Индикатор напряжения аккумулятора на LM3914. Простейший индикатор уровня заряда батареи Проверка постоянного напряжения

Очень важно контролировать разряд любого аккумулятора, ведь у каждого из них есть некое пороговое напряжение, ниже которого его нельзя разряжать, иначе аккумулятор потеряет значительную часть свой ёмкости, быстрее деградирует и не сможет выдавать заявленный ток, придётся покупать новый, а он не дешевый.

В этой статье я расскажу и покажу как сделать очень простой индикатор напряжение для кислотно-свинцовых аккумуляторов 12V, широко использующихся в автомобилях, а также скутерах, мотоциклах и прочем транспорте. Если вы поймете принцип работы схемы-индикатора и назначение каждой детали, то сможете подстроить её практически для любого вида перезаряжаемых батарей, изменяя номиналы определенных электронных компонентов.

Принципиальная схему с указанными номиналами может давать вам примерную информацию о значении напряжения на выводах батареи тремя светодиодами. Цвет светодиода, в принципе можно выбирать любой понравившейся, но рекомендую использовать именно такие, как у меня, они дают четкое представление о положении батареи благодаря ассоциациям.

Итак, когда горит зеленый, то напряжение АКБ в норме (от 11,6 до 13 Вольт), если же светит белый – это значит U=13 и более, а когда же яркий красный работает, то необходимо срочно отключать нагрузку и ставить аккумулятор на подзарядку током 0,1C, напряжение 11,5 Вольт и ниже, АКБ разрядился более чем на 80 процентов. Напомню, что эти значения примерные и у вас будут немного отличаться из-за разброса характеристик используемыъ компонентов.

Ток потребление такого светодиодного оповещателя небольшой, до 15 mA. Кого это напрягает – не беда, в разрыв ставим тактовую кнопочку и радуемся. С этого момента проверка батареи ведется нажатием кнопки и анализом цвета свечения.

Защищаем плату от воды и крепим на аккумулятор, теперь очень удобно – примитивный вольтметр всегда с источником тока, в любую секунду можно протестировать его.

Печатная плата сделана миниатюрная, всего 2,2 сантиметров. В моем случае используется микросхема lm358 в DIP-8 корпусе. Резисторы желательно брать с точностью 1% (прецизионные), кроме токоогрничительных. СветxXодиоды используются практически любые (3mm, 5mm) с током 20 mA.

Проверка производиться с помощью лабораторного блока питания на линейном стабилизаторе LM317, как видно из фото срабатывание четкое, могут светиться два светодиода, правильным будет последний. Для более точной настройки я крайне рекомендую использовать подстрочные резисторы, как на плате номер два, с помощью них вы очень точно отрегулируете те напряжение, при которых будут загораться светодиоды.

Разберем работу схемы светодиодного индикатора уровня напряжения АКБ. Самой главной деталью является конечно же микросхема LM393 или LM358 (аналог КР1401СА3 / КФ1401СА3), в середине её есть два компаратора (треугольники).

Как видно из рисунка ниже всего восемь ножек, восьмая и четвертая питание, а остальные – это входы и выходы компараторов. Возьмем сначала один для объяснение его работы, три вывода, два входа (прямой (неинвертирующий) “+” и инвертирующий “–“) и один выход. На неинвертирующий (+) подается опорное напряжение (то, с котором будет сравнено напряжение, подаваемое на инвертирующий (-) вход).

Если U на прямом больше, чем на инвертирующем входе, то на выходе имеем минус питания, а если же наоборот (на инвертирующем большее значение напряжения, чем на прямом) на выходе плюс питания.

Стабилитрон включается в цепь наоборот (то есть анод к минусу, а катод к плюсу), у него есть так называемый рабочий ток, при котором он и будет хорошо стабилизировать, посмотрите на график ниже и всё поймете.

Этот ток разный для разных по мощности и напряжении стабилитронов, в документации стабилитрона указывается минимальный (Iz) и максимальный ток (Izrm) стабилизации. Выбирайте нужный в этих промежутках, нам хватит и минимального – это значение тока достигается благодаря резистору.

А вот и простенькие расчеты: полное U=10 Вольт, стабилитрон у нас на 5,6 Вольт, значится 10-5,6=4,4 Вольт. По документации (даташиту) min Iст=5 mA. Считаем R=4,4 V / 0,005 A = 880 Ом. Значение сопротивления резистора немного могут отклоняться, как у меня, ничего страшного, главное чтобы ток был не менее Iz.

Тройной делитель напряжение состоящий из резисторов 100 кОм, 10 кОм и 82 кОм. На каждом из этих пассивных компонентов “осаживается” определенной напряжение. Оно у нас подается на инвертирующий входа.

В зависимости от степени разряженности/заряженности АКБ на них падает разное напряжение. Схема, построенная таким образом, что стабилитрон ZD1 5V6 подает на прямые входа собственно 5,6 Вольт (опорное U, то с чем будет сравнено напряжение на непрямых входах). И если, например, аккумулятор разряжен сильно, то на непрямой вход первого компаратора подается меньшее напряжение, чем на прямой, а на вход второго большее.

Таким образом первый дает минус на выходе, а второй плюс – светит только красный. Зеленый светиться тогда, когда компаратор I выдает плюс, а II минус. Белый, когда оба дают на выходе плюс, из-за этого могут светиться сразу два последних светоизлучающих диода.

Чуть ниже смотрите фото готового индикатора напряжения.

И ещё хочу отметить один момент,если у вас автомобиль Опель, и вы хотите что-либо с ним сделать, например тюнинг или просто подремонтировать, то есть отличная компания, которая как раз этим и занимается.

Аккумуляторы напряжением 12 В очень популярны (обычно это герметичный свинцово-кислотный аккумулятор емкостью 7 Ач). Я несколько раз пытался создать современный измеритель уровня заряда (SOC) на заказ, который бы отображал уровень напряжения с помощью светодиодов. Однако каждому клиенту требуется своя функциональность от подобного устройства, причем отличия зачастую заключаются в требовании к отображению минимального и максимального значения напряжения.

Если нужно обеспечить подачу звукового предупреждения при достижении низкого уровня напряжения, тогда необходимо проконтролировать три уровня напряжения. При стандартном методе используются потенциометры для регулировки, однако если существует необходимость подачи второго и третьего звукового предупреждения, тогда этот метод становится неприемлемым.

В процессе тестирования выяснилось, что диапазон тока в цепях составляет от 45 мА до 150 мА. Стандартное устройство контроля аккумуляторов на базе LM3914 выполняет разряд батареи емкостью 7 Ач в течение 46 часов.

Цель данного проекта – создать индикатор аккумулятора со следующими компонентами и характеристиками:

• Светодиодный индикатор
• Регулируемый максимальный уровень напряжения
• Регулируемый минимальный уровень напряжения
• 3 регулируемых уровня порога срабатывания сигнализации (обычно 50%, 30%, 20%)
• Звуковая сигнализация не должна раздражать и иметь функцию отключения звука
• Минимальное количество кнопок
• Низкое энергопотребление.

Для этого проекта я применил микроконтроллер ATmega328P micro.

Шаг 1: Светодиодный индикатор

В проекте используется простой и удобный светодиодный индикатор. Шкальный индикатор имеет 6 светодиодов, которые указывают различный уровень напряжения:

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

Светодиод 0% программно связан с минимальным уровнем напряжения.
Светодиод 100% программно связан с максимальным уровнем напряжения.

Шкала отображения между 0% и 100% - линейная. При уровне 0% будет светиться только Светодиод 1, и при 100% будут светиться все светодиоды.

Для сохранения энергии светодиодный индикатор не включен постоянно. Для включения индикатора нужно нажать кнопку, причем через 30 секунд произойдет автоматическое отключение индикатора.

Шаг 2: Напряжение и уровни сигнализации

Для точного измерения напряжения необходимо понизить напряжение аккумулятора. Для этой цели используется делитель напряжения, который понижает напряжение до величины 1.1 В с помощью резисторов номиналом 1 мОм и 82 кОм. Поскольку внутренний источник опорного напряжения АЦП настроен на напряжение 1.1 В, то это позволит сравнивать и измерять максимальное напряжение до 14.45 В.

Необходимо проконтролировать 5 уровней напряжения:

• Максимальный уровень напряжения
• Минимальный уровень напряжения
• 1 уровень сигнализации пониженного напряжения
• 2 уровень сигнализации пониженного напряжения
• 3 уровень сигнализации пониженного напряжения

Вместо использования потенциометров я решил применить необычный метод. С помощью программной процедуры я занес данные об уровнях напряжения и сохранил различные результаты аналогово-цифрового преобразования в память EEPROM.

Светодиоды индикатора отображают программную последовательность. Для включения светодиодов и входа в режим программирования используется только одна кнопка.

Шаг 3: Звуковая сигнализация

Для подачи звукового сигнала используется стандартная пьезопищалка. Система предусматривает три уровня подачи аварийного звукового сигнала:

• Сигнализация 1, подает сигнал один раз в течение нескольких секунд. Данный тип звуковой сигнализации может быть отключен.
• Сигнализация 2, подает сигнал два раза в течение нескольких секунд. Данный тип звуковой сигнализации может быть отключен.
• Сигнализация 3, подает сигнал три раза в течение нескольких секунд. Данный тип звуковой сигнализации не может быть отключен.

Если звуковая сигнализация выключена, то можно активировать функцию автоматического сброса для повторного включения сигнализации, когда батарея полностью заряжена. Я использовал функцию сброса, которая повторно активирует звуковую сигнализацию, если уровень напряжения аккумулятора превышает 60%.

Шаг 4: Минимальное количество кнопок

Все функции выполняются с помощью одной кнопки.

Индикатор

Нажмите кнопку для включения индикатора. Светодиодный индикатор включится и автоматически отключится через 30 секунд.

Сигнализация

Кнопка позволяет отключить звук в режиме Сигнализация 1 и 2.

Программирование

Для входа в режим программирования нажмите и удерживайте кнопку в течение 5 секунд при подаче питания на устройство.

Шаг 5: Низкое энергопотребление

Существует несколько способов снизить энергопотребление устройства:

Индикатор

Светодиодный индикатор не включен постоянно (его можно включить с помощью кнопки, после чего через 30 секунд произойдет автоматическое отключение). В результате этого можно сэкономить 120 мА.

Напряжение питания микроконтроллера

Микроконтроллер ATmega328P работает от напряжения 5 В и потребляет значительно больше, чем от напряжения 3.3 В. Поэтому я оптимизировал напряжение до уровня 3.3 В с помощью понижающего стабилизатора.

Стабилизатор напряжения

Стандартный стабилизатор 7805 потребляет ток около 20 мА. При использовании ИС 78L05, потребляемый ток составляет 3.5 мА. Однако при использовании LP2950 3.3 В потребляемый ток падает до 0.1 мА.

Подбор тактовой частоты

Судя из даташита ATm ega328P ток потребления можно снизить с 10 мА до 1 мА, выбрав внутренний тактовый генератор на 8 МГц, по сравнению со стандартной частотой 16 МГц.

Я выбрал для проекта тактовую частоту 8 МГц для наилучшего соотношения скорость/производительность. Однако для этого необходимо перепрограммировать регистры конфигурации ATm ega328P , используя .

Примечание:
Если вы не хотите менять фьюзы, тогда микроконтроллер будет работать на частоте 16 МГц. Пожалуйста, измените значения delay() и Millis() на фактические значения в мс.

Режим сна

Переводя микроконтроллер AtMega328P в режим сна, вы также сможете сэкономить энергию. В этом режиме большинство микроконтроллеров отключает интерфейсные блоки, что позволяет уменьшить ток потребления до 0.001 мА. Однако в данном режиме микроконтроллер уже не работает, а в нашем случае, не измеряет напряжение.

Сторожевой таймер используется для пробуждения микроконтроллера из режима сна. Настройка таймера на пробуждение микроконтроллера каждый 8 секунд приведет к значительному снижению потребления энергии.

Результаты энергосбережения

При использовании вышеуказанных методик энергопотребление схемы удалось снизить с 80 мА до 0.12 мА, когда устройство находилось в режиме сна. В среднем, схема потребляет 0.28 мА.

Без использования энергосберегающих функций схема разряжает аккумулятор емкостью 7 Ач за, приблизительно, 2.8 дня. При использовании энергосберегающих функций тот же аккумулятор разрядится через 3.5 года.

Шаг 6: Схема

Для разработки печатной платы я использовал бесплатную версию . Все компоненты, за исключением нажимной кнопки, устанавливаются на печатную плату. Сборка устройства не вызывает проблем, за исключением светодиодов. Их необходимо точно расположить на одинаковом расстоянии.

Поскольку для питания схемы выбрано напряжение 3.3 В, некоторые пьезо пищалки, рассчитанные на напряжение 5 В, не работают. Поэтому пищалку нужно подключить к источнику напряжения 12 В и управлять включением через транзистор. Подберите номинал резистора R6 для получения хорошего звука.

Шаг 7: Калибровка устройства

Для калибровки устройства необходимо использовать источник регулируемого напряжения и мультиметр.

Вход в режим калибровки

Нажмите и удерживайте кнопку
- Подключите устройство к источнику электропитания
- Через 5 секунд устройство издаст непрерывный звуковой сигнал
- Отпустите кнопку
- Устройство издаст 6 звуковых сигналов (устанавливается максимальное напряжение)
- При этом загорится самый верхний светодиод
- Устройство перешло в режим калибровки. Для выхода из режима отключите питание без нажатия кнопки.
- Отрегулируйте выход источника питания на максимальное выходное напряжение, отображаемое на светодиодном индикаторе (обычно 12.7 В)
- Нажмите кнопку
- Устройство издаст 5 звуковых сигналов (устанавливается минимальное напряжение)
- При этом загорится самый нижний светодиод
- Отрегулируйте выход источника питания на минимальное выходное напряжение, отображаемое на светодиодном индикаторе (обычно 11.8 В)
- Нажмите кнопку
- Устройство издаст 4 звуковых сигнала (установка сигнала аварии Alarm 1)
- При этом будут гореть 4 нижних светодиода
- Отрегулируйте выход источника питания на уровень напряжения Alarm 1 (обычно 12.4 В)
- Нажмите кнопку
- Устройство издаст 3 звуковых сигнала (установка сигнала аварии Alarm 2)
- При этом будут гореть 3 нижних светодиода
- Отрегулируйте выход источника питания на уровень напряжения Alarm 2 (обычно 12.2 В)
- Нажмите кнопку
- Устройство издаст 2 звуковых сигнала (установка сигнала аварии Alarm 3)
- При этом будут гореть 2 нижних светодиода
- Отрегулируйте выход источника питания на уровень напряжения Alarm 3 (обычно 12.0 В)
- Нажмите кнопку
- Далее устройство издаст 1 звуковой сигнал, который означает конец процедуры калибровки. При этом светодиодный индикатор загорится на 30 секунд.

Все запрограммированные значения хранятся в памяти EEPROM, поэтому калибровка проводится только один раз.

Список радиоэлементов

Обозначение	Тип	Номинал	Количество	Примечание	Магазин	Мой блокнот
IC1	МК AVR 8-бит	ATmega328P	1			В блокнот
IC2	Линейный регулятор	LP2950-33	1			В блокнот
Q1	Биполярный транзистор	MMBT2222A	1			В блокнот
LED1-LED3	Светодиод	Зеленый	3			В блокнот
LED4	Светодиод	Желтый	1			В блокнот
LED5, LED6	Светодиод	Красный	2			В блокнот
С1, С2	Конденсатор	0.1 мкФ	2			В блокнот
С3, С4	Конденсатор		2			В блокнот
R1	Резистор	1 МОм	1	1%		В блокнот
R2	Резистор

Самое удивительное то, что схема индикатора уровня заряда аккумуляторной батареи не содержит ни транзисторов, ни микросхем, ни стабилитронов. Только светодиоды и резисторы, включенные таким образом, что обеспечивается индикация уровня подведенного напряжения.

Схема индикатора

Работа устройства основывается на начальном напряжении включения светодиода. Любой светодиод - это полупроводниковый прибор, который имеет граничную точку напряжения, только превысив которую он начинает работать (светить). В отличии от лампы накаливания, которая имеет почти линейные вольтамперные характеристики, светодиоду очень близка характеристика стабилитрона, с резкой крутизной тока при увеличении напряжения.
Если включить светодиоды в цепь последовательно с резисторами, то каждый светодиод начнет включаться только после того, как напряжение превысит сумму светодиодов в цепи для каждого отрезка цепи в отдельности.
Порог напряжения открытия или начала загорания светодиода может колебаться от 1,8 В до 2,6 В. Все зависит от конкретной марки.
В итоге, каждый светодиод загорается только после того, как загорелся предыдущий.

Схему я собрал на универсальной монтажной плате, спаяв вывода элементов между собой. Для лучшего восприятия я взял светодиоды разных цветов.
Такой индикатор можно сделать не только на шесть светодиодов, а к примеру, на четыре.
Использовать индикатор можно не только для аккумулятора, но для создания индикации уровня на музыкальных колонках. Подключив устройство к выходу усилителя мощности, параллельно колонке. Тем самым можно отслеживать критические уровни для акустической системы.
Возможно найти и другие применения этой, по истине, очень простой схемы.