设计自动切断的电池过充保护电路

图二: 电池过充电保护器框图

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) LED 指示灯电路，指示电池充满电

1) 齐纳二极管电路 – 齐纳二极管电路可以建立多种方式。让我们考虑三种方法来设计齐纳二极管电路-
A)由于齐纳二极管电路将用于触发开关晶体管，因此必须考虑整个晶体管的电压降。可以采用单个稳压二极管，其峰值反向电压等效于所需电压降减去开关晶体管电路上的电压降。这样，所需电压降的额定值可以按以下方式计算
切入电压，Vcut = 8.4 v
Vcut = 齐纳二极管(D1)上的电压降 + 晶体管上的电压降(Q1)(Vbe)
8.4 = 齐纳二极管(D1)的电压降 + 0.7
齐纳二极管电压降 = 8.4-0.7
齐纳二极管电压降 = 7.7 v
因此，对于8.4 v 的电压削减，应选择7.7 v 额定电压的齐纳二极管。
B)采用齐纳二极管组合-由于齐纳二极管电路上的电压降应为7.7 v。因此，如果齐纳二极管的峰值反向额定电压为7.7 v，那么齐纳二极管串联连接的组合可以使用。例如，可以使用两个3v 和4.7 v 额定值的齐纳二极管。
C)使用普通二极管与齐纳二极管-齐纳电路的电压降可以匹配到7.7 v 通过连接一个典型的正向偏压二极管与齐纳二极管串联。例如，7 v 的齐纳二极管可以与1n4007二极管串联使用。1n4007二极管具有0.7 v 的正向电压降，因此它将提供额外的0.7 v 电压降。这将使精确的7.7伏，这是所需的削减电压在电路。该电池过充保护电路的设计也采用了同样的方法。
正规二极管以正向偏置结构连接，其阳极连接到电池的阳极，阴极连接到稳压二极管的阴极。稳压二极管与普通二极管串联反向偏置，阳极与开关三极管的基极相连，阴极与普通二极管的阴极相连。在电池的端电压低于截止电压和齐纳二极管的峰值反向电压之前，齐纳二极管将保持非导通状态，但当端电压高于截止电压和齐纳二极管的峰值反向电压时，齐纳二极管将进入导通状态。

2) 晶体管电路–the supply from the battery charger. 晶体管电路用来操作继电器。开关晶体管用作电路中的高端开关，晶体管用作逻辑逆变器。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控制电池充电器供电的继电器线圈

3) 二极管电路–  - 一个二极管电路并联到继电器线圈上，以保护继电器的反向电流。继电器线圈放电产生的逆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逆电流保护

4) LED 指示灯电路 – - LED 指示灯电路连接在继电器的 NC 点上。当晶体管电路将继电器切换到 NC 点时，LED 的阳极与继电器的 NC 点相连，阴极与地相连，LED 就得到正向偏置。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: 原型电池过充电保护器设计在试验板上

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，所以齐纳二极管的这一特性对于检测电池的电压截断是有用的。
有两个锂离子电池串联在一起，所以他们有一个总共8.4 v 的峰值终端电压。当两个锂离子电池将连接到充电器，然后可以有两种情况下，如下-
电池的终端电压可以低于8.4 v-当电池电压低于8.4 v 时，稳压二极管(D1)的阴极将低于6.8 v。二极管 d1将开始导电，d1和 q1将有下降。在这种情况下，齐纳二极管将保持非传导状态，不会从阴极到阳极端子传导电流(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的基极不会得到所需的电压，它将起到开路的作用。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。
实际观察到，虽然低于8.25 v 的稳压器不能导电，但仍有一些电流(微安)从阴极流向阳极，这种电流就是稳压器的泄漏电流。

图4: 蓄电池过充保护器齐纳二极管电路图

一般来说，当晶体管基极的电流开始增加时，它就像一个可变电阻，这个电阻的值开始随着电流的增加而减小。考虑 bc547晶体管，基极到发射极的电压在0.65 v 到0.7 v 之间，那么晶体管将起到短路的作用。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。因此，晶体管 q1将以毫安为单位放大微安漏电流，毫安为单位的电流将开始从集电极流向发射极(如下图所示)。因此，齐纳的漏电流也将开关晶体管 Q1。但是在这种状态下，q1并不是完全开启的，因为基极到发射极的距离到现在还没有达到0.65 v。

图5: 电池过充保护器中高端开关工作的电路图

晶体管 q1的收集器将为继电器(RL1)提供接地，以便继电器可以被激活。但是在这种情况下，由于 q1不是完全开启的，所以会有一些电压降跨越集电极到晶体管 q1的发射极。因此，在这种情况下，继电器将不会激活和电池将保持在充电状态，通过充电器。输出 LED 也保持关闭状态(如下图所示)。

图6: 电池过充保护器中实用高端开关电路图

另一种情况是当电池的端子电压低于8.37 v 时。当电池电压高于8.37 v 时，二极管 d1将开始导电，齐纳二极管将崩溃。因此在这种状态下，齐纳二极管将允许电流从阴极流向阳极端子(如下图所示)。

图7: 齐纳二极管在蓄电池过充保护器中工作的电路图

作为基地的 q1晶体管是连接到齐纳阳极(如下图所示)。所以晶体管 q1会开始导电，起到短路的作用。因此，q1的所有集电极电流将得到一个短路径，并开始从 q1集电极流向其发射极，最终流向地。

图8: 电池过充保护继电器运行的电路图

因此，集电极与发射极之间的电压差为零，因为所有的电流都流向地面。这将激活继电器。因此，处于 NC (正常关闭)引脚的充电器将断开与电池的连接。继电器 NO (常开)引脚处的 LED 指示灯亮起，表示电池过充电。

图9: 电池过充保护完整工作电路图

串联电阻(R1)与齐纳二极管和其他元件的使用
齐纳二极管需要一系列的电阻，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。使用串联电阻，齐纳也可以提供一个稳定的电压在输出。电阻 r2连接到晶体管 q1的集电极，电阻 r3连接到 LED。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
在这个项目中，齐纳二极管使用了6.8 v 额定值。当电压超过8.4 v 时，电路将从充电器中切断电池。虽然增加的电压很小，但为了安全起见，最大电压可以切断为8.5 v。齐纳二极管的串联电阻可以用以下公式计算
R1 = (Vs-Vz)/Iz
哪里 Vs = 最大电源电压
Vz = (齐纳(D2) + 1 n4007二极管(D1) + 齐纳电阻(R1) + 晶体管(Q1)的总电压
Iz =  齐纳电流
为了计算电阻 r1的值，齐纳电流可以用下面的方法计算
齐纳二极管的最大功耗，Pz = 250mv
Vz =8.4 V
齐纳最大电流，Iz 可以计算如下
Pz = Vz * Iz
Iz = Pz / Vz
Iz = 0.25/8.4 V
Iz = 29 mA (约)
现在根据上面的方程，电阻可以计算为
Vs = 8.5 V
R1 = (Vs-Vz)/Iz
R1 = (8.5-8.4)/0.029
R1 = 3.5欧姆(约)
但是在实验中，为了安全起见，电阻 r1被取为5欧姆。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。
从电路中获得的不同电压读数总结在下表-中

图10: 表格列出了电路中不同的电压读数

通过使用下列公式-，可以通过其他元件之间的跌落来确定切入电压的实际值
实际观察，Vcut = 齐纳二极管(D2)的电压降 + 晶体管(Q1)的电压降(Vbe) + 串联电阻(R1)的电压降 + 二极管(D1)的电压降
在上面的方程式中，加上二极管(D1)降也就不存在于理论观测中了
实际观测，Vcut = 6.8 + 0.68 + 0.2 + 0.69
实际观察，Vcut = 8.37 v
根据上述实际观察，可以分析出电池与充电器断开的实际电压为8.37 v，因此，当每个锂离子电池的电池电压大约为4.2 v 时，电池就会断开。

使用二极管(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，如果在电路中使用了9v 继电器，那么它在8.4 v 时永远得不到能量。这就是为什么电路中使用5v 继电器的原因。
电路图