La mayoría de los dispositivos modernos funcionan con baterías. Una batería almacena carga y luego la suministra para alimentar cualquier dispositivo electrónico. Aunque las baterías son fáciles de usar, su uso también requiere cierto cuidado. Un problema importante con el uso de baterías es su descarga y carga excesivas. Ambos problemas afectan la duración de la batería y le cuestan innecesariamente al usuario final. Los usuarios también suelen ignorar estos problemas. Un manejo inadecuado de las baterías acorta su vida útil e incluso puede provocar una explosión. En última instancia, esto aumenta el coste de mantenimiento de los dispositivos electrónicos.
En este proyecto electrónico, se diseñará un circuito basado en diodo zener para proteger la batería de la sobrecarga. Cuando se carga una batería, aumenta su voltaje terminal, es decir, el voltaje entre el ánodo y el cátodo de la batería. Con carga completa, el voltaje del terminal alcanza un valor máximo que es una indicación de carga del 100%. Cargar una batería más allá de su nivel máximo provoca daños permanentes o temporales a la batería.
Es posible que la sobrecarga haga que la batería pierda su capacidad de recargarse nuevamente o que incluso explote debido a la sobrecarga. Por tanto, el porcentaje o nivel de carga de una batería se estima mediante la tensión de sus terminales. La batería debe desconectarse del circuito del cargador tan pronto como se detecte el pico de voltaje en el terminal o la batería esté completamente cargada. Por lo tanto, debe haber un circuito de protección que pueda monitorear el nivel de carga de la batería detectando el voltaje del terminal y protegiendo la batería de la sobrecarga cortando la conexión de la batería con el cargador.
En este proyecto electrónico, se diseña un circuito de alimentación que detectará el límite superior del voltaje del terminal mediante el uso de un diodo Zener adecuado y cortará la conexión de la batería con el dispositivo de carga mediante el uso de un relé. El circuito también incluye una sección de indicador LED que iluminará el LED a medida que la batería se carga a su valor máximo y no requiere recarga.
En concreto, en este proyecto se tomará como fuente de energía dos baterías de iones de litio conectadas en serie. En los dispositivos electrónicos portátiles más utilizados, como ordenadores portátiles, teléfonos inteligentes y otros, se utilizan baterías de iones de litio con un límite máximo de voltaje terminal de 4,2 V. Al igual que en este proyecto, para el suministro de energía se utilizan baterías con un límite de corte de 4,2 V, por lo que, utilizando dos baterías en serie, ajuste el límite de corte a 8,4 V. Prácticamente, el circuito de protección diseñado en este proyecto electrónico corta Retire la batería del cargador cuando el voltaje de la batería supere los 8,37 V.
Por lo tanto, se utiliza un circuito de diodo Zener con una caída de 8,4 V en condición de polarización inversa para detectar el límite de corte en el diseño del circuito. El circuito Zener se puede diseñar de varias formas. Se puede usar un solo diodo zener o una combinación de diodos zener para lograr la caída de voltaje deseada en condición de polarización inversa. Otra opción es utilizar un diodo normal en combinación con el diodo zener utilizado en este proyecto. El circuito de diodo se utilizará para controlar un transistor de conmutación que operará el relé.
Cuando el voltaje del terminal de la batería excede los 8,4 V, el circuito del diodo entrará en un estado conductor, activando el transistor de conmutación y cambiando el estado del relé para cortar el suministro de energía del cargador. Después de comprender el funcionamiento de este diseño, los circuitos de protección para otros límites de corte también se pueden diseñar mediante la selección adecuada del diodo zener y el relé con el mismo circuito.
Componentes necesarios
Fig. 1: Lista de componentes necesarios para el circuito de protección contra sobrecarga de la batería con corte automático
Diagrama de bloques -
Fig. 2: Diagrama de bloques del protector de sobrecarga de la batería
Conexiones de circuito –
El circuito diseñado en este proyecto tiene las siguientes secciones de circuito:
1) Circuito de diodo Zener para detectar el voltaje del terminal de corte de la batería
2) Circuito de transistores para operar el relé.
3) Circuito de diodo para protección contra corriente inversa.
4) Circuito indicador LED para indicación de carga completa de la batería
1) Circuito de diodo Zener : el circuito de diodo Zener se puede construir de varias maneras. Consideremos tres formas de diseñar el circuito de diodo zener:
a) Tomar un diodo zener equivalente al corte de voltaje deseado: como el circuito del diodo zener se utilizará para accionar un transistor de conmutación, se debe considerar la caída de voltaje a través del transistor. Se puede utilizar un único diodo zener que tenga un pico de voltaje inverso equivalente a la caída de voltaje deseada menos la caída de voltaje a través del circuito del transistor de conmutación. De esta manera, la clasificación de caída de voltaje requerida se puede calcular de la siguiente manera:
Corte de tensión, Vcut = 8,4 V
Vcut = caída de voltaje en el diodo Zener (D1) + caída de voltaje en el transistor (Q1) (Vbe)
8,4 = caída de tensión en el diodo Zener (D1) + 0,7
Caída de voltaje en el diodo Zener = 8,4 -0,7
Caída de voltaje en el diodo Zener = 7,7 V
Por lo tanto, para un corte de voltaje de 8,4 V, se debe seleccionar un diodo zener con una clasificación de 7,7 V.
b) Tomar una combinación de diodos zener: dado que la caída de voltaje en el circuito del diodo zener debe ser de 7,7 V. Por lo tanto, si no está disponible un diodo zener con un voltaje inverso máximo exacto de 7,7 V, se puede usar una combinación de diodos zener conectados en serie. ser usado. Por ejemplo, se pueden utilizar dos diodos zener de 3 V y 4,7 V.
c) Uso de un diodo normal con diodo zener: la caída de voltaje en el circuito zener se puede equiparar a 7,7 V conectando un diodo típico con polarización directa en serie con el diodo zener. Por ejemplo, se puede utilizar un diodo Zener de 7 V en serie con un diodo 1N4007. El diodo 1N4007 tiene una caída de voltaje directo de 0,7 V, por lo que proporcionará una caída adicional de 0,7 V. Esto producirá exactamente 7,7 V, que es el corte de voltaje requerido en el circuito. Se utiliza el mismo método para diseñar este circuito de protección contra sobrecarga de la batería.
El diodo normal está conectado en configuración de polarización directa con su ánodo conectado al ánodo de la batería y el cátodo conectado al cátodo del diodo zener. El diodo Zener está conectado en serie con el diodo normal en configuración de polarización inversa con el ánodo conectado a la base del transistor de conmutación y el cátodo al cátodo del diodo normal. Hasta que el voltaje terminal de la batería esté por debajo del umbral de corte y el voltaje inverso máximo del diodo zener, el diodo zener permanecerá en el estado no conductor, pero a medida que el voltaje terminal aumentará por encima del corte y el voltaje inverso máximo del diodo zener, entrará en estado de conducción.
2) Circuito de transistores : el circuito de transistores se utiliza para operar el relé. Un transistor de conmutación se utiliza como interruptor del lado alto en el circuito donde el transistor funciona como inversor lógico. El ánodo del diodo zener está conectado a la base del transistor Q1, el emisor del transistor Q1 está conectado a tierra mientras que el colector del transistor está conectado a la bobina del relé que controla el suministro de energía al cargador de baterías.
3) Circuito de diodo : se conecta un circuito de diodo en paralelo a la bobina del relé para protegerlo contra la contracorriente del relé. La contracorriente de la descarga de la bobina del relé puede dañar permanentemente la batería, por lo que este circuito de diodo se utiliza para protección contra contracorriente.
4) Circuito indicador LED : el circuito indicador LED está conectado al punto NC del relé. Cuando el circuito del transistor cambia el relé al punto NC, el LED tiene polarización directa ya que el ánodo del LED está conectado al punto NC del relé y el cátodo está conectado a tierra. Una resistencia limitadora de corriente está conectada en serie con el LED para evitar daños al LED debido a un voltaje excesivo.
Cómo funciona el circuito –
Fig. 3: Prototipo de protector de sobrecarga de batería diseñado en una placa de pruebas
El circuito se basa en el funcionamiento del diodo zener. Un diodo zener, cuando se conecta en configuración de polarización inversa y su voltaje catódico está por debajo de su voltaje de ruptura, entonces el zener actúa como un circuito abierto. Pero cuando se aplica un voltaje por encima de la ruptura del zener en su terminal del cátodo, el zener comienza a conducir desde el cátodo al ánodo en condición de polarización inversa. Dado que el diodo Zener también puede funcionar con polarización inversa, esta característica del diodo Zener es útil para detectar el corte en el nivel de voltaje de la batería.
Hay dos baterías de iones de litio conectadas en serie, por lo que tienen un voltaje máximo total en los terminales de 8,4 V. Cuando las dos baterías de iones de litio están conectadas al cargador, pueden darse dos casos, como se indica a continuación:
El voltaje del terminal de la batería puede estar por debajo de 8,4 V. Cuando el voltaje de la batería está por debajo de 8,4 V, el cátodo del diodo zener (D1) estará por debajo de 6,8 V. El diodo D1 comenzará a conducir y habrá una caída entre D1 y P1. En este caso, el diodo Zener permanecerá en un estado no conductor y no conducirá corriente desde el cátodo al terminal del ánodo (como se muestra en la imagen a continuación). Como la base del transistor Q1 está conectada al ánodo zener (como se muestra en la imagen a continuación). Por lo tanto, la base del transistor Q1 no recibirá el voltaje requerido y funcionará como un circuito abierto. Por tanto, el transistor Q1 funciona como un inversor lógico. Cuando el diodo Zener está en un estado no conductor y no hay suficiente voltaje en la base del transistor, la corriente del colector se cortocircuita a tierra a través del emisor y el voltaje del colector cae.
En la práctica, se observa que aunque el zener por debajo de 8,25 V no conduce, pero todavía tiene algo de corriente (en microamperios) que fluye desde su cátodo al ánodo, esta corriente es la corriente de fuga del Zener.
Fig. 4: Diagrama de circuito que muestra la sección del diodo Zener del protector de sobrecarga de la batería.
Generalmente a medida que la corriente en la base del transistor comienza a aumentar, este actúa como una resistencia variable, el valor de esta resistencia comienza a disminuir a medida que aumenta la corriente. Considerando el transistor BC547, el voltaje entre la base y el emisor está entre 0,65 V y 0,7 V, por lo que el transistor actuará como un cortocircuito. El transistor (BC457) tiene una ganancia mínima de 110, por lo que la base del transistor necesita mucha menos corriente para conducir. Por lo tanto, el transistor Q1 amplificará la corriente de fuga de microamperios a miliamperios y la corriente en miliamperios comenzará a fluir desde el colector al emisor (como se muestra en la imagen a continuación). Por lo tanto, la corriente de fuga Zener también activará el transistor Q1. Pero en este estado, Q1 no está completamente encendido ya que la base al emisor hasta el momento no alcanza los 0,65 V.
Fig. 5: Diagrama de circuito que muestra el interruptor del lado alto funcionando en el protector de sobrecarga de la batería
El colector del transistor Q1 proporcionará tierra al relé (RL1) para que se pueda accionar el relé. Pero en este caso, como Q1 no está completamente encendido, habrá una caída de voltaje entre el colector y el emisor del transistor Q1. Por tanto, en este caso, el relé no se activará y la batería permanecerá en estado de carga a través del cargador. El LED de salida también permanece apagado (como se muestra en la imagen a continuación).
Fig. 6: Diagrama de circuito que muestra el práctico interruptor del lado alto trabajando en el protector de sobrecarga de la batería.
El otro caso puede ser cuando el voltaje del terminal de la batería es inferior a 8,37 V. Cuando el voltaje de la batería es superior a 8,37 V, el diodo D1 comenzará a conducir y el diodo zener se averiará. Por lo tanto, en este estado, el diodo zener permitirá que la corriente fluya desde su cátodo a los terminales del ánodo (como se muestra en la imagen a continuación).
Fig. 7: Diagrama de circuito que muestra el diodo Zener funcionando en el protector de sobrecarga de la batería.
Como la base del transistor Q1 está conectada al ánodo zener (como se muestra en la imagen a continuación). Por lo tanto, el transistor Q1 comenzará a conducir y actuará como un cortocircuito. Por lo tanto, toda la corriente del colector de Q1 se cortocircuitará y comenzará a fluir desde el colector de Q1 hasta su emisor y finalmente a tierra.
Fig. 8: Diagrama de circuito que muestra el funcionamiento del relé en la protección de sobrecarga de la batería.
Por lo tanto, la diferencia de voltaje entre el colector y el emisor es cero ya que toda la corriente se drena a tierra. Esto activará el relé. Por lo tanto, el cargador que está en el pin NC (normalmente cerrado) se desconectará de la batería. El LED en el pin NO (normalmente abierto) del relé se enciende e indicará sobrecarga de la batería.
Fig. 9: Diagrama de circuito que muestra el funcionamiento completo de la protección contra sobrecarga de la batería.
Uso de resistencia en serie (R1) con diodo Zener y otros componentes
Un diodo Zener requiere una resistencia en serie que limite el flujo de corriente a través de él por encima de su corriente nominal, lo que evitará que el diodo Zener se sobrecaliente. Con el uso de resistencia en serie, el Zener también puede proporcionar un voltaje regulado en la salida. Una resistencia R2 está conectada al colector del transistor Q1 y la resistencia R3 está conectada al LED. El propósito de estas resistencias es simplemente limitar la corriente del transistor y del LED. Esto evitará cualquier daño a los componentes.
Selección de la resistencia en serie del diodo Zener (R1)
En este proyecto, el diodo Zener utilizado tiene una potencia nominal de 6,8 V. Cuando el voltaje supera los 8,4 V, el circuito desconectará la batería del cargador. Aunque el aumento de voltaje es muy menor, para garantizar la seguridad, el corte de voltaje máximo puede ser de 8,5 V. La resistencia en serie del diodo Zener se puede calcular mediante la siguiente ecuación:
R1 = (Vs-Vz)/Iz
Donde Vs = tensión de alimentación máxima
Vz = (Tensión total en el zener (D2) + diodo 1N4007 (D1) + caída en la resistencia zener (R1) + transistor (Q1))
Iz = corriente Zener
Para calcular el valor de la resistencia R1, la corriente Zener se puede calcular mediante el siguiente método:
Máxima disipación de potencia del diodo Zener, Pz = 250 mV
Vz=8,4V
La corriente Zener máxima, Iz, se puede calcular de la siguiente manera
Pz = Vz * Iz
Iz = Pz/Vz
Iz = 0,25/8,4V
Iz = 29 mA (aprox.)
Ahora, a partir de la ecuación anterior, la resistencia se puede calcular como
V = 8,5 V
R1 = (Vs-Vz)/Iz
R1 = (8,5-8,4)/0,029
R1 = 3,5 ohmios (aprox.)
Pero en el experimento, se considera que la resistencia R1 es de 5 ohmios solo para estar seguros. La selección de resistencia de la serie Zener debe elegirse sabiamente para que no permita que la corriente exceda la clasificación Zener. Ya que más corriente dañará permanentemente el diodo zener.
Las diferentes lecturas de voltaje obtenidas del circuito se resumen en la siguiente tabla:
Fig. 10: Tabla que enumera las diferentes lecturas de voltaje obtenidas del circuito.
La verificación del valor práctico del corte de voltaje se puede determinar mediante la caída en los otros componentes usando la siguiente ecuación:
Observación práctica, Vcut = caída de voltaje en el diodo Zener (D2) + caída de voltaje en el transistor (Q1) (Vbe) + caída de voltaje en la resistencia en serie (R1) + caída de voltaje en el diodo (D1)
En la ecuación anterior, al agregar el diodo (D1) también cae lo que no existe en las observaciones teóricas.
Observación práctica,Vcut= 6,8 + 0,68 + 0,2 + 0,69
Observación práctica, Vcut = 8,37V
A partir de la observación práctica anterior, se puede analizar que el voltaje práctico al que la batería se desconecta del cargador es de 8,37 V. Por lo tanto, la batería se desconectará cuando el voltaje de cada batería de iones de litio sea de aproximadamente 4,2 V.
Uso de diodos (D3)
Como el relé tiene internamente una bobina inductora, esta bobina almacena algo de carga cuando el relé se activa o energiza. Cuando el relé se desactiva, la polaridad del relé se invierte y una corriente inversa fluirá desde la bobina, lo que puede dañar el circuito. Por lo tanto, se utiliza un diodo (D3) a través del relé para evitar la contracorriente del circuito cuando el relé está desenergizado. Este diodo se conoce como diodo de retorno o diodo de rueda libre. El inductor se descargará a través de este diodo y esto evitará que el otro circuito reciba contracorriente.
Es importante que la tensión nominal del relé sea inferior a la tensión de corte de la batería. Por ejemplo, si se utiliza un relé de 9 V en el circuito, nunca se energizará a 8,4 V. Por eso se utiliza un relé de 5 V en el circuito.
Diagramas de circuito
| Diagrama del circuito del protector de sobrecarga de la batería |  |