如何使用运算放大器设计一个简单的12V电池电量指示器

chencui 2022-08-09 3496

电源/新能源

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描述

在现代世界中，我们在几乎所有电子产品中都使用电池，从您的手持手机、数字温度计、智能手表到电动汽车、飞机、卫星，甚至是火星上使用的机器人漫游车，其电池续航时间约为 700 sols（火星日）。可以肯定地说，如果没有这些电化学存储设备（即电池）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、镍镉、锂离子等。随着技术的出现，我们看到新的电池被发明出来，如锂空气电池、固态锂电池等。储能能力和高工作温度范围。我们已经讨论了更多关于电池的信息以及它们在我们之前的文章中是如何工作的。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 电池电量指示器。

尽管电池电量是一个模棱两可的术语，因为除非我们使用电池管理系统进行复杂的计算和测量，否则我们无法真正测量电池中剩余的电量。但是在简单的应用中，我们没有这种方法的奢侈，因此我们通常采用简单的基于开路电压的电池电量估计方法，该方法非常适用于铅酸 12V 电池，因为它们的放电曲线从 13.8V 到 10.1V 几乎是线性的，通常被认为是其上限和下限。之前我们还构建了一个基于 Arduino 的电池电量指示器和一个多节电池电压监测电路，如果您有兴趣也可以查看它们。

在这个项目中，我们将借助基于四路比较器 OPAMP 的 IC LM324设计和构建一个12V 电池电量指示器，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 以显示我们得到的输出。让我们直接跳进去，好吗？

所需组件

LM324 四路运算放大器 IC

4×LED灯（红色）

1×2.5kΩ电阻

5×1kΩ电阻

1×1.6kΩ电阻

4×0.5kΩ电阻

14针IC座

PCB螺丝端子

穿孔板

焊接套件

LM324 四路运算放大器 IC

LM324 是一款集成了四个运算放大器的四路运算放大器 IC，由一个公共电源供电。差分输入电压范围可以等于电源电压的范围。默认输入失调电压非常低，幅度为 2mV。环境温度范围为 0°C 至 70°C，而最高结温可高达 150°C。通常，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，您将节省电路的空间和复杂性。它可以在 -3V 至 32V 的宽电压范围内由单个电源供电，这对于在该电路上进行高达 24V 的电池电量测试来说绰绰有余。

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12V电池电量指示器电路图

12V 电池指示器中使用的完整电路如下所示。我在下图中使用了 9V 电池进行说明，但假设它是 12V 电池。

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如果您不喜欢图形电路，可以查看下图的原理图。这里 Vcc 和 Ground 是必须分别连接到 12V 电池正极和负极的端子。

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现在，让我们继续了解电路的工作原理。为了简单起见，我们可以将电路分为 2 个不同的部分。

参考电压部分：

首先，我们需要决定要在电路中测量哪些电压电平，然后您可以相应地设计基于电阻的分压器电路。在这个电路中，D2 是一个额定为 5.1V 5W 的参考齐纳二极管，因此它将输出调节到 5.1V。有 4 个 1k 电阻串联到 GND，因此每个电阻上都会有大约 1.25V 的压降，我们将使用它来与电池电压进行比较。用于比较的参考电压约为 5.1V、3.75V、2.5V 和 1.25V。

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此外，还有另一个分压器电路，我们将使用它来将电池电压与连接在齐纳二极管上的分压器给出的电压进行比较。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。在这个电路中，我们选择了串联的 1.6k 电阻和 1.0k 电阻，以提供 2.6 的分压系数。

因此，如果电池的上限为 13.8V，则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，因此所有 LED 将是如果电池电压为 12.5V 即未充满也未完全放电时点亮，则对应的电压将为 12.5/2.6=4.8V，即小于 5.1V 但大于其他三个参考电压，因此三个 LED 将点亮，一个不会。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 部分：

在这部分电路中，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 的非反相端子处于比反相端子更高的电位时，OPAMP 输出将被拉高至大约 VCC 电压电平，在我们的例子中是电池电压。此处 LED 不会点亮，因为 LED 的阳极和阴极电压相等，因此没有电流流过。如果反相端的电压高于同相端的电压，则 OPAMP 的输出将被拉低至 GND 电平，因此 LED 将亮起，因为其两端存在电位差。

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在我们的电路中，我们将每个 OPAMP 的非反相端子连接到电池两端连接的分压器电路的 1kΩ 电阻器上，反相端子连接到齐纳二极管上连接的分压器的不同电压电平。因此，每当电池的分配电压低于该 OPAMP 的相应参考电压时，输出将被拉高并且 LED 不会像前面解释的那样点亮。

挑战与改进：

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.

如果需要条形图，您还可以为不同的电压水平连接不同颜色的 LED。为了简单起见，我在这个电路中只使用了一个 LM324，你可以使用 n 个比较器 IC 和 n 个电阻器，与参考电压齐纳二极管串联，你可以有尽可能多的参考电压来比较你想要的这将进一步提高指标的准确性。

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构建和测试我们的 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 perf 板上制作它。如果需要，您还可以先在面包板上对其进行测试，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 或您喜欢的任何其他PCB 设计软件上设计自己的 PCB。

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由于 LM324 可以在 -3V 到 32V 的广泛电源范围内工作，因此您不必担心为 LM324 IC 提供任何单独的电源，因此我们只使用了一对 PCB 螺丝端子直接连接到电池端子并为整个 PCB 供电。您可以使用此电路检查从最低 5.5V 到最高 15V 的电压电平。我强烈建议您在齐纳二极管的分压器中串联另一个电阻器，并降低每个 LED 的电压范围。

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如果您想将电压测试范围从 12V 增加到 24V，因为 LM324 能够测试高达 24V 的电池，您只需更改电池两端连接的分压器的分压系数，使其与给定的电压水平相当通过齐纳参考电路，并且将与 LED 连接的电阻加倍，以防止高电流流过它们。

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