Jednostavan indikator razine napunjenosti baterije pomoću op

U modernom svijetu koristimo baterije u gotovo svakom elektroničkom uređaju od vašeg ručnog mobitela, digitalnog termometra, pametnog sata do električnih vozila, aviona, satelita, pa čak i robotskih rovera korištenih na Marsu čija je baterija trajala oko 700 sola (marsovskih dana). Sigurno je reći da bez izuma ovih elektrokemijskih uređaja za pohranu aka Baterije, svijet kakav poznajemo ne bi postojao. Postoji mnogo različitih vrsta baterija poput olovnih kiselina, Ni-Cd, litij-ionskih itd. Pojavom tehnologije vidimo da su nove baterije izumljene poput Li-air baterija, Litij-čvrstih baterija, itd. Koje imaju veće kapacitet skladištenja energije i raspon visokih radnih temperatura. O baterijama i načinu njihova rada već smo razgovarali u našim prethodnim člancima. U ovom ćemo članku naučiti kako dizajnirati jednostavan Indikator razine napunjenosti baterije od 12 V pomoću Op-pojačala.

Iako je razina baterije dvosmislen pojam, jer ne možemo stvarno izmjeriti napunjenost koja je ostala u bateriji ako ne upotrijebimo složene izračune i mjerenja pomoću sustava za upravljanje baterijom. Ali u jednostavnim aplikacijama nemamo luksuz ove metode pa obično koristimo jednostavnu metodu procjene razine baterija zasnovanu na naponu otvorenog kruga koja stvarno dobro radi za olovne 12V baterije jer je njihova krivulja pražnjenja gotovo linearna od 13,8 V do 10,1 V, koji se obično smatraju njezinom gornjom i donjom krajnjom granicom. Prije smo izradili i indikator razine baterije na bazi Arduina i krug za nadzor višenamjenskog napona, a možete ih i provjeriti ako ste zainteresirani.

U ovom ćemo projektu dizajnirati i izraditi indikator razine napunjenosti baterije od 12 V uz pomoć četverostruke usporednice na bazi OPAMP-a zasnovane IC LM324 koja nam omogućuje upotrebu 4 komparatora na bazi OPAMP-a na jednom čipu. Izmjerit ćemo napon baterije i usporediti ga s unaprijed specificiranim naponom pomoću LM324 IC i pokrenuti LED diode za prikaz izlaznog izlaza. Skočimo pravo u to, hoćemo li?

Komponente potrebne

• LM324 Četverostruki OPAMP IC
• 4 × LED svjetla (crvena)
• Otpornik 1 × 2,5kΩ
• Otpornik 5 × 1kΩ
• Otpornik 1 × 1,6kΩ
• Otpornik 4 × 0,5kΩ
• 14 držač IC s pinovima
• Vijčani priključak PCB-a
• Perfboard
• Komplet za lemljenje

LM324 Četverostruki OPAMP IC

LM324 je četverostruko optičko pojačalo integrirano s četiri op-pojačala koja se napajaju iz zajedničkog napajanja. Opseg diferencijalnog ulaznog napona može biti jednak rasponu napona napajanja. Zadani ulazni pomakni napon je vrlo nizak, veličine je 2mV. Radna temperatura kreće se od 0˚C do 70˚C u okolini, dok maksimalna temperatura spoja može biti do 150˚C. Općenito, op-pojačala mogu izvoditi matematičke operacije i mogu se koristiti u raznim konfiguracijama poput pojačala, sljednika napona, usporedbe itd. Dakle, zapošljavanjem četiri OPAMP-a u jednom IC-u uštedjet ćete prostor i složenost sklopa. Može se napajati jednim napajanjem u širokom rasponu napona od -3V do 32V, što je više nego dovoljno za ispitivanje razine baterije do 24V na ovom krugu.

Kružna shema za indikator razine baterije od 12 V

Kompletni krug korišten u indikatoru baterije od 12 V nalazi se u nastavku. U svrhu ilustracije na donjoj slici koristio sam 9V bateriju, ali pretpostavljam da je to 12V baterija.

Ako vam se ne sviđaju grafički sklopovi, sheme možete provjeriti na donjoj slici. Ovdje su Vcc i Ground terminali koji moraju biti povezani na 12V pozitivnu i negativnu bateriju.

Sada, nastavimo s razumijevanjem rada sklopa. Radi jednostavnosti krug možemo podijeliti na 2 različita dijela.

Odjeljak referentnih napona:

Prvo, moramo odlučiti koje razine napona želimo mjeriti u krugu, a vi prema tome možete dizajnirati svoj krug djelitelja potencijala na osnovi otpora. U ovom je krugu D2 referentna Zener dioda koja je nominirana 5.1V 5W, pa će regulirati izlaz na 5.1V preko nje. Preko njega su u seriju spojena 4 otpora 1k na GND, tako da će na svakom otporniku biti otprilike 1,25 V pad koji ćemo koristiti za usporedbu s naponom baterije. Referentni naponi za usporedbu su približno 5,1 V, 3,75 V, 2,5 V i 1,25 V.

Također, postoji još jedan krug djelitelja napona koji ćemo upotrijebiti za usporedbu napona baterije s naponima koje daje razdjelnik napona spojen preko Zenera. Ovaj razdjelnik napona važan je jer ćete konfiguriranjem njegove vrijednosti odrediti naponske točke iza kojih želite upaliti odgovarajuće LED diode. U ovom smo krugu odabrali serijski otpornik 1.6k i otpornik 1.0k da bismo dobili faktor podjele od 2.6.

Dakle, ako je gornja granica baterije 13,8 V, tada će odgovarajući napon koji daje razdjelnik potencijala biti 13,8 / 2,6 = 5,3 V, što je više od 5,1 V davano prvim referentnim naponom sa Zener diode, pa će sve LED diode biti svijetli ako je napon baterije 12,5 V, tj. niti potpuno napunjen niti potpuno ispražnjen, tada će odgovarajući napon biti 12,5 / 2,6 = 4,8 V, što znači da je manji od 5,1 V, ali veći od ostala tri referentna napona, pa će tri LED diode zasvijetli i jedan neće. Dakle, na ovaj način možemo odrediti raspone napona za osvjetljavanje pojedine LED diode.

Odjeljak za usporedbu i LED:

U ovom dijelu kruga upravo vozimo različite LED diode za različite razine napona. Budući da je IC LM324 komparator zasnovan na OPAMP-u, pa kad god je neinvertirajući terminal određenog OPAMP-a veći potencijal od invertirajućeg terminala, izlaz OPAMP-a povući će se visoko do približno VCC naponske razine, što je u našem slučaju napon baterije. Ovdje LED neće svijetliti, jer su naponi na anodi i katodi LED jednaki, tako da ne bi tekla struja. Ako je napon invertirajućih terminala veći od neinvertirajućeg terminala, tada će se izlaz OPAMP-a povući do razine GND, pa će LED svijetliti, jer ima potencijalnu razliku na svojim terminalima.

U našem smo krugu spojili neinvertirajući terminal svakog OPAMP-a s otpornikom od 1 kΩ potencijalnog djeliteljskog kruga spojenog preko baterije, a invertirajuće stezaljke spojene su na različite razine napona od potencijalnog djelitelja spojenog preko Zenera. Dakle, kad god je naponski napon baterije niži od odgovarajućeg referentnog napona tog OPAMP-a, izlaz će biti povučen visoko, a LED neće svijetliti kako je ranije objašnjeno.

Izazovi i poboljšanja:

To je prilično gruba i osnovna metoda približavanja napona baterije i možete je dalje modificirati tako da očitava raspon napona po vašem izboru dodavanjem dodatnog otpora u seriji s potencijalnim razdjelnikom spojenim na 5.1V Zener diodu, na taj način možete dobiti veću preciznost na manjem opsegu, tako da možete prepoznati više razina napona u manjem opsegu za stvarne aplikacije, poput olovnih baterija.

Također možete povezati LED boje različitih boja za različite razine napona i ako želite trakasti grafikon. U ovom sam krugu koristio samo jedan LM324 da bi to bilo jednostavnije, možete koristiti n broj komparatornih IC-a i s n otpornika, u seriji sa referentnim naponom Zener diode, možete imati onoliko referentnih napona za usporedbu koliko želite što će dodatno povećati točnost vašeg pokazatelja.

Izrada i testiranje našeg indikatora razine baterije od 12 V

Sad kad smo završili s dizajniranjem sklopa, moramo ga izraditi na perf ploči. Ako želite, možete ga prvo testirati na ploči da biste vidjeli kako radi i ispraviti pogreške koje biste mogli vidjeti u krugu. Ako želite uštedjeti gnjavažu s lemljenjem svih komponenata, također možete dizajnirati vlastiti PCB na AutoCAD Eagle, EasyEDA ili Proteus ARES ili bilo kojem drugom softveru za projektiranje PCB-a koji vam se sviđa.

Kako LM324 može raditi na širokom rasponu napajanja od -3V do 32V, ne morate se brinuti hoćete li osigurati bilo kakvo zasebno napajanje LM324 IC, pa smo koristili samo jedan par vijčanih terminala PCB koji će biti izravno povezan s priključcima baterije i napaja cijelu PCB. Pomoću ovog kruga možete provjeriti razinu napona od min. 5,5 V do najviše 15 V. Toplo preporučujem da u razdjelnik potencijala preko Zenera dodate serijski još jedan otpornik i smanjite raspon napona svake LED diode.

Ako želite povećati raspon ispitivanja napona s 12 V na 24 V, jer je LM324 sposoban testirati bateriju do 24 V, samo morate promijeniti faktor podjele napona djelitelja napona spojenog na bateriji kako bi bili usporedivi s razinama napona Zener referentnim krugom, a također udvostručite otpore povezane sa LED diodama kako bi ga zaštitili od velike struje kroz njih.

Kompletan rad ovog vodiča također se može naći u video linku dolje. Nadam se da ste uživali u vodiču i naučili nešto korisno ako imate bilo kakvih pitanja, ostavite ih u odjeljku za komentare ili možete koristiti naše forume za druga tehnička pitanja.