Jednoduchý indikátor stavu batérie pomocou op

V modernom svete používame batérie takmer v každom elektronickom prístroji, od ručného mobilného telefónu, digitálneho teplomeru, inteligentných hodiniek až po elektrické vozidlá, lietadiel, satelitov a dokonca aj robotických roverov používaných na Marse, ktorých batéria vydržala okolo 700 solov (marťanské dni). Dá sa povedať, že bez vynálezu týchto elektrochemických pamäťových zariadení alias Batéria by svet, ako ho poznáme, neexistoval. Existuje mnoho rôznych typov batérií, ako sú olovené, Ni-Cd, lítium-iónové atď. S príchodom technológie sme svedkami toho, že sú vynájdené nové batérie, ako sú Li-air Batérie, Solid State Lithiové batérie atď. kapacita akumulácie energie a vysoký rozsah prevádzkových teplôt. Viac o batériách a o tom, ako fungujú, sme si už povedali v našich predchádzajúcich článkoch. V tomto článku sa dozvieme, ako navrhnúť jednoduchý Indikátor úrovne nabitia 12V batérie pomocou Op-Amp.

Úroveň nabitia batérie je síce nejednoznačný pojem, pretože nemôžeme skutočne zmerať stav nabitia batérie, pokiaľ nepoužívame zložité výpočty a merania pomocou systému správy batérií. Ale v jednoduchých aplikáciách nemáme luxus tejto metódy, takže zvyčajne používame jednoduchú metódu odhadu úrovne batérie na základe otvoreného napätia, ktorá funguje naozaj dobre pre olovené batérie 12V, pretože ich vybíjacia krivka je takmer lineárna od 13,8 V do 10,1 V, ktoré sa zvyčajne považujú za jeho hornú a dolnú extrémnu hranicu. Predtým sme tiež vytvorili indikátor stavu batérie na základe Arduina a monitorovací obvod pre napätie viacerých článkov. Môžete si ich tiež skontrolovať, ak máte záujem.

V tomto projekte navrhneme a zostavíme indikátor úrovne nabitia 12 V batérie pomocou štvorpolohového komparátora OPAMP na báze IC LM324, ktorý nám umožní použiť 4 komparátory založené na OPAMP na jednom čipe. Zmeriame napätie batérie a porovnáme ju s vopred určeným napätím pomocou LM324 IC a pomocou LED diód zobrazíme výstup, ktorý dostaneme. Skočme do toho priamo, však?

Súčasti sú povinné

• LM324 Quad OPAMP IC
• 4 × LED svetlá (červené)
• 1 × 2,5 kΩ rezistor
• Rezistor 5 × 1 kΩ
• 1 × 1,6 kΩ rezistor
• 4 × 0,5 kΩ rezistor
• 14 pinový IC držiak
• Skrutkovacia svorka PCB
• Drevená doska
• Spájkovacia súprava

LM324 Quad OPAMP IC

LM324 je operačný zosilňovač Quad Quad integrovaný do štyroch operačných zosilňovačov napájaných zo spoločného napájacieho zdroja. Rozsah diferenciálneho vstupného napätia sa môže rovnať rozsahu napájacieho napätia. Predvolené vstupné ofsetové napätie je veľmi nízke, čo je veľkosť 2 mV. Prevádzková teplota sa pohybuje od 0 ° C do 70 ° C pri teplote okolia, zatiaľ čo maximálna teplota spoja môže byť až 150 ° C. Operačné zosilňovače môžu vo všeobecnosti vykonávať matematické operácie a môžu sa používať v rôznych konfiguráciách, ako sú zosilňovače, sledovače napätia, komparátory atď. Použitím štyroch OPAMP v jednom integrovanom obvode teda ušetríte miesto a zložitosť obvodu. Môže byť napájaný z jediného zdroja napájania v širokom rozsahu napätia -3V až 32V, čo je viac ako dosť na testovanie úrovne nabitia batérie až 24V v ​​tomto obvode.

Schéma zapojenia ukazovateľa stavu batérie 12V

Celý obvod použitý v indikátore 12V batérie nájdete nižšie. Na ilustráciu na obrázku nižšie som použil 9V batériu, predpokladajme to však ako 12V batériu.

Ak sa vám nepáčia grafické obvody, môžete si pozrieť schémy na nasledujúcom obrázku. Tu sú Vcc a Ground svorky, ktoré musia byť pripojené k kladnej a zápornej batérii 12V.

Teraz pokračujme v porozumení fungovania obvodu. Pre jednoduchosť môžeme obvod rozdeliť na 2 rôzne časti.

Sekcia referenčných napätí:

Najprv sa musíme rozhodnúť, ktoré úrovne napätia chceme v obvode merať, a podľa toho môžete navrhnúť svoj obvod rezistora potenciálového deliča. V tomto obvode je D2 referenčná Zenerova dióda s menovitým výkonom 5,1 V 5 W, takže bude cez ňu regulovať výstup na 5,1 V. Existuje sériovo pripojený odpor 1 1k k GND, takže na každom rezistore bude pokles približne 1,25 V, ktorý použijeme na porovnanie s napätím batérie. Referenčné napätie pre porovnanie je približne 5,1 V, 3,75 V, 2,5 V a 1,25 V.

Existuje aj ďalší obvod rozdeľovača napätia, ktorý použijeme na porovnanie napätia batérie s napätiami danými rozdeľovačom napätia pripojeným cez Zener. Tento delič napätia je dôležitý, pretože konfiguráciou jeho hodnoty budete rozhodovať o bodoch napätia, nad ktorými chcete rozsvietiť príslušné LED diódy. V tomto obvode sme vybrali 1,6k rezistor a 1,0k rezistor v sérii, aby sme poskytli deliaci faktor 2,6.

Takže ak je horná hranica batérie 13,8 V, potom príslušné napätie dané deličom potenciálu bude 13,8 / 2,6 = 5,3 V, čo je viac ako 5,1 V daných prvým referenčným napätím zo Zenerovej diódy, takže všetky LED diódy budú svieti, ak je napätie batérie 12,5 V, tj. nie je úplne nabité ani úplne vybité, bude zodpovedajúce napätie 12,5 / 2,6 = 4,8 V, čo znamená, že je menšie ako 5,1 V, ale väčšie ako ostatné tri referenčné napätia, takže tri LED diódy budú rozsvietiť a jeden nebude. Týmto spôsobom teda môžeme určiť rozsahy napätia pre rozsvietenie jednotlivej LED.

Komparátor a sekcia LED:

V tejto časti obvodu iba napájame rôzne LED diódy pre rôzne úrovne napätia. Pretože IC LM324 je komparátor založený na OPAMP, takže kedykoľvek je neinvertujúca svorka konkrétneho OPAMP na vyššom potenciáli ako invertujúca svorka, výstup OPAMP bude vytiahnutý vysoko na úroveň napätia približne VCC, čo je v našom prípade napätie batérie. Tu nebude LED svietiť, pretože napätia na anóde aj na katóde LED sú rovnaké, takže by neprúdil žiadny prúd. Ak je napätie inverzného terminálu vyššie ako neinvertujúce terminál, potom bude výstup OPAMP stiahnutý nadol na úroveň GND, preto sa LED dióda rozsvieti, pretože má medzi svojimi svorkami potenciálny rozdiel.

V našom obvode sme pripojili neinvertujúcu svorku každého OPAMP-u k odporu 1 kΩ obvodu deliča potenciálu pripojeného cez batériu a inverzné svorky sú pripojené k rôznym úrovniam napätia od deliča potenciálu pripojeného cez Zener. Takže kedykoľvek je pridelené napätie batérie nižšie ako zodpovedajúce referenčné napätie daného OPAMP, výstup bude vytiahnutý vysoko a LED nebude svietiť, ako bolo vysvetlené vyššie.

Výzvy a vylepšenia:

Je to dosť hrubá a základná metóda aproximácie napätia batérie a môžete ju ďalej upraviť tak, aby čítala rozsah napätia podľa vášho výberu, a to pridaním ďalšieho odporu do série s deličom potenciálu pripojeným cez Zenerovu diódu s napätím 5,1 V, týmto spôsobom môžete dosiahnuť väčšiu presnosť v menšom rozsahu, aby ste mohli identifikovať viac úrovní napätia v menšom rozsahu pre aplikácie v reálnom svete, ako napríklad pre olovené batérie.

Môžete tiež prepojiť rôzne sfarbené LED diódy pre rôzne úrovne napätia a ak chcete stĺpcový graf. V tomto obvode som použil iba jeden LM324, aby som to zjednodušil. Môžete použiť n počet komparátorových integrovaných obvodov as n rezistorov, sériovo s Zenerovou diódou referenčného napätia, na porovnanie môžete mať toľko referenčných napätí, koľko chcete. čo ďalej zvýši presnosť vášho indikátora.

Zostavenie a testovanie nášho indikátora stavu batérie 12V

Keď sme dokončili návrh obvodu, musíme ho vyrobiť na doske perf. Ak chcete, môžete to najskôr otestovať na doske, aby ste videli jej fungovanie a odladili chyby, ktoré by ste mohli vidieť v obvode. Ak chcete ušetriť ťažkosti so spájkovaním všetkých súčastí dohromady, môžete si tiež navrhnúť svoj vlastný PCB na AutoCAD Eagle, EasyEDA alebo Proteus ARES alebo na inom softvéri na navrhovanie PCB, ktorý sa vám páči.

Pretože LM324 môže pracovať na širokom rozsahu napájania od -3V do 32V, nemusíte sa obávať poskytovania samostatného napájania pre LM324 IC, takže sme použili iba jeden pár skrutkových svoriek PCB, ktoré budú priamo pripojený ku svorkám batérie a napájať celú DPS. Pomocou tohto obvodu môžete skontrolovať úrovne napätia od min. 5,5 V do max. 15 V. Dôrazne odporúčam pridať ďalší odpor do série v deliči potenciálu naprieč Zenerom a znížiť rozsah napätia každej LED.

Ak chcete zvýšiť rozsah testovania napätia z 12V na 24V, pretože LM324 je schopný testovať až 24V batériu, musíte len zmeniť faktor rozdeľovania napätia rozdeľovača napätia pripojeného cez batériu, aby boli porovnateľné s uvedenými úrovňami napätia. Zenerovým referenčným obvodom a tiež zdvojnásobte rezistencie spojené s LED diódami, aby ste ho chránili proti vysokému prúdu, ktorý nimi preteká.

Kompletné fungovanie tohto tutoriálu nájdete tiež vo videu, na ktoré odkazujete nižšie. Dúfam, že sa vám návod páčil a dozvedeli ste sa niečo užitočné, ak máte nejaké otázky, nechajte ich v sekcii komentárov alebo môžete použiť naše fóra na ďalšie technické otázky.