Battery Check
In questo articolo, vi propongo un circuito battery check, un circuito in grado di visualizzare tramite led, lo stato della batteria.
Il circuito raffigurato, è adatto per batterie a 12v, presenti su auto, moto, scooter, ma una volta capito il funzionamento, lo si può adattate a diversi tipi di batterie.
Tutto il circuito ruota sempre intorno ad un amplificatore operazionale, utilizzato come comparatore di tensioni, anzi in questo caso 2 comparatori, perché ho voluto impostare 2 soglie di tensione, in modo da ottenere 3 diverse situazioni, 1-batteria carica, 2-batteria mezza scarica, 3-batteria scarica.
Il funzionamento del circuito comparatore è abbastanza semplice, quando la tensione presente sull'ingresso V+, è superiore alla tensione sull'ingresso V-, l'uscita del comparatore si porta a circa Vcc, diversamente l'uscita rimane a 0V.
Collegando all'uscita del partitore un led, con la rispettiva resistenza di limitazione, avrò che il led è acceso quando V+ è maggiore di V-, e ovviamente il led sarà spento quando V+ è minore di V-.
Adesso che è chiaro il semplice funzionamento del partitore, non ci resta che stabilire i valori di tensione, a cui vogliamo ottenere l'accensione o spegnimento del led.
Posso ad esempio inviare la tensione della batteria sull'ingresso V+, e poi una tensione di riferimento, ottenuta mediante l'utilizzo di un partitore resistivo sull'ingresso V-, e confrontare la tensione della batteria con la tensione di riferimento.
Prendendo ad esempio lo schema qua sopra, se collegato ad una batteria che presenta una tensione a piena carica di 13V, sull'uscita del partitore, e quindi sull'ingresso V- ottengo una tensione di:
Vout=R2/(R1+R2)xVcc → 10.000/(220+10.000)x13 → 10.000/10220x13 → 0,978x13=12,71V
A questo punto se sull'ingresso V+ ho la tensione proveniente dalla batteria di 13V e sull'ingresso V- ho una tensione proveniente dal partitore di 12,71V, ho che V+ è maggiore di V-, quindi uscita pari a circa Vcc e led verde acceso.
Adesso ammettiamo che la tensione della batteria cali per assurdo a 10V, sull'ingresso V+ ho una tensione di 10V e sull'ingresso V- ho una tensione di:
Vout= R2/(R1+R2)xVcc → 10.000/(220+10.000)x10 → 10.000/10220x10 → 0,978x13=9,78V
La tensione V+ è sempre maggiore di V-, e quindi il led verde sarà ancora acceso, e così per qualsiasi valore di tensione della batteria.
E' ovvio quindi, che la tensione di riferimento proveniente dal partitore, deve essere indipendente dallo scaricarsi della batteria, ergo il partitore non può essere collegato direttamente alla batteria.
Però nemmeno possiamo pretendere di utilizzare una alimentazione esterna, il circuito dovrebbe funzionare, alimentato dalla stessa batteria sotto controllo, e allora la soluzione da me adottata, è quella di utilizzare un regolatore di tensione, nello specifico un regolatore lm7809, che fornisce in uscita una tensione fissa a 9V indipendente dalla tensione della batteria.
La batteria ora può avere una tensione di oltre 13V, o 12V ,perfino scendere a 11V, che sull'uscita del regolatore, avrò sempre una tensione stabile a 9V.
In questo modo, ho risolto un problema, ma ne ho creato un altro.
Fissare una tensione di soglia ad esempio a 12,6V, non è più possibile, perché se dal regolatore escono 9V, al massimo potrò avere una tensione di riferimento di 9V, non di più.
Ecco allora l'idea di dividere per 2 tutte le tensioni, in modo da lavorare su tensioni intorno ad un valore di 6 - 6,5V.
Infatti posso misurare che una tensione di 13V è superiore ad una tensione di 12,6V, allo stesso modo in cui dividendo per 2, posso misurare che una tensione di 6,5V è superiore ad una tensione di 6,3V.
Alla fine il risultato non cambia, posso tranquillamente effettuare le stesse misure utilizzando però tensioni di riferimento inferiori ai 9V forniti dal regolatore.
La prima operazione da effettuare, sarà allora quella di dividere per 2 la tensione proveniente dalla batteria, e tale compito è affidato al partitore costituito da R1 ed R2.
Quando ad esempio la batteria presenta una tensione di 13V, nel punto A avrò una tensione di:
Vout= R2/(R1+R2)xVcc → 4700/(4700+4700)x13 → 4700/9400x13 → 0,5x13=6,5V
Se la batteria presentasse invece una tensione di 12,6V, nel punto A avrei una tensione di:
Vout= R2/(R1+R2)xVcc → 4700/(4700+4700)x12,6 → 4700/9400x12,6 → 0,5x12,6=6,3V
In pratica il rapporto del partitore costituito da 2 resistenze di uguale valore, è sempre 0,5, quindi qualsiasi valore di tensione, verrà diviso per 2, e nel punto A ci sarà sempre una tensione pari alla metà della tensione presente ai capi della batteria.
Adesso calcoliamo la tensione presente nel punto B, ovvero sull'ingresso V+ di U1A.
In quel punto il partitore è costituito da R5 ed R6, teniamo conto che il partitore è collegato sull'uscita del regolatore 7809, quindi nel punto B è presente una tensione di:
8200/(3300+8200)x9 → 8200/11500x9 → 0,713x9=6,42V
Allora quando la tensione nel punto A, è inferiore ad una tensione di 6,42V, avrò l'accensione del led rosso.
Abbiamo detto che però nel punto A è presente metà tensione della batteria, il che significa che il led rosso si accenderà quando la tensione della batteria è inferiore a 6,42x2=12,84V
Adesso calcoliamo pure la tensione presente nel punto C, ovvero sull'ingresso V- di U1B.
In quel punto il partitore è costituito da R3 ed R4, ed è anch'esso collegato sull'uscita del regolatore 7809, quindi nel punto B è presente una tensione di:
2700/(1200+2700)x9 → 2700/3900x9 → 0,692x9=6,23V
Notate che il partitore U1B è collegato al contrario di U1A, ovvero la tensione di riferimento adesso è collegata sul pin V-, quindi l'accensione del led verde, adesso si avrà quando la tensione nel punto A, è superiore ad una tensione di 6,23V.
Nel punto A è sempre presente metà tensione della batteria, il che significa che il led verde si accenderà quando la tensione della batteria è superiore a 6,23x2=12,46V
Grazie ai 2 partitori, ottengo 2 tensioni di riferimento diverse, inoltre collegando queste 2 tensioni ai 2 comparatori in modo invertito, ovvero nel primo comparatore sull'ingresso V+ e nel secondo comparatore nell'ingresso V-, ottengo pure un funzionamento invertito, cioè nel primo comparatore U1A, il led si accende quando la tensione della batteria è inferiore alla tensione di riferimento, mentre invece nel secondo comparatore U1B, il led sarà acceso quando la tensione della batteria è superiore alla tensione di riferimento.
In pratica:
1) Led verde acceso con tensione superiore a 12,46V
2) Led rosso accesso con tensione inferiore a 12,84V
A questo punto fino a quando la tensione della batteria rimane superiore a 12,84V, è verificata solo la situazione 1, quindi led verde acceso e led rosso spento.
Come la tensione della batteria scende sotto ai 12,84V è sempre verificata la situazione1, ma ora è verificata pure la situazione 2, quindi led verde acceso e pure led rosso acceso.
Quando la tensione della batteria scende sotto a 12,46V si verifica solo la situazione 2, la situazione 1 non è più verificata, quindi rimane acceso il led rosso, mentre il led verde si spegne.
Ricapitolando:
Tensione superiore a 12,84V solo led verde acceso (ok, la carica della batteria è superiore al 90%);
Tensione compresa tra 12,46V e 12,84V led verde e rosso accesi entrambi (attenzione la carica della batteria è scesa sotto al 90%);
Tensione inferiore a 12,48V solo led rosso acceso( pericolo, la carica della batteria è scesa sotto al 65%).
Ho scelto questi limiti di tensione, che corrispondono all'incirca al 90% e al 65% della carica, per segnalare in anticipo lo scaricarsi della batteria.
Ricordo che stiamo parlando di una batteria di avviamento, e che quindi deve rimanere sempre sufficientemente carica, una batteria mezza scarica non è più in grado di effettuare l'avviamento del motore.
Diciamo che sicuramente una carica superiore al 90% è una situazione normale, e non preoccupante.
Una carica inferiore al 90% non è ancora preoccupante, magari il mezzo è rimasto fermo diversi giorni, e l'elettronica di bordo ha scaricato leggermente la batteria, non è ancora una situazione preoccupante, comunque da tenere sotto controllo, dovrebbe risolversi percorrendo diversi chilometri, permettendo così la ricarica attraverso l'alternatore del mezzo.
Un livello di carica sotto al 65%, è sicuramente preoccupante, c'è il rischio concreto di rimanere a piedi, quindi la batteria deve essere ricaricata con un caricabatterie.
Al posto di utilizzare 2 led uno rosso e uno verde, può pure essere collegato un led bicolore rosso/verde a catodo comune.
Il led bicolore a catodo comune ha 3 terminali, un terminale negativo, un terminale positivo per il led rosso, e un terminale positivo per il led verde.
Quando oltre al terminale negativo, è alimentato solo il terminale per il led rosso, ovviamente il led si illumina di rosso, quando è alimentato solo il terminale per il led verde, ovviamente il led si illumina di verde, ma la cosa interessante è che quando i terminali sono alimentati entrambi, il led si illumina di arancio.
In questo modo ho un solo led che cambia colore a in base alla situazione:
Tensione superiore a 12,84V led colore verde;
Tensione compresa tra 12,46V e 12,84V led colore arancio;
Tensione inferiore a 12,46V led colore rosso.
Nello schema finale sono stati aggiunti pure 2 condensatori C1 e C2 per il corretto funzionamento del 7809, sono condensatori da utilizzare come da istruzioni fornite dal costruttore nel foglio dati o datasheet.
Sotto il pcb del circuito, disegnato già invertito, in modo da poter essere stampato ed utilizzato con la tecnica preferita.
Infine lo schema di montaggio, anzi gli schemi di montaggio, perché ho disegnato sia il collegamento da effettuare con 2 led rosso e verde, e sia il collegamento da effettuarsi con un solo led bicolore rosso/verde, ricordo a catodo comune.
R1,R2=4,7K
R3=1,2K
R4=2,7k
R5=3,3k
R6=8,2K
R7,R8=390
C1=330nF
C2=100nF
IC1=Lm7809
IC2=LM358
Led1=Led rosso
Led2=Led verde