Индикатор напряжения аккумулятора lm324

Digitrode

цифровая электроника вычислительная техника встраиваемые системы

Простой и дешевый индикатор уровня заряда батареи на одном операционном усилителе

Простой индикатор уровня заряда аккумулятора своими руками

В современном мире мы используем батареи и аккумуляторы почти в каждом электронном гаджете, от вашего портативного мобильного телефона, цифрового термометра, умных часов до электромобилей, самолетов, спутников и даже робота-вездехода, используемого на Марсе, заряда батареи которого хватило на 700 солей (марсианских дней). Можно с уверенностью сказать, что без изобретения этих электрохимических накопителей мир, каким мы его знаем, не существовал бы.

Существует много различных типов батарей, таких как свинцово-кислотные, никель-кадмиевые, литий-ионные и т. д. С развитием технологий мы видим появление новых изобретенных батарей, таких как воздушно-литиевые, твердотельные литиевые батареи и т. д., которые имеют более высокую емкость накопителя энергии и высокий диапазон рабочих температур. Но во многих приложениях важно не просто использовать их, но и знать количество оставшегося заряда. Поэтому в этом материале мы узнаем, как создать простой индикатор уровня заряда аккумулятора 12 В с помощью операционного усилителя.

Хотя уровень заряда батареи – это неоднозначный термин, потому что мы не можем реально измерить оставшийся в батарее заряд, если мы не используем сложные вычисления и измерения с использованием системы управления батареями. Но в простых приложениях у нас нет роскоши этого метода, поэтому мы обычно используем простой метод оценки уровня заряда батареи на основе напряжения разомкнутой цепи, который действительно хорошо работает для свинцово-кислотных аккумуляторов 12 В, поскольку их кривая разряда почти линейна от уровня 13,8 В до уровня 10,1 В, которые обычно считаются ее верхним и нижним крайними пределами.

В этом проекте мы разработаем и соберем индикатор уровня заряда батареи 12 В с помощью микросхемы LM324 на базе четырехканального операционного усилителя, которая позволяет нам использовать 4 компаратора на одном кристалле. Мы измерим напряжение аккумулятора и сравним его с заранее заданным напряжением, используя LM324, и включим светодиоды для отображения уровня выходного сигнала, который мы получаем.

LM324 – это микросхема с четырьмя операционными усилителями, питающимися от общего источника питания. Диапазон дифференциального входного напряжения может быть равен диапазону напряжения источника питания. Входное напряжение смещения по умолчанию очень низкое и составляет 2 мВ. Диапазон рабочих температур составляет от 0 °C до 70 °C при температуре окружающей среды, тогда как максимальная температура перехода может достигать 150 °C. Как правило, операционные усилители могут выполнять математические операции и могут использоваться в различных конфигурациях, таких как усилитель, повторитель напряжения, компаратор и т. д. Таким образом, используя четыре операционных усилителя в одной микросхеме, вы сэкономите место и уменьшите сложность схемы. Она может питаться от одного источника питания в широком диапазоне напряжений от -3 В до 32 В, что более чем достаточно для тестирования уровня заряда батареи до 24 В.

Полная схема, используемая для создания индикатора заряда батареи 12 В, представлена далее. Здесь для иллюстрации использовалась батарея 9 В, но можно предполагать, что это аккумулятор 12 В.

Если вам не нравятся графические схемы, то можно изобразить все в виде более привычной принципиальной схемы.

Теперь давайте приступим к пониманию работы схемы. Для простоты мы можем разделить схему на 2 разные части. Во-первых, нам нужно решить, какие уровни напряжения мы хотим измерить в цепи, и вы можете соответствующим образом разработать схему делителя напряжения на основе резисторов. В этой схеме D2 представляет собой опорный стабилитрон с номиналом 5,1 В и 5 Вт, поэтому он будет стабилизировать выходное напряжение до 5,1 В. Сопротивление 4 кОм подключено последовательно к заземлению, поэтому падение напряжения примерно 1,25 В будет на каждом резисторе, который мы будем использовать для сравнения с напряжением батареи. Опорные напряжения для сравнения составляют примерно 5,1 В, 3,75 В, 2,5 В и 1,25 В.

Кроме того, здесь есть еще одна схема делителя напряжения, которую мы будем использовать для сравнения напряжений батареи с напряжениями, выдаваемыми делителем напряжения, подключенным к стабилитрону. Этот делитель напряжения важен, потому что, настраивая его значение, вы будете определять точки напряжения, за пределами которых вы хотите включить соответствующие светодиоды. В этой схеме мы последовательно выбрали резистор 1,6 кОм и резистор 1,0 кОм, чтобы обеспечить коэффициент деления 2,6.

Таким образом, если верхний предел батареи составляет 13,8 В, то соответствующее напряжение, заданное делителем потенциала, будет 13,8 / 2,6 = 5,3 В, что больше, чем 5,1 В, заданное первым опорным напряжением стабилитрона, поэтому все светодиоды будут светиться, если напряжение аккумулятора составляет 12,5 В, то есть не полностью заряжено и не полностью разряжено, тогда соответствующее напряжение будет 12,5 / 2,6 = 4,8 В, что означает, что оно меньше 5,1 В, но больше трех других опорных напряжений, поэтому только три светодиода будут загораться. Таким образом, мы можем определить диапазоны напряжения для включения каждого светодиода.

Во второй части схемы мы просто управляем разными светодиодами для разных уровней напряжения. Поскольку LM324 является компаратором на основе ОУ, поэтому всякий раз, когда неинвертирующий вывод конкретного ОУ имеет более высокий потенциал, чем инвертирующий вывод, выходной сигнал ОУ будет повышен до приблизительно уровня напряжения VCC, который в нашем случае является напряжением батареи. Здесь светодиод не загорится, потому что напряжения на аноде и катоде светодиода равны, поэтому ток не будет течь. Если напряжение инвертирующего вывода выше, чем напряжение неинвертирующего вывода, тогда выходной сигнал ОУ будет понижен до уровня GND, следовательно, светодиод включится, потому что на его выводах есть разность потенциалов.

В нашей схеме мы подключили неинвертирующий вывод каждого ОУ к резистору 1 кОм цепи делителя потенциала, подключенной к батарее, а инвертирующие выводы подключены к различным уровням напряжения от делителя потенциала, подключенного к стабилитрону. Таким образом, всякий раз, когда распределенное напряжение батареи будет ниже соответствующего опорного напряжения, то выход будет подтянут, и светодиод не включится.

Теперь, когда мы закончили проектирование схемы, нам нужно изготовить ее на монтажной плате. Если вы хотите, вы также можете сначала протестировать ее на макете, чтобы увидеть ее работу и отладить ошибки, которые вы можете увидеть в схеме.

Поскольку LM324 может работать с широким диапазоном источников питания в диапазоне от -3 В до 32 В, вам не нужно беспокоиться о предоставлении какого-либо отдельного источника питания для LM324, поэтому мы использовали только одну пару винтовых клемм для печатной платы, которые будут напрямую подключены к клеммам аккумулятора и питать всю печатную плату. С помощью этой схемы вы можете проверить уровни напряжения от мин. 5,5 В до макс. 15 В.

Если вы хотите увеличить диапазон тестирования напряжения с 12 В до 24 В, поскольку LM324 способен тестировать аккумулятор до 24 В, вам просто нужно изменить коэффициент деления делителя напряжения, подключенного к аккумулятору, чтобы они были сопоставимы с заданными уровнями напряжения. а также удвоить сопротивление, подключенное к светодиодам, чтобы защитить их от протекания через них сильного тока.

Источник

Индикатор напряжения аккумулятора lm324

Данный индикатор напряжения аккумулятора предназначен для контроля уровня заряда свинцово-кислотного аккумулятора автомобиля. Индикатор собран в виде щупа. В схеме индикатора напряжения имеется 4 светодиода указывающие уровень напряжения и нагрузочный элемент в виде лампы накаливания на 12 вольт мощностью 21 ватт.

Описание работы индикатора напряжения аккумулятора

Чтобы максимально упростить схему индикатора, индикация построена по принципу светодиодного столбика, то есть чем выше напряжение на аккумуляторе, тем больше светодиодов загорается. Нижний уровень отмечается красным светодиодом, на максимальное напряжение указывает свечение зеленого светодиода. Отсутствие свечения всех светодиодов говорит о сильной разрядке аккумулятора.

Вся схема построена на 4 компараторах операционного усилителя LM324, каждый из них отвечает за определенный уровень напряжения. Поскольку для ОУ LM324 напряжение питания составляет от 3 до 32 вольт, то питание данного индикатора осуществляется от самой аккумуляторной батареи.

Опорное напряжение в 5 вольт для всех четырех компараторов формируется стабилитроном VD1 и резистором R6.

Как известно из работы компаратора, пока на прямом входе потенциал будет ниже потенциала на его инверсном входе, на выходе компаратора будет низкий логический уровень (светодиод не светится). При превышении опорного напряжения компаратор переключается, и светодиод начинает светиться. В данной схеме для каждого компаратора определен свой уровень напряжения, который определяется сопротивлением делителя напряжения построенного на резисторах R1…R5 .

В схеме можно использовать любой стабилитрон рассчитанный на 5 вольт стабилизации. Светодиоды желательно применить с высокой яркостью. Нагрузочная лампочка Н1 любая на 12 вольт и мощностью около 21 ватта.

Источник

Индикатор напряжения аккумулятора автомобиля на LM324

Данный индикатор напряжения аккумулятора предназначен для контроля уровня заряда свинцово-кислотного аккумулятора автомобиля. Индикатор собран в виде щупа. В схеме индикатора напряжения имеется 4 светодиода указывающие уровень напряжения и нагрузочный элемент в виде лампы накаливания на 12 вольт мощностью 21 ватт.

Описание работы индикатора напряжения аккумулятора

Чтобы максимально упростить схему индикатора, индикация построена по принципу светодиодного столбика, то есть чем выше напряжение на аккумуляторе, тем больше светодиодов загорается. Нижний уровень отмечается красным светодиодом, на максимальное напряжение указывает свечение зеленого светодиода. Отсутствие свечения всех светодиодов говорит о сильной разрядке аккумулятора.

Вся схема построена на 4 компараторах операционного усилителя LM324, каждый из них отвечает за определенный уровень напряжения. Поскольку для ОУ LM324 напряжение питания составляет от 3 до 32 вольт, то питание данного индикатора осуществляется от самой аккумуляторной батареи.

Опорное напряжение в 5 вольт для всех четырех компараторов формируется стабилитроном VD1 и резистором R6.

Как известно из работы компаратора, пока на прямом входе потенциал будет ниже потенциала на его инверсном входе, на выходе компаратора будет низкий логический уровень (светодиод не светится). При превышении опорного напряжения компаратор переключается, и светодиод начинает светиться. В данной схеме для каждого компаратора определен свой уровень напряжения, который определяется сопротивлением делителя напряжения построенного на резисторах R1…R5 .

В схеме можно использовать любой стабилитрон рассчитанный на 5 вольт стабилизации. Светодиоды желательно применить с высокой яркостью. Нагрузочная лампочка Н1 любая на 12 вольт и мощностью около 21 ватта.

Источник

Индикатор напряжения для сборок литиевых батарей 1-7S

Иногда заказываю для сборок аккумуляторов небольшие измерители и вот дошли руки протестировать их, ну и заодно написать микрообзор.
Осмотр, немножко тестов и выводов, надеюсь что будет полезно.

К сожалению доставка в магазине платная, потому заказывал сразу по нескольку штук чтобы компенсировать это.
На момент заказа у продавца вроде были только четыре версии, 1S, 2S, 3S, 4S, но сейчас появились 6S и 7S, при этом странно что нет в продаже версии 5S, подозреваю что скоро появится.

Большая часть измерителей отдал товарищу, но по одной штучке оставил и себе.
Каждый измеритель упакован в отдельный пакет, из отличий только наклейка с маркировкой на китайском и указанием диапазона измеряемого напряжения.
1S — 3.3-4.3 Вольта
2S — 6.6-8.4 Вольта
3S — 11.1-12.6 Вольта
4S — 13.2-16.8 Вольта

Также имеется маркировка цвета свечения (предположительно), но у продавца они только в одном варианте.

Если покупается несколько разных вариантов, то лучше их пометить сразу, так как сами по себе они ни маркировки, ни внешних отличий нет.

На одной из сторон платы есть место под кнопку, скорее всего для включения индикатора, но ни кнопки, ни сопутствующих компонентов на плате нет.

Когда получил индикаторы, то немного удивил размер, почему-то я ожидал что они будут меньше, тем более зная как в китайских магазинах любят делать фото.
Размеры самого индикатора — 31.5х20 мм, общие размеры — 43.5х20х9.5мм, расстояние между крепежными отверстиями — 36мм.

Чтобы не запутаться где какой индикатор, пришлось маркером сделать отметки на каждом из них.

Общее качество на троечку, есть следы флюса, пайка так себе, индикатор на некоторых платах припаян криво относительно самих плат.

Схемотехника довольно проста, стабилизатора напряжения питания нет, потому яркость зависит от напряжения питания. Имеется источник опорного напряжения на базе регулируемого стабилитрона TL431, а также защита от неправильной подачи питания.
Что за чип занимается измерением я определить не смог, сначала думал что это четырехканальный компаратор LM339, но у него выходы выведены на 1, 2, 13 и 14 контакты, а у чипа обозреваемой платы на 1, 7, 8, 14 выводы.

Ниже на фото две платы, 1S и 4S, чтобы понять в чем между ними отличия.
1. Резисторы через которые питаются сегменты индикатора (R1-R5).
2. Резистор R9.

Все остальные компоненты идентичны на всех платах.
При этом номинал резистора питания TL431 одинаков для всех плат и из-за этого ток потребления будет зависеть от входного напряжения.

Индикатор пятисегментный, один общий в виде символа батарейки и четыре сегмента для индикации уровня заряда (собственно потому я и думал что здесь применен LM339), но при этом существует и индикатор с пятью сегментами уровня заряда, мне такой попадался на Таобао.
Мало того, есть еще и много вариантов цветов индикации.

Размеры индикатора платы в обзоре и показанного выше очень похожи, 30.8х17.8мм против 31.5х20мм у обозреваемой платы.

Теперь немного тестов.
Индикатор обозреваемой платы имеет два цвета свечения, символ батарейки — красный, сегменты — синий. При этом символ батарейки состоит из шести параллельно включенных светодиодов.

Яркость достаточная, но у самой низковольтной версии сильно зависит от напряжения питания, но это вполне предсказуемо, остальные ведут себя гораздо стабильнее.
Есть и небольшая сложность, из-за того что цвета свечения синий и красный, то лучше использовать нейтральный светофильтр.
Для примера ниже четыре варианта —
1. Без светофильтра
2. Зеленый светофильтр, видны все сегменты, но яркость сильно падает и становятся более заметны светодиоды подсветки символа батарейки.
3. Красный светофильтр — виден только символ батарейки
4. Синий светофильтр, отлично видны сегменты, но символ батарейки почти не виден.

Измерения, для начала ток потребления.
Ниже на фото результат измерений для четырех режимов из пяти — только символ батарейки, + один сегмент, + два сегмента и + четыре сегмента, фото с тремя сегментами выкладывать не стал, но думаю что можно принять среднее между третьим и четвертым фото.
На всех фото где включены сегменты измерен ток сразу после его включения.
1-4, 1S
5-8, 2S
9-12, 3S
13-16, 4S

Видно что ток постоянно растет, хотя номиналы резисторов, через которые питаются светодиоды сегментов, разные. Происходит это из-за того, что резистор питания TL431 один и тот же на всех платах. Если необходимо уменьшить ток потребления, то можно номинал этого резистора (R14) пропорционально увеличить, например для платы 2S поставить 2кОм.

А теперь напряжение включения сегментов. Сразу сделаю отступление, гистерезиса или нет или он очень мал, потому у самой низковольтной версии бывает «дрожание» яркости, хотя в тесте я поднимал напряжение с дискретностью в 10мВ.

Также я сделал пересчет зависимости напряжения индикации к одному аккумулятору в зависимости от версии измерителя и у меня получилось:
1S. 2S. 3S. 4S
3.35 — 3.36 — 3.43 — 3.37
3.57 — 3.53 — 3.64 — 3.57
3.72 — 3.70 — 3.81 — 3.76
3.92 — 3.90 — 4.03 — 3.97

Видно что результаты немного «плавают», но в целом картина довольно ясна, диапазон измерения примерно 3.4-4.0 Вольта, что примерно соответствует почти полностью разряженному и заряженному аккумулятору. Напряжение литиевого аккумулятора обычно резко снижается с 4.2 до 4 Вольт, затем идет относительно плавное снижение до 3.3-3.4 Вольта и далее опять более резкое падение. Я бы сказал, что индикатор отображает примерно диапазон от 15 до 90%.

Уже позже было найдено еще пару вариантов более простых измерителей.
Например влагозащищенный — ссылка.

И вариант «с циферками» — ссылка

Мой читатель из Франции прислал вариант схемы данного измерителя, изначально он настроен на сборку 4S, за что ему большое спасибо 🙂

По итогам осмотра и тестов могу сказать, что индикаторы вполне работоспособны и полезны, но есть несколько замечаний:
1. Заметны отдельные светодиоды у символа батарейки
2. Ток потребления заметно растет с ростом напряжения, исправляется заменой резистора R14
3. Нет кнопки включения.

По последнему пункту поясню. Так как нет кнопки «программно» включающей индикатор, то сделать это можно только подачей питания, но обычно нет смысла держать его всегда включенным, а обычная мелкая кнопка имеет относительно высокое сопротивление и результат измерения будет сильно зависеть как от силы нажатия не кнопку, так и от срока ее службы.

В остальном вещь полезная и на мой взгляд недорогая, а большой выбор вариантов дает возможность использовать в разных устройствах, например в шуруповерте.

На этом у меня все, надеюсь что обзор пыл полезен, как всегда жду вопросов и просто комментариев.

Источник