Vergleichen Sie über Entladungsschutz-Trennschaltungen

Ich versuche, eine "Entladeschutz" -Schaltung für einen uC (Arduino) zu implementieren, der von einer Batterie gespeist wird. Der uC überwacht die Batteriespannung und muss in der Lage sein, dem Stromkreis das Ausschalten zu signalisieren. Das Einschalten erfolgt durch Drücken eines Momentschalters. Das Ziel ist es, Strom zu sparen, und die Schaltung sollte im ein- und ausgeschalteten Zustand keinen oder nur sehr wenig Strom (µA) verbrauchen. Aufgrund der Leistungsanforderungen verstehe ich, dass ich eher MOSFETs als BJTs verwenden muss.

Ich habe versucht, die folgende Schaltung zu implementieren: http://educ8s.tv/auto-power-off-arduino-simple-circuit/ die einen N-Kanal-MOSFET verwendet, um die negative Leitung der Batterie zu trennen.

Schaltung 1
(Quelle: educ8s.tv )

Das Ergebnis ist, dass der uC den Drain als Masse verwendet. Wenn ich "Low" vom uC zum Gate senden möchte, erhalte ich seltsame Ergebnisse, die ich nicht verstehe, und der MOSFET leitet. Das einzige Mal, dass es nicht leitet, ist, wenn Gate auf Batteriemasse (Source) heruntergezogen und mit nichts anderem verbunden ist.
Beim Versuch zu verstehen, warum meine Implementierung nicht funktioniert, wie im Artikel, habe ich andere Schaltungen für diesen Zweck gefunden.

Arduino Battery Over-Discharge Protection (O-DP)
Beschreibt eine Schaltung mit zwei BJT-Transistoren, einem NPN und einem PNP.

Schaltung 2

Einfache Niederspannungs-Trennschaltung für Arduino
Beschreibt zwei Schaltungen.

Eine ähnlich der Variante mit zwei BJT-Transistoren, jedoch mit MOSFETs

Schaltung 3

Und ein anderer mit einem Optokoppler und einem MOSFET

Schaltung 4

Ich versuche zu verstehen, was die Unterschiede bedeuten.
Kann die erste Schaltung, 1 MOSFET, funktionieren oder ist sie falsch?
Welche Schaltung ist am energieeffizientesten?
Warum wird ein Optokoppler verwendet? Wie viel Strom verbraucht es und wie ist es im Vergleich zu BJT/MOSFET?
Soll ich das positive Stromquellenkabel oder das negative tauschen? Kann der uC ordnungsgemäß funktionieren, wenn seine Masse Drain und nicht die Masse der Stromquelle ist?

Das Umschalten des positiven Stromkabels hat weniger Chancen auf unbeabsichtigte Folgen. Mein Vorschlag ist, mit dem 3. Diagramm mit 2 FETs zu gehen. Wählen Sie bei jeder Implementierung den FET für die richtigen Betriebsbedingungen. Schauen Sie dazu insbesondere in den Datenblättern nach den Diagrammen von Vds vs. Zum Beispiel würde der 30N06L bei einer Spannung von etwa 3,3 V wahrscheinlich nicht wie beabsichtigt funktionieren und 5 V wären marginal.

Antworten (1)

MOSFETs sind spannungsaktiviert, sodass sie keinen Stromfluss benötigen, um geschlossen/offen zu bleiben. Dies ist eine gute Option für unsere batteriebetriebene Schaltung. Hier sind die verschiedenen Optionen mit MOSFETs und was sie bedeuten.

Schalten der High-Seite (positive Stromleitung) mit einem N-Kanal-Transistor

Vd ist Vbat und Vs=Vout ist nahe bei Vbat (Vbat-Vds), aber normalerweise viel höher als Vgnd. Um einen MOSFET zu öffnen, muss Vgs größer als Vs+Vth=Vout+Vth sein (wobei Vth ein Schwellenwert ist, der vom jeweiligen MOSFET abhängt). Infolgedessen muss Vgs höher als Vout sein, damit die Last es nicht offen halten kann, es sei denn, sie hat eine zweite, höhere Spannungsschiene, die sie steuern kann. Dies ist ein großer Nachteil. Referenzartikel .

Schalten der niedrigen Seite (negative Stromleitung) mit einem N-Kanal-Transistor

Vd = Vout- und Vs = Vgnd, jedoch aufgrund des Abfalls von Vds, Vout-> Vgnd, sodass die Last und der Trennkreis keine gemeinsame Masse haben. Um den MOSFET zu öffnen, muss der uC eine Spannung senden, die kleiner als Vs + Vth = Vth ist, aber er kann nur Vout> Vgnd senden. Abhängig von der Last, dem MOSFET und den verwendeten Widerständen kann man die Schaltung so einstellen, dass Vout unter Vth fällt, aber in der Praxis hat sich gezeigt, dass das Ergebnis für eine bestimmte spezifische Schaltung und uC zu spezifisch wird. Aufgrund fehlender Gemeinsamkeiten kann es sehr leicht zu unerwarteten Konsequenzen mit dem Schaltplan kommen. Dies ist ein Nachteil. Fallstudie , Diskussion

Schalten der Low-Side mit einem P-Kanal-Transistor

Gegenüber hoher Seite und einem P-ch. Macht keinen Sinn. Beide Nachteile plus Logik sind umgekehrt zu dem, was wir wünschen.

Schalten der High-Side mit einem P-Kanal-Transistor

Wir haben eine gemeinsame Basis, so dass der uC so einfach ein Vgnd-Signal senden kann. P-ch ist für den Betrieb auf der High-Side ausgelegt, sodass keine zweite Spannungsschiene erforderlich ist. Das einzige Problem ist die umgekehrte Logik. Wir möchten, dass die Schaltung standardmäßig getrennt wird, sodass der P-ch offen und sein Gate auf HIGH ist. Wenn wir die Schaltung einschalten wollen, müssen wir das Gate auf LOW ziehen und wir können dafür einen zweiten Transistor verwenden (ein N-ch). Siehe Schaltung Nr. 2 und Nr. 3 in der Frage. Dies ist eine gute Option. Referenzartikel , Diskussion

Alternative: Verwendung eines Optokopplers und eines N-Kanals

Eine Möglichkeit, den Mangel an gemeinsamer Masse zu überwinden und den N-Kanal auf der niedrigen Seite zu verwenden, ist die Verwendung eines Optokopplers. Der Nachteil ist, dass es Strom durchlässt und Batterieladung verbraucht, wenn es eingeschaltet ist.

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