Tiefentladeschutz-Schaltung (Low-Voltage Cutoff): Design, Betrieb und DIY-Anleitung

Aufgeblähte wiederaufladbare Batterien durch Überladung

Quelle: Wikiwand

Bei richtiger Pflege halten wiederaufladbare Batterien mindestens zwei Jahre. Das bedeutet: Schnellladung vermeiden und *vollständige Entladung* verhindern. Werden Akkus regelmäßig tiefentladen, altern sie schneller. Die Lösung: Akku rechtzeitig nachladen – automatisiert durch eine Tiefentladeschutz-Schaltung (Low-Voltage Cutoff). Sie trennt den Akku lastseitig ab und überwacht die Spannung kontinuierlich.

Wir zeigen ausführlich, wie Sie eine solche Schaltung selbst bauen, Anwendungen und mehr.

Sind Sie bereit? Dann legen wir los!

Was ist ein Tiefentladeschutz (Low Voltage Cutoff)?

Ein Tiefentladeschutz ist eine Schaltung, die die an einen Akku angeschlossene Last automatisch abschaltet, sobald die Akkuspannung einen kritischen Schwellenwert unterschreitet. Damit schützt er die Lebensdauer des Akkus.

Theorie des Tiefentladeschutzes

Digitaler Schaltkreis

Das Herzstück ist ein MOSFET-Transistor, der als Schalter in der Plus-Leitung der externen Schaltung fungiert.

Durch den Low-Voltage-Cutoff wird ein gemeinsamer Minus-Potenzial (Common Ground) zwischen Last und Akku ermöglicht – vorteilhaft für viele Anwendungen, z. B. AC-Schaltungen.

Transistoren

Für High-Side-Schaltung (Plus-Seite) muss die Gate-Treibspannung höher sein als die Versorgungsspannung. Erreicht man z. B. mit einem Spannungsverdreier (Charge Pump) auf Basis eines Op-Amps, der ca. 5 kHz Rechtecksignale erzeugt.

Dieses Signal wird in eine Kapazitäts-Dioden-Leiter (Charge Pump) eingespeist, vervielfacht die Spannung auf das Dreifache des Scheitelwerts und treibt das MOSFET-Gate an.

MOSFET-Symbol

Beim Abschalten entlädt ein Widerstand die Gate-Ladung, der MOSFET sperrt.

Drei Spannungskomparatoren im Tiefentladeschutz

Der Spannungskomparator besteht aus:

• Einem festen 5-V-Regler
• Einem Trimm-Poti (Spannungsteiler)
• Einem Dual-Op-Amp

Batterie-Spannungsüberwachungsschaltung

Quelle: Flickr

Das Trimm-Poti als Spannungsteiler legt den Abschaltpunkt fest und schützt den Akku vor Tiefentladung.

Der Op-Amp liefert einen positiven Ausgang, solange die Akkuspannung über dem Schwellwert liegt – so wird Überladung vermieden. Der positive Ausgang biaset über den Spannungsteiler den Oszillator des Op-Amps, der mit minimaler Spannung läuft und den Lader reduziert.

Betriebsphasen

Fällt die Akkuspannung unter den Schwellwert, geht der Op-Amp-Ausgang auf Null. Der Oszillator stoppt, MOSFET und Spannungsverdreier schalten ab. Ein Widerstand liefert Hysterese, um Pendeln am Abschaltpunkt zu vermeiden.

Die Diode trennt die Versorgung, wenn der MOSFET sperrt. Beim Einschalten wirkt der Kondensator kurz als Kurzschluss, zieht die Op-Amp-Versorgung auf Akkuspannung, bis der MOSFET durchschaltet. Dann fließt der Betriebsstrom durch MOSFET und Diode.

Was passiert, wenn der Tiefentladeschutz-Aus schaltet?

Der Komparator wird forciert abgeschaltet (Pin 3 auf Masse gezogen). Der MOSFET sperrt. Wenn das Poti auf V_CC steht, verhindert ein Widerstand den Direktkurzschluss V_CC–Masse. Der Kondensator entlädt sich über Strombegrenzungswiderstand und andere Hälfte des Tasters.

Die Kondensatorentladung ermöglicht den Neustart beim nächsten Einschalten. Die Diode schützt den MOSFET vor schädlichen Spikes induktiver Lasten (Motoren).

Bei Lasten > paar Ampere: MOSFET mit Wärmeleitpaste und Kühlkörper bestücken. Statt DPDT-Schalter können getrennte Ein-/Aus-Taster (Taster zwischen Masse und Op-Amp für AUS, zwischen D6-Kathode und Q1-Drain für EIN) verwendet werden. Hinweis: DC-Schaltungen, C11 und R8 funktionieren nicht mit Tastern.

Aufbau einer Tiefentladeschutz-Schaltung

Tiefentladeschutz-Schaltplan

Quelle: Research Gate © Ravi Ramachandran

Benötigte Bauteile:

• Widerstände (alle ¼ W)
• Transistor
• Diode 1N750
• Relais
• 12-V-Batterie
• Potentiometer
• Dicke Drähte
• Platine (Lochraster/PCB)
• LM324 (Quad-Op-Amp)
• Weiße LEDs
• Keramik-Scheibenkondensator
• Ein- / Ausgansstecker

Aufbauschritte

1. Schaltplan befolgen: Punkt-zu-Punkt-Verdrahtung auf der Platine.
2. Blankdrähte mit Teflon-Isolierung verwenden (schmilzt nicht so leicht).
3. Dicke Drähte für stromführende Leiterzüge.
4. Anschlusstecker montieren. Schaltung fungiert als Schalter: Bei Unterschreitung des Schwellenwerts schaltet sie ab.
5. Bei vollem Akku: Schaltung aus und wieder ein schalten.

Wichtige Hinweise

1. Glühlampe an Lastausgang, Netzteil an Batterieeingang.
2. Poti auf Mittelstellung, variables Netzteil auf 13 V einstellen.
3. Lampe leuchtet nicht? Poti Richtung Masse drehen, Schaltung aus/einschalten. Wiederholen bis Funktion eintritt.

Anwendungen der Tiefentladeschutz-Schaltung

• Gartenbeleuchtung (Landscape Lighting)
• Thermostate
• Türklingeln
• Sicherheitsbeleuchtung im Haus

Abschluss

NiCd- und Blei-Säure-Akkus halten lange, wenn sie im idealen Spannungsfenster betrieben werden (nicht tiefentladen, nicht überladen).

Ein Tiefentladeschutz verhindert extreme Entladung, ein Ladeschluss-Regler (Charge Controller) verhindert Überladung. Die Kombination sichert den optimalen Betriebsbereich.

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