Indicador senzill de nivell de bateria amb op

Al món modern, fem servir bateries a gairebé tots els aparells electrònics des del telèfon mòbil de mà, el termòmetre digital, el rellotge intel·ligent fins als vehicles elèctrics, els avions, els satèl·lits i fins i tot els Robots Rovers que s’utilitzen a Mart, la bateria dels quals va durar uns 700 sols (dies marcians). És segur dir-ho sense la invenció d’aquests dispositius d’emmagatzematge electroquímics, també coneguts com a Bateries, que el món, tal com sabem, no existiria. Hi ha molts tipus diferents de bateries, com ara plom-àcid, Ni-Cd, ions de liti, etc. Amb l’aparició de la tecnologia, estem veient noves bateries inventades com les bateries de Li-aire, les bateries de liti d’estat sòlid, etc. capacitat d’emmagatzematge d’energia i alt rang de temperatura de funcionament. Ja hem comentat més sobre les bateries i el seu funcionament en els nostres articles anteriors. En aquest article, aprendrem a dissenyar un senzill Indicador de nivell de càrrega de la bateria de 12V mitjançant Op-Amp.

Tot i que el nivell de bateria és un terme ambigu perquè no podem mesurar la càrrega que queda a la bateria si no fem servir càlculs i mesures complexes mitjançant un sistema de gestió de bateries. Però en aplicacions simples, no tenim el luxe d’aquest mètode, de manera que normalment fem servir un mètode senzill d’estimació del nivell de bateria basat en la tensió en circuit obert que funciona molt bé per a les bateries de plom àcid de 12 V, ja que la seva corba de descàrrega és gairebé lineal de 13,8 V a 10,1 V, que se solen considerar els seus límits extrems superior i inferior. Anteriorment, també hem creat un indicador de nivell de bateria basat en Arduino i un circuit de control de tensió de cèl·lules múltiples, també podeu consultar-los si us interessa.

En aquest projecte, dissenyarem i construirem un indicador de nivell de bateria de 12V amb l'ajut d'un comparador quad basat en OPAMP IC LM324 que ens permetrà utilitzar 4 comparadors basats en OPAMP en un sol xip. Mesurarem la tensió de la bateria i la compararem amb la tensió preespecificada mitjançant l'IC LM324 i conduirem els LEDs per mostrar la sortida que obtindrem. Saltem-hi directament, oi?

Components necessaris

• IC OPAMP LM324 Quad
• 4 × llums LED (vermell)
• Resistència 1 × 2,5 kΩ
• Resistència 5 × 1kΩ
• Resistència 1 × 1,6 kΩ
• Resistència 4 × 0,5 kΩ
• Suport IC de 14 pins
• Terminal de cargol de PCB
• Perfboard
• Kit de soldadura

IC OPAMP LM324 Quad

LM324 és un CI d'ampli operatiu quad integrat amb quatre amplificadors operatius alimentat per una font d'alimentació comuna. El rang de tensió d’entrada diferencial pot ser igual al de la tensió d’alimentació. El voltatge de desplaçament d’entrada per defecte és molt baix, que és de magnitud 2 mV. La temperatura de funcionament oscil·la entre 0˚C i 70˚C a l’ambient, mentre que la temperatura màxima d’unió pot ser de fins a 150˚C. Generalment, els amplificadors opcionals poden realitzar operacions matemàtiques i es poden utilitzar en diverses configuracions com ara amplificador, seguidor de tensió, comparador, etc. Es pot alimentar amb una única font d'alimentació en un ampli rang de voltatge de -3V a 32V, que és més que suficient per provar fins a 24V de nivell de bateria en aquest circuit.

Diagrama de circuits per a l’indicador de nivell de bateria de 12V

El circuit complet utilitzat a l’ indicador de bateria de 12V es pot trobar a continuació. He utilitzat una bateria de 9V per il·lustrar a la imatge següent, però suposo que és una bateria de 12V.

Si no us agraden els circuits gràfics, podeu consultar els esquemes de la imatge següent. Aquí Vcc i Ground són els terminals que s'han de connectar a una bateria de 12V positiva i negativa respectivament.

Ara, anem a comprendre el funcionament del circuit. Per simplificar, podem dividir el circuit en 2 parts diferents.

Secció de Voltatges de Referència:

En primer lloc, hem de decidir quins nivells de voltatge volem mesurar al circuit i podeu dissenyar el circuit divisor de potencial basat en la resistència en conseqüència. En aquest circuit, D2 és un díode Zener de referència que té una qualificació de 5,1 V 5 W, de manera que regularà la sortida a 5,1 V a través d’ell. Hi ha 4 resistències de 1 k connectades en sèrie al GND, de manera que hi haurà una caiguda d’1,25 V aproximadament a cada resistència que utilitzarem per fer comparacions amb el voltatge de la bateria. Les tensions de referència per a la comparació són aproximadament de 5,1 V, 3,75 V, 2,5 V i 1,25 V.

A més, hi ha un altre circuit divisor de tensió que utilitzarem per comparar les tensions de la bateria amb les tensions donades pel divisor de tensió connectat a través de Zener. Aquest divisor de tensió és important, ja que configurant-ne el valor, decidireu els punts de tensió més enllà dels quals voleu il·luminar els LED corresponents. En aquest circuit, hem triat 1.6k Resistor i 1.0k Resistor en sèrie per proporcionar un factor de divisió de 2.6.

Per tant, si el límit superior de la bateria és de 13,8 V, el voltatge corresponent donat pel divisor de potencial serà de 13,8 / 2,6 = 5,3 V, que és superior a 5,1 V donat pel primer voltatge de referència del díode Zener, per tant, tots els LED seran encès si el voltatge de la bateria és de 12,5 V, és a dir, no està completament carregat ni completament descarregat, el voltatge corresponent serà de 12,5 / 2,6 = 4,8 V, cosa que significa que és inferior a 5,1 V però superior a les altres tres tensions de referència, de manera que es faran tres LEDs. il·lumina i un no. Així, d’aquesta manera, podem determinar els rangs de tensió per il·luminar un LED individual.

Comparador i secció LED:

En aquesta part del circuit, només estem conduint els diferents LED per a diferents nivells de tensió. Com que IC LM324 és un comparador basat en OPAMP, per tant, sempre que el terminal no inversor d’un determinat OPAMP tingui un potencial superior al terminal inversor, la sortida OPAMP s’elevarà fins al nivell de voltatge aproximat VCC que és el voltatge de la bateria en el nostre cas. Aquí el LED no s’encendrà perquè les tensions tant de l’ànode com del càtode del LED són iguals, de manera que no fluiria cap corrent. Si la tensió del terminal inversor és superior a la del terminal que no inverteix, la sortida de l'OPAMP es reduirà al nivell GND, per tant el LED s'encendrà perquè té una diferència de potencial entre els seus terminals.

Al nostre circuit, hem connectat el terminal no inversor de cada OPAMP a la resistència de 1 kΩ del circuit divisor de potencial connectat a la bateria i els terminals inversors estan connectats als diferents nivells de tensió del divisor de potencial connectat a través del Zener. Per tant, sempre que el voltatge proporcionat de la bateria sigui inferior al voltatge de referència corresponent de l’OPAMP, la sortida s’alçarà i el LED no s’encendrà com s’ha explicat anteriorment.

Reptes i millores:

És un mètode bastant cru i bàsic per aproximar la tensió de la bateria i podeu modificar-la per llegir un rang de la tensió que vulgueu afegint una resistència addicional en sèrie amb el divisor de potencial connectat al díode Zener de 5,1 V, d’aquesta manera, podeu obtenir més precisió en un rang més reduït de manera que pugueu identificar més nivells de voltatge en un rang més reduït per a aplicacions del món real, com per a una bateria de plom-àcid.

També podeu connectar diferents LEDs de colors per a diferents nivells de tensió i si voleu un gràfic de barres. Només he utilitzat un sol LM324 en aquest circuit per simplificar-lo, podeu utilitzar n nombre de circuits integrats de comparador i amb n resistències, en sèrie amb el díode Zener de tensió de referència, podeu tenir tantes tensions de referència com comparar amb les que vulgueu cosa que augmentarà encara més la precisió del vostre indicador.

Construint i provant el nostre indicador de nivell de bateria de 12V

Ara que hem acabat de dissenyar el circuit, hem de fabricar-lo al tauler de perf. Si voleu, també podeu provar-ho primer en un tauler per veure el seu funcionament i depurar els errors que pugueu veure al circuit. Si voleu estalviar la molèstia de soldar tots els components junts, també podeu dissenyar el vostre propi PCB a AutoCAD Eagle, EasyEDA o Proteus ARES o qualsevol altre programari de disseny de PCB que vulgueu.

Com que el LM324 pot funcionar en una àmplia gamma d’alimentació que va des de -3V fins a 32V, no us heu de preocupar de proporcionar cap font d’alimentació separada a l’IC LM324, de manera que només hem utilitzat un parell de terminals de cargol PCB que seran connectat directament als terminals de la bateria i alimenta tota la placa. Podeu comprovar si hi ha nivells de tensió des de 5,5 V mínim fins a un màxim de 15 V mitjançant aquest circuit. Us recomano afegir una altra resistència en sèrie al divisor de potencial a través del Zener i reduir el rang de tensió de cada LED.

Si voleu augmentar el rang de proves de tensió de 12V a 24V, ja que el LM324 és capaç de provar bateries de fins a 24V, només heu de canviar el factor de divisió de tensió del divisor de tensió connectat a la bateria per fer-los comparables als nivells de tensió donats. pel circuit de referència Zener i, a més, doblar les resistències connectades amb els LED per protegir-lo contra el flux de corrent elevat que els travessa.

El funcionament complet d’aquest tutorial també es pot trobar al vídeo enllaçat a continuació. Espero que hagueu gaudit del tutorial i hàgiu après alguna cosa útil si teniu cap pregunta, deixeu-los a la secció de comentaris o podeu utilitzar els nostres fòrums per a altres qüestions tècniques.