8.4. - Circuito di segnalazione di troppo carica, troppo scarica e normalmente carica di una batteria di 12V di una

         automobile mediante tre diodi led

La batteria viene considerata troppo carica se supera i 13V; troppo scarica se scende al di sotto di 11V.

Poiché il circuito dovrà funzionare alimentato dalla stessa batteria, si dovrà fissare il valore della tensione di alimentazione del circuito al di sotto del valore di troppo scarica e per renderla stabile si utilizza uno stabilizzatore integrato a tre terminali, LM317. Poiché la tensione di dropout dell'LM317 è 3V, si fissa la tensione di uscita stabilizzata a 8V.

Dimensionamento del circuito stabilizzatore

Il circuito stabilizzatore è il seguente.

I dati utili al dimensionamento dei componenti sono:

La relazione che fornisce V_OUT è la seguente, considerando inserita metà di R₂:

Trascurando il termine con I_ADJ, si ha:

Si fissa R₁ = 220W e per R₂ si utilizza un trimmer 20 giri di 2KW .

Collaudato il circuito, l'uscita è stata tarata esattamente a 8V.

Un circuito che realizza il controllo della batteria e quello di figura.

Il trimmer R_T serve a simulare le variazioni di carica della batteria. A₁ e A₂ sono due comparatori la cui tensione di ingresso è quella della batteria dimezzata, 6V.

La tensione di riferimento di A₁ è 6,5V (13/2), quella di A₂ è 5,5V (11/2).

Il funzionamento si riassume nel seguente modo:

I diodi zener vengono inseriti per evitare l'accensione anche minima dei diodi LED D_L1 e D_L2 a causa della conduzione, anche minima, del BJT, in quanto il livello basso di uscita degli amplificatori operazionali, non è sempre nullo. Si utilizzano zener con tensione nominale di 3,3V, in quanto imponendo una corrente di 5mA, la tensione di zener risulterà sensibilmente più bassa, circa 2,7V.

Calcolo di R₁, R₂ e R_T

Poiché V_i è metà di V_CC, le due resistenze R₁ e R₂ avranno lo stesso valore.

Si assume .

Calcolo di R₃, R₄ e R₅

Applicando la regola del partitore, e dividendo membro a membro, si ottiene R₄ in funzione di R₅:

Sostituendo nella seconda, si ha:

Posto R₅ = 100KW , si ha: .

Con tali valori, si ha:

Calcolo di R₆ e R₇

La soglia di conduzione dei diodi LED è di 2V e la tensione alta di uscita dell'operazionale è di circa 7V. Si fissa la corrente nei LED a 7mA.

Per il quale si utilizza il valore commerciale di 330W .

Calcolo di R₉

Col BJT interdetto e una corrente nel LED di 10mA, si ha:

Per il quale si utilizza il valore commerciale di 560W .

Calcolo di R₈

Quando il transistor è saturo, la corrente di collettore è:

Essendo h_FEm = 200 (BJT NPN BC237B), la corrente I_Bm è:

Si fissa I_B = 200m A, e si calcola R8:

Per il quale si utilizza il valore commerciale di 15KW .

Verifica sperimentale

Il circuito funziona nel modo previsto.

quando V_i < 5,48V (V_BAT < 10,96V, batteria troppo scarica) si accende il solo LED rosso (D_L2)

quando V_i > 6,49V (V_BAT > 12,98V, batteria troppo carica) si accende il solo LED giallo (D_L1)

quando 5,48V < V_i < 6,49V (10,96V < V_BAT < 12,98V, batteria normalmente carica) si accende il solo LED verde (D_L3)

Le tensioni nel circuito sono risultate, nei tre casi, quelle riportate nella seguente tabella.

Le correnti risultano di:

I valori ottenuti sono in buon accordo, considerando le tolleranze e le dispersioni dei componenti, con i valori teorici.

Avendo utilizzato l'amplificatore operazionale LM358, appositamente progettato per funzionare a singola alimentazione, e risultando a livello basso nulla la tensione di uscita, dovrebbe essere possibile eliminare i diodi zener senza alterare il funzionamento del circuito. Per eliminare tali diodi è necessario ricalcolare i valori delle resistenze R₆, R₇ e R₈, utilizzando i valori misurati e portando il valore della corrente I_F a 10mA per una migliore illuminazione dei diodi LED.

Per il quale si utilizza il valore commerciale di 470W .

Per il quale si utilizza il valore commerciale di 22KW .

Il circuito senza i diodi zener è il seguente.

Il funzionamento del circuito modificato è identico al precedente. I diodi D_L1 e D_L2 risultano più luminosi.

Le tensioni nel circuito sono risultate, nei tre casi, quelle riportate nella seguente tabella.

Le correnti risultano di:

Valori ancora in buon accordo con quelli teorici.