如何使用運(yùn)算放大器設(shè)計(jì)一個(gè)簡單的12V電池電量指示器

在現(xiàn)代世界中，我們?cè)趲缀跛?a target="_blank">電子產(chǎn)品中都使用電池，從您的手持手機(jī)、數(shù)字溫度計(jì)、智能手表到電動(dòng)汽車、飛機(jī)、衛(wèi)星，甚至是火星上使用的機(jī)器人漫游車，其電池續(xù)航時(shí)間約為 700 sols（火星日）。可以肯定地說，如果沒有這些電化學(xué)存儲(chǔ)設(shè)備（即電池）的發(fā)明，我們所知道的世界就不會(huì)存在。有許多不同類型的電池，如鉛酸、鎳鎘、鋰離子等。隨著技術(shù)的出現(xiàn)，我們看到新的電池被發(fā)明出來，如鋰空氣電池、固態(tài)鋰電池等。儲(chǔ)能能力和高工作溫度范圍。我們已經(jīng)討論了更多關(guān)于電池的信息以及它們?cè)谖覀冎暗奈恼轮惺侨绾喂ぷ鞯?。在本文中，我們將學(xué)習(xí)如何使用運(yùn)算放大器 設(shè)計(jì)一個(gè)簡單的12V 電池電量指示器。

盡管電池電量是一個(gè)模棱兩可的術(shù)語，因?yàn)槌俏覀兪褂?a target="_blank">電池管理系統(tǒng)進(jìn)行復(fù)雜的計(jì)算和測量，否則我們無法真正測量電池中剩余的電量。但是在簡單的應(yīng)用中，我們沒有這種方法的奢侈，因此我們通常采用簡單的基于開路電壓的電池電量估計(jì)方法，該方法非常適用于鉛酸 12V 電池，因?yàn)樗鼈兊姆烹娗€從 13.8V 到 10.1V 幾乎是線性的，通常被認(rèn)為是其上限和下限。之前我們還構(gòu)建了一個(gè)基于 Arduino 的電池電量指示器和一個(gè)多節(jié)電池電壓監(jiān)測電路，如果您有興趣也可以查看它們。

在這個(gè)項(xiàng)目中，我們將借助基于四路比較器 OPAMP 的 IC LM324設(shè)計(jì)和構(gòu)建一個(gè)12V 電池電量指示器，這使我們可以在單個(gè)芯片上使用 4 個(gè)基于 OPAMP 的比較器。我們將測量電池的電壓，并使用 LM324 IC 將其與預(yù)先指定的電壓進(jìn)行比較，并驅(qū)動(dòng) LED 以顯示我們得到的輸出。讓我們直接跳進(jìn)去，好嗎？

所需組件

LM324 四路運(yùn)算放大器 IC

4×LED燈（紅色）

1×2.5kΩ電阻

5×1kΩ電阻

1×1.6kΩ電阻

4×0.5kΩ電阻

14針I(yè)C座

PCB螺絲端子

穿孔板

焊接套件

LM324 四路運(yùn)算放大器 IC

LM324 是一款集成了四個(gè)運(yùn)算放大器的四路運(yùn)算放大器 IC，由一個(gè)公共電源供電。差分輸入電壓范圍可以等于電源電壓的范圍。默認(rèn)輸入失調(diào)電壓非常低，幅度為 2mV。環(huán)境溫度范圍為 0°C 至 70°C，而最高結(jié)溫可高達(dá) 150°C。通常，運(yùn)算放大器可以執(zhí)行數(shù)學(xué)運(yùn)算，并可用于各種配置，如放大器、電壓跟隨器、比較器等。因此，通過在單個(gè) IC 中使用四個(gè) OPAMP，您將節(jié)省電路的空間和復(fù)雜性。它可以在 -3V 至 32V 的寬電壓范圍內(nèi)由單個(gè)電源供電，這對(duì)于在該電路上進(jìn)行高達(dá) 24V 的電池電量測試來說綽綽有余。

12V電池電量指示器電路圖

12V 電池指示器中使用的完整電路如下所示。我在下圖中使用了 9V 電池進(jìn)行說明，但假設(shè)它是 12V 電池。

如果您不喜歡圖形電路，可以查看下圖的原理圖。這里 Vcc 和 Ground 是必須分別連接到 12V 電池正極和負(fù)極的端子。

現(xiàn)在，讓我們繼續(xù)了解電路的工作原理。為了簡單起見，我們可以將電路分為 2 個(gè)不同的部分。

參考電壓部分：

首先，我們需要決定要在電路中測量哪些電壓電平，然后您可以相應(yīng)地設(shè)計(jì)基于電阻的分壓器電路。在這個(gè)電路中，D2 是一個(gè)額定為 5.1V 5W 的參考齊納二極管，因此它將輸出調(diào)節(jié)到 5.1V。有 4 個(gè) 1k 電阻串聯(lián)到 GND，因此每個(gè)電阻上都會(huì)有大約 1.25V 的壓降，我們將使用它來與電池電壓進(jìn)行比較。用于比較的參考電壓約為 5.1V、3.75V、2.5V 和 1.25V。

此外，還有另一個(gè)分壓器電路，我們將使用它來將電池電壓與連接在齊納二極管上的分壓器給出的電壓進(jìn)行比較。這個(gè)分壓器很重要，因?yàn)橥ㄟ^配置它的值，您將決定要點(diǎn)亮相應(yīng) LED 的電壓點(diǎn)。在這個(gè)電路中，我們選擇了串聯(lián)的 1.6k 電阻和 1.0k 電阻，以提供 2.6 的分壓系數(shù)。

因此，如果電池的上限為 13.8V，則分壓器給出的相應(yīng)電壓將為 13.8/2.6=5.3V，大于齊納二極管的第一個(gè)參考電壓給出的 5.1V，因此所有 LED 將是如果電池電壓為 12.5V 即未充滿也未完全放電時(shí)點(diǎn)亮，則對(duì)應(yīng)的電壓將為 12.5/2.6=4.8V，即小于 5.1V 但大于其他三個(gè)參考電壓，因此三個(gè) LED 將點(diǎn)亮，一個(gè)不會(huì)。因此，通過這種方式，我們可以確定點(diǎn)亮單個(gè) LED 的電壓范圍。

比較器和 LED 部分：

在這部分電路中，我們只是為不同的電壓水平驅(qū)動(dòng)不同的 LED。由于 IC LM324 是基于 OPAMP 的比較器，因此每當(dāng)特定 OPAMP 的非反相端子處于比反相端子更高的電位時(shí)，OPAMP 輸出將被拉高至大約 VCC 電壓電平，在我們的例子中是電池電壓。 此處 LED 不會(huì)點(diǎn)亮，因?yàn)?LED 的陽極和陰極電壓相等，因此沒有電流流過。如果反相端的電壓高于同相端的電壓，則 OPAMP 的輸出將被拉低至 GND 電平，因此 LED 將亮起，因?yàn)槠鋬啥舜嬖陔娢徊睢?/p>

在我們的電路中，我們將每個(gè) OPAMP 的非反相端子連接到電池兩端連接的分壓器電路的 1kΩ 電阻器上，反相端子連接到齊納二極管上連接的分壓器的不同電壓電平。因此，每當(dāng)電池的分配電壓低于該 OPAMP 的相應(yīng)參考電壓時(shí)，輸出將被拉高并且 LED 不會(huì)像前面解釋的那樣點(diǎn)亮。

挑戰(zhàn)與改進(jìn)：

It is a rather crude and basic method of approximating the voltage of the battery and you can further modify it to read a range of the voltage to your choice with adding an additional resistor in series with the potential divider connected across the 5.1V Zener diode， in this way， you can get more accuracy on a smaller range so that you can identify more voltage levels across a smaller range for real-world applications like for a lead-acid battery.

如果需要條形圖，您還可以為不同的電壓水平連接不同顏色的 LED。為了簡單起見，我在這個(gè)電路中只使用了一個(gè) LM324，你可以使用 n 個(gè)比較器 IC 和 n 個(gè)電阻器，與參考電壓齊納二極管串聯(lián)，你可以有盡可能多的參考電壓來比較你想要的這將進(jìn)一步提高指標(biāo)的準(zhǔn)確性。

構(gòu)建和測試我們的 12V 電池電量指示器

現(xiàn)在我們已經(jīng)完成了電路的設(shè)計(jì)，我們需要在 perf 板上制作它。如果需要，您還可以先在面包板上對(duì)其進(jìn)行測試，以查看其工作情況并調(diào)試您可能在電路中看到的錯(cuò)誤。如果您想省去將所有組件焊接在一起的麻煩，您還可以在 AutoCAD Eagle、EasyEDA 或 Proteus ARES 或您喜歡的任何其他PCB 設(shè)計(jì)軟件上設(shè)計(jì)自己的 PCB。

由于 LM324 可以在 -3V 到 32V 的廣泛電源范圍內(nèi)工作，因此您不必?fù)?dān)心為 LM324 IC 提供任何單獨(dú)的電源，因此我們只使用了一對(duì) PCB 螺絲端子直接連接到電池端子并為整個(gè) PCB 供電。您可以使用此電路檢查從最低 5.5V 到最高 15V 的電壓電平。我強(qiáng)烈建議您在齊納二極管的分壓器中串聯(lián)另一個(gè)電阻器，并降低每個(gè) LED 的電壓范圍。

如果您想將電壓測試范圍從 12V 增加到 24V，因?yàn)?LM324 能夠測試高達(dá) 24V 的電池，您只需更改電池兩端連接的分壓器的分壓系數(shù)，使其與給定的電壓水平相當(dāng)通過齊納參考電路，并且將與 LED 連接的電阻加倍，以防止高電流流過它們。