Indicador de nível de bateria simples usando op

No mundo moderno, usamos baterias em quase todos os dispositivos eletrônicos, desde o seu celular portátil, termômetro digital, smartwatch até veículos elétricos, aviões, satélites e até mesmo robôs robóticos usados ​​em Marte, cuja bateria durava cerca de 700 sóis (dias marcianos). É seguro dizer que sem a invenção desses dispositivos de armazenamento eletroquímico, também conhecidos como baterias, o mundo como o conhecemos não existiria. Existem muitos tipos diferentes de baterias como chumbo-ácido, Ni-Cd, íon-lítio, etc. Com o advento da tecnologia, estamos vendo novas baterias inventadas, como baterias de lítio-ar, baterias de lítio de estado sólido, etc. capacidade de armazenamento de energia e alta faixa de temperatura operacional. Já discutimos mais sobre baterias e como elas funcionam em nossos artigos anteriores. Neste artigo, aprenderemos como projetar um simples Indicador do nível de carga da bateria de 12V usando Op-Amp.

Embora o nível da bateria seja um termo ambíguo, não podemos realmente medir a carga restante na bateria, a menos que empreguemos cálculos e medições complexas usando um sistema de gerenciamento de bateria. Mas em aplicações simples, não temos o luxo deste método, então geralmente empregamos um método simples de estimativa de nível de bateria baseado em tensão de circuito aberto que funciona muito bem para baterias de ácido-chumbo de 12V, já que sua curva de descarga é quase linear de 13,8 V a 10,1 V, que geralmente são considerados seus limites extremos superior e inferior. Anteriormente, também construímos um indicador de nível de bateria baseado em Arduino e um circuito de monitoramento de tensão de múltiplas células, você também pode verificá-los se estiver interessado.

Neste projeto, iremos projetar e construir um indicador de nível de bateria de 12 V com a ajuda de um comparador quádruplo baseado em OPAMP IC LM324 que nos permite usar 4 comparadores baseados em OPAMP em um único chip. Vamos medir a tensão da bateria e compará-la com a tensão pré-especificada usando o IC LM324 e acionar os LEDs para exibir a saída que obtemos. Vamos pular direto para ele, vamos?

Componentes necessários

• LM324 Quad OPAMP IC
• 4 × luzes LED (vermelhas)
• 1 × 2,5kΩ Resistor
• 5 × 1kΩ Resistor
• Resistor 1 × 1,6kΩ
• 4 × 0,5kΩ Resistor
• Suporte de IC de 14 pinos
• Terminal de parafuso PCB
• Perfboard
• Kit de Solda

LM324 Quad OPAMP IC

O LM324 é um CI Quad op-amp integrado com quatro op-amps alimentado por uma fonte de alimentação comum. A faixa de tensão de entrada diferencial pode ser igual à tensão da fonte de alimentação. A tensão de deslocamento de entrada padrão é muito baixa, com magnitude de 2mV. A temperatura operacional varia de 0˚C a 70˚C no ambiente, enquanto a temperatura máxima de junção pode ser de até 150˚C. Geralmente, os amplificadores operacionais podem realizar operações matemáticas e podem ser usados ​​em várias configurações como amplificador, seguidor de tensão, comparador, etc. Assim, ao empregar quatro OPAMPs em um único IC, você economizará espaço e complexidade do circuito. Ele pode ser alimentado por uma única fonte de alimentação em uma ampla faixa de tensão de -3 V a 32 V, que é mais do que suficiente para testes de nível de bateria de até 24 V neste circuito.

Diagrama de circuito para indicador de nível de bateria de 12V

O circuito completo usado no indicador de bateria de 12 V pode ser encontrado abaixo. Usei uma bateria de 9 V para fins ilustrativos na imagem abaixo, mas suponha que seja uma bateria de 12 V.

Se você não gosta de circuitos gráficos, você pode verificar a imagem abaixo para os esquemas. Aqui, Vcc e Terra são os terminais que devem ser conectados à bateria de 12 V positivo e negativo, respectivamente.

Agora, vamos prosseguir com a compreensão do funcionamento do circuito. Por uma questão de simplicidade, podemos dividir o circuito em 2 partes diferentes.

Seção de tensões de referência:

Primeiro, precisamos decidir quais níveis de tensão queremos medir no circuito, e você pode projetar seu circuito divisor de potencial baseado em resistor de acordo. Neste circuito, D2 é um diodo Zener de referência que é classificado como 5,1 V 5 W, portanto, ele regulará a saída para 5,1 V nele. Há 4 resistências de 1k conectadas em série ao GND, de modo que haverá uma queda de aproximadamente 1,25 V em cada resistor que usaremos para fazer comparações com a tensão da bateria. As tensões de referência para comparação são de aproximadamente 5,1 V, 3,75 V, 2,5 V e 1,25 V.

Além disso, há outro circuito divisor de tensão que usaremos para comparar as tensões da bateria com as tensões fornecidas pelo divisor de tensão conectado ao Zener. Este divisor de tensão é importante porque configurando seu valor, você decidirá os pontos de tensão além dos quais deseja acender os LEDs correspondentes. Neste circuito, escolhemos um resistor de 1,6k e um resistor de 1,0k em série para fornecer um fator de divisão de 2,6.

Portanto, se o limite superior da bateria é de 13,8 V, a tensão correspondente fornecida pelo divisor de potencial será 13,8 / 2,6 = 5,3 V, que é mais do que 5,1 V dada pela primeira tensão de referência do diodo Zener, portanto, todos os LEDs serão aceso se a tensão da bateria for 12,5 V, ou seja, nem totalmente carregada nem totalmente descarregada, então a tensão correspondente será 12,5 / 2,6 = 4,8 V, o que significa que é menor que 5,1 V, mas maior que as outras três tensões de referência, então três LEDs irão acender e um não. Assim, podemos determinar as faixas de voltagem para acender um LED individual.

Seção de comparação e LED:

Nesta parte do circuito, estamos apenas conduzindo os LEDs diferentes para diferentes níveis de tensão. Uma vez que IC LM324 é um comparador baseado em OPAMP, sempre que o terminal não inversor de um OPAMP particular está em um potencial mais alto do que o terminal inversor, a saída OPAMP será puxada para o nível de tensão de aproximadamente VCC, que é a tensão da bateria em nosso caso. Aqui, o LED não acenderá porque as tensões no ânodo e no cátodo do LED são iguais, então nenhuma corrente fluiria. Se a tensão do terminal inversor for maior do que a do terminal não inversor, a saída do OPAMP será puxada para baixo até o nível GND, portanto, o LED acenderá porque há uma diferença de potencial entre seus terminais.

Em nosso circuito, conectamos o terminal não inversor de cada OPAMP ao resistor de 1kΩ do circuito divisor de potencial conectado à bateria, e os terminais de inversão são conectados aos diferentes níveis de tensão do divisor de potencial conectado ao Zener. Portanto, sempre que a tensão distribuída da bateria for menor do que a tensão de referência correspondente desse OPAMP, a saída será elevada e o LED não acenderá como explicado anteriormente.

Desafios e melhorias:

É um método bastante rudimentar e básico de aproximar a voltagem da bateria e você pode modificá-lo ainda mais para ler uma faixa de voltagem de sua escolha com a adição de um resistor adicional em série com o divisor de potencial conectado ao diodo Zener de 5.1 V, dessa forma, você pode obter mais precisão em uma faixa menor para que possa identificar mais níveis de tensão em uma faixa menor para aplicações do mundo real, como para uma bateria de chumbo-ácido.

Você também pode conectar LEDs de cores diferentes para níveis de tensão diferentes e se quiser um gráfico de barras. Eu usei apenas um único LM324 neste circuito para mantê-lo simples, você pode usar um número n de CIs comparadores e com n resistores, em série com o diodo Zener de tensão de referência, você pode ter quantas tensões de referência quiser para comparar o que aumentará ainda mais a precisão do seu indicador.

Construindo e testando nosso indicador de nível de bateria de 12V

Agora que terminamos de projetar o circuito, precisamos fabricá-lo na placa de desempenho. Se desejar, você também pode testá-lo em uma placa de ensaio primeiro para ver seu funcionamento e depurar os erros que você pode ver no circuito. Se você quiser evitar o incômodo de soldar todos os componentes juntos, também pode projetar seu próprio PCB no AutoCAD Eagle, EasyEDA ou Proteus ARES ou em qualquer outro software de design de PCB de sua preferência.

Como o LM324 pode funcionar em uma ampla variedade de fontes de alimentação variando de -3V a 32V, você não precisa se preocupar em fornecer qualquer fonte de alimentação separada para o LM324 IC, então usamos apenas um par de terminais de parafuso PCB que serão diretamente conectado aos terminais da bateria e alimentar todo o PCB. Você pode verificar os níveis de tensão de no mínimo 5,5 V a um máximo de 15 V usando este circuito. Eu recomendo fortemente que você adicione outro resistor em série no divisor de potencial através do Zener e diminua a faixa de tensão de cada LED.

Se você quiser aumentar a faixa de teste de tensão de 12 V a 24 V, já que o LM324 é capaz de testar bateria de até 24 V, você só precisa alterar o fator de divisão de tensão do divisor de tensão conectado à bateria para torná-los comparáveis ​​aos níveis de tensão fornecidos pelo circuito de referência Zener e também, dobre as resistências conectadas com os LEDs para protegê-lo contra o fluxo de alta corrente através deles.

O trabalho completo deste tutorial também pode ser encontrado no vídeo com link abaixo. Espero que você tenha gostado do tutorial e aprendido algo útil se tiver alguma dúvida, deixe-os na seção de comentários ou você pode usar nossos fóruns para outras questões técnicas.