Для продления жизни аккумуляторов важно не допускать перезаряда или глубокого разряда. Современные зарядные устройства часто снабжены индикаторами фактического уровня энергии, у некоторых потребителей также имеется такая функция. Но если подобная система отсутствует, ее можно организовать самостоятельно, собрав несложную электронную схему индикатора заряда аккумулятора.
Варианты схем для индикатора заряда аккумулятора
Контроль уровня фактического запаса энергии и предельных значений заряда удобнее всего вести по напряжению на его клеммах. Оно примерно пропорционально фактическому заряду. Это хорошо работает для свинцово-кислотных аккумуляторов:
- Уровень заряда довольно четко определяется выходным напряжением.
- Разница между полностью заряженным и полностью разряженным состоянием составляет 2,1 вольта (от 12,6 до 10,5), что позволяет сделать даже многоступенчатый индикатор с точностью, достижимой в любительских условиях.
Примерно то же самое относится и к никель-кадмиевым, а также к никель-металлогидридным источникам питания. Что касается литий-ионных аккумуляторов, то у них данный способ может давать большую погрешность. Уровень выходного напряжения таких химических источников тока не соответствует однозначно степени заряженности. На графике видно, что одно и то же напряжение может соответствовать различным уровням запаса энергии (SOC).
Кроме того, у li-ion элементов разница между уровнями 0% (2,4 В) и 100 % (3,7 В) составляет всего 1,3 вольта, что требует повышенной точности замеров. Для литий-железофосфатных аккумуляторов все еще сложнее. Их достоинство – «плоские» разрядные кривые, то есть, практически в течение всего цикла напряжение на них держится одинаковым. Это является безусловным плюсом, но определение остаточного заряда методом замера выходного напряжения будет очень неточным.
Более точно можно измерить остаточный уровень li-ion элемента по установившемуся напряжению разомкнутой цепи, но этот способ требует специальных условий, которых в реале не бывает практически никогда. Прочие методы еще более сложны и требуют специальных датчиков. Поэтому для этой цели используют специальные расчеты, способные снизить погрешность.
В любительских условиях применяют схемы измерения остаточного заряда по напряжению даже для литий-ионных элементов. Это допустимо, но надо учитывать изложенные резоны и осознавать, что измерения могут быть неточными.
Простой индикатор порогового уровня
Несложную конструкцию можно собрать на одном транзисторе и стабилитроне. Пока выходное напряжение выше 3,2 вольта (напряжение стабилизации стабилитрона 2 В+падение напряжения на переходах коллектор-база и база-эмиттер 1,2 В), стабилитрон открыт, напряжение на нем остается стабильным, остаток падает на резисторе R2. Транзистор закрыт, ток от аккумулятора протекает через зеленый светодиод. Как только напряжение уменьшится ниже указанного порога, транзистор начнет открываться, часть тока потечет через него, зеленый LED начнет угасать, красный – постепенно светиться. В определенный момент транзистор полностью откроется, зашунтирует зеленый светодиод, а красный загорится в полную интенсивность. Недостаток схемы в том, что порог открывания устанавливается подбором стабилитрона, для этого надо иметь минимум десяток полупроводниковых приборов. Зато этот вариант интересен тем, что если в нем применить транзистор противоположной структуры, то светодиоды будут зажигаться при заряде – при переходе от меньшего напряжения к большему.
Индикатор на TL431
Но лучше собрать схему на микросхеме TL431 (ее называют программируемым стабилитроном). Подбор уровня срабатывания определяется соотношением резисторов R3 и R2. Подбором номинала можно выбрать нужный порог. А если «отзеркалить» схему, можно получить двухпороговый индикатор – он покажет как верхний предел напряжения, так и нижний. Подбирать напряжение микросхемы можно в широких пределах, поэтому данная схема применима как к литий-ионным батареям, так и к автомобильным на 12 вольт.
Эту схему можно «наращивать» для аккумулятора, состоящего из нескольких ячеек. Сколько ячеек, столько раз надо повторить схему.
Несмотря на название «программируемый стабилитрон», принцип работы TL431 отличается от принципа работы этого полупроводникового прибора. Термины «пробой» и т.п. в данном случае применять некорректно.
Многоступенчатый индикатор
Чтобы получить многоступенчатую индикацию, можно воспользоваться микросхемой LM3914. Она представляет собой набор компараторов со встроенным делителем напряжения.
На выводе 6 подбором соотношения плеч делителя R3R4 подбирается напряжение так, чтобы оно соответствовало верхнему порогу, на выводе 4 – нижнему (подбором R5). Дальше встроенный делитель разделит разницу между напряжениями на 10 равных участков, каждому будет соответствовать свой «столбик» горящих светодиодов.
Недостаток этой схемы в том, что разрядные кривые аккумуляторов нелинейны (особенно в конце участка). Поэтому при малых значениях остаточного запаса энергии показания будут особенно неточными.
Чтобы устранить эту проблему, можно собрать схему на отдельных компараторах, подобрав резисторы в соответствии с разрядными кривыми. Удобно выполнить такой индикатор на счетверенных операционных усилителях (LM339, LM324 и т.п.).
Индикаторы на микроконтроллерах
Еще проще получаются схемы на микроконтроллерах. В них часть функций «железа» берет на себя программное обеспечение, в результате схемы становятся проще. Пример такого индикатора приведен на рисунке.
Алгоритм для самостоятельного изготовления
Лучше всего выглядят самодельные электронные устройства, выполненные на печатных платах. Трудоемкость изготовления окупается эстетичным внешним видом, да и надежность такой сборки повыше.
Сначала надо разработать рисунок печатной платы (если он не приводится в описании к схеме). Это можно сделать дедовским способом – нарисовать посадочные места элементов на бумаге и начертить соединительные дорожки. Однако в настоящее время это удобнее делать в специальных компьютерных программах – например, бесплатной Spint Layout. Главное удобство в том, что на экране можно двигать элементы, добиваясь оптимального расположения.
Дальше рисунок надо перенести на плату. Можно нарисовать от руки лаком (например, для ногтей).
Но гораздо красивее получаются платы, изготовленные методом ЛУТ (лазерно-утюжная технология). Нарисованный в программе рисунок распечатывается на глянцевой бумаге на лазерном принтере и с помощью утюга переводится на плату.
В этом случае красота рисунка не зависит от художественного таланта мастера.
Нарисованная плата травится в растворе хлорного железа. Но практичнее применять следующий раствор:
- 30 грамм лимонной кислоты (продается в любом продуктовом магазине);
- 2-3 чайные ложки поваренной соли;
- 100 грамм аптечной перекиси водорода.
Компоненты этого состава проще приобрести, а испортить одежду или окружающие предметы при случайном разливе – сложнее.
После травления плата промывается в большом количестве воды, сушится, в ней сверлятся отверстия, и можно приступать к запаиванию элементов.
Другой способ – менее эстетичный, но не менее надежный – сборка схемы на макетной плате. От подобной платы надо отпилить кусочек подходящих габаритов (лучше применять плату с металлизированными отверстиями). Элементы запаиваются в отверстия, а соединения делаются отрезками монтажного провода.
В крайнем случае можно собрать схему без платы («паучком»), но вероятность замыканий и отрыва проводников и выводов при эксплуатации будет велика.
Собранная схема нуждается, как минимум, в проверке работоспособности. Готовое устройство надо подключить к регулируемому источнику постоянного напряжения. Повышая и понижая выходной уровень надо отследить, что индикация (загорание и погасание светодиодов) происходит в соответствии с заданным напряжением. Если наблюдается несоответствие, надо подобрать элементы, задающие порог (обычно, указываются в описании к схеме). Если схема не работает совсем, надо искать ошибку в монтаже или неисправную деталь.
В видео объясняют, как сделать индикатор заряда из Старого Тиристора.
Готовые варианты с Aliexpress
Если нет желания или возможности заниматься самостоятельным изготовлением устройства индикации, можно приобрести готовые изделия на Алиэкспресс. Этот недорогой индикатор предназначен для контроля литий-ионного аккумулятора и имеет пятиступенчатую дискретную индикацию (четыре сегмента плюс рамка).
Это устройство может работать как с единичным элементом, так и с батареей, содержащей до 8 ячеек. При единичном аккумуляторе минимальное напряжение индикации (сегменты погашены рамка мигает) составляет 2,7 вольт. Ниже устройство отключается – не хватает напряжения питания. Напряжение переключения при одной ячейке указано в таблице, при увеличении количества банок уровни соответственно масштабируются.
| Остаточный заряд, % | 100 | 75 | 50 | 25 | <25% |
|---|---|---|---|---|---|
| Соответствующее напряжение, В | 3,9 | 3,7 | 3,5 | 3,3 | 2,7..3,3 |
| Индикация | 4 сегмента | 3 сегмента | 2 сегмента | 1 сегмент | Мигающая рамка |
В Интернете можно найти и другие образцы схем индикаторов для самостоятельной сборки, в том числе на специализированных микросхемах, с индикацией как на светодиодах, так и на ЖК-дисплеях. На просторах Алиэкспресс можно отыскать и другие готовые устройства. Главное – понимать возможности таких схем и не ждать от них повышенной точности.
