El siglo XXI pertenece a los dispositivos portátiles que funcionan con baterías. Desde teléfonos inteligentes y computadoras portátiles hasta electrodomésticos inteligentes y aparatos de oficina, los nuevos dispositivos electrónicos son de tamaño compacto, más eficientes energéticamente, cuentan con múltiples funciones y funcionan con energía suministrada por baterías. Estos dispositivos electrónicos suelen tener componentes como diodos, transistores, condensadores o circuitos integrados con componentes integrados que son de naturaleza polarizada. Por lo tanto, los circuitos electrónicos de estos dispositivos deben recibir esencialmente energía CC con una polaridad específica.
Cualquier batería tiene dos terminales: ánodo y cátodo, y la corriente siempre fluye del ánodo al cátodo. De hecho, los electrones fluyen del cátodo al ánodo. Pero para mantener la definición de corriente independiente de los portadores de carga, la dirección de la corriente convencional siempre se toma desde el ánodo o terminal positivo hasta el cátodo o terminal negativo.
Muchos dispositivos, debido al requisito de suministro de energía de una polaridad específica, tienen un montaje mecánico o un diseño de batería tal que la batería solo se puede conectar en una polaridad específica. Pero este no es el caso de todos los dispositivos. Hay muchos dispositivos que funcionan con baterías de uso general, y el conjunto mecánico del dispositivo electrónico solo tiene inscritos indicadores o instrucciones para asegurar la batería de una manera específica. Aún así, la batería se puede conectar al circuito de todos modos debido a un error humano.
Si la batería se conecta con polaridad inversa a un dispositivo, esto podría causar graves daños a la batería y también al propio dispositivo electrónico. Esto no es raro. Debido a la conexión inversa, los componentes polarizados comienzan a recibir descargas eléctricas debido al voltaje inverso entre ellos y el dispositivo puede dañarse permanentemente. La polaridad inversa también puede afectar la batería y la conexión inversa puede hacer explotar la batería o es posible que después de conectarse a un circuito con polaridad inversa la batería ya no pueda mantener la carga.
Para salvar la vida útil de la batería y de los dispositivos electrónicos, generalmente es recomendable utilizar un circuito de protección inversa de la batería después de la batería o antes del circuito interno de cualquier dispositivo electrónico. También se puede incorporar un circuito de protección inversa de la batería en el circuito de entrada de energía de un dispositivo. El circuito de protección inversa de la batería también salva el circuito electrónico de cualquier contracorriente de la batería.
Se puede construir un circuito de protección inversa de la batería utilizando un diodo, MOSFET o BJT. En este tutorial, se diseñará y probará la eficiencia energética del circuito de protección inversa de la batería para cada uno de estos componentes con diferentes cargas. En lugar de considerar circuitos reales como carga, en el experimento se consideran como carga diferentes resistencias. Se miden la caída de tensión en el circuito de protección y la corriente consumida en la carga para probar la eficiencia energética de los circuitos de protección.
El circuito de protección también consume energía de la batería, lo que resulta en un desperdicio de energía. Por lo tanto, el circuito de protección debe consumir la energía mínima para que se emita la máxima potencia a la carga. La potencia suministrada a una carga es proporcional al voltaje disponible en el circuito de carga. Este es el voltaje restante después de la caída de voltaje en el circuito de protección, por lo que se medirá la caída de voltaje en el circuito de protección. La caída de tensión en el circuito de protección debe ser mínima. En segundo lugar, se medirá la corriente a través del circuito de carga, lo que indicará la potencia real disponible para el circuito de carga. Cuanto mayor sea la corriente consumida por el circuito de carga, mayor será la energía consumida por el mismo.
Componentes necesarios
Fig. 1: Lista de componentes necesarios para la protección inversa de la batería
Estos son los siguientes métodos para diseñar el circuito de protección de la batería:
1. DIODO –
La forma más sencilla de diseñar un circuito de protección de batería es utilizando un diodo. Un diodo conduce corriente en una sola dirección y es un circuito abierto para polaridad inversa. Por lo tanto, si se conecta un diodo en serie entre la batería y el circuito de carga, solo permitirá que la corriente sea conducida por una polaridad. El diodo tendrá polarización directa y permitirá que la corriente fluya en el circuito de carga sólo cuando el ánodo de la batería esté conectado al ánodo del diodo. Si el cátodo de la batería está conectado al ánodo del diodo, el diodo tendrá polarización inversa y dejará de conducir corriente en el circuito de carga. Esto ahorrará la carga de cualquier dispositivo conectado a la batería. Por lo tanto, el diodo debe conectarse de tal manera que el cátodo del diodo esté conectado al circuito de carga y el conector de la batería esté conectado al ánodo del diodo. El diodo 1N4007 se puede utilizar para protección inversa de la batería. El diodo 1N4007 tiene una caída de voltaje de alrededor de 0,7 V y una corriente continua máxima de 1A.
Fig. 2: Diagrama del circuito de protección inversa de batería basado en IN4007
Durante el experimento se utiliza una batería de iones de litio de 3,7 V que puede proporcionar un voltaje de suministro de 3,3 V. Se conecta un diodo 1N4007 en serie a la batería de modo que el ánodo de la batería esté conectado al ánodo del diodo. Se conectan diferentes resistencias de carga a la batería y al circuito de diodos a través de interruptores y las conexiones del circuito se completan conectando la tierra común al cátodo de la batería.
Fig. 3: Prototipo de protección de polaridad inversa basada en diodos
Por lo tanto, voltaje de entrada, Vin = 3,3 V, al medir la caída de voltaje a través del diodo y la corriente en las resistencias de carga individualmente, se encuentran los siguientes resultados:
Fig. 4: Tabla que enumera la caída de voltaje en el diodo 1N4007 y la corriente de carga para diferentes cargas
De los resultados anteriores, se puede analizar que el diodo sufre más caída de voltaje a medida que aumenta la demanda de corriente en la carga de salida. Para reducir la caída de voltaje, se puede usar un diodo Schottky que tiene una caída de voltaje directo más baja en comparación con el diodo 1N4007.
Fig. 5: Diagrama del circuito de protección inversa de batería basado en 1N5819
Si el diodo 1N4007 se reemplaza por el diodo Schottky 1N5819 en el circuito, se obtendrán los siguientes resultados:
Voltaje de entrada, Vin = 3,3 V
Fig. 6: Tabla que enumera la caída de voltaje en el diodo 1N5819 y la corriente de carga para diferentes cargas
Del resultado anterior, se puede analizar que el diodo 1N5819 experimentará una mayor caída de voltaje a medida que aumenta la demanda de corriente en la carga de salida. Pero la caída de voltaje directo del diodo Schottky es menor en comparación con el diodo 1N4007.
Desventajas de usar un circuito de diodos.
• Un diodo tiene una caída de voltaje, por lo que el consumo total de energía aumenta. Se puede decir que el diodo desperdicia parte de la potencia.
• El uso de un diodo limita la corriente de salida máxima que puede consumir la carga. Por ejemplo, 1N4007 y 1N5819 permiten una corriente directa máxima de solo 1A.
Solución
• También se pueden utilizar diodos Schottky con una caída de tensión directa más baja en lugar de diodos normales. El diodo se puede seleccionar según la corriente máxima requerida por la carga. En lugar de diodo, se puede usar un transistor como transistor, ya que también se puede usar para aplicaciones de conmutación, tiene menos caída de voltaje y también puede soportar cargas elevadas.
2. Uso de MOSFET de canal N – BS170
La tercera forma de diseñar un circuito de protección es mediante el uso de MOSFET de canal N. El NMOS conduce corriente cuando hay un voltaje positivo en su terminal Gate. De lo contrario, el NMOS permanece en condición de circuito abierto. En el MOSFET hay un diodo de cuerpo intrínseco que conduce cuando está polarizado en directa. Por lo tanto, NMOS se puede utilizar como transistor de conmutación para crear un circuito de protección inversa de la batería. Los NMOS generalmente tienen menos resistencia ON (rDS). Debido a esto presenta una menor caída de tensión en el estado de plena conducción. N-MOSFET también puede manejar cargas elevadas en comparación con los diodos o BJT.
Nota : Los esquemas se pueden encontrar en la pestaña "Diagrama de circuito".
Por lo tanto, cuando la batería está conectada correctamente, el MOSFET se enciende. Al invertir la batería, el terminal de la puerta está bajo, lo que apaga el MOSFET y la carga se desconecta de la batería.
Fig. 7: Prototipo de circuito de protección de polaridad inversa usando N MOSFET en placa
Durante el experimento, se utiliza una batería de iones de litio de 3,7 V que puede proporcionar una tensión de alimentación de 3,3 V. Se utiliza un NMOS BS170 para la protección inversa de la batería. Las resistencias de carga están conectadas a través de interruptores entre el terminal Gate y el terminal Drain del NMOS. La batería está conectada al terminal Gate y al terminal Source del NMOS. El NMOS conduce sólo cuando el ánodo de la batería está conectado a la base del NMOS. Si el cátodo de la batería está conectado a la base del NMOS, el NMOS se apaga, cortando el suministro de voltaje a la carga.
Por lo tanto, voltaje de entrada, Vin = 3,3 V, al medir la caída de voltaje a través del transistor y la corriente en las resistencias de carga individualmente, se encuentran los siguientes resultados:
Fig. 8: Tabla que enumera Vds y corriente de carga para diferentes cargas
De los resultados anteriores, se puede ver que el BS170 sufre una mayor caída de voltaje a medida que aumenta la demanda de corriente en la salida. Pero la caída de voltaje en NMOS es mucho menor en comparación con el diodo.
Desventaja de usar nMOSFET
• MOSFET requiere un voltaje de puerta por encima de un nivel umbral para encenderse. Esto significa que sólo funcionarán con baterías que puedan suministrar un voltaje superior al límite. Por ejemplo, el BS170 requiere un mínimo de 0,8 V en la puerta para encenderse.
Solución
Los MOSFET con voltaje de puerta de umbral más bajo se pueden usar para baterías de baja capacidad.
3. Uso de NPN BJT (transistor de unión bipolar) – BC547
Otra forma de diseñar un circuito de protección de polaridad inversa es mediante el uso de transistores BJT. Se puede utilizar un BJT como transistor de conmutación en el circuito para protección inversa de la batería. El NPN BJT tiene una Beta (ganancia de corriente) más alta, por lo que puede funcionar con una corriente de base baja. Esto reduce la pérdida de energía. Además, tienen menos caída de voltaje.
Nota :
Los esquemas se pueden encontrar en la pestaña "Diagrama de circuito 2".
Durante el experimento, se utiliza BC547 para la protección inversa de la batería. El transistor está conectado en el circuito de tal manera que el circuito de carga está conectado entre la base y el colector del transistor y la batería está unida a la base y el emisor del transistor. Se utiliza una resistencia pull-up en la base del transistor para que la base pueda polarizarse correctamente. Cuando la batería está conectada de tal manera que el ánodo de la batería está conectado a la base del transistor, el voltaje directo en la base cambia el transistor a la condición ON y la corriente comienza a fluir desde el colector al emisor.
Esto completa el circuito y la carga recibe energía entrante. Cuando el cátodo de la batería está conectado a la base del transistor, la base del transistor no está polarizada y el transistor cambia a la condición APAGADO. No queda ningún flujo de corriente entre el colector y el emisor del transistor y el circuito de carga está abierto. Esto salvará la carga/dispositivo de la corriente inversa.
Fig. 9: Prototipo de circuito de protección de polaridad inversa usando BJT en protoboard
Durante el experimento, se utiliza una batería de iones de litio de 3,7 V que puede proporcionar un voltaje de suministro de 3,3 V. Se conecta un transistor BC547 de tal manera que las resistencias de carga estén conectadas entre la base y el colector del transistor y los conectores de la batería. están conectados entre la base y el emisor del transistor.
Por lo tanto, voltaje de entrada, Vin = 3,3 V, al medir la caída de voltaje a través del transistor y la corriente en las resistencias de carga individualmente, se encuentran los siguientes resultados:
Fig. 10: Tabla que enumera Vce y corriente de carga para diferentes cargas
De los resultados anteriores, se puede ver que el BC547 sufre más caídas de voltaje a medida que aumenta la demanda de corriente en la salida. Pero la caída de voltaje en BJT es mucho menor en comparación con el diodo y el MOSFET. Por lo tanto, BJT funciona mejor que MOSFET y diodo como circuito de protección inversa de batería.
Desventajas de usar BC547
• El circuito debe diseñarse para mantener una corriente base tal que pueda manejar una carga alta con una pérdida mínima de energía. Esto se debe al hecho de que la corriente del colector depende de la corriente de base.
• El BC547 permite una corriente máxima de 100 mA a través del colector. Esto limita la corriente máxima que puede consumir la carga.
Solución
• En algunos casos, se puede utilizar BJT como 2N2222A para resolver el problema del límite actual. El 2N2222A permite una corriente máxima de 1A.
• MOSFET se puede utilizar en lugar de BJT ya que MOSFET tiene menor resistencia en comparación con BJT y puede soportar cargas elevadas. Pero con el uso de MOSFET, es necesario hacer concesiones en la pérdida de energía, ya que MOSFET tiene una mayor pérdida de energía que BJT.
Conclusión -
Al comparar el uso de diodo, BJT y MOSFET como circuito de protección inversa de la batería, los resultados derivados se resumen en la siguiente tabla:
Fig. 11: Tabla que enumera las características de protección inversa de la batería usando diodo, NPN BJT y N-MOSFET
Por lo tanto, se puede concluir que cuando se utilizan diodos, NMOS y BJT para la protección inversa de la batería, el uso de BJT es el más eficiente energéticamente, pero tiene una limitación de corriente. Alternativamente, se puede utilizar NMOS, pero presenta un problema de voltaje umbral. Por lo tanto, para circuitos de carga con baja demanda de corriente, es mejor usar BJT. Si el circuito de carga tiene una alta demanda de corriente y opera a alta potencia, se recomienda el uso de NMOS. Para circuitos de bajo costo en los que la caída de voltaje o la demanda de corriente no son un problema, se puede usar un diodo.
Diagramas de circuito
| Diagrama de circuito: protección de batería inversa basada en NPN-BJT |
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