Enkel batteriniveauindikator ved hjælp af op

I den moderne verden bruger vi batterier i næsten alle elektroniske gadgets fra din håndholdte mobiltelefon, digitalt termometer, smartwatch til elbiler, fly, satellitter og endda Robotic Rovers, der bruges på Mars, hvis batteri varede omkring 700 sols (Mars-dage). Det er sikkert at sige uden opfindelsen af ​​disse elektrokemiske lagerenheder, alias Batterier, ville verden som vi kender den ikke eksistere. Der er mange forskellige typer batterier som bly-syre, Ni-Cd, lithium-ion osv. Med fremkomsten af ​​teknologi ser vi nye batterier opfundet som Li-air batterier, solid state lithium batterier osv., Som har højere energilagringskapacitet og højt driftstemperaturområde. Vi har allerede diskuteret mere om batterier og hvordan de fungerer i vores tidligere artikler. I denne artikel vil vi lære at designe en simpel12V batteriopladningsindikator ved hjælp af Op-Amp.

Selvom batteriniveauet er et tvetydigt udtryk, fordi vi ikke rigtig kan måle opladningen i batteriet, medmindre vi anvender komplekse beregninger og målinger ved hjælp af et batteristyringssystem. Men i enkle applikationer har vi ikke luksus ved denne metode, så vi bruger normalt en simpel Open Circuit Voltage-baseret batteriniveaueregningsmetode, der fungerer rigtig godt for blysyre 12V batterier, da deres afladningskurve er næsten lineær fra 13,8V til 10,1V, som normalt betragtes som dets øvre og nedre ekstreme grænser. Tidligere har vi også bygget en Arduino-baseret batteriniveauindikator og et multipel cellespændingsovervågningskredsløb, du kan også tjekke dem ud, hvis du er interesseret.

I dette projekt vil vi designe og bygge en 12V batteriniveauindikator ved hjælp af en quad-komparator OPAMP-baseret IC LM324, som lader os bruge 4 OPAMP-baserede komparatorer på en enkelt chip. Vi måler batteriets spænding og sammenligner den med den forudbestemte spænding ved hjælp af LM324 IC og kører LED'erne for at vise den output, vi får. Lad os hoppe lige ind i det, skal vi?

Komponenter, der kræves

• LM324 Quad OPAMP IC
• 4 × LED-lys (rød)
• 1 × 2,5 kΩ modstand
• 5 × 1kΩ modstand
• 1 × 1,6 kΩ modstand
• 4 × 0,5 kΩ modstand
• 14 ben IC holder
• PCB-skrueterminal
• Perfboard
• Loddesæt

LM324 Quad OPAMP IC

LM324 er en Quad op-amp IC integreret med fire op-forstærkere drevet af en fælles strømforsyning. Det differentielle indgangsspændingsområde kan være lig med strømforsyningsspændingens. Standardindgangsspændingen er meget lav, som er af størrelse 2mV. Driftstemperaturen varierer fra 0 ° C til 70 ° C ved omgivende temperatur, mens den maksimale forbindelsestemperatur kan være op til 150 ° C. Generelt kan op-forstærkere udføre matematiske operationer og kan bruges i forskellige konfigurationer som forstærker, spændingsfølger, komparator osv. Så ved at anvende fire OPAMP'er i en enkelt IC sparer du plads og kompleksitet i kredsløbet. Det kan drives af en enkelt strømforsyning over et bredt spændingsområde på -3V til 32V, hvilket er mere end nok til op til 24V batteriniveau test på dette kredsløb.

Kredsløbsdiagram for 12V batteriniveauindikator

Det komplette kredsløb brugt i 12V batteriindikatoren kan findes nedenfor. Jeg har brugt et 9V batteri til illustration i billedet nedenfor, men antager det som et 12V batteri.

Hvis du ikke kan lide grafiske kredsløb, kan du tjekke nedenstående billede for skemaerne. Her er Vcc og Ground de terminaler, der skal tilsluttes henholdsvis 12V batteri positive og negative.

Lad os nu gå videre med at forstå kredsløbets funktion. For enkelheds skyld kan vi opdele kredsløbet i 2 forskellige dele.

Reference til spændingsafsnit:

Først skal vi beslutte, hvilke spændingsniveauer vi vil måle i kredsløbet, og du kan designe dit modstandsbaserede potentiale-opdelingskredsløb i overensstemmelse hermed. I dette kredsløb er D2 en reference Zener-diode, der er klassificeret som 5.1V 5W, så den vil regulere udgangen til 5.1V over den. Der er 4 1k modstand forbundet over det i serie til GND, så ca. 1,25V fald vil være der over hver modstand, som vi vil bruge til at sammenligne med batterispændingen. Referencespændingerne til sammenligning er ca. 5,1V, 3,75V, 2,5V og 1,25V.

Der er også et andet spændingsdelerkredsløb, som vi vil bruge til at sammenligne batterispændingerne med de spændinger, der er givet af spændingsdeleren forbundet over Zener. Denne spændingsdeler er vigtig, fordi du ved at konfigurere dens værdi bestemmer de spændingspunkter, ud over hvilke du vil tænde de tilsvarende lysdioder. I dette kredsløb har vi valgt 1,6 k modstand og 1,0 k modstand i serie for at give en delingsfaktor på 2,6.

Så hvis den øvre grænse for batteriet er 13,8V, vil den tilsvarende spænding, der er givet af den potentielle opdeler, være 13,8 / 2,6 = 5,3V, hvilket er mere end 5,1V givet af den første referencespænding fra Zener-dioden, og derfor vil alle lysdioder være tændt, hvis batteriets spænding er 12,5 V, dvs. hverken fuldt opladet eller fuldt afladet, så vil den tilsvarende spænding være 12,5 / 2,6 = 4,8 V, hvilket betyder, at den er mindre end 5,1 V, men større end de andre tre referencespændinger, så tre lysdioder vil lys op, og en vil ikke. Så på denne måde kan vi bestemme spændingsområderne til belysning af en individuel LED.

Komparator og LED-sektion:

I denne del af kredsløbet kører vi bare de forskellige lysdioder til forskellige spændingsniveauer. Da IC LM324 er en OPAMP-baseret komparator, så når den ikke-inverterende terminal på en bestemt OPAMP har et højere potentiale end den inverterende terminal, trækkes OPAMP-udgangen højt til det omtrentlige VCC-spændingsniveau, som er batterispændingen i vores tilfælde. Her lyser LED'en ikke, fordi spændingerne ved både anoden og katoden på lysdioden er ens, så der ikke strømmer strøm. Hvis den inverterende terminals spænding er højere end de ikke-inverterende terminalers, trækkes OPAMP's output ned til GND-niveauet, hvorfor LED'en vil lyse, fordi den har en potentiel forskel på tværs af dens terminaler.

I vores kredsløb har vi tilsluttet den ikke-inverterende terminal af hver OPAMP til 1kΩ modstanden til det potentielle delerkredsløb, der er forbundet over batteriet, og inverterende terminaler er forbundet til de forskellige spændingsniveauer fra den potentiale, der er forbundet over Zener. Så når den fordelte spænding på batteriet er lavere end den tilsvarende referencespænding for den OPAMP, trækkes udgangen højt, og LED'en lyser ikke som forklaret tidligere.

Udfordringer og forbedringer:

Det er en ret rå og grundlæggende metode til at tilnærme batteriets spænding, og du kan yderligere ændre det for at aflæse et spændingsområde efter eget valg ved at tilføje en ekstra modstand i serie med den potentielle opdeler tilsluttet over 5.1V Zener-dioden, på denne måde kan du få mere nøjagtighed på et mindre område, så du kan identificere flere spændingsniveauer over et mindre område til applikationer i den virkelige verden som for et blysyrebatteri.

Du kan også interface forskellige farvede lysdioder til forskellige spændingsniveauer, og hvis du vil have et søjlediagram. Jeg har kun brugt en enkelt LM324 i dette kredsløb for at holde det simpelt, du kan bruge n antal Comparator IC'er og med n modstande, i serie med referencespændingen Zener-diode, kan du have så mange referencespændinger at sammenligne med, som du vil hvilket yderligere øger nøjagtigheden af ​​din indikator.

Opbygning og test af vores 12V batteriniveauindikator

Nu når vi er færdige med at designe kredsløbet, er vi nødt til at fremstille det på perf-tavlen. Hvis du vil, kan du også teste det først på et brødbræt for at se dets arbejde og fejle de fejl, du måtte se i kredsløbet. Hvis du vil spare besværet med at lodde alle komponenterne sammen, kan du også designe dit eget printkort på AutoCAD Eagle, EasyEDA eller Proteus ARES eller en hvilken som helst anden PCB-designsoftware, du kan lide.

Da LM324 kan arbejde på en lang række strømforsyninger fra -3V til 32V, behøver du ikke bekymre dig om at levere nogen separat strømforsyning til LM324 IC, så vi har kun brugt et par PCB-skrueterminaler, som vil være direkte tilsluttet batteripolerne og forsyner hele printkortet. Du kan kontrollere spændingsniveauer fra Min 5,5 V til maksimalt 15 V ved hjælp af dette kredsløb. Jeg anbefaler kraftigt, at du tilføjer en anden modstand i serie i den potentielle opdeler over Zener og reducerer spændingsområdet for hver LED.

Hvis du vil øge spændingstestområdet fra 12V til 24V, da LM324 er i stand til at teste op til 24V batteri, skal du bare ændre spændingsdelingsfaktoren for den spændingsdeler, der er tilsluttet på tværs af batteriet, for at gøre dem sammenlignelige med de angivne spændingsniveauer. ved Zener-referencekredsløbet, og også fordoble modstandene forbundet med lysdioderne for at beskytte det mod den høje strømgennemstrømning gennem dem.

Den komplette bearbejdning af denne vejledning kan også findes i videoen, der er linket nedenfor. Håber du har haft vejledningen og lært noget nyttigt, hvis du har spørgsmål, skal du lade dem være i kommentarsektionen, eller du kan bruge vores fora til andre tekniske spørgsmål.