在這個便攜式電子設(shè)備的時代，大多數(shù)電子設(shè)備都使用電池。電池儲存電量，然后提供電量給任何電子設(shè)備供電。電池的使用需要有自己的預(yù)防和處理方法。使用電池的一個主要問題是過放電和過充電。這兩個問題都會影響電池的壽命，并不必要地增加最終用戶的成本。這些問題也常常被消費者所忽視。由于電池的價格標(biāo)簽不錯，它最終會增加任何電子設(shè)備的維護(hù)成本。

在這個電子項目，齊納二極管為基礎(chǔ)的電路將被設(shè)計來保護(hù)電池從過放電。當(dāng)電池充電時，其終端電壓，即電池的陽極和陰極之間的電壓增加。在充滿電時，終端電壓達(dá)到一個峰值，這是100% 充電的指示。當(dāng)電池連接到一個電子設(shè)備上并開始放電時，其端子電壓開始下降。因此，電池的充電百分比或充電水平是由其終端電壓估計的。如果電池的終端電壓低于一個較低的閾值極限，電池就會過早死亡。這會降低電池的充電能力和效率。因此，應(yīng)該有一個保護(hù)電路，通過檢測端子電壓來監(jiān)測電池的充電水平，并通過切斷電池與電子設(shè)備的連接來保護(hù)電池不過放電。

具體來說，本項目將采用兩個串聯(lián)的鋰離子電池組作為供電單元。在大多數(shù)常用的便攜式電子設(shè)備中，如筆記本電腦、智能手機(jī)和其他電子設(shè)備，使用的鋰離子電池的閾值電壓下限為3v，但一些制造商設(shè)計的鋰離子電池的閾值下限為2.7 v。

在這個項目中，電力供應(yīng)使用的電池的截止電壓為3.1 v。因此，在電路設(shè)計中，采用串聯(lián)兩節(jié)電池的方式將截止限值設(shè)置為6.2 v，并采用6.2 v 反向峰值電壓的齊納二極管來檢測電路的截止限值。二極管將被用來驅(qū)動開關(guān)晶體管來操作繼電器。當(dāng)電池的終端電壓低于6.2 v 時，二極管進(jìn)入傳導(dǎo)狀態(tài)，觸發(fā)開關(guān)晶體管，改變繼電器狀態(tài)，切斷負(fù)載裝置的電源。在了解了本項目的作用后，還可以通過選擇合適的齊納二極管和繼電器來設(shè)計其他截止限制的保護(hù)電路。

所需組件

圖1: 電池過放電保護(hù)器所需元件清單

圖二: 電池過放電保護(hù)器框圖

Circuit Connections – ?電路連接 -

本項目設(shè)計的電路包括以下電路部分-

1)齊納二極管電路，用于檢測電池的截止端電壓

2)晶體管電路操作繼電器

3)二極管逆流保護(hù)電路

4)電池放電指示燈電路

1)齊納二極管電路-齊納二極管與電池串聯(lián)，齊納二極管的陰極與電池的陽極相連，齊納二極管的陽極與開關(guān)三極管的基極相連。用這種方式連接二極管的目的是在反向偏置條件下操作它。在蓄電池的終端電壓高于截止極限和齊納二極管的峰值反向電壓之前，齊納二極管將保持傳導(dǎo)狀態(tài)，但當(dāng)終端電壓降到截止電壓以下，齊納二極管的峰值反向電壓降到截止電壓以下時，齊納二極管將處于截止?fàn)顟B(tài)。

2)晶體管電路-晶體管電路用于操作繼電器。晶體管用作電路中的高端開關(guān)，兩級晶體管作為邏輯逆變器工作。穩(wěn)壓二極管的陽極連接到晶體管 q1的基極，晶體管 q1的發(fā)射極連接到地，晶體管的集電極連接到電池的陽極。晶體管 q2的基極與晶體管 q1的集電極相連，因此晶體管 q1的集電極電壓將開關(guān)晶體管 Q2。晶體管 q2的發(fā)射極接地，晶體管 q2的集電極連接到繼電器線圈，繼電器線圈控制對負(fù)載裝置的供應(yīng)。

3)二極管電路——二極管電路并聯(lián)于繼電器線圈，用于負(fù)載裝置的逆電流保護(hù)。大電流負(fù)載產(chǎn)生的反向電流會對電池造成永久性損壞，這就是為什么這個二極管電路用于反向電流保護(hù)。

4) LED 指示燈電路-LED 指示燈電路連接在繼電器的 NC 點。當(dāng)晶體管電路將繼電器切換到 NC 點時，由于 LED 的陽極與繼電器的 NC 點相連，而陰極與地相連，使 LED 得到正向偏置。限流電阻器與 LED 串聯(lián)連接，以避免 LED 因過高電壓而受到損壞。

電路是如何工作的

圖3: 電池過放電保護(hù)器樣機(jī)

該電路基于齊納二極管的工作原理。當(dāng)齊納二極管以反向偏置結(jié)構(gòu)連接，其陰極電壓低于擊穿電壓時，齊納二極管就像開路一樣工作。但當(dāng)穩(wěn)壓器的陰極端部施加高于穩(wěn)壓器擊穿電壓時，穩(wěn)壓器在反向偏壓條件下開始從陰極到陽極導(dǎo)電。由于齊納二極管還可以工作在反向偏壓下，齊納二極管的這一特性被用于檢測電池電壓水平的切斷。

有兩個鋰離子電池串聯(lián)在一起，所以他們有一個總共6v 的放電電壓。為了安全起見，可以采用6.2 v 的截止電壓，因此，電路中使用了6.2 v 的穩(wěn)壓器。

當(dāng)兩個鋰離子電池與負(fù)載連接時，可以按以下兩種情況:

電池的終端電壓可以在6.2 v 以上-當(dāng)電池電壓在6.2 v 以上時，穩(wěn)壓二極管(D1)的陰極將在6.2 v 以上。在這種情況下，齊納二極管將擊穿，并將開始導(dǎo)電從陰極到陽極終端(如下圖所示)。作為基地的 q1晶體管是連接到齊納陽極(如下圖所示)。因此，晶體管 q1的基極將開始導(dǎo)電，起到閉合電路的作用。因此，整個集電極電流得到一個短路徑，電流將開始從 q1集電極流向發(fā)射極，最后流向地面。所以晶體管 q1的工作原理是邏輯逆變器。當(dāng)齊納二極管處于導(dǎo)電狀態(tài)，在 bc547晶體管的基極有足夠的電壓時，集電極電壓按原樣繪制。當(dāng)齊納二極管處于非導(dǎo)通狀態(tài)，晶體管基極沒有足夠的電壓時，集電極電流通過發(fā)射極短路到地，集電極電壓降低。

圖4: 蓄電池過放電保護(hù)齊納二極管部分電路圖

由于晶體管 q2的基極與 q1的集電極相連，但 q1的集電極上的電位幾乎為零，因為所有的電流都接地了，所以 q1的傳導(dǎo)將使晶體管 q2的基極接地，而晶體管 q2將處于非導(dǎo)電狀態(tài)。當(dāng)晶體管 q2的集電極只為繼電器的一端提供接地時，繼電器就會充能。但是由于 q2處于關(guān)閉狀態(tài)，因此其集電極處于電池電壓的電位，所以繼電器不會被激活，繼電器的 LED NO (常開)引腳也將處于關(guān)閉狀態(tài)。在繼電器的 NC (常閉)引腳處，負(fù)載電路存在，負(fù)載電路將保持與電池連接。

圖5: 電池過放電保護(hù)高側(cè)開關(guān)工作電路圖

另一種情況是當(dāng)電池的端子電壓低于6.2 v 時。當(dāng)電池電壓下降到6.2 v 以下時，齊納二極管將不再保持傳導(dǎo)狀態(tài)。現(xiàn)在齊納二極管將阻止電流通過它由于反向偏置，這將切斷基礎(chǔ)電流的 q1

但實際上觀察到，雖然穩(wěn)壓二極管不應(yīng)該導(dǎo)電流低于6.2 v，但它導(dǎo)電流(微安培)從陰極流向陽極，這種電流是穩(wěn)壓二極管的泄漏電流。在考慮 bc547晶體管時，當(dāng)基極到發(fā)射極的電壓在0.65 v 到0.7 v 之間時，晶體管作為短路。晶體管(BC457)的最小增益為110，因此晶體管的基極需要一個非常小的電流來傳導(dǎo)。當(dāng)晶體管基極的電流開始增加時，它就像一個可變電阻，隨著電流的增加，這個電阻的值開始減小。

因此，在這個實驗中，晶體管 q1具有很高的增益，將微安培漏電流放大到毫安培電流。因此毫安的電流將開始從集電極流向發(fā)射極。齊納漏電流也將開關(guān)的 Q1。但是在這種狀態(tài)下，q1并不是完全開啟的，因為基極到發(fā)射極電壓到現(xiàn)在還沒有達(dá)到0.65 v。當(dāng)電池電壓低于5.9 v 時，漏電流將為零，但在6.2 v 時將電池切斷，另一階段的晶體管開關(guān) q2用于獲得準(zhǔn)確的6.2 v 電壓切斷。

當(dāng)電池電壓低于6.2 v 時，晶體管 q2提供低電壓指示并斷開負(fù)載與電池的連接。

圖6: 電池過放電保護(hù)高側(cè)開關(guān)工作電路圖

晶體管 q2的基極連接到晶體管 q1的集電極上。當(dāng)電壓低于6.2 v 時，晶體管 q1會導(dǎo)通，但不會處于完全飽和狀態(tài)。這意味著集電極和發(fā)射極之間的電壓差非常小，但它有足夠的電壓可以驅(qū)動晶體管 q2的基極。

圖7: 電池過放電保護(hù)實用高邊開關(guān)工作電路圖

因此晶體管 q2將開始導(dǎo)電，由于所有電流流向地面，集電極到晶體管 q2發(fā)射極的電壓幾乎為零。這將激活繼電器和負(fù)載將斷開從電池和 LED 電路連接在繼電器的 NO 引腳將開始獲得供應(yīng)和 LED 將開始發(fā)光，表明過放電的電池。因此，根據(jù)上述解釋，可以得出結(jié)論，在晶體管 q1的集電極上使用繼電器會導(dǎo)致在電池放電電壓結(jié)束之前負(fù)載電路的提前切換。這就是為什么用晶體管 q2連接另一級開關(guān)晶體管，以便將準(zhǔn)確的截止電壓設(shè)置為6.2 v。

圖8: 繼電器在蓄電池過放電保護(hù)中的動作電路圖

完整的電路圖(6.2 v 以下)

圖9: 電池過放電保護(hù)完全工作的電路圖

串聯(lián)電阻(R1)與齊納二極管和其他元件的使用

齊納二極管需要一個串聯(lián)電阻，這限制了電流流過它的額定電流，這將防止齊納二極管過熱和損壞。利用串聯(lián)電阻，齊納可以在輸出端提供穩(wěn)壓電壓。

電阻 r2和 r3都連接到晶體管的集電極上，電阻 r4與 LED 連接在一起。這些電阻的作用只是為了限制晶體管和 LED 的電流。這樣可以防止部件受到任何損壞。

齊納二極管串聯(lián)電阻(R1)的選擇

本項目采用的穩(wěn)壓二極管具有6.2 v/250 mW 的額定功率。齊納二極管的串聯(lián)電阻可以用以下公式計算

R1 = (Vs-Vz)/Iz

Vs = 最大電源電壓

Vz = ?齊納電壓

Iz = 齊納電流

為了計算 R1，齊納電流必須通過以下方法計算

齊納二極管的最大功耗，Pz = 250mV

Zener voltage, Vz = 6.2V 齊納電壓，Vz = 6.2 v

最大齊納電流，Iz 可以計算如下

Pz = Vz * Iz 2 = Vz * Iz

Iz = 0.25/6.2 V

Iz = 40 mA (approx.)

當(dāng)3.7 v 的鋰離子電池充電到4.2 v 時，兩個鋰離子電池(串聯(lián))的充電電壓為8.4 v。

所以這里電池的最大供電電壓，Vs = 8.4 v

齊納電壓，Vz = 6.2 v

電流，Iz = 40 mA

現(xiàn)在根據(jù)上面的方程，電阻可以計算為

R1 = (Vs-Vz)/Iz

R1 = (8.4-6.2)/0.040

R1 = 55 ohms 1 = 55歐姆

但在實驗中，電阻 r1大于55歐姆。這是80歐姆，只是為了安全起見。齊納系列電阻的選擇必須明智地選擇，以便不允許電流超過齊納額定值。由于更多的電流將永久損壞齊納二極管。

根據(jù)上述實際觀察，可以分析出電池與負(fù)載斷開的實際電壓為6.27 v，因此當(dāng)每個鋰離子電池的電池電壓大約為3.15 v 時，電池就會斷開。

二極管(D3)

當(dāng)繼電器內(nèi)部有一個電感線圈，這個線圈在繼電器被激活或被激勵時存儲一些電荷。當(dāng)繼電器斷電時，繼電器的極性被反轉(zhuǎn)，線圈產(chǎn)生反向電流，這可能會損壞電路。因此，在繼電器上使用二極管(D3) ，以防止繼電器斷電時電路產(chǎn)生逆電流。這種二極管被稱為反激二極管或飛輪二極管。電感將放電通過這個二極管，這將防止其他電路從任何回流。

繼電器額定電壓應(yīng)小于蓄電池的截止電壓，這一點很重要。例如，如果在電路中使用9v 繼電器，那么它在6.27 v 時就永遠(yuǎn)得不到能量。這就是為什么電路中使用5v 繼電器的原因。