低電圧カットオフ回路：設計、動作、自作ガイド

過充電で膨張した充電池

出典：Wikiwand

充電池を正しく管理・使用すれば、少なくとも2年は持ちます。つまり、急速充電を避けたり、完全放電を防いだりすることがバッテリー寿命延長の鍵です。しかし、定期的に完全放電させると、永久的な劣化までに時間がかかります。最善のアプローチは、必要に応じて充電すること。どうすればいいか？シンプルです。低電圧カットオフ回路を使えば、バッテリーを負荷から自動的に切り離し、電圧を自動監視できます。

興味深いことに、自作方法、用途などを詳しく解説します。準備はいいですか？始めましょう！

低電圧カットオフとは？

低電圧カットオフは、バッテリーに接続された負荷を自動的に遮断するデバイスです。これによりバッテリーの寿命を確保します。

低電圧カットオフの理論

デジタル回路基板

MOSFETトランジスタが低電圧カットオフの心臓部です。外部回路のプラスラインでスイッチとして動作します。低電圧カットオフ回路を適用すると、デバイスの負荷とバッテリー間で共通の負グランドが許容され、AC電気回路など幅広い用途で有用です。

トランジスタ

ハイサイドスイッチングを好む場合は、ゲート駆動電圧より低い電源電圧を使用し、電圧3倍回路で実現します。オペアンプが好例です。約5kHzの矩形波を生成します。さらに、この電圧をコンデンサ/ダイオードのラダー回路に3倍して供給すると、MOSFETをゲートオンさせる信号となり、矩形波ピークカットオフ電圧の3倍の電圧に昇圧されます。

MOSFETシンボル

低カットオフ電圧でシャットオフすると、抵抗の1つがゲート電荷を放電し、MOSFETがオフになります。

低電圧カットオフ回路の3つの電圧コンパレータ

低電圧カットオフ回路の電圧コンパレータは以下で構成されます：

標準5Vレギュレータ
トリマーポット（半固定抵抗）
デュアルオペアンプ

バッテリー電圧監視回路

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低電圧カットオフ回路にはトリマーポットが分圧器として組み込まれ、バッテリーデバイスを損傷から守り、低電圧シャットオフの閾値を設定します。オペアンプも重要な役割を果たし、標準バッテリー電圧が閾値以上なら正の出力を出し、過充電を防ぎます。この正出力が分圧器を通じてバイアスレベルを作り、オペアンプの発振器が最小電圧で動作し、バッテリーチャージャーを抑制します。

動作段階

バッテリー電圧が一定点を下回ると、オペアンプ出力がゼロになり、発振器が停止。MOSFETと電圧3倍回路も停止します。抵抗回路がヒステリシスを生み、シャットオフ電圧付近でのコンパレータ発振を防ぎます。ダイオードはMOSFETオフ時に回路電力を遮断します。回路がオンになると、コンデンサが一時的な短絡として振る舞い、オペアンプVccラインをバッテリーコントローラ電圧まで引き下げ、MOSFETがオンになるまで回路全体を起動させます。その後、直接動作電流がMOSFETとダイオードを通過します。

低電圧カットオフスイッチがオフになると？

コンパレータが強制的にオフになります（ピン3をグランドにショート）。結果としてMOSFETがオフ。トリマーポットがVccに設定されているとき、抵抗がスイッチによるVccの直接グランドショートを防ぎます。また、コンデンサが電流制限抵抗とボタンのもう半分を経由して放電します。この放電が、次回スイッチオン時の回路起動を助けます。ダイオードは、誘導性バッテリー負荷やモーターが生成する有害スパイクからMOSFETを守ります。

負荷が数アンペア未満で一定でない場合、MOSFETに熱伝導グリスとヒートシンクを使用できます。また、DPDTスイッチの代わりにモーメンタリプッシュボタンを使って個別のオン/オフ制御も可能です。ただし、「オフ」プッシュボタンはグランドとオペアンプ間に、「オン」プッシュボタンはD6カソードとQ1ドレイン間に接続します。DC電気回路、コンデンサ(C11)、抵抗(R8)はプッシュボタンでは使用できません。