Laboratorio 3 - Medidor Bateria

Universidad Distrital Francisco José de Caldas - Electrónica III - Práctica 3 – 2012 – I

Resumen — El presente laboratorio consiste en diseñar e implementar un circuito basado en OP AMP que muestre el nivel de carga de una batería de 9V utilizando como única fuente de energía del circuito la misma batería a medir, se resalta la versatilidad del OP AMP dentro de la implementación de los circuitos en general y su función como comparador.

Palabras claves— Amplificador operacional, comparador, indicador de carga.

I. INTRODUCCIÓN

L diseño que se propone en este laboratorio permite evidenciar el uso del OP AMP como

comparador de niveles de voltajes mediante la implementación en un circuito muy común en el diario vivir, este circuito se encuentra en todos los aparatos electrónicos modernos que utilizan baterías como fuente de alimentación portable y se encarga de indicar el nivel de carga de una batería que en este caso es de 9v, el circuito se compone principalmente de comparadores que indican los niveles de voltaje por medio de LEDs, y por condensadores encargados de delimitar el tiempo de encendido de los indicadores.

E

Los LEDs se tienen que encender solo en tres ocasiones: cuando se conecta la batería, cuando se presiona un pulsador (con la batería conectada) y cuando se desconecta la batería; se deben encender dependiendo el nivel de carga de la batería, para esto se definen unos intervalos de funcionamiento que se resumen en (Fig. 1).

Adicionalmente se tiene como restricción el no poder utilizar circuitos digitales y por supuesto fuentes externas a la batería.

R. S. Estudiante Ingeniería Electrónica Universidad Distrital de sexto semestre, [email protected].

S. M. Estudiante Ingeniería Electrónica Universidad Distrital de quinto semestre, [email protected].

V. J. Estudiante Ingeniería Electrónica Universidad Distrital de quinto semestre, [email protected].

Fig. 1. Intervalos de funcionamiento LEDs.

Se eligió trabajar con una metodología que permitiera dividir el problema general en problemas más pequeños, teniendo presente los resultados de las siguientes etapas del circuito para rediseñar las etapas iniciales si así fuese necesario, más adelante se mostrará un diagrama de bloques con el funcionamiento general del circuito (Fig.2).

El diseño general del circuito se muestra en la figura 8 evidenciando el objetivo principal de esta práctica que es la implementación de los OP AMP como comparadores.

II. DISEÑO INDICADOR DE CARGA DE BATERÍA

Para dar solución al problema ya descrito se decidió representar el circuito en segmentos de bloques que solucionaran problemas más pequeños y que permitieran posteriormente satisfacer los requerimientos que se pedían para el diseño, los materiales utilizados en la implementación fueron: LEDs, amplificadores operacionales (LM 734), resistencias, condensadores, regulador 5V (7805), pulsador y conectores.

En (Fig 2) se muestra el funcionamiento estructural del circuito, dividido en etapas las cuales se describen a continuación.

Ramírez B. Sergio 20092005049, Sastoque C. Miguel 20101005072, Valencia M. Joan 20092005029

Práctica No. 3Indicador de carga de batería

1


Fig. 2. Diagrama de bloques del diseño del indicador de carga de batería.

A. Acondicionamiento

En esta etapa se acondiciona la señal de entrada que es el voltaje de la batería, para esto se determina un rango de funcionamiento de la señal que varía en el intervalo 5V ≤V bat ≤10V el cuál se desea convertir en una señal de entrada definida para el intervalo 2V ≤V i≤4V , esta transformación se representa en la gráfica1 teniendo en cuenta que solo está definida en los intervalos ya mencionados.

Gráfica. 1. Acondicionamiento de señal V bat (x ) y V i( y ).

Para realizar este proceso de transformación, se utiliza un arreglo de resistencias, que en este caso es un divisor de voltaje dado que b=0 en la ecuación de la recta y=mx+b como se observa en la gráfica 1, produciendo una función de transferencia:

V i=25V bat (1)

Para el intervalo 5V ≤V bat ≤10V , el circuito correspondiente se representa en la figura 3.

150kΩ

100kΩ8 V

ViVbat

Fig. 3. Circuito acondicionamiento.

B. Regulador

Este bloque se hace necesario dentro del diseño debido a la necesidad de polarizar los OP AMP con un voltaje constante además de poder tener niveles de voltaje de referencia mediante divisores de voltaje, la implementación del regulador se puede hacer de diferentes maneras, como por ejemplo con diodo Zenner que permite regular un voltaje cuando la cargaRl es fija

y el V i varia dentro de un intervalo, para este caso se prefirió utilizar un regulador integrado lm7805.

Como resultado se obtiene un circuito similar la de la figura 4.

Fig. 4. Circuito regulador.

C. Comparador 1

En este bloque se tiene los circuitos principales constituidos por OP AMPs, en el circuito general se tiene 5 de los circuitos representados en la figura 5, cada uno por cada nivel de referencia que se tenía en los requerimientos iniciales, cada uno de estos es alimentado por un V pol que es de 5.1v aproximadamente, también hay un divisor de voltaje que fija un voltaje de referencia en la entrada no inversora, esto implica que el OP AMP tendrá una salida VoH cuando V i>V ref , se tiene unV ref diferente por cada LED como se muestra en la tabla 1.

2


Vi

LM124AD

3

2

11

4

1150kΩ

100kΩ

Vpol

Vref

Vo

Fig. 5. Circuito comparador 1.

V i(v) V ref (v) R1(KΩ) R2(kΩ)5 2 300 2208 3.2 220 100

8.9 3.56 100+10 3309.1 3,64 100 3309.3 3,72 100+30 470

Tabla 1. Voltajes de referencia con sus resistencias.

D. Generador de tiempo

Como se tiene un requerimiento en donde se especifica que los LEDs deben encenderse por 3s se decidió implementar un arreglo con resistencias y condensador, se hacen necesarias dos resistencias para que el condensador se cargue con un máximo de 45V poly el valor de estas resistencias corresponde a la

necesidad de que el tiempo de carga sea un poco mayor a 3s, para calcular estos voltajes se utiliza la formula de carga del condensador que es:

V con ( t )=V ∞− (V ∞−V 0 )et

Req .C , para t ≥0.(4)

27kΩ

100µFKey = Espacio

120kΩ

Vpol

VCon

Fig. 6. Circuito carga condensador.

El tiempo de carga de condensador irá a un comparador y eso determinará el tiempo de encendido de los LEDs, y el pulsador sirve para descargar el condensador y obligar a que este se vuelva a cargar produciendo el encendido de los LEDS.

E. Comparador2 e Indicador

Este último bloque del diseño permite comparar la señal de carga del condensador con el voltaje de salida de la etapa comparador1, permitiendo tener por 3s una salida VoHs del OP AMP, esto se da cuando el condensador se está comenzando a cargar y cuando pasa en voltaje de referencia dado por el VoH de la etapa anterior.

LM124AD

3

2

11

4

1

Vpol

VCon

Vo VoS

100Ω

Fig. 7. Circuito comparador 2 e indicador LED.

La resistencia de 100Ω limita el paso de corriente que pasa por el LED en 20 mA aprox.

Nota: para cumplir con el requerimiento de encender los LEDs al momento de retirar la batería se hace necesario utilizar un arreglo con resistencia y condensador en la salida V pol, en este caso la constante de tiempo Req.C debe ser mayor a 3s, se escoge que sea 5 veces mayor y se elige un condensador de 100µf dando una Req de 150kΩ.

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III. SIMULACIONES

En la figura 8 se muestra el diseño final del indicador de batería.

27kΩ

100µF

LM124AD

3

2

11

4

1

28kΩ

82kΩ

133kΩ

330kΩ

100kΩ

150kΩ

150kΩ

100kΩ

LM124AD

3

2

11

4

1

180kΩ

470kΩ

LM124AD

3

2

11

4

1

LM124AD

3

2

11

4

1

LM124AD

3

2

11

4

1

LM124AD

3

2

11

4

1

LM124AD

3

2

11

4

1

LM124AD

3

2

11

4

1

LM124AD

3

2

11

4

1

LM124AD

3

2

11

4

1

100Ω

Key = Espacio

150kΩ100kΩ

1N4733A

33kΩ

120kΩ

100µF

150kΩ

10 V

100Ω

100Ω

100Ω

100Ω

Fig. 8. Diseño Indicador Batería.

Gráfica. 2. Relación entre VoH, el V en el condensador, y la salida (LED) en tres momentos, cuando se conecta la batería, cuando se

oprime el pulsador y cuando se desconecta la batería.

En la grafica 2 se observa claramente la función del comparador 2, este tiene dos entradas una VoH (rojo) en la entrada no inversora y otra correspondiente al voltaje del condensador (verde) en la entrada inversora, entonces el OP AMP tiene una salida alta en 3 momentos, siempre cuanto el voltaje en el condensador

es menor al voltaje de referencia VoH, y tiene una salida baja cuando el condensador se ha cargado y ha sobrepasado el voltaje de referencia VoH; cabe aclarar que esta gráfica corresponde a uno de los amplificadores del bloque de comparadores 2, los demás comparadores de este segmento del circuito se comportan de la misma manera produciendo la misma respuesta en cada uno de los LEDs restantes.

Si se observa bien, la duración de

Gráfica. 3. Relación entre Ventrada (rojo), LEDa (Negro), LEDb(Azul)y LEDc(Morado).

En la grafica 3 se observa la relación entre la entrada de voltaje Vi que se encuentra en 8.2v, y los LEDs de salidas (Nota: las señales están corridas en el eje y para poder visualizarlas al mismo tiempo), según los requerimientos cuando la entrada esta en 8,2 y se conecta la batería se tiene que encender únicamente los LEDs A y B, el LED c por el contrario debe permanecer apagado, esto se debe repetir en otro momento que es cuando se presiona el pulsador, en la gráfica se observa claramente como ocurren estos acontecimientos de la forma como se tiene esperada.

IV. CONCLUSIONES

Los OP AMP permiten diseñar circuitos comparadores supliendo las necesidades y requerimientos que presente un circuito específico, modificando únicamente los componentes externos que acompañan el comparador como son las resistencias y demás, adaptando nuestro diseño a los parámetros requeridos.

Se destacó el uso del OP AMP como comparador y se observó su implementación dentro de un circuito capaz de indicar el nivel de carga de una batería de 9v, estos circuitos tienen una gran ventaja comercial al competir con productos que realizan la misma función pero utilizan una fuente diferente para alimentar el circuito, además de ser ambientalmente más amigable con el medio.

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Es Importante destacar la necesidad de polarizar el amplificador con un voltaje constante, este hecho nos permitió trabajar dentro de un intervalo fijo y realizar las comparaciones de forma precisa, le la misma forma se necesitó implementar los divisores de voltaje alimentados con un voltaje constante.

Se destacó el uso de los condensadores como elementos almacenadores de energía, esto permitió introducir constantes de tiempo dentro del diseño que en compañía con los OP AMP dieron solución a los requerimientos iniciales.

El circuito funciona en un rango aproximado al predicho, con algunas correcciones:

- El voltaje del regulador lm7805 es 5v constantes solo cuando el v de entrada está por encima de 6v, de ese nivel hacia abajo el voltaje de salida del regulador comienza a decaer.

- Los divisores de voltaje utilizados para colocar los niveles de referencia de la etapa comparador1 tienen niveles de tolerancia que imponen un margen de error del funcionamiento del circuito, para esto en alguna ocasiones fue necesario complementar algunos de los divisores con otras resistencias pequeñas.

- La constante de tiempo impartida por el condensador no es exactamente 3s, funciona con un valor cercano a los 2,2 y 2,4 segundos.

V. REFERENCIAS

Apuntes de Clase.Datasheets de los amplificadores y reguladores.Vytautas Gabriutas. (1999), “Apuntes de electrónica”,

Universidad Distrital Francisco José de Caldas.

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