Prosty wskaźnik poziomu baterii za pomocą op

We współczesnym świecie używamy baterii w prawie każdym gadżecie elektronicznym, od ręcznego telefonu komórkowego, termometru cyfrowego, smartwatcha po pojazdy elektryczne, samoloty, satelity, a nawet robotyczne łaziki używane na Marsie, których bateria wytrzymała około 700 solów (dni marsjańskie). Można śmiało powiedzieć, że bez wynalezienia tych elektrochemicznych urządzeń magazynujących, znanych nam jako Baterie, świat, jaki znamy, nie istniałby. Istnieje wiele różnych typów baterii, takich jak kwasowo-ołowiowe, niklowo-kadmowe, litowo-jonowe itp. Wraz z pojawieniem się technologii odkrywamy nowe baterie, takie jak baterie litowo-powietrzne, litowe baterie półprzewodnikowe itp., Które mają wyższe zdolność magazynowania energii i wysoki zakres temperatur pracy. Omówiliśmy już więcej na temat baterii i ich działania w naszych poprzednich artykułach. W tym artykule dowiemy się, jak zaprojektować prosty plik Wskaźnik poziomu naładowania akumulatora 12 V za pomocą wzmacniacza operacyjnego.

Chociaż poziom naładowania baterii jest terminem niejednoznacznym, ponieważ tak naprawdę nie możemy zmierzyć ładunku pozostałego w baterii, chyba że zastosujemy złożone obliczenia i pomiary za pomocą systemu zarządzania baterią. Ale w prostych zastosowaniach nie mamy luksusu tej metody, więc zwykle stosujemy prostą metodę szacowania poziomu akumulatora opartą na napięciu w obwodzie otwartym, która działa naprawdę dobrze w przypadku akumulatorów kwasowo-ołowiowych 12 V, ponieważ ich krzywa rozładowania jest prawie liniowa od 13,8 V do 10,1 V., które zwykle są uważane za górne i dolne skrajne granice. Wcześniej zbudowaliśmy również wskaźnik poziomu baterii oparty na Arduino i obwód monitorowania napięcia wielu ogniw, możesz je również sprawdzić, jeśli jesteś zainteresowany.

W tym projekcie zaprojektujemy i zbudujemy wskaźnik poziomu akumulatora 12 V za pomocą układu scalonego LM324 opartego na poczwórnym komparatorze OPAMP, który pozwoli nam na użycie 4 komparatorów opartych na OPAMP na jednym chipie. Zmierzymy napięcie akumulatora i porównamy je z określonym napięciem za pomocą układu scalonego LM324 i wysterujemy diody LED, aby wyświetlić otrzymaną moc. Przejdźmy od razu do tego, dobrze?

Wymagane składniki

• Układ scalony Quad OPAMP LM324
• 4 × diody LED (czerwone)
• Rezystor 1 × 2,5 kΩ
• Rezystor 5 × 1kΩ
• Rezystor 1 × 1,6 kΩ
• Rezystor 4 × 0,5 kΩ
• 14-pinowy uchwyt IC
• Zacisk śrubowy PCB
• Perfboard
• Zestaw do lutowania

Układ scalony Quad OPAMP LM324

LM324 to układ scalony z czterema wzmacniaczami operacyjnymi zintegrowany z czterema wzmacniaczami operacyjnymi zasilanymi przez wspólny zasilacz. Zakres różnicowego napięcia wejściowego może być równy zakresowi napięcia zasilania. Domyślne wejściowe napięcie przesunięcia jest bardzo niskie i wynosi 2 mV. Temperatura pracy waha się od 0˚C do 70˚C w otoczeniu, podczas gdy maksymalna temperatura złącza może dochodzić do 150˚C. Ogólnie rzecz biorąc, wzmacniacze operacyjne mogą wykonywać operacje matematyczne i mogą być używane w różnych konfiguracjach, takich jak wzmacniacz, wtórnik napięcia, komparator itp. Tak więc, stosując cztery OPAMP w jednym układzie scalonym, zaoszczędzisz miejsce i złożoność obwodu. Może być zasilany pojedynczym zasilaczem w szerokim zakresie napięć od -3 V do 32 V, co jest więcej niż wystarczające do testowania poziomu akumulatora do 24 V w tym obwodzie.

Schemat obwodu dla wskaźnika poziomu akumulatora 12 V.

Cały obwód zastosowany we wskaźniku akumulatora 12V znajduje się poniżej. Użyłem baterii 9 V dla celów ilustracyjnych na poniższym obrazku, ale przyjmij, że jest to bateria 12 V.

Jeśli nie lubisz obwodów graficznych, możesz sprawdzić poniższe schematy. Tutaj Vcc i Ground to zaciski, które muszą być podłączone do akumulatora 12 V odpowiednio dodatniego i ujemnego.

Teraz przejdźmy do zrozumienia działania obwodu. Ze względu na prostotę obwód możemy podzielić na 2 różne części.

Sekcja dotycząca napięcia odniesienia:

Najpierw musimy zdecydować, które poziomy napięcia chcemy zmierzyć w obwodzie i można odpowiednio zaprojektować obwód dzielnika potencjału oparty na rezystorze. W tym obwodzie D2 jest referencyjną diodą Zenera, która ma moc znamionową 5,1 V 5 W, więc będzie regulować wyjście do 5,1 V. Opór 4 1k jest połączony szeregowo z GND, więc około 1,25V spadek będzie występował na każdym rezystorze, którego użyjemy do porównania z napięciem akumulatora. Napięcia odniesienia do porównania wynoszą około 5,1 V, 3,75 V, 2,5 V i 1,25 V.

Istnieje również inny obwód dzielnika napięcia, którego użyjemy do porównania napięć akumulatora z napięciami podawanymi przez dzielnik napięcia podłączony przez Zenera. Ten dzielnik napięcia jest ważny, ponieważ konfigurując jego wartość, określisz punkty napięcia, poza którymi chcesz zapalić odpowiednie diody LED. W tym obwodzie wybraliśmy szeregowo rezystor 1,6 tys. I rezystor 1,0 tys., Aby zapewnić współczynnik dzielenia 2,6 tys.

Jeśli więc górna granica akumulatora wynosi 13,8 V, to odpowiednie napięcie podane przez dzielnik potencjału wyniesie 13,8 / 2,6 = 5,3 V, czyli więcej niż 5,1 V podane przez pierwsze napięcie odniesienia z diody Zenera, stąd wszystkie diody LED będą świeci się, jeśli napięcie akumulatora wynosi 12,5 V, tj. nie jest w pełni naładowane ani całkowicie rozładowane, to odpowiednie napięcie wyniesie 12,5 / 2,6 = 4,8 V, co oznacza, że ​​jest mniejsze niż 5,1 V, ale większe niż pozostałe trzy napięcia odniesienia, więc trzy diody LED będą zapala się, a jeden nie. W ten sposób możemy wyznaczyć zakresy napięć do zaświecenia pojedynczej diody LED.

Komparator i sekcja LED:

W tej części obwodu po prostu sterujemy różnymi diodami LED dla różnych poziomów napięcia. Ponieważ układ scalony LM324 jest komparatorem opartym na OPAMP, więc za każdym razem, gdy nieodwracający zacisk określonego OPAMP ma wyższy potencjał niż zacisk odwracający, wyjście OPAMP zostanie podniesione do poziomu około VCC, które jest napięciem akumulatora w naszym przypadku. Tutaj dioda LED nie będzie świecić, ponieważ napięcia zarówno na anodzie, jak i katodzie diody LED są równe, więc prąd nie będzie płynął. Jeśli napięcie na zacisku odwracającym jest wyższe niż na zacisku nieodwracającym, wyjście OPAMP zostanie obniżone do poziomu GND, stąd dioda LED zaświeci się, ponieważ ma różnicę potencjałów na zaciskach.

W naszym obwodzie podłączyliśmy nieodwracający zacisk każdego OPAMP do rezystora 1kΩ obwodu dzielnika potencjału podłączonego do akumulatora, a zaciski odwracające są podłączone do różnych poziomów napięcia z dzielnika potencjału podłączonego przez Zenera. Tak więc, ilekroć przydzielone napięcie akumulatora jest niższe niż odpowiadające napięcie odniesienia tego OPAMP, wyjście zostanie pociągnięte w stan wysoki, a dioda LED nie zaświeci się, jak wyjaśniono wcześniej.

Wyzwania i ulepszenia:

Jest to dość prymitywna i podstawowa metoda przybliżania napięcia akumulatora i można ją dodatkowo modyfikować, aby odczytać zakres napięcia według własnego wyboru, dodając dodatkowy rezystor szeregowo z dzielnikiem potencjału podłączonym do diody Zenera 5,1 V, w ten sposób można uzyskać większą dokładność w mniejszym zakresie, dzięki czemu można zidentyfikować więcej poziomów napięcia w mniejszym zakresie w rzeczywistych zastosowaniach, takich jak akumulator kwasowo-ołowiowy.

Możesz także łączyć różne kolorowe diody LED dla różnych poziomów napięcia i jeśli chcesz mieć wykres słupkowy. Użyłem tylko jednego LM324 w tym obwodzie, aby zachować prostotę, możesz użyć n liczby układów scalonych komparatora i n rezystorów, połączonych szeregowo z diodą Zenera o napięciu odniesienia, możesz mieć tyle napięć odniesienia do porównania, z którymi chcesz co jeszcze bardziej zwiększy dokładność wskaźnika.

Budowa i testowanie naszego wskaźnika poziomu akumulatora 12 V.

Teraz, gdy kończymy projektowanie obwodu, musimy wykonać go na płycie perf. Jeśli chcesz, możesz również najpierw przetestować go na płytce prototypowej, aby zobaczyć, jak działa, i usunąć błędy, które możesz zobaczyć w obwodzie. Jeśli chcesz zaoszczędzić sobie kłopotów z lutowaniem wszystkich komponentów razem, możesz również zaprojektować własną płytkę drukowaną na AutoCAD Eagle, EasyEDA lub Proteus ARES lub dowolnym innym oprogramowaniu do projektowania PCB.

Ponieważ LM324 może pracować na szerokim zakresie zasilaczy od -3 V do 32 V, nie musisz się martwić o zapewnienie żadnego oddzielnego zasilania do układu scalonego LM324, więc użyliśmy tylko jednej pary zacisków śrubowych PCB, które będą podłączany bezpośrednio do zacisków akumulatora i zasilający całą płytkę drukowaną. Za pomocą tego obwodu można sprawdzić poziomy napięcia od min. 5,5 V do maksymalnie 15 V. Zdecydowanie zalecam dodanie kolejnego rezystora szeregowo w dzielniku potencjału w poprzek Zenera i zmniejszenie zakresu napięcia każdej diody LED.

Jeśli chcesz zwiększyć zakres testowania napięcia z 12 V do 24 V, ponieważ LM324 może testować do 24 V baterii, wystarczy zmienić współczynnik dzielenia napięcia dzielnika napięcia podłączonego do akumulatora, aby były porównywalne z podanymi poziomami napięcia przez obwód odniesienia Zenera, a także podwoić rezystancję związaną z diodami LED, aby zabezpieczyć go przed przepływem dużego prądu przez nie.

Pełne działanie tego samouczka można również znaleźć w poniższym filmie wideo. Mam nadzieję, że spodobał Ci się samouczek i nauczyłeś się czegoś przydatnego, jeśli masz jakieś pytania, zostaw je w sekcji komentarzy lub możesz skorzystać z naszych forów, aby uzyskać inne pytania techniczne.