Απλή ένδειξη στάθμης μπαταρίας χρησιμοποιώντας op

Στον σύγχρονο κόσμο, χρησιμοποιούμε μπαταρίες σε σχεδόν κάθε ηλεκτρονικό gadget από το φορητό σας κινητό τηλέφωνο, το ψηφιακό θερμόμετρο, το έξυπνο ρολόι έως τα ηλεκτρικά οχήματα, τα αεροπλάνα, τους δορυφόρους, ακόμη και τα ρομποτικά Rovers που χρησιμοποιούνται στον Άρη των οποίων η μπαταρία κράτησε περίπου 700 sol (ημέρες του Άρη). Είναι ασφαλές να πούμε χωρίς την εφεύρεση αυτών των ηλεκτροχημικών συσκευών αποθήκευσης aka Μπαταρίες, τον κόσμο, όπως γνωρίζουμε ότι δεν θα υπήρχε. Υπάρχουν πολλοί διαφορετικοί τύποι μπαταριών όπως μολύβδου-οξέος, Ni-Cd, λιθίου-ιόντων, κ.λπ. Με την έλευση της τεχνολογίας, βλέπουμε νέες μπαταρίες εφευρέθηκαν όπως μπαταρίες Li-air, μπαταρίες λιθίου στερεάς κατάστασης κ.λπ. χωρητικότητα αποθήκευσης ενέργειας και υψηλό εύρος θερμοκρασίας λειτουργίας. Έχουμε ήδη συζητήσει περισσότερα για τις μπαταρίες και τον τρόπο λειτουργίας τους στα προηγούμενα άρθρα μας. Σε αυτό το άρθρο, θα μάθουμε πώς να σχεδιάζουμε ένα απλό Ένδειξη στάθμης φόρτισης μπαταρίας 12V με χρήση Op-Amp.

Αν και το επίπεδο μπαταρίας είναι ένας διφορούμενος όρος επειδή δεν μπορούμε πραγματικά να μετρήσουμε το φορτίο που έχει απομείνει στην μπαταρία, εκτός εάν εφαρμόσουμε πολύπλοκους υπολογισμούς και μετρήσεις χρησιμοποιώντας ένα Σύστημα Διαχείρισης Μπαταρίας. Αλλά σε απλές εφαρμογές, δεν έχουμε την πολυτέλεια αυτής της μεθόδου, οπότε συνήθως χρησιμοποιούμε μια απλή μέθοδο εκτίμησης επιπέδου μπαταρίας με βάση την τάση ανοιχτού κυκλώματος που λειτουργεί πολύ καλά για τις μπαταρίες μολύβδου οξέος 12V καθώς η καμπύλη εκφόρτισης είναι σχεδόν γραμμική από 13,8V έως 10,1V, τα οποία συνήθως θεωρούνται ανώτερα και κατώτερα ακραία όριά του. Προηγουμένως είχαμε δημιουργήσει επίσης μια ένδειξη στάθμης μπαταρίας με βάση το Arduino και ένα κύκλωμα παρακολούθησης πολλαπλής τάσης κυττάρων, μπορείτε επίσης να τα ελέγξετε αν σας ενδιαφέρει.

Σε αυτό το έργο, θα σχεδιάσουμε και θα φτιάξουμε μια ένδειξη στάθμης μπαταρίας 12V με τη βοήθεια ενός τετραπλού συγκριτή που βασίζεται σε OPAMP IC LM324, ο οποίος μας επιτρέπει να χρησιμοποιήσουμε 4 συγκριτές με βάση OPAMP σε ένα μόνο τσιπ. Θα μετρήσουμε την τάση της μπαταρίας και θα τη συγκρίνουμε με την προκαθορισμένη τάση χρησιμοποιώντας το LM324 IC και θα οδηγήσουμε τις λυχνίες LED για να εμφανίσουν την έξοδο που λαμβάνουμε. Ας πηδήξουμε κατευθείαν, έτσι;

Απαιτούμενα στοιχεία

• LM324 Quad OPAMP IC
• 4 × φώτα LED (κόκκινο)
• Αντίσταση 1 × 2.5kΩ
• Αντίσταση 5 × 1kΩ
• 1 × 1,6kΩ Αντίσταση
• Αντίσταση 4 × 0,5kΩ
• Υποδοχή IC 14 ακίδων
• Ακροδέκτης βίδας PCB
• Πλάκα
• Σετ συγκόλλησης

LM324 Quad OPAMP IC

Το LM324 είναι ένα Quad op-amp IC ενσωματωμένο με τέσσερα op-amp που τροφοδοτούνται από ένα κοινό τροφοδοτικό. Το διαφορικό εύρος τάσης εισόδου μπορεί να είναι ίσο με αυτό της τάσης τροφοδοσίας. Η προεπιλεγμένη τάση μετατόπισης εισόδου είναι πολύ χαμηλή που έχει μέγεθος 2mV. Η θερμοκρασία λειτουργίας κυμαίνεται από 0˚C έως 70˚C στο περιβάλλον, ενώ η μέγιστη θερμοκρασία διασταύρωσης μπορεί να είναι έως 150˚C. Γενικά, οι op-amp μπορούν να εκτελέσουν μαθηματικές λειτουργίες και μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε διάφορες διαμορφώσεις όπως Ενισχυτής, ακόλουθος τάσης, συγκριτής κ.λπ. Έτσι, χρησιμοποιώντας τέσσερα OPAMP σε ένα μόνο IC, θα εξοικονομήσετε χώρο και πολυπλοκότητα του κυκλώματος. Μπορεί να τροφοδοτείται από ένα μόνο τροφοδοτικό σε ένα ευρύ φάσμα τάσης -3V έως 32V, το οποίο είναι περισσότερο από αρκετό για έλεγχο στάθμης μπαταρίας έως και 24V σε αυτό το κύκλωμα.

Διάγραμμα κυκλώματος για ένδειξη στάθμης μπαταρίας 12V

Το πλήρες κύκλωμα που χρησιμοποιείται στην ένδειξη μπαταρίας 12V βρίσκεται παρακάτω. Έχω χρησιμοποιήσει μια μπαταρία 9V για λόγους απεικόνισης στην παρακάτω εικόνα, αλλά την υποθέτω ως μπαταρία 12V.

Αν δεν σας αρέσουν τα γραφικά κυκλώματα, μπορείτε να ελέγξετε την παρακάτω εικόνα για τα σχήματα. Εδώ τα Vcc και Ground είναι οι ακροδέκτες που πρέπει να συνδέονται με μπαταρία 12V θετικά και αρνητικά αντίστοιχα.

Τώρα, ας προχωρήσουμε στην κατανόηση της λειτουργίας του κυκλώματος. Για λόγους απλότητας, μπορούμε να χωρίσουμε το κύκλωμα σε 2 διαφορετικά μέρη.

Ενότητα τάσεων αναφοράς:

Πρώτον, πρέπει να αποφασίσουμε ποια επίπεδα τάσης θέλουμε να μετρήσουμε στο κύκλωμα και μπορείτε να σχεδιάσετε ανάλογα το δυναμικό κύκλωμα διαιρέτη με βάση την αντίσταση. Σε αυτό το κύκλωμα, το D2 είναι μια Zener Diode αναφοράς που έχει βαθμολογία 5.1V 5W, οπότε θα ρυθμίσει την έξοδο σε 5.1V σε όλη της. Υπάρχουν 4 1k αντίσταση συνδεδεμένα σε σειρά σε σειρά με το GND, οπότε περίπου 1,25V πτώση θα είναι εκεί σε κάθε αντίσταση που θα χρησιμοποιήσουμε για να κάνουμε συγκρίσεις με την τάση της μπαταρίας. Οι τάσεις αναφοράς για σύγκριση είναι περίπου 5.1V, 3.75V, 2.5V και 1.25V.

Επίσης, υπάρχει ένα άλλο κύκλωμα διαχωριστή τάσης που θα χρησιμοποιήσουμε για να συγκρίνουμε τις τάσεις της μπαταρίας με τις τάσεις που δίνονται από το διαχωριστικό τάσης που είναι συνδεδεμένο στο Zener. Αυτός ο διαχωριστής τάσης είναι σημαντικός επειδή με τη διαμόρφωση της τιμής του, θα αποφασίσετε τα σημεία τάσης πέρα ​​από τα οποία θέλετε να ανάψετε τα αντίστοιχα LED. Σε αυτό το κύκλωμα, έχουμε επιλέξει 1.6k Resistor και 1.0k Resistor σε σειρά για να παρέχουμε διαχωριστικό συντελεστή 2,6.

Αν λοιπόν το ανώτατο όριο της μπαταρίας είναι 13,8V, τότε η αντίστοιχη τάση που δίνεται από τον πιθανό διαχωριστή θα είναι 13,8 / 2,6 = 5,3V που είναι μεγαλύτερη από 5,1V που δίνεται από την πρώτη τάση αναφοράς από τη δίοδο Zener, επομένως όλα τα LED θα είναι αναμμένο εάν η τάση της μπαταρίας είναι 12,5V, δηλαδή ούτε πλήρως φορτισμένη ούτε πλήρως αποφορτισμένη, τότε η αντίστοιχη τάση θα είναι 12,5 / 2,6 = 4,8V που σημαίνει ότι είναι μικρότερη από 5,1V, αλλά μεγαλύτερη από τις άλλες τρεις τάσεις αναφοράς, οπότε τρία LED θα ανάβει και δεν θα το κάνει. Έτσι, με αυτόν τον τρόπο, μπορούμε να προσδιορίσουμε τα εύρη τάσης για το φωτισμό ενός μεμονωμένου LED.

Ενότητα συγκριτή και LED:

Σε αυτό το τμήμα του κυκλώματος, απλώς οδηγούμε τα Διαφορετικά LED για διαφορετικά επίπεδα τάσης. Δεδομένου ότι το IC LM324 είναι ένα συγκριτικό που βασίζεται σε OPAMP, οπότε όποτε το μη αναστρέψιμο τερματικό ενός συγκεκριμένου OPAMP έχει υψηλότερο δυναμικό από το τερματικό αντιστροφής, η έξοδος OPAMP θα τραβηχτεί ψηλά στο επίπεδο τάσης VCC περίπου που είναι η τάση της μπαταρίας στην περίπτωσή μας. Εδώ το LED δεν θα ανάψει επειδή οι τάσεις τόσο στην Ανώτα όσο και στην Καθοδο της LED είναι ίσες, έτσι δεν θα ρέει ρεύμα. Εάν η τάση του τερματικού αναστροφής είναι υψηλότερη από αυτή του τερματικού που δεν αναστρέφει, τότε η έξοδος του OPAMP θα τραβηχτεί προς τα κάτω στο επίπεδο GND, επομένως η λυχνία LED θα ανάψει επειδή έχει πιθανή διαφορά μεταξύ των ακροδεκτών του.

Στο κύκλωμα μας, συνδέσαμε τον μη αναστρέψιμο ακροδέκτη κάθε OPAMP με την αντίσταση 1kΩ του δυνητικού κυκλώματος διαχωριστή που είναι συνδεδεμένος κατά μήκος της μπαταρίας και οι ακροδέκτες αντιστροφής συνδέονται με τα διαφορετικά επίπεδα τάσης από τον δυνητικό διαχωριστή που είναι συνδεδεμένος στο Zener. Έτσι, κάθε φορά που η κατανεμημένη τάση της μπαταρίας είναι χαμηλότερη από την αντίστοιχη τάση αναφοράς αυτού του OPAMP, η έξοδος θα τραβηχτεί ψηλά και το LED δεν θα ανάψει όπως εξηγήθηκε προηγουμένως.

Προκλήσεις και βελτιώσεις:

Είναι μια μάλλον ακατέργαστη και βασική μέθοδος προσέγγισης της τάσης της μπαταρίας και μπορείτε να την τροποποιήσετε περαιτέρω για να διαβάσετε ένα εύρος τάσης στην επιλογή σας, προσθέτοντας μια πρόσθετη αντίσταση σε σειρά με το δυνητικό διαχωριστικό συνδεδεμένο στη δίοδο 5.1V Zener Με αυτόν τον τρόπο, μπορείτε να αποκτήσετε μεγαλύτερη ακρίβεια σε μικρότερο εύρος, ώστε να μπορείτε να εντοπίσετε περισσότερα επίπεδα τάσης σε μικρότερο εύρος για εφαρμογές πραγματικού κόσμου, όπως για μπαταρία μολύβδου-οξέος.

Μπορείτε επίσης να συνδέσετε διαφορετικά χρωματιστά LED για διαφορετικά επίπεδα τάσης και αν θέλετε ένα ραβδόγραμμα. Έχω χρησιμοποιήσει μόνο ένα μόνο LM324 σε αυτό το κύκλωμα για να το κρατήσω απλό, μπορείτε να χρησιμοποιήσετε τον αριθμό IC συγκριτών και με αντιστάσεις n, σε σειρά με τη δίοδο τάσης αναφοράς Zener, μπορείτε να έχετε όσες τάσεις αναφοράς να συγκρίνετε με όσο θέλετε που θα αυξήσει περαιτέρω την ακρίβεια του δείκτη σας.

Δημιουργία και έλεγχος του δείκτη στάθμης μπαταρίας 12V

Τώρα που τελειώσαμε να σχεδιάζουμε το κύκλωμα, πρέπει να το κατασκευάσουμε στον πίνακα. Εάν θέλετε, μπορείτε επίσης να το δοκιμάσετε πρώτα σε ένα breadboard για να δείτε ότι λειτουργεί και να διορθώσετε τα λάθη που μπορεί να δείτε στο κύκλωμα. Εάν θέλετε να αποθηκεύσετε την ταλαιπωρία της συγκόλλησης όλων των συστατικών μαζί, μπορείτε επίσης να σχεδιάσετε το δικό σας PCB σε AutoCAD Eagle, EasyEDA ή Proteus ARES ή σε οποιοδήποτε άλλο λογισμικό σχεδίασης PCB που σας αρέσει.

Καθώς το LM324 μπορεί να λειτουργήσει σε ένα ευρύ φάσμα τροφοδοσίας που κυμαίνεται από -3V έως 32V, δεν χρειάζεται να ανησυχείτε για την παροχή ξεχωριστής τροφοδοσίας στο IC LM324, οπότε έχουμε χρησιμοποιήσει μόνο ένα ζευγάρι τερματικών βιδών PCB που θα είναι συνδέεται απευθείας με τους ακροδέκτες της μπαταρίας και τροφοδοτεί ολόκληρο το PCB. Μπορείτε να ελέγξετε για επίπεδα τάσης από Min 5.5V έως 15V το μέγιστο χρησιμοποιώντας αυτό το κύκλωμα. Συνιστώ ανεπιφύλακτα να προσθέσετε μια άλλη αντίσταση σε σειρά στο δυνητικό διαχωριστικό στο Zener και να μειώσετε το εύρος τάσης κάθε LED.

Εάν θέλετε να αυξήσετε το εύρος δοκιμής τάσης από 12V σε 24V, καθώς το LM324 μπορεί να δοκιμάσει έως και μπαταρία 24V, απλώς πρέπει να αλλάξετε τον παράγοντα διαχωρισμού τάσης του διαχωριστή τάσης που είναι συνδεδεμένος σε όλη την μπαταρία για να τους συγκρίνετε με τα επίπεδα τάσης που δίνονται από το κύκλωμα αναφοράς Zener και επίσης, διπλασιάστε τις αντιστάσεις που συνδέονται με τις λυχνίες LED για να το προστατεύσετε από την υψηλή ροή ρεύματος που διασχίζει.

Η πλήρης εργασία αυτού του σεμιναρίου μπορεί επίσης να βρεθεί στο παρακάτω βίντεο. Ελπίζω να απολαύσατε το σεμινάριο και να μάθετε κάτι χρήσιμο αν έχετε απορίες, αφήστε το στην ενότητα σχολίων ή μπορείτε να χρησιμοποιήσετε τα φόρουμ μας για άλλες τεχνικές ερωτήσεις.