Nesta era de dispositivos eletrônicos portáteis, a maioria dos eletrônicos funciona com baterias. Uma bateria armazena a carga e depois a fornece para alimentar qualquer dispositivo eletrônico. O uso de baterias requer cuidados e manuseio próprios. Um grande problema com o uso de baterias é a sua descarga excessiva e sobrecarga. Ambos os problemas afetam a vida útil da bateria e custam desnecessariamente ao usuário final. Essas questões também são frequentemente ignoradas pelos consumidores. Como as baterias têm preços atraentes, isso acaba aumentando o custo de manutenção de qualquer dispositivo eletrônico.
Neste projeto eletrônico, um circuito baseado em diodo zener será projetado para proteger uma bateria contra descarga excessiva. 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. À medida que a bateria é conectada a um dispositivo eletrônico e começa a descarregar, a tensão do terminal começa a cair. A percentagem ou nível de carga de uma bateria é, portanto, estimada pela sua tensão terminal. Se a tensão terminal de uma bateria ficar abaixo de um limite inferior, a bateria começa a morrer prematuramente. Isto degrada a capacidade de recarga da bateria, bem como a sua eficiência. Portanto, deve haver um circuito de proteção que possa monitorar o nível de carga da bateria, detectando a tensão terminal e proteger a bateria contra descarga excessiva, cortando a conexão da bateria com o dispositivo eletrônico.
Neste projeto eletrônico, é projetado um circuito de potência que detectará o limite inferior 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 quando a bateria descarregar abaixo do limite e precisar ser recarregada.
Especificamente, neste projeto, duas baterias de íon-lítio conectadas em série serão utilizadas como fonte de alimentação. Na maioria dos dispositivos eletrônicos portáteis comumente usados, como laptops, smartphones e outros, são usadas baterias de íon-lítio com 3V de limite inferior de tensão terminal, mas alguns fabricantes projetam baterias de íon-lítio com um limite de corte inferior de 2,7 V também.
Neste projeto são utilizadas baterias com limite de corte de 3,1 V para alimentação. Assim, usando duas baterias em série, defina o limite de corte para 6,2 V. Assim, um diodo zener de tensão de pico reverso de 6,2 V é usado para detectar o limite de corte no projeto do circuito. O diodo será usado para acionar os transistores de comutação que operarão o relé. Como a tensão terminal da bateria ficará abaixo de 6,2 V, o diodo entrará no estado de condução, acionando os transistores chaveadores e alterando o estado do relé para cortar a alimentação do dispositivo de carga. Após a compreensão do funcionamento deste projeto, circuitos de proteção para outros limites de corte também podem ser projetados através da seleção adequada do diodo zener e relé com o mesmo circuito.
Componentes necessários
Fig. 1: Lista de componentes necessários para o protetor de descarga excessiva da bateria
Diagrama de bloco –
Fig. 2: Diagrama de blocos do protetor de descarga excessiva 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 descarga da bateria
1) Circuito do diodo Zener – Um diodo zener é conectado em série com a bateria de modo que o cátodo do diodo zener seja conectado ao ânodo da bateria e o ânodo do diodo zener seja conectado à base do transistor de comutação. O objetivo de conectar o diodo dessa maneira é operá-lo na condição de polarização reversa. Até que a tensão terminal da bateria esteja acima do limite de corte e o pico de tensão reversa do diodo zener, o diodo zener permanecerá em estado de condução, mas como a tensão terminal cairá abaixo do corte e o pico de tensão reversa do diodo zener , ele ficará desligado.
2) Circuito transistor – O circuito transistor é usado para operar o relé. Os transistores são usados como chave lateral alta no circuito onde dois estágios de transistores operam como inversores lógicos. 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 ao ânodo da bateria. A base do transistor Q2 está conectada ao coletor do transistor Q1, portanto a tensão do coletor do transistor Q1 estará comutando o transistor Q2. O emissor do transistor Q2 está aterrado e o coletor do transistor Q2 está conectado à bobina do relé que controla a alimentação do dispositivo de carga.
3) Circuito de Diodo – Um circuito de diodo é conectado paralelamente à bobina do relé para proteção contra contracorrente do dispositivo de carga. A contracorrente de uma carga de alta corrente 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 é 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 descarga excessiva de bateria
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 utilizado para detectar o corte no nível de tensão da bateria.
Existem duas baterias de íon-lítio conectadas em série, portanto, elas têm uma tensão final de descarga total de 6 V. Portanto, por segurança, a tensão de corte pode ser de 6,2 V e, portanto, um zener de 6,2 V é usado no circuito.
Quando as duas baterias de íon-lítio forem conectadas à carga, pode haver dois casos, como segue –
A tensão terminal da bateria pode estar acima de 6,2 V- Quando a tensão da bateria estiver acima de 6,2 V, o cátodo do diodo zener (D1) estará acima de 6,2 V. Nesse caso, o diodo zener irá quebrar e começará a conduzir do cátodo para 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 começará a conduzir e atuará como um circuito fechado. Assim, toda a corrente do coletor fica em curto e a corrente começará a fluir do coletor de Q1 para o seu emissor e, finalmente, para o terra. Portanto o transistor Q1 funciona como um inversor lógico. Quando o diodo zener está em estado de condução e há tensão suficiente na base do transistor BC547, a tensão do coletor é consumida como está. 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.
Fig. 4: Diagrama de circuito da seção do diodo Zener da proteção contra descarga excessiva da bateria
Como a base do transistor Q2 está conectada ao coletor de Q1, mas o potencial no coletor de Q1 é quase zero porque toda a corrente está aterrada, então a condução de Q1 aterrará a base do transistor Q2 e o transistor Q2 será no estado não condutor. Quando o coletor do transistor Q2 fornecer aterramento para uma extremidade do relé, somente então o relé será energizado. Mas como o Q2 está no estado DESLIGADO, seu coletor está no potencial da tensão da bateria, então o relé não será ativado e o pino LED NO (normalmente aberto) do relé também permanecerá no estado desligado. No pino NC (normalmente fechado) do relé, está presente o circuito de carga que permanecerá conectado à bateria.
Fig. 5: Diagrama de circuito mostrando o funcionamento do interruptor lateral alto da proteção contra descarga excessiva da bateria
O outro caso pode ser quando a tensão terminal da bateria pode estar abaixo de 6,2 V. Quando a tensão da bateria cai abaixo de 6,2 V, o diodo zener não permanecerá mais no estado de condução. Agora, o diodo zener bloqueará a corrente através dele devido à polarização reversa, que também cortará a corrente de base do Q1.
Mas na prática observa-se que embora o diodo zener não deva conduzir corrente abaixo de 6,2 V, mas conduz alguma corrente (em microamperes) que flui do seu cátodo para o ânodo, esta corrente é a corrente de fuga do Zener. Ao considerar o transistor BC547, quando a tensão entre a base e o emissor está entre 0,65 V e 0,7 V, o transistor atua 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. 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.
Portanto, neste experimento, o transistor Q1 tem alto ganho e amplificará a corrente de fuga de micro amperes para corrente de miliamperes. Portanto, a corrente em miliamperes começará a fluir do coletor para o emissor. A corrente de fuga do zener também ligará o Q1. Mas neste estado, o Q1 não está totalmente LIGADO, pois a tensão da base para o emissor até agora não atinge 0,65 V. Esta corrente de fuga será zero quando a tensão da bateria estiver abaixo de 5,9 V, mas para desligar a bateria em 6,2 V, outro estágio de comutação do transistor com o transistor Q2 é usado para obter um corte preciso na tensão de 6,2 V.
O transistor Q2 fornece indicação de baixa tensão e também desconecta a carga da bateria quando a tensão da bateria está abaixo de 6,2 V.
Fig. 6: Diagrama de circuito mostrando o funcionamento do interruptor lateral alto da proteção contra descarga excessiva da bateria
A base do transistor Q2 está conectada ao coletor do transistor Q1. Agora, com uma tensão abaixo de 6,2 V, o transistor Q1 conduzirá, mas não em seu estado de saturação total. Isso significa que a diferença de tensão entre o coletor e o emissor de Q1 é muito menor, mas tem tensão suficiente para acionar a base do transistor Q2.
Fig. 7: Diagrama de circuito mostrando o funcionamento prático do interruptor lateral alto da proteção contra descarga excessiva da bateria
Portanto, o transistor Q2 começará a conduzir e a tensão no coletor para o emissor do transistor Q2 será quase zero, uma vez que toda a corrente será drenada para o terra. Isso ativará o relé e a carga será desconectada da bateria e o circuito do LED conectado no pino NO do relé começará a receber alimentação e o LED começará a brilhar, indicando descarga excessiva da bateria. Portanto, a partir da explicação acima, pode-se concluir que o uso de um relé no coletor do transistor Q1 teria causado a comutação antecipada do circuito de carga antes do final da tensão de descarga da bateria. É por isso que outro estágio de transistor de comutação com transistor Q2 é conectado para definir a tensão de corte precisa para 6,2 V.
Fig. 8: Diagrama de circuito mostrando a operação do relé na proteção contra descarga excessiva da bateria
Diagrama de circuito completo (abaixo de 6,2 V)
Fig. 9: Diagrama de circuito mostrando o funcionamento completo da proteção contra descarga excessiva da bateria
Uso de resistência em série (R1) com zener diodo e com outros componentes
Um diodo zener requer uma resistência em série que limita o fluxo de corrente através dele acima de sua classificação de corrente, o que evitará que o diodo zener superaqueça e seja danificado. Com o uso de resistência em série, o zener pode fornecer uma tensão regulada na saída.
As resistências R2 e R3 estão conectadas ao coletor de ambos os transistores e a resistência R4 está conectada em série com o LED. O objetivo dessas resistências é apenas limitar a corrente do transistor e do LED. Isso evitará qualquer dano aos componentes.
Selecionando zener resistência em série de diodo (R1)
Neste projeto, o diodo zener utilizado possui classificação de 6,2 V/250 mW. 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 zener
Iz = corrente zener
Para calcular R1 a corrente Zener deve ser calculada pelo seguinte método
Dissipação máxima de potência do diodo zener, Pz = 250mV
Tensão Zener, Vz = 6,2V
Corrente máxima zener, Iz pode ser calculada da seguinte forma
Pz = Vz * Iz
Iz = Pz/Vz
Iz = 0,25/6,2 V
Iz = 40 mA (aprox.)
Como a bateria de íon-lítio de 3,7 V carrega até 4,2 V, a tensão de carga total de duas baterias de íon-lítio (em série) é de 8,4 V.
Então aqui a tensão máxima de alimentação da bateria, Vs = 8,4 V
Tensão Zener, Vz = 6,2 V
Corrente Zener, Iz = 40 mA
Agora, pela equação acima, a resistência pode ser calculada como
R1 = (Vs-Vz)/Iz
R1 = (8,4-6,2)/0,040
R1 = 55 ohms
Mas no experimento, a resistência R1 é superior a 55 ohms. São 80 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 leitura de tensão em diferentes seções do circuito de proteção da bateria
A partir das observações práticas acima, pode-se analisar que a tensão prática na qual a bateria se desconecta da carga é de 6,27 V. Portanto, a bateria será desligada quando a tensão da bateria de cada bateria de íons de lítio estiver em aproximadamente 3,15 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 6,27 V. É por isso que o relé de 5V é usado no circuito.
Diagramas de circuito
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