Semplice indicatore del livello della batteria utilizzando op

Nel mondo moderno, utilizziamo batterie in quasi tutti i gadget elettronici dal tuo telefono cellulare portatile, termometro digitale, smartwatch a veicoli elettrici, aeroplani, satelliti e persino rover robotici utilizzati su Marte la cui batteria è durata circa 700 sol (giorni marziani). È sicuro dire che senza l'invenzione di questi dispositivi di memorizzazione elettrochimici noti anche come batterie, il mondo come lo conosciamo non esisterebbe. Esistono molti tipi diversi di batterie come piombo-acido, Ni-Cd, ioni di litio, ecc. Con l'avvento della tecnologia, stiamo assistendo a nuove batterie inventate come batterie Li-air, batterie al litio a stato solido, ecc. capacità di accumulo di energia e intervallo di temperatura di esercizio elevato. Abbiamo già discusso di più sulle batterie e su come funzionano nei nostri articoli precedenti. In questo articolo impareremo come progettare un semplice file Indicatore del livello di carica della batteria da 12V utilizzando Op-Amp.

Sebbene il livello della batteria sia un termine ambiguo, perché non possiamo realmente misurare la carica rimasta nella batteria a meno che non impieghiamo calcoli e misurazioni complessi utilizzando un sistema di gestione della batteria. Ma in applicazioni semplici, non possiamo permetterci il lusso di questo metodo, quindi di solito utilizziamo un semplice metodo di stima del livello della batteria basato sulla tensione a circuito aperto che funziona molto bene per le batterie al piombo acido da 12 V poiché la loro curva di scarica è quasi lineare da 13,8 V a 10,1 V, che di solito sono considerati i suoi limiti estremi superiore e inferiore. In precedenza abbiamo anche costruito un indicatore del livello della batteria basato su Arduino e un circuito di monitoraggio della tensione a celle multiple, puoi anche verificarli se sei interessato.

In questo progetto, progetteremo e costruiremo un indicatore del livello della batteria da 12V con l'aiuto di un quadruplo comparatore basato su OPAMP IC LM324 che ci consente di utilizzare 4 comparatori basati su OPAMP su un singolo chip. Misureremo la tensione della batteria e la confronteremo con la tensione prespecificata utilizzando l'IC LM324 e guideremo i LED per visualizzare l'uscita che otteniamo. Facciamo un salto dentro, va bene?

Componenti richiesti

• LM324 Quad OPAMP IC
• 4 × luci LED (rosse)
• 1 × 2.5kΩ Resistore
• Resistenza 5 × 1kΩ
• Resistore 1 × 1,6 kΩ
• Resistore 4 × 0,5 kΩ
• Porta IC a 14 pin
• Terminale a vite per PCB
• Perfboard
• Kit di saldatura

LM324 Quad OPAMP IC

LM324 è un CI Quad op-amp integrato con quattro amplificatori operazionali alimentati da un alimentatore comune. L'intervallo della tensione di ingresso differenziale può essere uguale a quello della tensione di alimentazione. La tensione di offset di ingresso predefinita è molto bassa che è di 2 mV. La temperatura di esercizio varia da 0 ° C a 70 ° C a temperatura ambiente, mentre la temperatura massima di giunzione può arrivare fino a 150 ° C. In generale, gli amplificatori operazionali possono eseguire operazioni matematiche e possono essere utilizzati in varie configurazioni come amplificatore, inseguitore di tensione, comparatore, ecc. Quindi, impiegando quattro OPAMP in un singolo IC, risparmierai spazio e complessità del circuito. Può essere alimentato da un singolo alimentatore su un ampio intervallo di tensione da -3 V a 32 V, che è più che sufficiente per testare il livello della batteria fino a 24 V su questo circuito.

Schema del circuito per l'indicatore del livello della batteria 12V

Di seguito è riportato il circuito completo utilizzato nell'indicatore della batteria da 12V. Ho usato una batteria da 9 V a scopo illustrativo nell'immagine qui sotto, ma assumila come una batteria da 12V.

Se non ti piacciono i circuiti grafici, puoi controllare l'immagine qui sotto per gli schemi. Qui Vcc e Ground sono i terminali che devono essere collegati rispettivamente al positivo e al negativo della batteria 12V.

Procediamo ora con la comprensione del funzionamento del circuito. Per semplicità, possiamo dividere il circuito in 2 parti diverse.

Sezione tensioni di riferimento:

Innanzitutto, dobbiamo decidere quali livelli di tensione vogliamo misurare nel circuito e puoi progettare il tuo circuito divisore di potenziale basato su resistore di conseguenza. In questo circuito, D2 è un diodo Zener di riferimento con una potenza nominale di 5,1 V 5 W, quindi regolerà l'uscita a 5,1 V attraverso di esso. Ci sono 4 resistenze da 1k collegate in serie al GND, quindi una caduta di circa 1,25 V sarà presente su ogni resistenza che useremo per fare confronti con la tensione della batteria. Le tensioni di riferimento per il confronto sono circa 5,1 V, 3,75 V, 2,5 V e 1,25 V.

Inoltre, c'è un altro circuito divisore di tensione che useremo per confrontare le tensioni della batteria con le tensioni fornite dal partitore di tensione collegato a Zener. Questo partitore di tensione è importante perché configurandone il valore si decideranno i punti di tensione oltre i quali si desidera accendere i LED corrispondenti. In questo circuito, abbiamo scelto un resistore da 1.6k e un resistore da 1.0k in serie per fornire un fattore di divisione di 2.6.

Quindi se il limite superiore della batteria è 13,8 V, la tensione corrispondente data dal potenziale divisore sarà 13,8 / 2,6 = 5,3 V che è più di 5,1 V data dalla prima tensione di riferimento dal diodo Zener, quindi tutti i LED saranno acceso se la tensione della batteria è 12,5 V, ovvero né completamente carica né completamente scarica, la tensione corrispondente sarà 12,5 / 2,6 = 4,8 V, il che significa che è inferiore a 5,1 V ma maggiore delle altre tre tensioni di riferimento, quindi tre LED lo faranno si accendono e uno no. Quindi, in questo modo, possiamo determinare gli intervalli di tensione per accendere un singolo LED.

Comparatore e sezione LED:

In questa parte del circuito, stiamo solo pilotando i diversi LED per diversi livelli di tensione. Poiché IC LM324 è un comparatore basato su OPAMP, quindi ogni volta che il terminale non invertente di un particolare OPAMP è a un potenziale più alto del terminale invertente, l'uscita OPAMP verrà portata al livello di tensione approssimativamente VCC che è la tensione della batteria nel nostro caso. Qui il LED non si accende perché le tensioni sia all'anodo che al catodo del LED sono uguali, quindi non fluirà corrente. Se la tensione del terminale invertente è superiore a quella del terminale non invertente, l'uscita dell'OPAMP verrà ridotta al livello GND, quindi il LED si accenderà perché ha una differenza di potenziale tra i suoi terminali.

Nel nostro circuito, abbiamo collegato il terminale non invertente di ciascun OPAMP al resistore da 1kΩ del circuito del divisore di potenziale collegato attraverso la batteria, e i terminali di inversione sono collegati ai diversi livelli di tensione dal divisore di potenziale collegato attraverso lo Zener. Quindi, ogni volta che la tensione ripartita della batteria è inferiore alla tensione di riferimento corrispondente di quell'OPAMP, l'uscita sarà elevata e il LED non si accenderà come spiegato in precedenza.

Sfide e miglioramenti:

È un metodo piuttosto rozzo e di base per approssimare la tensione della batteria e puoi modificarlo ulteriormente per leggere un intervallo di tensione a tua scelta aggiungendo un resistore aggiuntivo in serie con il divisore di potenziale collegato attraverso il diodo Zener da 5,1 V, in questo modo, è possibile ottenere una maggiore precisione su una gamma più piccola in modo da poter identificare più livelli di tensione su una gamma più piccola per applicazioni del mondo reale come per una batteria al piombo.

Puoi anche interfacciare diversi LED colorati per diversi livelli di tensione e se vuoi un grafico a barre. Ho usato solo un singolo LM324 in questo circuito per mantenerlo semplice, puoi usare n numero di IC comparatori e con n resistori, in serie con il diodo Zener della tensione di riferimento, puoi avere tutte le tensioni di riferimento con cui confrontare come desideri che aumenterà ulteriormente la precisione del tuo indicatore.

Costruire e testare il nostro indicatore del livello della batteria 12V

Ora che abbiamo finito di progettare il circuito, dobbiamo fabbricarlo sulla scheda perf. Se vuoi, puoi anche testarlo prima su una breadboard per vederne il funzionamento ed eseguire il debug degli errori che potresti vedere nel circuito. Se vuoi risparmiare il fastidio di saldare tutti i componenti insieme, puoi anche progettare il tuo PCB su AutoCAD Eagle, EasyEDA o Proteus ARES o qualsiasi altro software di PCB Designing che ti piace.

Poiché l'LM324 può funzionare su un'ampia gamma di alimentatori che vanno da -3V a 32V, non devi preoccuparti di fornire un'alimentazione separata all'IC LM324, quindi abbiamo utilizzato solo una coppia di terminali a vite per PCB che saranno collegato direttamente ai terminali della batteria e alimentare l'intero PCB. È possibile verificare i livelli di tensione da un minimo di 5,5 V a un massimo di 15 V utilizzando questo circuito. Consiglio vivamente di aggiungere un altro resistore in serie nel divisore di potenziale attraverso lo Zener e diminuire la gamma di tensione di ciascun LED.

Se si desidera aumentare la gamma di test della tensione da 12V a 24V poiché l'LM324 è in grado di testare la batteria fino a 24V, è sufficiente modificare il fattore di divisione della tensione del partitore di tensione collegato alla batteria per renderlo paragonabile ai livelli di tensione forniti dal circuito di riferimento Zener e inoltre, raddoppiare le Resistenze collegate ai LED per proteggerlo dall'elevato flusso di corrente che li attraversa.

Il funzionamento completo di questo tutorial si trova anche nel video linkato di seguito. Spero che il tutorial ti sia piaciuto e hai imparato qualcosa di utile se hai domande, lasciale nella sezione commenti o puoi usare i nostri forum per altre domande tecniche.