O século 21 pertence aos dispositivos portáteis que funcionam com baterias. De smartphones e laptops a eletrodomésticos inteligentes e eletrodomésticos de escritório, os novos dispositivos eletrônicos são compactos em tamanho, mais eficientes em termos de energia, carregados com vários recursos e funcionam com energia fornecida por baterias. Esses dispositivos eletrônicos geralmente têm componentes como diodos, transistores, capacitores ou ICs com componentes embutidos que são polarizados por natureza. Portanto, o circuito eletrônico desses dispositivos deve essencialmente receber energia CC com uma polaridade específica.
Qualquer bateria tem dois terminais – ânodo e cátodo e a corrente sempre flui do ânodo para o cátodo. Na verdade, os elétrons fluem do cátodo para o ânodo. Mas para manter a definição de corrente independente dos portadores de carga, a direção da corrente convencional é sempre tomada do ânodo ou terminal positivo para o cátodo ou terminal negativo.
Muitos dispositivos, devido à exigência da fonte de alimentação de uma polaridade específica, possuem uma montagem mecânica ou o design da bateria de forma que a bateria possa ser conectada apenas em uma polaridade específica. Mas este não é o caso de todos os dispositivos. Existem muitos dispositivos que funcionam com baterias de uso geral e a montagem mecânica do dispositivo eletrônico possui apenas indicadores ou instruções inscritas para fixar a bateria de uma forma específica. Ainda assim, a bateria pode ser conectada de qualquer maneira ao circuito por erro humano.
Caso a bateria esteja conectada com polaridade reversa a um dispositivo, isso poderá causar sérios danos à bateria e também ao próprio dispositivo eletrônico. Isso não é incomum. Devido à conexão reversa, os componentes polarizados começam a sofrer choques devido à tensão reversa entre eles e o dispositivo pode ficar permanentemente danificado. A polaridade reversa também pode afetar a bateria e a conexão reversa pode explodir a bateria ou pode ser possível que, após conectar a um circuito com polaridade reversa, a bateria não possa mais reter a carga.
Para economizar a vida útil da bateria e também dos dispositivos eletrônicos, geralmente é aconselhável usar um circuito reverso de proteção da bateria após a bateria ou antes do circuito interno de qualquer dispositivo eletrônico. Um circuito reverso de proteção da bateria também pode ser incorporado na entrada de alimentação do circuito de um dispositivo. O circuito reverso de proteção da bateria também salva o circuito eletrônico de qualquer contracorrente da bateria.
Um circuito reverso de proteção de bateria pode ser construído usando um diodo, MOSFET ou BJT. Neste tutorial, o circuito reverso de proteção da bateria de cada um desses componentes será projetado e testado para eficiência energética com diferentes cargas. Em vez de considerar os circuitos reais como carga, diferentes resistências são consideradas como carga no experimento. A queda de tensão no circuito de proteção e a corrente consumida na carga são medidas para testar a eficiência energética dos circuitos de proteção.
O circuito de proteção também consome energia da bateria, o que resulta em desperdício de energia. Portanto, o circuito de proteção deve consumir o mínimo de energia para que a potência máxima seja emitida na carga. A potência fornecida a uma carga é proporcional à tensão disponível no circuito de carga. Esta é a tensão restante após a queda de tensão no circuito de proteção, portanto a queda de tensão no circuito de proteção será medida. A queda de tensão no circuito de proteção deve ser mínima. Em segundo lugar, será medida a corrente através do circuito de carga, o que indicará a potência real disponível para o circuito de carga. Quanto maior for a corrente consumida pelo circuito de carga, maior será a energia consumida por ele.
Componentes necessários
Fig. 1: Lista de componentes necessários para proteção reversa da bateria
Estes são os seguintes métodos para projetar o circuito de proteção da bateria –
1. DIODO –
A maneira mais simples de projetar um circuito de proteção de bateria é usando um diodo. Um diodo conduz corrente apenas em uma direção e fica em circuito aberto para polaridade reversa. Portanto, se um diodo for conectado em série entre a bateria e o circuito de carga, ele permitirá a condução de corrente apenas para uma polaridade. O diodo será polarizado diretamente e permitirá o fluxo de corrente no circuito de carga somente quando o ânodo da bateria estiver conectado ao ânodo do diodo. Se o cátodo da bateria for conectado ao ânodo do diodo, o diodo ficará polarizado reversamente e interromperá a condução de corrente no circuito de carga. Isso economizará a carga ou qualquer dispositivo conectado à bateria. Portanto, o diodo deve ser conectado de forma que o cátodo do diodo esteja conectado ao circuito de carga e o conector da bateria esteja conectado ao ânodo do diodo. O diodo 1N4007 pode ser usado para proteção reversa da bateria. O diodo 1N4007 possui queda de tensão em torno de 0,7 V e corrente direta máxima de 1A.
Fig. 2: Diagrama de circuito de proteção reversa de bateria baseada em IN4007
Durante o experimento é usada uma bateria de íon-lítio de 3,7 V que pode fornecer tensão de alimentação de 3,3 V. Um diodo 1N4007 é conectado em série à bateria de modo que o ânodo da bateria seja conectado ao ânodo do diodo. Diferentes resistências de carga são conectadas à bateria e ao circuito de diodo por meio de interruptores e as conexões do circuito são completadas conectando o terra comum ao cátodo da bateria.
Fig. 3: Protótipo de proteção contra polaridade reversa baseada em diodo
Portanto, tensão de entrada, Vin = 3,3 V, ao medir a queda de tensão no diodo e a corrente nas resistências de carga individualmente, os seguintes resultados são encontrados –
Fig. 4: Tabela listando queda de tensão no diodo 1N4007 e corrente de carga para diferentes cargas
A partir dos resultados acima, pode-se analisar que o diodo sofre mais queda de tensão à medida que a demanda de corrente na carga de saída aumenta. Para reduzir a queda de tensão, pode ser usado um diodo Schottky que apresenta menor queda de tensão direta em comparação com o diodo 1N4007.
Fig. 5: Diagrama de circuito de proteção reversa de bateria baseada em 1N5819
Se o diodo 1N4007 for substituído pelo diodo Schottky 1N5819 no circuito, os seguintes resultados serão obtidos –
Tensão de entrada, Vin = 3,3V
Fig. 6: Tabela listando queda de tensão no diodo 1N5819 e corrente de carga para diferentes cargas
A partir do resultado acima, pode-se analisar que o diodo 1N5819 sofrerá mais queda de tensão à medida que a demanda de corrente aumenta na carga de saída. Mas a queda de tensão direta do diodo Schottky é menor em comparação com o diodo 1N4007.
Desvantagens do uso de circuito de diodo
• Um diodo tem uma queda de tensão, portanto o consumo geral de energia aumenta. Pode-se dizer que parte da potência é desperdiçada pelo diodo.
• O uso de diodo limita a corrente de saída máxima que pode ser consumida pela carga. Por exemplo, 1N4007 e 1N5819 permitem uma corrente direta máxima de apenas 1A.
Solução
• Os diodos Schottky com menor queda de tensão direta também podem ser usados no lugar dos diodos normais. O diodo pode ser selecionado de acordo com a corrente máxima exigida pela carga. Em vez do diodo, o transistor pode ser usado como transistor, pois também pode ser usado para aplicações de comutação e tem menos queda de tensão e também pode suportar altas cargas.
2. Usando MOSFET de canal N – BS170
A terceira maneira de projetar um circuito de proteção é usando MOSFET de canal N. O NMOS conduz corrente quando há uma tensão positiva em seu terminal Gate. Caso contrário, o NMOS permanece em condição de circuito aberto. No MOSFET está presente um diodo de corpo intrínseco que conduz quando é polarizado diretamente. Portanto, o NMOS pode ser usado como um transistor de comutação para fazer um circuito reverso de proteção da bateria. Os NMOS geralmente têm menos resistência ON (rDS). Devido a isso, apresenta menor queda de tensão no estado de plena condução. O N-MOSFET também pode lidar com cargas altas em comparação com diodo ou BJT.
Observação: Os esquemas podem ser encontrados na guia “Diagrama de Circuito”.
Portanto, quando a bateria está conectada corretamente, o MOSFET é ligado. Ao inverter a bateria, o terminal do gate está baixo, o que desliga o MOSFET e a carga é desconectada da bateria.
Fig. 7: Protótipo de circuito de proteção contra polaridade reversa usando N MOSFET na placa de ensaio
Durante o experimento é usada uma bateria de íon-lítio de 3,7 V que pode fornecer tensão de alimentação de 3,3 V. Um NMOS BS170 é usado para proteção reversa da bateria. As resistências de carga são conectadas através de interruptores entre o terminal Gate e o terminal Drain do NMOS. A bateria está conectada ao terminal Gate e ao terminal Source do NMOS. O NMOS conduz apenas quando o ânodo da bateria está conectado à base do NMOS. Se o cátodo da bateria estiver conectado à base do NMOS, o NMOS fica desligado, cortando a tensão de alimentação para a carga.
Portanto, tensão de entrada, Vin = 3,3 V, ao medir a queda de tensão no transistor e a corrente nas resistências de carga individualmente, os seguintes resultados são encontrados –
Fig. 8: Tabela listando Vds e Corrente de Carga para diferentes cargas
A partir dos resultados acima, pode-se analisar que o BS170 sofre mais queda de tensão à medida que a demanda de corrente aumenta na saída. Mas a queda de tensão no NMOS é muito menor em comparação com o diodo.
Desvantagem de usar nMOSFET
• O MOSFET requer tensão de porta acima de um nível limite para ser ligado. Isso significa que eles funcionarão apenas com baterias que podem fornecer tensão acima do limite. Por exemplo, o BS170 requer no mínimo 0,8V no Gate para ligar.
Solução
MOSFETs com tensão de porta de limite inferior podem ser usados para baterias de baixa capacidade.
3. Usando NPN BJT (transistor de junção bipolar) – BC547
Outra forma de projetar um circuito de proteção contra polaridade reversa é usando transistores BJT. Um BJT pode ser usado como um transistor chaveador no circuito para proteção reversa da bateria. O NPN BJT possui maior Beta (ganho de corrente), por isso podem operar com baixa corrente de base. Isto reduz a perda de energia. Além disso, eles têm menos queda de tensão.
Observação:
Os esquemas podem ser encontrados na aba “Diagrama de Circuito 2”.
Durante o experimento, o BC547 é usado para proteção reversa da bateria. O transistor é conectado no circuito de forma que o circuito de carga seja conectado entre a base e o coletor do transistor e a bateria seja anexada à base e ao emissor do transistor. Um resistor pull-up é usado na base do transistor, para que a base possa ser polarizada adequadamente. Quando a bateria é conectada de forma que o ânodo da bateria esteja conectado à base do transistor, a tensão direta na base muda o transistor para a condição LIGADO e a corrente começa a fluir do coletor para o emissor.
Isso completa o circuito e a carga recebe a alimentação de entrada. Quando o cátodo da bateria está conectado à base do transistor, a base do transistor não é polarizada e o transistor muda para a condição DESLIGADO. Não permanece nenhum fluxo de corrente entre o coletor e o emissor do transistor e o circuito de carga é aberto. Isso salvará a carga/dispositivo da corrente reversa.
Fig. 9: Protótipo de circuito de proteção contra polaridade reversa usando BJT em placa de ensaio
Durante o experimento é usada uma bateria de íon-lítio de 3,7 V que pode fornecer tensão de alimentação de 3,3 V. Um transistor BC547 é conectado de forma que as resistências de carga sejam conectadas entre a base e o coletor do transistor e os conectores da bateria sejam conectados entre a base e o emissor do transistor.
Portanto, tensão de entrada, Vin = 3,3 V, ao medir a queda de tensão no transistor e a corrente nas resistências de carga individualmente, os seguintes resultados são encontrados –
Fig. 10: Tabela listando Vce e corrente de carga para diferentes cargas
A partir dos resultados acima, pode-se analisar que o BC547 sofre mais quedas de tensão, à medida que a demanda de corrente aumenta na saída. Mas a queda de tensão no BJT é muito menor em comparação com o diodo e o MOSFET. Portanto, o BJT funciona melhor que o MOSFET e o diodo como circuito reverso de proteção da bateria.
Desvantagens de usar BC547
• O circuito deve ser projetado para manter uma corrente de base de tal forma que possa acionar uma carga alta com perda mínima de potência. Isto se deve ao fato de que a corrente do coletor depende da corrente de base.
• O BC547 permite uma corrente máxima de 100mA através do coletor. Isso limita a corrente máxima que pode ser consumida pela carga.
Solução
• Em alguns casos, BJT como 2N2222A pode ser usado para resolver o problema de limite de corrente. O 2N2222A permite corrente máxima de 1A.
• O MOSFET pode ser usado no lugar do BJT, pois o MOSFET tem menor resistência quando comparado ao BJT e pode suportar cargas altas. Mas com o uso do MOSFET, é necessário comprometer a perda de potência, pois o MOSFET tem maior perda de potência do que o BJT.
Conclusão –
Ao comparar o uso de diodo, BJT e MOSFET como circuito reverso de proteção de bateria, os resultados derivados estão resumidos na tabela a seguir –
Fig. 11: Tabela listando características de proteção reversa de bateria usando diodo, NPN BJT e N-MOSFET
Assim, pode-se concluir que ao utilizar diodo, NMOS e BJT para proteção reversa da bateria, o uso de BJT é o mais eficiente em termos de energia, mas possui limitação de corrente. Alternativamente, o NMOS pode ser usado, mas apresenta um problema de tensão limite. Portanto, para circuitos de carga com baixa demanda de corrente, o uso do BJT é melhor. Se o circuito de carga tiver alta demanda de corrente e operar com alta potência, recomenda-se o uso de NMOS. Para circuitos de baixo custo nos quais a queda de tensão ou a demanda de corrente não são um problema, um diodo pode ser usado.
Diagramas de circuito
| Diagrama de circuito-NPN-BJT-Baseado-Reverse-Battery-Protection |
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