نمودار مصرف باتری ۱۲ ولتی
بر ای ساخت یک نمایشگر سطح شارژ باتری نیاز به اطلاعات اولیه در مورد نمودار دشارژ(مصرف) باتری‌ها داریم. این اطلاعات را می‌توان از نمودار زیر استخراج کرد:
بر طبق نمودار فوق که در دمای اتاق(۲۵ درجه سانتیگراد) محاسبه شده است، به طور تقریبی می‌توان این نتیجه را گرفت که وقتی باتری‌های ۱۲ ولتی بطور کامل شارژ می‌شوند، حدودا ۱۴.۴ ولت اختلاف پتانسیل دارند. البته این ولتاژ برای خروجی شارژ است و نشانگر این است که باتری به طور کامل شارژ شده و به همین دلیل ولتاژ خروجی شارژر بر روی دو سر باتری قابل مشاهده است. با جدا کردن شارژر و شروع مصرف، مشاهده می‌شود که ولتاژ به یکباره به حدود ۱۲.۷ ولت می‌رسد. این نقطه را به عنوان نقطه شارژ کامل در نظر میگیریم. از طرفی، وقتی ولتاژ باتری از ۱۲ ولت کمتر می‌شود، سرعت افت ولتاژ افزایش می‌یابد. اما تا زمانی که سطح ولتاژ بیشتر از ۱۰.۵ ولت باشد، باتری قابل استفاده است. پایین‌تر از این ولتاژ باتری ظرف مدت زمان خیلی کوتاهی به طور کامل تخلیه می‌شود که این حالت برای سلامت باتری مناسب نیست. پس وقتی ولتاژ باتری به ۱۰.۵ ولت رسید، باید این مقدار را معادل باتری خالی در نظر بگیریم. به طور پیشنهادی می‌توان نمودار زیر را برای مقادیر مختلف شارژ باتری در نظر گرفت
جدول بالا تعداد ۱۱ سطر دارد که معادل هر کدام از این سطوح می‌توان یک LED قرار داد، در صورتی که ولتاژ باتری از مقدار هر سطر بالاتر باشد، LED مربوط به آن سطر روشن خواهد شد. اگر این تعداد LEDزیاد است، می‌توان بجز سطر ۱۰.۵ ولت، سایر سطرها را دو تا دو تا، یکی کرد. در این حالت بالاترین سطر در هر جفت دوتایی را در نظر میگیریم. با اینکار نمایشگر باتری ما ۶ عدد LED خواهد داشت. اگر این تعداد هم زیاد بود. باز به همین شیوه می‌توان تعداد LED ها را کم کرد و به عدد ۴ برسیم. اینکه چند LED داشته باشیم، کاملا به انتخاب شما بستگی دارد.
تقویت کننده تفاضلی و استفاده از آن برای ساخت نمایشگر سطح شارژ باتری
تا به اینجا اطلاعاتی در مورد میزان شارژ باتری‌های ۱۲ ولتی بدست آوردیم. در ادامه می‌خواهیم مداری طراحی کنیم که جدول بدست آمده در مرحله قبل را به کمک LED به نمایش بگذارد و مقدار شارژ باتری را نمایش دهد. برای اینکه ولتاژ کنونی باتری را با ولتاژهایی که در جدول داریم، مقایسه کنیم، نیاز به یک تقویت کننده تفاضلی داریم. به نماد زیر دقت کنید:
نماد بالا نمایانگر یک تقویت کننده تفاضلی است. طرز کارکرد یک تقویت کننده تفاضلی به این صورت است که تفاضل بین دو ورودی مثبت و منفی را تقویت کرده و اشتراک بین این دو را تضعیف کرده و در خروجی قرار می‌دهد. تقویت کننده‌های تفاضلی برای کاربردهای مختلفی مورد استفاده قرار می‌گیرند. به بیان ساده، اگر ولتاژ ورودی مثبت بیشتر از ورودی منفی باشد، خروجی برابر با ولتاژ +Vss و اگر ولتاژ ورودی منفی بیشتر از ورودی مثبت باشد، خروجی ولتاژ -Vss خواهد بود.
همین نکته کلید ساخت مدار مورد نظر ماست. حال به تعداد LEDها تقویت کننده تفاضلی نیاز داریم و برای هر یک باید سطح ولتاژی خاص را به ورودی‌های مثبت و منفی بدهیم به نحوی که در ولتاژهایی که در جدول عنوان شد، شرایط برای روشن شدن LED آن سطر فراهم شود. با اینکار، سطح ولتاژ باتری از هر ولتاژی که تعیین کردیم، بالاتر رود، LED مربوط به آن سطح ولتاژ روشن می‌شود.
مدار نمایشگر سطح شارژ باتری با آی سی LM324
این مدار مجتمع یکی از پرکاربردترین آی‌سی ها در صنایع الکترونیک است. همانطور که تصویر زیر نمایان است، دارای ۴ تقویت کننده عملیاتی به شکل زیر است:
به کمک یک عدد از این مدار مجتمع می‌توان به راحتی یک نشانگر سطح شارژ باتری با ۴ عدد LED ساخت. برای اینکار می‌توانید از مدار پیشنهادی زیر استفاده کنید:
در مدار بالا همه‌ی ورودی‌های منفی تقویت‌کننده‌ها به یک ولتاژ مشخص که نسبتی از ولتاژ باتری است، وصل شده است که با توجه به مقاومت‌های ۵ و ۱۰ کیلواهمی، مقدار ورودی‌های منفی هر چهار تقویت کننده تفاضلی برابر با یک سوم ولتاژ باتری است.
برای ورودی‌های مثبت نیز، ابتدا یک دیود زنر(۱N4733A) که ولتاژ دو سر آن بطور ثابت ۵٫۱ ولت خواهد بود، با ۵ عدد مقاومت بطور موازی بسته شده است. در چنین حالتی ولتاژ مجموع ۵ مقاومت مقدار ۵.۱ ولت خواهد بود. حاصل جمع ۵ مقاومت نیز مقدار ۱۷ کیلو اُهم است. در نتیجه با توجه به اینکه ولتاژ دو سر این مجموعه(۵ مقاومت) مقدار ثابت ۵.۱ ولت است، مقدار جریان ۰.۰۰۰۳ آمپر خواهد بود. حال با ضرب مقدار جریان در مقدار مقاومت‌ها، ولتاژ دو سر هر کدام بدست می‌آید. در واقع:
مقاومت R6 ولتاژ ۳٫۶،
مقاومت R5 تا R3 هر کدام با ۰٫۳ ولتاژ بیشتر به ترتیب ۳٫۹ و ۴٫۲ و ۴٫۵ ولت،
و در نهایت مقاومت R2 با ولتاژی ۰٫۶ بیشتر از R3 ولتاژی حدود ۵٫۱ ولت خواهد داشت که این مجموع برابر با مقدار ولتاژ در دو سر دیود زنر است.
با همین محاسبات می‌فهمیم که ورودی‌های مثبت تقویت کننده تفاضلی مقادیر ثابت زیر را خواهند داشت:
U1:A : برابر ۴٫۵ ولت
U1:B : برابر ۴٫۲ ولت
U1:C : برابر ۳٫۹ ولت
U1:D برابر ۳٫۶ ولت
بار دیگر به مدار فوق دقت کنید؛ ورودی مثبت U1:D که در واقع پایین‌ترین سطح شارژ را نشان خواهد داد، مقایسه را بین ولتاژ ۳.۶ ولت و یک سوم ولتاژ باتری انجام می‌دهد. یعنی اگر ولتاژ باتری به کمتر از حدود ۱۰٫۸ ولت برسد، U1:D غیرفعال شده و LED متصل به خروجی آن خاموش خواهد شد.همین وضعیت برای هر تقویت کننده‌ای که ورودی مثبت آن از ورودی منفی آن ولتاژ کمتری داشته باشد، اتفاق خواهد افتاد. ولتاژ غیر فعال شدن هر کدام از تقویت کننده‌ها(و خاموش شدن LED مربوطه) به قرار زیر است:
U1:A : زمانی که ولتاژ باتری به کمتر از ۱۳٫۵ ولت برسد.
U1:B : زمانی که ولتاژ باتری به کمتر از ۱۲٫۶ برسد.
U1:C : زمانی که ولتاژ باتری به کمتر از ۱۱٫۷ برسد. (کمتر از ۳۰ درصد شارژ باقی مانده)
U1:D : زمانی که ولتاژ باتری به کمتر از ۱۰٫۸ برسد. (کمتر از ۱۰ درصد شارژ باقی مانده)
موفق و پیروز باشید…
همچنین برای مشاهده آموزش‌ها و مدارات کاربردی الکترونیک، به دسته مربوطه مراجعه کنید.