Aprenda eletrônica com um circuito simples de carregador de bateria

Aprenda eletrônica com um circuito simples de carregador de bateria


A melhor maneira de aprender o funcionamento de componentes eletrônicos e a condução elétrica dos mesmos em esquemas elétricos é entender como pequenos circuitos interagem.

Neste conteúdo, será explicado a eletrônica do relê, transistor NPN, diodo retificador, diodo zener, resistor e LEDs em um carregador de bateria bastante simples. Há de salientar que ele pode não funcionar muito bem, mas o objetivo é a didática.

O circuito de carregador de bateria foi desenhado no site Falstad, um simulador de circuitos eletrônicos. Além de ser grátis, dispensa cadastro, é simples, intuitivo e tem tutoriais no Youtube de como usá-lo. Desenvolvido em Java Script por Paul Falstad e Iain Sharp, pode salvar os projetos e carregá-los posteriormente.

O circuito de carregamento de bateria foi obtido na conta de Instagram @electronicsforall3 e é dedicada a tratar sobre projetos eletrônicos e seus componentes. Lá, existem outros circuitos eletrônicos de diversas finalidades. Veja o circuito abaixo:

circuito carregador de bateria relê diodo zener transistor npn led carregador
Imagem 1: circuito carregador de bateria

Você pode baixar o circuito desenhado para acompanhar as explicações e abrir no Falstad. O arquivo está na extensão .txt e é bastante leve. Entre no site Falstad, clique em File / Open File para abrir o arquivo.


Circuito carregador de bateria


Antes de tudo, a simulação começa com o carregador ativo no circuito, ou seja, ele suprindo a corrente e tensão de 14V. Neste estado, a bateria estará sendo carregada. Mesmo que a bateria passe meses sem ser usada e esteja em bom estado de funcionamento, ela pode ter uma tensão de 14V. É por isso que ao se viajar por um longo período e o automóvel não será utilizado, é comum retirar um dos cabos da bateria para ela não se descarregar, pois se os cabos estiverem conectados no polo positivo e negativo, a bateria suprirá a corrente no circuito elétrico do automóvel. E por que ela é descarregada? Isso se dá porque mesmo que qualquer lâmpada fique desligada, a própria fiação de cobre tem uma resistência interna e a bateria entende como uma carga a ser alimentada.

Quanto ao termo carregada e descarregada, é incorreto. O correto é armazenar ou ceder energia eletroquímica. Mas continuaremos com os 2 termos acima para não atrapalhar o leitor leigo.

No circuito abaixo desenhado no Falstad, foi deixado duas fontes geradoras de tensão. A do lado esquerdo é o carregador de tensão contínua de 14V e do lado direito é bateria de 14V. Como no Falstad não há um símbolo próprio da bateria, foi usado o do carregador. A bateria também se comporta como um gerador de tensão contínua. Tanto uma como a outra estão sendo apontadas por setas vermelhas.

circuito eletrônico de carregamento de bateria carregador e bateria seta em vermelho
Imagem 2: setas vermelhas apontadando para o carregador e bateria


O relê no circuito

 

Quando o carregador de 14V é conectado na rede elétrica, ele converterá a tensão alteranada em tensão contínua de 14V. A função do relê normalmente fechado de 5V no circuito é permanecer fechado, ou seja, fazer uma ponte entre os 14V do carregador e o circuito e durar até o momento em que a bateria estiver completamente carregada. Assim sendo, relê abrirá e o circuito será alimentado pela bateria quando ela estiver carregada. Veja a imagem abaixo para entender:

circuito alimentado pela bateria e o relê aberto
Imagem 3: circuito alimentado pela bateria e o relê aberto

Por que o relê abre? Funciona assim, a tensão irá passar pela bobina de 5V e a mesma induzirá uma força eletromagnética para abrir o contato do relê que faz a ligação entre o carregador e o circuito.

Se, por exemplo, cair a energia elétrica da rede elétrica, o carregador desligará e a tensão ficará zerada. Este é outro modo que a bateria será usada no circuito, mas o relê continuará fechado. Ele só abrirá quando passar 5V ou mais na bobina de acionamento.

 

Diodo retificador em paralelo com a bobina do relê


Se reparar bem, há um diodo retificador em paralelo com a bobina do relê e é uma combinação bastante comum. Bobinas, parecido com os capacitores, armazenam energia eletromagnética. E o diodo evita que a bobina descarregue um pico de alta tensão no circuito, é um componente de proteção e preventivo.

diodo retificador em paralelo com a bobina do relê
Imagem 4: diodo retificador em paralelo com a bobina do relê

Conforme explicado anteriormente, o relê ainda está aberto porque a bobina está com tensão de 5V.


Transistores NPN

 

Os dois transistores no circuito são NPN de junção bipolar e controlados por corrente. A base, conforme recebe corrente positiva, por menor que seja, é o que chaveia e permite a passagem da corrente positiva do coletor para o emissor, este último aterrado, isto é, conectado no negativo do circuito. Lembre-se que a tensão é uma força que faz a movimentação da corrente, logo é a corrente que atravessa o transistor. Na imagem abaixo, o B é base, C é coletor e E o emissor. Em todos os esquemas, a setinha, por padrão, é sempre o emissor do transistor porque é ela que caracteriza o sentido do negativo, mesma similaridade com o diodo e capacitores eletrolíticos que tem em um dos lados um faixa branca ou preta sinalizando o negativo. 

transistores de junção bipolar npn
Imagem 5: transistores de junção bipolar NPN

Ambos transistores começarão a conduzir a corrente positiva do coletor para emissor conforme a base dos mesmos receber corrente positiva do diodo zener de 13V que está acima do resistor de 1k ohm. Lembra do funcionamento do relê explicado acima, o transistor é parecido, a diferença é que o relê abre ou fecha e o transistor vai se abrindo, ou seja, permitindo a passagem de corrente do coletor para o emissor de pouquinho a pouquinho conforme a base recebe a corrente. Não é só isso, há muitas outras vantagens.

E por que os dois transistores estão no circuito? É bem simples de explicar. A eletricidade é igual à água, as duas sempre irão procurar a rota mais fácil para se locomover. Quando a bateria estiver completamente carregada, a corrente passará pelo diodo zener de 13V e também pelo resistor e chegará na base do transistor do lado esquerdo. Sim, isso já foi explicado. Mas esse acionamento da base do transistor do lado esquerdo faz com que a corrente também passe pela bobina do relê e o faz abrir para deixar o circuito ser alimentado apenas pela bateria, já que a mesma está completamente carregada. O transistor do lado direito servirá também para conduzir a corrente e desviar a alimentação do LED vermelho. É por isso que apenas o LED verde está aceso, é um sinal visual para apontar que a bateria está carregada e alimentando o circuito.

Como pode visualizar na imagem acima, por questão didática, foi deixada a tensão da bateria de 15V para fazer com que o circuito ligasse apenas o LED verde e deixasse o LED vermelho apagado. Como dito, quem "apaga" o LED vermelho é o resistor do lado direito que não deixa a corrente passar mais pelo LED.

Agora, veja a imagem abaixo. Foi simulado a bateria com 13V como se estivesse parcialmente carregada. Como há menos corrente na base dos dois transistores, eles conduzem menos corrente do coletor para o emissor e isso cria uma maior resistência para a corrente passar no segundo transistor, então, como para a corrente é menor a resistência passar pelo LED vermelho, esta se torna a opção dela.

E o LED vermelho aceso significa que a bateria está sendo carregada. Se apagado, a bateria foi completamente carregada.

bateria descarregada e o LED vermelho aceso
Imagem 6: bateria descarregada e o LED vermelho aceso

Para isso, ignore nos tutoriais apresentados na internet afirmando que a nomenclatura NPN de um transistor representa cada um dos seus terminais sendo a base o positivo e o coletor e emissor sendo negativos. Às vezes, pode ser uma forma de auxiliar na explicação, porém cuidado, isso criará mais confusão no entendimento e não contribuirá com o aprendizado.

Também ignore na imagem acima a corrente de 20A porque isso é irreal. O carregador e a bateria também tem uma resistência interna e isso afeta a entrega da corrente em um circuito. O circuito selecionado serve apenas para didática, pois se fosse considerar ao pé da letra, a maioria dos carregadores e baterias ofertados no mercado brasileiro são de 12V, não de 14V.

 

Diodo Zener de 13V e 10V


Os diodos zeners são colocados posição reversa nos circuitos. Isso significa que são conectados ao contrário. Não entendeu? Repare na imagem abaixo que o lado negativo zeners é ligado no lado positivo da alimentação do circuito.

Estranho? Não, é absolutamente normal. O diodo zener age como um regulador de tensão. Se em um dado circuito tiver um diodo zener de 5,6V de tensão de ruptura e a fonte geradora de tensão for de 8V, na carga da malha onde o zener está será de 5,6V. Veja a imagem abaixo para entender.

circuito com diodo zener de 5,6V
Imagem 7: circuito com diodo zener de 5,6V

Se, por exemplo, tiver uma carga em paralelo como um LED vermelho em relação ao zener, aí será totalmente diferente. O resistor de 107 ohms está em série com o diodo zener e com o LED vermelho, logo, tem divisão de tensão. Os dois últimos estão em paralelo entre si, no caso, diodo zener e LED vermelho. Sobre o diodo zener e no LED vermelho, há 1,953V, mesma tensão, porém a corrente se divide. No resistor, há 6,047V. Somando as duas tensões (resistor + diodo zener/LED vermelho), encontra-se os 8V que é a tensão do carregador. Veja a imagem abaixo:

LED vermelho em paralelo com o diodo zener
Imagem 8: LED vermelho em paralelo com o diodo zener

E no circuito de carregador de bateria acontece o mesmo. Os diodos zeners estão em paralelo entre si. Eles não regulam a tensão do mesmo porque não estão em contato direto com o negativo do circuito. Deste modo, atuam como ruptura da tensão depois deles, como foi na imagem 7. Desta forma, reduzem a tensão e corrente para entrega na base dos transistores (diodo zener esquerdo) e para o LED vermelho (diodo zener direito).


E os LEDs e resistores?

 

Os LEDs no circuito serviram para dar indicação visual do projeto. Se o LED vermelho estiver aceso, é sinal que a bateria está sendo carregada. Se apenas o LED verde estiver aceso, é sinal que a bateria está completamente carregada, como já foi explicado anteriormente.

No entanto, sempre que instalar LEDs em um circuito, saiba que eles também tem polaridade. O ânodo é ligado no positivo e cátodo no negativo. Se ligados ao contrário, não acenderão.

Os resistores também podem atuar como divisores de tensão se colocados em série, porém isso funciona com correntes baixíssimas e na casa dos miliampères. Dentro do circuito, os resistores foram usados para evitar a queima dos LEDs e reduzir a corrente em componentes que não precisariam de alto volume de elétrons.


Considerações finais


O projeto estudado, quando elaborado no Falstad, em algumas seleções diferentes de tensão na bateria, mostrava correntes elevadíssimas de 20A e, às vezes, de 120A. Há de se salientar que o circuito acima foi usado para didática e não mostra a realidade prática. Além disso, mesmo que carregador ou bateria, os dois possuem resistência interna e impedem elevadas correntes. Algumas fontes robustas de 12V conseguem entregar até 2A, 3A ou 4A em um circuito. Se for considerar fontes de roteadores, estas entregam 500mA.

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Márcio

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