현대 세계에서 우리는 휴대용 휴대폰, 디지털 온도계, 스마트 워치, 전기 자동차, 비행기, 위성, 심지어 배터리가 약 700 솔 (화성 일) 지속되는 화성에서 사용되는 로봇 로버에 이르기까지 거의 모든 전자 기기에 배터리를 사용합니다. 이러한 전기 화학 저장 장치 (일명 배터리)의 발명 없이는 우리가 알고있는 세상은 존재하지 않을 것이라고 말하는 것이 안전합니다. Lead-Acid, Ni-Cd, Lithium-Ion 등과 같은 다양한 유형의 배터리가 있습니다. 기술의 출현으로 우리는 더 높은 리튬-공기 배터리, 고체 리튬 배터리 등과 같은 새로운 배터리가 발명되는 것을보고 있습니다. 에너지 저장 용량 및 높은 작동 온도 범위. 우리는 이미 이전 기사에서 배터리와 배터리 작동 방식에 대해 더 많이 논의했습니다. 이 기사에서는 간단한 Op-Amp를 사용하는 12V 배터리 충전 수준 표시기.
배터리 수준은 모호한 용어이지만 배터리 관리 시스템을 사용하여 복잡한 계산과 측정을 사용하지 않는 한 배터리에 남아있는 충전량을 실제로 측정 할 수 없기 때문입니다. 그러나 간단한 애플리케이션에서는이 방법의 사치가 없으므로 일반적으로 방전 곡선이 13.8V에서 10.1V까지 거의 선형이기 때문에 납축 12V 배터리에 대해 실제로 잘 작동 하는 간단한 개방 회로 전압 기반 배터리 레벨 추정 방법을 사용합니다., 일반적으로 상한 및 하한으로 간주됩니다. 이전에는 Arduino 기반 배터리 잔량 표시기와 다중 셀 전압 모니터링 회로도 구축했으며 관심이있는 경우 확인할 수도 있습니다.
이 프로젝트에서는 단일 칩에서 4 개의 OPAMP 기반 비교기를 사용할 수있는 쿼드 비교기 OPAMP 기반 IC LM324를 사용 하여 12V 배터리 수준 표시기 를 설계하고 구축합니다. 배터리의 전압을 측정하고 LM324 IC를 사용하여 미리 지정된 전압과 비교하고 LED를 구동하여 얻은 출력을 표시합니다. 바로 시작해 볼까요?
필요한 구성 요소
- LM324 쿼드 OPAMP IC
- 4 × LED 조명 (빨간색)
- 1 × 2.5kΩ 저항
- 5 × 1kΩ 저항
- 1 × 1.6kΩ 저항기
- 4 × 0.5kΩ 저항
- 14 핀 IC 홀더
- PCB 나사 식 터미널
- Perfboard
- 납땜 키트
LM324 쿼드 OPAMP IC
LM324는 공통 전원 공급 장치로 구동되는 4 개의 연산 증폭기 와 통합 된 쿼드 연산 증폭기 IC 입니다. 차동 입력 전압 범위는 전원 공급 장치 전압과 동일 할 수 있습니다. 기본 입력 오프셋 전압은 크기가 2mV로 매우 낮습니다. 작동 온도 범위는 주변에서 0˚C ~ 70˚C이고 최대 접합 온도는 최대 150˚C입니다. 일반적으로 연산 증폭기는 수학적 연산을 수행 할 수 있으며 증폭기, 전압 팔로워, 비교기 등과 같은 다양한 구성에서 사용할 수 있습니다. 따라서 단일 IC에 4 개의 OPAMP를 사용하면 공간과 회로의 복잡성을 줄일 수 있습니다. 이 회로에서 최대 24V 배터리 레벨 테스트에 충분한 -3V ~ 32V의 넓은 전압 범위에서 단일 전원 공급 장치로 전원을 공급할 수 있습니다.
12V 배터리 잔량 표시기의 회로도
12V 배터리 표시기에 사용되는 전체 회로 는 아래에서 찾을 수 있습니다. 아래 이미지에서 설명 목적으로 9V 배터리를 사용했지만 12V 배터리로 가정합니다.
그래픽 회로가 마음에 들지 않으면 아래 이미지에서 회로도를 확인할 수 있습니다. 여기서 Vcc와 접지는 각각 12V 배터리 양극과 음극에 연결해야하는 단자입니다.
이제 회로의 작동을 이해해 보겠습니다. 단순화를 위해 회로를 두 부분으로 나눌 수 있습니다.
기준 전압 섹션:
먼저 회로에서 측정 할 전압 레벨을 결정해야하며 이에 따라 저항 기반 전위 분배기 회로를 설계 할 수 있습니다. 이 회로에서 D2는 정격 5.1V 5W 인 기준 제너 다이오드이므로 출력을 5.1V로 조절합니다. GND에 직렬로 연결된 4 개의 1k 저항이 있으므로 배터리 전압과 비교하는 데 사용할 모든 저항에 약 1.25V 강하가 발생 합니다. 비교할 기준 전압은 약 5.1V, 3.75V, 2.5V 및 1.25V입니다.
또한 배터리 전압을 Zener에 연결된 전압 분배기가 제공하는 전압과 비교하는 데 사용할 또 다른 전압 분배기 회로가 있습니다. 이 전압 분배기는 값을 구성하여 해당 LED를 켜려는 전압 포인트를 결정하기 때문에 중요합니다. 이 회로에서는 1.6k 저항과 1.0k 저항을 직렬로 선택하여 2.6의 분할 계수를 제공합니다.
따라서 배터리의 상한이 13.8V이면 전위 분배기가 제공하는 해당 전압은 13.8 / 2.6 = 5.3V가됩니다. 이는 제너 다이오드의 첫 번째 기준 전압에 의해 제공되는 5.1V 이상이므로 모든 LED는 배터리의 전압이 12.5V, 즉 완전히 충전되거나 완전히 방전되지 않은 경우 해당 전압은 12.5 / 2.6 = 4.8V가됩니다. 즉, 5.1V 미만이지만 다른 3 개의 기준 전압보다 크므로 3 개의 LED가 불이 켜지고 하나는 켜지지 않습니다. 따라서 이러한 방식으로 개별 LED를 켜는 전압 범위를 결정할 수 있습니다.
비교기 및 LED 섹션:
회로의이 부분에서는 다른 전압 레벨에 대해 다른 LED를 구동하고 있습니다. IC LM324는 OPAMP 기반 비교기이므로 특정 OPAMP의 비 반전 단자가 반전 단자보다 높은 전위에있을 때마다 OPAMP 출력은 우리의 경우 배터리 전압 인 대략 VCC 전압 레벨까지 높게 끌어 올립니다.. 여기서 LED의 양극과 음극의 전압이 같기 때문에 LED가 켜지지 않아 전류가 흐르지 않습니다. 반전 단자의 전압이 비 반전 단자의 전압보다 높으면 OPAMP의 출력이 GND 수준으로 내려가므로 단자에 전위차가 있기 때문에 LED가 켜집니다.
우리 회로에서는 각 OPAMP의 비 반전 단자를 배터리에 연결된 전위 분배기 회로의 1kΩ 저항에 연결했으며 반전 단자는 제너에 연결된 전위 분배기와 다른 전압 레벨에 연결됩니다. 따라서 배터리의 배분 된 전압이 해당 OPAMP의 해당 기준 전압보다 낮을 때마다 출력이 높아지고 앞에서 설명한대로 LED가 켜지지 않습니다.
도전과 개선:
이것은 배터리의 전압을 근사화하는 다소 조잡하고 기본적인 방법이며 5.1V 제너 다이오드에 연결된 전위 분배기와 직렬로 추가 저항을 추가하여 선택한 전압 범위를 읽도록 추가로 수정할 수 있습니다. 이러한 방식으로 더 작은 범위에서 더 많은 정확도를 얻을 수 있으므로 납축 배터리와 같은 실제 애플리케이션의 더 작은 범위에서 더 많은 전압 레벨을 식별 할 수 있습니다.
또한 다양한 전압 레벨과 막대 그래프를 원하는 경우 서로 다른 색상의 LED를 인터페이스 할 수 있습니다. 이 회로에서 단일 LM324 만 사용하여 간단하게 만들었습니다. n 개의 비교기 IC와 n 개의 저항을 기준 전압 제너 다이오드와 직렬로 연결하여 원하는만큼 비교할 기준 전압을 가질 수 있습니다. 지표의 정확도를 더욱 높일 수 있습니다.
12V 배터리 잔량 표시기 구축 및 테스트
이제 회로 설계를 마쳤으므로 성능 보드에서 제작해야합니다. 원하는 경우 브레드 보드에서 먼저 테스트하여 작동하는지 확인하고 회로에서 볼 수있는 실수를 디버그 할 수도 있습니다. 모든 구성 요소를 함께 납땜하는 번거 로움을 덜고 싶다면 AutoCAD Eagle, EasyEDA 또는 Proteus ARES 또는 원하는 다른 PCB 설계 소프트웨어에서 자신 만의 PCB를 설계 할 수도 있습니다.
LM324는 -3V ~ 32V 범위의 광범위한 전원 공급 장치에서 작동 할 수 있으므로 LM324 IC에 별도의 전원 공급 장치를 제공하는 것에 대해 걱정할 필요가 없으므로 한 쌍의 PCB 나사 단자 만 사용했습니다. 배터리 단자에 직접 연결하고 전체 PCB에 전원을 공급합니다. 이 회로를 사용하여 최소 5.5V에서 최대 15V까지의 전압 레벨을 확인할 수 있습니다. Zener의 전위 분배기에 직렬로 다른 저항을 추가하고 각 LED의 전압 범위를 줄이는 것이 좋습니다.
LM324가 최대 24V 배터리를 테스트 할 수 있으므로 전압 테스트 범위를 12V에서 24V로 늘리려면 배터리에 연결된 전압 분배기의 전압 분배 계수를 변경하여 주어진 전압 레벨과 비교할 수 있도록해야합니다. 제너 레퍼런스 회로를 통해 LED에 연결된 저항을 두 배로 늘려 LED를 통한 고전류 흐름으로부터 보호합니다.
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