En esta era de dispositivos electrónicos portátiles, la mayoría de los aparatos electrónicos funcionan con baterías. Una batería almacena carga y luego la suministra para alimentar cualquier dispositivo electrónico. El uso de baterías requiere cuidado y manipulación adecuados. Un problema importante con el uso de baterías es su sobredescarga y sobrecarga. Ambos problemas afectan la duración de la batería y le cuestan innecesariamente al usuario final. Los consumidores también suelen ignorar estas cuestiones. Como las baterías tienen un precio atractivo, esto acaba incrementando el coste de mantenimiento de cualquier dispositivo electrónico.
En este proyecto electrónico, se diseñará un circuito basado en diodo zener para proteger una batería contra una descarga excesiva. 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%. A medida que la batería se conecta a un dispositivo electrónico y comienza a descargarse, el voltaje del terminal comienza a caer. Por tanto, el porcentaje o nivel de carga de una batería se estima mediante la tensión de sus terminales. Si el voltaje de los terminales de una batería cae por debajo de un límite inferior, la batería comienza a agotarse prematuramente. Esto degrada la capacidad de recarga de la batería así como su eficiencia. 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 proteger la batería contra una descarga excesiva cortando la conexión de la batería con el dispositivo electrónico.
En este proyecto electrónico, se diseña un circuito de alimentación que detectará el límite inferior del voltaje 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 cuando la batería se haya descargado por debajo del umbral y necesite recargarse.
En concreto, en este proyecto se utilizarán como fuente de energía dos baterías de iones de litio conectadas en serie. En los dispositivos electrónicos portátiles más utilizados, como computadoras portátiles, teléfonos inteligentes y otros, se utilizan baterías de iones de litio con un límite inferior de voltaje terminal de 3 V, pero algunos fabricantes también diseñan baterías de iones de litio con un límite de corte inferior de 2, 7 V.
En este proyecto, se utilizan baterías con un límite de corte de 3,1 V para el suministro de energía. Por lo tanto, utilizando dos baterías en serie, establezca el límite de corte en 6,2 V. Por lo tanto, se utiliza un diodo zener de voltaje pico inverso de 6,2 V para detectar el límite de corte en el diseño del circuito. El diodo se utilizará para accionar los transistores de conmutación que operarán el relé. Como el voltaje del terminal de la batería será inferior a 6,2 V, el diodo entrará en estado de conducción, activando los transistores de conmutación y cambiando el estado del relé para cortar el suministro de energía al dispositivo de carga. Después de comprender el funcionamiento de este proyecto, también se pueden diseñar circuitos de protección para otros límites de corte seleccionando adecuadamente el diodo zener y el relé con el mismo circuito.
Componentes necesarios
Fig. 1: Lista de componentes necesarios para el protector de sobredescarga de la batería
Diagrama de bloques -
Fig. 2: Diagrama de bloques del protector de sobredescarga 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 descarga de batería.
1) Circuito de diodo Zener: un diodo Zener está conectado en serie con la batería de modo que el cátodo del diodo Zener está conectado al ánodo de la batería y el ánodo del diodo Zener está conectado a la base del transistor de conmutación. El propósito de conectar el diodo de esta manera es operarlo en condición de polarización inversa. Hasta que el voltaje terminal de la batería esté por encima del umbral de corte y el pico de voltaje inverso del diodo zener, el diodo zener permanecerá en un estado conductor, pero a medida que el voltaje terminal caerá por debajo del corte y el pico de voltaje inverso del zener diodo, se apagará.
2) Circuito de transistores: el circuito de transistores se utiliza para operar el relé. Los transistores se utilizan como interruptor del lado alto en el circuito donde dos etapas de transistores operan como inversores lógicos. 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 al ánodo de la batería. La base del transistor Q2 está conectada al colector del transistor Q1, por lo que el voltaje del colector del transistor Q1 conmutará el transistor Q2. El emisor del transistor Q2 está conectado a tierra y el colector del transistor Q2 está conectado a la bobina del relé que controla el suministro de energía al dispositivo de carga.
3) Circuito de diodo: se conecta un circuito de diodo en paralelo a la bobina del relé para proteger contra la contracorriente del dispositivo de carga. La contracorriente de una carga de alta corriente 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 sobredescarga de batería
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. Como el diodo Zener también puede funcionar con polarización inversa, esta característica del diodo Zener se utiliza para detectar el corte en el nivel de voltaje de la batería.
Hay dos baterías de Li-Ion conectadas en serie, por lo que tienen un voltaje de descarga total final de 6 V. Por lo tanto, por seguridad, el voltaje de corte puede ser de 6,2 V y por lo tanto se utiliza un zener de 6,2 V en el circuito. .
Cuando las dos baterías de iones de litio están conectadas a la carga, pueden darse dos casos, como se indica a continuación:
El voltaje del terminal de la batería puede estar por encima de 6,2 V. Cuando el voltaje de la batería es superior a 6,2 V, el cátodo del diodo zener (D1) estará por encima de 6,2 V. En este caso, el diodo zener se romperá y comenzará a conducir desde terminal de cátodo a ánodo (como se muestra en la imagen siguiente). 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 comenzará a conducir y actuará como un circuito cerrado. Por lo tanto, toda la corriente del colector se cortocircuita y la corriente comenzará a fluir desde el colector de Q1 hasta su emisor y finalmente a tierra. Por tanto, el transistor Q1 funciona como un inversor lógico. Cuando el diodo Zener está en estado conductor y hay suficiente voltaje en la base del transistor BC547, el voltaje del colector se consume tal cual. 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.
Fig. 4: Diagrama de circuito de la sección del diodo Zener de protección contra sobredescarga de la batería
Como la base del transistor Q2 está conectada al colector de Q1 pero el potencial en el colector de Q1 es casi cero porque toda la corriente está conectada a tierra, la conducción de Q1 pondrá a tierra la base del transistor Q2 y el transistor Q2 estará en estado no- estado conductor. Cuando el colector del transistor Q2 proporciona tierra a un extremo del relé, sólo entonces se energizará el relé. Pero como Q2 está en estado APAGADO, su colector está en el potencial de voltaje de la batería, por lo que el relé no se activará y el pin LED NO (normalmente abierto) del relé también permanecerá en estado APAGADO. El pin NC (normalmente cerrado) del relé contiene el circuito de carga que permanecerá conectado a la batería.
Fig. 5: Diagrama de circuito que muestra el funcionamiento del interruptor del lado alto de protección contra sobredescarga de la batería
El otro caso puede ser cuando el voltaje del terminal de la batería puede ser inferior a 6,2 V. Cuando el voltaje de la batería cae por debajo de 6,2 V, el diodo zener ya no permanecerá en estado conductor. Ahora el diodo Zener bloqueará la corriente que lo atraviesa debido a la polarización inversa que también cortará la corriente base de Q1.
Pero en la práctica se observa que aunque el diodo zener no debe conducir corriente por debajo de 6,2 V, pero sí conduce algo de corriente (en microamperios) que fluye desde su cátodo al ánodo, esta corriente es la corriente de fuga Zener. Al considerar el transistor BC547, cuando el voltaje entre la base y el emisor está entre 0,65 V y 0,7 V, el transistor actúa 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. 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.
Por lo tanto, en este experimento, el transistor Q1 tiene una ganancia alta y amplificará la corriente de fuga de micro amperios a miliamperios. Por lo tanto, la corriente en miliamperios comenzará a fluir desde el colector al emisor. La corriente de fuga zener también activará Q1. Pero en este estado, Q1 no está completamente encendido, ya que el voltaje desde la base al emisor hasta el momento no llega a 0,65 V. Esta corriente de fuga será cero cuando el voltaje de la batería sea inferior a 5,9 V, pero para apagar la batería a 6,2 V , se utiliza otra etapa de conmutación de transistor con el transistor Q2 para obtener un corte preciso con un voltaje de 6,2 V.
El transistor Q2 proporciona indicación de bajo voltaje y también desconecta la carga de la batería cuando el voltaje de la batería es inferior a 6,2 V.
Fig. 6: Diagrama de circuito que muestra el funcionamiento del interruptor del lado alto de protección contra sobredescarga de la batería
La base del transistor Q2 está conectada al colector del transistor Q1. Ahora, con un voltaje inferior a 6,2 V, el transistor Q1 conducirá, pero no en su estado de saturación total. Esto significa que la diferencia de voltaje entre el colector y el emisor de Q1 es mucho menor, pero tiene suficiente voltaje para accionar la base del transistor Q2.
Fig. 7: Diagrama de circuito que muestra el funcionamiento práctico del interruptor del lado alto de protección contra sobredescarga de la batería
Por lo tanto, el transistor Q2 comenzará a conducir y el voltaje del colector al emisor del transistor Q2 será casi cero ya que toda la corriente será drenada a tierra. Esto activará el relé y la carga se desconectará de la batería y el circuito LED conectado al pin NO del relé comenzará a recibir energía y el LED comenzará a brillar indicando una descarga excesiva de la batería. Por lo tanto, de la explicación anterior, se puede concluir que el uso de un relé en el colector del transistor Q1 habría provocado una conmutación temprana del circuito de carga antes de que finalice la tensión de descarga de la batería. Esta es la razón por la que se conecta otra etapa de transistor de conmutación con el transistor Q2 para establecer el voltaje de corte preciso en 6,2 V.
Fig. 8: Diagrama de circuito que muestra el funcionamiento del relé en la protección contra sobredescarga de la batería.
Diagrama de circuito completo (por debajo de 6,2 V)
Fig. 9: Diagrama de circuito que muestra el funcionamiento completo de la protección contra sobredescarga 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 clasificación actual, lo que evitará que el diodo zener se sobrecaliente y se dañe. Con el uso de resistencia en serie, el zener puede proporcionar un voltaje regulado en la salida.
Las resistencias R2 y R3 están conectadas al colector de ambos transistores y la resistencia R4 está conectada en serie con el 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 resistencia zener en serie del diodo (R1)
En este proyecto, el diodo zener utilizado tiene una potencia nominal de 6,2 V/250 mW. 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 = voltaje zener
Iz = corriente zener
Para calcular R1, la corriente Zener debe calcularse mediante el siguiente método
Máxima disipación de potencia del diodo zener, Pz = 250mV
Tensión Zener, Vz = 6,2 V
La corriente zener máxima, Iz, se puede calcular de la siguiente manera
Pz = Vz * Iz
Iz = Pz/Vz
Iz = 0,25/6,2V
Iz = 40 mA (aprox.)
Dado que la batería de iones de litio de 3,7 V carga hasta 4,2 V, el voltaje de carga total de dos baterías de iones de litio (en serie) es de 8,4 V.
Entonces aquí el voltaje máximo de suministro de la batería, Vs = 8,4 V
Tensión Zener, Vz = 6,2 V
Corriente Zener, Iz = 40 mA
Ahora, a partir de la ecuación anterior, la resistencia se puede calcular como
R1 = (Vs-Vz)/Iz
R1 = (8,4-6,2)/0,040
R1 = 55 ohmios
Pero en el experimento, la resistencia R1 es superior a 55 ohmios. Son 80 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 lecturas de voltaje en diferentes secciones del circuito de protección de la batería
A partir de las observaciones prácticas anteriores, se puede analizar que el voltaje práctico al que la batería se desconecta de la carga es de 6,27 V. Por lo tanto, la batería se desconectará cuando el voltaje de cada batería de iones de litio sea de aproximadamente 3,15 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 6,27 V. Es por eso que se utiliza un relé de 5 V en el circuito.
Diagramas de circuito
| Diagrama-de-circuito-protección-indicador-de-sobredescarga-de-batería- |  |