Indicador de nivel de batería simple usando op

En el mundo moderno, usamos baterías en casi todos los dispositivos electrónicos, desde su teléfono móvil de mano, termómetro digital, reloj inteligente hasta vehículos eléctricos, aviones, satélites e incluso rovers robóticos utilizados en Marte cuya batería duró alrededor de 700 soles (días marcianos). Es seguro decir que sin la invención de estos dispositivos de almacenamiento electroquímicos, también conocidos como baterías, el mundo tal como lo conocemos no existiría. Hay muchos tipos diferentes de baterías como plomo-ácido, Ni-Cd, iones de litio, etc. Con el advenimiento de la tecnología, estamos viendo nuevas baterías inventadas como baterías de Li-aire, baterías de litio de estado sólido, etc. capacidad de almacenamiento de energía y alto rango de temperatura de funcionamiento. Ya hemos hablado más sobre las baterías y cómo funcionan en nuestros artículos anteriores. En este artículo, aprenderemos a diseñar un sencillo Indicador de nivel de carga de la batería de 12V usando Op-Amp.

Aunque el nivel de la batería es un término ambiguo porque realmente no podemos medir la carga que queda en la batería a menos que empleemos cálculos y mediciones complejas utilizando un sistema de gestión de la batería. Pero en aplicaciones simples, no tenemos el lujo de este método, por lo que generalmente empleamos un método simple de estimación de nivel de batería basado en voltaje de circuito abierto que funciona muy bien para baterías de plomo ácido de 12 V ya que su curva de descarga es casi lineal de 13,8 V a 10,1 V., que generalmente se consideran sus límites extremos superior e inferior. Anteriormente, también hemos construido un indicador de nivel de batería basado en Arduino y un circuito de monitoreo de voltaje de celda múltiple, también puede consultarlos si está interesado.

En este proyecto, diseñaremos y construiremos un indicador de nivel de batería de 12V con la ayuda de un IC LM324 basado en OPAMP cuádruple que nos permite usar 4 comparadores basados ​​en OPAMP en un solo chip. Mediremos el voltaje de la batería y lo compararemos con el voltaje preespecificado usando el LM324 IC y manejaremos los LED para mostrar la salida que obtenemos. Saltemos directamente a ello, ¿de acuerdo?

Componentes requeridos

• LM324 Quad OPAMP IC
• 4 × luces LED (rojo)
• 1 × resistencia de 2,5 kΩ
• Resistencia de 5 × 1kΩ
• 1 × resistencia de 1,6 kΩ
• Resistencia de 4 × 0.5kΩ
• Soporte IC de 14 pines
• Terminal de tornillo de PCB
• Perfboard
• Kit de soldadura

LM324 Quad OPAMP IC

LM324 es un circuito integrado de amplificador operacional cuádruple integrado con cuatro amplificadores operacionales alimentados por una fuente de alimentación común. El rango de voltaje de entrada diferencial puede ser igual al del voltaje de la fuente de alimentación. El voltaje de compensación de entrada predeterminado es muy bajo, que tiene una magnitud de 2 mV. La temperatura de funcionamiento varía de 0 ° C a 70 ° C a temperatura ambiente, mientras que la temperatura máxima de unión puede ser de hasta 150 ° C. Generalmente, los amplificadores operacionales pueden realizar operaciones matemáticas y se pueden usar en varias configuraciones como amplificador, seguidor de voltaje, comparador, etc. Entonces, al emplear cuatro OPAMP en un solo IC, ahorrará espacio y complejidad del circuito. Puede ser alimentado por una sola fuente de alimentación en un amplio rango de voltaje de -3V a 32V, que es más que suficiente para pruebas de nivel de batería de hasta 24V en este circuito.

Diagrama de circuito para indicador de nivel de batería de 12V

El circuito completo utilizado en el indicador de batería de 12V se puede encontrar a continuación. He utilizado una batería de 9 V con fines ilustrativos en la imagen de abajo, pero supongo que es una batería de 12 V.

Si no le gustan los circuitos gráficos, puede consultar la imagen de abajo para ver los esquemas. Aquí Vcc y Ground son los terminales que deben conectarse a la batería de 12V positiva y negativa respectivamente.

Ahora, procedamos a comprender el funcionamiento del circuito. En aras de la simplicidad, podemos dividir el circuito en 2 partes diferentes.

Sección de voltajes de referencia:

Primero, debemos decidir qué niveles de voltaje queremos medir en el circuito, y puede diseñar su circuito divisor de potencial basado en resistencias en consecuencia. En este circuito, D2 es un diodo Zener de referencia que tiene una clasificación de 5.1V 5W, por lo que regulará la salida a 5.1V a través de él. Hay 4 resistencias de 1k conectadas en serie al GND, por lo que habrá una caída de aproximadamente 1.25 V en cada resistencia que usaremos para hacer comparaciones con el voltaje de la batería. Los voltajes de referencia para la comparación son aproximadamente 5.1V, 3.75V, 2.5V y 1.25V.

Además, hay otro circuito divisor de voltaje que usaremos para comparar los voltajes de la batería con los voltajes dados por el divisor de voltaje conectado a través de Zener. Este divisor de voltaje es importante porque al configurar su valor, decidirás los puntos de voltaje más allá de los cuales quieres encender los LED correspondientes. En este circuito, hemos elegido una resistencia de 1.6k y una resistencia de 1.0k en serie para proporcionar un factor de división de 2.6.

Entonces, si el límite superior de la batería es 13.8V, entonces el voltaje correspondiente dado por el divisor de potencial será 13.8 / 2.6 = 5.3V, que es más de 5.1V dado por el primer voltaje de referencia del diodo Zener, por lo tanto, todos los LED serán Encendido si el voltaje de la batería es de 12,5 V, es decir, ni completamente cargado ni completamente descargado, entonces el voltaje correspondiente será 12,5 / 2,6 = 4,8 V, lo que significa que es inferior a 5,1 V pero mayor que los otros tres voltajes de referencia, por lo que tres LED se enciende y uno no lo hará. Entonces, de esta manera, podemos determinar los rangos de voltaje para encender un LED individual.

Sección del comparador y LED:

En esta parte del circuito, solo estamos controlando los diferentes LED para diferentes niveles de voltaje. Dado que IC LM324 es un comparador basado en OPAMP, siempre que el terminal no inversor de un OPAMP en particular tenga un potencial más alto que el terminal inversor, la salida OPAMP se elevará hasta el nivel de voltaje de aproximadamente VCC, que es el voltaje de la batería en nuestro caso. Aquí el LED no se enciende porque los voltajes tanto en el ánodo como en el cátodo del LED son iguales, por lo que no fluiría corriente. Si el voltaje del terminal inversor es más alto que el del terminal no inversor, entonces la salida del OPAMP bajará al nivel GND, por lo que el LED se iluminará porque tiene una diferencia de potencial entre sus terminales.

En nuestro circuito, hemos conectado el terminal no inversor de cada OPAMP a la resistencia de 1kΩ del circuito divisor de potencial conectado a través de la batería, y los terminales inversores están conectados a los diferentes niveles de voltaje del divisor de potencial conectado a través del Zener. Por lo tanto, siempre que el voltaje distribuido de la batería sea más bajo que el voltaje de referencia correspondiente de ese OPAMP, la salida se elevará y el LED no se encenderá como se explicó anteriormente.

Desafíos y mejoras:

Es un método bastante crudo y básico para aproximar el voltaje de la batería y puede modificarlo aún más para leer un rango de voltaje a su elección agregando una resistencia adicional en serie con el divisor de potencial conectado a través del diodo Zener de 5.1V, De esta manera, puede obtener más precisión en un rango más pequeño para que pueda identificar más niveles de voltaje en un rango más pequeño para aplicaciones del mundo real, como una batería de plomo-ácido.

También puede conectar LED de diferentes colores para diferentes niveles de voltaje y si desea un gráfico de barras. Solo he usado un solo LM324 en este circuito para mantenerlo simple, puede usar n número de CI comparadores y con n resistencias, en serie con el diodo Zener de voltaje de referencia, puede tener tantos voltajes de referencia para comparar como desee lo que aumentará aún más la precisión de su indicador.

Construyendo y probando nuestro indicador de nivel de batería de 12V

Ahora que hemos terminado de diseñar el circuito, necesitamos fabricarlo en la placa de perforación. Si lo desea, también puede probarlo en una placa de pruebas primero para ver si funciona y depurar los errores que pueda ver en el circuito. Si desea evitar la molestia de soldar todos los componentes juntos, también puede diseñar su propia PCB en AutoCAD Eagle, EasyEDA o Proteus ARES o cualquier otro software de diseño de PCB que desee.

Como el LM324 puede funcionar con una amplia gama de fuentes de alimentación que van desde -3V a 32V, no tiene que preocuparse por proporcionar ninguna fuente de alimentación separada al LM324 IC, por lo que hemos utilizado solo un par de terminales de tornillo de PCB que serán conectado directamente a los terminales de la batería y alimenta toda la PCB. Puede verificar los niveles de voltaje desde un mínimo de 5,5 V hasta un máximo de 15 V utilizando este circuito. Le recomiendo encarecidamente que agregue otra resistencia en serie en el divisor de potencial a través del Zener y disminuya el rango de voltaje de cada LED.

Si desea aumentar el rango de prueba de voltaje de 12 V a 24 V, ya que el LM324 es capaz de probar una batería de hasta 24 V, solo tiene que cambiar el factor de división de voltaje del divisor de voltaje conectado a través de la batería para que sean comparables a los niveles de voltaje dados. por el circuito de referencia Zener y, además, duplica las Resistencias conectadas con los LED para resguardarlo del alto flujo de corriente a través de ellos.

El funcionamiento completo de este tutorial también se puede encontrar en el video vinculado a continuación. Espero que haya disfrutado del tutorial y haya aprendido algo útil si tiene alguna pregunta, déjela en la sección de comentarios o puede usar nuestros foros para otras preguntas técnicas.