Myślę, że ten temat będzie odpowiedni dla tych, którzy mają więcej niż dwa samochody. Z reguły jeden jest używany zimą, drugi latem. Oznacza to, że jeden z nich jeden sezon w roku stoi w garażu lub na parkingu. A kiedy tam stoi, nie wiemy, jak radzi sobie jego bateria. Nie, oczywiście możesz go okresowo „testować” za pomocą woltomierza lub kupić gotowy wskaźnik, którego jest wiele na tym samym Ali-expressie (na przykład włożony do zapalniczki). Chciałem jednak zrobić własny wskaźnik, który pokazywałby pośrednie wartości naładowania resztkowego akumulatora. Cóż, na przykład ponad 75%, 75%, 50% i 25% naładowania. Poza tym chciałbym być na tyle leniwy, jeśli chodzi o stan akumulatora, żeby nie musieć po raz kolejny wchodzić pod maskę samochodu i niepotrzebnie rozpakowywać ładowarki.
Długo szukałem akceptowalnych schematów w Internecie. Zebrałem trochę. Ale to nie to samo. Histereza wskazania jest taka, że lepiej byłoby gdyby jej nie było, łatwiej i pewniej jest zmierzyć to wskazanie testerem. Albo ustawienia są zmienne i nie ma stabilności, albo w ogóle jasność diody zmienia się płynnie w zależności od napięcia na akumulatorze i idź i dowiedz się, co na niej jest. A potem znalazłem jeden diagram na jakiejś portugalskiej stronie. Jest to proste aż do nieprzyzwoitości i wydaje się, że powinno działać. Zbudowany jest na wzmacniaczu operacyjnym UA741. Tutaj jest:
Zmieniłem w nim jedynie wartość diody Zenera z 6,2 V na 7,5 V. Operacje są jasne. Dioda LED zapala się przy żądanym ustawieniu (regulowanym przez rezystor dostrajający R2). Lepiej jest używać wieloobrotowych R2, ponieważ ustawienie ich na wymagane napięcie nie jest łatwe. Czułość w strefie wyzwalania jest bardzo delikatna, a niemal niewidoczny obrót śruby regulacyjnej przesuwa żądane napięcie na bok.
Konieczna jest konfiguracja przy użyciu precyzyjnego, regulowanego laboratoryjnego źródła prądu z woltomierzem cyfrowym pokazującym dziesiąte (a jeszcze lepiej setne, równolegle włączyłem cyfrowy tester) wolta. Ponieważ chciałem zobaczyć stopień naładowania akumulatora we wskazanych powyżej gradacjach, złożyłem obwód z trzech takich bloków. Oto rysunek sygnetu:
Gdy akumulator jest w pełni naładowany, napięcie na nim przekracza 12,7 V, nie świeci się ani jedna dioda LED i wszystko jest w porządku (zdjęcie 1).
Pierwszy blok zapala zieloną diodę LED, gdy napięcie na zaciskach akumulatora jest mniejsze niż 12,5 V, co odpowiada około 75% naładowania akumulatora (zdjęcie 2).
Druga zapala żółtą diodę LED, gdy napięcie spadnie poniżej 12,2 V, czyli około 50% naładowania (Zdjęcie 3).
Otóż trzecia, czerwona, zapala się, gdy napięcie spadnie poniżej 11,7 V, czyli około 25% pozostałego poziomu naładowania akumulatora (Fot. 4).
Użyłem ustawień napięcia dla akumulatorów AGM (mam je w swoich samochodach). W przypadku zwykłych kwaśnych można je zmienić na inne. Płytkę umieszczono w małej obudowie (40 mm x 70 mm). Na obudowie umieściłem dla wygody dodatkowy, niewielkich rozmiarów wyłącznik w miejscu przerwy przewodu dodatniego, aby nie zdejmować cęgów z zacisków akumulatora, gdy pomiary nie są wymagane i aby urządzenie nie zużywało, choć niewielkie (ok. 20 mA, głównie określany przez prąd świecących diod LED) prąd z akumulatora. Do akumulatora od urządzenia podłączony jest podwójny czerwono-czarny przewód zakończony zaciskami na końcach (Fot. 5).
Urządzenie jest na stałe podłączone do zacisków akumulatora samochodu zaparkowanego w garażu. Kiedy trzeba, wchodząc do garażu, bez niepotrzebnego „tańczenia” włączam włącznik na urządzeniu, obserwuję, jakiego koloru świecą się „światła” i sprawdzam, czy mój akumulator jest zdrowy, czy też wymaga „potraktowania”.
» otrzymano komentarz z ciekawymi propozycjami ulepszenia projektu.
Ponieważ zaleca się stosowanie wskaźnika niskiego poziomu naładowania akumulatora (punkt 3 komentarza) w dowolnym autonomicznym urządzeniu elektronicznym, aby uniknąć nieoczekiwanych awarii lub awarii sprzętu w najbardziej nieodpowiednim momencie, gdy poziom naładowania akumulatora jest niski, produkcja wskaźnika niskiego poziomu naładowania akumulatora jest objęta zakresem osobny artykuł.
Zastosowanie wskaźnika rozładowania jest szczególnie ważne w przypadku większości akumulatorów litowych o napięciu nominalnym 3,7 V (na przykład popularne dziś akumulatory 18650 i podobne lub popularne płaskie akumulatory litowo-jonowe z telefonów zastępczych do smartfonów), ponieważ naprawdę „nie lubią” wyładowań poniżej 3,0 V i dlatego zawodzą. Co prawda większość z nich powinna mieć wbudowane układy awaryjnej ochrony przed głębokim rozładowaniem, ale kto wie, jaki rodzaj baterii masz w rękach, dopóki jej nie otworzysz (Chiny są pełne tajemnic).
Ale co najważniejsze, chciałbym wiedzieć z wyprzedzeniem, jaki poziom naładowania jest aktualnie dostępny w używanym akumulatorze. Moglibyśmy wtedy na czas podłączyć ładowarkę lub zamontować nowy akumulator, nie czekając na smutne konsekwencje. Dlatego potrzebujemy wskaźnika, który z wyprzedzeniem zasygnalizuje, że bateria wkrótce całkowicie się rozładuje. Aby zrealizować to zadanie, istnieją różne rozwiązania obwodów - od obwodów na pojedynczym tranzystorze po wyrafinowane urządzenia na mikrokontrolerach.
W naszym przypadku proponuje się wykonanie prostego wskaźnika rozładowania baterii litowej, który można łatwo zmontować własnymi rękami. Wskaźnik rozładowania jest ekonomiczny i niezawodny, kompaktowy i dokładny w określaniu kontrolowanego napięcia.
Obwód wskaźnika rozładowania
Obwód wykonany jest przy użyciu tzw. detektorów napięcia. Nazywa się je również monitorami napięcia. Są to wyspecjalizowane chipy zaprojektowane specjalnie do kontroli napięcia. Niezaprzeczalnymi zaletami obwodów monitorowania napięcia są wyjątkowo niski pobór mocy w trybie czuwania, a także ich wyjątkowa prostota i dokładność. Aby sygnalizacja rozładowania była jeszcze bardziej zauważalna i ekonomiczna, ładujemy wyjście detektora napięcia na migającą diodę LED lub „migające światło” na dwóch tranzystorach bipolarnych.
Detektor napięcia (DA1) PS T529N zastosowany w obwodzie łączy wyjście (pin 3) mikroukładu ze wspólnym przewodem, gdy kontrolowane napięcie na akumulatorze spadnie do 3,1 wolta, włączając w ten sposób moc impulsu o wysokim obciążeniu generator. W tym samym czasie super jasna dioda LED zaczyna migać z okresem: przerwa - 15 sekund, krótki błysk - 1 sekunda. Pozwala to na zmniejszenie poboru prądu do 0,15 ma podczas pauzy i 4,8 ma podczas flashowania. Gdy napięcie akumulatora przekracza 3,1 wolta, obwód wskaźnika jest praktycznie wyłączony i zużywa tylko 3 μA.
Jak pokazała praktyka, wskazany cykl wskazań wystarczy, aby zobaczyć sygnał. Ale jeśli chcesz, możesz ustawić wygodniejszy dla siebie tryb, wybierając rezystor R2 lub kondensator C1. Ze względu na niski pobór prądu przez urządzenie nie przewidziano osobnego wyłącznika zasilania wskaźnika. Urządzenie działa, gdy napięcie zasilania spadnie do 2,8 V.
Wykonanie ładowarki
1. Sprzęt.
Kupujemy lub wybieramy z dostępnych elementów do montażu zgodnie ze schematem.
2. Montaż obwodu.
Aby sprawdzić funkcjonalność obwodu i jego ustawienia, montujemy wskaźnik rozładowania na uniwersalnej płytce drukowanej. Dla ułatwienia obserwacji (wysoka częstotliwość impulsów) podczas testu wymień kondensator C1 na kondensator o mniejszej pojemności (na przykład 0,47 μF). Podłączamy obwód do zasilacza z możliwością płynnej regulacji napięcia stałego w zakresie od 2 do 6 woltów.
3. Sprawdzenie obwodu.
Powoli obniżaj napięcie zasilania wskaźnika rozładowania, zaczynając od 6 woltów. Obserwujemy na wyświetlaczu testera wartość napięcia, przy której włącza się detektor napięcia (DA1) i dioda LED zaczyna migać. Przy prawidłowym wyborze detektora napięcia moment przełączania powinien wynosić około 3,1 wolta.
4. Przygotuj płytkę do montażu i lutowania części.
Z uniwersalnej płytki drukowanej wycinamy potrzebny do montażu element, starannie piłujemy krawędzie płytki, oczyszczamy i cynujemy ścieżki stykowe. Rozmiar ciętej deski zależy od zastosowanych części i ich ułożenia podczas montażu. Wymiary tablicy na zdjęciu to 22 x 25 mm.
5. Instalacja debugowanego obwodu na płycie roboczej
Jeśli wynik działania obwodu na płytce drukowanej będzie pozytywny, przenosimy części na płytkę roboczą, lutujemy części i wykonujemy brakujące połączenia cienkim drutem montażowym. Po zakończeniu montażu sprawdzamy instalację. Obwód można zmontować w dowolny dogodny sposób, łącznie z montażem na ścianie.
6. Sprawdzenie obwodu roboczego wskaźnika rozładowania
Sprawdzamy funkcjonalność obwodu wskaźnika rozładowania i jego ustawienia podłączając obwód do zasilacza, a następnie do testowanego akumulatora. Gdy napięcie w obwodzie zasilania jest mniejsze niż 3,1 V, wskaźnik rozładowania powinien się włączyć.
Zamiast detektora napięcia PS T529N (DA1) stosowanego w obwodzie detektora napięcia dla kontrolowanego napięcia 3,1 V, można zastosować podobne mikroukłady innych producentów, na przykład BD4731. Detektor ten ma na wyjściu otwarty kolektor (o czym świadczy dodatkowa cyfra „1” w oznaczeniu mikroukładu), a także niezależnie ogranicza prąd wyjściowy do 12 mA. Pozwala to na bezpośrednie podłączenie do niego diody LED, bez ograniczania rezystorów.
Możliwe jest także zastosowanie detektorów na napięcie w obwodzie 3,08 V - TS809CXD, TCM809TENB713, MCP103T-315E/TT, CAT809TTBI-G. Wskazane jest wyjaśnienie dokładnych parametrów wybranych detektorów napięcia w ich karcie katalogowej.
W podobny sposób można zastosować inny detektor napięcia dla dowolnego innego napięcia niezbędnego do działania wskaźnika.
Decyzja w sprawie drugiej części pytania z punktu 3 powyższej uwagi – działanie wskaźnika rozładowania tylko w obecności oświetlenia – została przełożona następujące powody:
- praca dodatkowych elementów w obwodzie wymaga dodatkowego poboru energii z akumulatora, tj. ucierpi efektywność programu;
- działanie wskaźnika rozładowania w ciągu dnia jest najczęściej bezużyteczne, ponieważ w pomieszczeniu nie ma „widzów”, a wieczorem akumulator może się rozładować;
- w nocy wskaźnik działa jaśniej i wydajniej, a dodatkowo znajduje się włącznik zasilania pozwalający na szybkie wyłączenie urządzenia.
Nie rozważałem zastosowania domowego wzmacniacza operacyjnego zaproponowanego w paragrafie 2 komentarza, ze względu na debugowanie trybów pracy obwodu przy minimalnych prądach podczas procesu wykańczania na płytce drukowanej.
Aby rozwiązać problem zgodnie z punktem 1 komentarza, nieznacznie zmieniłem schemat urządzenia „Nocna lampka z włącznikiem akustycznym”. Dlaczego włączyłem szynę mocy dodatniej przekaźnika akustycznego przez falownik na VT3, sterowany przez stale działający fotoprzekaźnik.
Z teorii akumulatorów pamiętamy, że akumulatorów litowych nie można rozładować poniżej poziomu 3,2 V na ogniwo, w przeciwnym razie tracą one zamierzoną pojemność i ulegają uszkodzeniu znacznie szybciej. Dlatego monitorowanie minimalnego poziomu napięcia jest bardzo ważne w przypadku akumulatorów litowych. Oczywiście w telefonie komórkowym czy laptopie możliwość krytycznego rozładowania wyklucza inteligentny kontroler, ale akumulator do chińskiej latarki można bardzo szybko zabić, a potem pisać na forach o badziewie, które Chińczycy produkują. Aby temu zapobiec, sugeruję zmontowanie jednego z prostych obwodów wskaźnika rozładowania baterii litowej.
W tym obwodzie jako element sygnalizacyjny służy dioda LED. Jako komparator zastosowano precyzyjnie nastawioną diodę Zenera TL431. Przypomnijmy, że TL 431 to regulowana krzemowa dioda Zenera o napięciu wyjściowym, które można ustawić na dowolną wartość od 2,5 do 36 woltów za pomocą dwóch zewnętrznych rezystorów. Próg odpowiedzi obwodu ustalany jest przez dzielnik napięcia w obwodzie elektrody sterującej. W przypadku akumulatora samochodowego należy wybrać różne wartości rezystorów.
Najlepiej jest wziąć jasne niebieskie diody LED, są one najbardziej zauważalne. Dioda Zenera TL431 - jest stosowana w wielu zasilaczach impulsowych w obwodzie sterującym transoptora zabezpieczającego i można ją stamtąd wypożyczyć.
Dopóki napięcie jest powyżej określonego poziomu, w naszym przykładzie 3,25 V, dioda Zenera działa w trybie awaryjnym, dlatego tranzystor jest blokowany i cały prąd przepływa przez zieloną diodę LED. Gdy tylko napięcie na akumulatorze litowo-jonowym zacznie spadać w zakresie od 3,25 do 3,00 woltów, VT1 zaczyna się odblokowywać i prąd przepływa przez obie diody LED.
Gdy napięcie akumulatora wynosi 3 V lub mniej, świeci się tylko czerwony wskaźnik. Poważną wadą układu jest trudność w doborze diod Zenera w celu uzyskania pożądanego progu zadziałania, a także duży pobór prądu wynoszący 1 mA.
Poziom reakcji wskaźnika ustawia się poprzez dobór wartości rezystorów R2 i R3.
Dzięki wykorzystaniu pracowników terenowych pobór prądu przez obwód jest bardzo mały.
Dodatnie napięcie na bramce tranzystora VT1 jest tworzone za pomocą dzielnika zamontowanego na dwóch rezystancjach R1-R2. Jeżeli jego poziom jest wyższy niż napięcie odcięcia przełącznika polowego, otwiera i smaruje bramkę VT2 do przewodu wspólnego, blokując ją.
W danym momencie, gdy akumulator litowo-jonowy się rozładowuje, napięcie z dzielnika nie wystarcza do otwarcia VT1 i zostaje on zablokowany. Na bramce VT2, która jest blisko poziomu zasilania, pojawia się potencjał, dlatego otwiera się i zapala się dioda LED. Jego świecenie sygnalizuje konieczność doładowania akumulatora.
Wskaźnik rozładowania na chipie TL431 |
Próg reakcji jest ustalany przez dzielnik pomiędzy rezystancjami R2-R3. Przy wartościach pokazanych na rysunku jest ono równe 3,2 wolta. Kiedy ten próg na akumulatorze zostanie obniżony, mikrozespół przestanie bocznikować diodę LED i zacznie się ona świecić.
Jeśli używasz akumulatora składającego się z kilku akumulatorów połączonych szeregowo, powyższy obwód będzie musiał być podłączony do każdego banku.
Aby skonfigurować obwód, zamiast akumulatora podłączamy regulowane źródło zasilania i wybieramy R2 (R4), aby mieć pewność, że wskaźnik będzie świecił w wymaganym odstępie czasu.
Wskaźnik pełniący funkcję diody LED zaczyna migać, gdy napięcie akumulatora spadnie poniżej kontrolowanego poziomu. Obwód detektora oparty jest na specjalizowanym mikrozespole MN13811, a obwód realizowany jest przy użyciu tranzystorów bipolarnych Q1 i Q2.
Jeżeli zastosowany zostanie chip MN13811-M to gdy napięcie akumulatora spadnie poniżej 3,2V dioda LED zacznie migać. Ogromną zaletą układu jest to, że podczas monitorowania obwód pobiera niecałe 1 µA, a w trybie migania około 20 mA. W urządzeniu zastosowano dwa tranzystory bipolarne o różnej przewodności. Układy scalone serii MN13811 dostępne są na różne napięcia, w zależności od ostatniej litery, więc jeśli wymagany jest mikromontaż dla innego progu odpowiedzi, wówczas można zastosować ten sam mikroukład, ale z innym indeksem literowym.
Baterie litowo-jonowe są dość wrażliwe na nadużywanie. Nowoczesne ładowarki potrafią analizować swój stan podczas procesu ładowania, jednak nie będzie zbyteczne zamontowanie jednego prostego dodatku na jednym tranzystorze i 2 diodach LED, które niezależnie od samego urządzenia pokażą rzeczywisty stan akumulatora. Poniższy rysunek przedstawia schemat obwodu służący do określania napięcia akumulatorów Li-Ion.
Obwód LED wskaźnika napięcia akumulatora litowo-jonowego
Gdy napięcie zasilania spadnie poniżej 2,6 V, prąd płynący przez bazę tranzystora spada i następuje jego zamknięcie. Dioda LED1 świeci się, dioda LED2 jest wyłączona. Gdy napięcie przekroczy 2,6 V, tranzystor zaczyna się otwierać i zamyka diodę LED 1, jednocześnie zapala się dioda LED 2. Stan ten oznacza, że akumulator nie wymaga ładowania.
Należy jednak pamiętać, że limity napięcia różnią się znacznie w zależności od rodzaju i koloru wybranych diod LED. Standardowa czerwona dioda LED ma spadek napięcia w kierunku przewodzenia o 1,7 V; zielona dioda LED około 2,1 V.
W tej konstrukcji zastosowano czerwone diody LED o napięciu przewodzenia około 1,6 V przy 2 mA. Inne wskaźniki mogą wymagać wyboru wartości, na przykład zainstalowania diody Schottky'ego zamiast 1n4148. W niektórych przypadkach można zainstalować nawet białe lub niebieskie diody LED z 3 napięciami stałymi.
Tabela wyraźnie pokazuje, jakie stany pracy ma wskaźnik. Urządzenie pobiera mało prądu, więc można liczyć na długi czas pracy na baterii, o ile oczywiście nie będzie przechowywane. Taki wskaźnik napięcia można wbudować w moduł ładujący lub testowy. Dodanie diod Zenera połączonych szeregowo z diodami LED sprawia, że ten prosty obwód wskaźnikowy nadaje się również do wyższych poziomów napięcia.
W artykule zaproponowano dwie opcje wskaźnika, którego kolor zmienia się z zielonego na czerwony w miarę rozładowywania akumulatora. Istnieje ogromna liczba obwodów zaprojektowanych do wykonywania takich funkcji, ale moim zdaniem wszystkie są zbyt skomplikowane i drogie. Mój wskaźnik wymaga tylko pięciu elementów, z których jeden to dwukolorowa dioda LED.
Najprostszą wersję pokazano na rysunku 1. Jeżeli napięcie na zacisku B+ wynosi 9 V, to zaświeci się tylko zielona dioda LED, ponieważ napięcie bazy Q1 wynosi 1,58 V, natomiast napięcie emitera jest równe spadkowi napięcia na diodzie D1 w typowym przypadku wynosi 1,8 V, a Q1 jest utrzymywany w stanie zamkniętym. Gdy poziom naładowania akumulatora spada, napięcie na diodzie LED D2 pozostaje zasadniczo takie samo, a napięcie bazowe maleje, aż w pewnym momencie Q1 zacznie przewodzić prąd. W rezultacie część prądu zacznie płynąć do czerwonej diody LED D1, a udział ten będzie wzrastał, aż cały prąd popłynie do czerwonej diody LED.
| Obrazek 1. | Podstawowy schemat obwodu monitora napięcia akumulatora. |
W przypadku typowych elementów dwukolorowej diody LED różnica napięć przewodzenia wynosi 0,25 V. To właśnie ta wartość określa obszar przejścia z zielonego na czerwony. Całkowita zmiana koloru blasku, wyznaczonego stosunkiem rezystancji rezystorów dzielnika R1 i R2, następuje w zakresie napięcia
Środek obszaru przejścia z jednego koloru na drugi jest określony przez różnicę napięcia między diodą LED a złączem baza-emiter tranzystora i wynosi około 1,2 V. Zatem zmiana B+ z 7,1 V na 5,8 V spowoduje zmiana koloru z zielonego na czerwony.
Różnice napięcia będą zależeć od konkretnych kombinacji diod LED i mogą nie wystarczyć do pełnej zmiany kolorów. Jednakże proponowany obwód można nadal wykorzystać, łącząc diodę szeregowo z D2.
Na rysunku 2 rezystor R1 został zastąpiony diodą Zenera, co spowodowało znacznie węższy obszar złącza. Dzielnik nie ma już wpływu na obwód, a całkowita zmiana koloru blasku następuje, gdy napięcie B+ zmieni się zaledwie o 0,25 V. Napięcie w punkcie przejścia będzie równe 1,2 V + V Z. (Tutaj V Z jest napięciem na diodzie Zenera, w naszym przypadku równym około 7,2 V).
Wadą takiego obwodu jest to, że jest on powiązany z ograniczoną skalą napięcia diod Zenera. Sytuację dodatkowo komplikuje fakt, że niskonapięciowe diody Zenera mają zbyt gładką krzywą charakterystyczną, co nie pozwala dokładnie określić, jakie będzie napięcie V Z przy małych prądach w obwodzie. Jednym z rozwiązań tego problemu byłoby zastosowanie rezystora połączonego szeregowo z diodą Zenera, aby umożliwić niewielką regulację poprzez nieznaczne zwiększenie napięcia złącza.
Przy pokazanych wartościach rezystorów obwód pobiera prąd o natężeniu około 1 mA. Dzięki diodom LED o dużej jasności wystarczy to do korzystania z urządzenia w pomieszczeniach zamkniętych. Ale nawet tak niewielki prąd jest znaczący w przypadku akumulatora 9-woltowego, więc będziesz musiał wybierać pomiędzy pobieraniem dodatkowego prądu a ryzykowaniem pozostawienia włączonego zasilania, gdy go nie potrzebujesz. Najprawdopodobniej już po pierwszej nieplanowanej wymianie baterii zaczniesz odczuwać zalety tego monitora.
Obwód można przekształcić tak, aby przejście z zielonego na czerwony nastąpiło, gdy napięcie wejściowe wzrasta. W tym celu należy wymienić tranzystor Q1 na NPN oraz zamienić emiter z kolektorem. Za pomocą pary tranzystorów NPN i PNP można wykonać komparator okienny.
Biorąc pod uwagę dość dużą szerokość obszaru przejściowego, obwód na rysunku 1 najlepiej nadaje się do akumulatorów 9 V, natomiast obwód na rysunku 2 można dostosować do innych napięć.