Mạch Bảo Vệ Chống Xả Pin  : Trong thời đại của các thiết bị điện tử di động, hầu hết các thiết bị điện tử đều chạy bằng pin. Pin lưu trữ điện tích và sau đó cung cấp điện tích đó để cung cấp năng lượng cho bất kỳ thiết bị điện tử nào. Việc sử dụng pin cần có các biện pháp phòng ngừa và xử lý riêng. Một vấn đề lớn đối với việc sử dụng pin là quá tải và sạc quá mức. Cả hai vấn đề này đều ảnh hưởng đến tuổi thọ của pin và gây tốn kém cho người dùng cuối. Những vấn đề này thường bị người tiêu dùng bỏ qua. Vì pin có thẻ giá tốt, nên cuối cùng nó sẽ cộng thêm chi phí bảo trì của bất kỳ thiết bị điện tử nào.

Trong dự án điện tử này, một mạch dựa trên diode zener sẽ được thiết kế để bảo vệ pin khỏi bị phóng điện quá mức. Khi pin được sạc, điện áp đầu cuối của nó tức là điện áp giữa cực dương và cực âm của pin tăng lên. Khi sạc đầy, điện áp đầu cuối đạt đến giá trị cao nhất, đây là dấu hiệu của việc sạc 100 phần trăm. Khi pin được gắn vào thiết bị điện tử và nó bắt đầu phóng điện, điện áp đầu cuối của nó bắt đầu giảm. Do đó, phần trăm hoặc mức sạc của pin được ước tính bằng điện áp đầu cuối của nó. Nếu điện áp đầu cuối của pin xuống dưới ngưỡng giới hạn thấp hơn, pin bắt đầu chết sớm. Điều này làm giảm khả năng sạc lại của pin cũng như hiệu quả của nó. Vì thế,

Trong dự án điện tử này, một mạch điện được thiết kế sẽ phát hiện giới hạn ngưỡng dưới của điện áp đầu cuối bằng cách sử dụng một diode Zener thích hợp và sẽ cắt kết nối pin với thiết bị tải bằng cách sử dụng một rơ le. Mạch bao gồm một phần chỉ báo LED cũng sẽ sáng đèn LED khi pin phóng điện dưới mức giới hạn và yêu cầu sạc lại.

Cụ thể, trong dự án này, hai viên pin Li-ion mắc nối tiếp sẽ được lấy làm bộ cấp nguồn. Trong hầu hết các thiết bị điện tử di động được sử dụng phổ biến như máy tính xách tay, điện thoại thông minh và các loại khác, pin Li-ion với 3V giới hạn ngưỡng thấp hơn của điện áp đầu cuối được sử dụng nhưng một số nhà sản xuất thiết kế pin Li-ion với giới hạn cắt thấp hơn là 2,7 V cũng vậy.

Trong dự án này, pin có giới hạn cắt 3,1 V được sử dụng để cung cấp điện. Vì vậy, sử dụng hai pin nối tiếp đặt giới hạn cắt là 6,2 V. Vì vậy, một diode zener có điện áp đỉnh ngược 6,2 V được sử dụng để phát hiện giới hạn cắt trong thiết kế của mạch. Diode sẽ được sử dụng để điều khiển các bóng bán dẫn chuyển mạch sẽ vận hành rơ le. Khi điện áp đầu cuối của pin sẽ xuống dưới mức 6,2 V, diode sẽ ở trạng thái dẫn điện, kích hoạt các bóng bán dẫn chuyển đổi và thay đổi trạng thái rơle để cắt nguồn cung cấp của thiết bị tải. Sau khi hiểu được chức năng của dự án này, các mạch bảo vệ cho các giới hạn cắt khác cũng có thể được thiết kế bằng cách lựa chọn thích hợp diode zener và rơ le với cùng một mạch.

Linh kiện cần có 

Hình 1: Danh sách các thành phần cần thiết cho Bộ bảo vệ quá tải pin 

Sơ đồ khối – 

Hình 2: Sơ đồ khối của bộ bảo vệ quá tải pin 

Kết nối mạch – 

Mạch được thiết kế trong dự án này có các phần mạch sau: 

1) Mạch điốt Zener để phát hiện điện áp đầu cuối bị cắt của pin

2) Mạch bóng bán dẫn để vận hành rơ le

3) Mạch diode để bảo vệ dòng ngược

4) Mạch chỉ báo LED để chỉ báo xả pin

1) Mạch điốt zener – Một điốt zener được mắc nối tiếp với pin sao cho cực âm của điốt zener được nối với cực dương của pin và cực dương của điốt zener được nối với đế của bóng bán dẫn chuyển mạch. Mục đích của việc kết nối diode theo cách này là vận hành nó trong điều kiện phân cực ngược. Cho đến khi điện áp đầu cuối của pin vượt quá giới hạn cắt và điện áp ngược đỉnh của diode zener, diode zener sẽ vẫn ở trạng thái dẫn nhưng khi điện áp đầu cuối sẽ giảm xuống dưới mức cắt và điện áp ngược đỉnh của diode zener , nó sẽ đi trong tình trạng không hoạt động. 

2) Mạch tranzito – Mạch tranzito dùng để vận hành rơ le. Các bóng bán dẫn được sử dụng như công tắc bên cao trong mạch nơi hai giai đoạn của bóng bán dẫn hoạt động như bộ nghịch lưu logic. Cực dương của diode zener được nối với đế của bóng bán dẫn Q1, cực phát của bóng bán dẫn Q1 được nối với đất trong khi cực thu của bóng bán dẫn được nối với cực dương của pin. Cơ sở của bóng bán dẫn Q2 được kết nối với bộ thu của bóng bán dẫn Q1, do đó, điện áp bộ thu của bóng bán dẫn Q1 sẽ chuyển đổi bóng bán dẫn Q2. Cực phát của bóng bán dẫn Q2 được nối đất và cực thu của bóng bán dẫn Q2 được nối với cuộn dây rơ le điều khiển nguồn cung cấp cho thiết bị tải. 

3) Mạch Diode – Một mạch diode được nối song song với cuộn dây rơ le để bảo vệ dòng ngược khỏi thiết bị tải. Dòng ngược từ tải vẽ hiện tại cao có thể làm hỏng pin vĩnh viễn, đó là lý do tại sao mạch diode này được sử dụng để bảo vệ dòng ngược. 

4) Mạch chỉ báo LED – Mạch chỉ báo LED được kết nối tại điểm NC của rơle. Khi mạch bóng bán dẫn chuyển rơle đến điểm NC, đèn LED sẽ được phân cực thuận vì cực dương của đèn LED được nối với điểm NC của rơle và cực âm được nối với đất. Một điện trở giới hạn dòng điện được mắc nối tiếp với đèn LED để tránh bất kỳ hư hỏng nào cho đèn LED do điện áp quá cao.

Cách hoạt động của Mạch Bảo Vệ Chống Xả Pin

Hình 3: Nguyên mẫu của bộ bảo vệ quá tải pin 

Mạch dựa trên hoạt động của diode zener. Một diode zener khi được kết nối theo cấu hình phân cực ngược và điện áp catốt của nó thấp hơn điện áp đánh thủng thì zener hoạt động giống như một mạch hở. Nhưng khi một điện áp trên đánh thủng zener được đặt tại cực âm của nó thì zener bắt đầu dẫn từ cực âm sang cực dương trong điều kiện phân cực ngược. Vì diode zener cũng có thể hoạt động theo phân cực ngược nên tính năng này của diode zener được sử dụng để phát hiện mức điện áp cắt của pin.

Có hai pin Li-ion mắc nối tiếp nên chúng có tổng hiệu điện thế cuối phóng điện là 6V. Vì vậy, để an toàn, điện áp cắt có thể được lấy 6,2 V và do đó, một zener 6,2 V được sử dụng trong mạch.

Khi hai pin Li-ion sẽ được kết nối với tải thì có thể xảy ra hai trường hợp như sau: 

Điện áp đầu cuối của pin có thể trên 6,2V- Khi điện áp pin trên 6,2 V thì cực âm của điốt zener (D1) sẽ trên 6,2 V. Trong trường hợp này, điốt zener sẽ đánh thủng và sẽ bắt đầu dẫn điện từ cực âm sang cực dương (như trong hình bên dưới). Vì cơ sở của bóng bán dẫn Q1 được kết nối với cực dương của zener (như thể hiện trong hình ảnh bên dưới). Vì vậy, cơ sở của bóng bán dẫn Q1 sẽ bắt đầu dẫn điện và hoạt động giống như một mạch đóng. Do đó toàn bộ dòng điện cực thu nhận được một đường dẫn ngắn và dòng điện sẽ bắt đầu chạy từ bộ thu Q1 đến bộ phát của nó, cuối cùng là xuống đất. Vì vậy, bóng bán dẫn Q1 đang hoạt động như một bộ nghịch lưu logic. Khi diode zener ở trạng thái dẫn và có đủ điện áp ở chân của bóng bán dẫn BC547, điện áp bộ góp được vẽ như nó vốn có.

Hình 4: Sơ đồ mạch của phần diode Zener của bảo vệ quá tải pin 

Vì chân đế của bóng bán dẫn Q2 được kết nối với cực thu của Q1 nhưng điện thế tại cực thu của Q1 gần như bằng không vì tất cả dòng điện đã nối đất, Vì vậy, sự dẫn của Q1 sẽ nối đất đế của bóng bán dẫn Q2 và bóng bán dẫn Q2 sẽ ở trạng thái không dẫn điện. Khi bộ thu của bóng bán dẫn Q2 sẽ cung cấp mặt đất cho một đầu của rơle sau đó chỉ, rơle sẽ đóng điện. Nhưng vì Q2 ở trạng thái TẮT nên bộ thu của nó ở mức điện áp của pin nên rơle sẽ không kích hoạt và chân LED NO (thường mở) của rơle cũng sẽ ở trạng thái tắt. Tại chân NC (thường đóng) của rơle, mạch tải hiện diện sẽ vẫn được kết nối với pin.

Hình 5: Sơ đồ mạch hiển thị công tắc bên cao hoạt động của bảo vệ quá tải pin

Trường hợp khác có thể là khi điện áp đầu cuối của pin có thể dưới 6,2 V. Khi điện áp pin giảm xuống dưới 6,2 V thì diode zener sẽ không còn ở trạng thái dẫn điện nữa. Bây giờ diode zener sẽ chặn dòng điện qua nó do phân cực ngược, điều này cũng sẽ cắt dòng điện cơ bản của Q1. 

Nhưng thực tế quan sát thấy rằng mặc dù điốt zener không được dẫn dòng điện dưới 6,2 V nhưng nó dẫn một số dòng điện (tính bằng microampe) chạy từ cực âm của nó sang cực dương, dòng điện này là dòng điện rò của Zener. Khi xem xét bóng bán dẫn BC547, khi điện áp trên cơ sở để phát nằm trong khoảng 0,65 V đến 0,7 V thì bóng bán dẫn hoạt động như một mạch ngắn. Bóng bán dẫn (BC457) có độ lợi tối thiểu là 110 vì vậy cơ sở của bóng bán dẫn cần một dòng điện rất nhỏ để dẫn điện. Khi dòng điện ở cơ sở của bóng bán dẫn bắt đầu tăng, nó hoạt động giống như một điện trở thay đổi, giá trị của điện trở này bắt đầu giảm khi dòng điện tăng lên.

Vì vậy, trong thí nghiệm này, transistor Q1 có độ khuếch đại cao và sẽ khuếch đại dòng rò micro ampe thành dòng mili ampe. Vì vậy, dòng điện tính bằng mili-ampe sẽ bắt đầu chạy từ bộ thu đến bộ phát. Dòng rò rỉ từ zener cũng sẽ BẬT Q1. Nhưng ở trạng thái này, Q1 không hoàn toàn BẬT vì điện áp gốc để phát cho đến bây giờ không đạt đến 0,65 V. Dòng rò rỉ này sẽ bằng 0 khi điện áp pin dưới 5,9 V nhưng để cắt pin ở 6,2 V, một giai đoạn khác của bóng bán dẫn chuyển mạch với bóng bán dẫn Q2 được sử dụng để có được điện áp cắt chính xác là 6,2 V.

Bóng bán dẫn Q2 cho biết điện áp thấp và cũng ngắt tải khỏi pin khi điện áp pin dưới 6,2 V.

Hình 6: Sơ đồ mạch hiển thị công tắc bên cao hoạt động của pin bảo vệ quá tải

Hình 7: Sơ đồ mạch hiển thị công tắc bên cao thực tế hoạt động của pin bảo vệ quá tải

Do đó bóng bán dẫn Q2 sẽ bắt đầu dẫn và điện áp tại bộ thu để phát của bóng bán dẫn Q2 gần như bằng không vì tất cả các dòng điện thoát xuống đất. Thao tác này sẽ kích hoạt rơ le và tải sẽ ngắt kết nối với pin và mạch LED được kết nối tại chân NO của rơ le sẽ bắt đầu nhận được nguồn cung cấp và đèn LED sẽ bắt đầu phát sáng, cho biết pin đang xả quá mức. Do đó, từ sự giải thích trên, có thể kết luận rằng việc sử dụng rơ le ở cực thu của bóng bán dẫn Q1 sẽ gây ra chuyển mạch sớm mạch tải trước khi kết thúc điện áp phóng của pin. Đó là lý do tại sao một giai đoạn khác của bóng bán dẫn chuyển mạch với bóng bán dẫn Q2 được kết nối để thiết lập điện áp cắt chính xác đến 6,2 V.

Hình 8: Sơ đồ mạch hiển thị hoạt động của rơ le trong Bảo vệ quá tải pin

Sơ đồ mạch hoàn chỉnh (dưới 6.2V) Mạch Bảo Vệ Chống Xả Pin

Hình 9: Sơ đồ mạch hiển thị hoạt động hoàn chỉnh của bảo vệ quá tải pin

Sử dụng điện trở nối tiếp (R1) với diode zener và với các thành phần khác

Một diode zener yêu cầu một điện trở nối tiếp giới hạn dòng điện chạy qua nó trên định mức hiện tại của nó, điều này sẽ ngăn chặn diode zener quá nóng và bị hỏng. Với việc sử dụng điện trở nối tiếp, zener có thể cung cấp điện áp điều chỉnh ở đầu ra.

Điện trở R2 và R3 được kết nối với bộ thu của cả hai bóng bán dẫn và điện trở R4 được kết nối trong các loạt với đèn LED. Mục đích của các điện trở này chỉ là để hạn chế dòng điện từ bóng bán dẫn và đèn LED. Điều này sẽ giúp các thành phần không bị hư hỏng.

Lựa chọn điện trở chuỗi diode zener (R1) trong Mạch Bảo Vệ Chống Xả Pin

Trong dự án này, diode zener được sử dụng có định mức 6,2 V / 250 mW. Điện trở nối tiếp của diode zener có thể được tính theo phương trình sau: 

R1 = (Vs-Vz) / Iz

Trong đó Vs = điện áp cung cấp tối đa

Vz = điện áp zener

Iz = zener hiện tại

Để tính R1, dòng Zener phải được tính theo phương pháp sau

Công suất tối đa tiêu tán của diode zener, Pz = 250mV

Điện áp Zener, Vz = 6.2V

Dòng zener tối đa, Iz có thể được tính như sau

Pz = Vz * Iz

Iz = Pz / Vz

Iz = 0,25 / 6,2 V

Iz = 40 mA (ước chừng)

Vì pin Li-ion 3,7 V sạc tối đa 4,2 V nên điện áp sạc đầy của hai pin Li-ion (nối tiếp) là 8,4 V. 

Vì vậy, ở đây điện áp cung cấp tối đa từ pin, Vs = 8,4 V

Điện áp Zener, Vz = 6,2 V

Dòng điện Zener, Iz = 40 mA 

Bây giờ theo phương trình trên, điện trở có thể được tính như

R1 = (Vs-Vz) / Iz

R1 = (8,4-6,2) /0,040

R1 = 55 ôm

Nhưng trong thử nghiệm, điện trở R1 cao hơn 55 ôm. Nó là 80 ohms nếu chỉ ở mức an toàn. Việc lựa chọn điện trở dòng zener phải được lựa chọn một cách khôn ngoan để nó không cho phép dòng điện nhiều hơn định mức zener. Khi dòng điện nhiều hơn sẽ làm hỏng diode zener vĩnh viễn.

Các giá trị điện áp khác nhau lấy từ mạch được tóm tắt trong bảng sau: 

Hình 10: Bảng đọc điện áp ở các phần khác nhau của mạch bảo vệ pin

Từ những nhận xét thực tế trên, có thể phân tích rằng điện áp thực tế mà pin ngắt khỏi tải là 6,27 V. Do đó pin sẽ cắt khi điện áp của mỗi pin Li-ion xấp xỉ 3,15 V. 

Sử dụng diode (D3) Trong Mạch Bảo Vệ Chống Xả Pin

Vì bên trong rơle có một cuộn dây dẫn, cuộn dây này lưu trữ một số điện tích khi rơle được kích hoạt hoặc được cung cấp năng lượng. Khi rơle bị ngắt điện thì cực tính của rơle sẽ bị đảo ngược và dòng điện ngược sẽ chạy từ cuộn dây, điều này có thể làm hỏng mạch. Do đó, một diode (D3) được sử dụng trên rơle để ngăn mạch khỏi dòng điện trở lại khi rơle được khử năng lượng. Diode này được gọi là diode bay trở lại hoặc diode freewheel. Cuộn cảm sẽ phóng điện qua diode này và điều này sẽ ngăn mạch khác khỏi bất kỳ dòng điện trở lại nào.

Điều quan trọng là định mức điện áp rơ le phải nhỏ hơn điện áp cắt của ắc quy. Ví dụ, nếu trong mạch, một rơle 9V được sử dụng thì nó sẽ không bao giờ được cấp điện ở 6,27 V. Đó là lý do tại sao rơle 5V được sử dụng trong mạch.

Sơ đồ mạch Mạch Bảo Vệ Chống Xả Pin