1 sierpnia 2015

Prosty wskaźnik naładowania akumulatora

Wskaźnik naładowania akumulatora opiera się na regulowanej diodzie zenera - TL431. Za pomocą dwóch rezystorów można ustawić napięcie przebicia w zakresie od 2.5V do 36V. Pokazałem dwie możliwości użycia regulowanej diody zenera jako serca całego wskaźnika.


Pierwsza jest dla wskaźnika rozładowania, a druga dla wskaźnika naładowania. Jedyna różnica to dodanie tranzystora NPN, który będzie odwracał działanie wskaźnika np. diody LED lub buzzera. Podałem również sposób obliczenie R1 oraz przykłady na niektóre napięcia. Może na początku wyjaśnię w skrócie, czym w zasadzie jest układ TL431. Układ ten to w zasadzie regulowana dioda zenera w której można za pomocą jednego z wejść (Vref) ustawić napięcie przebicia w zakresie od 2.5V do 36V. Kierunek przebicia jest taki sam jak w każdej innej diodzie zenera - od anody do katody.


Opiszę tutaj w jaki sposób można zrobić bardzo prosty wskaźnik naładowania akumulatora wykorzystując ten układ, 2 rezystory i diodę LED jako sygnalizację. W tym artykule opiszę dwa sposoby na sygnalizację stanu naładowania akumulatora: pierwsza będzie nas informować o wyczerpanym akumulatorze, a druga o naładowanym.


Przejdźmy zatem do samego układu. Schemat wyprowadzeń dla układu TL431 w obudowie TO92 wygląda w następujący sposób:
Wyprowadzenia pinów w układzie TL431


Schemat połączenia tego układu wygląda w ten sposób:

Dla wskaźnika rozładowania:
Schemat dla wskaźnika rozładowania 
Układ ten dział w taki sposób, że przebija przy wyznaczonym przez nas napięciu, które możemy ustawiać za pomocą rezystorów R1 i R2. W przypadku wskaźnika rozładowania dioda sygnalizacyjna powinna zaświecić się wtedy, gdy akumulatorek ma mniejsze napięcie od tego, które zakładaliśmy. Dlatego układ ten steruje tranzystorem NPN (może być to dowolny tranzystor NPN np. BC547). Jak można zauważyć regulowana dioda zenera reguluje potencjał ujemny, dlatego dołożony jest rezystor R3 którego zadaniem jest załączanie tranzystora, gdy TL431 jest wyłączony. Rezystor ten dobierałem metodą prób i błędów, ja zastosowałem 11k. R4 służy tylko do ograniczenia prądu na diodę, można go obliczyć za pomocą prawa Ohma. Oczywiście można poradzić sobie bez tranzystora, ale wtedy dioda LED zgaśnie gdy napięcie spadnie poniżej naszej wartości - schemat poniżej. Oczywiście układ ten nie sprawdzi się przy niskich napięciach - brak wystarczającego napięcia i/lub prądu do zasilenia diody LED. Układ ten ma pewny minus, polegający na ciągłym poborze prądu, który wynosi ok. 10mA.
Płytka wskaźnika naładowania akumulatora - stan nieaktywny

Płytka wskaźnika naładowania akumulatora - stan aktywny 
Schemat dla wskaźnika naładowania:
Schemat dla wskaźnika naładowania 


W przypadku wskaźnika naładowania dioda sygnalizacyjna powinna zaświecić się, gdy napięcie jest większe od tego, które ustaliliśmy za pomocą R1 i R2. R3 służy tylko do ograniczenia prądu na diodę.

Jak widać sam schemat jest bardzo prosty i bez problemu można go wykonać na tzw. pajączku.
Przyszedł czas na to co każdy lubi najbardziej - matematykę :)

Wspominałem na początku, że napięcie przebicia można regulować od 2.5V do 36V za pomocą wejścia "Ref". A zatem, spróbujmy coś policzyć.

Załóżmy, że dioda sygnalizacyjna ma informować nas o słabym napięciu akumulatora 12V - ma zapalać się przy 12V.

R2 - Można tutaj użyć dowolnej wartościowości. Jednakże najlepiej użyć tutaj pełnych liczb (dla łatwiejszego liczenia) np. 1K (1000 ohm), 10k (10 000 ohm),

Rezystor R1 policzymy z tego wzoru:
R1=R2*(Vo/2.5V-1)
Przyjmijmy, że nasz rezystor ma 1k (stąd wzięło się to 1000Ω).
Vo - napięcie przy którym ma nastąpić przebicie (w naszym przypadku 12V).
R1=1000Ω*(12V/2.5-1)= 1000(4.8-1)= 1000*3.8=3K8 (3800 ohm).
Czyli opory rezystorów dla 12V wyglądają w następujący sposób:
R1= 3K8
R2=1K

Jak widać nie jest to wcale skomplikowane.
A tutaj tabelka dla leniwych :P
R2=1K
Dla R1:
  • 5V - 1K 
  • 7.2V - 1880Ω 
  • 9V - 2K6 
  • 12V - 3K8 
  • 15V - 5k 
  • 18V - 6K2 
  • 20V - 7K 
  • 24V - 8K6 


Dla niskich napięć np. 3.6V R2 powinien mieć większy opór np. 10K - prąd pobierany przez układ będzie mniejszy.

[AKTUALIZACJA ]

R3 dla układu z tranzystorem można obliczyć za pomocą tego wzoru:
R3 = (Umin - VREF)/Imin
Umin - napięcie minimalnie,
VREF - Ja przyjąłem tak jak wyżej 2.5V, ale niektórzy zakładają, że jest to 2.450V.
Imin - Prąd minimalny.

Należy jednak przyjąć Umin mniejsze niż zakładane. Dla 12V przyjmijmy 11.8V. Należy również doliczyć 2mA do poprawnego działania układu - tak, aby przy minimalnym napięciu (u nas mniej niż 12V) przez rezystor płyną prąd większy niż 1mA.

R3=(11.8V-2,5)/(2,0/1000)A = 4650Ω


R4 obliczymy z tego wzoru:
R4=(Uon-Imin*R3-Uled)/Iled
Uon- napięcie w stanie działania - świecenia,
Imin - minimalna wartość prądu płynąca przez TL431 - przyjąłem 1mA,
R3 - policzyliśmy wcześniej,
Uled - napięcie na diodzie LED,
Iled - prąd płynący przez diodę LED,
Przyjmijmy: Uon = 12V, Imin_off = 1mA, R3=4,7K, Uled=2.4V, Iled=10mA.

R4=(12V-0.001A*4700Ω-2.4V)/0.010A=9.6V-4.7/0.010A=4.9/0.010A=490Ω



W ten sposób będziemy mieć w pełni działający układ.
Pamiętajcie, że układ ten może być obciążony maksymalnie 100mA (jedna dioda LED to pobór ok. 25mA). Stosując schemat dla wskaźnika rozładowania trzeba sprawdzić jakie może mieć maksymalne obciążenie tranzystor (dla BC547 jest to 100mA). Pobór prądu dla samego układu TL431 to tylko 1.5μA - praktycznie niezauważalny. Minimalny próg napięcia - taki, który jeszcze nie uszkadza akumulatorka to 0.9V na ogniwo. Jednakże wszystko zależy od tego gdzie chcecie zastosować układ np. w przypadku latających modeli RC napięcie na ogniwo 0.9V nie wchodzi w grę - sygnalizacja zaświeci się dopiero wtedy, gdy helikopter będzie już leżał na ziemi i to już przez jakąś chwilę. W przypadku latających modeli lepiej zakładać 1.2V na ogniwo no i oczywiście zamiast diody LED lepiej zastosować buzzer. Koszt samego układu to ok. 0.40zł. Jest duże prawdopodobieństwo, że znajdziecie go w jakiś śmiechach elektronicznych - często można go spotkać w różnych zasilaczach.

Wzór ścieżek przygotowanych do naniesienia na płytkę PCB, opis, schemat.




21 komentarzy:

  1. Witam,
    z jakim maksymalnym napięciem można używać tego układu?

    OdpowiedzUsuń
    Odpowiedzi
    1. Witam!
      Według danych producenta 36V.

      Usuń
  2. Czy dioda nie powinna być na kolektorze tranzystora ?

    OdpowiedzUsuń
    Odpowiedzi
    1. Dioda jest podłączona prawidłowo dla powyższych wzorów.

      Usuń
  3. Jak to jest w przypadku wskaźnika naładowania.
    Zakładając ,że chcemy ładować ogniwo Li Ion [np. 3,7v 1800mAh]
    Podłączamy układ równolegle do ładowarki. Ładowarka najpierw ładuje mniejszym napięciem i stałym prądem. Na drugim etapie ładowania jest na odwrót. Ogniwo ładuje się stałym napięciem [4,2v] i coraz mniejszym prądem , który finalnie dochodzi do wartości bliskich 0. Nie mniej jednak drugi etap ładowania zajmuje mniej więcej tyle co pierwszy. Jeśli dobrze rozumiem to wskaźnik naładowania zapali się już po pierwszym etapie. Dobrze rozumuje?

    OdpowiedzUsuń
    Odpowiedzi
    1. Załóżmy, że układ został ustawiony na 4.2V. Jak sam napinałeś - w pierwszym etapie jest niższe napięcie niż 4.2V. Natomiast w drugim etapie jest to stałe napięcie 4.2V ale one zostanie osiągnięte dopiero gdy aku. będzie naładowane. Oczywiście sam układ będzie uzależniony od ładowarki. Jeśli jest to ładowarka impulsowa, może być efekt zapalania się układu przy impulsie. Niemniej na układach TL431 można zrobić balancer - 1 układ na 1 ogniwo.

      Usuń
  4. Czy kolor diody LED ma znaczenie?

    OdpowiedzUsuń
    Odpowiedzi
    1. Ma znaczenie dla rezystora R3/R4 - rezystor ograniczający prąd LED-a.

      Usuń
  5. Witajcie!
    mam do Junaka M10 założony alternator 12V. Problem, który mnie tu skierował to kontrolka ładowania. Przy oryginalnej prądnicy kontrolka pokazywała, czy z prądnicą wszystko ok. Regulator tego alternatora niestety nie ma wyjścia na kontrolkę. Dlatego zastanawiam się nad zamontowaniem takiego prostego układu. Pytanie tylko, poniżej jakiej wartości układ powinien zapalić diodę? Myślałem nad 13V (alternator na światłach trzyma 14.4V), wtedy kontrolka działałaby zbliżenie do prądnicy, tzn po włożeniu kluczyka zaświecałaby się, tak samo przy awarii alternatora z resztą. Jako, że prądowo ze mnie "noga" proszę o jakieś sugestie, które pozwolą zbudować układ o odpowiednich parametrach. Może ktoś miałby chęć obliczyć i podać wartości elementów pod 13V układ rozładowania? Pewnie bym to obliczył, ale zanim się odnajdę, to...
    Z góry dziękuję za pomoc i pozdrawiam,
    Michał

    OdpowiedzUsuń
    Odpowiedzi
    1. Witam!
      Wydaje mi się, że lepiej będzie ustawić taki wskaźnik na 14V. Niemniej policzyłem dla 14V i 13V wartości rezystorów.
      Dla 13V: R1= 4.2K, R2= 10K, R3= 5.15K, R4= 363R
      Dla 14V: R1= 4.7K, R2= 10K, R3= 5.65K, R4= 296R
      Trzeba trochę pobawić się w łączenie równoległe i szeregowe.

      Usuń
  6. Dziękuję Marku!
    Co prawda dla 13V zdążyłem już policzyć, ale być może faktycznie lepiej zbudować układ na 14V? Chyba tak zrobię! Nurtuje mnie jeszcze jedna rzecz, zapewne nie uda się kupić rezystorów z idealnymi wartościami wyliczonymi przez Ciebie, wtedy będę musiał wartości "zaokrąglić", tak?

    OdpowiedzUsuń
    Odpowiedzi
    1. Można spróbować z najbliższymi wartościami. Chociaż układ może działać na troszkę inne napięcie, niż wynikałby to z obliczeń. Rezystory można łączyć szeregowo i równolegle, w ten sposób można uzyskać wartości bardzo bliskie tych wyliczonych. Rezystory mają również swoją tolerancję. Ale dla 14V dostaniesz 4.7K, 10K, 4.7K połączone szeregowo z 1K = 5.7K i 300 ohm.

      Usuń
    2. Ok, zrozumiałem. Tylko z tego co widzę, są rezystory różnej mocy. Muszą mieć jakąś konkretną wartość?

      Usuń
    3. W zasadzie to tylko dla diody LED (R4) powinien być rezystor o odpowiedniej mocy. W tym przypadku standardowy rezystor THT 1/4W w zupełności wystarczy. Reszta rezystorów może być nawet mniejszej mocy.

      Usuń
    4. Ok. wszystko zamówione. W pon. pewnie odbiorę i później zacznę działać. O wynikach poinformuję :)

      Pozdrawiam!

      Usuń
    5. Witaj!
      Wskaźnik zrobiony i działa.
      Wszystko jest w jak najlepszym porządku, a "kontrolka" się zachowuje jak w oryginale! Tak więc jeszcze raz dziękuję pięknie za schemat i wszelką pomoc.
      Pozdrawiam serdecznie!

      Usuń
    6. Skoro wszystko działa jak w oryginale to super :)

      Pozdrawiam!

      Usuń
  7. Czegoś takiego szukałam. To mi wystarczy. Ale chciałbym podpytać: Mam pakiet 6v /4x AA/ Czy da się połączyć w jednym oba schematy: naładowany /zielony/ rozładowany /czerwony/ i może jeszcze pośredni np. żółty. Jeśli tak to bardzo bym prosił o schemat i wartości rezystorów.

    OdpowiedzUsuń
    Odpowiedzi
    1. Da radę, sam wykonałem podobny projekt do Twojego założenia. Tylko teraz zastanów się jak żółta dioda ma działać. Czy ma gasnąć przy założonym napięciu, czy zapalać się? Bo jeśli zapalać się, to przy dalszym wzroście napięcia dioda może przepalić się.

      Nie podałeś żadnych sensownych informacji. NIC! Czy chcesz korzystać z baterii, akumulatorków? Najlepiej sam to oblicz, to nie jest trudne, a będziesz miał zabawę na jakiś czas.

      Pozdrawiam.

      Usuń

Aby uniknąć spamu, komentarze na blogu pojawiają się po zatwierdzeniu.