Chỉ báo mức pin đơn giản bằng op

Trong thế giới hiện đại, chúng ta sử dụng pin trong hầu hết mọi thiết bị điện tử từ điện thoại di động cầm tay, nhiệt kế kỹ thuật số, đồng hồ thông minh đến Xe điện, máy bay, vệ tinh và thậm chí cả Máy bay robot được sử dụng trên sao Hỏa có pin kéo dài khoảng 700 sols (ngày sao Hỏa). Có thể nói rằng nếu không có sự phát minh ra các thiết bị lưu trữ điện hóa hay còn gọi là Pin, thì thế giới như chúng ta biết sẽ không tồn tại. Có nhiều loại pin khác nhau như Axit-chì, Ni-Cd, Lithium-Ion,… Với sự ra đời của công nghệ, chúng ta đang thấy những loại pin mới được phát minh như Pin Li-air, Pin Lithium thể rắn, v.v. khả năng lưu trữ năng lượng và phạm vi nhiệt độ hoạt động cao. Chúng tôi đã thảo luận thêm về pin và cách chúng hoạt động trong các bài viết trước của chúng tôi. Trong bài viết này, chúng ta sẽ học cách thiết kế một Chỉ báo mức sạc pin 12V sử dụng Op-Amp.

Mặc dù mức Pin là một thuật ngữ không rõ ràng vì chúng tôi không thể thực sự đo lượng điện còn lại trong pin trừ khi chúng tôi sử dụng các phép tính và phép đo phức tạp bằng Hệ thống quản lý pin. Nhưng trong các ứng dụng đơn giản, chúng tôi không có sự xa xỉ của phương pháp này vì vậy chúng tôi thường sử dụng phương pháp Ước tính mức pin dựa trên điện áp mạch hở đơn giản hoạt động thực sự hiệu quả đối với pin Axit chì 12V vì đường cong phóng điện của chúng gần như tuyến tính từ 13,8V đến 10,1V, thường được coi là giới hạn cực trên và dưới của nó. Trước đây, chúng tôi cũng đã xây dựng chỉ báo mức pin dựa trên Arduino và mạch theo dõi điện áp nhiều ô, bạn cũng có thể kiểm tra chúng nếu bạn quan tâm.

Trong dự án này, chúng tôi sẽ thiết kế và xây dựng một chỉ báo mức pin 12V với sự trợ giúp của IC LM324 dựa trên bộ so sánh quad, cho phép chúng tôi sử dụng 4 bộ so sánh dựa trên OPAMP trên một chip duy nhất. Chúng tôi sẽ đo điện áp của pin và so sánh nó với điện áp xác định trước bằng cách sử dụng IC LM324 và điều khiển các đèn LED để hiển thị đầu ra mà chúng tôi nhận được. Hãy để chúng tôi ngay lập tức vào nó, được không?

Thành phần bắt buộc

• IC OPAMP Quad LM324
• Đèn LED 4 × (Đỏ)
• Điện trở 1 × 2,5kΩ
• Điện trở 5 × 1kΩ
• Điện trở 1 × 1.6kΩ
• Điện trở 4 × 0,5kΩ
• Giá đỡ IC 14 chân
• Thiết bị đầu cuối trục vít PCB
• Ván đục lỗ
• Bộ hàn

IC OPAMP Quad LM324

LM324 là một IC op-amp Quad tích hợp với bốn op-amp được cấp nguồn từ nguồn điện chung. Phạm vi điện áp đầu vào vi sai có thể bằng phạm vi điện áp của nguồn điện. Điện áp bù đầu vào mặc định rất thấp, có độ lớn 2mV. Nhiệt độ hoạt động từ 0˚C đến 70˚C ở môi trường xung quanh trong khi nhiệt độ mối nối tối đa có thể lên đến 150˚C. Nói chung, op-amps có thể thực hiện các phép toán và có thể được sử dụng trong các cấu hình khác nhau như Bộ khuếch đại, bộ theo điện áp, bộ so sánh, v.v. Vì vậy, bằng cách sử dụng bốn OPAMP trong một IC, bạn sẽ tiết kiệm không gian và độ phức tạp của mạch. Nó có thể được cấp nguồn bằng một nguồn điện duy nhất trên dải điện áp rộng từ -3V đến 32V, quá đủ để kiểm tra mức pin lên đến 24V trên mạch này.

Sơ đồ mạch cho chỉ báo mức pin 12V

Có thể tìm thấy mạch hoàn chỉnh được sử dụng trong chỉ báo pin 12V bên dưới. Tôi đã sử dụng pin 9V cho mục đích minh họa trong hình ảnh bên dưới, nhưng giả sử nó là pin 12V.

Nếu bạn không thích các mạch đồ họa, bạn có thể kiểm tra hình ảnh bên dưới để biết các sơ đồ. Ở đây Vcc và Ground là các cực phải được kết nối với dương và âm của acquy 12V tương ứng.

Bây giờ, chúng ta hãy tiến hành tìm hiểu hoạt động của mạch. Để đơn giản, chúng ta có thể chia mạch điện thành 2 phần khác nhau.

Phần điện áp tham khảo:

Đầu tiên, chúng ta cần quyết định mức điện áp nào chúng ta muốn đo trong mạch và bạn có thể thiết kế mạch chia điện thế dựa trên điện trở của mình cho phù hợp. Trong mạch này, D2 là một Diode Zener tham chiếu được đánh giá 5.1V 5W nên nó sẽ điều chỉnh đầu ra thành 5.1V trên nó. Có 4 Điện trở 1k được kết nối nối tiếp trên nó với GND để giảm khoảng 1,25V trên mỗi điện trở mà chúng tôi sẽ sử dụng để so sánh với điện áp pin. Các điện áp tham chiếu để so sánh là khoảng 5,1V, 3,75V, 2,5V và 1,25V.

Ngoài ra, có một mạch phân áp khác mà chúng ta sẽ sử dụng để so sánh điện áp của pin với điện áp được cung cấp bởi bộ chia điện áp được kết nối qua Zener. Bộ chia điện áp này rất quan trọng vì bằng cách định cấu hình giá trị của nó, bạn sẽ quyết định các điểm điện áp mà bạn muốn thắp sáng các đèn LED tương ứng. Trong mạch này, chúng tôi đã chọn Điện trở 1,6k và Điện trở 1,0k mắc nối tiếp để cung cấp hệ số phân chia 2,6.

Vì vậy, nếu giới hạn trên của Pin là 13,8V, thì điện áp tương ứng được cung cấp bởi bộ chia tiềm năng sẽ là 13,8 / 2,6 = 5,3V cao hơn 5,1V được cung cấp bởi điện áp tham chiếu đầu tiên từ điốt Zener do đó tất cả các đèn LED sẽ là sáng nếu điện áp của pin là 12,5V tức là không được sạc đầy hoặc chưa được xả hết, thì điện áp tương ứng sẽ là 12,5 / 2,6 = 4,8V có nghĩa là nó nhỏ hơn 5,1V nhưng lớn hơn ba điện áp tham chiếu khác nên ba đèn LED sẽ sáng lên và một cái thì không. Vì vậy, bằng cách này, chúng ta có thể xác định phạm vi điện áp để thắp sáng một đèn LED riêng lẻ.

Bộ so sánh và Phần LED:

Trong phần này của mạch, chúng tôi chỉ điều khiển các đèn LED khác nhau cho các mức điện áp khác nhau. Vì IC LM324 là bộ so sánh dựa trên OPAMP nên bất cứ khi nào đầu cuối không đảo ngược của một OPAMP cụ thể ở điện thế cao hơn đầu cuối đảo, đầu ra OPAMP sẽ được kéo cao đến mức điện áp xấp xỉ VCC, là điện áp pin trong trường hợp của chúng tôi. Ở đây đèn LED sẽ không sáng vì điện áp ở cả Cực dương và Cathode của đèn LED đều bằng nhau nên không có dòng điện nào chạy qua. Nếu điện áp của thiết bị đầu cuối Đảo ngược cao hơn điện áp của thiết bị đầu cuối không đảo, thì đầu ra của OPAMP sẽ được kéo xuống mức GND do đó đèn LED sẽ sáng lên vì nó có sự chênh lệch tiềm năng giữa các đầu cuối của nó.

Trong mạch của chúng tôi, chúng tôi đã kết nối đầu cuối không đảo ngược của mỗi OPAMP với điện trở 1kΩ của mạch phân chia tiềm năng được kết nối qua pin và các đầu cuối Đảo chiều được kết nối với các mức điện áp khác nhau từ bộ chia tiềm năng được kết nối qua Zener. Vì vậy, bất cứ khi nào điện áp phân bổ của pin thấp hơn điện áp tham chiếu tương ứng của OPAMP đó, Đầu ra sẽ được kéo lên cao và đèn LED sẽ không sáng như đã giải thích trước đó.

Những thách thức và cải tiến:

Đây là một phương pháp khá thô sơ và cơ bản để ước tính điện áp của pin và bạn có thể sửa đổi thêm để đọc phạm vi điện áp theo sự lựa chọn của bạn bằng cách thêm một điện trở bổ sung mắc nối tiếp với bộ chia tiềm năng được kết nối qua điốt Zener 5.1V, bằng cách này, bạn có thể có được độ chính xác cao hơn trên phạm vi nhỏ hơn để có thể xác định nhiều mức điện áp hơn trong phạm vi nhỏ hơn cho các ứng dụng trong thế giới thực như đối với pin axit-chì.

Bạn cũng có thể giao diện các đèn LED có màu khác nhau cho các mức điện áp khác nhau và nếu bạn muốn có biểu đồ thanh. Tôi chỉ sử dụng một LM324 duy nhất trong mạch này để giữ cho nó đơn giản, bạn có thể sử dụng n số IC so sánh và với n điện trở, mắc nối tiếp với diode Zener điện áp tham chiếu, bạn có thể có bao nhiêu điện áp tham chiếu để so sánh tùy thích điều này sẽ làm tăng thêm độ chính xác của chỉ báo của bạn.

Xây dựng và kiểm tra chỉ báo mức pin 12V của chúng tôi

Bây giờ khi chúng ta đã thiết kế xong mạch, chúng ta cần phải chế tạo nó trên bảng điều khiển. Nếu muốn, bạn cũng có thể kiểm tra nó trên breadboard trước để xem nó hoạt động và gỡ lỗi những lỗi bạn có thể thấy trong mạch. Nếu bạn muốn đỡ rắc rối khi hàn tất cả các thành phần lại với nhau, bạn cũng có thể thiết kế PCB của riêng mình trên AutoCAD Eagle, EasyEDA, Proteus ARES hoặc bất kỳ phần mềm Thiết kế PCB nào khác mà bạn thích.

Vì LM324 có thể hoạt động trên nhiều nguồn cung cấp khác nhau, từ -3V đến 32V, bạn không phải lo lắng về việc cung cấp bất kỳ nguồn điện riêng biệt nào cho IC LM324, vì vậy chúng tôi chỉ sử dụng một cặp Đầu nối vít PCB. kết nối trực tiếp với các cực của pin và cấp nguồn cho toàn bộ PCB. Bạn có thể kiểm tra các mức Điện áp từ Min 5.5V đến tối đa là 15V bằng cách sử dụng Mạch này. Tôi thực sự khuyên bạn nên thêm một điện trở khác mắc nối tiếp trong bộ chia tiềm năng trên Zener và giảm phạm vi điện áp của mỗi đèn LED.

Nếu bạn muốn tăng phạm vi kiểm tra điện áp từ 12V lên 24V vì LM324 có khả năng kiểm tra pin lên đến 24V, bạn chỉ cần thay đổi hệ số phân chia điện áp của bộ chia điện áp được kết nối trên pin để làm cho chúng tương đương với mức điện áp cho trước bằng mạch tham chiếu Zener và đồng thời, nhân đôi Điện trở được kết nối với các đèn LED để bảo vệ nó khỏi dòng điện cao chạy qua chúng.

Hoạt động hoàn chỉnh của hướng dẫn này cũng có thể được tìm thấy trong video được liên kết bên dưới. Hy vọng bạn thích hướng dẫn và học được điều gì đó hữu ích nếu bạn có bất kỳ câu hỏi nào, hãy để lại chúng trong phần bình luận hoặc bạn có thể sử dụng diễn đàn của chúng tôi cho các câu hỏi kỹ thuật khác.