Схеми вольтметра на цифрових світлодіодних індикаторах ал. Простий електронний вольтметр на світлодіодах. Схема та опис. Автомобільний вольтметр на транзисторах

Постало завдання визначення стану акумуляторної батареї під час розряду, зберігання її та заряду, довелося згадати навички та взятися за паяльник. Всі схеми з купою компараторів та іншими хитрощами своїм розміром навівали тугу – простіше було мультиметр прив'язати до акумулятора. Тому вирішено було вигадати щось просте і елегантне, в результаті народилася схема, яку можна масштабувати під свої потреби як у ширину, так і в глибину. На один крок напруги використовуються всього три елементи - стабілітрон, резистор і світлодіод (на цьому місці лясни себе по лобі і вигукни: "Як я раніше не додумався!"

Загалом лови схему та фото готового пристрою з розрахунку на одну 12 Вольтову свинцеву кислотну акумуляторну батарею як в UPS і автомобілях. Індикація від дуже розряджена (напруга менше 9,5В) до повністю заряджена (напруга більше 14,6В). Якщо треба інші діапазони чи шкалу хочеться ширше, то беремо найближчий стабілітрон за напругою і вважаємо струмообмежувальний резистор для світлодіода. (1,5В падіння, 20мА струм).
Загалом, все просто.

Якщо використовувати SMD компоненти, то можна вкластися в цю десятикопійкову монету, ну у мене завдання мініатюризації не стояло, тому зібрав на макетці.

Перший червоний світлодіод показує, що схема підключена та якась напруга є. другий - більше 9 Вольт, третій, жовтий - більше 10В, четвертий - більше 11В, п'ятий, зелений - більше 12В і шостий - більше 13В. Градації між цими точками чудово видно за рівнем світіння відповідних світлодіодів. У цьому випадку акумулятор стоїть на заряді і буде заряджений.

Старий добрий спосіб.

Вольтметр, встановлений на панель приладів автомобіля, дозволяє оперативно контролювати рівень напруги в бортовій мережі. Від такого приладу не потрібно високої роздільної здатності, зате необхідна можливість легкої та швидкої визначення показань. Якнайкраще цим умовам відповідає дискретний світлодіодний індикаторнапруги. Подібні пристрої набули дуже широкого поширення і для оцінки рівня напруги та потужності. Реалізують їх, зазвичай, двома способами.

Перший, суть його в тому, що лінійку світлодіодів підключають до джерела напруги, що вимірювається через багато вихідний резистивний дільник напруги. Тут використані порогові властивості світлодіодів, транзисторів та діодів. За простоту такого індикатора доводиться розплачуватись нечітким порогом запалювання світлодіодів. Подібні пристрої свого часу продавалися як радіо конструктора.

Другий спосіб - застосування включення кожного світлодіода окремого компаратора, порівнюючого частина вхідного сигналу із зразковим. Внаслідок високого коефіцієнта посилення компараторів, що найчастіше виконуються на ОУ, пороги включення та вимкнення дуже чіткі, але для індикатора потрібно багато мікросхем. Чотирьох ОУ зараз ще дорогі, а одна така мікросхема може керувати лише чотирма світлодіодами.

Вольтметр, пропонований до вашої уваги, оптимізований у світлі сказаного вище - у ньому чіткі порогові рівні запалювання світлодіодів отримані за допомогою мінімуму дешевих, економічних та широкодоступних елементів. В основу принципу роботи приладу покладено граничні властивості цифрової мікросхеми.

Прилад (див. схему на рис. 1) є шестирівневим індикатором. Для зручності застосування в автомобілі інтервал вимірювання обраний рівним 10...15 В з кроком 1 В. І інтервал, і крок можуть бути легко змінені.

Пороговими пристроями служать шість інверторів DD1,1-DD1.6, кожен з яких є нелінійним підсилювачем напруги з великим коефіцієнтом посилення. Пороговий рівень перемикання інверторів - приблизно половина напруги живлення мікросхеми, тому вони порівнюють напругу на вході з половиною напруги живлення.

Якщо вхідна напруга інвертора перевищить граничний рівень, на його виході з'явиться напруга низького рівня. Тому світлодіод, що служить навантаженням інвертора, включиться вихідним струмом, що втікає. Коли ж на виході інверторів високий рівень, світлодіоди закриті та вимкнені.

З виходів резистивного дільника R1-R7 на вхід інверторів надходить відповідна частка напруги бортової мережі. При зміні бортової напруги пропорційно змінюються його частки. Напруга ж живлення інверторів та світлодіодної лінійки стабілізовано мікросхемою стабілізатором DA1. Номінали резисторів R1-R7 розраховують таким чином, щоб отримати крок перемикання, що дорівнює 1 В.

Конденсатор С2 спільно з резистором R1 утворюють низькочастотний фільтр, що пригнічує короткочасні сплески напруги, які можуть виникнути, наприклад, під час пуску двигуна. Конденсатор С1 виробник мікросхемних стабілізаторів рекомендує встановлювати для покращення їхньої стійкості на високій частоті. Резистори R8-R13 обмежують вихідний струм інверторів.

Як розрахувати резистори R1-R7? Незважаючи на те, що на вході інверторів DD1.1-D1.6 встановлені польові транзистори, які вхідного струму практично не споживають, існує так званий струм витоку. Це змушує вибирати струм через дільник набагато більшим за сумарний струм витоку всіх шести інверторів (не більше 6X10-5 мкА). Мінімальним струм через дільник буде при мінімальному напругі, що індукується 10 В.

Задамо цей струм рівним 100 мкА, що приблизно в мільйон разів більше струму витоку. Тоді загальний опір дільника RД=R1+R2+RЗ+R4+R5+R6+R7 (у кілоомах, якщо напруга у вольтах, а струм - у міліамперах) має бути рівним: Rд=Uвx min/Imin = 10В/0,1мА = 100кОм.

Тепер розрахуємо опір кожного з резисторів за умови Uпор=Uпіт/2, тобто в розглянутому випадку Uпор=3В. Iд = UBX / Rд = 15 В/100 ком = 0,15 мА = 150 мкА, Тоді опір резистора R7: R = Uпоp / Iд; R7=3 В/0,15 мА=20кОм.

На вході інвертора DD1.5 3 має бути при вхідній напрузі 14 В. Струм через дільник в цьому випадку Iд=14 В/100 кОм=0,14 мА. Тоді сумарний опір R6+R7=Uпоp/Iд=3/0,14-21,5 кОм.

Звідси R6 = 21,5-20 = 1,5 ком.

Аналогічно визначають опір інших резисторів дільника: R5=UпорхRд/Uвх-(R6+R7)-1,6 кОм; R4-2 кОм, RЗ-2,2 кОм, R2-2.7 кОм і, нарешті, R1=Rд-(R2+RЗ+R4+R5+R6+R7) = 70 кОм-68 кОм.

Взагалі, як відомо, гранична напруга елементів мікросхем КМОП знаходиться в межах від 1/3Uпіт до 2/3Uпіт. Відомо також, що виготовлені в єдиному технологічному циклі одному кристалі елементи однієї мікросхеми мають практично однакові значення порога перемикання. Тому для точної установки "початку шкали" вольтметра достатньо резистор R1 замінити послідовним ланцюгом з підстроювального з розрахованим номіналом і постійного з номіналом в два рази менше за розрахунковий.

Температурна стабільність приладу дуже висока. При зміні температури від -10 до +60 ° С поріг спрацьовування змінюється на кілька сотих часток вольту. Мікросхемний стабілізатор DА1 також має температурну стабільність не гірше 30 мВ в межах 0...100 °С.

Вихідна напруга стабілізатора DА1 не повинна бути меншою за 6 В, інакше інвертори не зможуть забезпечити необхідний струм через світлодіоди. Інвертори мікросхеми К561ЛН2 допускають вихідний струм до 8 мА. Світлодіоди АЛ307БМ можна замінити будь-якими іншими, перерахувавши номінали струмообмежувальних резисторів R8-R13. Конденсатори також можуть бути будь-якими на номінальну напругу не менше 10 В.

Для налагодження зібраний пристрій підключають до виходу регульованого джерела напруги, яке імітуватиме бортову мережу. Встановивши вихідну напругу джерела 10, а опір підстроювального резистора на максимум, обертають його двигун до моменту включення світлодіода HL1. Інші рівні встановлюються автоматично.

Деталі вольтметра змонтовані на друкованій платі із фольгованого склотекстоліту товщиною 1 мм. Креслення плати представлено на рис. 2. Вона розрахована на встановлення підстроювального резистора СПЗ-33, а решти - МЛТ-0,125, конденсатора С1 - KM, С2 - К50-35.

Висновки світлодіодів перед монтажем згинають на 90 град, для того, щоб їх оптичні осі були паралельні площині плати. Корпуси світлодіодів повинні виступати за край плати та при остаточному збиранні пристрою виходити в отвори, просвердлені в торці коробки.

Стійкість роботи стабілізатора та всього пристрою в цілому буде ще вищою, якщо до входу мікросхеми (між вив. 8 та 17) підключити конденсатор ємністю 0,1 мк. Для того щоб убезпечити стабілізатор від випадкових сплесків напруги в бортовій мережі, амплітуда яких може досягати 80 - 00 В. Паралельно до цього конденсатора слід підключити ще один - оксидний. Він повинен мати ємність не менше 1000 мкФ і номінальну напругу 25 В. Цей конденсатор сприятливо позначиться і на роботі радіоприймального та звукопідсилювача автомобільної апаратури.

Література

Розглянуто не складні схеми цифрових вольтметра та амперметра, побудованих без використання мікроконтролерів на мікросхемах СА3162, КР514ІД2. Зазвичай, хороший лабораторний блок живлення має вбудовані прилади, - вольтметр і амперметр. Вольтметр дозволяє точно встановити вихідну напругу, а амперметр покаже струм через навантаження.

У старих лабораторних блоках живлення були стрілочні індикатори, але зараз мають бути цифрові. Зараз радіоаматори найчастіше роблять такі прилади на основі мікроконтролера або мікросхем АЦП на кшталт КР572ПВ2, КР572ПВ5.

Мікросхема СА3162Е

Але є й інші мікросхеми аналогічної дії. Наприклад, є мікросхема СА3162Е, яка призначена для створення вимірювача аналогової величини із відображенням результату на трирозрядному цифровому індикаторі.

Мікросхема СА3162Е являє собою АЦП з максимальною вхідною напругою 999 mV (при цьому показання «999») і логічною схемою, яка видає відомості про результат вимірювання у вигляді трьох двійково-десяткових чотирирозрядних кодів, що по черзі змінюються, на паралельному виході і трьох виходах для опитування індикації.

Щоб отримати закінчений прилад потрібно додати дешифратор для роботи на семисегментний індикатор і складання трьох семисегментних індикаторів, включених в матрицю для динамічної індикації, а також трьох керуючих ключів.

Тип індикаторів може бути будь-яким, світлодіодні, люмінесцентні, газорозрядні, рідкокристалічні, все залежить від схеми вихідного вузла на дешифраторі і ключах. Тут використовується світлодіодна індикація на табло із трьох семисегментних індикаторів із загальними анодами.

Індикатори включені за схемою динамічної матриці, тобто всі їх сегментні (катодні) висновки включені паралельно. А для опитування, тобто послідовного перемикання, використовуються загальні анодні висновки.

Принципова схема вольтметра

Тепер ближче до схеми. На малюнку 1 показана схема вольтметра, який вимірює напругу від 0 до 100V (0...99,9V). Вимірювана напруга надходить висновки 11-10 (вхід) мікросхеми D1 через дільник на резисторах R1-R3.

Конденсатор СЗ виключає вплив перешкод результат вимірювання. Резистором R4 встановлюють показання приладу на нуль, за відсутності вхідної напруги А резистором R5 виставляють межу вимірювання так щоб результат вимірювання відповідав реальному, тобто, можна сказати, калібрують прилад.

Мал. 1. Принципова схема цифрового вольтметра до 100В мікросхемах СА3162, КР514ИД2.

Тепер про виходи мікросхеми. Логічна частина СА3162Е побудована за логікою ТТЛ, а виходи ще з відкритими колекторами. На виходах «1-2-4-8» формується двійководесятковий код, який періодично змінюється, забезпечуючи послідовну передачу даних про три розряди результату виміру.

Якщо використовується дешифратор ТТЛ, як, наприклад, КР514ІД2, його входи безпосередньо підключаються до даних входів D1. Якщо ж буде застосований дешифратор логіки КМОП чи МОП, його входи буде необхідно підтягнути до плюсу з допомогою резисторів. Це потрібно буде зробити, наприклад, якщо замість КР514ІД2 буде використано дешифратор К176ІД2 або CD4056.

Виходи дешифратора D2 через струмообмежуючі резистори R7-R13 підключені до сегментних виводів світлодіодних індикаторів Н1-НЗ. однойменні сегментні висновки всіх трьох індикаторів з'єднані разом. Для опитування індикаторів використовуються транзисторні ключі VT1-VT3, бази яких подаються команди з виходів Н1-НЗ мікросхеми D1.

Ці висновки також зроблено за схемою з відкритим колектором. Активний нуль, тому використовуються транзистори структури р-п-р.

Принципова схема амперметра

Схема амперметра показано малюнку 2. Схема практично така сама, крім входу. Тут замість дільника стоїть шунт на п'ятиватному резистори R2 опором 0,1 Від. За такого шунта прилад вимірює струм до 10А (0...9.99А). Установка на нуль та калібрування, як і в першій схемі, здійснюється резисторами R4 та R5.

Мал. 2. Принципова схема цифрового амперметра до 10А і більше мікросхемах СА3162, КР514ИД2.

Вибравши інші дільники та шунти можна задати інші межі вимірювання, наприклад, 0...9.99V, 0...999mA, 0...999V, 0...99.9А, це залежить від вихідних параметрів того лабораторного блоку живлення, який будуть встановлені ці індикатори. Також, на основі даних схем можна зробити і самостійний вимірювальний прилад для вимірювання напруги і струму (настільний мультиметр).

При цьому потрібно врахувати, що навіть використовуючи рідкокристалічні індикатори прилад споживатиме суттєвий струм, оскільки логічна частина СА3162Е побудована за ТТЛ-логікою. Тому хороший прилад з автономним харчуванням навряд чи вийде. А ось автомобільний вольтметр (рис.4) вийде непоганий.

Живляться прилади постійною стабілізованою напругою 5V. У джерелі живлення, в яке вони будуть встановлені, необхідно передбачити наявність такої напруги при струмі не нижче 150mA.

Підключення приладу

На малюнку 3 показано схему підключення вимірювачів у лабораторному джерелі.

Мал. 3. Схема підключення вимірювачів у лабораторному джерелі.

Рис.4. Саморобний автомобільний вольтметр на мікросхемах.

Деталі

Мабуть, найважче - це мікросхеми СА3162Е. З аналогів мені відома лише NTE2054. Можливо, є й інші аналоги, про які мені не відомо.

З рештою значно простіше. Як уже сказано, вихідну схему можна зробити на будь-якому дешифраторі та відповідних індикаторах. Наприклад, якщо індикатори будуть із загальним катодом, то потрібно КР514ІД2 замінити на КР514ІД1 (цоколівка така ж), а транзистори VТ1-VТЗ перетягнути вниз, приєднавши їх колектора до мінуса живлення, а емітери до загальних катодів. Можна використовувати дешифратори КМОП-логіки, підтягнувши їх входи до плюсу за допомогою резисторів.

Налагодження

Загалом воно зовсім нескладне. Почнемо з вольтметра. Спочатку замкнемо між собою висновки 10 і 11 D1, і підстроюванням R4 виставимо нульові показання. Потім, прибираємо перемичку, що замикає висновки 11-10 і підключаємо до клем «навантаження» зразковий прилад, наприклад, мультиметр.

Регулюючи напругу на виході джерела, резистором R5 налаштовуємо калібрування приладу так, щоб показання його збігалися з показаннями мультиметра. Далі налагоджуємо амперметр. Спочатку, не підключаючи навантаження, регулюванням резистора R5 встановлюємо його показання на нуль. Тепер потрібно постійний резистор опором 20 і потужністю не нижче 5W.

Встановлюємо на блоці живлення напругу 10V і підключаємо цей резистор як навантаження. Підлаштовуємо R5 так, щоб амперметр показав 0,50 А.

Можна виконати калібрування і за зразковим амперметром, але мені здалося зручніше з резистором, хоча звичайно на якість калібрування дуже впливає похибка опору резистора.

За цією ж схемою можна зробити автомобільний вольтметр. Схема такого приладу показана малюнку 4. Схема від показаної малюнку 1 відрізняється лише входом і схемою живлення. Цей прилад тепер живиться від вимірюваної напруги, тобто вимірює напругу, що надходить на нього як живильне.

Напруга від бортової мережі автомобіля через дільник R1-R2-R3 надходить на вхід мікросхеми D1. Параметри цього дільника такі ж як у схемі малюнку 1, тобто для виміру не більше 0...99.9V.

Але в автомобілі напруга рідко буває понад 18V (більше 14,5V – вже несправність). І рідко опускається нижче 6V, хіба що падає до нуля при повному відключенні. Тому пристрій реально працює в інтервалі 7...16V. Живлення 5V формується з того ж джерела за допомогою стабілізатора А1.

Електронні саморобки на допомогу автомобілісту

Вольтметр, встановлений на панель приладів автомобіля, дозволяє оперативно контролювати рівень напруги в його бортовій мережі. Від такого приладу не потрібно високої роздільної здатності, зате необхідна можливість легкої та швидкої зчитуваності показань. Найкраще цим умовам відповідає дискретний світлодіодний індикатор напруги. Подібні пристрої набули дуже широкого поширення і для оцінки рівня напруги та потужності (в звукопідсилювальній апаратурі). Реалізують їх, зазвичай, двома способами.

Перший докладно описаний у . Суть його в тому, що лінійку світлодіодів підключають до джерела напруги, що вимірювається через багатовихідний резистивний дільник напруги. Тут використані порогові властивості світлодіодів, транзисторів та діодів. За простоту такого індикатора доводиться розплачуватися нечітким порогом запалювання світлодіодів (що зазначає автор). Такі пристрої свого часу продавалися як радіоконструктора.

Другий спосіб - застосування для включення кожного світлодіода окремого компаратора, що порівнює частину вхідного сигналу зі зразковим (як, наприклад, в), Внаслідок високого коефіцієнта посилення компараторів, що найчастіше виконуються на ОУ, пороги включення та вимкнення дуже чіткі, але для індикатора потрібно багато мікросхем . Чотирьох ОУ зараз ще дорогі, а одна така мікросхема може керувати лише чотирма світлодіодами.

Зрештою, не можна не відзначити роботу (4), де використано принцип аналогоцифрового перетворення. У цієї конструкції чимало переваг, але все-таки забагато деталей, і до того ж неекономічних.

З виходів резистивного дільника R1-R7 на вхід інверторів надходить відповідна частка напруги бортової мережі. При зміні бортової напруги пропорційно змінюються його частки. Напруга ж живлення інверторів та світлодіодної лінійки стабілізована мікросхемним стабілізатором DA1. Номінали резисторів R1-R7 розраховують таким чином, щоб отримати крок перемикання, що дорівнює 1 В.

Як розрахувати резистори R1 - R7? Незважаючи на те, що на вході інверторів DD1.1.-D1.6 встановлені польові транзистори, які вхідного струму практично не споживають, існує так званий струм витоку. Це змушує вибирати струм через дільник набагато більшим за сумарний струм витоку всіх шести інверторів (не більше 6X10-5 мкА). Мінімальним струм через дільник буде при мінімальній напрузі 10 В.

Звідси R6 = 21,5-20 = 1,5 ком.

Вихідна напруга стабілізатора DА1 не повинна бути менше 6 В, інакше інвертори не зможуть забезпечити необхідний струм через світлодіоди. Інвертори мікросхеми К561ЛН2 допускають вихідний струм до 8 мА. Світлодіоди АЛ307БМ можна замінити будь-якими іншими, перерахувавши номінали струмообмежувальних резисторів R8-R13. Конденсатори також можуть бути будь-якими на номінальну напругу не менше 10 В.

Плата прикріплена до дна коробки із пластику двома гвинтами М2,5 на трубчастих стійках і ще одним таким самим, який одночасно притискає до плати мікросхему DA1. Зазначимо, що ця мікросхема встановлена пластмасовою (а не металевою) гранню до плати. Між корпусом мікросхеми та платою також встановлена трубчаста стійка, але вкорочена.
Висновки світлодіодів перед монтажем згинають на 90 град, для того, щоб їх оптичні осі були паралельні площині плати. Корпуси світлодіодів повинні виступати за край плати та при остаточному збиранні пристрою виходити в отвори, просвердлені в торці коробки.

ЛІТЕРАТУРА
1. Нечаєв І. Світлодіодний індикатор рівня сигналу. - Радіо, 1988 № 12, с. 52.
2. Ісаулов В., Василенко Є. Простий індикатор рівня запису. - РадіАматор, 1995, № 3, с. 5.
3. Тихомиров А. Індикатор напруги бортової мережі. - Радіоаматор, 1996, № 10, с. 2.
4. Гвоздицький Г. Індикатор напруги бортової мережі. – Радіо, 1992, № 7, с. 18-20.

О. КЛІВЦОВ, м. Дніпропетровськ, Україна
Журнал Радіо 1998 рік, номер 2

Примітка від редакції журналу Радіо:Стійкість роботи стабілізатора та всього пристрою в цілому буде ще вищою, якщо до входу мікросхеми (між вив. 8 та 17) підключити конденсатор ємністю 0,1 мк. Для того щоб убезпечити стабілізатор від випадкових сплесків напруги в бортовій мережі, амплітуда яких може досягати 80 - 00 В. Паралельно до цього конденсатора слід підключити ще один - оксидний. Він повинен мати ємність не менше 1000 мкФ та номінальну напругу 25 В. Цей конденсатор сприятливо позначиться і на роботі радіоприймачної та звукопідсилювальної автомобільної апаратури.