Как сделать индикатор заряда аккумулятора
Перейти к содержимому

Как сделать индикатор заряда аккумулятора

  • автор:

Простой индикатор заряда батареи на двухцветном светодиоде

В статье предлагаются два варианта индикатора, цвет свечения которого, по мере разряда батареи, изменяется от зеленого до красного. Существует огромное количество схем, предназначенных для выполнения таких функций, но все из них, на мой взгляд, слишком сложны и дороги. Для моего индикатора требуется всего пять компонентов, один из которых – двухцветный светодиод.

Простейший вариант показан на Рисунке 1. Если напряжение на клемме B+ равно 9 В, будет светиться только зеленый светодиод, поскольку напряжение на базе Q1 равно 1.58 В, в то время, как напряжение на эмиттере, равное падению напряжения на светодиоде D1, в типичном случае составляет 1.8 В, и Q1 удерживается в закрытом состоянии. По мере уменьшения заряда батареи напряжение на светодиоде D2 остается практически неизменным, а напряжение на базе уменьшается, и в какой-то момент времени Q1 начнет проводить ток. В результате часть тока станет ответвляться в красный светодиод D1, и эта доля будет увеличиваться до тех пор, пока в красный светодиод не потечет весь ток.

Рисунок 1. Базовая схема монитора напряжения батареи.

Для типичных элементов двухцветного светодиода различие в прямых напряжениях составляет 0.25 В. Именно этим значением определяется область перехода от зеленого цвета свечения к красному. Полная смена цвета свечения, задаваемая соотношением сопротивлений резисторов делителя R1 и R2, происходит в диапазоне напряжений

Середина области перехода от одного цвета к другому определяется разностью напряжений на светодиоде и на переходе база-эмиттер транзистора и равна приблизительно 1.2 В. Таким образом, изменение B+ от 7.1 В до 5.8 В приведет к смене зеленого свечения на красное.

Различия в напряжениях будут зависеть от конкретных комбинаций светодиодов и, возможно, их будет недостаточно для полного переключения цветов. Тем не менее, предлагаемую схему все равно можно использовать, включив диод последовательно с D2.

На Рисунке 2 резистор R1 заменен стабилитроном, в результате чего область перехода становится намного более узкой. Делитель больше не оказывает влияния на схему, и полная смена цвета свечения происходит при изменении напряжения B+ всего на 0.25 В. Напряжение точки перехода будет равно 1.2 В + VZ. (Здесь VZ – напряжение на стабилитроне, в нашем случае равное примерно 7.2 В).

Рисунок 2. Схема на основе стабилитрона.

Недостатком такой схемы является ее привязка к ограниченной шкале напряжений стабилитронов. Еще больше усложняет ситуацию тот факт, что низковольтные стабилитроны имеют слишком плавный излом характеристики, не позволяющий точно определить, каким будет напряжение VZ при малых токах в схеме. Одним из вариантов решения этой проблемы может быть использование резистора, включенного последовательно со стабилитроном, чтобы иметь возможность небольшой подстройки за счет некоторого увеличения напряжения перехода.

При показанных сопротивлениях резисторов схема потребляет ток порядка 1 мА. Со светодиодами повышенной яркости этого достаточно для использования прибора внутри помещения. Но даже такой небольшой ток весьма значителен для 9-вольтовой батареи, поэтому вам придется выбирать между дополнительным потреблением тока и риском оставить питание включенным, когда необходимости в нем нет. Скорее всего, после первой внеплановой замены батареи вы почувствуете пользу от этого монитора.

Схему можно преобразовать таким образом, чтобы переход от зеленого к красному свечению происходил в случае повышения входного напряжения. Для этого транзистор Q1 надо заменить на NPN и поменять местами эмиттер и коллектор. А с помощью пары NPN и PNP транзисторов можно сделать оконный компаратор.

С учетом довольно большой ширины переходной области, схема на Рисунке 1 лучше всего подходит для 9-вольтовых батарей, в то время как схема на Рисунке 2 может быть адаптирована для других напряжений.

Перевод: AlexAAN по заказу РадиоЛоцман

О реализации индикатора батареи в устройствах на МК

В портативном устройстве, работающем от аккумулятора, почти обязательным «удобством» является индикатор уровня его заряда. Казалось бы, если оно собрано на основе любого современного микроконтроллера и имеет графический дисплей, ничего сложного в этом нет: нужно лишь регулярно измерять напряжение батарейки с помощью встроенного АЦП и выводить его в виде традиционной батарейки��, степень заполнения которой зеленой краской зависит от напряжения. Но если так сделать в лоб, есть риск, что индикатор будет вести себя, как в известном перле «она металась, как стрелка осциллографа». В лучшем случае, он будет время от времени раздражающе подергиваться туда-сюда на один-два пикселя.

В статье описывается простая реализация индикатора разряда, лишенная этого недостатка.

Проблема «дергающейся батарейки»

Типичные разрядные характеристики литий-ионного аккумулятора при различных токах

Причин такой нестабильности показаний индикатора несколько. Для начала, нужно отметить, что напряжение почти полностью заряженного литий-ионного аккумулятора – 4,0 В, а почти полностью разряженного — 3,4-3,5 В. Соответственно, перепад от 0 до 100% соответствует всего 0,5-0,6 В, то есть индикация заряда с шагом 10% требует точности измерения напряжения не хуже 1%. При этом метрологические характеристики «вольтметра», встроенного в устройство, чаще всего достаточно скверные, потому что всерьез к проектированию этого узла относятся достаточно редко. Да и само напряжение, поступающее на устройство, потребление тока которым постоянно меняется в интервале от нескольких до 150-200 миллиампер, с учетом его подключения через невысокого качества китайский разъем типа JST – тоже непостоянно. При непостоянном токе потребления, зависимость разрядной характеристики аккумулятора от тока разряда – самое главное препятствие для точного определения заряженности по напряжению. Поэтому в смартфонах и ноутбуках для этого чаще применяют другой подход – специализированный контроллер подсчитывает кулоны, пошедшие на зарядку батареи и затраченные затем при разряде, а напряжение при этом играет вспомогательную роль.

Но мы не будем забираться в такие дебри. Способ этот дает прекрасные результаты, но он не так прост в реализации: такие контроллеры сложно достать в розницу, трудно паять вручную, и вдобавок их нужно прошивать на требуемые параметры аккумулятора с помощью платной программы и не менее платного программатора. Тем более, что простыми средствами тоже можно достичь неплохих результатов, пусть и не таких точных.

Решение

Черная линия – измеренное напряжение, красная – то, что мы будем использовать для определения уровня заряда.

Предлагаемая идея состоит в том, что раз потребление тока устройством меняется и наибольшая просадка напряжения происходит в моменты наибольшего потребления, нужно фиксировать напряжение именно в такие моменты. Это логично, так разряженный аккумулятор еще может долгое время «тянуть» устройство, пока оно находится в малопотребляющем режиме, но быстро просядет ниже минимально допустимого напряжения, когда потребление подскочит, например, при включении дисплея. При этом очевидно, что когда аккумулятор разряжается, степень его заряженности может только снижаться, но никак не увеличиваться. И наоборот, когда аккумулятор заряжается – степень его заряженности только возрастает, несмотря на то, что измеренное значение напряжения может в какие-то моменты падать из-за помех и т.п. Поэтому давайте будем во время разряда игнорировать поступающие данные об изменениях напряжения, если оно растет, считать этот рост артефактом. Делается это элементарно – путем сравнения каждого следующего значения измеренного напряжения с ранее зафиксированным минимальным, которое обновляется каждый раз, когда измеренное значение окажется ниже него. Во время заряда мы поступим аналогично, но фиксировать будем не минимумы, а максимумы.

Разумеется, нам здесь понадобится некий сигнал от зарядного устройства, информирующий о том, в каком состоянии (заряд или разряд) находится аккумулятор. Обычно контроллеры заряда литиевых аккумуляторов имеют выход на светодиод или пару светодиодов, который несложно завести на GPIO контроллера.

Тут нужно учесть еще и то, что кривые разряда и заряда существенно различаются. Поэтому по смене статуса зарядного контроллера нам нужно сменить не только направление работы индикатора, но и формулу расчета процентов заряженности от напряжения. А также то, что на протяжении этапа CV, на который приходится примерно 25-30% емкости батареи и половина времени заряда, индикатор будет показывать 100%, если мы будем принимать во внимание только напряжение. Можно так и оставить (сделав внятную индикацию, что зарядка еще не окончена), а можно заморочиться и вычислять на этом этапе проценты заряженности, как линейную (или более сложную) функцию от времени.

Код

Нижеприведенный код на Си реализует самый простой вариант описанного алгоритма. Здесь мы считаем, что полностью разряженная батарейка при разряде дает 3,4 В. Чем это обусловлено? Во-первых, тем, что примерно с этого напряжения начинается быстрый спад напряжения, и дальнейший разряд не дает существенно большего времени работы. Во-вторых, если питать МК от аккумулятора через LDO на 3,3 В, при снижении напряжения ниже этого значения начинает падать и напряжение питания МК. В некоторых случаях это не очень желательно, и в частности, в данной задаче пришлось бы задействовать встроенный источник опорного напряжения, чтобы измерить напряжение батареи в 3,3В и ниже. Та же полностью разряженная батарея при включении заряда сразу увеличивает напряжение до 3,65 В, я же взял 3,6 В, так как тогда при том же коэффициенте наклона автоматически выходит нужное напряжение на 100% заряженном аккумуляторе 4,2 В.

// Глобальные переменные и типы данных: // Состояние зарядного устройства typedef enum < NOCHG, CHG, CHGEND >tChgState; tChgState oldChargeStatus = NOCHG // Переменная для хранения предыдущего состояния // зарядного устройства между вызовами функции uint8_t minBatPercent = 100; // Минимальное и максимальное значения uint8_t maxBatPercent = 0; // уровня заряда батареи // Код следующих двух функций я не привожу, так как он привязан // к реализации конкретного устройства в железе. tChgState getChargeState(void) < // Здесь мы определяем состояние зарядного устройства . . . >uint16_t getBatVoltage() < // А здесь запрашиваем АЦП и вычисляем значение напряжения на батарее в милливольтах . . . >uint8_t batPercent(uint16_t voltage) < tChgState chargeStatus = getChargeState(); uint16_t emptyBatVoltage = 3400;// Напряжение, соответствующее полностью // разряженной батарее uint8_t slope = 6; // 6 мВ/% if(chargeStatus == CHG) // При заряде напряжение возрастает, учитываем это emptyBatVoltage = 3600; int8_t result = (voltage - emptyBatVoltage) / slope; if(result < 0) result = 0; // Уровень заряда не может оказаться меньше нуля if(result >100) result = 100; // и больше 100%. // Ищем минимум и максимум и сохраняем их в глобальных переменных для // использования при следующем вызове if(minBatPercent > result) minBatPercent = result; if(maxBatPercent < result) maxBatPercent = result; if(chargeStatus != oldChargeStatus) // При изменении состояния зарядного устройства < // начинаем заново с чистого листа. minBatPercent = result; maxBatPercent = result; >if(maxBatPercent - minBatPercent > 20) // Защита от особо сильных помех < minBatPercent = result; maxBatPercent = result; >oldChargeStatus = chargeStatus; // Перед окончанием сохраняем текущее состояние ЗУ // И, наконец, возвращаем максимальное значение, если идет заряд // или минимальное -- если идет разряд. if(chargeStatus == CHG) < return maxBatPercent; >else < return minBatPercent; >>

Далее мы в удобном месте вызываем функцию batPercent, скажем, раз в секунду, и то, что она вернула, передаем в код, рисующий батарейку.

Вот и все. Теперь никаких ненужных колебаний и шевелений, индикатор аккумулятора стоит, как вкопанный, не забывая, впрочем, убавляться по мере разряда. Данный способ, конечно, не претендует на точность измерения остатка заряда, но это обычно и не требуется. При необходимости, конечно, можно усложнить код, добавив в него учет температуры, использовав вместо линейной интерполяции более сложную и точную.

  • индикатор заряда
  • li-ion
  • аккумулятор

Схемы для изготовления индикатора заряда батареи

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:

  1. Уровень заряда довольно четко определяется выходным напряжением.
  2. 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).

Схемы для изготовления индикатора заряда батареи

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

Схемы для изготовления индикатора заряда батареи

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.

Схемы для изготовления индикатора заряда батареи

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.

Схемы для изготовления индикатора заряда батареи

Эту схему можно «наращивать» для аккумулятора, состоящего из нескольких ячеек. Сколько ячеек, столько раз надо повторить схему.

Схемы для изготовления индикатора заряда батареи

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.

Схемы для изготовления индикатора заряда батареи

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.).

Схемы для изготовления индикатора заряда батареи

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.

Схемы для изготовления индикатора заряда батареи

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.

Схемы для изготовления индикатора заряда батареи

Дальше рисунок надо перенести на плату. Можно нарисовать от руки лаком (например, для ногтей).

Схемы для изготовления индикатора заряда батареи

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.

Схемы для изготовления индикатора заряда батареи

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.

Схемы для изготовления индикатора заряда батареи

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).

Схемы для изготовления индикатора заряда батареи

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
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.

13 схем индикаторов разряда Li-ion аккумуляторов: от простых к сложным

Как узнать, когда сядет аккумулятор

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.

Далее будут представлены только те индикаторы разряда li-ion аккумуляторов, которые не только проверены временем и заслуживают вашего внимания, но и с легкостью собираются своими руками.

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

Вариант №1

Индикатор разряда Li-ion на стабилитроне

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.

Индикатор заряда с двумя светодиодами (зеленый и красный)

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

Простейший индикатор разряда для литий-ионного аккумулятора

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).

Защита литиевой батареи от переразряда

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

Самый простой индикатор разряда для li-ion аккумулятора

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

Контроль разряда батареек на полевых транзисторах

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

Схема индикатора разряда литиевого аккумулятора

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.

Чтобы не сел аккумулятор

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

Индикатор разряда АКБ и отключение нагрузки

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.

Источник образцового напряжения на TL431

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.

Монитор напряжения (супервизор)

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.

Схема детектора разряда аккумулятора на КР1171СП28

Также можно взять советский аналог — КР1171СПхх:

КР1171СП хх

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.

Микросхема монитора (детектора) напряжения

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.

Индикатор севшего аккумулятора 18650 с мигающим светодиодом

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

Еще одна схема с моргающим светодиодом будет рассмотрена ниже.

Вариант №8

Экономичный индикатор разряда литиевого аккумулятора на МАХ9030

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

74HC04 в качестве индикатора разряда литий-ионного аккумулятора

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

Светодиодный индикатор напряжения на литий-ионном аккумуляторе

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!

График (кривая) разряда литий-ионного аккумулятора

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

Прецизионный индикатор на LM339

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

4 светодиода горят в зависимости от напряжения на батарейке

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.

Индикатор разряда АКБ на микроконтроллере ATMega

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 контроллерами заряда-разряда), 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).

Схема защиты Li-ion от переразряда/перезаряда

Чаще всего PCB-плата представляет собой вот такую схемку:

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

Как сделать индикатор разряда лития из платы защиты от мобильного телефона

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.

Как сделать индикатор разряда из платы защиты литий-ионного аккумулятора

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, предотвращающие глубокий разряд.

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

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *