เครื่องวัดระดับแรงดันแบตเตอรี่

  เครื่องวัดระดับแรงดันแบตเตอรี่

   แบตเตอรี่เป็นแหล่งพลังงานไฟฟ้าที่นักอิเล็กทรอนิกส์คุ้นเคยเป็นอย่างดี เพราะเป็นแหล่งจ่ายพลังงานไฟฟ้าให้กับอุปกรณ์ที่ต้องติดตัวผู้ใช้งานไปตลอดเวลา ไม่อยู่กับที่ แต่เมื่อเลือกที่จะใช้แบตเตอรี่เป็นแหล่งจ่ายพลังงานไฟฟ้าแล้ว สิ่งหนึ่งที่ผู้ใช้งานจำเป็นต้องรู้ก็คือ แรงดันของแบตเตอรี่อยู่ในระดับใด เพื่อจะได้วางแผนการใช้งานล่วงหน้า ก่อนที่แบตเตอรี่จะหมดพลังงาน สำหรับโครงงานนี้เน้นไปที่แบตเตอรี่แบบตะกั่ว-กรดขนาด 12 โวลต์เท่านั้น อย่างไรก็ตาม ด้วยการออกแบบที่คล้ายๆ ผู้ใช้งานสามารถดัดแปลงเพื่อวัดระดับแรงดันแบตเตอรี่ขนาด 6 โวลต์ หรือ 9 โวลต์ได้เช่นเดียวกัน

สำหรับกลุ่มผู้ที่จะใช้งานแบตเตอรี่บ่อยๆ ตามความคิดเห็นของผู้เขียนก็คือนักประดิษฐ์หุ่นยนต์ ทั้งรุ่นเล็ก รุ่นใหญ่ นั้นเอง เนื่องจากหุ่นยนต์ส่วนใหญ่ไม่ว่าจะเป็นการบังคับด้วยมือ หรือเป็นแบบอัตโนมัติ ต่างก็ต้องใช้แหล่งพลังงานจากแบตเตอรี่ทั้งสิ้น คงจะดีหากมีอุปกรณ์สักชิ้นที่ผู้ใช้งานจะสามารถดูระดับแรงดันของแบตเตอรี่ได้ทันที โดยไม่จำเป็นต้องใช้มัลติมิเตอร์มาวัด

            เครื่องวัดระดับแรงดันแบตเตอรี่ ใช้ไอซีสำเร็จรูปเบอร์ LM3914 มีโมดูลวัดระดับแบตเตอรี่ เป็นตัวแบ่งช่วงของสถานะแบตเตอรี่คือ เต็ม ปานกลาง หรือ ใกล้หมด

รูปที่1 วงจรเครื่องวัดระดับแรงดันแบตเตอร์รี่

หลักการทำงาน

            วงจรสมบูรณ์ของเครื่องวัดระดับแรงดันแบตเตอรี่เป็นดังรูปที่ 1 หัวใจของวงจรนี้คือไอซีเบอร์ LM3914 มีตัวต้านทาน R1 และ R2 ซึ่งมีค่าความต้านทานเท่ากัน ต่อกันเป็นวงจรแบ่งแรงดัน เพื่อให้แรงดันเหลือครึ่งหนึ่ง ตัวอย่างเช่น แรงดันเข้ามา 12 โวลต์ เมื่อผ่านวงจรแบ่งแรงดันก็จะเหลือ 6 โวลต์เป็นต้น

            ตัวต้านทาน RV1 และ R4 ทำหน้าที่ควบคุมกระแสของโมดูลวัดระดับแบตเตอรี่ และกำหนดแรงดันสูงสุด ส่วนตัวต้านทาน R5 ทำหน้าที่กำหนดแรงดันต่ำสุด และสุดท้ายเป็นตัวเก็บประจุ C1 และ C2 ทำหน้าที่ขนานกับแหล่งจ่ายและลดสัญญาณรบกวนตามลำดับ

            โมดูลวัดระดับแบตเตอรี่มีทั้งหมด 5 ช่อง แบ่งเป็น สีแดง 3 ดวง สีเหลือง 4 ดวง และสีเขียว 3 ดวง การต่อใช้วิธีต่อขาแอโนดเข้าไฟบวกร่วมกันหมด ส่วนขาแคโทดแยกไปต่อตามขาต่างๆ

การออกแบบ

            สำหรับหัวข้อนี้เป็นการแสดงให้เห็นว่าผู้เขียนออกแบบอย่างไร เพื่อผู้อ่านหากต้องการดัดแปลงไปวัดระดับแรงดันในช่วงอื่นๆ ไม่ว่าจะใช้กับแรงดันมากกว่านี้ หรือน้อยกว่านี้ ต่างก็ใช้หลักการเดียวกัน

            ตัวต้านทาน R3 มีค่าความต้านทาน 4.7 กิโลโอห์ม ดังนั้นจะมีกระแสไหลผ่าน LED ประมาณ 2.66 มิลลิแอมป์คิดที่แรงดัน 12.5 โวลต์ตามดาต้าชีส

            ตัวต้านทาน RV1 ทำหน้าที่กำหนดแรงดันสูงสุดที่ขา6 โดยเราจำเป็นต้องทำให้แรงดันที่ขา 6 และขา 7 เท่ากับ 6.75 โวลต์ ซึ่งจะได้จาก 13.5/2 ซึ่งเป็นแรงดันที่ขา 5 เมื่อแบตเตอรี่เต็ม ค่าของตัวต้านทาน RV1 คิดจาก เมื่อเรารู้กระแสที่ไหลผ่านตัวต้านทาน RV1 เท่ากับที่ไหลผ่านตัวต้านทาน R3 ซึ่งเท่ากับ 2.66มิลลิแอมป์ บวกกับกระแสที่ไหลออกจากขา8 ซึ่งเป็น error current มีค่าเท่ากับ 120 ไมโครแอมป์ ดังนั้นจึงสามารถหาค่าตัวต้านทาน RV1 จากสูตร


6.75V  = 1.25V + R3(120uA+266uA)
R3 = (6.75-1.25)/386uA
จะได้ค่า R3 = 14.2k หรือมากกว่า ซึ่งในที่นี้เลือกเป็น 20k
ส่วนตัวต้านทาน RV2 ทำหน้าที่ จำกัดแรงดันต่ำสุดที่ขา 4 คิดจาก
สูตรวงจรแบ่งแรงดัน Vout = Vin*Rb/(Ra+Rb) เมื่อ
Ra = ค่าความต้านทานภายในตัวไอซีมีค่า 1k จำนวน 10ตัว เท่ากับ 10k
Rb = ตัวต้านทานที่ต้องการหาในที่นี้คือ RV2
Vin = แรงดันสูงสุด 6.75 โวลต์      (แรงดันจะแกว่งขึ้นลงอยู่ในช่วง 6.75 ถึง 5 โวลต์)
Vout = แรงดันต่ำสุด คือ 5 โวลต์  (แรงดันจะแกว่งขึ้นลงอยู่ในช่วง 6.75 ถึง 5 โวลต์)

แทนค่าในสมการ จะได้

5 = 6.75*RV2/(10k+RV2)
RV2 = 28.5k หรือมากกว่า ในที่นี้เลือกใช้ 100k



รายการอุปกรณ์

LM3914

ซ็อคเก็ต18ขา

ตัวต้านทาน10k 1/4วัตต์ ค่าความผิดพลาด 5%                       2 ตัว

ตัวต้านทาน4.7k 1/4วัตต์ ค่าความผิดพลาด 5%                      1 ตัว

ตัวต้านทานปรับค่าได้ 20k                                                       1 ตัว

ตัวต้านทานปรับค่าได้ 100k                                                     1 ตัว