使用運(yùn)算放大器的簡單電池電量指示器

在現(xiàn)代世界，我們幾乎在每一個(gè)電子產(chǎn)品中都使用電池，從手持手機(jī)、數(shù)字溫度計(jì)、智能手表到電動汽車、飛機(jī)、衛(wèi)星，甚至是在火星上使用的機(jī)器人漫游者，其電池續(xù)航時(shí)間約為700個(gè)太陽(火星日)?？梢钥隙ǖ卣f，如果沒有這些電化學(xué)存儲裝置，也就是電池的發(fā)明，我們所知道的世界就不會存在。有許多不同類型的電池，如鉛酸電池、鎳鎘電池、鋰離子電池等。隨著技術(shù)的進(jìn)步，我們看到鋰空氣電池、固態(tài)鋰電池等新型電池的發(fā)明，它們具有更高的儲能容量和更高的工作溫度范圍。在之前的文章中，我們已經(jīng)詳細(xì)討論了電池及其工作原理。在本文中，我們將學(xué)習(xí)如何使用運(yùn)算放大器設(shè)計(jì)一個(gè)簡單的12V電池充電電平指示器。

盡管電池電量是一個(gè)模棱兩可的術(shù)語，因?yàn)槲覀儾荒苷嬲郎y量電池剩余的電量，除非我們使用電池管理系統(tǒng)進(jìn)行復(fù)雜的計(jì)算和測量。但在簡單的應(yīng)用中，我們沒有這種方法的奢侈，所以我們通常采用簡單的開路電壓電池電平估計(jì)方法，這種方法非常適用于鉛酸12V電池，因?yàn)樗鼈兊姆烹娗€幾乎是線性的，從13.8V到10.1V，這通常被認(rèn)為是它的上限和下限。以前，我們還建立了一個(gè)基于Arduino的電池電平指示器和多單元電壓監(jiān)測電路，如果你感興趣，你也可以檢查它們。

在本項(xiàng)目中，我們將借助基于OPAMP的四比較器LM324設(shè)計(jì)和構(gòu)建一個(gè)12V電池電平指示器，這使我們可以在單個(gè)芯片上使用4個(gè)基于OPAMP的比較器。我們將測量電池的電壓，并使用LM324 IC將其與預(yù)先指定的電壓進(jìn)行比較，并驅(qū)動led顯示我們得到的輸出。讓我們直接開始吧，好嗎?

組件的要求

?LM324四路OPAMP集成電路

?4×LED燈(紅色)

?1×2.5 kΩ電阻器

?5×1 kΩ電阻器

?1×1.6 kΩ電阻器

?4×0.5 kΩ電阻器

?14針I(yè)C座

?PCB螺絲端子

?Perfboard

?焊接設(shè)備

LM324四路OPAMP集成電路

LM324是一款四運(yùn)放集成電路，集成了四個(gè)運(yùn)放，由一個(gè)通用電源供電。差分輸入電壓范圍可以等于電源電壓范圍。默認(rèn)輸入偏置電壓非常低，為2mV量級。工作溫度范圍為0?C至70?C，而最高結(jié)溫可達(dá)150?C。一般來說，運(yùn)算放大器可以執(zhí)行數(shù)學(xué)運(yùn)算，并可用于各種配置，如放大器，電壓跟隨器，比較器等。因此，通過在單個(gè)IC中使用四個(gè)opamp，您將節(jié)省空間和電路的復(fù)雜性。它可以在-3V至32V的寬電壓范圍內(nèi)由單個(gè)電源供電，這足以在該電路上進(jìn)行高達(dá)24V的電池水平測試。

12V電池電量指示燈電路圖

12V電池指示燈使用的完整電路如下所示。我在下面的圖片中使用了一個(gè)9V的電池，但假設(shè)它是一個(gè)12V的電池。

如果你不喜歡圖形電路，你可以查看下圖的原理圖。這里Vcc和接地是必須分別連接到12V電池正極和負(fù)極的端子。

現(xiàn)在，讓我們繼續(xù)了解電路的工作原理。為了簡單起見，我們可以把電路分成兩個(gè)不同的部分。

參考電壓組：

首先，我們需要決定在電路中要測量的電壓水平，然后您可以相應(yīng)地設(shè)計(jì)基于電阻的電位分壓器電路。在這個(gè)電路中，D2是一個(gè)參考齊納二極管，其額定電壓為5.1V 5W，因此它將調(diào)節(jié)輸出到5.1V。有4個(gè)1k電阻串聯(lián)到GND上，因此我們將用于與電池電壓進(jìn)行比較的每個(gè)電阻上都會有大約1.25V的下降。用于比較的參考電壓約為5.1V、3.75V、2.5V和1.25V。

此外，還有另一個(gè)分壓器電路，我們將使用它來比較電池電壓和連接在齊納上的分壓器給出的電壓。這個(gè)分壓器很重要，因?yàn)橥ㄟ^配置它的值，您將決定要點(diǎn)亮相應(yīng)led的電壓點(diǎn)。在本電路中，我們選擇了1.6k電阻和1.0k電阻串聯(lián)，以提供2.6的分頻因子。

因此，如果電池的上限為13.8V，則電位分壓器給出的相應(yīng)電壓將為13.8/2.6=5.3V，大于齊納二極管的第一個(gè)參考電壓給出的5.1V，因此，如果電池的電壓為12.5V，即既不完全充電也不完全放電，則所有l(wèi)ed將點(diǎn)亮。那么相應(yīng)的電壓將是12.5/2.6=4.8V，這意味著它小于5.1V，但大于其他三個(gè)參考電壓，所以三個(gè)led會亮，一個(gè)不會亮。因此，通過這種方式，我們可以確定點(diǎn)亮單個(gè)LED的電壓范圍。

比較器和LED組：

在電路的這一部分中，我們只是為不同的電壓水平驅(qū)動不同的led。由于IC LM324是基于OPAMP的比較器，因此每當(dāng)特定OPAMP的非反相端處于比反相端更高的電位時(shí)，OPAMP輸出將被拉高至大約VCC電壓水平，這是我們的情況下的電池電壓。這里的LED不會亮，因?yàn)樵贚ED的陽極和陰極的電壓是相等的，所以沒有電流會流動。如果反相端子的電壓高于非反相端子的電壓，則OPAMP的輸出將被拉到GND電平，因此LED將亮起，因?yàn)樗谄鋬啥司哂须娢徊睢?

在我們的電路中，我們將每個(gè)OPAMP的非反相端子連接到連接在電池上的電位分壓器電路的1kΩ電阻上，反相端子連接到連接在齊納上的電位分壓器的不同電壓電平上。因此，每當(dāng)電池的分配電壓低于該OPAMP的相應(yīng)參考電壓時(shí)，輸出將被拉高，LED將不亮，如前所述。

挑戰(zhàn)與改進(jìn)：

這是近似電池電壓的一種相當(dāng)粗糙和基本的方法，您可以進(jìn)一步修改它以讀取您選擇的電壓范圍，并添加一個(gè)額外的電阻與連接在5.1V齊納二極管上的電位分壓器串聯(lián)，通過這種方式，您可以在較小的范圍內(nèi)獲得更高的精度，以便您可以在較小的范圍內(nèi)識別更多的電壓水平，以用于實(shí)際應(yīng)用，如鉛酸電池。

如果你想要一個(gè)條形圖，你也可以為不同的電壓水平連接不同顏色的led。為了保持簡單，我在這個(gè)電路中只使用了一個(gè)LM324，您可以使用n個(gè)比較器ic和n個(gè)電阻，與參考電壓齊納二極管串聯(lián)，您可以有盡可能多的參考電壓進(jìn)行比較，因?yàn)槟胍@將進(jìn)一步提高您的指標(biāo)的準(zhǔn)確性。

建立和測試我們的12V電池電量指示器

現(xiàn)在我們已經(jīng)完成了電路的設(shè)計(jì)，我們需要在穿孔板上制造它。如果您愿意，您也可以先在面包板上測試它，以查看其工作情況并調(diào)試您可能在電路中看到的錯(cuò)誤。如果您想省去將所有組件焊接在一起的麻煩，您還可以在AutoCAD Eagle， EasyEDA或Proteus ARES或任何其他PCB設(shè)計(jì)軟件上設(shè)計(jì)自己的PCB。

由于LM324可以在從-3V到32V的廣泛電源范圍內(nèi)工作，您不必?fù)?dān)心為LM324 IC提供任何單獨(dú)的電源，因此我們只使用了一對PCB螺釘端子，這將直接連接到電池端子并為整個(gè)PCB供電。您可以通過使用此電路檢查從最小5.5V到最大15V的電壓水平。我強(qiáng)烈建議您在齊納的電位分壓器上串聯(lián)另一個(gè)電阻，并降低每個(gè)LED的電壓范圍。

如果您想將電壓測試范圍從12V增加到24V，因?yàn)長M324能夠測試高達(dá)24V的電池，您只需改變連接在電池上的分壓器的分壓因子，使其與齊納參考電路給出的電壓水平相當(dāng)，并且將與led連接的電阻加倍，以保護(hù)其免受高電流流過它們。

本文編譯自circuitdigest