Схема зарядного устройства со светодиодной индикацией. Индикатор заряда аккумулятора своими руками. Заводские индикаторы в виде панелей

Что может быть печальнее, чем внезапно севший аккумулятор в квадрокоптере во время полета или отключившийся металлоискатель на перспективной поляне? Вот если бы можно было бы заранее узнать, насколько сильно заряжен аккумулятор! Тогда мы могли бы подключить зарядку или поставить новый комплект батарей, не дожидаясь грустных последствий.

И вот тут как раз рождается идея сделать какой-нибудь индикатор, который заранее подаст сигнал о том, что батарейка скоро сядет. Над реализацией этой задачи пыхтели радиолюбители всего мира и сегодня существует целый вагон и маленькая тележка различных схемотехнических решений - от схем на одном транзисторе до навороченных устройств на микроконтроллерах.

Внимание! Приведенные в статье схемы только лишь сигнализируют о низком напряжении на аккумуляторе. Для предупреждения глубокого разряда необходимо вручную отключить нагрузку либо использовать .

Вариант №1

Начнем, пожалуй, с простенькой схемки на стабилитроне и транзисторе:

Разберем, как она работает.

Пока напряжение выше определенного порога (2.0 Вольта), стабилитрон находится в пробое, соответственно, транзистор закрыт и весь ток течет через зеленый светодиод. Как только напряжение на аккумуляторе начинает падать и достигает значения порядка 2.0В + 1.2В (падение напряжение на переходе база-эмиттер транзистора VT1), транзистор начинает открываться и ток начинает перераспределяться между обоими светодиодами.

Если взять двухцветный светодиод, то мы получим плавный переход от зеленого к красному, включая всю промежуточную гамму цветов.

Типовое различие прямого напряжения в двухцветных светодиодах составляет 0.25 Вольта (красный зажигается при более низком напряжении). Именно этой разницей определяется область полного перехода между зеленым и красным цветом.

Таким образом, не смотря на свою простоту, схема позволяет заранее узнать, что батарейка начала подходить к концу. Пока напряжение на аккумуляторе составляет 3.25В или более, горит зеленый светодиод. В промежутке между 3.00 и 3.25V к зеленому начинает подмешиваться красный - чем ближе к 3.00 Вольтам, тем больше красного. И, наконец, при 3V горит только чисто красный цвет.

Недостаток схемы в сложности подбора стабилитронов для получения необходимого порога срабатывания, а также в постоянном потреблении тока порядка 1 мА. Ну и, не исключено, что дальтоники не оценят эту задумку с меняющимися цветами.

Кстати, если в эту схему поставить транзистор другого типа, ее можно заставить работать противоположным образом - переход от зеленого к красному будет происходить, наоборот, в случае повышения входного напряжения. Вот модифицированная схема:

Вариант №2

В следующей схеме использована микросхема TL431, представляющая собой прецизионный стабилизатор напряжения.

Порог срабатывания определяется делителем напряжения R2-R3. При указанных в схеме номиналах он составляет 3.2 Вольта. При снижении напряжения на аккумуляторе до этого значения, микросхема перестает шунтировать светодиод и он зажигается. Это будет сигналом к тому, что полный разряд батареи совсем близок (минимально допустимое напряжение на одной банке li-ion равно 3.0 В).

Если для питания устройства применяется батарея из нескольких последовательно включенных банок литий-ионного аккумулятора, то приведенную выше схему необходимо подключить к каждой банке отдельно. Вот таким образом:

Для настройки схемы подключаем вместо батарей регулируемый блок питания и подбором резистора R2 (R4) добиваемся зажигания светодиода в нужный нам момент.

Вариант №3

А вот простая схема индикатора разрядки li-ion аккумулятора на двух транзисторах:
Порог срабатывания задается резисторами R2, R3. Старые советские транзисторы можно заменить на BC237, BC238, BC317 (КТ3102) и BC556, BC557 (КТ3107).

Вариант №4

Схема на двух полевых транзисторах, потребляющая в ждущем режиме буквально микротоки.

При подключении схемы к источнику питания, положительное напряжение на затворе транзистора VT1 формируется с помощью делителя R1-R2. Если напряжение выше напряжение отсечки полевого транзистора, он открывается и притягивает затвор VT2 на землю, тем самым закрывая его.

В определенный момент, по мере разряда аккумулятора, напряжение, снимаемое с делителя становится недостаточным для отпирания VT1 и он закрывается. Следовательно, на затворе второго полевика появляется напряжение, близкое к напряжению питания. Он открывается и зажигает светодиод. Свечение светодиода сигнализирует нам о необходимости подзаряда аккумулятора.

Транзисторы подойдут любые n-канальные с низким напряжением отсечки (чем меньше - тем лучше). Работоспособность 2N7000 в этой схеме не проверялась.

Вариант №5

На трех транзисторах:

Думаю, схема не нуждается в пояснениях. Благодаря большому коэфф. усиления трех транзисторных каскадов, схема срабатывает очень четко - между горящим и не горящим светодиодом достаточно разницы в 1 сотую долю вольта. Потребляемый ток при включенной индикации - 3 мА, при выключенном светодиоде - 0.3 мА.

Не смотря на громоздкий вид схемы, готовая плата имеет достаточно скромные габариты:

С коллектора VT2 можно брать сигнал, разрешающий подключение нагрузки: 1 - разрешено, 0 - запрещено.

Транзисторы BC848 и BC856 можно заменить на ВС546 и ВС556 соответственно.

Вариант №6

Эта схема мне нравится тем, что она не только включает индикацию, но и отрубает нагрузку.

Жаль только, что сама схема от аккумулятора не отключается, продолжая потреблять энергию. А жрет она, благодаря постоянно горящему светодиоду, немало.

Зеленый светодиод в данном случае выступает в роли источника опорного напряжения, потребляя ток порядка 15-20 мА. Чтобы избавиться от такого прожорливого элемента, вместо источника образцового напряжения можно применить ту же TL431, включив ее по такой схеме*:

*катод TL431 подключить ко 2-ому выводу LM393.

Вариант №7

Схема с применением так называемых мониторов напряжения. Их еще называют супервизорами и детекторами напряжения (voltdetector"ами). Это специализированные микросхемы, разработанные специально для контроля за напряжением.

Вот, например, схема, поджигающая светодиод при снижении напряжения на аккумуляторе до 3.1V. Собрана на BD4731.

Согласитесь, проще некуда! BD47xx имеет открытый коллектор на выходе, а также самостоятельно ограничивает выходной ток на уровне 12 мА. Это позволяет подключать к ней светодиод напрямую, без ограничительных резисторов.

Аналогичным образом можно применить любой другой супервизор на любое другое напряжение.

Вот еще несколько вариантов на выбор:

• на 3.08V: TS809CXD , TCM809TENB713 , MCP103T-315E/TT , CAT809TTBI-G ;
• на 2.93V: MCP102T-300E/TT , TPS3809K33DBVRG4 , TPS3825-33DBVT , CAT811STBI-T3 ;
• серия MN1380 (или 1381, 1382 - они отличаются только корпусами). Для наших целей лучше всего подходит вариант с открытым стоком, о чем свидетельствует дополнительная циферка "1" в обозначении микросхемы - MN13801, MN13811, MN13821. Напряжение срабатывания определяется буквенным индексом: MN13811-L как раз на 3,0 Вольта.

Также можно взять советский аналог - КР1171СПхх:

В зависимости от цифрового обозначения, напряжение детекции будет разным:

Сетка напряжений не очень-то подходит для контроля за li-ion аккумуляторами, но совсем сбрасывать эту микросхему со счетов, думаю, не стоит.

Неоспоримые достоинства схем на мониторах напряжения - чрезвычайно низкое энергопотребление в выключенном состоянии (единицы и даже доли микроампер), а также ее крайняя простота. Зачастую вся схема умещается прямо на выводах светодиода:

Чтобы сделать индикацию разряда еще более заметной, выход детектора напряжения можно нагрузить на мигающий светодиод (например, серии L-314). Или самому собрать простейшую "моргалку" на двух биполярных транзисторах.

Пример готовой схемы, оповещающей о севшей батарейке с помощью вспыхивающего светодиода приведен ниже:

Еще одна схема с моргающим светодиодом будет рассмотрена ниже.

Вариант №8

Крутая схема, запускающая моргание светодиода, если напряжение на литиевом аккумуляторе упадет до 3.0 Вольта:

Эта схема заставляет вспыхивать сверхяркий светодиод с коэффициентом заполнения 2.5% (т.е. длительная пауза - коротка вспышка - опять пауза). Это позволяет снизить потребляемый ток до смешных значений - в выключенном состоянии схема потребляет 50 нА (нано!), а в режиме моргания светодиодом - всего 35 мкА. Сможете предложить что-нибудь более экономичное? Вряд ли.

Как можно было заметить, работа большинства схем контроля за разрядом сводится к сравнению некоего образцового напряжения с контролируемым напряжением. В дальнейшем эта разница усиливается и включает/отключает светодиод.

Обычно в качестве усилителя разницы между опорным напряжением и напряжением на литиевом аккумуляторе используют каскад на транзисторе или операционный усилитель, включенный по схеме компаратора.

Но есть и другое решение. В качестве усилителя можно применить логические элементы - инверторы. Да, это нестандартное использование логики, но это работает. Подобная схема приведена в следующем варианте.

Вариант №9

Схема на 74HC04.

Рабочее напряжение стабилитрона должно быть ниже напряжение срабатывания схемы. Например, можно взять стабилитроны на 2.0 - 2.7 Вольта. Точная подстройка порога срабатывания задается резистором R2.

Схема потребляет от батареи около 2 мА, так что ее тоже надо включать после выключателя питания.

Вариант №10

Это даже не индикатор разряда, а, скорее, целый светодиодный вольтметр! Линейная шкала из 10 светодиодов дает наглядное представление о состоянии аккумулятора. Весь функционал реализован всего на одной-единственной микросхеме LM3914 :

Делитель R3-R4-R5 задает нижнее (DIV_LO) и верхнее (DIV_HI) пороговые напряжения. При указанных на схеме значениях свечению верхнего светодиода соответствует напряжение 4.2 Вольта, а при снижении напряжения ниже 3х вольт, погаснет последний (нижний) светодиод.

Подключив 9-ый вывод микросхемы на "землю", можно перевести ее в режим "точка". В этом режиме всегда светится только один светодиод, соответствующий напряжению питания. Если оставить как на схеме, то будет светиться целая шкала из светодиодов, что нерационально с точки зрения экономичности.

В качестве светодиодов нужно брать только светодиоды красного свечения , т.к. они обладают самым малым прямым напряжением при работе. Если, например, взять синие светодиоды, то при севшем до 3х вольт аккумуляторе, они, скорее всего, вообще не загорятся.

Сама микросхема потребляет около 2.5 мА, плюс 5 мА на каждый зажженный светодиод.

Недостатком схемы можно считать невозможность индивидуальной настройки порога зажигания каждого светодиода. Можно задать только начальное и конечное значение, а встроенный в микросхему делитель разобьет этот интервал на равные 9 отрезков. Но, как известно, ближе к концу разряда, напряжение на аккумуляторе начинает очень стремительно падать. Разница между аккумуляторами, разряженными на 10% и 20% может составлять десятые доли вольта, а если сравнить эти же аккумуляторы, только разряженненные на 90% и 100%, то можно увидеть разницу в целый вольт!

Типичный график разряда Li-ion аккумулятора, приведенный ниже, наглядно демонстрирует данное обстоятельство:

Таким образом, использование линейной шкалы для индикации степени разряда аккумулятора представляется не слишком целесообразным. Нужна схема, позволяющая задать точные значения напряжений, при которых будет загораться тот или иной светодиод.

Полный контроль над моментами включения светодиодов дает схема, представленная ниже.

Вариант №11

Данная схема является 4-разрядным индикатором напряжения на аккумуляторе/батарейке. Реализована на четырех ОУ, входящих в состав микросхемы LM339 .

Схема работоспособна вплоть до напряжения 2 Вольта, потребляет меньше миллиампера (не считая светодиода).

Разумеется, для отражения реального значения израсходованной и оставшейся емкости аккумулятора, необходимо при настройке схемы учесть кривую разряда используемого аккумулятора (с учетом тока нагрузки). Это позволит задать точные значения напряжения, соответствующие, например, 5%-25%-50%-100% остаточной емкости.

Вариант №12

Ну и, конечно, широчайший простор открывается при использовании микроконтроллеров со встроенным источником опорного напряжения и имеющих вход АЦП. Тут функционал ограничивается только вашей фантазией и умением программировать.

Как пример приведем простейшую схему на контроллере ATMega328.

Хотя тут, для уменьшения габаритов платы, лучше было бы взять 8-миногую ATTiny13 в корпусе SOP8. Тогда было бы вообще шикарно. Но пусть это будет вашим домашним заданием.

Светодиод взят трехцветный (от светодиодной ленты), но задействованы только красный и зеленый.

Готовую программу (скетч) можно скачать по этой ссылке .

Программа работает следующим образом: каждые 10 секунд опрашивается напряжение питания. Исходя из результатов измерений МК управляет светодиодами с помощью ШИМ, что позволяет получать различные оттенки свечения смешением красного и зеленого цветов.

Свежезаряженный аккумулятор выдает порядка 4.1В — светится зеленый индикатор. Во время зарядки на АКБ присутствует напряжение 4.2В, при этом будет моргать зеленый светодиод. Как только напряжение упадет ниже 3.5В, начнет мигать красный светодиод. Это будет сигналом к тому, что аккумулятор почти сел и его пора заряжать. В остальном диапазоне напряжений индикатор будет менять цвет от зеленого к красному (в зависимости от напряжения).

Вариант №13

Ну и на закуску предлагаю вариант переделки стандартной платы защиты (их еще называют ), превращающий ее в индикатор севшего аккумулятора.

Эти платы (PCB-модули) добываются из старых батарей мобильных телефонов чуть ли не в промышленных масштабах. Просто подбираете на улице выброшенный аккумулятор от мобилы, потрошите его и плата у вас в руках. Все остальное утилизируете как положено.

Внимание!!! Попадаются платы, включающие защиту от переразряда при недопустимо низком напряжении (2.5В и ниже). Поэтому из всех имеющихся у вас плат необходимо отобрать только те экземпляры, которые срабатывают при правильном напряжении (3.0-3.2V).

Чаще всего PCB-плата представляет собой вот такую схемку:

Микросборка 8205 - это два миллиомных полевика, собранных в одном корпусе.

Внеся в схему некоторые изменения (показаны красным цветом), мы получим прекрасный индикатор разряда li-ion аккумулятора, практически не потребляющий ток в выключенном состоянии.

Так как транзистор VT1.2 отвечает за отключение зарядного устройства от банки аккумулятора от при перезаряде, то он в нашей схеме лишний. Поэтому мы полностью исключили этот транзистор из работы, разорвав цепь стока.

Резистор R3 ограничивает ток через светодиод. Его сопротивление необходимо подобрать таким образом, чтобы свечение светодиода было уже заметным, но потребляемый ток еще не был слишком велик.

Кстати, можно сохранить все функции модуля защиты, а индикацию сделать с помощью отдельного транзистор, управляющий светодиодом. То есть индикатор будет загораться одновременно с отключением аккумулятора в момент разряда.

Вместо 2N3906 подойдет любой имеющийся под рукой маломощный p-n-p транзистор. Просто подпаять светодиод напрямую не получится, т.к. выходной ток микросхемы, управляющий ключами, слишком мал и требует усиления.

Пожалуйста, учитывайте тот факт, что схемы индикаторов разряда сами потребляют энергию аккумулятора! Во избежание недопустимого разряда, подключайте схемы индикаторов после выключателя питания или используйте схемы защиты, .

Как, наверное, не сложно догадаться, схемы могут быть использованы и наоборот - в качестве индикатора заряда.

Удивительно, что абсолютное большинство автомобилей не имеет датчика зарядки аккумулятора. Как определить зимой, что АКБ стоит подзарядить за ночь, чтобы утром не идти на работу пешком? Или если машину завести не получается – как не загонять безсмысленно батарею до полного истощения?

Используя эту схему вы сможете легко собрать своими руками датчик зарядки аккумулятора. Притом себестоимость, как видите, будет ниже чем у любого китайского аналога, а качество намного лучше! Запитывать модель имеет смысл от замка зажигания, дабы диод светился только, когда ключ вставлен.

Цвет светодиода будет обозначать степень зарядки. Красный – от 6 Вольт до 11, синий от 11 до 13, зелёный боле 13

В комплект входят следующие детали:

Транзисторы
BC547 – 1шт
BC557 – 1шт
Резисторы
1 кОм – 2шт
220 Ом – 3 шт
2,2 кОм – 1 шт
Диоды (стабилитроны)
10 v – 1шт
9,1 v – 1шт
Светодиоды
RGB светодиод – 2шт

Светодиод проверяем тестером, заодно проверяем какой вывод соответствует каждому цвету:

После примеряем детали к печатной плате и вырезаем нужный нам кусок:

Затем приклеиваем светодиод к плате и начинаем монтаж элементов. Важный момент! Так как этот модуль вы будете использовать в автомобиле, то целесообразно не припаивать светодиод к плате, а вывести его на проводах. Так, чтобы вы могли установить его отдельно на приборной панели. Мы же установим его на плату – для простоты и наглядности.

Схема транзисторов(на всякий случай):

Вот что получилось:

Схема отлично работает, тестировалась полчаса, прогоном напряжения от минимального до максимального. В качестве источника питания использовался блок питания от ноутбука с выходным напряжением 19V. Регулятор напряжения – LM 317 и подстроечный резистор 10 кОм. На видео есть небольшой сбой срабатывания на переходе красный – синий и синий – зеленый, это связано со слишком быстрым падением/приростом напряжения (тестер не успевал фиксировать изменения вольтажа), на аккумуляторе все это будет срабатывать плавнее и точнее.

В обзоре будет исследование немногочисленных характеристик данного модуля, небольшая доработка с целью корректировки порогов индикации и установка в корпус повербанка с тремя литиевыми батареями (схема включения 3S). Здесь уже был аналогичной платы для одного литиевого аккумулятора, но там автор больше хвастался своим «колхозом» а саму плату не изучил. В этом обзоре будет полная схема и доработка платы.

Во время заказа очередной электронной мелочи в DX, случайно обратил внимание на данный модуль и вспомнил, что у меня валяется древний Power Bank (далее буду называть его ПБ, чтобы избежать споров о правильном написании) в котором нет даже индикации степени заряда аккумулятора. После недолгих сомнений добавил в корзину. Отдельно покупать такую плату не стал бы. Лень ходит на почту за сторублёвыми пакетиками и напрягать продавцов такой мелочью совесть не позволяет. Кстати, заранее прошу не открывать мне истину, что в других магазинах эти платы в разы дешевле. Взял именно здесь исключительно из-за удобства (добавил к большому заказу). Разница в 100 рублей для меня несущественна.

Пришла плата в небольшом антистатическом пакете.


Все элементы расположены с одной стороны. Два контакта для подключения аккумулятора под пайку. Индикация четырьмя светодиодами, каждый из которых включается при определённом значении напряжения на аккумуляторе. Питается плата от того же напряжения, которое меряет. Края не обработаны (торчали волокна текстолита). Монтаж элементов аккуратный, только светодиоды запаяны криво и залиты неотмытым флюсом. Автомату ставлю пять, монтажнику два.


Плата кажется совершенно микроскопической.


Начал с главного – промерял пороги срабатывания светодиодов.


В небольшом диапазоне напряжений (десятки миливольт) светодиод моргает или горит тускло. После нескольких повторов получил следующие значения порогов:
- красный светодиод: 11,7 В;
- 1-й жёлтый светодиод: 12,1 В;
- 2-й жёлтый светодиод: 12,5 В;
- зелёный светодиод: 12,9 В.

Потребление от 26 мА (11 В, светодиоды не горят) до 59 мА (14 В, горят все светодиоды).
Сразу стало ясно, что плата сделана под свинцовый аккумулятор. Обидно, у меня же литий. При напряжении 3,9 В на элемент (слегка разряженный) погаснет даже красный светодиод. Конечно я не ожидал наворотов как в индикаторе. Надеялся на что-то вроде . Не страшно, буду дорабатывать. Перед этим перерисовал схему.


Ничего революционного. Параллельный стабилизатор (стабилизатор с параллельным включением регулирующего элемента, в данном случае R14, R15) с помощью резистивного делителя R6…R11 формирует ряд опорных напряжений, которые подаются на неинвертирующие входы четырёх компараторов (одна микросхема , выход на транзисторе с открытым коллектором). На инвертирующие входы подаётся напряжение питания после делителя R1, R12. Когда напряжение на инвертирующем входе превышает напряжение на неинвертирующем, транзистор на выходе открывается и включает соответствующий светодиод. Существует много разновидностей такой схемы ( , ), но принцип работы у всех один. Более подробно можно почитать . Иногда добавляют ещё один светодиод, работающий постоянно, что увеличивает количество уровней индикации до пяти.

Доработка под литий

Доработка свелась к изменению параметров делителя R6…R11 с учётом типовых напряжений литиевых аккумуляторов (3…4,2 В, три последовательно). Требуемый диапазон индикации 9…12,6 В. Выяснилось, что резисторов такого типоразмера у меня совсем мало, доставать фен и выпаивать из радиохлама поленился, поэтому после немногочисленных экспериментов удалось обойтись добавлением двух резисторов по 10 кОм. Ещё в процессе работы решил выровнять светодиоды. В результате три из четырёх перестали работать. После небольшого шока догадался, что у платы не очень хорошо с металлизацией отверстий, а пайка только с одной стороны. Повторно залудил не жалея канифоли и припоя. Заработали все светодиоды кроме одного жёлтого. Подал пару вольт непосредственно на него и понял, что он труп. Со словами: «Хорошо, что не компаратор», покопался в своих запасах и поставил вместо него зелёный (так показалось логичнее). В результате схема стала выглядеть следующим образом (красным цветом выделены добавленные резисторы).




В результате доработки были получены следующие пороги срабатывания:
- красный светодиод: 10,0 В (3,33 В на элемент, требуется зарядка);
- жёлтый светодиод: 10,6 В (3,53 В на элемент, желательна зарядка);
- 1-й зелёный светодиод: 11,3 В (3,77 В на элемент, заряд более 50 %);
- 2-й зелёный светодиод: 12,0 В (4 В на элемент, акк. полностью заряжен).

При желании можно было бы подобрать пороги получше, но меня устраивает и такой вариант.

Использование по назначению

Объектом доработки должен был стать вот такой ПБ .




Приобретён он был в далёком 11-м году, когда ещё термина пауэрбанк не существовало. Были просто мобильные аккумуляторы. Данная модель мне приглянулась мультивольтовым выходом (5, 9 и 12 В), была приобретена и впоследствии неоднократно дорабатывалась. Внутренности похожи на (в этом же обзоре присутствует аналогичная доработка, только самодельной платой).Три плоских аккумулятора, каждый со своей защитой, соединены последовательно и подключены напрямую к выходу/входу 12 В. 9 В делается линейным стабилизатором. Для получения 5 В используется плата понижающего DC-DC преобразователя. Через неё ПБ выдаёт 3500 мАч, что соответствует ёмкости каждого элемента около 1800 мАч. Для предотвращения разряда аккумуляторов при хранении, они механически отключаются клавишным переключателем. Единственным индикатором является двухцветный светодиод, подключенный к преобразователю. Отображается нормальный режим работы и перегруз по току.


Вся электроника располагается рядом с аккумуляторами, свободное место заполнено «фирменными» кусочками китайского картона. Вытащил всё, что вытаскивалось, примерил плату и кнопку, которая будет её подключать (чтобы не светила постоянно).


По намеченным местам сделал отверстия. Сгоревший светодиод тоже пригодился став кнопкой.


Поставил, припаял. Изначально все разъёмы к корпусу ПБ крепились каким-то герметиком. Не стал менять технологию. Кнопку лучше было бы зафиксировать термоклеем или полиморфусом чтобы не пружинила, но я не стал возиться и просто налил побольше герметика. После высыхания затвердеет. Делал поздно вечером, оставил на ночь в открытом виде. Утром собрал.

Выводы.

Плата полностью выполняет свои функции. Под литиевые аккумуляторы нужна доработка, для свинцовых аккумуляторов можно использовать сразу. Другое дело, что в устройствах с такими аккумуляторами (авто, ИБП, контроллер солнечной батареи) индикация обычно уже есть. Короче, плата из разряда «купить, чтобы валялась в столе на всякий случай». При наличии времени можно сделать такую схему самостоятельно или просто поставить вольтметр.