Nunca antes se había hecho un uso tan extenso de las baterías. Los dispositivos electrónicos portátiles son cada vez más populares y todos funcionan con baterías. Con el uso de baterías, la sobrecarga y la sobredescarga son problemas comunes. Para evitar una carga y descarga excesiva de las baterías, es necesario controlar el nivel de carga de la batería conectada. Un circuito utilizado para este propósito se llama indicador de nivel de batería. Un indicador de nivel de batería proporciona una indicación del estado de carga o descarga de la batería.
En segundo lugar, algunas baterías tienen un límite de tolerancia alto a la sobrecarga y algunas pueden explotar después de un cierto umbral de carga. Por eso es importante desconectar la carga de la batería cuando alcance su límite máximo. Un indicador de nivel de batería proporciona una indicación visual del estado de la batería y le permite desconectarla antes de sobrecargarla. Además, el indicador de nivel de batería anima al usuario a cargar la batería antes de que se agote.
Dependiendo del estado de la batería, hay dos formas de indicar el nivel de carga: una es el método del estado de carga (SOC) y otra es el método de muerte al descargar (DOD). SOC es la medida de la carga almacenada en la batería y DOD es la medida del grado en que la batería se está agotando en relación con su capacidad total.
En este proyecto, se diseña un indicador de nivel de batería utilizando el método del estado de carga. El método SOC es más cómodo de usar y más fácil de diseñar. El SOC de la batería se puede determinar mediante el nivel de voltaje en los terminales de la batería o midiendo la salida de corriente de la batería. En este proyecto, el SOC de una batería se determina detectando el nivel de voltaje del terminal de la batería. Por lo tanto, para detectar el nivel de voltaje de la batería, se requiere un circuito integrado que pueda detectar con precisión el voltaje en los terminales de la batería.
En este diseño se conectan en serie dos baterías de iones de litio. Cada batería de iones de litio tiene un voltaje nominal de 3,7 V y un voltaje de carga máximo de 4,2 V y un voltaje de fin de descarga de 3 V. El voltaje de fin de descarga es el voltaje por debajo del cual cualquier dispositivo conectado a la batería para de trabajar. Para detectar el nivel de voltaje del terminal de la serie de baterías, se utiliza IC LM3914. LM3914 es un controlador de pantalla de barra que puede detectar la magnitud del voltaje analógico e indicar el nivel de voltaje encendiendo hasta 10 LED. Por lo tanto, el IC está diseñado para indicar diez niveles de voltaje en relación con una referencia de voltaje común. El divisor interno de 10 pasos es flotante y se puede hacer referencia a una amplia gama de voltajes.
Para indicación de voltaje, se pueden conectar LED o una pantalla de barras al IC. El IC es capaz de interactuar incluso con pantallas de 100 pasos. La referencia de voltaje interno del IC se puede configurar de 1,2 V a 12 V. El IC puede permitir un consumo de corriente de salida a través de un LED o una barra de visualización de 2 mA a 30 mA.
En este proyecto, se interconectan 10 LED al IC para indicar el nivel de voltaje de 6,2 V a 8,45 V. Como hay 10 LED, cada LED indicará un aumento de 0,24 V en el voltaje del terminal de la serie de la batería y cada LED lo hará. consume una corriente máxima de 2 mA.
Componentes necesarios
Fig. 1: Lista de componentes necesarios para el indicador de nivel de batería basado en IC LM3914
Conexiones de circuito
Para diseñar este indicador de nivel de batería, es importante comprender el diagrama de pines y la configuración de pines del IC LM3914. Este IC es el componente principal del circuito. LM3914 es un circuito integrado monolítico (todos los componentes incorporados en un solo chip) que detecta voltaje y puede controlar 10 LED. Los LED muestran el nivel de voltaje en forma de barra o gráfico de puntos. En forma de gráfico de barras, los LED se encienden de forma incremental y continua, pero en forma de puntos, solo se enciende un LED para el nivel de voltaje correspondiente. Por ejemplo, en la visualización de barras, cuando el voltaje de la batería es de 6,7 V, se encenderán tres LED, pero en el modo de puntos, solo se encenderá el tercer LED.
El LM3914 tiene 18 pines con la siguiente configuración de pines:
Fig. 2: Tabla que enumera la configuración de pines del IC LM3914
La corriente del LED está regulada por el propio IC, lo que elimina la necesidad de una resistencia con el LED. Por lo tanto, el IC se alimenta con un mínimo de 3 V y el voltaje de suministro máximo puede ser de hasta 25 V. No suministre un voltaje de entrada más allá de la clasificación máxima del IC. La sobretensión de la señal de entrada del LM3914 es de +/- 35 V según la hoja de datos, pero por seguridad, se recomienda proporcionar una tensión de entrada de hasta 25 V.
La corriente de salida que puede suministrar el LM317 es de 2 mA a 30 mA. Internamente, este IC tiene un buffer de alta impedancia de entrada y diez comparadores (como se muestra en el circuito interno del 3914). El buffer opera la señal desde tierra hasta el voltaje de entrada y está protegido contra señal inversa y sobretensión. Para esta protección, se utiliza un diodo internamente en el búfer de entrada (como se muestra en el diagrama del circuito). La función del buffer es proporcionar la señal a los comparadores que están conectados en serie. Cada comparador está polarizado por una resistencia diferente y estos comparadores detectan diferentes voltajes de suministro de entrada. Luego, este voltaje se indica mediante los LED en la salida (como se muestra en el diagrama del circuito).
Fig. 3: circuito interno LM3914
En primer lugar, es necesario definir el voltaje de suministro de entrada para la indicación de salida. Para este propósito se debe usar el pin 5. El pin 5 es un pin de señal que se usa para detectar la señal analógica y el nivel de la misma señal se indica a través de los LED. En este experimento, el pin 5 está conectado a las resistencias R4 y R5 (como se muestra en el diagrama del circuito). Ambas resistencias tienen el mismo valor y forman una red divisora de voltaje. Esta red suministra la mitad del voltaje de suministro de entrada al pin de señal. Por ejemplo, si el voltaje de suministro es de 6 V, el pin de señal detectará 3 V debido al circuito divisor de voltaje.
En segundo lugar, es necesario definir el rango de voltaje bajo a alto y la corriente de salida. Para este propósito, se proporcionan los siguientes pines en el LM3914 IC - RHI (pin 6) - Para establecer el nivel de voltaje umbral más alto
– RLO (pin 4) – Para establecer el nivel de voltaje límite inferior
– Ajuste REF (pin 8) – Para configurar el voltaje de referencia requerido
– REF Out (pin 7) – Determina el brillo del LED de salida
Para controlar el brillo de los LED de salida, es necesario configurar la corriente consumida en el pin 7. La corriente consumida por los LED de salida depende de la corriente consumida en el pin de voltaje de referencia (pin 7). Cada LED consume aproximadamente 10 veces esta corriente, independientemente de los cambios en el voltaje de entrada y la temperatura. La corriente que consume cada LED también se puede ajustar usando la siguiente ecuación:
I LED = 12,5/Req (aprox.) (de la hoja de datos)
Los pines RLO y RHI deciden el rango de voltaje de salida de bajo a alto. El LM3914 indica el voltaje de salida a través de LED solo en el rango de voltaje bajo a alto.
El pin de sintonización REF proporciona el voltaje de referencia para establecer el rango de voltaje de salida deseado. Internamente, el IC tiene un voltaje de referencia constante de 1,25 V en Ref Out (pin 7) y Ref Adj (pin 8). Este voltaje de referencia se puede ajustar de 1,25 V a 12 V. En este experimento, el voltaje de referencia se mantiene sin cambios, por lo que es 1,25 V.
Según la configuración básica de LM3914, el nivel de voltaje más bajo es 0V ya que el pin RLO y REF ADJ está conectado directamente a tierra. Pero como los pines RLO y REF ADJ están flotantes, el nivel de voltaje más bajo se puede cambiar de 0 V al nivel de voltaje deseado. Esto se llama expansión de escala.
En este experimento, el nivel de voltaje inferior debe comenzar en 6 V y el voltaje superior debe ser de 8,4 V. Para esto, se deben conectar algunas resistencias en los pines REF ADJ y REF OUT para que puedan proporcionar el rango de voltaje según la necesidad. .
Fig. 4: Diagrama de circuito que muestra la configuración básica del LM3914 con circuitos internos (Fuente: hoja de datos de LM3914 TI)
Para establecer el rango de voltaje deseado, las resistencias deben conectarse de tal manera que puedan suministrar 6 V en el pin RLO y 8,4 V en el pin RHI. Pero el pin 5 de SIG detectará 3V cuando el voltaje de suministro sea de 6V. Entonces, en lugar de configurar 6V en el pin RLO, debe configurarse en 3V. De manera similar, en lugar de 8,4 V, el pin RHI debe configurarse en 4,2 V.
En este experimento, las resistencias R1 y R2 están conectadas para proporcionar los voltajes requeridos. R2 suministra 3 V al pin RLO y el pin RHI obtiene 4,2 V. La resistencia R1 decide la corriente de salida del LED.
Fig. 5: Diagrama de circuito de la red divisora de voltaje en los pines RHI y RLO
El valor de las resistencias R1 y R2 se puede calcular de la siguiente manera. La resistencia R1 determina la corriente del LED.
Para calcular R1, se deben considerar las siguientes ecuaciones de la hoja de datos:
LED = 12,5/Requisito
Requiere = 12,5/I LED
Entonces,
I LED = corriente consumida por cada LED
Como el LM3914 tiene una corriente de salida mínima de 2mA, tomaremos una corriente mínima de 2mA para que los LED de la salida no consuman más batería.
Corriente de cada LED, I LED = 2 mA
Req = resistencia equivalente
Como se puede ver en el circuito interno, la resistencia R1 está en paralelo con una serie de resistencias o red divisoria de resistencias que está conectada a cada comparador. Por lo tanto, Req en la ecuación anterior es el valor equivalente de la red R1 y el divisor de resistencia en paralelo.
Por lo tanto, para encontrar el valor exacto de R1, se debe encontrar el valor de Req:
Requerido = 12,5/0,002
Requerido = 6250 ohmios
Ahora para calcular R1 usando la siguiente ecuación
Resistencia equivalente, 1/Req = R1 Rdiv (red divisora de resistencia)
Según el circuito interno, el valor de una cadena de resistencias o una red divisora de resistencias es 10k, pero según la hoja de datos 3914, el valor típico de este divisor de resistencias es 12k.
Entonces Rdiv = 12k
Requerido = 6250 ohmios
1/Solicitud = 1/R1 + 1/Rdiv
1/R1 = 1/Solicitud – 1/Rdiv
1/R1 = 1/6250 – 1/12000
R1 = 13k (aprox.)
El nivel de voltaje más bajo debe establecerse mediante la resistencia R2. Ahora, para calcular el circuito divisor de voltaje R2 en el pin, se debe considerar. Para un cálculo adecuado de la resistencia R2, considere el circuito que se muestra a continuación:
Fig. 6: Diagrama de circuito que muestra el cálculo de resistencias para la red divisora de voltaje en los pines RLO y RHI
R2 se puede calcular mediante la siguiente ecuación:
R2 = VR2 (voltaje en R2)/ IR2 (corriente en R2)
Cálculo de corriente en R2, IR2.
De la figura anterior de la red divisora de voltaje, está claro que
IR2 = IR1 + Iadj
Ahora,
Iadj = Corriente que sale del pasador de ajuste de referencia
Según la hoja de datos, la corriente mínima del pin de sintonización es 75 uA, por lo que para disminuir el término de error, consideremos 75 uA como Iadj.
Como el IC tiene un voltaje de referencia constante interno de 1,25 V en Ref Out (pin 7) y Ref Adj (pin 8). Por lo tanto, fluirá una corriente constante a través de R1.
Corriente en R1, IR1 = Vref(voltaje de referencia)/ R1
IR1= 1,25/6250
IR1 = 200ua
Ahora, poniendo los valores de IR1 e Iadj, podemos calcular IR2
IR2= 200 + 75 (ambos en uA)
IR2 = 275ua
Ahora en el cálculo de R2
R2 = VR2 (voltaje en R2)/ IR2 (corriente en R2)
Dado que R2 suministrará 3V al pin RLO, entonces VR2 = 3V
R2 = 3/0,000275
R2 = 11k (aprox.)
Tenga en cuenta que la resistencia R1 suministrará 3 V al pin RLO.
Para establecer un nivel de voltaje más alto en 8,4 V, el pin RHI debe obtener 4,2 V.
Caída de voltaje total en RHI = VR1 + VR2
A medida que el voltaje cae en R1, VR1 = 1,25 V (ya que REF adj y REF out pin proporcionan un voltaje de referencia constante de 1,25 V como se explicó anteriormente)
La caída de voltaje en R2, VR2 = 3V
Caída de voltaje total en RHI = 1,25 + 3
Caída de voltaje total en RHI = 4,25 V
Por lo tanto, tomando R1 como 13 kΩ y R2 como 11 kΩ, el voltaje de la batería de 6 V a aproximadamente 8,4 V se puede detectar con una corriente máxima de 2 mA en la salida.
En el tercer paso, es necesario configurar el modo de indicación. Hay dos tipos de pantalla para indicación visual en la salida y estas dos pantallas se pueden configurar mediante el pin de selección de modo (pin 9). Este pin controla la visualización de los LED de salida. Para seleccionar el modo Punto, el pin 9 debe estar flotante o abierto y para seleccionar el modo de gráfico de barras, el pin 9 debe estar conectado a la alimentación de entrada (V+). En este experimento, el pin 9 está conectado a un interruptor para cambiar el valor del noveno pin a V+ o flotar según se desee.
Finalmente, la batería debe conectarse al IC LM3914. La batería debe estar conectada entre los pines 2 y 3 del IC. El pin 3 o V+ proporciona el voltaje de entrada del IC LM3914. El terminal positivo de la batería debe conectarse a este pin. El pin 2 o V proporciona tierra al IC y debe conectarse al terminal negativo de la batería.
Se recomienda utilizar un condensador electrolítico de tantalio de 2,2 uF y de aluminio de 10 uF en el pin de tierra (pin 2) del LM3914 si los cables del LED miden 6 pulgadas o más. Esto se debe a que los cables largos aumentan la resistencia y la inductancia y generan ruido de entrada.
Cómo funciona el circuito
Fig. 7: Prototipo de indicador de nivel de batería basado en IC LM3914 diseñado en una placa de pruebas
Toda la funcionalidad del circuito está gestionada por IC LM3914. El IC está diseñado para funcionar como indicador de nivel de batería. Sólo los componentes adicionales como resistencias y batería deben conectarse al IC.
Probando el circuito
En teoría, el LED D1 debería iluminarse cuando el voltaje de la batería sea de 6 V y el LED D10 debería encenderse cuando el voltaje de la batería sea de 8,4 V. Al medir el voltaje del terminal de la batería con un multímetro, los LED se iluminan de la siguiente manera:
Práctica mesa de observación en visualización de gráfico de barras.
Fig. 8: Tabla que muestra el gráfico de barras del indicador de nivel de batería
Al calcular el porcentaje de error,
Error % = (observación práctica – observación teórica)*100/
Observación práctica
Error en el nivel de voltaje más bajo, % de error = ((6.2 – 6)*100)/6
Error% = 3,3%
Error a nivel de tensión superior, Error %= ((8,45 – 8,4)*100)/8,4
% de error = 0,6%
Por lo tanto, se observa un error tolerable durante el funcionamiento del CI.
Diagramas de circuito
| Diagrama de circuito-LM3914-IC-Indicador de nivel de batería |  |