Laagspannings Afschakelschakeling (Low Voltage Cutoff): Ontwerp, Werking & Zelfbouw

Herlaadbare batterijen (Li-ion, LiFePO4, Pb-zuur, NiMH) houden jaren als je ze niet diepontlaadt en niet overlaadt. Een Low Voltage Cutoff (LVC) – of onderSpanningsBeveiliging (OSB) – scheidt de batterij van de last zodra de spanning onder een veilige drempel daalt. Dit artikel legt de theorie uit, toont een MOSFET-gebaseerd ontwerp met comparator en geeft een stappenplan voor zelfbouw.

Wat is een Low Voltage Cutoff?

Een schakeling die de last automatisch ontkoppelt van de batterij wanneer de batterijspanning onder een ingestelde drempel (bijv. 10,5 V voor 12 V Pb-zuur, 2,5 V/cel voor Li-ion) daalt. Voorkomt diepontlading → verlengd batterijleven.

Theorie: MOSFET als Ideale Schakelaar

Een P-kanaal MOSFET (of N-kanaal in hoogzijde met charge pump) in de plus-leiding fungeert als laag-ohmige schakelaar (Rds(on) < 10 mΩ).

• Aan: Gate naar source gespannen (Vgs < Vth negatief voor P-ch) → last verbonden.
• Uit: Gate = Source → MOSFET blokkeert → last losgekoppeld.
• Voordeel t.o.v. relais: Geen mechanische slijtage, sneller, kleiner, geen knispercontacten.
• Voordeel t.o.v. diode: Geen 0,7 V spanningsval → meer beschikbare capaciteit.

Gate Drive voor P-MOSFET (Hoogzijde)

Als batterijspanning > gate-drive spanning (bijv. 12 V batterij, 5 V logica), heb je een level shifter nodig (bijv. NPN transistor + pull-up weerstand) of een charge pump (bijv. TC7660) om Vgs negatief genoeg te maken. In het besproken ontwerp wordt een op-amp oscillator + spanningsverdrievouder (ladder C/D) gebruikt om ~15 V gate-drive te genereren vanaf 5 V.

Comparator-gebaseerde Detector (3 Spanningsvergelijkers in 1 Chip)

De kern is een duale op-amp (bijv. LM358, LM324) of comparator (LM393) met:

1. Referentie: 5 V regelaar (78L05) + trimmer (spanningsdeler) → instelbare Vref (bijv. 2,5 V).
2. Meetdeling: Batterijspanning gedeeld door precisie-weerstanden (bijv. 100 kΩ / 10 kΩ) → Vmeet.
3. Vergelijking: Vmeet < Vref → output laag → MOSFET UIT. Vmeet > Vref → output hoog → MOSFET AAN.
4. Hysterese: Terugkoppelweerstand van output naar + ingang (bijv. 1 MΩ) → ~100-200 mV hysterese → voorkomt flikkeren bij drempel.

Oscillator + Charge Pump (voor hoge Vgs)

Op-amp 2 geconfigureerd als astabiele multivibrator (~5 kHz) → vierkantsgolf → diode/condensator ladder (voltage tripler) → ~15 V gate-drive voor P-MOSFET bij 12 V batterij. Zodra comparator "UIT" geeft → oscillator stopt → gate ladingen gelekt via weerstand → MOSFET dicht.

Gedrag bij Uitschakelen

• Comparator forceert output laag (pin naar ground).
• MOSFET gate ontlaadt → MOSFET dicht.
• Diode (schottky) over MOSFET beschermt tegen flyback van inductieve last (motor/spoel).
• Condensator over voeding zorgt voor "power-on reset" puls bij herstart.
• Optioneel: aparte ON/OFF drukknoppen (SET/RESET latch) ipv één schakelaar.

Zelfbouw: Componenten & Stappen

Onderdelenlijst (voor 12 V Pb-zuur / 4S LiFePO4)

• IC: LM324 (quad op-amp) of LM393 (dual comparator) + 78L05 (5 V regelaar)
• MOSFET: P-kanaal, logica-level, bijv. IRF9Z34N (Rds(on) 0,05 Ω, Vgs(max) ±20 V)
• Diodes: 1N4007 (rectificatie), 1N5819 (Schottky flyback), 1N4733A (5,1 V Zener referentie optie)
• Weerstanden: 1/4 W, 1% (precisie voor meetdeling): 100 kΩ, 10 kΩ, 1 MΩ (hysterese), 10 kΩ (gate pull-up), 1 kΩ (LED)
• Condensatoren: 100 nF keramisch (ontkoppeling), 10 µF elco (charge pump), 100 µF elco (voeding buffer)
• Trimmer: 10 kΩ multi-turn (drempelinstelling)
• LED: Groen (status), Rood (optioneel: fault)
• Printplaat, dikke draad voor stroompad, Teflon geïsoleerde draad voor signalen.
• In/uit klemmen (schroefklemmen of Anderson Powerpole).

Stappenplan

1. Printplaat schoonmaken, componenten sorteren (SMD eerst, dan doorvoert).
2. Solder SMD's (op-amp, weerstanden, condensatoren, diodes).
3. MOSFET monteren met koelkörper (thermische pasta + schroef) – stroompad kan 5-10 A draaien.
4. Dikke draden voor batterij+ / last+ / ground. Teflon draad voor signaal.
5. Klemmen monteren.
6. Kalibratie:
   1. Instelbare voeding op drempelspanning (bijv. 11,0 V voor 12 V Pb-zuur).
   2. Batterijklem aan voeding. Trimmer draaien tot LED net uitgaat (of omgekeerd, afhankelijk van polariteit).
   3. Voeding verhogen tot 13,8 V → LED aan (herstart met hysterese).
   4. Voeding dalen → LED uit bij 11,0 V.
7. Test met echte batterij + last (bijv. 12 V / 21 W halogeenlamp).

Belangrijke Let-op-punten

1. Laad output aan "LOAD" klemmen, batterij aan "BAT" klemmen – niet omwisselen!
2. Trimmer initieel op middenstand. Voeding 13 V aanleggen. LED uit? Trimmer naar ground kant draaien tot LED aan. Uitschakelen, weer aanzetten – controleren.
3. Werkt perfect met gel-cel batterij + 12 V auto-achterlicht (testlast).

Toepassingen

• Tuinverlichting (zonnepaneel + batterij)
• Thermostaten (batterij backup)
• Deurbellen (voeding uitvalbeveiliging)
• Beveiligingsverlichting (bewegingsmelder + batterij)
• Portable audio, robotica, zonnelaadregelaars (integreer in MPPT)

Afsluiting

Een LVC is de verzekering voor je batterij. Combineer met een laadregelaar (overlaadbeveiliging) voor complete bescherming. Voor Li-ion: gebruik afzonderlijke cel-balancing + per-cel monitoring (BMS IC zoals BQ76920, DW01). De hier beschreven MOSFET+comparator oplossing is ideaal voor 12 V systeem-batterijen (Pb, LiFePO4 4S) tot ~10 A. Voor hogere stromen: parallelle MOSFETs, betere koeling, hoge-stroom shunts voor stroommeting.

Wil je een compacte SMD-versie (25×30 mm) met micro-USB voor configuratie? Of een BMS voor 10-cel Li-ion pakket? Stuur je specificaties – we ontwerpen de print voor je.