دارة مؤشر مستوى شحن البطارية

مقدِّمة

فِي هَذَا المَشرُوعِ، سوفَ نُصمِّمُ دَّارةُ مؤشِّرِ مُستوى شحنِ البطَّاريَّةِ باستخدامِ العناصِّرِ الإلكترونيَّةِ المُتَّاحةِ بسهولةٍ، حيثُّ نعرِف مُستوى شحنِ البطَّاريَّةِ فقط بواسِطَّةِ دايودات ضَّوئيَّةً (LEDs). على سبيلِ المثَّالِ، في حالةِ إضاءَةِ ستِّ دايودات ضَّوئيَّةً، فهذا يعني أنَّ سعةَ البطَّاريَّةِ تُساوي 60%.

تُوضِّحُ لكَ هذهِ المقالةُ كيفيَّةَ تصميمِ دارةَ مؤشِّرِ مُستوى شحنِ البطَّاريَّةِ. ويُمكنُكَ استخدامُ هذهِ الدَّارَةِ للتَّحقُقِ من مستوى بطَّاريَّةِ السَّيارةِ أو المُحوِّلِ (العاكِسِ). لذلكَ من خلالِ هذهِ الدَّارةِ، يمكننا زيادةُ عُمرِ البطَّاريَّةِ (يعودُ السببُ في ذلكَ إلى أنَّ بعضَ البطَّاريَّاتِ يقِلُّ عُمرُها الافتراضي في حالةِ تفريغِها تفريغًا كاملًا؛ إذْ إنَّ لديها عدد دورات شحن وتفريغ محددة (life cycles)، الشكل ادناه يوضح الشكل النهائي للدارة بعد تجميعها.

صُمَّمَتْ هذهِ الدَّارةُ باستخدامِ الشَّريحةِ lM3914  وهذهِ الشَّريحةُ عبارةٌ عن شريحةٍ مُتكامِلَةٍ (IC)، من إنتاجِ شركةِ  National Semiconductor، وتستخدمُ لتشغيلِ شاشاتٍ تعرِضُ حجمَ الإشارةِ التَّماثليَّةِ؛ إذْ تستطيعُ مخارجُ هذهِ الشريحةِ تشغيلَ ما يصلُ إلى 10 دايودات ضوئية (LEDs) أو شاشاتِ الكريستالِ السَّائلِ أو شاشاتِ الفلورسنت الفراغيَّةِ.

مبدأُ عملِ دارةِ مؤشِّر مستوى البطَّاريَّة

يرتكزُ مبدأَ عملِ هَذِه   الدَّارَة على الشَّريحةِ المتكاملةِ (LM3914). تعملُ هَذِه الشَّريحةِ على تحويلِ الجُهْدِ التَّماثُليِّ المُطبَّقِ على دخلها (input) وتبعاً لقيمةِ هَذَا الجُهْدِ، تُشغِّلُ 10 دايودات ضوئيَّة (LEDs) خطياً وفقاً لجُهْدِ الدَّخلِ التَّماثُليِّ. تَجدرُ الإشارةُ إلى أنَّهُ ليسَ هُناكَ داعٍ لتوصيل المقاومات مع الدايودات في هذه الدَّارة؛ لأنَّ التَّيار يُنظَّمُ بواسطةِ شريحةِ lM3914، الشكل ادناه يوضح الرَّسمُ التَّخطيطيُّ لدَّارةِ مؤشِّرِ مستوى شحنِ البطَّاريَّةِ.

مكوِّناتُ الدَّارَةِ

• LM3914 IC.
• 10 دايودات ضوئيَّةً (3 أحمر – 4 أصفر – أخضر 3).
• مِفتاحُ (SPST).
• مقاوماتُ (18KΩ, 4.7KΩ, 56KΩ).
• مقاومةٌ متغيِّرةٌ (10KΩ).
• بطَّاريَّةُ 12 فلتًا (البطَّاريَّة المُراد اختبار سَعَتِها).
• أسلاكُ توصيلٍ.

تصميمُ دارةِ مؤشِّرِ مستوى شحنِ البطَّاريَّة

تُشيرُ الدايودات الضَّوئيَّةَ العشرة َ  (D1-D10) إلى سَعةِ البطَّاريَّةِ إمَّا في وضعِ النُّقْطَةِ أو وضعِ العرضِ. يُحدِّد هذا الوضعِ بالمِفتاحِ الخارجيِّ sw1 المُتَّصِل بالرِجلِ (pin) رقم 9  من الشَّريحةِ. تُوصلُ الرِجلُ رقم 6  والرجل رقم 7 من الشَّريحةِ بالأرضيِّ من خلال المقاومةِ (R1) كما هو موضَّحٌ بالشَّكلِ (2). وتتحكَّمُ هذه المقاومةِ في سطوعِ الدايودات الضَّوئيَّة. وتعملُ المقاومةُ (R3) مع المقاومةِ المُتغيِّرة (RV1) كدائرةِ مقسمِ جهدِ (potential divider ). وتُستخدمُ المقاومةُ المُتغيِّرةُ (RV1) للمُعايرةِ. ليست هناك حاجةٌ  إلى أيِّ مصدرِ طاقةٍ خارجيِّ لهذه الدَّائرة.

الدَّائرةُ مصمَّمةٌ لمُراقبةِ جُهودٍ كهربائيَّةٍ تتراوحُ بينَ 10VDC إلى 15VDC. وحتَّى لو كانَ جهدُ البطَّاريَّةِ 3VDC فإنَّ هذهِ الدَّارةُ ستعملُ أيضاً؛ وذلك لأنّ جُهدَ التَّشغيلِ لشريحةِ LM3914 يتراوح من   3VDC إلى 25VDC . تحتوي شريحةُ LM3914 على مرجعٍ قابلٍ للتَّعديل ومقسمٍ دقيقٍ مكوَّن من 10 خطواتٍ. كما يمكنها أن تعملَ أيضاً كمُسلسِلٍ (sequencer) (دوائر الكترونيَّة تعملُ على تسلسُلِ التَّوصيل أو فصلِ التَّغذيَّة الكهربائيَّة في بعض التَّطبيقات التي تتكوَّن من أجزاءٍ ذاتِ جُهدٍ كهربائيٍّ مُختلفٍ)، الشكل ادناه يوضح عناصر ومكونات الدارة.

خصائِصُ شريحةُ LM3914 ومواصفاتها

• الجُهدُ المَرجعيُّ الدَّاخليُّ المُستمرُّ من 1.2 VDC إلى 12VDC.
• تيَّارُ الإخراجِ القابل للبرمجةِ 2mA إلى 30mA .
• تتمُ قيادةُ خرجِ الـ LED من خلال التَّيَّارِ المُنظَّم.
• لا يوجدُ تفاعُلٌ متعدِّد بين المُخرِجات.
• مدى درجة الحرارة التي تعمل فيها يتراوح من 0 إلى 70 درجة مئويَّة.
• لعرض الرسم البياني تُربط الرجل رقم 9 من الشريحة إلى شاشة العرض.
• من أجل العرض النُّقطيِّ لا يجب توصيل الرجل رقم 9 من الشَّريحة.

يمكن أيضًاً توصيل دايودات ضوئيَّة ذات ألوان مختلفة للإشارةِ إلى حالةٍ ما، فعلى سبيل المثال،   نستخدمُ دايودات ضوئيَّة ذاتَ لونٍ أحمر (من الدايود الأوَّل D1 حتى الدايود الثَّالث D3) وذلك للإشارة إلى أن سَعة شَحن البطَّاريَّة مُنخفضة)، أمّا الدايود الثَّامن والتَّاسع والعاشر فنختارُهم باللونِ الأخضر لكي  يشيروا إلى أنَّ مستوى  شحن البطَّاريَّة يتراوح بين 80% إلى 100%،  وبقيَّة الدايودات الضوئيَّة نختارهم بلونٍ أصفر.

يمكن استخدام هذه الدَّارة لقياس مدى جُهد كهربائيِّ آخر أيضاً بتعديل سهل عليها. لإجراء هذه العملية تجبُ إزالةُ المقاومة (R2) وتوصيل مُستوی الجهد الكهربائي الأعلى إلى مدخل الشريحة المتكاملة.  بعد ذلك نعدل قيمة المقاومة المتغيِّرة (RV1) حتّی يُضيء الدايود العاشر D10. فمِن ثَم، نستبدل مستوی الجهد الأعلى بمستوى الجهد الأدنى عند مدخل الشريحة المتكاملة ونوصِلُ مقاومة متغيِّرة ذاتَ قيمةٍ كبيرةٍ بدل المقاومة (R2) ونعدِّل قيمة هذه المقاومة المتغيِّرة حتی يضيء الدايود الأول D1 ونسجِّل قيمة المقاومة التي أدت إلی إضاءة الدايود الأول ونستبدل المقاومة المتغيِّرة بمقاومة ثابتة بنفس القيمة التي سجلنها. عندئذ، تستطيع الدَّارةُ مراقبة مدی الجهود الكهربائية الأخری التي نريدها.

هذه الدَّارة مصمَّمة لتعمل عملًا دقيقًا لمراقبة بطاريَّات بجهد 12 فلتًا. وكل دايود ضوئيٍّ يشير إلی 10% من سعة البطاريَّة، ويمكن زيادة عدد المستويات إلی 100 مستوی عن طريق تركيب عدَّة شرائح متكاملة. (زيادة عدد مستويات المراقبة يزيد من دِّقة تمييِّز الدَّارة (Resolution) لأنه في حالة استخدام 10 مستويات لن نستطيع مراقبة مستوی البطارية في حالة كانت سعتها مثلاً: 44% بالضبط لأنَّ الدايودات المُضاءة ستشير إلی أن سعة البطَّاريَّة 40% وهكذا).

كيفية تشغيل دارة مؤشر مستوى شحن البطارية

• تُوصل البطَّاريَّة المُراد قياس سعتها بمدخل الدَّارة.
• تُضبط قيمة المقاومة المتغيِّرة (RV1) حتى يبدأ الدايود الأولD1 بالإضَّاءة .
• يُرفع مصدر الجُّهدِ المستمِّرِ ببطءٍ وتُراقب حالةُ الدايودات الضَّوئيَّة.
• سيُضاء أول دايود عند جُهدٍ كهربائيٍّ قيمته 1.2 فلت والثاني عند 2.4 فلت وهكذا.

يوضح الجدول التالي، حالة الدايودات الضوئية مع مستويات جهد الدخل

Battery Level	Percentage	Status of LED’s
1.2V	10	D1 – ON
2.4V	20	D1, D2 – ON
3.6V	30	D1, D2, D3 – ON
4.8V	40	D1, D2, D3, D4 – ON
6.0V	50	D1, D2, D3, D4, D5 – ON
7.2V	60	D1, D2, D3, D4, D5, D6 – ON
8.4V	70	D1, D2, D3, D4, D5, D6, D7 – ON
9.6V	80	D1, D2, D3, D4, D5, D6, D7, D8 – ON
10.8V	90	D1, D2, D3, D4, D5, D6, D7, D8, D9 – ON
12V	100	ALL LED’s – ON

الشكل ادناه يوضح الشكل النهائي للدارة عند تشغيلها.

تطبيقات دارة مؤشر مستوى شحن البطارية

يمكن استخدام هذه الدَّارة لقياس مستوى شحن بطارية السَّيارة. كما يمكن أن تُستخدم أيضاً لمعايرة حالة العاكس (Inverter).

محدوديةُ الدارة وقيودُها

• تَعْمَلُ هَذِهِ الدَّارَةُ فَقَطْ في حالةِ الجُهُودِ الكهرُبائيَّةِ المُنخَفِضَةِ.
• أُجريَتْ دِرَاسَةُ هَذِهِ الدَّارَةِ دراسةً نَظَريٌّةً ويُمكِنُ أنْ تُجرى بعضُ التعديلاتِ في حالةِ تطبيقِها تطبيقًا عمليًّا.

---

المصدر: هنا.

ترجمة: عبود الحمادي, مراجعة: قاهر محمد اليتيم, تدقيق لغوي: بولا إبراهيم, تصميم: علي العلي, تحرير: فادي الشعار.