Faça um indicador de nível de bateria usando LM3914 IC (Parte 6/9)

15 de junio de 2024 Roberto Magalhães

Nunca houve um uso tão extensivo de baterias antes. Os dispositivos eletrônicos portáteis estão se tornando cada vez mais populares e todos funcionam com baterias. Com o uso de baterias, sobrecarga e descarga excessiva são problemas comuns. Para evitar carga e descarga excessiva das baterias, é necessário monitorar o nível de carga da bateria conectada. Um circuito utilizado para tal finalidade é denominado indicador de nível de bateria. Um indicador de nível de bateria fornece indicação sobre o estado de carga ou descarga da bateria.

Em segundo lugar, algumas baterias têm um limite de tolerância elevado para sobrecarga e algumas podem explodir após um certo limite de carga. Por isso é importante desconectar a bateria do carregamento quando ela atingir o limite máximo. Um indicador do nível da bateria fornece uma indicação visual do estado da bateria e permite desconectá-la antes de carregá-la excessivamente. Além disso, pelo indicador de nível da bateria, o usuário é instigado a carregar a bateria antes que ela acabe.

Dependendo do estado da bateria, existem duas maneiras de indicar o nível de carga: uma é o método do estado de carga (SOC) e outra é o método de morte por descarga (DOD). SOC é a medida da carga armazenada na bateria e DOD é a medida do grau em que a bateria está sendo esvaziada em relação à capacidade total da bateria.

Neste projeto, um indicador de nível de bateria é projetado usando o método de estado de carga. O método SOC é mais conveniente de usar e fácil de projetar. O SOC da bateria pode ser determinado pelo nível de tensão nos terminais da bateria ou medindo a saída de corrente da bateria. Neste projeto, o SOC de uma bateria é determinado pela detecção do nível de tensão terminal da bateria. Portanto, para detectar o nível de tensão da bateria, é necessário um circuito integrado que possa detectar com precisão a tensão nos terminais da bateria.

Neste projeto, duas baterias de íons de lítio são conectadas em série. Cada bateria de íon de lítio tem uma tensão nominal de 3,7 V e uma tensão máxima de carga de 4,2 V e uma tensão de fim de descarga de 3 V. A tensão de fim de descarga é a tensão abaixo da qual qualquer dispositivo conectado à bateria irá parar de funcionar. Para detectar o nível de tensão terminal da série de baterias, é usado o IC LM3914. LM3914 é um driver de exibição de barra que pode detectar a magnitude da tensão analógica e indicar o nível de tensão acendendo até 10 LEDs. Assim, o IC é projetado para indicar dez níveis de tensão relativos a uma referência de tensão comum. O divisor interno de 10 etapas é flutuante e pode ser referenciado a uma ampla faixa de tensões.

Para indicação de tensão, LEDs ou display de barra podem ser conectados ao IC. O IC tem capacidade para fazer interface até mesmo com displays de 100 passos. A referência de tensão interna do IC pode ser definida de 1,2 V a 12 V. O IC pode permitir o consumo de corrente de saída por meio de um LED ou display de barra de 2mA a 30 mA.

Neste projeto, 10 LEDs são interligados ao IC para indicar o nível de tensão de 6,2 V a 8,45 V. Como existem 10 LEDs, cada LED indicará um aumento de 0,24 V na tensão terminal da série de baterias e cada LED consumirá o máximo Corrente de 2mA.

Componentes necessários

Fig. 1: Lista de componentes necessários para o indicador de nível de bateria baseado em IC LM3914

Conexões de Circuito

Para projetar este indicador de nível de bateria, é importante entender o diagrama de pinos e a configuração dos pinos do IC LM3914. Este IC é o principal componente do circuito. LM3914 é um circuito integrado monolítico (todos os componentes incorporados em um único chip) que detecta a tensão e pode acionar 10 LEDs. Os LEDs exibem o nível de tensão na forma de um gráfico de barras ou ponto. Na forma de gráfico de barras, os LEDs acendem de forma incremental e contínua, mas na forma de pontos, apenas um LED acende para o nível de tensão correspondente. Por exemplo, na exibição de barras, quando a tensão da bateria está em 6,7 V, três LEDs acenderão, mas no modo de ponto, apenas o terceiro LED acenderá.

O LM3914 possui 18 pinos com a seguinte configuração de pinos –

Tabela de listagem de configuração de pinos do IC LM3914

Fig. 2: Tabela listando a configuração dos pinos do IC LM3914

A corrente do LED é regulada pelo próprio IC, o que elimina a necessidade de um resistor com o LED. Conseqüentemente, o IC é alimentado com no mínimo 3 V e a tensão máxima de alimentação pode ser de até 25 V. Não forneça tensão de entrada além da classificação máxima do IC. A sobretensão do sinal de entrada do LM3914 é de +/- 35 V conforme a folha de dados, mas por segurança, é recomendado fornecer tensão de entrada de até 25 V.

A corrente de saída que pode ser fornecida pelo LM317 é de 2 mA a 30 mA. Internamente este IC possui um buffer de alta impedância de entrada e dez comparadores (conforme mostrado no circuito interno do 3914). O buffer opera o sinal do terra para a tensão de entrada e é protegido contra sinal reverso e sobretensão. Para esta proteção, internamente é utilizado um diodo no buffer de entrada (conforme mostrado no diagrama do circuito). A função do buffer é fornecer o sinal aos comparadores que estão conectados em série. Cada comparador é polarizado por um resistor diferente e esses comparadores detectam diferentes tensões de alimentação de entrada. Então esta tensão é indicada pelos LEDs na saída (conforme mostrado no diagrama do circuito).

Fig. 3: Circuito interno do LM3914

Primeiro de tudo, a tensão de alimentação de entrada para indicação na saída precisa ser definida. Para este propósito deve ser usado o pino 5. O pino 5 é um pino de sinal que é usado para detectar o sinal analógico e o nível do mesmo sinal é indicado através dos LEDs. Neste experimento, o pino 5 está conectado aos resistores R4 e R5 (conforme mostrado no diagrama do circuito). Ambos os resistores têm o mesmo valor e formam uma rede divisora de tensão. Esta rede fornece metade da tensão de alimentação de entrada ao pino de sinal. Por exemplo, se a tensão de alimentação for 6V, o pino de sinal detectará 3V devido ao circuito divisor de tensão.

Em segundo lugar, a faixa de baixa a alta tensão e a corrente de saída precisam ser definidas. Para este propósito, os seguintes pinos são fornecidos no LM3914 IC – RHI (pino 6) – Para definir o nível de tensão de limite mais alto

– RLO (pino 4) – Para definir o nível de tensão limite inferior

– Ajuste REF (pino 8) – Para definir a tensão de referência necessária

– REF Out (pino 7) – Determina o brilho do LED de saída

Para controlar o brilho dos LEDs de saída, a corrente consumida no pino 7 precisa ser definida. A corrente consumida pelos LEDs de saída depende da corrente consumida no pino de tensão de referência (pino 7). Cerca de 10 vezes dessa corrente é consumida por cada LED, independentemente das mudanças na tensão de entrada e na temperatura. A corrente que cada LED consome também pode ser ajustada usando a seguinte equação –

I LED = 12,5/Req (aprox.) (da folha de dados)

Os pinos RLO e RHI decidem a faixa de tensão de saída de baixa a alta. O LM3914 indica a tensão na saída através de LED apenas na faixa de baixa a alta tensão.

O pino de ajuste REF fornece a tensão de referência para definir a faixa de tensão de saída desejada. Internamente, o IC possui tensão de referência constante de 1,25 V em Ref Out (pino 7) e Ref Adj (pino 8). Esta tensão de referência pode ser ajustada de 1,25V a 12V. Neste experimento, a tensão de referência é mantida inalterada, portanto é 1,25 V.

De acordo com a configuração básica do LM3914, o nível de tensão mais baixo é 0V, pois o pino RLO e REF ADJ está diretamente conectado ao terra. Mas como os pinos RLO e REF ADJ estão flutuando, o nível de tensão mais baixo pode ser alterado de 0V para o nível de tensão desejado. Isso é chamado de expansão da escala.

Neste experimento, o nível de tensão inferior deve começar em 6 V e a tensão superior deve ser de 8,4 V. Para isso, algumas resistências nos pinos REF ADJ e REF OUT devem ser conectadas para que possam fornecer a faixa de tensão conforme a necessidade.

Fig. 4: Diagrama de circuito mostrando a configuração básica do LM3914 com circuito interno (Fonte – folha de dados TI do LM3914)

Para definir a faixa de tensão desejada, os resistores precisam ser conectados de forma que possam fornecer 6 V no pino RLO e 8,4 V no pino RHI. Mas o pino SIG 5 detectará 3V quando a tensão de alimentação for 6V. Portanto, em vez de definir 6V no pino RLO, ele deve ser definido como 3V. Da mesma forma, em vez de 8,4 V, o pino RHI deve ser definido para 4,2 V.

Neste experimento, os resistores R1 e R2 são conectados para fornecer as tensões necessárias. O R2 fornece 3 V para o pino RLO e o pino RHI obtém 4,2 V. O resistor R1 decide a corrente de saída do LED.

Fig. 5: Diagrama de circuito da rede divisora de tensão nos pinos RHI e RLO

O valor das resistências R1 e R2 pode ser calculado da seguinte maneira. O resistor R1 determina a corrente do LED.

Para calcular R1, as seguintes equações da folha de dados precisam ser consideradas –

LED = 12,5/Req

Req = 12,5 / I LED

Então,

I LED = corrente consumida por cada LED

Como o LM3914 tem corrente de saída mínima de 2mA então vamos pegar corrente mínima de 2mA para que os LEDs na saída não consumam mais energia da bateria

Cada corrente de LED, I LED = 2mA

Req = resistência equivalente

Como pode ser visto no circuito interno, o resistor R1 está em paralelo com uma série de resistores ou rede divisora de resistores que está conectada a cada comparador. Portanto, o Req na equação acima é o valor equivalente da rede R1 e do divisor de resistores em paralelo.

Portanto, para encontrar o valor exato de R1, o valor de Req deve ser encontrado –

Necessário = 12,5/0,002

Req = 6250 ohms

Agora, para calcular o R1 usando a seguinte equação

Resistência equivalente, 1/Req = R1 Rdiv (rede divisora de resistores)

De acordo com o circuito interno, o valor de uma sequência de resistores ou rede divisora de resistores é 10k, mas de acordo com a folha de dados 3914, o valor típico deste divisor de resistores é 12k.

Então Rdiv = 12k

Req = 6250 ohms

1/Req = 1/R1 + 1/ Rdiv

1/R1 = 1/Req – 1/ Rdiv

1/R1 = 1/6250 – 1/12000

R1 = 13k (aprox.)

O nível de tensão mais baixo precisa ser definido pelo resistor R2. Agora, para calcular o circuito divisor de tensão R2 no pino, é necessário considerar. Para o cálculo adequado do resistor R2, considere o circuito mostrado abaixo –

Fig. 6: Diagrama de circuito mostrando cálculo de resistências para rede divisora de tensão nos pinos RLO e RHI

R2 pode ser calculado pela seguinte equação –

R2 = VR2 (tensão em R2)/ IR2 (corrente em R2)

Cálculo da corrente em R2, IR2

A partir da figura acima da rede divisora de tensão, fica claro que

IR2 = IR1 + Iadj

Agora,

Iadj = Corrente fluindo para fora do pino de ajuste de referência

De acordo com a folha de dados, a corrente mínima do pino de ajuste é 75uA, portanto, para diminuir o termo de erro, vamos considerar 75 uA como Iadj.

Como o IC possui tensão de referência constante interna de 1,25 V em Ref Out (pino 7) e Ref Adj (pino 8). Portanto, uma corrente constante fluirá através de R1.

Corrente em R1, IR1 = Vref(tensão de referência)/ R1

IR1= 1,25/6250

IR1 = 200ua

Agora, colocando os valores de IR1 e Iadj, podemos calcular IR2

IR2= 200 + 75 (ambos em uA)

IR2 = 275ua

Agora no cálculo de R2

R2 = VR2 (tensão em R2)/ IR2 (corrente em R2)

Como R2 fornecerá 3V ao pino RLO, então VR2 = 3V

R2 = 3/0,000275

R2 = 11k (aprox.)

Observe que o resistor R1 fornecerá 3V ao pino RLO.

Para definir um nível de tensão mais alto em 8,4 V, o pino RHI deve obter 4,2 V. Portanto,

Queda total de tensão em RHI = VR1 + VR2

À medida que a tensão cai em R1, VR1 = 1,25 V (como REF adj e REF out pin fornecem uma tensão de referência constante de 1,25 V conforme explicado acima)

A queda de tensão em R2, VR2 = 3V

Queda total de tensão em RHI = 1,25 + 3

Queda total de tensão em RHI = 4,25V

Portanto, tomando R1 como 13 kΩ e R2 como 11 kΩ, a tensão da bateria de 6V a cerca de 8,4 V pode ser detectada com uma corrente máxima de 2mA na saída.

Na terceira etapa, modo de indicação precisa a ser definido. Existem dois tipos de display para indicação visual na saída e esses dois displays podem ser configurados pelo pino de seleção de modo (pino 9). Este alfinete controla a exibição dos LEDs de saída. Para selecionar o modo Dot, o pino 9 precisa para ficar flutuante ou aberto e para selecionar o modo gráfico de barras, o pino 9 deve ser conectado à alimentação de entrada (V+). Neste experimento, o pino 9 é conectado a uma chave para alterar o valor do 9º pino para V+ ou float conforme desejado.

Finalmente, a bateria deve ser conectada ao IC LM3914. A bateria deve ser conectada entre os pinos 2 e 3 do IC. O pino 3 ou pino V+ fornece a tensão de entrada do IC LM3914. O terminal positivo da bateria deve ser conectado a este pino. O pino 2 ou pino V fornece aterramento ao IC e precisa ser conectado ao terminal negativo da bateria.

Recomenda-se usar um capacitor eletrolítico de tântalo de 2,2 uF e alumínio de 10 uF no pino de aterramento (pino 2) do LM3914 se os fios dos LEDs tiverem 6 polegadas ou mais. Isso ocorre porque fios longos aumentam a resistência e a indutância e geram ruído na entrada.

Como funciona o circuito

Fig. 7: Protótipo de indicador de nível de bateria baseado em IC LM3914 projetado em uma placa de ensaio

Toda a funcionalidade do circuito é gerenciada pelo IC LM3914. O IC foi projetado para operar como indicador de nível de bateria. Apenas os componentes adicionais, como resistores e bateria, devem ser conectados ao IC.

Testando o Circuito

Teoricamente, o LED D1 deve acender quando a tensão da bateria estiver em 6V e O LED D10 deve acender quando a tensão da bateria estiver em 8,4 V. Ao medir a tensão terminal da bateria com um multímetro, os LEDs acendem da seguinte maneira –

Mesa de observação prática em exibição de gráfico de barras