ตัวบ่งชี้ระดับแบตเตอรี่อย่างง่ายโดยใช้ op

ในโลกสมัยใหม่เราใช้แบตเตอรี่ในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์เกือบทุกชนิดตั้งแต่โทรศัพท์มือถือเครื่องวัดอุณหภูมิดิจิตอลสมาร์ทวอทช์ไปจนถึงยานพาหนะไฟฟ้าเครื่องบินดาวเทียมและแม้แต่ Robotic Rovers ที่ใช้บนดาวอังคารซึ่งแบตเตอรี่มีอายุการใช้งานประมาณ 700 โซล (วันอังคาร) เป็นเรื่องที่ปลอดภัยที่จะพูดได้หากไม่มีการประดิษฐ์อุปกรณ์จัดเก็บเคมีไฟฟ้าเหล่านี้หรือที่เรียกว่าแบตเตอรี่โลกอย่างที่เรารู้ว่ามันจะไม่มีอยู่จริง มีแบตเตอรี่หลายประเภทเช่น Lead-Acid, Ni-Cd, Lithium-Ion เป็นต้นด้วยการถือกำเนิดของเทคโนโลยีเราจึงได้เห็นแบตเตอรี่ใหม่ที่คิดค้นขึ้นเช่น Li-air Batteries, Solid State Lithium batteries เป็นต้นซึ่งมีสูงกว่า ความจุในการจัดเก็บพลังงานและช่วงอุณหภูมิในการทำงานสูง เราได้พูดคุยเพิ่มเติมเกี่ยวกับแบตเตอรี่และวิธีการทำงานในบทความก่อนหน้านี้แล้ว ในบทความนี้เราจะเรียนรู้วิธีการออกแบบที่เรียบง่ายไฟ แสดงระดับการชาร์จแบตเตอรี่12Vโดยใช้ Op-Amp

แม้ว่าระดับแบตเตอรี่จะเป็นคำที่ไม่ชัดเจนเนื่องจากเราไม่สามารถวัดประจุที่เหลืออยู่ในแบตเตอรี่ได้จริง ๆ เว้นแต่เราจะใช้การคำนวณและการวัดที่ซับซ้อนโดยใช้ระบบการจัดการแบตเตอรี่ แต่ในการใช้งานที่เรียบง่ายเราไม่มีความหรูหราของวิธีนี้ดังนั้นเราจึงมักใช้วิธีการประมาณระดับแบตเตอรี่แบบเปิดตามแรงดันไฟฟ้าแบบวงจรเปิดซึ่งใช้งานได้ดีกับแบตเตอรี่ Lead Acid 12V เนื่องจากเส้นโค้งการปล่อยของพวกเขาเกือบจะเป็นเส้นตรงจาก 13.8V ถึง 10.1V ซึ่งโดยปกติจะถือเป็นขีด จำกัด สูงสุดบนและล่าง ก่อนหน้านี้เราได้สร้างตัวบ่งชี้ระดับแบตเตอรี่ที่ใช้ Arduino และวงจรตรวจสอบแรงดันไฟฟ้าหลายเซลล์คุณสามารถตรวจสอบได้หากคุณสนใจ

ในโครงการนี้เราจะออกแบบและสร้างตัวบ่งชี้ระดับแบตเตอรี่ 12Vด้วยความช่วยเหลือของ IC LM324 ที่ใช้ OPAMP เปรียบเทียบสี่ตัวซึ่งช่วยให้เราใช้ตัวเปรียบเทียบแบบ OPAMP 4 ตัวบนชิปตัวเดียว เราจะวัดแรงดันไฟฟ้าของแบตเตอรี่และเปรียบเทียบกับแรงดันไฟฟ้าที่กำหนดไว้ล่วงหน้าโดยใช้ LM324 IC และขับ LED เพื่อแสดงเอาต์พุตที่เราได้รับ ให้เรากระโดดลงไปทันทีเราจะ?

ส่วนประกอบที่จำเป็น

• LM324 Quad OPAMP IC
• ไฟ LED 4 × (สีแดง)
• ตัวต้านทาน 1 ×2.5kΩ
• ตัวต้านทาน 5 ×1kΩ
• ตัวต้านทาน 1 ×1.6kΩ
• ตัวต้านทาน 4 ×0.5kΩ
• ที่ยึด IC 14 พิน
• ขั้วต่อสกรู PCB
• Perfboard
• ชุดบัดกรี

LM324 Quad OPAMP IC

LM324 เป็นไอซี Quad op-amp ที่รวมกับop-amps สี่ตัวที่ขับเคลื่อนโดยแหล่งจ่ายไฟทั่วไป ช่วงแรงดันไฟฟ้าขาเข้าที่แตกต่างกันสามารถเท่ากับแรงดันไฟฟ้าของแหล่งจ่ายไฟ แรงดันออฟเซ็ตอินพุตเริ่มต้นต่ำมากซึ่งมีขนาด 2mV อุณหภูมิในการทำงานอยู่ระหว่าง0˚Cถึง70˚Cที่สภาพแวดล้อมในขณะที่อุณหภูมิทางแยกสูงสุดอาจสูงถึง150˚C โดยทั่วไปแล้วออปแอมป์สามารถดำเนินการทางคณิตศาสตร์และสามารถใช้ในการกำหนดค่าต่างๆเช่นแอมพลิฟายเออร์ตัวติดตามแรงดันไฟฟ้าตัวเปรียบเทียบ ฯลฯ ดังนั้นการใช้ OPAMP สี่ตัวใน IC เดียวคุณจะประหยัดพื้นที่และความซับซ้อนของวงจร สามารถใช้พลังงานจากแหล่งจ่ายไฟเดียวในช่วงแรงดันไฟฟ้ากว้างตั้งแต่ -3V ถึง 32V ซึ่งมากเกินพอสำหรับการทดสอบระดับแบตเตอรี่สูงสุด 24V ในวงจรนี้

แผนภาพวงจรสำหรับไฟแสดงระดับแบตเตอรี่ 12V

วงจรทั้งหมดที่ใช้ในไฟแสดงสถานะแบตเตอรี่ 12Vมีอยู่ด้านล่าง ฉันใช้แบตเตอรี่ 9V เพื่อเป็นภาพประกอบในภาพด้านล่าง แต่ถือว่าเป็นแบตเตอรี่ 12V

หากคุณไม่ชอบวงจรกราฟิกคุณสามารถตรวจสอบภาพด้านล่างสำหรับแผนผัง Vcc และกราวด์เป็นขั้วที่ต้องเชื่อมต่อกับแบตเตอรี่ 12V เป็นบวกและลบตามลำดับ

ตอนนี้เรามาทำความเข้าใจกับการทำงานของวงจรต่อไป เพื่อความง่ายเราสามารถแบ่งวงจรออกเป็น 2 ส่วนที่แตกต่างกัน

อ้างอิงแรงดันไฟฟ้ามาตรา:

ขั้นแรกเราต้องตัดสินใจว่าเราต้องการวัดระดับแรงดันไฟฟ้าใดในวงจรและคุณสามารถออกแบบวงจรแบ่งที่มีศักยภาพตามตัวต้านทานของคุณได้ ในวงจรนี้ D2 เป็นซีเนอร์ไดโอดอ้างอิงซึ่งได้รับการจัดอันดับ 5.1V 5W ดังนั้นจะควบคุมเอาต์พุตเป็น 5.1V มี 4 1k ต้านทานเชื่อมต่อข้ามมันในซีรีส์ที่จะ GND เพื่อประมาณ 1.25V ลดลงจะมีคร่อมตัวต้านทานซึ่งเราจะใช้สำหรับทุกการเปรียบเทียบกับแรงดันไฟฟ้าแบตเตอรี่แรงดันไฟฟ้าอ้างอิงสำหรับการเปรียบเทียบอยู่ที่ประมาณ 5.1V, 3.75V, 2.5V และ 1.25V

นอกจากนี้ยังมีวงจรแบ่งแรงดันไฟฟ้าอีกวงจรหนึ่งที่เราจะใช้เพื่อเปรียบเทียบแรงดันไฟฟ้าของแบตเตอรี่กับแรงดันไฟฟ้าที่กำหนดโดยตัวแบ่งแรงดันไฟฟ้าที่เชื่อมต่อกับซีเนอร์ ตัวแบ่งแรงดันไฟฟ้านี้มีความสำคัญเนื่องจากการกำหนดค่าคุณจะกำหนดจุดแรงดันไฟฟ้าที่เกินกว่าที่คุณต้องการให้ไฟ LED ที่เกี่ยวข้อง ในวงจรนี้เราได้เลือกตัวต้านทาน 1.6k และตัวต้านทาน 1.0k ในอนุกรมเพื่อให้ตัวประกอบหาร 2.6

ดังนั้นหากขีด จำกัด บนของแบตเตอรี่คือ 13.8V แรงดันไฟฟ้าที่สอดคล้องกันที่กำหนดโดยตัวแบ่งศักย์จะเป็น 13.8 / 2.6 = 5.3V ซึ่งมากกว่า 5.1V ที่กำหนดโดยแรงดันอ้างอิงแรกจากซีเนอร์ไดโอดดังนั้น LED ทั้งหมดจะเป็น จะสว่างขึ้นหากแรงดันไฟฟ้าของแบตเตอรี่เท่ากับ 12.5V เช่นไม่ได้ชาร์จเต็มหรือไม่ได้คายประจุจนเต็มแรงดันไฟฟ้าที่เกี่ยวข้องจะเท่ากับ 12.5 / 2.6 = 4.8V ซึ่งหมายความว่าน้อยกว่า 5.1V แต่มากกว่าแรงดันอ้างอิงอีกสามดวงดังนั้น LED สามดวงจะ สว่างขึ้นและไม่มีใคร ด้วยวิธีนี้เราสามารถกำหนดช่วงแรงดันไฟฟ้าสำหรับการส่องสว่าง LED แต่ละดวงได้

ส่วนเปรียบเทียบและ LED:

ในส่วนนี้ของวงจรเราแค่ขับ LED ที่แตกต่างกันสำหรับระดับแรงดันไฟฟ้าที่แตกต่างกัน เนื่องจาก IC LM324 เป็นตัวเปรียบเทียบที่ใช้ OPAMP ดังนั้นเมื่อใดก็ตามที่ขั้วที่ไม่กลับด้านของ OPAMP เฉพาะมีศักยภาพสูงกว่าขั้วกลับด้านเอาต์พุต OPAMP จะถูกดึงให้สูงถึงระดับแรงดัน VCC โดยประมาณซึ่งเป็นแรงดันแบตเตอรี่ในกรณีของเรา. ที่นี่ LED จะไม่สว่างเนื่องจากแรงดันไฟฟ้าที่ทั้ง Anode และ Cathode ของ LED เท่ากันจึงไม่มีกระแสไหล หากแรงดันไฟฟ้าของขั้ว Inverting สูงกว่าขั้วที่ไม่กลับหัวเอาต์พุตของ OPAMP จะถูกดึงลงไปที่ระดับ GND ดังนั้นไฟ LED จะสว่างขึ้นเนื่องจากมีความแตกต่างที่อาจเกิดขึ้นทั่วทั้งขั้ว

ในวงจรของเราเราได้เชื่อมต่อเทอร์มินัลที่ไม่กลับด้านของ OPAMP แต่ละตัวเข้ากับตัวต้านทาน1kΩของวงจรแบ่งศักย์ที่เชื่อมต่อกับแบตเตอรี่และขั้ว Inverting เชื่อมต่อกับระดับแรงดันไฟฟ้าที่แตกต่างกันจากตัวแบ่งศักย์ที่เชื่อมต่อผ่านซีเนอร์ ดังนั้นเมื่อใดก็ตามที่แรงดันไฟฟ้าส่วนแบ่งของแบตเตอรี่ต่ำกว่าแรงดันอ้างอิงที่สอดคล้องกันของ OPAMP นั้นเอาต์พุตจะถูกดึงสูงและ LED จะไม่สว่างตามที่อธิบายไว้ก่อนหน้านี้

ความท้าทายและการปรับปรุง:

เป็นวิธีการที่ค่อนข้างหยาบและเป็นวิธีพื้นฐานในการประมาณแรงดันไฟฟ้าของแบตเตอรี่และคุณสามารถปรับเปลี่ยนเพิ่มเติมเพื่ออ่านช่วงของแรงดันไฟฟ้าที่คุณเลือกได้โดยการเพิ่มตัวต้านทานเพิ่มเติมในซีรีส์ที่มีตัวแบ่งที่มีศักยภาพที่เชื่อมต่อผ่านไดโอด 5.1V ซีเนอร์ ด้วยวิธีนี้คุณจะได้รับความแม่นยำมากขึ้นในช่วงที่เล็กลงเพื่อให้คุณสามารถระบุระดับแรงดันไฟฟ้าได้มากขึ้นในช่วงที่เล็กลงสำหรับการใช้งานในโลกแห่งความเป็นจริงเช่นแบตเตอรี่ตะกั่วกรด

คุณยังสามารถเชื่อมต่อ LED สีต่างๆสำหรับระดับแรงดันไฟฟ้าที่แตกต่างกันและหากคุณต้องการกราฟแท่ง ฉันใช้ LM324 เพียงตัวเดียวในวงจรนี้เพื่อให้มันง่ายคุณสามารถใช้ n จำนวนของตัวเปรียบเทียบ IC และด้วยตัวต้านทาน n ในอนุกรมที่มีแรงดันไฟฟ้าอ้างอิงซีเนอร์ไดโอดคุณสามารถมีแรงดันอ้างอิงได้มากเท่าที่จะเปรียบเทียบได้ตามที่คุณต้องการ ซึ่งจะช่วยเพิ่มความแม่นยำของตัวบ่งชี้ของคุณ

การสร้างและทดสอบตัวบ่งชี้ระดับแบตเตอรี่ 12V ของเรา

เมื่อเราออกแบบวงจรเสร็จแล้วเราจำเป็นต้องสร้างมันขึ้นมาบนบอร์ด perf หากต้องการคุณสามารถทดสอบบนเขียงหั่นขนมก่อนเพื่อดูการทำงานและแก้ไขข้อผิดพลาดที่คุณอาจเห็นในวงจร หากคุณต้องการประหยัดความยุ่งยากในการบัดกรีส่วนประกอบทั้งหมดเข้าด้วยกันคุณสามารถออกแบบ PCB ของคุณเองบน AutoCAD Eagle, EasyEDA หรือ Proteus ARES หรือซอฟต์แวร์ออกแบบ PCB อื่น ๆ ที่คุณต้องการ

เนื่องจาก LM324 สามารถทำงานกับแหล่งจ่ายไฟได้หลากหลายตั้งแต่ -3V ถึง 32V คุณจึงไม่ต้องกังวลกับการจัดหาแหล่งจ่ายไฟแยกต่างหากให้กับ LM324 IC ดังนั้นเราจึงใช้ขั้วต่อสกรู PCB เพียงคู่เดียว เชื่อมต่อโดยตรงกับขั้วแบตเตอรี่และจ่ายไฟให้กับ PCB ทั้งหมด คุณสามารถตรวจสอบระดับแรงดันไฟฟ้าจากต่ำสุด 5.5V ถึงสูงสุด 15V โดยใช้วงจรนี้ ฉันขอแนะนำอย่างยิ่งให้คุณเพิ่มตัวต้านทานอีกตัวในอนุกรมในตัวแบ่งศักย์ไฟฟ้าในซีเนอร์และลดช่วงแรงดันไฟฟ้าของ LED แต่ละตัว

หากคุณต้องการเพิ่มช่วงการทดสอบแรงดันไฟฟ้าจาก 12V เป็น 24V เนื่องจาก LM324 สามารถทดสอบแบตเตอรี่ได้สูงสุด 24V คุณเพียงแค่เปลี่ยนปัจจัยการแบ่งแรงดันไฟฟ้าของตัวแบ่งแรงดันไฟฟ้าที่เชื่อมต่อกับแบตเตอรี่เพื่อให้เทียบได้กับระดับแรงดันไฟฟ้าที่กำหนด โดยวงจรอ้างอิงของ Zener และเพิ่มความต้านทานที่เชื่อมต่อกับ LED เป็นสองเท่าเพื่อป้องกันไม่ให้กระแสไฟฟ้าไหลผ่านสูง

คุณสามารถดูการทำงานทั้งหมดของบทช่วยสอนนี้ได้ในวิดีโอที่ลิงก์ด้านล่าง หวังว่าคุณจะสนุกกับบทช่วยสอนและเรียนรู้สิ่งที่เป็นประโยชน์หากคุณมีคำถามฝากไว้ในส่วนความคิดเห็นหรือคุณสามารถใช้ฟอรัมของเราสำหรับคำถามทางเทคนิคอื่น ๆ