Індикатор напруги акумулятора LM3914. Найпростіший індикатор рівня заряду батареї Перевірка постійної напруги

Дуже важливо контролювати розряд будь-якого акумулятора, адже у кожного з них є якась гранична напруга, нижче якої її не можна розряджати, інакше акумулятор втратить значну частину своєї ємності, швидше деградує і не зможе видавати заявлений струм, доведеться купувати новий, а він не дешевий.

У цій статті я розповім і покажу як зробити дуже простий індикатор напруги для кислотно-свинцевих акумуляторів 12V, що широко використовуються в автомобілях, а також скутерах, мотоциклах та іншому транспорті. Якщо ви зрозумієте принцип роботи схеми-індикатора і призначення кожної деталі, то зможете підлаштувати її практично для будь-якого виду батарей, змінюючи номінали певних електронних компонентів.

Принципова схема із зазначеними номіналами може давати вам приблизну інформацію про значення напруги на виводах батареї трьома світлодіодами. Колір світлодіода, в принципі можна вибирати будь-який, але рекомендую використовувати саме такі, як у мене, вони дають чітке уявлення про положення батареї завдяки асоціаціям.

Отже, коли горить зелений, то напруга АКБ в нормі (від 11,6 до 13 Вольт), якщо ж світить білий - це означає U = 13 і більше, а коли яскравий червоний працює, то необхідно терміново відключати навантаження і ставити акумулятор на підзаряджання струмом 0,1C, напруга 11,5 Вольт і нижче, АКБ розрядився більш ніж на 80 відсотків. Нагадаю, що ці значення приблизні і у вас будуть трохи відрізнятися через розкид характеристик використовуваних компонентів.

Струм споживання такого світлодіодного оповіщувача невеликий, до 15 mA. Кого це напружує - не біда, в розрив ставимо тактову кнопку і радіємо. З цього моменту перевірка батареї ведеться натисканням кнопки та аналізом кольору свічення.

Захищаємо плату від води та кріпимо на акумулятор, тепер дуже зручно – примітивний вольтметр завжди з джерелом струму, будь-якої секунди можна протестувати його.

Друкована плата зроблена мініатюрною, всього 2,2 сантиметрів. У моєму випадку використовується мікросхема lm358 у DIP-8 корпусі. Резистори бажано брати з точністю 1% (прецизійні), крім струмообмежувальних. СвітлоXXодіоди використовуються практично будь-які (3mm, 5mm) зі струмом 20 mA.

Перевірка проводитися за допомогою лабораторного блоку живлення на лінійному стабілізаторі LM317, як видно з фото спрацьовування чітке, можуть світитися два світлодіоди, правильним буде останній. Для більш точного налаштування я вкрай рекомендую використовувати підрядкові резистори, як на платі номер два, за допомогою них ви дуже точно відрегулюєте напругу, при яких загорятимуться світлодіоди.

Розберемо роботу схеми світлодіодного індикатора рівня напруги АКБ. Найголовнішою деталлю є звичайно ж мікросхема LM393 або LM358 (аналог КР1401СА3 / КФ1401СА3), в середині її є два компаратори (трикутники).

Як видно з малюнка нижче всього вісім ніжок, восьма та четверта живлення, а решта – це входи та виходи компараторів. Візьмемо спочатку один для пояснення його роботи, три висновки, два входи (прямий (неінвертуючий) "+" та інвертуючий "-") і один вихід. На неінвертуючий (+) подається опорна напруга (те, з якою буде порівняно напругу, що подається на вхід, що інвертує (-)).

Якщо U на прямому більше, ніж на вході, що інвертує, то на виході маємо мінус живлення, а якщо ж навпаки (на що інвертує більше значення напруги, ніж на прямому) на виході плюс живлення.

Стабілітрон включається в ланцюг навпаки (тобто анод до мінуса, а катод до плюсу), у нього є так званий робочий струм, при якому він і добре стабілізуватиме, подивіться на графік нижче і все зрозумієте.

Цей струм різний для різних по потужності та напрузі стабілітронів, в документації стабілітрону вказується мінімальний (Iz) та максимальний струм (Izrm) стабілізації. Вибирайте потрібний у цих проміжках, нам вистачить і мінімального – це значення струму досягається завдяки резистору.

А ось і прості розрахунки: повне U = 10 Вольт, стабілітрон у нас на 5,6 Вольт, значиться 10-5,6 = 4,4 Вольт. За документацією (датасіту) min Iст = 5 mA. Вважаємо R = 4,4 V / 0,005 A = 880 Ом. Значення опору резистора трохи можуть відхилятися, як у мене, нічого страшного, головне, щоб струм був не менш Iz.

Потрійний дільник напруга, що складається з резисторів 100 кОм, 10 кОм і 82 кОм. На кожному з цих пасивних компонентів“осаджується” певною напругою. Воно у нас подається на інвертуючий вход.

Залежно від рівня розрядженості/зарядженості АКБ ними падає різне напруга. Схема, побудована таким чином, що стабілітрон ZD1 5V6 подає на прямі входи власне 5,6 Вольт (опорне U, то з чим буде порівняно напругу на непрямих входах). І якщо, наприклад, акумулятор сильно розряджений, то на непрямий вхід першого компаратора подається менша напруга, ніж на прямий, а на вхід другого більше.

Таким чином перший дає мінус на виході, а другий плюс світить тільки червоний. Зелений світиться тоді, коли компаратор I видає плюс, а ІІ мінус. Білий, коли обидва дають на виході плюс, через це можуть світитися відразу два останні світлодіоди.

Дещо нижче дивіться фото готового індикатора напруги.

І ще хочу відзначити один момент, якщо у вас автомобіль Опель, і ви хочете щось з ним зробити, наприклад тюнінг або просто підремонтувати, тобто відмінна компанія, яка саме цим і займається.

Акумулятори напругою 12 В дуже популярні (зазвичай це свинцево-кислотний герметичний акумулятор ємністю 7 Ач). Я кілька разів намагався створити сучасний вимірювач рівня заряду (SOC) на замовлення, яке відображало б рівень напруги за допомогою світлодіодів. Однак кожному клієнту потрібна своя функціональність від подібного пристрою, причому відмінності найчастіше полягають у вимогі до відображення мінімального та максимального значеннянапруги.

Якщо потрібно забезпечити подачу звукового попередження під час досягнення низького рівнянапруги, тоді необхідно проконтролювати три рівні напруги. При стандартному методівикористовуються потенціометри для регулювання, однак якщо існує необхідність подачі другого та третього звукового попередження, тоді цей метод стає неприйнятним.

У процесі тестування з'ясувалося, що діапазон струму в ланцюгах становить від 45 до 150 мА. Стандартний пристрій контролю акумуляторів на базі LM3914 виконує розряд акумулятора ємністю 7 Ач протягом 46 годин.

Мета цього проекту – створити індикатор акумулятора з наступними компонентами та характеристиками:

• Світлодіодний індикатор
• Максимальний рівень напруги, що регулюється
• Мінімальний рівень напруги, що регулюється
• 3 регульованих рівня порога спрацьовування сигналізації (зазвичай 50%, 30%, 20%)
• Звукова сигналізація не повинна дратувати та мати функцію вимкнення звуку
• Мінімальна кількість кнопок
• Низьке енергоспоживання.

Для цього проекту я застосував мікроконтролер ATmega328P micro.

Крок 1: Світлодіодний індикатор

У проекті використовується простий та зручний світлодіодний індикатор. Шкальний індикатор має 6 світлодіодів, які вказують на різний рівень напруги:

• Світлодіод 6 - 100%
• Світлодіод 5 - 80%
• Світлодіод 4 - 60%
• Світлодіод 3 - 40%
• Світлодіод 2 - 20%
• Світлодіод 1 - 0%

Світлодіод 0% програмно пов'язаний із мінімальним рівнем напруги.
Світлодіод 100% програмно пов'язаний з максимальним рівнемнапруги.

Шкала відображення між 0% та 100% - лінійна. При рівні 0% світиться тільки світлодіод 1, і при 100% світитимуться всі світлодіоди.

Для збереження енергії світлодіодний індикатор не увімкнено постійно. Для увімкнення індикатора потрібно натиснути кнопку, причому через 30 секунд відбудеться автоматичне вимкнення індикатора.

Крок 2: Напруга та рівні сигналізації

Для точного вимірювання напруги необхідно зменшити напругу акумулятора. Для цієї мети використовується дільник напруги, який знижує напругу до величини 1.1 за допомогою резисторів номіналом 1 мОм і 82 кОм. Оскільки внутрішнє джерело опорної напруги АЦП налаштовано на напругу 1.1, то це дозволить порівнювати і вимірювати максимальну напругу до 14.45 В.

Необхідно проконтролювати 5 рівнів напруги:

• Максимальний рівень напруги
• Мінімальний рівень напруги
• 1 рівень сигналізації зниженої напруги
• 2 рівень сигналізації зниженої напруги
• 3 рівень сигналізації зниженої напруги

Замість використання потенціометрів вирішив застосувати незвичайний метод. За допомогою програмної процедури я заніс дані про рівні напруги та зберіг різні результати аналогово-цифрового перетворення на згадку про EEPROM.

Світлодіоди індикатора відображають програмну послідовність. Для включення світлодіодів та входу в режим програмування використовується лише одна кнопка.

Крок 3: Звукова сигналізація

Для подачі звукового сигналу використовується стандартна п'єзопищалка. Система передбачає три рівні подачі аварійного звукового сигналу:

• Сигналізація 1 подає сигнал один раз протягом декількох секунд. Цей тип звуковий сигналції може бути відключений.
• Сигналізація 2 подає сигнал два рази протягом декількох секунд. Цей тип звукової сигналізації може бути вимкнено.
• Сигналізація 3 подає сигнал тричі протягом декількох секунд. Цей тип звукової сигналізації не може бути вимкнено.

Якщо звукова сигналізація вимкнена, можна активувати функцію автоматичного скидання для повторного увімкнення сигналізації, коли батарея повністю заряджена. Я використовував функцію скидання, яка активує звукову сигналізацію, якщо рівень напруги акумулятора перевищує 60%.

Крок 4: Мінімальна кількість кнопок

Усі функції виконуються за допомогою однієї кнопки.

Індикатор

Натисніть кнопку, щоб увімкнути індикатор. Світлодіодний індикатор увімкнеться та автоматично вимикається через 30 секунд.

Сигналізація

Кнопка дозволяє вимкнути звук у режимі Сигналізація 1 та 2.

Програмування

Щоб увійти в режим програмування, натисніть і утримуйте кнопку протягом 5 секунд під час подачі живлення на пристрій.

Крок 5: Низьке енергоспоживання

Існує кілька способів знизити енергоспоживання пристрою:

Індикатор

Світлодіодний індикатор не увімкнений постійно (його можна ввімкнути за допомогою кнопки, після чого через 30 секунд відбудеться автоматичне вимкнення). Внаслідок цього можна заощадити 120 мА.

Напруга живлення мікроконтролера

Мікроконтролер ATmega328P працює від напруги 5 В і споживає значно більше, ніж від напруги 3.3 В. Тому я оптимізував напругу до рівня 3.3 за допомогою понижуючого стабілізатора.

Стабілізатор напруги

Стандартний стабілізатор 7805 споживає струм близько 20 мА. При використанні ІС 78L05 споживаний струм становить 3.5 мА. Однак при використанні LP2950 3.3 В споживаний струм падає до 0.1 мА.

Підбір тактової частоти

Судячи з даташиту ATm ega328P струм споживання можна знизити з 10 до 1 мА, вибравши внутрішній тактовий генератор на 8 МГц, в порівнянні зі стандартною частотою 16 МГц.

Я вибрав для проекту тактову частоту 8 МГц для кращого співвідношення швидкість/продуктивність. Однак для цього необхідно перепрограмувати регістри конфігурації ATm ega328P, використовуючи.

Примітка:
Якщо ви не хочете міняти ф'юзи, тоді мікроконтролер працюватиме на частоті 16 МГц. Будь ласка, змініть значення delay() і Millis() на фактичні значення мс.

Режим сну

Переводячи мікроконтролер AtMega328P в режим сну, ви також зможете заощадити енергію. У цьому режимі більшість мікроконтролерів відключають інтерфейсні блоки, що дозволяє зменшити струм споживання до 0.001 мА. Однак у цьому режимі мікроконтролер не працює, а нашому випадку, не вимірює напруга.

Сторожовий таймер використовується для пробудження мікроконтролера з режиму сну. Налаштування таймера на пробудження мікроконтролера кожен 8 секунд призведе до значного зниження споживання енергії.

Результати енергозбереження

При використанні вищезгаданих методик енергоспоживання схеми вдалося знизити з 80 мА до 0.12 мА, коли пристрій знаходився в режимі сну. У середньому схема споживає 0.28 мА.

Без використання енергозберігаючих функцій схема розряджає акумулятор ємністю 7 Ач за приблизно 2.8 дня. При використанні енергозберігаючих функцій той самий акумулятор розрядиться через 3.5 роки.

Крок 6: Схема

Для розробки друкованої плати я використав безкоштовну версію. Усі компоненти, крім натискної кнопки, встановлюються на друковану плату. Складання пристрою не викликає проблем, за винятком світлодіодів. Їх необхідно точно розмістити на однаковій відстані.

Оскільки для живлення схеми вибрано напругу 3.3, деякі п'єзо пищалки, розраховані на напругу 5, не працюють. Тому пищалку потрібно підключити до джерела напруги 12 і керувати включенням через транзистор. Підберіть номінал резистора R6 для хорошого звуку.

Крок 7: Калібрування пристрою

Для калібрування пристрою необхідно використовувати джерело регульованої напруги та мультиметр.

Вхід у режим калібрування

Натисніть та утримуйте кнопку
- Підключіть пристрій до джерела живлення
- Через 5 секунд пристрій видасть безперервний звуковий сигнал
- Відпустіть кнопку
- Пристрій видасть 6 звукових сигналів (встановлюється максимальна напруга)
- При цьому загориться найвищий світлодіод.
- Пристрій перейшов у режим калібрування. Щоб вийти з режиму, вимкніть живлення без натискання кнопки.
- Налаштуйте вихід джерела живлення на максимальну вихідну напругу, що відображається на світлодіодному індикаторі (зазвичай 12.7 В)
- Натисніть кнопку
- Пристрій видасть 5 звукових сигналів (встановлюється мінімальна напруга)
- При цьому загориться найнижчий світлодіод
- Відрегулюйте вихід джерела живлення на мінімальну вихідну напругу, що відображається на світлодіодному індикаторі (зазвичай 11.8 В)
- Натисніть кнопку
- Пристрій видасть 4 звукові сигнали (установка сигналу аварії Alarm 1)
- При цьому горітимуть 4 нижні світлодіоди.
- Налаштуйте вихід джерела живлення на рівень напруги Alarm 1 (зазвичай 12.4 В)
- Натисніть кнопку
- Пристрій видасть 3 звукові сигнали (установка сигналу аварії Alarm 2)
- При цьому горітимуть 3 нижні світлодіоди.
- Відрегулюйте вихід джерела живлення на рівень напруги Alarm 2 (зазвичай 12.2 В)
- Натисніть кнопку
- Пристрій видасть 2 звукові сигнали (установка сигналу аварії Alarm 3)
- При цьому горітимуть 2 нижні світлодіоди.
- Відрегулюйте вихід джерела живлення на рівень напруги Alarm 3 (зазвичай 12.0 В)
- Натисніть кнопку
- Далі пристрій видасть 1 звуковий сигнал, що означає кінець процедури калібрування. При цьому світлодіодний індикатор засвітиться на 30 секунд.

Усі запрограмовані значення зберігаються в пам'яті EEPROM, тому калібрування проводиться лише один раз.

Список радіоелементів

Позначення	Тип	Номінал	Кількість	Примітка	Магазин	Мій блокнот
IC1	МК AVR 8-біт	ATmega328P	1			До блокноту
IC2	Лінійний регулятор	LP2950-33	1			До блокноту
Q1	Біполярний транзистор	MMBT2222A	1			До блокноту
LED1-LED3	Світлодіод	Зелений	3			До блокноту
LED4	Світлодіод	Жовтий	1			До блокноту
LED5, LED6	Світлодіод	Червоний	2			До блокноту
С1, С2	Конденсатор	0.1 мкФ	2			До блокноту
С3, С4	Конденсатор		2			До блокноту
R1	Резистор	1 МОм	1	1%		До блокноту
R2	Резистор

Найдивовижніше те, що схема індикатора рівня заряду акумуляторної батареїне містить ні транзисторів, ні мікросхем, ні стабілітронів. Тільки світлодіоди та резистори, включені таким чином, що забезпечується індикація рівня підведеної напруги.

Схема індикатора

Робота пристрою ґрунтується на початковій напрузі увімкнення світлодіода. Будь-який світлодіод – це напівпровідниковий прилад, який має граничну точку напруги, тільки перевищивши яку він починає працювати (світити). На відміну від лампи розжарювання, яка має майже лінійні вольтамперні характеристики, світлодіод дуже близька характеристика стабілітрона, з різкою крутизною струму при збільшенні напруги.
Якщо включити світлодіоди в ланцюг послідовно з резисторами, кожен світлодіод почне включатися тільки після того, як напруга перевищить суму світлодіодів в ланцюгу для кожного відрізка ланцюга окремо.
Поріг напруги відкриття або початку загоряння світлодіода може коливатися від 1,8 до 2,6 В. Все залежить від конкретної марки.
У результаті, кожен світлодіод спалахує тільки після того, як спалахнув попередній.

Схему я зібрав на універсальній монтажній платі, спаявши виведення елементів між собою. Для кращого сприйняття я взяв світлодіоди різних кольорів.
Такий індикатор можна зробити не лише на шість світлодіодів, а, наприклад, на чотири.
Використовувати індикатор можна не тільки для акумулятора, але і для створення індикації рівня на музичних колонках. Підключивши пристрій до виходу підсилювача потужності, паралельно колонці. Тим самим можна відстежувати критичні рівні акустичної системи.
Можливо знайти й інші застосування цієї, насправді, дуже простої схеми.