电池过放电指示器及保护电路

电子

在这个便携式电子设备的时代，大多数电子设备都使用电池。电池储存电量，然后提供电量给任何电子设备供电。电池的使用需要有自己的预防和处理方法。使用电池的一个主要问题是过放电和过充电。这两个问题都会影响电池的寿命，并不必要地增加最终用户的成本。这些问题也常常被消费者所忽视。由于电池的价格标签不错，它最终会增加任何电子设备的维护成本。
在这个电子项目，齐纳二极管为基础的电路将被设计来保护电池从过放电。当电池充电时，其终端电压，即电池的阳极和阴极之间的电压增加。在充满电时，终端电压达到一个峰值，这是100% 充电的指示。当电池连接到一个电子设备上并开始放电时，其端子电压开始下降。因此，电池的充电百分比或充电水平是由其终端电压估计的。如果电池的终端电压低于一个较低的阈值极限，电池就会过早死亡。这会降低电池的充电能力和效率。因此，应该有一个保护电路，通过检测端子电压来监测电池的充电水平，并通过切断电池与电子设备的连接来保护电池不过放电。
具体来说，本项目将采用两个串联的锂离子电池组作为供电单元。在大多数常用的便携式电子设备中，如笔记本电脑、智能手机和其他电子设备，使用的锂离子电池的阈值电压下限为3v，但一些制造商设计的锂离子电池的阈值下限为2.7 v。
在这个项目中，电力供应使用的电池的截止电压为3.1 v。因此，在电路设计中，采用串联两节电池的方式将截止限值设置为6.2 v，并采用6.2 v 反向峰值电压的齐纳二极管来检测电路的截止限值。二极管将被用来驱动开关晶体管来操作继电器。当电池的终端电压低于6.2 v 时，二极管进入传导状态，触发开关晶体管，改变继电器状态，切断负载装置的电源。在了解了本项目的作用后，还可以通过选择合适的齐纳二极管和继电器来设计其他截止限制的保护电路。
所需组件

图1: 电池过放电保护器所需元件清单

图二: 电池过放电保护器框图

Circuit Connections – 电路连接 -
本项目设计的电路包括以下电路部分-
1)齐纳二极管电路，用于检测电池的截止端电压
2)晶体管电路操作继电器
3)二极管逆流保护电路
4)电池放电指示灯电路
1)齐纳二极管电路-齐纳二极管与电池串联，齐纳二极管的阴极与电池的阳极相连，齐纳二极管的阳极与开关三极管的基极相连。用这种方式连接二极管的目的是在反向偏置条件下操作它。在蓄电池的终端电压高于截止极限和齐纳二极管的峰值反向电压之前，齐纳二极管将保持传导状态，但当终端电压降到截止电压以下，齐纳二极管的峰值反向电压降到截止电压以下时，齐纳二极管将处于截止状态。
2)晶体管电路-晶体管电路用于操作继电器。晶体管用作电路中的高端开关，两级晶体管作为逻辑逆变器工作。稳压二极管的阳极连接到晶体管 q1的基极，晶体管 q1的发射极连接到地，晶体管的集电极连接到电池的阳极。晶体管 q2的基极与晶体管 q1的集电极相连，因此晶体管 q1的集电极电压将开关晶体管 Q2。晶体管 q2的发射极接地，晶体管 q2的集电极连接到继电器线圈，继电器线圈控制对负载装置的供应。
3)二极管电路——二极管电路并联于继电器线圈，用于负载装置的逆电流保护。大电流负载产生的反向电流会对电池造成永久性损坏，这就是为什么这个二极管电路用于反向电流保护。
4) LED 指示灯电路-LED 指示灯电路连接在继电器的 NC 点。当晶体管电路将继电器切换到 NC 点时，由于 LED 的阳极与继电器的 NC 点相连，而阴极与地相连，使 LED 得到正向偏置。限流电阻器与 LED 串联连接，以避免 LED 因过高电压而受到损坏。
电路是如何工作的

图3: 电池过放电保护器样机

该电路基于齐纳二极管的工作原理。当齐纳二极管以反向偏置结构连接，其阴极电压低于击穿电压时，齐纳二极管就像开路一样工作。但当稳压器的阴极端部施加高于稳压器击穿电压时，稳压器在反向偏压条件下开始从阴极到阳极导电。由于齐纳二极管还可以工作在反向偏压下，齐纳二极管的这一特性被用于检测电池电压水平的切断。
有两个锂离子电池串联在一起，所以他们有一个总共6v 的放电电压。为了安全起见，可以采用6.2 v 的截止电压，因此，电路中使用了6.2 v 的稳压器。
当两个锂离子电池与负载连接时，可以按以下两种情况:
电池的终端电压可以在6.2 v 以上-当电池电压在6.2 v 以上时，稳压二极管(D1)的阴极将在6.2 v 以上。在这种情况下，齐纳二极管将击穿，并将开始导电从阴极到阳极终端(如下图所示)。作为基地的 q1晶体管是连接到齐纳阳极(如下图所示)。因此，晶体管 q1的基极将开始导电，起到闭合电路的作用。因此，整个集电极电流得到一个短路径，电流将开始从 q1集电极流向发射极，最后流向地面。所以晶体管 q1的工作原理是逻辑逆变器。当齐纳二极管处于导电状态，在 bc547晶体管的基极有足够的电压时，集电极电压按原样绘制。当齐纳二极管处于非导通状态，晶体管基极没有足够的电压时，集电极电流通过发射极短路到地，集电极电压降低。

图4: 蓄电池过放电保护齐纳二极管部分电路图

由于晶体管 q2的基极与 q1的集电极相连，但 q1的集电极上的电位几乎为零，因为所有的电流都接地了，所以 q1的传导将使晶体管 q2的基极接地，而晶体管 q2将处于非导电状态。当晶体管 q2的集电极只为继电器的一端提供接地时，继电器就会充能。但是由于 q2处于关闭状态，因此其集电极处于电池电压的电位，所以继电器不会被激活，继电器的 LED NO (常开)引脚也将处于关闭状态。在继电器的 NC (常闭)引脚处，负载电路存在，负载电路将保持与电池连接。

图5: 电池过放电保护高侧开关工作电路图

另一种情况是当电池的端子电压低于6.2 v 时。当电池电压下降到6.2 v 以下时，齐纳二极管将不再保持传导状态。现在齐纳二极管将阻止电流通过它由于反向偏置，这将切断基础电流的 q1
但实际上观察到，虽然稳压二极管不应该导电流低于6.2 v，但它导电流(微安培)从阴极流向阳极，这种电流是稳压二极管的泄漏电流。在考虑 bc547晶体管时，当基极到发射极的电压在0.65 v 到0.7 v 之间时，晶体管作为短路。晶体管(BC457)的最小增益为110，因此晶体管的基极需要一个非常小的电流来传导。当晶体管基极的电流开始增加时，它就像一个可变电阻，随着电流的增加，这个电阻的值开始减小。
因此，在这个实验中，晶体管 q1具有很高的增益，将微安培漏电流放大到毫安培电流。因此毫安的电流将开始从集电极流向发射极。齐纳漏电流也将开关的 Q1。但是在这种状态下，q1并不是完全开启的，因为基极到发射极电压到现在还没有达到0.65 v。当电池电压低于5.9 v 时，漏电流将为零，但在6.2 v 时将电池切断，另一阶段的晶体管开关 q2用于获得准确的6.2 v 电压切断。
当电池电压低于6.2 v 时，晶体管 q2提供低电压指示并断开负载与电池的连接。

图6: 电池过放电保护高侧开关工作电路图

晶体管 q2的基极连接到晶体管 q1的集电极上。当电压低于6.2 v 时，晶体管 q1会导通，但不会处于完全饱和状态。这意味着集电极和发射极之间的电压差非常小，但它有足够的电压可以驱动晶体管 q2的基极。

图7: 电池过放电保护实用高边开关工作电路图

因此晶体管 q2将开始导电，由于所有电流流向地面，集电极到晶体管 q2发射极的电压几乎为零。这将激活继电器和负载将断开从电池和 LED 电路连接在继电器的 NO 引脚将开始获得供应和 LED 将开始发光，表明过放电的电池。因此，根据上述解释，可以得出结论，在晶体管 q1的集电极上使用继电器会导致在电池放电电压结束之前负载电路的提前切换。这就是为什么用晶体管 q2连接另一级开关晶体管，以便将准确的截止电压设置为6.2 v。

图8: 继电器在蓄电池过放电保护中的动作电路图

完整的电路图(6.2 v 以下)

图9: 电池过放电保护完全工作的电路图

串联电阻(R1)与齐纳二极管和其他元件的使用
齐纳二极管需要一个串联电阻，这限制了电流流过它的额定电流，这将防止齐纳二极管过热和损坏。利用串联电阻，齐纳可以在输出端提供稳压电压。
电阻 r2和 r3都连接到晶体管的集电极上，电阻 r4与 LED 连接在一起。这些电阻的作用只是为了限制晶体管和 LED 的电流。这样可以防止部件受到任何损坏。
齐纳二极管串联电阻(R1)的选择
本项目采用的稳压二极管具有6.2 v/250 mW 的额定功率。齐纳二极管的串联电阻可以用以下公式计算
R1 = (Vs-Vz)/Iz
Vs = 最大电源电压
Vz = 齐纳电压
Iz = 齐纳电流
为了计算 R1，齐纳电流必须通过以下方法计算
齐纳二极管的最大功耗，Pz = 250mV
Zener voltage, Vz = 6.2V 齐纳电压，Vz = 6.2 v
最大齐纳电流，Iz 可以计算如下
Pz = Vz * Iz 2 = Vz * Iz
Iz = 0.25/6.2 V
Iz = 40 mA (approx.)
当3.7 v 的锂离子电池充电到4.2 v 时，两个锂离子电池(串联)的充电电压为8.4 v。
所以这里电池的最大供电电压，Vs = 8.4 v
齐纳电压，Vz = 6.2 v
电流，Iz = 40 mA
现在根据上面的方程，电阻可以计算为
R1 = (Vs-Vz)/Iz
R1 = (8.4-6.2)/0.040
R1 = 55 ohms 1 = 55欧姆
但在实验中，电阻 r1大于55欧姆。这是80欧姆，只是为了安全起见。齐纳系列电阻的选择必须明智地选择，以便不允许电流超过齐纳额定值。由于更多的电流将永久损坏齐纳二极管。
根据上述实际观察，可以分析出电池与负载断开的实际电压为6.27 v，因此当每个锂离子电池的电池电压大约为3.15 v 时，电池就会断开。
二极管(D3)
当继电器内部有一个电感线圈，这个线圈在继电器被激活或被激励时存储一些电荷。当继电器断电时，继电器的极性被反转，线圈产生反向电流，这可能会损坏电路。因此，在继电器上使用二极管(D3) ，以防止继电器断电时电路产生逆电流。这种二极管被称为反激二极管或飞轮二极管。电感将放电通过这个二极管，这将防止其他电路从任何回流。
继电器额定电压应小于蓄电池的截止电压，这一点很重要。例如，如果在电路中使用9v 继电器，那么它在6.27 v 时就永远得不到能量。这就是为什么电路中使用5v 继电器的原因。

王栋春 · 2022-3-21 22:59:55

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