Einfache Batteriestandsanzeige mit op

In der modernen Welt verwenden wir Batterien in fast allen elektronischen Geräten, von Ihrem Handheld-Mobiltelefon über ein digitales Thermometer, eine Smartwatch bis hin zu Elektrofahrzeugen, Flugzeugen, Satelliten und sogar Robotic Rovers, die auf dem Mars eingesetzt werden und deren Batterie etwa 700 Sols (Mars-Tage) hält. Ohne die Erfindung dieser elektrochemischen Speichergeräte, auch bekannt als Batterien, kann man mit Sicherheit sagen, dass die Welt, wie wir sie kennen, nicht existieren würde. Es gibt viele verschiedene Arten von Batterien wie Blei-Säure, Ni-Cd, Lithium-Ionen usw. Mit dem Aufkommen der Technologie werden neue Batterien wie Li-Luft-Batterien, Festkörper-Lithium-Batterien usw. erfunden, die einen höheren Wert haben Energiespeicherkapazität und hoher Betriebstemperaturbereich. Wir haben bereits in unseren vorherigen Artikeln mehr über Batterien und deren Funktionsweise besprochen. In diesem Artikel lernen wir, wie man eine einfache entwirft12V Batterieladezustandsanzeige mit Operationsverstärker.

Obwohl der Batteriestand ein mehrdeutiger Begriff ist, weil wir die in der Batterie verbleibende Ladung nur dann wirklich messen können, wenn wir komplexe Berechnungen und Messungen mit einem Batteriemanagementsystem durchführen. In einfachen Anwendungen haben wir jedoch nicht den Luxus dieser Methode, daher verwenden wir normalerweise eine einfache, auf offener Spannung basierende Methode zur Schätzung des Batteriestands, die für Blei-Säure-12-V-Batterien sehr gut funktioniert, da ihre Entladungskurve von 13,8 V bis 10,1 V nahezu linear ist, die normalerweise als obere und untere Extremgrenze angesehen werden. Zuvor haben wir auch eine Arduino-basierte Batteriestandsanzeige und eine Mehrzellenspannungsüberwachungsschaltung gebaut. Sie können diese auch überprüfen, wenn Sie interessiert sind.

In diesem Projekt werden wir mit Hilfe eines OPAMP-basierten IC LM324 mit Quad-Komparator einen 12-V-Batteriestandsindikator entwerfen und bauen, mit dem wir 4 OPAMP-basierte Komparatoren auf einem einzigen Chip verwenden können. Wir werden die Spannung der Batterie messen und sie mit dem LM324 IC mit der vorgegebenen Spannung vergleichen und die LEDs ansteuern, um den Ausgang anzuzeigen, den wir erhalten. Lass uns gleich hineinspringen, sollen wir?

Erforderliche Komponenten

• LM324 Quad OPAMP IC
• 4 × LED-Leuchten (rot)
• 1 × 2,5 kΩ Widerstand
• 5 × 1 kΩ Widerstand
• 1 × 1,6 kΩ Widerstand
• 4 × 0,5 kΩ Widerstand
• 14-poliger IC-Halter
• PCB-Schraubklemme
• Perfboard
• Lötsatz

LM324 Quad OPAMP IC

Der LM324 ist ein Quad-Operationsverstärker-IC, der in vier Operationsverstärker integriert ist, die von einem gemeinsamen Netzteil gespeist werden. Der differentielle Eingangsspannungsbereich kann gleich dem der Versorgungsspannung sein. Die Standard-Eingangsoffsetspannung ist sehr niedrig und beträgt 2 mV. Die Betriebstemperatur reicht von 0 ° C bis 70 ° C bei Umgebungstemperatur, während die maximale Sperrschichttemperatur bis zu 150 ° C betragen kann. Im Allgemeinen können Operationsverstärker mathematische Operationen ausführen und in verschiedenen Konfigurationen wie Verstärker, Spannungsfolger, Komparator usw. verwendet werden. Wenn Sie also vier OPAMPs in einem einzelnen IC verwenden, sparen Sie Platz und Komplexität der Schaltung. Es kann mit einem einzigen Netzteil über einen weiten Spannungsbereich von -3 V bis 32 V betrieben werden, was mehr als ausreichend ist, um den Batteriestand dieser Schaltung auf bis zu 24 V zu testen.

Schaltplan für 12V Batteriestandsanzeige

Die vollständige Schaltung der 12-V-Batterieanzeige finden Sie unten. Ich habe eine 9-V-Batterie zur Veranschaulichung im Bild unten verwendet, gehe aber davon aus, dass es sich um eine 12-V-Batterie handelt.

Wenn Sie keine grafischen Schaltungen mögen, können Sie das folgende Bild für die Schaltpläne überprüfen. Hier sind Vcc und Ground die Klemmen, die an die positive bzw. negative 12-V-Batterie angeschlossen werden müssen.

Lassen Sie uns nun mit dem Verständnis der Funktionsweise der Schaltung fortfahren. Der Einfachheit halber können wir die Schaltung in zwei verschiedene Teile unterteilen.

Referenzspannungen Abschnitt:

Zuerst müssen wir entscheiden, welche Spannungspegel wir in der Schaltung messen möchten, und Sie können Ihre widerstandsbasierte Potentialteilerschaltung entsprechend gestalten. In dieser Schaltung ist D2 eine Referenz-Zenerdiode mit einer Nennleistung von 5,1 V bis 5 W, sodass der Ausgang über sie auf 5,1 V geregelt wird. Es sind 4 1k-Widerstände in Reihe mit dem GND geschaltet, so dass an jedem Widerstand, den wir für Vergleiche mit der Batteriespannung verwenden, ein Abfall von ca. 1,25 V auftritt. Die Vergleichsspannungen zum Vergleich betragen ungefähr 5,1 V, 3,75 V, 2,5 V und 1,25 V.

Es gibt auch eine andere Spannungsteilerschaltung, mit der wir die Batteriespannungen mit den Spannungen vergleichen, die von dem über Zener angeschlossenen Spannungsteiler gegeben werden. Dieser Spannungsteiler ist wichtig, da Sie durch Konfigurieren seines Werts die Spannungspunkte festlegen, ab denen die entsprechenden LEDs aufleuchten sollen. In dieser Schaltung haben wir 1,6 k Widerstand und 1,0 k Widerstand in Reihe gewählt, um einen Teilungsfaktor von 2,6 bereitzustellen.

Wenn also die Obergrenze der Batterie 13,8 V beträgt, beträgt die entsprechende Spannung, die vom Potentialteiler gegeben wird, 13,8 / 2,6 = 5,3 V, was mehr als 5,1 V ist, die von der ersten Referenzspannung von der Zenerdiode gegeben wird, daher sind alle LEDs Leuchtet, wenn die Spannung der Batterie 12,5 V beträgt, dh weder vollständig geladen noch vollständig entladen ist, beträgt die entsprechende Spannung 12,5 / 2,6 = 4,8 V, was bedeutet, dass sie kleiner als 5,1 V ist, aber größer als die anderen drei Referenzspannungen, sodass drei LEDs leuchten und man wird nicht. Auf diese Weise können wir die Spannungsbereiche für das Aufleuchten einer einzelnen LED bestimmen.

Komparator- und LED-Bereich:

In diesem Teil der Schaltung treiben wir nur die verschiedenen LEDs für verschiedene Spannungspegel an. Da der IC LM324 ein OPAMP-basierter Komparator ist, wird der OPAMP-Ausgang immer dann hoch auf den ungefähr VCC-Spannungspegel gezogen, der in unserem Fall die Batteriespannung ist, wenn der nicht invertierende Anschluss eines bestimmten OPAMP auf einem höheren Potential als der invertierende Anschluss liegt. Hier leuchtet die LED nicht, da die Spannungen an Anode und Kathode der LED gleich sind und kein Strom fließen würde. Wenn die Spannung des invertierenden Anschlusses höher ist als die des nicht invertierenden Anschlusses, wird der Ausgang des OPAMP auf den GND-Pegel heruntergezogen, sodass die LED aufleuchtet, da sie eine Potentialdifferenz zwischen ihren Anschlüssen aufweist.

In unserer Schaltung haben wir den nicht invertierenden Anschluss jedes OPAMP mit dem 1 kΩ-Widerstand der über die Batterie angeschlossenen Potentialteilerschaltung verbunden, und die invertierenden Klemmen sind mit den verschiedenen Spannungspegeln des über den Zener angeschlossenen Potentialteilers verbunden. Wenn also die aufgeteilte Spannung der Batterie niedriger als die entsprechende Referenzspannung dieses OPAMP ist, wird der Ausgang hochgezogen und die LED leuchtet nicht, wie zuvor erläutert.

Herausforderungen und Verbesserungen:

Es ist eine ziemlich grobe und grundlegende Methode zur Approximation der Batteriespannung. Sie können sie weiter modifizieren, um einen Spannungsbereich Ihrer Wahl abzulesen, indem Sie einen zusätzlichen Widerstand in Reihe mit dem über die 5,1-V-Zenerdiode angeschlossenen Potentialteiler hinzufügen. Auf diese Weise erhalten Sie eine höhere Genauigkeit in einem kleineren Bereich, sodass Sie mehr Spannungspegel in einem kleineren Bereich für reale Anwendungen wie für eine Blei-Säure-Batterie identifizieren können.

Sie können auch verschiedenfarbige LEDs für verschiedene Spannungspegel und wenn Sie ein Balkendiagramm wünschen, anschließen. Ich habe nur einen einzigen LM324 in dieser Schaltung verwendet, um es einfach zu halten. Sie können n Komparator-ICs verwenden und mit n Widerständen in Reihe mit der Referenzspannungs-Zenerdiode können Sie so viele Referenzspannungen vergleichen, wie Sie möchten Dies erhöht die Genauigkeit Ihres Indikators weiter.

Erstellen und Testen unserer 12-V-Batteriestandsanzeige

Nachdem wir die Schaltung fertig entworfen haben, müssen wir sie auf der Perf-Platine herstellen. Wenn Sie möchten, können Sie es auch zuerst auf einem Steckbrett testen, um zu sehen, ob es funktioniert, und die Fehler beheben, die möglicherweise in der Schaltung auftreten. Wenn Sie nicht alle Komponenten zusammenlöten müssen, können Sie auch Ihre eigene Leiterplatte mit AutoCAD Eagle, EasyEDA oder Proteus ARES oder einer anderen von Ihnen gewünschten PCB Designing-Software entwerfen.

Da der LM324 mit einer Vielzahl von Netzteilen von -3 V bis 32 V betrieben werden kann, müssen Sie sich keine Gedanken über die Bereitstellung eines separaten Netzteils für den LM324-IC machen. Daher haben wir nur ein Paar Leiterplatten-Schraubklemmen verwendet direkt an die Batterieklemmen angeschlossen und die gesamte Leiterplatte mit Strom versorgt. Mit dieser Schaltung können Sie nach Spannungspegeln von mindestens 5,5 V bis maximal 15 V suchen. Ich empfehle dringend, einen weiteren Widerstand in Reihe in den Potentialteiler über dem Zener zu legen und den Spannungsbereich jeder LED zu verringern.

Wenn Sie den Spannungsprüfbereich von 12 V auf 24 V erhöhen möchten, da der LM324 bis zu 24 V Batterie testen kann, müssen Sie nur den Spannungsteilungsfaktor des über die Batterie angeschlossenen Spannungsteilers ändern, um sie mit den angegebenen Spannungspegeln vergleichbar zu machen durch die Zener-Referenzschaltung und verdoppeln Sie auch die mit den LEDs verbundenen Widerstände, um sie gegen den hohen Stromfluss durch sie zu schützen.

Die vollständige Funktionsweise dieses Tutorials finden Sie auch in dem unten verlinkten Video. Ich hoffe, Ihnen hat das Tutorial gefallen und Sie haben etwas Nützliches gelernt, wenn Sie Fragen haben. Lassen Sie diese im Kommentarbereich oder nutzen Sie unsere Foren für andere technische Fragen.