Enkel batterinivåindikator med op

I den moderna världen använder vi batterier i nästan alla elektroniska apparater från din handhållna mobiltelefon, digital termometer, smartwatch till elfordon, flygplan, satelliter och till och med Robotic Rovers som används på Mars vars batteri varade runt 700 soler (marsdagar). Det är säkert att säga utan uppfinningen av dessa elektrokemiska lagringsenheter aka Batterier, världen som vi känner den inte skulle existera. Det finns många olika typer av batterier som blysyra, Ni-Cd, litiumjon etc. Med teknikens tillkomst ser vi nya batterier uppfunnna som Li-air-batterier, solid state-litiumbatterier etc. som har högre energilagringskapacitet och högt driftstemperaturområde. Vi har redan diskuterat mer om batterier och hur de fungerar i våra tidigare artiklar. I den här artikeln kommer vi att lära oss hur man utformar en enkel12V batteriladdningsnivåindikator med Op-Amp.

Även om batterinivån är en tvetydig term eftersom vi inte riktigt kan mäta laddningen kvar i batteriet om vi inte använder komplexa beräkningar och mätningar med ett batterihanteringssystem. Men i enkla applikationer har vi inte lyxen med den här metoden, så vi använder vanligtvis en enkel öppen kretsspänningsbaserad batterinivåuppskattningsmetod som fungerar riktigt bra för blysyra 12V-batterier eftersom deras urladdningskurva är nästan linjär från 13,8V till 10,1V, som vanligtvis anses vara dess övre och nedre extrema gränser. Tidigare har vi också byggt en Arduino-baserad batterinivåindikator och en övervakningskrets för flera celler, du kan också kolla in dem om du är intresserad.

I det här projektet kommer vi att utforma och bygga en 12V batterinivåindikator med hjälp av en fyrkomparator OPAMP-baserad IC LM324 som låter oss använda 4 OPAMP-baserade komparatorer på ett enda chip. Vi kommer att mäta batteriets spänning och jämföra den med den förutbestämda spänningen med hjälp av LM324 IC och köra lysdioderna för att visa den utgång vi får. Låt oss hoppa direkt in i det, ska vi?

Komponenter krävs

• LM324 Quad OPAMP IC
• 4 × LED-lampor (röda)
• 1 × 2,5 kΩ motstånd
• 5 × 1kΩ motstånd
• 1 × 1,6 kΩ motstånd
• 4 × 0,5 kΩ motstånd
• 14-stifts IC-hållare
• PCB-skruvterminal
• Perfboard
• Lödkit

LM324 Quad OPAMP IC

LM324 är en Quad op-amp IC integrerad med fyra op-förstärkare som drivs av en gemensam strömförsörjning. Det differentiella ingångsspänningsområdet kan vara lika med det för matningsspänningen. Standardinmatningsförskjutningsspänningen är mycket låg, vilken är av storlek 2mV. Arbetstemperaturen varierar från 0 ° C till 70 ° C vid omgivning medan den maximala övergångstemperaturen kan vara upp till 150 ° C. Generellt kan op-förstärkare utföra matematiska operationer och kan användas i olika konfigurationer som förstärkare, spänningsföljare, komparator etc. Så, genom att använda fyra OPAMP: er i en enda IC, kommer du att spara utrymme och komplexitet i kretsen. Den kan drivas av en enda strömförsörjning över ett brett spänningsområde på -3V till 32V vilket är mer än tillräckligt för upp till 24V batterinivåprovning på denna krets.

Kretsschema för 12V batterinivåindikator

Den kompletta kretsen som används i 12V batteriindikatorn finns nedan. Jag har använt ett 9V-batteri för illustration i bilden nedan, men antar att det är ett 12V-batteri.

Om du inte gillar grafiska kretsar kan du kontrollera schemat i bilden nedan. Här är Vcc och Ground de terminaler som måste anslutas till 12V batteri positivt respektive negativt.

Låt oss nu fortsätta med att förstå kretsens funktion. För enkelhets skull kan vi dela kretsen i två olika delar.

Avsnitt för referensspänningar:

Först måste vi bestämma vilka spänningsnivåer vi vill mäta i kretsen, och du kan utforma din motståndsbaserade potentialdelarkrets därefter. I den här kretsen är D2 en referens Zener-diod som är klassad 5,1V 5W så att den reglerar utgången till 5,1V över den. Det finns 4 1k motstånd anslutet över det i serie till GND så att cirka 1,25 V fall kommer att finnas där över varje motstånd som vi kommer att använda för att göra jämförelser med batterispänningen. Referensspänningarna för jämförelse är ungefär 5,1V, 3,75V, 2,5V och 1,25V.

Det finns också en annan spänningsdelarkrets som vi använder för att jämföra batterispänningarna med de spänningar som ges av spänningsdelaren som är ansluten över Zener. Denna spänningsdelare är viktig eftersom du genom att konfigurera dess värde bestämmer spänningspunkterna utöver vilka du vill tända motsvarande lysdioder. I denna krets har vi valt 1,6k motstånd och 1,0k motstånd i serie för att ge en delningsfaktor på 2,6.

Så om den övre gränsen för batteriet är 13,8V, kommer motsvarande spänning som ges av den potentiella avdelaren att vara 13,8 / 2,6 = 5,3V vilket är mer än 5,1V som ges av den första referensspänningen från Zener-dioden, så alla lysdioder kommer att vara tänd om batteriets spänning är 12,5V, dvs. varken fulladdat eller helt urladdat, då blir motsvarande spänning 12,5 / 2,6 = 4,8V vilket betyder att den är mindre än 5,1V men större än de andra tre referensspänningarna så tre lysdioder lyser tänds och en kommer inte. Så på detta sätt kan vi bestämma spänningsområdena för att tända en enskild lysdiod.

Komparator och LED-avsnitt:

I den här delen av kretsen kör vi bara olika lysdioder för olika spänningsnivåer. Eftersom IC LM324 är en OPAMP-baserad komparator, så när den icke-inverterande terminalen för en viss OPAMP har en högre potential än den inverterande terminalen kommer OPAMP-utgången att dras högt till ungefär VCC-spänningsnivån som är batterispänningen i vårt fall. Här tänds inte lysdioden eftersom spänningarna vid både anoden och katoden på lysdioden är lika så ingen ström skulle strömma. Om den inverterande terminalens spänning är högre än de icke-inverterande terminalerna, kommer utgången från OPAMP att dras ner till GND-nivån, varför lysdioden tänds eftersom den har en potentialskillnad över sina terminaler.

I vår krets har vi anslutit den icke-inverterande terminalen för varje OPAMP till 1kΩ-motståndet för potentialdelarkretsen som är ansluten över batteriet, och inverterande terminaler är anslutna till olika spänningsnivåer från potentialdelaren som är ansluten över Zener. Så närhelst batteriets fördelade spänning är lägre än motsvarande referensspänning för den OPAMPEN, kommer utgången att dras högt och lysdioden tänds inte som förklarats tidigare.

Utmaningar och förbättringar:

Det är en ganska grov och grundläggande metod för att approximera batteriets spänning och du kan ytterligare modifiera det för att läsa ett spänningsområde efter eget val genom att lägga till ett extra motstånd i serie med potentialdelaren ansluten över 5.1V Zener-dioden, på detta sätt kan du få mer noggrannhet i ett mindre intervall så att du kan identifiera fler spänningsnivåer över ett mindre intervall för verkliga applikationer som för ett blysyrabatteri.

Du kan också koppla ihop olika färgade lysdioder för olika spänningsnivåer och om du vill ha ett stapeldiagram. Jag har bara använt en enda LM324 i den här kretsen för att hålla det enkelt, du kan använda n antal Comparator IC och med n motstånd, i serie med referensspänningen Zener-diod, kan du ha så många referensspänningar att jämföra med som du vill vilket kommer att öka noggrannheten för din indikator.

Bygga och testa vår 12V batterinivåindikator

Nu när vi är färdiga med att utforma kretsen måste vi tillverka den på perf-kortet. Om du vill kan du också testa den på en bräda först för att se hur den fungerar och felsöka de misstag du kan se i kretsen. Om du vill spara besväret med att lödda alla komponenter tillsammans kan du också designa din egen PCB på AutoCAD Eagle, EasyEDA eller Proteus ARES eller någon annan PCB-designprogramvara du vill.

Eftersom LM324 kan arbeta på ett brett utbud av strömförsörjning från -3V till 32V, behöver du inte oroa dig för att tillhandahålla någon separat strömförsörjning till LM324 IC så vi har bara använt ett par PCB-skruvterminaler som kommer att direkt ansluten till batteripolerna och drar hela kretskortet. Du kan kontrollera spänningsnivåer från Min 5,5 V till högst 15 V med hjälp av denna krets. Jag rekommenderar starkt att du lägger till ytterligare ett motstånd i serie i potentialdelaren över Zener och minskar spänningsområdet för varje lysdiod.

Om du vill öka spänningstestningsområdet från 12V till 24V eftersom LM324 kan testa upp till 24V batteri, behöver du bara ändra spänningsdelningsfaktorn för den spänningsdelare som är ansluten över batteriet för att göra dem jämförbara med angivna spänningsnivåer av Zener-referenskretsen och dubbla motstånden som är anslutna till lysdioderna för att skydda den mot det höga strömflödet genom dem.

Hela arbetet med denna handledning finns också i videon som länkas nedan. Hoppas att du gillade handledningen och lärde dig något användbart om du har några frågor, lämna dem i kommentarsektionen eller så kan du använda våra forum för andra tekniska frågor.