Простой индикатор уровня заряда батареи с помощью op

В современном мире мы используем батареи почти в каждом электронном гаджете, от вашего портативного мобильного телефона, цифрового термометра, умных часов до электромобилей, самолетов, спутников и даже роботов-вездеходов, используемых на Марсе, чей батареи хватило на 700 солей (марсианских дней). Можно с уверенностью сказать, что без изобретения этих электрохимических накопителей, известных как батареи, мир, каким мы его знаем, не существовал бы. Существует множество различных типов батарей, таких как свинцово-кислотные, никель-кадмиевые, литий-ионные и т. Д. С появлением технологий мы видим новые изобретенные батареи, такие как литий-воздушные батареи, твердотельные литиевые батареи и т. Д., Которые имеют более высокую емкость накопителя энергии и высокий диапазон рабочих температур. Мы уже обсуждали больше о батареях и о том, как они работают в наших предыдущих статьях. В этой статье мы узнаем, как спроектировать простой Индикатор уровня заряда аккумулятора 12 В с помощью операционного усилителя.

Хотя уровень заряда батареи - это неоднозначный термин, потому что мы не можем реально измерить оставшийся в батарее заряд, если мы не используем сложные вычисления и измерения с помощью системы управления батареями. Но в простых приложениях у нас нет роскоши этого метода, поэтому мы обычно используем простой метод оценки уровня заряда батареи на основе напряжения разомкнутой цепи, который действительно хорошо работает для свинцово-кислотных аккумуляторов 12 В, поскольку их кривая разряда почти линейна от 13,8 В до 10,1 В., которые обычно считаются ее верхним и нижним крайними пределами. Ранее мы также создали индикатор уровня заряда батареи на базе Arduino и схему мониторинга напряжения нескольких ячеек, вы также можете проверить их, если вам интересно.

В этом проекте мы спроектируем и построим индикатор уровня заряда батареи 12 В с помощью микросхемы LM324 на базе четырехканального компаратора OPAMP, которая позволяет нам использовать 4 компаратора на базе OPAMP на одном кристалле. Мы измерим напряжение аккумулятора и сравним его с заранее заданным напряжением, используя LM324 IC, и включим светодиоды для отображения выходного сигнала, который мы получаем. Давайте прыгнем прямо в это, ладно?

Необходимые компоненты

• LM324 Quad OPAMP IC
• 4 × светодиодные фонари (красные)
• Резистор 1 × 2,5 кОм
• Резистор 5 × 1 кОм
• 1 × 1,6 кОм резистор
• 4 × 0,5 кОм резистор
• 14-контактный держатель IC
• Винтовой зажим для печатной платы
• Перфорированная плита
• Набор для пайки

LM324 Quad OPAMP IC

LM324 - это микросхема с четырьмя операционными усилителями, интегрированная с четырьмя операционными усилителями, питающимися от общего источника питания. Диапазон дифференциального входного напряжения может быть равен диапазону напряжения источника питания. Входное напряжение смещения по умолчанию очень низкое и составляет 2 мВ. Диапазон рабочих температур составляет от 0 ° C до 70 ° C при температуре окружающей среды, тогда как максимальная температура перехода может достигать 150 ° C. Как правило, операционные усилители могут выполнять математические операции и могут использоваться в различных конфигурациях, таких как усилитель, повторитель напряжения, компаратор и т. Д. Таким образом, используя четыре OPAMP в одной микросхеме, вы сэкономите место и уменьшите сложность схемы. Он может питаться от одного источника питания в широком диапазоне напряжений от -3 В до 32 В, что более чем достаточно для тестирования уровня заряда батареи до 24 В.

Принципиальная схема индикатора уровня заряда батареи 12 В

Полную схему, используемую в индикаторе батареи 12 В, можно найти ниже. Я использовал батарею 9 В для иллюстрации на изображении ниже, но предполагаю, что это батарея 12 В.

Если вам не нравятся графические схемы, вы можете проверить их на изображении ниже. Здесь Vcc и Земля - ​​это клеммы, которые должны быть подключены к плюсу и минусу батареи 12 В соответственно.

Теперь давайте приступим к пониманию работы схемы. Для простоты мы можем разделить схему на 2 разные части.

Раздел эталонных напряжений:

Во-первых, нам нужно решить, какие уровни напряжения мы хотим измерить в цепи, и вы можете соответствующим образом разработать схему делителя напряжения на основе резистора. В этой схеме D2 представляет собой эталонный стабилитрон с номиналом 5,1 В и 5 Вт, поэтому он будет регулировать выходное напряжение до 5,1 В. Сопротивление 4 кОм подключено последовательно к заземлению, поэтому падение напряжения примерно 1,25 В будет на каждом резисторе, который мы будем использовать для сравнения с напряжением батареи. Эталонные напряжения для сравнения составляют приблизительно 5,1 В, 3,75 В, 2,5 В и 1,25 В.

Кроме того, есть еще одна схема делителя напряжения, которую мы будем использовать для сравнения напряжений батареи с напряжениями, выдаваемыми делителем напряжения, подключенным к стабилитрону. Этот делитель напряжения важен, потому что, настраивая его значение, вы определяете точки напряжения, за пределами которых вы хотите загореться соответствующие светодиоды. В этой схеме мы последовательно выбрали резистор 1,6 кОм и резистор 1,0 кОм, чтобы обеспечить коэффициент деления 2,6.

Таким образом, если верхний предел батареи составляет 13,8 В, то соответствующее напряжение, выдаваемое делителем потенциала, будет 13,8 / 2,6 = 5,3 В, что больше, чем 5,1 В, заданное первым опорным напряжением стабилитрона, поэтому все светодиоды будут горит, если напряжение аккумулятора составляет 12,5 В, то есть не полностью заряжено и не полностью разряжено, тогда соответствующее напряжение будет 12,5 / 2,6 = 4,8 В, что означает, что оно меньше 5,1 В, но больше трех других эталонных напряжений, поэтому три светодиода будут загорается, и никто не будет. Таким образом, мы можем определить диапазоны напряжения для зажигания отдельного светодиода.

Секция компаратора и светодиода:

В этой части схемы мы просто управляем разными светодиодами для разных уровней напряжения. Поскольку IC LM324 представляет собой компаратор на основе OPAMP, поэтому всякий раз, когда неинвертирующий терминал конкретного OPAMP имеет более высокий потенциал, чем инвертирующий терминал, выход OPAMP будет повышен до приблизительно уровня напряжения VCC, который в нашем случае является напряжением батареи.. Здесь светодиод не загорится, потому что напряжения на аноде и катоде светодиода равны, поэтому ток не будет течь. Если напряжение инвертирующего терминала выше, чем напряжение неинвертирующего терминала, тогда выход OPAMP будет понижен до уровня GND, следовательно, светодиод загорится, потому что на его терминалах есть разность потенциалов.

В нашей схеме мы подключили неинвертирующий терминал каждого OPAMP к резистору 1 кОм цепи делителя потенциала, подключенной к батарее, а инвертирующие терминалы подключены к различным уровням напряжения от делителя потенциала, подключенного к стабилитрону. Таким образом, всякий раз, когда распределенное напряжение батареи ниже соответствующее опорное напряжения, что операционные усилители, то выход будет подтянуты, и светодиод не горит, как описано ранее.

Проблемы и улучшения:

Это довольно грубый и основной метод аппроксимации напряжения батареи, и вы можете дополнительно изменить его, чтобы считывать диапазон напряжения по вашему выбору, добавив дополнительный резистор последовательно с делителем потенциала, подключенным к стабилитрону 5,1 В, Таким образом, вы можете получить большую точность в меньшем диапазоне, чтобы вы могли определять больше уровней напряжения в меньшем диапазоне для реальных приложений, таких как свинцово-кислотная батарея.

Вы также можете подключить разные цветные светодиоды для разных уровней напряжения и, если вам нужна гистограмма. Я использовал только один LM324 в этой схеме, чтобы сохранить его простым, вы можете использовать п число компаратор ИС и с п резисторов, соединенных последовательно с опорным напряжением стабилитрона, вы можете иметь много опорных напряжений для сравнения, как вы хотите что еще больше повысит точность вашего индикатора.

Сборка и тестирование индикатора уровня заряда батареи 12 В

Теперь, когда мы закончили проектирование схемы, нам нужно изготовить ее на монтажной плате. Если вы хотите, вы также можете сначала протестировать его на макете, чтобы увидеть, как он работает, и отладить ошибки, которые вы можете увидеть в схеме. Если вы хотите избавиться от хлопот по пайке всех компонентов вместе, вы также можете спроектировать свою собственную печатную плату в AutoCAD Eagle, EasyEDA или Proteus ARES или любом другом программном обеспечении для проектирования печатных плат, которое вам нравится.

Поскольку LM324 может работать с широким диапазоном источников питания в диапазоне от -3 В до 32 В, вам не нужно беспокоиться о предоставлении какого-либо отдельного источника питания для LM324 IC, поэтому мы использовали только одну пару винтовых клемм для печатной платы, которые будут напрямую подключен к клеммам аккумулятора и питает всю печатную плату. С помощью этой схемы вы можете проверить уровни напряжения от мин. 5,5 В до макс. 15 В. Я настоятельно рекомендую вам добавить еще один резистор последовательно в делитель потенциала через стабилитрон и уменьшить диапазон напряжений каждого светодиода.

Если вы хотите увеличить диапазон тестирования напряжения с 12 В до 24 В, поскольку LM324 способен тестировать аккумулятор до 24 В, вам просто нужно изменить коэффициент деления напряжения делителя напряжения, подключенного к аккумулятору, чтобы сделать их сопоставимыми с заданными уровнями напряжения. цепью стабилитрона, а также удвоить сопротивление, подключенное к светодиодам, чтобы защитить его от протекания через них сильного тока.

Полную работу этого руководства можно также найти в видео по ссылке ниже. Надеюсь, вам понравилось это руководство и вы узнали что-то полезное, если у вас есть какие-либо вопросы, оставьте их в разделе комментариев или вы можете использовать наши форумы для других технических вопросов.