现在大多数的电子设备都是便携式的，并且使用电池。电池通过向附加的设备提供电力暂时储存充电和放电。使用电池的一个问题是过充电，另一个常见问题是过放电。本课题设计了一种电路，可以跟踪附加电池的充电电平，并自动将电源切换到负载电路，从电池到直流电源。
此外，当电池达到放电电压的末端时，它将开始给电池充电，当电池充满电或达到其最大额定终端电压时，它将再次将电源切换到负载电路，从直流电到电池。放电电压的末端是电池可能过早死亡和降低其充电能力的电压。任何电池在充电电量下降到放电电量之前都应该充电。
本实验以12v 铅酸蓄电池为研究对象。12V 铅酸蓄电池的放电终止电压因生产厂家而异。在本实验中，所用电池的放电端电压为11v，其最大额定端电压为13.8 v。在项目开发过程中，观察到当电池达到11.04 v 时，负载电路自动连接到直流电源，从而避免了电池的深放电。当电池完全充电到13.9 v，然后再次负载连接到电池。
本系列已经设计了自动过充电电池切断电路和自动过放电电池切断电路。然而，当电池过度放电和过度充电时，不可能将这些电路组合在一起自动切断电池。在这个项目中，一个功能，自动充电的电池时，电池放电，并再次切换到负载时，充满电是理想的。
以前，对于过充电保护和过放电保护，使用的电路如下所示-
图一: 电池过充保护电路图
在这种电路中，当电池的放电电压低于其最终值，即大约10.7 v 时，继电器将被激活。现在负载将断开与电池的连接，电池将开始充电。在充电过程中，当电池电压从放电电压的末端略有增加时，继电器将停止工作，电池将在电池充满电之前连接到负载。
为了避免这个问题，必须使用一些闭锁电路，使继电器能够或激活当电池放电时，只有当电池充满电时才停用继电器。因此，建立在相同的电路在以前的项目，一个闭锁电路是在这个项目中增加的。
所需组件
图二: 电池供电装置自动电源切换所需元件清单
电路连接
在这种开关电路中，负载电路的电源在电池和直流电源之间进行更换。在这个电路中起重要作用的主要元件是继电器、开关晶体管和齐纳二极管。
继电器作为锁存器和开关电路
在这个电路中，使用了三个继电器。第一个继电器(在电路图中显示为 RL1)是这个电路的关键。正如已经提到的一些锁存电路是必须为这个项目，所以继电器 rl1作为一个锁存器在这个电路。当电池电压低于放电电压时，这个闭锁电路激活继电器 rl2和 RL3。继电器 rl2和 rl3只有在电池充满电时才会停止工作。在电路继电器中，rl2用于将负载切换到直流源或电池。继电器 rl3是用来连接电池到充电器时，电池得到低于放电电压和再次断开电池从充电器当电池完全充电。因此，使用多个继电器确认使用锁存按照电路的要求。
开关晶体管激活和失活继电器
晶体管电路用于操作继电器。晶体管用作高端开关，晶体管阶段作为逻辑逆变器工作。当继电器的通电端获得足够的电位差来激活继电器时，继电器就会被激活。当一个电位差激励引脚等于或大于继电器额定值，然后只有它得到激活。在这个实验中，三个继电器(RL1，RL2，RL3)的一个激励引脚连接到晶体管 q2的集电极上。每当 q2处于 ON 状态时，所有来自收集器的电流都会流向地面。因此，在这种状态下，晶体管 q2的收集器将为继电器的一端提供接地。
所有继电器的另一个供电引脚与晶体管 q4发射极相连。现在，这个电路，晶体管 q4提供了一些潜力，到继电器的另一端激活继电器。当晶体管 q4开启时，来自集电极的所有电流将流向发射极，发射极将为
所有继电器的通电端提供电压。
因此，当晶体管 q2和 q4都处于开启状态时，所有的继电器都会被激活，否则，它们将处于非有源状态。晶体管 q1和 q3分别控制晶体管 q2和 q4的基极电压。
齐纳二极管用于检测放电结束和最大电池电压
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。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，稳压器开始从阴极导电到阳极，而稳压器处于反向偏压状态。由于齐纳二极管也可以在反向偏置条件下工作，所以利用齐纳二极管的这一特性来检测电池的截止电压水平。在这个电路中，齐纳二极管用于检测放电电压的终止和电池的最大额定电压。
本实验中使用的蓄电池的放电电压为11v，最大额定电压为13.8 v，因此，电路设计的目的是当蓄电池达到11v 时将蓄电池与负载断开，当蓄电池的终端电压为14v 时再将蓄电池与负载连接，所以电路中使用了两个齐纳二极管，其中一个齐纳二极管的峰值反向电压为11v，另一个齐纳二极管的峰值反向电压为14v。
11V 齐纳二极管与晶体管 q1反向偏压连接，13.8 v 齐纳二极管与晶体管 q3连接(如电路图所示)。因此，当电池的端子电压降到11v 时，11V 齐纳二极管不导电，晶体管 q1进入关闭状态。当电池电压超过13.8 v 时，13.8 v 稳压二极管开始导电，晶体管 q3进入开启状态。因此，通过检测 q1和 q3的 ON 和 OFF 状态，可以检测到电池的放电终止和最大电压。
为了选择齐纳二极管，必须考虑使用的开关晶体管的阈值电压，即 bc547在这个电路中与齐纳二极管串联。
用于蓄电池放电电压-的齐纳二极管的选择
(齐纳电压) Vz = 11V-(晶体管 bc547的阈值电压)
(齐纳电压) Vz = 11-0.7 = 10.3 v
用于选择齐纳二极管的最大电压的电池-
(齐纳电压) Vz = 13.8 v-(晶体管 bc547的阈值电压)
(齐纳电压) Vz = 13.8-0.7 = 13.1 v
因此，用两个稳压二极管 D1(5.6 v)和 D2(4.7 v)合成了10.3 v 的稳压二极管，用于检测蓄电池的放电电压。采用两个齐纳二极管 D3(7.5 v)和 D4(5.6 v) ，总共产生13.1 v，用于检测电池的最大电压。
电路是如何工作的
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。齐纳二极管驱动控制继电器状态的晶体管级。为了理解这个电路的操作，请考虑以下不同的电池电压水平
案例1: 当电池电压为12v 时
由于齐纳二极管 d 3和 d 4的总击穿电压为13.1 v，所以在这种状态下齐纳二极管不导电。晶体管 q3将处于关闭状态，因此晶体管 q4的基极将获得正电压以打开。因此，所有的电流从 q4集电极到它的发射极，在点’b’的继电器端将得到一些正电压。
齐纳二极管 d 1和 d 2的总击穿电压为10.3 v，因此在这种状态下齐纳二极管处于反偏置状态并开始从阴极到阳极端导电。这使得晶体管 q1开启。由于晶体管 q1的传导，晶体管 q2的基极接地，而 q2处于关断状态。因此，在“ a”点，中继终端将不会接地，并且它将保持非活动状态。由于所有的继电器是不活跃的，所以电池仍然连接到负载电路，这是什么希望为这个电池电压。
图三: 电池电压12v 时自动切换电源的操作电路图
情况2: 当电池电压下降到11v (电池放电电压结束)
当电池开始放电，其电压下降到11v 时，齐纳二极管 d1和 d2将停止导电。现在晶体管 q1将关闭，晶体管 q2的基极获得正电压来导电。晶体管 q2的导电将从集电极到地的电流全部排出，并在 a 点处得到零电压差。这就为继电器激励销提供了接地。同样在这种状态下，齐纳二极管 d3和 d4不导通。
晶体管 q3将处于关闭状态，因此晶体管 q4的基极将获得正电压以打开。因此，晶体管 q4集电极的所有电流都流向发射极，在 b 点继电器端将得到一些正电压。现在继电器将得到足够的电压，在它的两个通电针和所有三个继电器将得到激活。负载将开关从电池直流源通过继电器 RL2。电池通过继电器 rl3与充电器连接并开始充电。
图四: 电池电压11v 时自动切换电源的操作电路图
情况3: 当电池电压超过11v 但小于13.8 v 时
当电池开始充电并且超过其放电电压(11V)但是没有完全充电时，齐纳二极管 d1和 d2将再次开始导电并打开晶体管 Q1。这将使晶体管 q2的基极接地。然后晶体管 q2将被关闭，所以所有的继电器应该被停用。但是因为继电器 rl1被用作锁存器，所以继电器 rl1的 NO (常开)引脚被永久地连接到地面。进一步的继电器共用引脚直接连接到 rl1的通电引脚，共用引脚还连接到继电器 rl1的 NO 引脚在有功状态。因此，继电器如果一旦被激活，那么保持在活跃状态，因为它的通电销将从其共同的销得到连续的地面。由于这一点，继电器将得到地面参考，尽管什么是电压在点“ a”是。
图五: 继电器操作示意图
在这种情况下，齐纳二极管 d3和 d4将不会导电。因此，继电器的另一端由于晶体管 q4的传导和晶体管 q3的非传导而保持高电压。因此，所有三个继电器将处于有效状态，电池将继续与充电器和负载与直流电源连接。
图六: 电池电压在11v 至13.8 v 之间的自动电源切换操作电路图
案例4: 当电池电压超过13.8 v (电池完全充电)
当电池充满电，并达到其最大额定电压13.8 v，然后在这种情况下，晶体管 q1和 q2将保持其以前的状态。但是齐纳二极管 d3和 d4会发生故障并开始导电。晶体管 q3将是 ON，这使得晶体管 q4的基极成为可能。因此晶体管 q4不会保持导电状态，也不会有更多的电流从晶体管 q4的集电极流向发射极。因此，在点“ b”继电器将不再得到任何正电压在其通电引脚。这样，所有的继电器都会失效。然后负载再次开关从直流电池和电池将断开从充电器。
图7: 自动电源切换电池电压为13.8 v 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，限制流过它的电流超过其额定电流，这将防止齐纳过热。利用串联电阻，齐纳可以在输出端提供稳压电压。所有晶体管的集电极和基极上使用的电阻只是为了限制基极和集电极上的电流，以便它们不会因为大电流而爆炸。晶体管 q2底部的电阻 r4起着下拉电阻的作用。由于 FET 在其基极的电流值很小时就开始导电，因此使用了电阻 R4，这样晶体管 q2就不会受到任何不必要的外部噪声的影响。
齐纳二极管串联电阻(R1)的选择
本实验采用的稳压二极管具有10.3 v/250 mW 的额定功率。齐纳的串联电阻可以用下面的公式-来计算
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，齐纳电流需要计算如下-
齐纳二极管的最大功耗，Pz = 250mV
齐纳电压，Vz = 5.6 + 4.7 = 10.3 v
齐纳应该开始导电的总电压，v 1(v z + BC547 q1晶体管的典型阈值电压)
V1 = 10.3+0.7
V1 = 11V
因此，齐纳电流的最大值 Iz 可以计算如下-
Pz = V1 * Iz
Iz = Pz / V1
Iz = 0.25/11V
Iz = 22mA (约)
由于12v 的铅酸蓄电池充电高达13.8 v，所以电池的最大供电电压，Vs = 13.8 v
齐纳电压 Vs = 13.8 v
现在使用上述值，电阻 r1可以计算如下-
R1 = (Vs-Vz)/Iz
R1 = (13.8-11)/0.022
R1 = 127欧姆(约)
在实验中，为了方便起见，电阻 r1取150欧姆，这是四舍五入值。
D3和 d4齐纳二极管没有电阻，因为电池电压永远不会超过13.8 v。齐纳串联电阻的选择必须合理。它不应该允许电流超过齐纳额定值，因为更多的电流将永久损害齐纳二极管。
蓄电池过充过放电状态的理论截止电压
电池过放电截止电压，Voverdis = (Vz + bc547晶体管的典型阈值电压)
Voverdis= 10.3 + 0.7 = 11V
10.3 + 0.7 = 11V
电池过充/过充电电压，过充电 = (bc547晶体管的典型阈值电压)
Voverdis= 13.1 + 0.7 = 13.8V
直流电源电压应大于继电器额定电压，否则继电器将永远不能进行充电。在这个实验中，直流电源是12v，由于晶体管 q4将电压提供给继电器供电引脚，所以继电器在引脚处不会得到精确的12v (由于电阻损耗) ，所以永远不会得到有效。由于这一事实，使用了5v 继电器。同样不要用恒压充电器给蓄电池充电，因为在恒压充电器中，蓄电池的最大额定电压为直流电压。因此，在充电过程中，电池的电压将达到电池的最大额定电压，这将给电路提供电池充满电的指示。因此，只能用恒流充电器给电池充电。
测试 -
当一个12伏的电池连接和电池电压下降到11.04伏，然后电池得到断开从负载。这可以确定如下-
(实际上) Voverdis = (Vz + bc547晶体管或 Vbe 的典型阈值电压)
(实际上) Voverdis = 10.3 + 0.74
(实际上) Voverdis = 11.04 v
当电池电压为13.9 v 时，电池将再次连接到负载。这可以确定如下: (实际上)过充电 = Vz + bc547晶体管或 Vbe 的典型阈值电压
(实际上) Vovercharge = 13.1 + 0.8
(实际操作) Vovercharge = 13.9 v
因此，当电池电压低于11.04 v 时，电路将切断电池的负载，当电池电压高于13.9 v 时再次将负载连接到电池。
图8: 实验板电池保护自动电源切换电路原理图
这个电路可以很容易地修改为任何其他电池组只要改变齐纳二极管的价值观。当电池达到放电电压的极限时，将自动将负载从电池切换到直流电，电池将自动充电，当电池充满电时，电池将再次连接到负载。
从电路图可以看出，晶体管 q2采用 MOSFET 代替 BJT。由于晶体管 q2集电极将为继电器提供接地，继电器通电引脚。因此，如果使用了 BJT，那么在晶体管 q2的 ON 状态下，继电器将从 q2的集电极获得几乎为零的电压，继电器将永远不会被激活。
由于继电器 NO 引脚直接连接到地面，这也会导致晶体管 q2发射极的集电极电压为零伏特。但是在 bc547晶体管(Q2)的 ON 状态下，Vce 是0.2 v，因此，精确的零伏特可以中断晶体管 q2的偏置。这就是为什么，MOSFET 被用来代替 BJT，因为 MOSFET 的开关状态不依赖于漏极和源极的电压。它只取决于栅极电压。因此，当继电器激活时，MOSFET 的偏置不会破坏。
电路图
- 白纪龙老师从事电子行业已经有15个年头 到目前为止已开发过的产品超上百款，目前大部分都已经量产上市 从2018年开始花了5年的时间
- 潜心录制了上千集的实战级电子工程师系列课程 获取更多干货知识，好文阅读 可微信搜索“纪客老白”公众号、视频号
- 老白的初心是“愿天下工程师 不走弯路”
