使用运算放大器的简单电池电量指示器

时间：2024-12-07 16:54:02

关键字：电池电量指示器运算放大器固态锂电池

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[导读]在现代世界，我们几乎在每一个电子产品中都使用电池，从手持手机、数字温度计、智能手表到电动汽车、飞机、卫星，甚至是在火星上使用的机器人漫游者，其电池续航时间约为700个太阳(火星日)。可以肯定地说，如果没有这些电化学存储装置，也就是电池的发明，我们所知道的世界就不会存在。有许多不同类型的电池，如铅酸电池、镍镉电池、锂离子电池等。随着技术的进步，我们看到锂空气电池、固态锂电池等新型电池的发明，它们具有更高的储能容量和更高的工作温度范围。在之前的文章中，我们已经详细讨论了电池及其工作原理。在本文中，我们将学习如何使用运算放大器设计一个简单的12V电池充电电平指示器。

在现代世界，我们几乎在每一个电子产品中都使用电池，从手持手机、数字温度计、智能手表到电动汽车、飞机、卫星，甚至是在火星上使用的机器人漫游者，其电池续航时间约为700个太阳(火星日)。可以肯定地说，如果没有这些电化学存储装置，也就是电池的发明，我们所知道的世界就不会存在。有许多不同类型的电池，如铅酸电池、镍镉电池、锂离子电池等。随着技术的进步，我们看到锂空气电池、固态锂电池等新型电池的发明，它们具有更高的储能容量和更高的工作温度范围。在之前的文章中，我们已经详细讨论了电池及其工作原理。在本文中，我们将学习如何使用运算放大器设计一个简单的12V电池充电电平指示器。

尽管电池电量是一个模棱两可的术语，因为我们不能真正测量电池剩余的电量，除非我们使用电池管理系统进行复杂的计算和测量。但在简单的应用中，我们没有这种方法的奢侈，所以我们通常采用简单的开路电压电池电平估计方法，这种方法非常适用于铅酸12V电池，因为它们的放电曲线几乎是线性的，从13.8V到10.1V，这通常被认为是它的上限和下限。以前，我们还建立了一个基于Arduino的电池电平指示器和多单元电压监测电路，如果你感兴趣，你也可以检查它们。

在本项目中，我们将借助基于OPAMP的四比较器LM324设计和构建一个12V电池电平指示器，这使我们可以在单个芯片上使用4个基于OPAMP的比较器。我们将测量电池的电压，并使用LM324 IC将其与预先指定的电压进行比较，并驱动led显示我们得到的输出。让我们直接开始吧，好吗?

组件的要求

•LM324四路OPAMP集成电路

•4×LED灯(红色)

•1×2.5 kΩ电阻器

•5×1 kΩ电阻器

•1×1.6 kΩ电阻器

?4×0.5 kΩ电阻器

•14针IC座

•PCB螺丝端子

•Perfboard

•焊接设备

LM324四路OPAMP集成电路

LM324是一款四运放集成电路，集成了四个运放，由一个通用电源供电。差分输入电压范围可以等于电源电压范围。默认输入偏置电压非常低，为2mV量级。工作温度范围为0˚C至70˚C，而最高结温可达150˚C。一般来说，运算放大器可以执行数学运算，并可用于各种配置，如放大器，电压跟随器，比较器等。因此，通过在单个IC中使用四个opamp，您将节省空间和电路的复杂性。它可以在-3V至32V的宽电压范围内由单个电源供电，这足以在该电路上进行高达24V的电池水平测试。

12V电池电量指示灯电路图

12V电池指示灯使用的完整电路如下所示。我在下面的图片中使用了一个9V的电池，但假设它是一个12V的电池。

如果你不喜欢图形电路，你可以查看下图的原理图。这里Vcc和接地是必须分别连接到12V电池正极和负极的端子。

现在，让我们继续了解电路的工作原理。为了简单起见，我们可以把电路分成两个不同的部分。

参考电压组：

首先，我们需要决定在电路中要测量的电压水平，然后您可以相应地设计基于电阻的电位分压器电路。在这个电路中，D2是一个参考齐纳二极管，其额定电压为5.1V 5W，因此它将调节输出到5.1V。有4个1k电阻串联到GND上，因此我们将用于与电池电压进行比较的每个电阻上都会有大约1.25V的下降。用于比较的参考电压约为5.1V、3.75V、2.5V和1.25V。

此外，还有另一个分压器电路，我们将使用它来比较电池电压和连接在齐纳上的分压器给出的电压。这个分压器很重要，因为通过配置它的值，您将决定要点亮相应led的电压点。在本电路中，我们选择了1.6k电阻和1.0k电阻串联，以提供2.6的分频因子。

因此，如果电池的上限为13.8V，则电位分压器给出的相应电压将为13.8/2.6=5.3V，大于齐纳二极管的第一个参考电压给出的5.1V，因此，如果电池的电压为12.5V，即既不完全充电也不完全放电，则所有led将点亮。那么相应的电压将是12.5/2.6=4.8V，这意味着它小于5.1V，但大于其他三个参考电压，所以三个led会亮，一个不会亮。因此，通过这种方式，我们可以确定点亮单个LED的电压范围。

比较器和LED组：

在电路的这一部分中，我们只是为不同的电压水平驱动不同的led。由于IC LM324是基于OPAMP的比较器，因此每当特定OPAMP的非反相端处于比反相端更高的电位时，OPAMP输出将被拉高至大约VCC电压水平，这是我们的情况下的电池电压。这里的LED不会亮，因为在LED的阳极和阴极的电压是相等的，所以没有电流会流动。如果反相端子的电压高于非反相端子的电压，则OPAMP的输出将被拉到GND电平，因此LED将亮起，因为它在其两端具有电位差。

在我们的电路中，我们将每个OPAMP的非反相端子连接到连接在电池上的电位分压器电路的1kΩ电阻上，反相端子连接到连接在齐纳上的电位分压器的不同电压电平上。因此，每当电池的分配电压低于该OPAMP的相应参考电压时，输出将被拉高，LED将不亮，如前所述。

挑战与改进：

这是近似电池电压的一种相当粗糙和基本的方法，您可以进一步修改它以读取您选择的电压范围，并添加一个额外的电阻与连接在5.1V齐纳二极管上的电位分压器串联，通过这种方式，您可以在较小的范围内获得更高的精度，以便您可以在较小的范围内识别更多的电压水平，以用于实际应用，如铅酸电池。

如果你想要一个条形图，你也可以为不同的电压水平连接不同颜色的led。为了保持简单，我在这个电路中只使用了一个LM324，您可以使用n个比较器ic和n个电阻，与参考电压齐纳二极管串联，您可以有尽可能多的参考电压进行比较，因为您想要这将进一步提高您的指标的准确性。

建立和测试我们的12V电池电量指示器

现在我们已经完成了电路的设计，我们需要在穿孔板上制造它。如果您愿意，您也可以先在面包板上测试它，以查看其工作情况并调试您可能在电路中看到的错误。如果您想省去将所有组件焊接在一起的麻烦，您还可以在AutoCAD Eagle， EasyEDA或Proteus ARES或任何其他PCB设计软件上设计自己的PCB。

由于LM324可以在从-3V到32V的广泛电源范围内工作，您不必担心为LM324 IC提供任何单独的电源，因此我们只使用了一对PCB螺钉端子，这将直接连接到电池端子并为整个PCB供电。您可以通过使用此电路检查从最小5.5V到最大15V的电压水平。我强烈建议您在齐纳的电位分压器上串联另一个电阻，并降低每个LED的电压范围。