現代の世界では、携帯電話、デジタル温度計、スマートウォッチから電気自動車、飛行機、衛星、さらには火星で使用されるロボットローバーまで、ほぼすべての電子機器でバッテリーを使用しています。火星のバッテリーは約700ソル（火星の日）でした。これらの電気化学貯蔵装置、別名バッテリーの発明がなければ、私たちが知っている世界は存在しなかったと言っても過言ではありません。鉛蓄電池、Ni-Cd、リチウムイオンなど、さまざまな種類の電池があります。技術の出現により、Li-air電池、固体リチウム電池など、より高い電池が発明されています。エネルギー貯蔵容量と高い動作温度範囲。バッテリーとその仕組みについては、以前の記事ですでに詳しく説明しました。この記事では、シンプルなデザインの方法を学びます オペアンプを使用した12Vバッテリー充電レベルインジケーター。
バッテリー管理システムを使用して複雑な計算と測定を行わない限り、バッテリーに残っている電荷を実際に測定することはできないため、バッテリーレベルはあいまいな用語ですが。しかし、単純なアプリケーションでは、この方法の贅沢がないため、通常、鉛蓄電池の放電曲線が13.8Vから10.1Vまでほぼ線形であるため、単純な開回路電圧ベースのバッテリーレベル推定方法を採用します。 、通常、上限と下限の上限と見なされます。以前は、Arduinoベースのバッテリーレベルインジケーターとマルチセル電圧監視回路も構築しましたが、興味があればチェックすることもできます。
このプロジェクトでは、クワッドコンパレータOPAMPベースのIC LM324を使用して、12Vバッテリレベルインジケータを設計および構築します。これにより、1つのチップで4つのOPAMPベースのコンパレータを使用できます。バッテリーの電圧を測定し、LM324 ICを使用して事前に指定された電圧と比較し、LEDを駆動して得られた出力を表示します。すぐに飛び込みましょう。
必要なコンポーネント
- LM324クワッドオペアンプIC
- 4×LEDライト（赤）
- 1×2.5kΩ抵抗
- 5×1kΩ抵抗
- 1×1.6kΩ抵抗
- 4×0.5kΩ抵抗
- 14ピンICホルダー
- PCBネジ留め式端子
- パフォーマンスボード
- はんだ付けキット
LM324クワッドオペアンプIC
LM324は、共通の電源から電力を供給される4つのオペアンプと統合されたクアッドオペアンプICです。差動入力電圧範囲は、電源電圧の範囲と等しくすることができます。デフォルトの入力オフセット電圧は非常に低く、大きさは2mVです。動作温度は周囲温度で0℃から70℃の範囲ですが、最大接合部温度は最大150℃です。一般に、オペアンプは数学演算を実行でき、アンプ、電圧フォロワ、コンパレータなどのさまざまな構成で使用できます。したがって、1つのICに4つのオペアンプを使用することで、回路のスペースと複雑さを節約できます。-3V〜32Vの広い電圧範囲で単一の電源から電力を供給できます。これは、この回路での最大24Vのバッテリレベルテストには十分すぎるほどです。
12Vバッテリーレベルインジケーターの回路図
12Vバッテリーインジケーターで使用される完全な回路は以下にあります。下の画像では説明のために9Vバッテリーを使用しましたが、12Vバッテリーと想定しています。
グラフィカル回路が気に入らない場合は、下の画像で回路図を確認できます。ここで、VccとGroundは、それぞれ正と負の12Vバッテリーに接続する必要がある端子です。
それでは、回路の動作を理解していきましょう。簡単にするために、回路を2つの異なる部分に分割することができます。
基準電圧セクション：
まず、回路で測定する電圧レベルを決定する必要があります。それに応じて、抵抗ベースの分圧回路を設計できます。この回路では、D2は定格5.1V 5Wのリファレンスツェナーダイオードであるため、出力を5.1Vに調整します。 GNDに直列に接続された4つの1k抵抗があるため、バッテリー電圧との比較に使用するすべての抵抗の両端に約1.25Vの電圧降下があります。比較のための基準電圧は、約5.1V、3.75V、2.5V、および1.25Vです。
また、バッテリー電圧をツェナーの両端に接続された分圧器によって与えられる電圧と比較するために使用する別の分圧回路があります。この分圧器は、その値を構成することにより、対応するLEDを点灯させる電圧ポイントを決定するため重要です。この回路では、2.6の分割係数を提供するために1.6k抵抗と1.0k抵抗を直列に選択しました。
したがって、バッテリーの上限が13.8Vの場合、分圧器によって与えられる対応する電圧は13.8 / 2.6 = 5.3Vになります。これは、Zenerダイオードからの最初の基準電圧によって与えられる5.1Vを超えるため、すべてのLEDは次のようになります。バッテリーの電圧が12.5Vの場合、つまり完全に充電も放電もされていない場合に点灯します。対応する電圧は12.5 / 2.6 = 4.8Vになります。つまり、5.1V未満ですが、他の3つの基準電圧よりも高いため、3つのLEDが点灯します。点灯しますが、点灯しません。したがって、このようにして、個々のLEDを点灯するための電圧範囲を決定できます。
コンパレータおよびLEDセクション：
回路のこの部分では、さまざまな電圧レベルでさまざまなLEDを駆動しています。 IC LM324はOPAMPベースのコンパレータであるため、特定のOPAMPの非反転端子が反転端子よりも高い電位にあるときはいつでも、OPAMP出力はこの場合のバッテリ電圧であるほぼVCC電圧レベルまでハイにプルアップされます。ここでは、LEDのアノードとカソードの両方の電圧が等しいため、LEDは点灯せず、電流は流れません。反転端子の電圧が非反転端子の電圧よりも高い場合、OPAMPの出力はGNDレベルにプルダウンされるため、端子間に電位差があるため、LEDが点灯します。
私たちの回路では、各オペアンプの非反転端子をバッテリーに接続された分圧器回路の1kΩ抵抗に接続し、反転端子はツェナーに接続された分圧器とは異なる電圧レベルに接続されています。したがって、バッテリの割り当てられた電圧がそのOPAMPの対応する基準電圧よりも低い場合は常に、出力がハイにプルされ、前述のようにLEDが点灯しません。
課題と改善：
これは、バッテリーの電圧を概算するかなり大雑把で基本的な方法であり、5.1Vゼナーダイオードの両端に接続された分圧器と直列に抵抗を追加することで、選択した電圧範囲を読み取るようにさらに変更できます。このようにして、より狭い範囲でより高い精度を得ることができるため、鉛蓄電池などの実際のアプリケーションで、より狭い範囲でより多くの電圧レベルを識別できます。
さまざまな電圧レベルに対して、また棒グラフが必要な場合は、さまざまな色のLEDを接続することもできます。この回路では、単純にするために1つのLM324のみを使用しました。n個のコンパレータICを使用でき、n個の抵抗を使用して、基準電圧ツェナーダイオードと直列に、必要な数の基準電圧を比較できます。これにより、インジケーターの精度がさらに向上します。
12Vバッテリーレベルインジケーターの構築とテスト
回路の設計が完了したら、パフォーマンスボード上に回路を作成する必要があります。必要に応じて、最初にブレッドボードでテストして動作を確認し、回路で見られる可能性のある間違いをデバッグすることもできます。すべてのコンポーネントをはんだ付けする手間を省きたい場合は、AutoCAD Eagle、EasyEDA、Proteus ARES、またはその他のPCB設計ソフトウェアで独自のPCBを設計することもできます。
LM324は-3Vから32Vまでの幅広い電源で動作するため、LM324 ICに個別の電源を提供することを心配する必要はありません。そのため、1対のPCBネジ留め式端子のみを使用しました。バッテリー端子に直接接続され、PCB全体に電力を供給します。この回路を使用して、最小5.5Vから最大15Vまでの電圧レベルを確認できます。ツェナー両端の分圧器に直列に別の抵抗を追加し、各LEDの電圧範囲を下げることを強くお勧めします。
LM324は最大24Vのバッテリーをテストできるため、電圧テスト範囲を12Vから24Vに増やしたい場合は、バッテリーの両端に接続されている分圧器の電圧分割係数を変更して、指定された電圧レベルに匹敵するようにする必要があります。 Zener基準回路によって、また、LEDに接続された抵抗を2倍にして、LEDを流れる大電流から保護します。
このチュートリアルの完全な動作は、以下にリンクされているビデオにもあります。チュートリアルを楽しんで、質問がある場合に役立つことを学んだことを願っています。コメントセクションに残しておくか、フォーラムを使用して他の技術的な質問をすることができます。