Простий індикатор рівня заряду акумулятора за допомогою оп

У сучасному світі ми використовуємо акумулятори майже в кожному електронному гаджеті від портативного мобільного телефону, цифрового термометра, розумних годинників до електричних транспортних засобів, літаків, супутників і навіть роботизованих роверів, що використовуються на Марсі, акумулятор яких витримував близько 700 солей (марсіанські дні). Можна з упевненістю сказати, що без винаходу цих електрохімічних накопичувачів, також відомих як Батареї, світу, як ми знаємо, не існувало б. Існує багато різних типів акумуляторів, таких як свинцево-кислотні, Ni-Cd, літій-іонні та ін. З появою технологій ми бачимо нові батареї, винайдені як Li-air батареї, твердотільні літієві батареї тощо, які мають вищі ємність накопичення енергії та високий діапазон робочих температур. Ми вже обговорювали більше про батареї та їх роботу в наших попередніх статтях. У цій статті ми навчимося проектувати простий Індикатор рівня заряду акумулятора 12 В за допомогою Op-Amp.

Хоча рівень заряду акумулятора - двозначний термін, оскільки ми не можемо реально виміряти заряд, що залишився в акумуляторі, якщо ми не використовуємо складні розрахунки та вимірювання за допомогою системи управління батареєю. Але в простих додатках ми не маємо розкоші цього методу, тому зазвичай ми застосовуємо простий метод оцінки рівня заряду акумулятора на основі відкритої ланцюга, який дуже добре працює для свинцево-кислотних акумуляторів 12 В, оскільки їх крива розряду майже лінійна від 13,8 В до 10,1 В, які зазвичай вважають верхніми та нижніми крайніми межами. Раніше ми також створили індикатор рівня заряду акумулятора на базі Arduino та схему контролю кількох комірок напруги, ви також можете перевірити їх, якщо вам цікаво.

У цьому проекті ми розробимо та побудуємо індикатор рівня заряду акумулятора на 12 В за допомогою чотириканального компаратора на основі OPAMP IC LM324, який дозволяє нам використовувати 4 компаратори на основі OPAMP на одному мікросхемі. Ми виміряємо напругу акумулятора і порівняємо його із заданою напругою за допомогою мікросхеми LM324 та введемо світлодіоди, щоб відобразити отриманий результат. Давайте стрибнемо прямо в неї, чи не так?

Потрібні компоненти

• LM324 Quad OPAMP IC
• 4 × світлодіодні ліхтарі (червоний)
• Резистор 1 × 2,5 кОм
• Резистор 5 × 1 кОм
• Резистор 1 × 1,6 кОм
• Резистор 4 × 0,5 кОм
• 14-контактний тримач ІС
• Гвинтовий термінал друкованої плати
• Перфборд
• Набір для пайки

LM324 Quad OPAMP IC

LM324 - це мікросхема з чотирма операційними підсилювачами, інтегрована з чотирма операційними підсилювачами, що живляться від загального джерела живлення. Диференціальний діапазон вхідної напруги може дорівнювати діапазону напруги джерела живлення. Вхідна напруга зміщення за замовчуванням дуже низька, яка становить 2 мВ. Робоча температура коливається від 0˚C до 70˚C при навколишньому середовищі, тоді як максимальна температура спаю може становити до 150˚C. Як правило, операційні підсилювачі можуть виконувати математичні операції і можуть використовуватися в різних конфігураціях, таких як підсилювач, індикатор напруги, компаратор тощо. Отже, використовуючи чотири OPAMP в одній мікросхемі, ви заощадите простір і складність схеми. Він може живитися від одного джерела живлення в широкому діапазоні напруги від -3 В до 32 В, що більш ніж достатньо для тестування рівня заряду батареї до 24 В на цій схемі.

Принципова схема індикатора рівня заряду акумулятора 12 В

Повну схему, яка використовується в індикаторі акумулятора 12 В, можна знайти нижче. Я використовував акумулятор 9 В для ілюстрації на малюнку нижче, але припустимо, що це акумулятор 12 В.

Якщо вам не подобаються графічні схеми, ви можете перевірити наведене нижче зображення для схем. Тут Vcc і Ground - це клеми, які повинні бути підключені до позитивного і негативного акумулятора 12 В відповідно.

Тепер приступимо до розуміння роботи схеми. Для простоти ми можемо розділити схему на 2 різні частини.

Розділ опорних напруг:

По-перше, нам потрібно вирішити, які рівні напруги ми хочемо виміряти в ланцюзі, і ви можете відповідно розробити схему роздільника потенціалу на основі резистора. У цій схемі D2 є еталонним стабілітроном, який розрахований на 5,1 В 5 Вт, тому він регулює вихідну напругу до 5,1 В через нього. Через нього послідовно підключено 4 опору 1k до GND, тому приблизно на 1,25 В буде падіння на кожному резисторі, який ми будемо використовувати для порівняння з напругою акумулятора. Опорні напруги для порівняння складають приблизно 5,1 В, 3,75 В, 2,5 В та 1,25 В.

Крім того, існує інший ланцюг дільника напруги, який ми будемо використовувати для порівняння напруг акумулятора з напругами, заданими дільником напруги, підключеним на стабілітроні. Цей дільник напруги важливий, оскільки, налаштувавши його значення, ви вирішите точки напруги, за якими ви хочете запалити відповідні світлодіоди. У цій схемі ми вибрали резистор 1.6k та 1.0k резистор послідовно, щоб забезпечити коефіцієнт розділення 2.6.

Отже, якщо верхня межа батареї становить 13,8 В, тоді відповідна напруга, що подається дільником потенціалу, становитиме 13,8 / 2,6 = 5,3 В, що більше 5,1 В, заданого першою опорною напругою від стабілітрона, отже, всі світлодіоди будуть горить, якщо напруга акумулятора 12,5 В, тобто ні повністю заряджена, ні повністю розряджена, тоді відповідна напруга буде 12,5 / 2,6 = 4,8 В, що означає, що вона менше 5,1 В, але більша за інші три опорні напруги, тому три світлодіоди будуть засвітиться, а один ні. Отже, таким чином, ми можемо визначити діапазони напруги для освітлення окремого світлодіода.

Компаратор та світлодіодна секція:

У цій частині схеми ми просто керуємо різними світлодіодами для різних рівнів напруги. Оскільки IC LM324 є компаратором на основі OPAMP, тому, коли неінвертуючий термінал конкретного OPAMP має більший потенціал, ніж інвертуючий термінал, вихід OPAMP буде підтягнутий до рівня приблизно напруги VCC, що є напругою акумулятора в нашому випадку. Тут світлодіод не буде світитися, оскільки напруги на аноді та катоді світлодіода рівні, тому струм не тече. Якщо напруга інвертуючого терміналу вище, ніж у неінвертуючого терміналу, тоді вихід OPAMP буде витягнутий до рівня GND, отже світлодіод загориться, оскільки він має різницю потенціалів на своїх терміналах.

У нашій схемі ми підключили неінвертуючу клему кожного OPAMP до резистора 1 кОм ланцюга потенційного дільника, підключеного через акумулятор, а інвертуючі клеми підключені до різних рівнів напруги від дільника потенціалу, підключеного через стабілітрон. Отже, коли розподілена напруга акумулятора нижча за відповідну опорну напругу цього OPAMP, вихідний сигнал буде високим, а світлодіод не світиться, як пояснювалося раніше.

Проблеми та вдосконалення:

Це досить грубий і базовий метод апроксимації напруги акумулятора, і ви можете додатково змінити його, щоб прочитати діапазон напруги за вашим вибором, додавши додатковий резистор послідовно з дільником потенціалу, підключеним через діод стабілізатора 5.1 В, таким чином, ви можете отримати більшу точність на меншому діапазоні, щоб можна було визначити більше рівнів напруги в меншому діапазоні для реальних застосувань, таких як для свинцево-кислотних акумуляторів.

Ви також можете підключити різнокольорові світлодіоди для різних рівнів напруги та, якщо вам потрібна гістограма. У цій схемі я використовував лише один LM324, щоб зробити це простим. Ви можете використовувати n кількість мікросхем компаратора та з n резисторами, послідовно з діапазоном стабілітрона опорної напруги, ви можете мати стільки опорних напруг для порівняння, скільки хочете що ще більше збільшить точність вашого показника.

Створення та тестування нашого індикатора рівня заряду акумулятора на 12 В

Тепер, коли ми закінчили проектувати схему, нам потрібно виготовити її на платі перф. Якщо ви хочете, ви також можете спершу протестувати його на макетній панелі, щоб побачити, як він працює, і налагодити помилки, які ви можете побачити в схемі. Якщо ви хочете заощадити клопоти з пайкою всіх компонентів, ви можете також створити власну друковану плату на AutoCAD Eagle, EasyEDA або Proteus ARES або будь-якому іншому програмному забезпеченні для проектування друкованих плат, яке вам подобається.

Оскільки LM324 може працювати на широкому діапазоні джерел живлення в діапазоні від -3 В до 32 В, вам не доведеться турбуватися про надання окремого джерела живлення для мікросхеми LM324, тому ми використали лише одну пару гвинтових терміналів друкованої плати, які будуть безпосередньо підключений до клем акумулятора і живить всю друковану плату. Ви можете перевірити рівень напруги від мінімум 5,5 В до максимум 15 В, використовуючи цю схему. Я настійно рекомендую вам додати послідовно ще один резистор до дільника потенціалу на стабілітроні та зменшити діапазон напруги кожного світлодіода.

Якщо ви хочете збільшити діапазон випробовування напруги з 12 В до 24 В, оскільки LM324 здатний випробовувати акумулятор до 24 В, вам просто потрібно змінити коефіцієнт розділення напруги дільника напруги, підключеного до акумулятора, щоб зробити їх порівнянними із заданими рівнями напруги. за допомогою еталонної схеми стабілітрона, а також подвойте опори, підключені до світлодіодів, щоб захистити його від сильного струму, що проходить через них.

Повну роботу цього підручника також можна знайти у відеозаписі нижче. Сподіваємось, вам сподобався підручник і ви дізналися щось корисне, якщо у вас виникли запитання, залиште їх у розділі коментарів або ви можете використовувати наші форуми для інших технічних питань.