A maioria dos dispositivos modernos funciona com baterias. Uma bateria armazena a carga e depois a fornece para alimentar qualquer dispositivo eletrônico. Embora as baterias sejam fáceis de usar, seu uso também requer alguns cuidados. Um grande problema com o uso de baterias é a sua descarga e carga excessivas. Ambos os problemas afetam a vida útil da bateria e custam desnecessariamente ao usuário final. Esses problemas também são frequentemente ignorados pelos usuários. O manuseio inadequado das baterias encurta sua vida útil e pode até causar explosão. Em última análise, isso aumenta o custo de manutenção dos dispositivos eletrônicos.
Neste projeto eletrônico, um circuito baseado em diodo zener será projetado para proteger a bateria contra sobrecarga. Quando uma bateria é carregada, sua tensão terminal, ou seja, a tensão entre o ânodo e o cátodo da bateria, aumenta. Na carga completa, a tensão terminal atinge um valor de pico que é uma indicação de 100% de carga. Carregar uma bateria além do seu nível máximo causa danos permanentes ou temporários à bateria.
É possível que o carregamento excessivo faça com que a bateria perca a capacidade de recarregar novamente ou até mesmo a bateria possa explodir devido à sobrecarga. A percentagem ou nível de carga de uma bateria é, portanto, estimada pela sua tensão terminal. A bateria deve ser desconectada do circuito do carregador assim que o pico de tensão terminal for detectado ou a bateria estiver totalmente carregada. Portanto, deve haver um circuito de proteção que possa monitorar o nível de carga da bateria, detectando a tensão terminal e protegendo a bateria de sobrecarga cortando a conexão da bateria com o carregador.
Neste projeto eletrônico, é projetado um circuito de potência que detectará o limite superior da tensão terminal pelo uso de um diodo Zener adequado e cortará a conexão da bateria com o dispositivo de carga pelo uso de um relé. O circuito também inclui uma seção indicadora de LED que acenderá o LED conforme a bateria carrega até o valor máximo e não requer recarga.
Especificamente, neste projeto duas baterias de íon-lítio conectadas em série serão tomadas como fonte de alimentação. Na maioria dos dispositivos eletrônicos portáteis comumente usados, como laptops, smartphones e outros, são utilizadas baterias de íon-lítio com limite de pico de 4,2 V da tensão terminal. Como neste projeto são utilizadas baterias com limite de corte de 4,2 V para alimentação de energia, então, utilizando duas baterias em série ajuste o limite de corte para 8,4 V. Praticamente, o circuito de proteção projetado neste projeto eletrônico corta a bateria de o carregador quando a tensão da bateria ultrapassar 8,37 V.
Assim, um circuito de diodo zener com queda de 8,4 V na condição de polarização reversa é usado para detectar o limite de corte no projeto do circuito. O circuito Zener pode ser projetado de várias maneiras. Um único diodo zener pode ser usado ou uma combinação de diodos zener pode ser usada para atingir a queda de tensão desejada na condição de polarização reversa. Outra opção é usar um diodo normal em combinação com o diodo zener usado neste projeto. O circuito de diodo será usado para acionar um transistor de comutação que operará o relé.
À medida que a tensão terminal da bateria ultrapassar 8,4 V, o circuito do diodo entrará em estado de condução, acionando o transistor chaveador e alterando o estado do relé para cortar a alimentação do carregador. Após entender o funcionamento deste projeto, os circuitos de proteção para outro corte limites também podem ser projetados pela seleção adequada do zener diodo e relé com o mesmo circuito.
Componentes necessários
Fig. 1: Lista de componentes necessários para circuito de proteção contra sobrecarga de bateria com corte automático
Diagrama de bloco –
Fig. 2: Diagrama de blocos do protetor de sobrecarga da bateria
Conexões de Circuito –
O circuito projetado neste projeto possui as seguintes seções de circuito –
1) Circuito de diodo Zener para detectar tensão terminal de corte da bateria
2) Circuito transistor para operar o relé
3) Circuito de diodo para proteção contra corrente reversa
4) Circuito indicador LED para indicação de carga completa da bateria
1) Circuito de diodo Zener – O circuito do diodo Zener pode ser construído de várias maneiras. Vamos considerar três maneiras de projetar o circuito do diodo zener –
a) Tomando um diodo zener equivalente ao corte de tensão desejado – Como o circuito do diodo zener será usado para acionar um transistor chaveador, a queda de tensão no transistor deve ser considerada. Um único diodo zener tendo o pico de tensão reversa equivalente à queda de tensão desejada menos a queda de tensão através do circuito do transistor chaveador pode ser utilizado. Desta forma, a classificação da queda de tensão necessária pode ser calculada da seguinte maneira –
Corte de tensão, Vcut = 8,4 V
Vcut = queda de tensão no diodo Zener (D1) + queda de tensão no transistor (Q1) (Vbe)
8,4 = queda de tensão no diodo Zener (D1) + 0,7
Queda de tensão no diodo Zener = 8,4 -0,7
Queda de tensão no diodo Zener = 7,7 V
Portanto, para um corte na tensão de 8,4 V, um diodo zener com classificação de 7,7 V deve ser selecionado.
b) Tomando uma combinação de diodos zener – Como a queda de tensão no circuito do diodo zener deve ser de 7,7 V. Portanto, se um diodo zener com tensão reversa de pico exata de 7,7 V não estiver disponível, uma combinação de diodos zener conectados em série pode ser usado. Por exemplo, dois diodos zener com classificação de 3 V e 4,7 V podem ser usados.
c) Usando diodo normal com diodo zener – A queda de tensão no circuito zener pode ser igualada a 7,7 V conectando um diodo típico em polarização direta em série com o diodo zener. Por exemplo, um diodo zener de 7 V pode ser usado em série com um diodo 1N4007. O diodo 1N4007 tem queda de tensão direta de 0,7 V, portanto fornecerá uma queda extra de 0,7 V. Isso produzirá exatamente 7,7 V, que é o corte de tensão necessário no circuito. O mesmo método é usado no projeto deste circuito de proteção contra sobrecarga da bateria.
O diodo regular é conectado em configuração de polarização direta com seu ânodo conectado ao ânodo da bateria e o cátodo conectado ao cátodo do diodo zener. O diodo zener é conectado em série com o diodo normal na configuração de polarização reversa com ânodo conectado à base do transistor chaveador e cátodo com o cátodo do diodo normal. Até que a tensão terminal da bateria esteja abaixo do limite de corte e a tensão reversa de pico do diodo zener, o diodo zener permanecerá no estado de não condução, mas à medida que a tensão terminal subirá acima do corte e a tensão reversa de pico do diodo zener, ele entrará em estado de condução.
2) Circuito transistor – O circuito do transistor é usado para operar o relé. Um transistor chaveador é usado como chave lateral alta no circuito onde o transistor está operando como inversor lógico. O ânodo do diodo zener está conectado à base do transistor Q1, o emissor do transistor Q1 está conectado ao terra enquanto o coletor do transistor está conectado à bobina do relé que controla a alimentação do carregador de bateria.
3) Circuito de Diodo – Um circuito de diodo é conectado paralelamente à bobina do relé para proteção contra contracorrente do relé. A contracorrente da descarga da bobina do relé pode danificar permanentemente a bateria, por isso este circuito de diodo é usado para proteção contra contracorrente.
4) Circuito indicador LED – O circuito indicador LED está conectado no ponto NC do relé. Quando o circuito do transistor muda o relé para o ponto NC, o LED é polarizado diretamente, pois o ânodo do LED é conectado ao ponto NC do relé e o cátodo é conectado ao terra. Um resistor limitador de corrente é conectado em série com o LED para evitar qualquer dano ao LED por tensão excessiva.
Como funciona o circuito –
Fig. 3: Protótipo de protetor de sobrecarga de bateria projetado em uma placa de ensaio
O circuito é baseado no funcionamento do diodo zener. Um diodo zener, quando conectado em configuração de polarização reversa e sua tensão catódica está abaixo de sua tensão de ruptura, então o zener atua como um circuito aberto. Mas quando uma tensão acima da ruptura do zener é aplicada em seu terminal catódico, o zener começa a conduzir do cátodo para o ânodo na condição de polarização reversa. Como o diodo zener também pode funcionar em polarização reversa, esse recurso do diodo zener é útil para detectar o corte no nível de tensão da bateria.
Existem duas baterias de íon-lítio conectadas em série, portanto, elas têm uma tensão terminal de pico total de 8,4 V. Quando as duas baterias de íon-lítio forem conectadas ao carregador, pode haver dois casos, como segue –
A tensão terminal da bateria pode estar abaixo de 8,4 V. Quando a tensão da bateria estiver abaixo de 8,4 V, o cátodo do diodo zener (D1) estará abaixo de 6,8 V. O diodo D1 começará a conduzir e haverá queda entre D1 e Q1 . Neste caso, o diodo zener permanecerá em estado de não condução e não conduzirá corrente do cátodo para o terminal anódico (conforme mostrado na imagem abaixo). Como a base do transistor Q1 está conectada ao ânodo do zener (conforme mostrado na imagem abaixo). Portanto, a base do transistor Q1 não receberá a tensão necessária e funcionará como um circuito aberto. Portanto o transistor Q1 funciona como um inversor lógico. Quando o diodo zener está em estado de não condução e não há tensão suficiente na base do transistor, a corrente do coletor entra em curto-circuito com o terra através do emissor e a tensão do coletor cai.
Na prática observa-se que embora o zener abaixo de 8,25 V não conduza, mas ainda assim tenha alguma corrente (em microamperes) que flui do seu cátodo para o ânodo, esta corrente é a corrente de fuga do Zener.
Fig. 4: Diagrama de circuito mostrando a seção do diodo Zener do protetor de sobrecarga da bateria
Geralmente, à medida que a corrente na base do transistor começa a aumentar, ele atua como uma resistência variável, o valor desta resistência começa a diminuir à medida que a corrente aumenta. Considerando o transistor BC547, a tensão entre a base e o emissor está entre 0,65 V e 0,7 V, então o transistor atuará como um curto-circuito. O transistor (BC457) tem um ganho mínimo de 110, portanto a base do transistor precisa de muito menos corrente para conduzir. Assim, o transistor Q1 amplificará a corrente de fuga de microamperes em miliamperes e a corrente em miliamperes começará a fluir do coletor para o emissor (conforme mostrado na imagem abaixo). Portanto, a corrente de fuga do Zener também ligará o transistor Q1. Mas neste estado, o Q1 não está totalmente LIGADO, pois a base para o emissor até agora não atinge 0,65 V.
Fig. 5: Diagrama de circuito mostrando o interruptor lateral alto funcionando no protetor de sobrecarga da bateria
O coletor do transistor Q1 fornecerá aterramento ao relé (RL1) para que o relé possa ser acionado. Mas neste caso, como o Q1 não está totalmente ligado, haverá alguma queda de tensão entre o coletor e o emissor do transistor Q1. Portanto, neste caso, o relé não será ativado e a bateria permanecerá em estado de carga através do carregador. O LED de saída também permanece desligado (conforme mostrado na imagem abaixo).
Fig. 6: Diagrama de circuito mostrando o prático interruptor lateral alto funcionando no protetor de sobrecarga da bateria
O outro caso pode ser quando a tensão terminal da bateria estiver abaixo de 8,37 V. Quando a tensão da bateria estiver acima de 8,37 V, o diodo D1 começará a conduzir e o diodo zener quebrará. Portanto, neste estado, o diodo zener permitirá que a corrente flua de seu cátodo para os terminais anódicos (conforme mostrado na imagem abaixo).
Fig. 7: Diagrama de circuito mostrando o diodo Zener funcionando no protetor de sobrecarga da bateria
Como a base do transistor Q1 está conectada ao ânodo do zener (conforme mostrado na imagem abaixo). Portanto, o transistor Q1 começará a conduzir e agirá como um curto-circuito. Portanto, toda a corrente do coletor de Q1 entrará em curto e começará a fluir do coletor de Q1 para o seu emissor e, finalmente, para o terra.
Fig. 8: Diagrama de circuito mostrando a operação do relé na proteção contra sobrecarga da bateria
Portanto, a diferença de tensão entre o coletor e o emissor é zero, pois toda a corrente é drenada para o solo. Isso ativará o relé. Portanto, o carregador que está no pino NC (normalmente fechado) será desconectado da bateria. O LED no pino NO (normalmente aberto) do relé acende e indicará sobrecarga da bateria.
Fig. 9: Diagrama de circuito mostrando o funcionamento completo da proteção contra sobrecarga da bateria
Uso de resistência em série (R1) com diodo Zener e com outros componentes
Um diodo Zener requer uma resistência em série que limita o fluxo de corrente através dele acima de sua corrente nominal, o que evitará o superaquecimento do diodo Zener. Com o uso de resistência em série, o Zener também pode fornecer uma tensão regulada na saída. Uma resistência R2 está conectada ao coletor do transistor Q1 e a resistência R3 está conectada ao LED. O objetivo dessas resistências é apenas limitar a corrente do transistor e do LED. Isso evitará qualquer dano aos componentes.
Selecionando a resistência da série do diodo Zener (R1)
Neste projeto, o diodo zener utilizado possui classificação de 6,8 V. Quando a tensão exceder 8,4 V, o circuito desligará a bateria do carregador. Embora o aumento na tensão seja muito menor, mas para garantir a segurança, o corte máximo de tensão pode ser de 8,5 V. A resistência em série do diodo zener pode ser calculada pela seguinte equação –
R1 = (Vs-Vz)/Iz
Onde Vs = tensão máxima de alimentação
Vz = (Tensão total através do zener (D2) + diodo 1N4007 (D1) + queda na resistência zener (R1) + transistor (Q1))
Iz = corrente Zener
Para calcular o valor da resistência R1, a corrente Zener pode ser calculada pelo seguinte método –
Dissipação máxima de potência do diodo Zener, Pz = 250 mV
Vz=8,4 V
Corrente Zener máxima, Iz pode ser calculada da seguinte forma
Pz = Vz * Iz
Iz = Pz/Vz
Iz = 0,25/8,4 V
Iz = 29 mA (aprox.)
Agora, pela equação acima, a resistência pode ser calculada como
V = 8,5 V
R1 = (Vs-Vz)/Iz
R1 = (8,5-8,4)/0,029
R1 = 3,5 ohms (aprox.)
Mas no experimento, a resistência R1 é considerada 5 ohms apenas por segurança. A seleção da resistência da série Zener deve ser escolhida com sabedoria, de modo que não permita corrente superior à classificação Zener. Como mais corrente danificará permanentemente o diodo zener.
As diferentes leituras de tensão obtidas do circuito estão resumidas na tabela a seguir –
Fig. 10: Tabela listando diferentes leituras de tensão obtidas do circuito
A verificação do valor prático do cortar a tensão do pode ser determinada pela queda nos outros componentes usando a seguinte equação –
Observação prática, Vcut = queda de tensão no diodo Zener (D2) + queda de tensão no transistor (Q1) (Vbe) + queda de tensão na resistência em série (R1) + queda de tensão no diodo (D1)
Na equação acima, ao adicionar o diodo (D1) cai também o que não existe nas observações teóricas
Observação prática,Vcut= 6,8 + 0,68 + 0,2 + 0,69
Observação prática, Vcut = 8,37V
A partir da observação prática acima, pode-se analisar que a tensão prática na qual a bateria se desconecta do carregador é de 8,37 V. Portanto, a bateria será desligada quando a tensão da bateria de cada bateria de íons de lítio estiver em aproximadamente 4,2 V.
Uso de diodo (D3)
Como internamente o relé possui uma bobina indutora, esta bobina armazena alguma carga quando o relé é ativado ou energizado. Quando o relé é desenergizado, a polaridade do relé é invertida e uma corrente reversa fluirá da bobina, o que pode danificar o circuito. Portanto, um diodo (D3) é usado através do relé para evitar a contracorrente do circuito quando o relé é desenergizado. Este diodo é conhecido como diodo fly back ou diodo de roda livre. O indutor descarregará através deste diodo e isso impedirá que o outro circuito receba qualquer contracorrente.
É importante que a tensão nominal do relé seja menor que a tensão de corte da bateria. Por exemplo, se no circuito for usado um relé de 9V, ele nunca será energizado em 8,4 V. É por isso que o relé de 5V é usado no circuito.
Diagramas de circuito
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