مؤشر بسيط لمستوى البطارية باستخدام المرجع

في العالم الحديث ، نستخدم البطاريات في كل أداة إلكترونية تقريبًا من هاتفك المحمول المحمول ومقياس الحرارة الرقمي والساعة الذكية إلى المركبات الكهربائية والطائرات والأقمار الصناعية وحتى المركبات الآلية الروبوتية المستخدمة على المريخ والتي استمرت بطاريتها حوالي 700 يوم مريخي (أيام المريخ). من الآمن القول بدون اختراع أجهزة التخزين الكهروكيميائية المعروفة أيضًا باسم البطاريات ، لن يكون العالم كما نعرفه موجودًا. هناك العديد من أنواع البطاريات المختلفة مثل حمض الرصاص ، و Ni-Cd ، و Lithium-Ion ، وما إلى ذلك. مع ظهور التكنولوجيا ، نشهد بطاريات جديدة تم اختراعها مثل بطاريات Li-air ، وبطاريات الليثيوم الصلبة ، وما إلى ذلك والتي تحتوي على أعلى سعة تخزين الطاقة ونطاق درجة حرارة التشغيل العالية. لقد ناقشنا بالفعل المزيد حول البطاريات وكيفية عملها في مقالاتنا السابقة. في هذه المقالة سوف نتعلم كيفية تصميم ملف مؤشر مستوى شحن البطارية 12 فولت باستخدام Op-Amp.

على الرغم من أن مستوى البطارية مصطلح غامض لأننا لا نستطيع حقًا قياس الشحنة المتبقية في البطارية إلا إذا استخدمنا حسابات وقياسات معقدة باستخدام نظام إدارة البطارية. ولكن في التطبيقات البسيطة ، لا نمتلك رفاهية هذه الطريقة ، لذا فإننا عادةً ما نستخدم طريقة تقدير مستوى البطارية البسيطة القائمة على جهد الدائرة المفتوحة والتي تعمل بشكل جيد مع بطاريات الرصاص الحمضية 12V لأن منحنى تفريغها خطي تقريبًا من 13.8 فولت إلى 10.1 فولت ، والتي تعتبر عادةً حديها الأعلى والأدنى. في السابق قمنا أيضًا ببناء مؤشر مستوى البطارية المستند إلى Arduino ودائرة مراقبة الجهد متعدد الخلايا ، يمكنك أيضًا التحقق منها إذا كنت مهتمًا.

في هذا المشروع ، سنصمم ونبني مؤشرًا لمستوى البطارية بجهد 12 فولت بمساعدة مقارنة رباعية OPAMP تعتمد IC LM324 والتي تتيح لنا استخدام 4 مقارنات تستند إلى OPAMP على شريحة واحدة. سنقوم بقياس جهد البطارية ومقارنته بالجهد المحدد مسبقًا باستخدام LM324 IC ونقوم بتشغيل مصابيح LED لعرض الإخراج الذي نحصل عليه. دعونا نقفز إليه مباشرة ، أليس كذلك؟

المكونات مطلوبة

• LM324 رباعي OPAMP IC
• 4 × مصابيح LED (أحمر)
• 1 × 2.5kΩ المقاوم
• 5 × 1kΩ المقاوم
• 1 × 1.6kΩ المقاوم
• 4 × 0.5kΩ المقاوم
• 14 دبوس IC حامل
• PCB برغي محطة
• بيرفبورد
• طقم لحام

LM324 رباعي OPAMP IC

LM324 عبارة عن وحدة تحكم رباعية أمبير رباعية مدمجة بأربعة مكبرات تشغيل تعمل بواسطة مصدر طاقة مشترك. يمكن أن يكون نطاق جهد الدخل التفاضلي مساويًا لجهد مصدر الطاقة. جهد إزاحة الإدخال الافتراضي منخفض جدًا وهو 2mV. تتراوح درجة حرارة التشغيل من 0 درجة مئوية إلى 70 درجة مئوية في البيئة المحيطة بينما يمكن أن تصل درجة حرارة التوصيل القصوى إلى 150 درجة مئوية. بشكل عام ، يمكن أن تقوم op-amps بعمليات حسابية ويمكن استخدامها في تكوينات مختلفة مثل Amplifier ، أو متابع الجهد ، أو المقارنة ، وما إلى ذلك. لذلك ، من خلال استخدام أربعة OPAMPs في IC واحد ، ستوفر مساحة وتعقيد الدائرة. يمكن تشغيله من خلال مصدر طاقة واحد على نطاق جهد واسع من -3 فولت إلى 32 فولت وهو أكثر من كافٍ لاختبار مستوى البطارية حتى 24 فولت في هذه الدائرة.

مخطط الدائرة لمؤشر مستوى البطارية 12 فولت

يمكن العثور أدناه على الدائرة الكاملة المستخدمة في مؤشر البطارية 12 فولت. لقد استخدمت بطارية 9V لغرض التوضيح في الصورة أدناه ، لكنني افترض أنها بطارية 12V.

إذا كنت لا تحب الدوائر الرسومية ، يمكنك التحقق من الصورة أدناه لمعرفة المخططات. هنا Vcc و Ground هما المحطات الطرفية التي يجب توصيلها ببطارية 12 فولت موجبة وسالبة على التوالي.

الآن ، لنبدأ في فهم عمل الدائرة. من أجل البساطة ، يمكننا تقسيم الدائرة إلى جزأين مختلفين.

قسم الجهد المرجعي:

أولاً ، نحتاج إلى تحديد مستويات الجهد التي نريد قياسها في الدائرة ، ويمكنك تصميم دائرة فاصل محتملة قائمة على المقاوم وفقًا لذلك. في هذه الدائرة ، D2 هو مرجع Zener Diode الذي تم تصنيفه 5.1V 5W ، لذلك سينظم الإخراج إلى 5.1V عبره. هناك 4 مقاومة 1 كيلو متصلة عبرها في سلسلة إلى GND ، لذا سيكون هناك انخفاض بمقدار 1.25 فولت تقريبًا عبر كل المقاوم الذي سنستخدمه لإجراء مقارنات مع جهد البطارية. الفولتية المرجعية للمقارنة حوالي 5.1 فولت ، 3.75 فولت ، 2.5 فولت ، 1.25 فولت.

أيضًا ، هناك دائرة أخرى لتقسيم الجهد سنستخدمها لمقارنة جهد البطارية بالجهد المعطى بواسطة مقسم الجهد المتصل عبر Zener. يعتبر مقسم الجهد هذا مهمًا لأنه من خلال تكوين قيمته ، ستقرر نقاط الجهد التي تريد بعدها إضاءة مصابيح LED المقابلة. في هذه الدائرة ، اخترنا 1.6k Resistor و 1.0k Resistor في سلسلة لتوفير عامل تقسيم 2.6.

لذلك إذا كان الحد الأعلى للبطارية هو 13.8 فولت ، فإن الجهد المقابل الذي يحدده المقسم المحتمل سيكون 13.8 / 2.6 = 5.3 فولت وهو أكثر من 5.1 فولت معطى بواسطة الجهد المرجعي الأول من الصمام الثنائي Zener وبالتالي ستكون جميع مصابيح LED مضاءة إذا كان الجهد الكهربائي للبطارية 12.5 فولت أي ليست مشحونة بالكامل ولا مفرغة بالكامل ، فإن الجهد المقابل سيكون 12.5 / 2.6 = 4.8 فولت مما يعني أنه أقل من 5.1 فولت ولكنه أكبر من الفولتية المرجعية الثلاثة الأخرى ، لذا فإن ثلاثة مصابيح LED تضيء ولا أحد. لذلك ، بهذه الطريقة ، يمكننا تحديد نطاقات الجهد لإضاءة مصباح LED فردي.

المقارنة وقسم LED:

في هذا الجزء من الدائرة ، نحن فقط نقود مصابيح LED المختلفة لمستويات جهد مختلفة. نظرًا لأن IC LM324 عبارة عن مقارن قائم على OPAMP ، لذلك كلما كانت المحطة غير العاكسة لـ OPAMP معينة ذات إمكانات أعلى من الطرف العكسي ، سيتم سحب خرج OPAMP عاليًا إلى مستوى الجهد VCC تقريبًا وهو جهد البطارية في حالتنا. هنا لن يضيء مؤشر LED لأن الفولتية في كل من الأنود والكاثود في الصمام متساويان لذلك لن يتدفق أي تيار. إذا كان جهد الطرف العكسي أعلى من الطرف غير العكسي ، فسيتم سحب خرج OPAMP إلى مستوى GND ومن ثم يضيء مؤشر LED لأنه يحتوي على فرق محتمل عبر أطرافه.

في دائرتنا ، قمنا بتوصيل الطرف غير العكسي لكل OPAMP بالمقاوم 1kΩ لدائرة المقسم المحتملة المتصلة عبر البطارية ، والمحطات العكسية متصلة بمستويات الجهد المختلفة من المقسم المحتمل المتصل عبر Zener. لذلك ، كلما كان الجهد المقسم للبطارية أقل من الجهد المرجعي المقابل لذلك OPAMP ، سيتم سحب الإخراج عالياً ولن يضيء مؤشر LED كما هو موضح سابقًا.

التحديات والتحسينات:

إنها طريقة بدائية وأساسية لتقريب الجهد الكهربائي للبطارية ويمكنك تعديلها بشكل إضافي لقراءة نطاق الجهد الذي تختاره بإضافة مقاوم إضافي في سلسلة مع وجود مقسم محتمل متصل عبر الصمام الثنائي 5.1V Zener ، بهذه الطريقة ، يمكنك الحصول على مزيد من الدقة على نطاق أصغر بحيث يمكنك تحديد المزيد من مستويات الجهد عبر نطاق أصغر لتطبيقات العالم الحقيقي مثل بطارية الرصاص الحمضية.

يمكنك أيضًا ربط مصابيح LED ملونة مختلفة لمستويات جهد مختلفة وإذا كنت تريد رسم بياني شريطي. لقد استخدمت فقط LM324 واحدًا في هذه الدائرة لإبقائها بسيطة ، يمكنك استخدام عدد n من الدوائر المتكاملة المقارنة ومع مقاومات n ، في سلسلة مع الجهد المرجعي Zener diode ، يمكنك الحصول على العديد من الفولتية المرجعية للمقارنة معها كما تريد مما سيزيد من دقة المؤشر الخاص بك.

بناء واختبار لدينا مؤشر مستوى البطارية 12V

الآن بعد أن انتهينا من تصميم الدائرة ، نحتاج إلى تصنيعها على لوحة الأداء. إذا كنت ترغب في ذلك ، يمكنك أيضًا اختباره على لوحة التجارب أولاً لمعرفة عمله وتصحيح الأخطاء التي قد تراها في الدائرة. إذا كنت ترغب في حفظ متاعب لحام جميع المكونات معًا ، يمكنك أيضًا تصميم PCB الخاص بك على AutoCAD Eagle أو EasyEDA أو Proteus ARES أو أي برنامج تصميم ثنائي الفينيل متعدد الكلور تريده.

نظرًا لأن LM324 يمكن أن يعمل على نطاق واسع من إمدادات الطاقة تتراوح من -3 فولت إلى 32 فولت ، فلا داعي للقلق بشأن توفير أي مصدر طاقة منفصل إلى LM324 IC ، لذلك استخدمنا زوجًا واحدًا فقط من المحطات اللولبية PCB والتي ستكون كذلك متصلة مباشرة بأطراف البطارية وتشغيل ثنائي الفينيل متعدد الكلور بالكامل. يمكنك التحقق من مستويات الجهد من 5.5 فولت كحد أدنى إلى 15 فولت كحد أقصى باستخدام هذه الدائرة. أوصي بشدة بإضافة مقاوم آخر في السلسلة في المقسم المحتمل عبر Zener وتقليل نطاق الجهد لكل LED.

إذا كنت ترغب في زيادة نطاق اختبار الجهد من 12 فولت إلى 24 فولت حيث أن LM324 قادر على اختبار بطارية تصل إلى 24 فولت ، عليك فقط تغيير عامل تقسيم الجهد لمقسم الجهد المتصل عبر البطارية لجعلها قابلة للمقارنة مع مستويات الجهد المعطاة بواسطة الدائرة المرجعية Zener وأيضًا مضاعفة المقاومة المتصلة بمصابيح LED لحمايتها من التدفق الحالي العالي من خلالها.

يمكن أيضًا العثور على العمل الكامل لهذا البرنامج التعليمي في الفيديو المرتبط أدناه. آمل أن تكون قد استمتعت بالبرنامج التعليمي وتعلمت شيئًا مفيدًا إذا كان لديك أي أسئلة ، اتركها في قسم التعليقات أو يمكنك استخدام منتدياتنا للأسئلة الفنية الأخرى.