Jednoduchý indikátor stavu baterie pomocí op

V moderním světě používáme baterie téměř v každém elektronickém gadgetu od vašeho kapesního mobilního telefonu, digitálního teploměru, chytrých hodinek až po elektrická vozidla, letadel, satelitů a dokonce i robotických roverů používaných na Marsu, jejichž baterie vydržela přibližně 700 solů (marťanské dny). Lze s jistotou říci, že bez vynálezu těchto elektrochemických úložných zařízení, známých jako Batteries, by svět neexistoval. Existuje mnoho různých typů baterií, jako jsou olověné, Ni-Cd, lithium-iontové atd. S příchodem technologie vidíme nové baterie vynalezené jako Li-air Batteries, Solid State Lithium baterie atd., Které mají vyšší kapacita skladování energie a vysoký rozsah provozních teplot. Více informací o bateriích a jejich fungování jsme již probrali v předchozích článcích. V tomto článku se naučíme, jak navrhnout jednoduchý Indikátor úrovně nabití 12V baterie pomocí Op-Amp.

Úroveň baterie je sice nejednoznačný pojem, protože nemůžeme skutečně měřit zbývající energii v baterii, pokud nepoužíváme složité výpočty a měření pomocí systému správy baterie. Ale v jednoduchých aplikacích nemáme luxus této metody, takže obvykle používáme jednoduchou metodu odhadu úrovně baterie na základě otevřeného obvodu, která funguje opravdu dobře pro olověné akumulátory 12V, protože jejich výbojová křivka je téměř lineární od 13,8 V do 10,1 V, které jsou obvykle považovány za jeho horní a dolní extrémní mez Dříve jsme také postavili indikátor stavu baterie založený na Arduinu a monitorovací obvod pro napětí více článků, můžete si je také prohlédnout, pokud máte zájem.

V tomto projektu navrhneme a sestavíme indikátor úrovně nabití baterie 12V pomocí čtyřkomparátorového IC LM324 založeného na OPAMP, který nám umožní použít 4 komparátory založené na OPAMP na jednom čipu. Změříme napětí baterie a porovnáme ji s předem stanoveným napětím pomocí LM324 IC a pomocí LED diod zobrazíme výstup, který dostaneme. Pojďme do toho skočit rovnou, že?

Požadované komponenty

• LM324 Quad OPAMP IC
• 4 × LED světla (červená)
• 1 × 2,5 kΩ rezistor
• Rezistor 5 × 1 kΩ
• 1 × 1,6 kΩ rezistor
• 4 × 0,5 kΩ rezistor
• 14kolíkový držák IC
• Šroubovací svorka PCB
• Perfboard
• Pájecí souprava

LM324 Quad OPAMP IC

LM324 je integrovaný integrovaný zesilovač Quad se čtyřmi operačními zesilovači napájenými společným napájecím zdrojem. Rozsah diferenciálního vstupního napětí se může rovnat rozsahu napájecího napětí. Výchozí vstupní offsetové napětí je velmi nízké, což je velikost 2mV. Provozní teplota se pohybuje od 0 ° C do 70 ° C při okolní teplotě, zatímco maximální teplota spojení může být až 150 ° C. Operační zesilovače mohou obecně provádět matematické operace a lze je použít v různých konfiguracích, jako je zesilovač, sledovač napětí, komparátor atd. Použitím čtyř OPAMP v jednom integrovaném obvodu tedy ušetříte místo a složitost obvodu. Může být napájen jediným napájecím zdrojem v širokém rozsahu napětí -3V až 32V, což je více než dost pro testování úrovně baterie až 24V v ​​tomto obvodu.

Schéma zapojení pro indikátor stavu baterie 12V

Celý obvod použitý v indikátoru 12V baterie najdete níže. Pro ilustraci na obrázku níže jsem použil 9V baterii, ale předpokládejme, že je to 12V baterie.

Pokud se vám nelíbí grafické obvody, můžete zkontrolovat schémata níže na obrázku. Zde jsou svorky Vcc a Ground, které musí být připojeny k kladné a záporné baterii 12V.

Nyní pojďme k porozumění fungování obvodu. Pro zjednodušení můžeme obvod rozdělit na 2 různé části.

Sekce referenčních napětí:

Nejprve se musíme rozhodnout, které úrovně napětí chceme v obvodu měřit, a podle toho můžete navrhnout svůj obvod děliče potenciálu založený na odporu. V tomto obvodu je D2 referenční Zenerova dioda, která je dimenzována na 5,1 V 5 W, takže bude regulovat výstup na 5,1 V. K němu je sériově připojen odpor 1 1k GND, takže na každém rezistoru bude přibližně 1,25V pokles, který použijeme pro srovnání s napětím baterie. Referenční napětí pro srovnání je přibližně 5,1 V, 3,75 V, 2,5 V a 1,25 V.

Existuje také další obvod děliče napětí, který použijeme k porovnání napětí baterie s napětím daným děličem napětí připojeným přes Zener. Tento dělič napětí je důležitý, protože konfigurací jeho hodnoty určíte napěťové body, za kterými chcete rozsvítit odpovídající LED. V tomto obvodu jsme vybrali 1,6k rezistor a 1,0k rezistor v sérii, abychom zajistili dělicí faktor 2,6.

Pokud je tedy horní hranice baterie 13,8 V, pak odpovídající napětí dané děličem potenciálu bude 13,8 / 2,6 = 5,3 V, což je více než 5,1 V dané prvním referenčním napětím ze Zenerovy diody, proto budou všechny LED diody svítí, pokud je napětí baterie 12,5 V, tj. není plně nabito ani zcela vybito, pak odpovídající napětí bude 12,5 / 2,6 = 4,8 V, což znamená, že je menší než 5,1 V, ale vyšší než ostatní tři referenční napětí, takže tři LED diody budou rozsvítí se a jeden nebude. Tímto způsobem tedy můžeme určit rozsahy napětí pro rozsvícení jednotlivé LED.

Sekce komparátoru a LED:

V této části obvodu pouze řídíme různé LED pro různé úrovně napětí. Vzhledem k tomu, že IC LM324 je komparátor založený na OPAMP, takže kdykoli je neinvertující terminál konkrétního OPAMP na vyšším potenciálu než invertující terminál, výstup OPAMP bude vytažen vysoko na přibližně úroveň napětí VCC, což je v našem případě napětí baterie. Zde LED nesvítí, protože napětí na anodě i katodě LED jsou stejná, takže by neprotékal žádný proud. Pokud je napětí invertující svorky vyšší než neinvertující svorka, bude výstup OPAMP stažen dolů na úroveň GND, proto se LED rozsvítí, protože má potenciální rozdíl mezi svorkami.

V našem obvodu jsme připojili neinvertující svorku každého OPAMP k 1kΩ rezistoru obvodu děliče potenciálů připojeného přes baterii a invertující svorky jsou připojeny k různým úrovním napětí od děliče potenciálu připojeného přes Zener. Takže kdykoli je přiřazené napětí baterie nižší než odpovídající referenční napětí daného OPAMP, výstup bude vytažen vysoko a LED nebude svítit, jak bylo vysvětleno dříve.

Výzvy a vylepšení:

Jedná se o poměrně surovou a základní metodu aproximace napětí baterie a můžete ji dále upravit tak, aby četla rozsah napětí podle vašeho výběru přidáním dalšího odporu v sérii s děličem potenciálu připojeným přes Zenerovu diodu 5,1 V, tímto způsobem můžete dosáhnout větší přesnosti v menším rozsahu, abyste mohli identifikovat více úrovní napětí v menším rozsahu pro aplikace v reálném světě, jako je olověná baterie.

Můžete také propojit různé barevné LED pro různé úrovně napětí a chcete-li sloupcový graf. V tomto obvodu jsem použil pouze jeden LM324, abych to zjednodušil, můžete použít n počet komparátorových integrovaných obvodů as n rezistory, v sérii s referenčním napětím Zenerovy diody, můžete mít tolik referenčních napětí k porovnání, kolik chcete což dále zvýší přesnost vašeho indikátoru.

Sestavení a testování našeho indikátoru stavu baterie 12V

Nyní, když jsme dokončili návrh obvodu, musíme jej vyrobit na desce perf. Pokud chcete, můžete také nejprve otestovat na prkénku, abyste viděli jeho fungování a ladili chyby, které byste mohli vidět v obvodu. Pokud si chcete ušetřit starosti s pájením všech komponent dohromady, můžete si také navrhnout vlastní desku plošných spojů na AutoCAD Eagle, EasyEDA nebo Proteus ARES nebo na jakémkoli jiném softwaru pro návrh desek plošných spojů, který se vám líbí.

Protože LM324 může pracovat na širokém rozsahu napájecího napětí od -3V do 32V, nemusíte si dělat starosti s poskytováním jakéhokoli samostatného napájecího zdroje pro LM324 IC, takže jsme použili pouze jeden pár šroubových svorek PCB, které budou přímo připojené ke svorkám baterie a napájet celou desku plošných spojů. Pomocí tohoto obvodu můžete zkontrolovat úrovně napětí od min. 5,5 V do maximálně 15 V. Důrazně doporučuji přidat další odpor do série v děliči potenciálu napříč Zenerem a snížit rozsah napětí každé LED.

Pokud chcete zvýšit rozsah testování napětí z 12V na 24V, protože LM324 je schopen testovat až 24V baterii, stačí změnit činitel dělení napětí rozdělovače napětí připojeného přes baterii, aby byly srovnatelné s danými napěťovými úrovněmi Zenerovým referenčním obvodem a také zdvojnásobte rezistence spojené s LED diodami, aby byl chráněn proti vysokému proudu, který jimi prochází.

Kompletní fungování tohoto tutoriálu najdete také ve videu, na které odkazujete níže. Doufám, že se vám výukový program líbil a naučili se něco užitečného, ​​pokud máte nějaké dotazy, nechte je v sekci komentářů nebo můžete použít naše fóra pro další technické otázky.