R3 )

При этом, учитывая достаточно высокое входное сопротивление управляющего вывода ИС, значения R2 и R3 можно выбирать достаточно большие - единицы-десятки кОм.

Ну вот немножко теории закончено, можно попробовать и к практике перейти.

Схема 1. Детектор снижения напряжения на литиевом аккумуляторе.

Воспользуемся маломощным биполярным транзистором и знанием того, что транзистор начинает открываться при напряжении порядка 0.5 вольта и полностью открывается при напряжении 0.6...0.65...0.7 вольта.

В данной схеме транзистор Q1 начнет открываться при напряжении на резисторе R1 порядка 0.5 вольт и откроется при напряжении 0.6-0.65 вольт.

А напряжение на резисторе R1 равно напряжение +U минус напряжение стабилизации TL431.
Т.е. 0.5 вольта на резисторе будут как раз при питании в 3 вольта.

Соответственно, при напряжении ниже 3 вольт транзистор закрыт и на выходе OUT у нас 0 вольт, когда напряжение достигнет 3 вольт транзистор начнет открываться. При достижении 3.1..3.15 вольта - на OUT будет практически полное напряжение +U за исключением падения на открытом транзисторе.

Сигнал OUT можно использовать далее в цепях управления преобразователями, стабилизаторами и т.д., в зависимости от схемы устройства.

Потребление схемы - порядка 0.7 - 1.5мА при напряжениях от 3.2 до 4.3 вольт. При закрытии Q1 потребление падает до 0.25 мА и ниже.

R3 можно уменьшить до 300-800 Ом и последовательно с ним можно включить светодиод. Тогда получится индикация нормального напряжения питания. 
Можно попробовать подключить светодиод параллельно транзистору, тогда он будет светиться только при закрытом транзисторе - т.е. при снижении напряжения ниже определенного уровня. Но так делать не рекомендуется, поскольку при открытом транзисторе через R3 будет продолжать течь достаточно большой ток (мы же уменьшили сопротивление резистора), что негативно скажется на продолжительности работы устройства от аккумулятора.
Для индикации пониженного напряжения целесообразно добавить еще pnp-транзистор и резистор. Вот так:

В этом случае к собственному потреблению добавляется еще ток через светодиод, который определяется резистором R5.

Если необходимо поднять порог срабатывания детектора - достаточно к ИС добавить делитель напряжения, рассчитав его по ранее приведенной формуле и помня, что транзистору нужно для открытия 0.5 вольт и выше.

Т.е. что бы порог детектирования был, например, 3.3 вольта, то напряжение стабилизации должно быть 3.3 - 0.5 = 2.8 вольта.

Данная схема имеет недостатки.
Один из них - зависимость напряжения открытия транзистора от окружающей температуры и от экземпляра примененного транзистора. Но для определения, "сел" аккумулятор или нет, это не очень критично.

Второй недостаток - в диапазоне от 3 до 3.15 вольта напряжение на коллекторе транзистора будет плавно меняться от 0 и до напряжения питания. В некоторых случаях, когда OUT управляет какой то схемой с логическим входом разрешения работы, схема может повести себя непредсказуемо.

Третий недостаток. При понижении напряжения аккумулятора растет его внутреннее сопротивление. И блокировка работы (выключение) нагрузки может привести к небольшому возрастанию напряжения на аккумуляторе, достаточному, что бы детектор напряжения обратно разрешил работу нагрузки. Нагрузка опять просадит напряжение, детектор ее отключит. Т.е. возникнут колебания. Это отрицательно повлияет на эксплуатацию устройства, на саму нагрузку. Да и пользователь будет в непонятках, почему это фонарик странно так замигал....

Для устранения второго недостатка можно воспользоваться тем, что TL431 - по своей сути компаратор. 

Схема 2. Улучшенный детектор снижения напряжения на литиевом аккумуляторе.

Управляющий вывод отключим от катода и подключим к делителю напряжения. Тем самым убирается отрицательная обратная связь и ИС перестает работать стабилитроном.
Делитель подбирается так, что бы в средней точке было 2.5 вольта при минимальном рабочем напряжении аккумулятора.

При указанных на схеме номиналах делителя R2R3 напряжение в 2.5 вольта достигается при напряжении +U около 3.19 вольт. Рассчитывается по приведенной ранее формуле для Uстаб.

В реальности (и в зависимости от применённой TL431) втекающий в ИС ток по управляющему выводу может немножко сдвинуть это напряжение на 10-20 милливольт вверх... 

Когда напряжение на управляющем входе ниже 2.5 вольт, выходной транзистор ИС закрыт, через R1 течет только мизерный собственный ток потребления ИС, которого не хватает для открытия Q1. Как только напряжение достигает порога срабатывания, выходной транзистор ИС откроется и через R1 потечет ток. напряжение на резисторе поднимется выше порога открытия Q1 и транзистор откроется.

В отличии от предыдущей схемы, здесь для перехода между состояниями достаточно пары десятков милливольт.

Моделирование в Протеусе подтверждает работу схемы

Желтый график - напряжение питания (клетка 200 мВ)
Красный график - работа первой схемы. Видно, что ощутимое изменение состояния детектора соответствует приблизительно 150 милливольтам возрастания напряжения питания, а весь переходной процесс растягивается почти на 300 милливольт. 
Синий график - вторая схема. Здесь переключение происходит почти мгновенно.

Такая же картинка наблюдается и при понижении напряжения питания.

Потребление схемы при высоком уровне на выходе OUT - 1.5 - 2 мА, при низком - определяется собственным потреблением ИС и делителем R2R3 и составляет десятки микроампер.

Остается третья проблема - потенциальное возникновение генерации вблизи порога.
Но решается эта проблема еще проще, всего одним резистором положительной обратной связи.

Схема 3. Детектор снижения напряжения на литиевом аккумуляторе с гистерезисом

Добавляется один резистор R6, который и реализует положительную обратную связь, ускоряя переключение.

Рассмотрим работу схемы.
Пусть напряжение +U выше порогового. Тогда Q1 открыт и на выходе OUT высокий уровень. И R6, с точки зрения схемотехники, подключен параллельно R2.
Считаем: 10кОм || 150кОм = 9.375 кОм. Соответственно, пороговое напряжение переключения снижается и будет равно 2.5*(1+9.375/36) = 3.15 вольта.

Как только напряжение достигнет  этих 3.15 вольт, выходной транзистор ИС начнет закрываться, транзистор Q1 тоже начнет закрываться, тем самым отключая правый вывод резистора R6 от цепи +U. Тем самым этот резистор перестает влиять на сопротивление R2 и напряжение на управляющем выводе ИС снижается еще больше. Процесс протекает лавинообразно и в результате транзистор Q1 оказывается полностью закрытым и на выходе OUT будет низкий потенциал, в районе 100-150 милливольт. Это напряжение определяется составным делителем R2R3R6R5.
А резистор R6 вместе с резистором R7 оказываются включены параллельно R3.
И их общее сопротивление будет 36кОм || (150кОм+8.2кОм) = 29.326 кОм.
Соответственно, при повышении напряжения переключение ИС сможет произойти только при напряжении 2.5*(1+10/29,326) = 3.35 вольт. По достижению порогового напряжения произойдет обратный вышеописанному лавинообразный процесс и транзистор Q1 окажется открытым и на выходе OUT будет высокий уровень.

Таким образом, обеспечивается петля гистерезиса шириной около 200 мВ - от 3.15 до 3.35 вольт. 

Тут так же свои 10-20 милливольт может добавить втекающий в ИС ток.

Конденсатор C1 обеспечивает при включении питания кратковременное подключение управляющего вывода ИС к шине питания. Тем самым достигается принудительное включение высокого уровня на выходе OUT, если напряжение питания попадает в интервал петли гистерезиса.

Потребление схемы при высоком уровне на выходе OUT - 1.5 - 2 мА, при низком - определяется собственным потреблением ИС и делителем R2R3 и составляет десятки микроампер.

Моделирование в Протеусе (клетка - 200 мВ):

Следует заметить, что выход OUT данной схемы можно подключать только к каскадам с высоким входным сопротивлением. В противном случае нагрузка может оказать влияние на обратную связь и уровни петли гистерезиса. Для подключения низкоомной нагрузки или светодиодов можно воспользоваться n-или p-канальным полевым транзистором. Полевой транзистор имеет очень высокое входное сопротивление и не окажет влияния на работу детектора.

Но если  необходима только индикация низкого напряжения батареи, то первой схемы будет достаточно. Вторая или третья схемы нужны больше для управления режимами работы устройства.