Indicator simplu al nivelului bateriei folosind op

În lumea modernă, folosim baterii în aproape toate dispozitivele electronice de pe telefonul dvs. mobil de mână, termometru digital, ceas inteligent până la vehicule electrice, avioane, sateliți și chiar robotii robotici folosiți pe Marte a căror baterie a durat în jur de 700 de soli (zile marțiene). Este sigur să spunem, fără invenția acestor dispozitive de stocare electrochimice, respectiv Baterii, lumea așa cum știm că nu ar exista. Există multe tipuri diferite de baterii, cum ar fi plumb-acid, Ni-Cd, litiu-ion, etc. Odată cu apariția tehnologiei, vedem baterii noi inventate, cum ar fi bateriile Li-Air, bateriile cu litiu solid, etc. capacitate de stocare a energiei și interval de temperatură ridicat de funcționare. Am discutat deja mai multe despre baterii și cum funcționează acestea în articolele noastre anterioare. În acest articol, vom învăța cum să proiectăm un simplu Indicator nivel încărcare baterie 12V folosind Op-Amp.

Deși nivelul bateriei este un termen ambiguu, deoarece nu putem măsura cu adevărat încărcătura rămasă în baterie decât dacă folosim calcule și măsurători complexe folosind un sistem de gestionare a bateriei. Dar în aplicații simple, nu avem luxul acestei metode, așa că folosim de obicei o metodă simplă de estimare a nivelului bateriei bazată pe tensiune în circuit deschis, care funcționează foarte bine pentru bateriile cu plumb acid de 12V, deoarece curba de descărcare este aproape liniară de la 13,8V la 10,1V, care sunt de obicei considerate limitele sale extreme superioare și inferioare. Anterior, am construit și un indicator de nivel al bateriei bazat pe Arduino și un circuit de monitorizare a tensiunii cu celule multiple, le puteți verifica și dacă sunteți interesat.

În acest proiect, vom proiecta și construi un indicator de nivel de baterie de 12V cu ajutorul unui comparator quad bazat pe OPAMP IC LM324 care ne permite să folosim 4 comparatoare bazate pe OPAMP pe un singur cip. Vom măsura tensiunea bateriei și o vom compara cu tensiunea prespecificată folosind IC LM324 și vom conduce LED-urile pentru a afișa ieșirea pe care o obținem. Să sărim direct în el, nu-i așa?

Componente necesare

• LM324 Quad OPAMP IC
• 4 × lumini LED (roșu)
• Rezistor 1 × 2,5kΩ
• Rezistor 5 × 1kΩ
• Rezistor 1 × 1,6kΩ
• Rezistor 4 × 0,5kΩ
• Suport IC cu 14 pini
• Terminal cu șurub PCB
• Perfboard
• Set de lipit

LM324 Quad OPAMP IC

LM324 este un CI op-amp quad integrat cu patru op-ampuri alimentat de o sursă de alimentare comună. Gama de tensiune diferențială de intrare poate fi egală cu cea a tensiunii de alimentare. Tensiunea de offset implicită de intrare este foarte mică, care este de magnitudine 2mV. Temperatura de funcționare variază de la 0˚C la 70˚C la mediu, în timp ce temperatura maximă de joncțiune poate fi de până la 150˚C. În general, amplificatoarele operaționale pot efectua operații matematice și pot fi utilizate în diverse configurații, cum ar fi amplificatorul, următorul de tensiune, comparatorul etc. Poate fi alimentat de o singură sursă de alimentare într-o gamă largă de tensiune de la -3V la 32V, ceea ce este mai mult decât suficient pentru testarea nivelului bateriei de până la 24V pe acest circuit.

Schema circuitului pentru indicatorul de nivel al bateriei de 12V

Circuitul complet utilizat în indicatorul bateriei de 12V poate fi găsit mai jos. Am folosit o baterie de 9V în scop ilustrativ în imaginea de mai jos, dar presupuneți-o ca o baterie de 12V.

Dacă nu vă plac circuitele grafice, puteți verifica imaginea de mai jos pentru schemă. Aici Vcc și Ground sunt terminalele care trebuie conectate la bateria de 12V pozitivă și respectiv negativă.

Acum, să continuăm cu înțelegerea funcționării circuitului. Din simplitate, putem împărți circuitul în 2 părți diferite.

Secțiunea Tensiuni de referință:

În primul rând, trebuie să decidem ce niveluri de tensiune dorim să măsurăm în circuit și puteți proiecta circuitul divizor de potențial bazat pe rezistență în consecință. În acest circuit, D2 este o diodă Zener de referință, care este evaluată cu 5,1V 5W, deci va regla ieșirea la 5,1V pe el. Există 4 rezistențe de 1k conectate în serie în serie la GND, astfel că va scădea aproximativ 1,25 V pe fiecare rezistor pe care îl vom folosi pentru a face comparații cu tensiunea bateriei. Tensiunile de referință pentru comparație sunt de aproximativ 5,1V, 3,75V, 2,5V și 1,25V.

De asemenea, există un alt circuit divizor de tensiune pe care îl vom folosi pentru a compara tensiunile bateriei cu tensiunile date de divizorul de tensiune conectat în Zener. Acest divizor de tensiune este important deoarece, configurându-i valoarea, veți decide punctele de tensiune dincolo de care doriți să aprindeți LED-urile corespunzătoare. În acest circuit, am ales 1.6k Rezistor și 1.0k Rezistor în serie pentru a oferi un factor de divizare de 2.6.

Deci, dacă limita superioară a bateriei este de 13,8 V, atunci tensiunea corespunzătoare dată de divizorul de potențial va fi de 13,8 / 2,6 = 5,3 V, care este mai mare de 5,1 V dată de prima tensiune de referință din dioda Zener, prin urmare toate LED-urile vor fi aprinsă dacă tensiunea bateriei este de 12,5 V, adică nici complet încărcată, nici descărcată complet, atunci tensiunea corespunzătoare va fi de 12,5 / 2,6 = 4,8 V, ceea ce înseamnă că este mai mică decât 5,1 V, dar mai mare decât celelalte trei tensiuni de referință, deci trei LED-uri vor fi aprindeți și nu o faceți. Deci, în acest fel, putem determina intervalele de tensiune pentru iluminarea unui LED individual.

Comparator și secțiunea LED:

În această porțiune a circuitului, conducem doar diferite LED-uri pentru diferite niveluri de tensiune. Deoarece IC LM324 este un comparator bazat pe OPAMP, de fiecare dată când terminalul neinversibil al unui anumit OPAMP are un potențial mai mare decât terminalul inversor, ieșirea OPAMP va fi ridicată la nivelul de tensiune aproximativ VCC, care este tensiunea bateriei în cazul nostru. Aici LED-ul nu se va aprinde deoarece tensiunile atât la anod cât și la catod ale LED-ului sunt egale, astfel încât să nu curgă curent. Dacă tensiunea terminalului inversor este mai mare decât cea a terminalului care nu inversează, atunci ieșirea OPAMP va fi trasă în jos la nivelul GND, prin urmare LED-ul se va aprinde deoarece are o diferență de potențial între terminalele sale.

În circuitul nostru, am conectat terminalul neinversibil al fiecărui OPAMP la rezistorul de 1kΩ al circuitului divizor de potențial conectat la baterie, iar terminalele inversoare sunt conectate la diferitele niveluri de tensiune de la divizorul potențial conectat în Zener. Deci, ori de câte ori tensiunea repartizată a bateriei este mai mică decât tensiunea de referință corespunzătoare a acelui OPAMP, ieșirea va fi ridicată și LED-ul nu se va aprinde așa cum am explicat mai devreme.

Provocări și îmbunătățiri:

Este o metodă destul de brută și de bază de aproximare a tensiunii bateriei și o puteți modifica în continuare pentru a citi o gamă de tensiune la alegere, adăugând un rezistor suplimentar în serie cu divizorul de potențial conectat la dioda Zener de 5,1V, în acest fel, puteți obține mai multă precizie pe un interval mai mic, astfel încât să puteți identifica mai multe niveluri de tensiune într-un interval mai mic pentru aplicații din lumea reală, cum ar fi pentru o baterie plumb-acid.

De asemenea, puteți interfața LED-uri colorate diferite pentru diferite niveluri de tensiune și dacă doriți un grafic cu bare. Am folosit doar un singur LM324 în acest circuit pentru a-l simplifica, puteți utiliza n număr de IC-uri de comparare și cu n rezistențe, în serie cu dioda de tensiune de referință Zener, puteți avea cât mai multe tensiuni de referință pe care le doriți ceea ce va crește în continuare precizia indicatorului dvs.

Construirea și testarea indicatorului nostru de nivel de baterie de 12V

Acum, după ce am terminat de proiectat circuitul, trebuie să-l fabricăm pe placa de perf. Dacă doriți, îl puteți testa mai întâi pe o placă de calcul pentru a vedea cum funcționează și pentru a depana greșelile pe care le-ați putea vedea în circuit. Dacă doriți să economisiți problemele legate de lipirea tuturor componentelor împreună, puteți să vă proiectați propriul PCB pe AutoCAD Eagle, EasyEDA sau Proteus ARES sau orice alt software de proiectare PCB care vă place.

Deoarece LM324 poate funcționa pe o gamă largă de surse de alimentare de la -3V la 32V, nu trebuie să vă faceți griji cu privire la furnizarea unei surse de alimentare separate la IC LM324, așa că am folosit o singură pereche de terminale cu șurub PCB care vor fi conectat direct la bornele bateriei și alimentați întregul PCB. Puteți verifica nivelurile de tensiune de la Min 5,5 V la maximum 15 V utilizând acest circuit. Vă recomand cu tărie să adăugați un alt rezistor în serie în divizorul de potențial din Zener și să reduceți gama de tensiune a fiecărui LED.

Dacă doriți să măriți intervalul de testare a tensiunii de la 12V la 24V deoarece LM324 este capabil să testeze bateria de până la 24V, trebuie doar să schimbați factorul de divizare a tensiunii divizorului de tensiune conectat la baterie pentru a le face comparabile cu nivelurile de tensiune date prin circuitul de referință Zener și, de asemenea, dublați rezistențele conectate cu LED-urile pentru a-l proteja împotriva curentului mare de curent prin ele.

Funcționarea completă a acestui tutorial poate fi găsită și în videoclipul legat mai jos. Sper că ți-a plăcut tutorialul și ai învățat ceva util dacă ai întrebări, lasă-le în secțiunea de comentarii sau poți folosi forumurile noastre pentru alte întrebări tehnice.