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.

В современной практике еще встречаются автомобили, на которых нет ни бортового компьютера, ни табло с индикатором заряда аккумуляторной батареи. Передвижение без индикатора чревато полной остановкой двигателя и невозможностью в дальнейшем запустить его.

Индикатор заряда аккумулятора выполняет две функции: показывает зарядку тока аккумулятора от генератора и информативно величину заряда АКБ. Существует несколько способов устранить эту недоработку у автомобиля. Один из них самый простой, сделать своими руками устройство показывающее зарядку батареи.

В доступных источниках есть много предложений изготовления цифровой цепи тока такого устройства. Оно имеет достаточно простой вид. Для этого нужны навыки по пайке радиодеталей и желание собрать устройство своими руками. Выбрать светодиод, стабилитрон, макетную плату и резисторы. Схема индикатора заряда АКБ приведена на рисунке ниже.

Принцип работы

Светодиодный индикатор благодаря наличию трех цветов светодиодов может показывать различные фазы зарядки тока. Начало зарядки. Рабочую середину. Предупреждение окончания процесса. Это схема дает нам возможность контролировать весь рабочий цикл батареи.

Спаять детали своими руками несложно, но для начала сделай проверку тестером. Если все детали исправны можно сделать сборку по схеме. Прозванием тестером светодиодный выход. Определяем выход низкого напряжения тока от шести до одиннадцати вольт.

Это светодиод красного цвета. От одиннадцати до тринадцати вольт – желтый. Более тринадцати — будет светодиод зеленого цвета. Схема имеет простой набор деталей и работает надежно.

Интересно! АКБ выдает на светодиод определенное напряжение тока. Он загорается. Так мы определяем начало и окончания заряда АКБ.

Если у вас нет каких, либо комплектующих, то нужно посмотреть в интернете аналогичные схемы и своими руками доработать устройство. Схема будет также показывать надежно индикацию заряда тока батареи.

Для автомобиля важно, чтобы схема работала не постоянно, а только когда водитель находился за рулем. Рекомендуется после окончания работы своими руками полученное устройство смонтировать под рулевым колесом и соединить с замком зажигания. В этом случае индикатор будет работать только при включенном зажигании автомобиля.

Мы видим, что после окончания работ, своими руками можно создать удобный и необходимый для надежной эксплуатации автомобиля индикатор заряда батареи. Себестоимость такого изделия будет не высокой.

Важно! Надежность индикатора и удобность его размещения позволяет эффективно устранить не доработку конструкторов – производителей автомобилей.

С одной стороны любое устройство, будь то транспортное средство или простая кухонная утварь, кажется совершенной и доработанной с технической точки зрения. Не требующей вмешательства человеческой мысли и грамотных рук.

С другой, всегда найдутся грамотные «Кулибины», для которых это устройство кажется не совершенным и требует усовершенствования и технической доработки.

На этом и строится прогрессивный технический прогресс. Вроде простая, но при этом жизненно необходимая наглядная индикация процесса зарядки аккумуляторной батареи автомобиля, не спроектированная конструкторами нашла свою простую разработку простыми почитателями мира науки и техники.

Далеко не во всех автомобилях есть индикатор, отображающий уровень зарядки аккумулятора. Автолюбитель должен самостоятельно отслеживать этот показатель, периодически проверяя его с помощью вольтметра, предварительно отключив батарею от электросети машины. Однако простой электронный прибор позволит получить примерные показатели, не выходя из салона.

Выбор схемы и комплектующих

Готовая конструкция

Конструктивно самодельный индикатор контроля заряда аккумулятора состоит из электронного блока, на корпусе которого располагается три светодиода: красный, синий и зеленый. Выбор цвета может быть другой – важно, чтобы при активации одного из них полученная информация была правильно истолкована.

Из-за небольших размеров устройства можно использовать обыкновенную макетную плату. Предварительно выбирается оптимальная схема устройства. Можно найти несколько моделей, но самый распространенный и, следовательно, работоспособный вариант индикатора заряда аккумулятора показан на рисунке.

Схема платы и ее компонентов

Перед установкой комплектующих необходимо согласно схеме расположить их на печатной плате. Только после этого можно обрезать ее до нужных размеров. Важно, чтобы индикатор имел минимальные габариты. Если планируется его монтаж в корпус – следует учитывать его внутренние размеры.

Данная схема рассчитана для контроля работы аккумулятора автомобиля с напряжением сети от 6 до 14 В. Для других значений этого параметра следует изменить характеристики комплектующих. Их перечень указан в таблице.

Никель-кадмиевые аккумуляторы сегодня широко применяют в бытовой технике. Учитывая, что правильная эксплуатация позволяет продлить срок "жизни" этих дорогих компонентов, весьма актуален контроль за состоянием аккумуляторов и, особенно, за процессом зарядки в целях предотвращения их перезарядки.

На радиорынках и прилавках специализированных магазинов можно встретить довольно много моделей ручных фонарей, питающихся от никель-кадмиевых аккумуляторов. Особенно популярны фонари "Универсал УН-0-002" отечественного производства. Они имеют малые габариты, удобный корпус, для питания лампы используется батарея из трех аккумуляторов Д-0.26Д. Фонарь снабжен встроенным сетевым зарядным устройством (ЗУ), выполненным по стандартной схеме с гасящим конденсатором (рис. 1).

В этих фонарях (как и в других подобных) оценка степени разряженнос-ти аккумуляторов производится буквально "на глаз" по яркости свечения лампы, а контроль зарядки - по времени, в течение которого фонарь включен в сеть. Известно, что никель-кадмиевые аккумуляторы не рекомендуется разряжать до напряжения ниже 1 В. А лампа фонаря (3,5 В, 150 мА) вполне сносно светит и при напряжении, меньшем 3 В (три полностью разряженных аккумулятора), не говоря уже о лампе на 2,5 В, которую можно установить в фонарь для получения более яркого света: правда, при этом повысится потребляемый от аккумуляторов ток. Однако еще более опасна перезарядка аккумуляторов, которая вообще ничем не контролируется. Между тем частые перезарядки, как и переразрядки, сильно сокращают срок их службы.

Кроме того, когда фонарь включен в сеть, не понятно, идет ли процесс зарядки, например, если контакт в розетке не очень надежен, поскольку лампа на столь малую прибавку тока почти не реагирует. Поэтому при зарядке аккумуляторов лампа должна быть выключена - ведь она потребляет примерно 150 мА, а зарядный ток составляет всего около 14 мА. Поскольку к приобретаемым фонарям, как правило, никакой инструкции не дают, следует помнить, что полностью разряженные (до напряжения 1 В) аккумуляторы заряжаются ЗУ в течение примерно суток.

Таким образом, пришлось разработать устройство для контроля процессов зарядки и разрядки аккумуляторов. При приемлемой точности и температурной стабильности оно работает от низкого напряжения питания и помещается в корпусе фонаря. В связи с тем что приборы, выполненные на КМОП-мик-росхемах широкого применения, имеют сравнительно большие габариты и требуют минимального напряжения питания - 3 В, что не позволяет индицировать глубокую разрядку, устройства были собраны на транзисторах.

Наиболее просто оказалось ввести в фонарь индикацию тока зарядки аккумуляторов. Для этого потребовалось всего лишь включить последовательно с диодом VD2 или вместо него светоди-
од, желательно зеленого цвета, в аналогичной полярности. Он довольно ярко светится в процессе зарядки, так как через него течет весь зарядный ток. Этот светодиод лучше всего вывести излучающей поверхностью наружу вблизи встроенной сетевой вилки так, чтобы при навинченной крышке он был закрыт ею.

Процесс зарядки можно контролировать с помощью простого устройства, схема которого изображена на рис. 2. Оно представляет собой аналог динис-тора, собранный на биполярных транзи-

сторах. Его подключают параллельно диоду VD1 (см. рис. 1). Когда напряжение на заряжаемых аккумуляторах превысит установленный уровень, устройство шунтирует зарядную цепь, защищая аккумуляторы от перезарядки. При этом светодиод, индицирующий протекание зарядного тока, медленно гаснет, а вместо него начинает светиться другой (HL1, его лучше взять красного свечения), что и будет свидетельствовать об окончании зарядки.

Налаживать устройство следует так: разрядив аккумуляторы до напряжения 1 В на каждом из них, включают фонарь на зарядку. Движок переменного резистора устанавливают в то крайнее положение, в котором красный светодиод не светится. Далее по истечении 30 часов зарядки нужно, не отключая фонаря от сети, проконтролировать напряжение на аккумуляторах. Если оно равно или чуть больше 4,3 В, можно считать, что зарядка окончена. В этот момент движок переменного резистора устанавливают в такое положение, чтобы ярко светился красный светодиод, а зеленый при этом почти погас (полностью он все-таки не может погаснуть), причем важно заметить именно этот порог "притухания" светодиода, индицирующего прохождение зарядного тока.

Таким образом, ток теперь будет снижаться в процессе зарядки (ограничение тока станет заметным уже через 12 часов после начала зарядки), что позволит избежать перезарядки и повышенного тока в конце зарядки. Единст-

венный недостаток устройства состоит в некотором увеличении времени зарядки батареи, примерно до двух суток, зато фонарь можно оставить включенным в розетку и на неделю без негативных последствий. Если же возникает необходимость очень быстрой зарядки аккумуляторов, следует применять специальное зарядное устройство.

Для контроля за разрядкой разработано устройство (рис. 3), основа которого - дифференциальный усилитель на двух транзисторах с индикаторными светодиодами зеленого (HL1) и красно-

го (HL2) цвета, показывающими, соответственно, нормальное и пониженное напряжение на аккумуляторах.

Это устройство включают параллельно лампе после выключателя, поскольку контролировать состояние аккумуляторов необходимо под нагрузкой. Потребляемый ток - около 5 мА. Такой, казалось бы, большой ток составляет менее 4 % от общего потребления энергии, что с лихвой окупается удобством в работе. Емкости же трех полностью заряженных аккумуляторов Д-0.26Д хватает для питания лампы фонаря током 150... 170 мА в течение почти полутора часов, так что потеря емкости на индикацию составит всего несколько минут.

Принцип работы устройства состоит в сравнении напряжения на базах транзисторов - когда оно одинаково, светятся "вполнакала" оба светодиода, а при весьма небольшой разнице в ту или другую сторону один из светодио-дов гаснет, а другой начинает светиться в полную силу. Поскольку на базе транзистора VT2 напряжение стабилизировано диодами VD1 и VD2, то при изменении питающего напряжения изменяется напряжение на базе транзистора VT1, что приводит к свечению зеленого светодиода, когда напряжение окажется выше некоторого предела, и красного, когда напряжение будет ниже.

Установить этот предел проще всего так. Разряжают аккумуляторы, включив лампу и непрерывно контролируя напряжение вольтметром, до 3 В. Затем, не отключая лампы, движок переменного резистора R2 устанавливают в такое положение, когда оба светодиода светятся вполсилы. В процессе эксплуатации появление свечения красного светодиода будет означать, что в ближайшее время (примерно полчаса) следует ожидать полного истощения заряда в аккумуляторах - фонарь следует поставить на зарядку.

Вообще, налаживание устройств для контроля зарядки и разрядки аккумуляторов лучше проводить одновременно.

Переключение с зеленого светодиода на красный происходит при изменении напряжения на 0,5 В (3,25 В - начало свечения красного светодиода, 2,75 В - полное погасание зеленого). Если напряжение питания станет меньше 2 В, индикация полностью пропадает - впрочем, лампа в этот момент уже практически не светится.

Зеленый светодиод можно вообще не ставить - работу устройства это не нарушит. Но все же рекомендую его установить, так как по балансу свечения двух индикаторов удобнее определять порог срабатывания. Потребление же тока при этом не изменится. На самом деле выводить наружу (вблизи выключателя) следует только красный светодиод, зеленый же лучше оставить внутри фонаря, слегка развернув его так, чтобы при разобранном фонаре во время налаживания были видны обе светящиеся "точки". Линзу на красном свето-диоде лучше спилить надфилем, чтобы она не выступала за пределы корпуса фонаря, и отполировать.

Поскольку ЗУ фонаря гальванически связано с сетью, при монтаже и налаживании устройства следует соблюдать осторожность. Для предотвращения поражения электрическим током необходимо, чтобы корпус фонаря был полностью собран. Если включить фонарь в сеть без аккумуляторов или с аккумуляторами, имеющими плохой контакт, весьма вероятен выход из строя диода VD1 (см. рис. 1).

г. Шахты Ростовской обл.

Долгое время создание систем контроля заряда аккумуляторов, точно так же как и разработка военных радаров и сверхзвуковых самолетов, представляла собой сложную технологию, недоступную для рядовых инженеров, у которых не было в распоряжении специализированного оборудования или существенного бюджета. Однако сейчас все изменилось.

Контроль заряда аккумулятора становится одной из важнейших задач при построении устройств с батарейным питанием. Это касается как мобильной электроники, так и IoT-приложений. При этом качество и точность математической модели заряда-разряда напрямую определяет эффективность использования аккумулятора. Создание точной математической модели для конкретного аккумулятора оказывается очень трудоемким и дорогим процессом. Фактически, только самые крупные производители обладают ресурсами для разработки таких моделей.

Отсутствие доступа к точным моделям аккумуляторов становится огромным препятствием для распространения портативных устройств. В этой статье рассказывается о революционном подходе, позволяющем решать данную проблему, и создавать эффективные и недорогие системы контроля уровня заряда аккумуляторов.

Контроль уровня заряда аккумулятора для избранных

Генерация энергии в аккумуляторе представляет собой не что иное, как миниатюрный и контролируемый взрыв. Объем энергии, запасенной в батарее, зависит от емкости и температуры. По этой причине при построении модели очень важно учитывать влияние параметров окружающей среды. Как только модель аккумулятора получена, ее загружают в специализированную микросхему. Использование точной модели гарантирует предсказуемость, а также безопасность заряда и разряда аккумулятора.

Рис. 1. Для создания эффективной математической модели, точно предсказывающей уровень заряда аккумулятора и обеспечивающей минимальную погрешность, требуется много времени и средств

Поставщики микросхем традиционно ориентированы на большие объемы производства, так как для разработки математической модели аккумулятора требуется несколько недель кропотливой исследовательской работы в лабораторных условиях. Только в результате этой трудоемкой, индивидуальной работы удается получить модель, гарантирующую эффективное использование аккумуляторов, минимальную погрешность измерения состояния заряда (state-of-charge, SOC) и точное распознавание приближения момента полного разряда (рис. 1).

Контроль уровня заряда аккумулятора для многих

Изучив характеристики множества литиевых батарей, вполне реально разработать универсальную модель, описывающую поведение различных аккумуляторов. Такую модель можно дополнительно настроить для конкретного приложения и «загрузить» в зарядную микросхему. Настройка моделей производится разработчиками самостоятельно с помощью специального ПО, которое обычно входит в состав отладочных наборов. Перед тем как приступить к настройке, разработчик должен ответить на три вопроса:

1. Какова емкость аккумулятора (часто указывается на этикетке или в документации на аккумулятор)?
2. Каково напряжение полного разряда (зависит от приложения)?
3. Будет ли напряжение заряда выше 4,275 В (на ячейку, в случае нескольких последовательно включенных ячеек)?

При таком подходе исследовательская работа по созданию математической модели уже выполнена производителем, и разработчику конечного оборудования не нужно об этом заботиться. Предполагая, что бюджет системной ошибки при прогнозировании SOC составляет 3%, модель должна вписываться в 97% тестовых испытаний.

Кроме того, модель должна иметь возможность адаптации под конкретные особенности аккумулятора, чтобы еще больше повысить эффективность его использования. Один из таких механизмов адаптации гарантирует, что показания датчика заряда будут приближаться к 0%, когда напряжение аккумуляторной ячейки в действительности приближается к состоянию полного разряда.

Для многих пользователей недостаточно определить SOC или оставшуюся емкость (в мА·ч). В действительности им требуется знать, сколько времени гаджет проработает без подзарядки. С другой стороны, если просто поделить остаток заряда на текущую или усредненную нагрузку, то результат может быть не слишком точным. Используемая адаптивная модель должна обеспечивать точную оценку оставшегося времени работы на основе параметров батареи, температуры и нагрузки, а также с учетом уровня напряжения полного разряда.

Преимущества предлагаемого подхода очевидны. Крупные производители могут использовать исходную «базовую» модель в качестве отправной точки для того, чтобы начать разработку еще до выбора конкретного типа аккумуляторов. При этом переход к оптимизированной лабораторной модели потребуется только на завершающих стадиях разработки. Небольшие и мелкие производители будут без особых проблем использовать базовую модель в серийной продукции, зная, что она обеспечит совместимость и хорошие результаты с большинством типовых аккумуляторов.

Описываемый подход используется в датчиках заряда ModelGauge m5 EZ от компании Maxim Integrated.

Контроль уровня заряда аккумулятора для всех

Для популяризации предложенной идеи и упрощения разработки систем с аккумуляторным питанием было решено создать отладочную плату, совместимую с платформой Arduino (рис. 2). MAXREFDES96 IoT Power Supply - отладочная плата в форм-факторе Arduino, с питанием от литий-ионного аккумулятора емкостью 660 мА·ч (рис. 3). На плате используется высокоинтегрированная микросхема зарядного устройства MAX77818 и микросхема контроля заряда ModelGauge m5 EZ от компании Maxim Integrated. В схеме также присутствуют и другие ИС, которые обеспечивают дополнительные функции системы управления и системы питания.

Рис. 2. MAXREFDES96 предполагает обмен данными по I2C

Рис. 3. Отладочная плата MAXREFDES96 имеет совместимость с Arduino Uno R3 и обеспечивает функции управления и контроля заряда аккумулятора

Технологии Maxim Integrated повышают скорость и эффективность заряда, а также гарантируют точность измерения уровня SOC, что позволяет оптимально использовать аккумуляторы. Плата может питаться от разных источников: от USB-порта, от стека Arduino или от внешнего источника питания через собственный разъем, расположенный на плате. Кроме того, на плате размещен держатель литий-ионных аккумуляторов, который допускает использование аккумуляторов от разных производителей. Бесплатная прошивка поддерживает работу с платами Arduino и платами mbed.org.

При работе с MAXREFDES96 модель аккумулятора может быть непосредственно сохранена в энергонезависимой памяти MAX17201 или в памяти Arduino. В последнем случае модель должна загружаться при включении питания. При этом на плате Arduino может храниться несколько моделей, что позволяет использовать различные батареи.

Универсальные платы Arduino могут применяться в различных приложениях широким кругом пользователей, включая любителей и энтузиастов. Система, построенная на базе MAXREFDES96, оказывается чрезвычайно мобильной. Она может быть быстро развернута для сбора данных или для выполнения тестирования; а также применяться в качестве резервной системы управления при критических отказах оборудования. Во всех случаях MAXREFDES96 обеспечивает максимально эффективную работу с аккумуляторами, в том числе быстрый заряд и точный контроль SOC.

Заключение

В статье было объяснено, почему при измерении уровня разряда аккумулятора (SOC) важно использовать точную математическую модель. Также были рассмотрены проблемы, связанные с созданием лабораторных моделей, особенно в мелкосерийных проектах. Новая отладочная плата MAXREFDES96 Arduino, использующая алгоритм EZ ModelGauge m5 от Maxim Integrated, помогает упростить процесс разработки и снизить стоимость реализации систем с аккумуляторным питанием, что делает подобные системы доступными для всех.