Индикатор уровня заряда аккумулятора на операционном усилителе

В этой статье рассмотрим схему индикатора уровня заряда, которую легко можно сделать своими руками. При этом потребуется минимум компонентов. Схема рассчитана на контроль аккумуляторов на литиевой основе (литий-ионные или литий-полимерные), но можно переделать и на контроль свинцово-кислотных. В основе схемы будет лежать операционный усилитель LM358 и работать он будет в качестве компаратора.
индикатор уровня заряда на операционном усилителе
Схему можно настроить на индикацию заряда/разряда любого комплекта батарей от 3 до 32 вольт. Ограничения связаны с установленным диапазоном питающего напряжения микросхемы операционного усилителя.
Для индикации заряда необходимо задать диапазон контролируемого напряжения. Принцип прост. Во время заряда аккумулятора напряжение повышается от минимально установленного до максимального. Наша задача проследить этот рост. Ну, а при разряде проследить его падение.
Максимальным напряжением заряда литиевых аккумуляторов является напряжение 4.2 В. Не стоит допускать разряд литиевых аккумуляторов ниже 2,75 В иначе емкость батареи может быть безвозвратно утеряна. Таким образом емкость аккумулятора задается диапазоном от 2.75 вольт (заряд 0%) до 4.2 вольт (100%). Если в силу обстоятельств напряжение на аккумуляторе выходит за пределы, указанные выше, даже на непродолжительное время, срок его жизни драматически уменьшается. Перезаряд, как и переразряд вредят емкости аккумулятора. Так что оптимально оставлять хотя бы процентов 20 заряда и вовремя подключать зарядное устройство. Литиевые аккумуляторы вам за это скажут спасибо долгим сроком службы.
Исходя из таких размышлений диапазон контролируемого напряжения необходимо установить в приблизительных пределах от 3.1 В до 4.1 В. При более точном контроле заряда весь диапазон необходимо разбить на поддиапазоны. Вполне достаточно будет разбить весь диапазон на четыре части. И контролировать четыре уровня напряжения. Так, в моем видении, для одной литиевой батареи ключевые значения напряжений: 3.1, 3.4, 3.7 и 4.1 В. Или для более длинных цепочек батарей уровни составят следующие значения:
Индикатор уровня заряда аккумулятора. Таблица напряжений 1s 2s 3s 4s 5s 6s 7s
Как я уже говорил в моем случае, схема основана на операционном усилителе LM358 (два операционных усилителя в одном корпусе). Но можно использовать и другой. Например, LM324 (четыре операционных усилителя в одном корпусе). Правда, LM324 в два раза больше LM358 (8 против 14 выводов). И тот и другой вполне подходит для использования в качестве компаратора c низкой скоростью переключения. На китайских торговых площадках цена их невелика (LM358LM324), продают десятками по цене меньше доллара. Можно заниматься экспериментами сколько угодно.

LM358

lm358
индикатор уровня заряда. Структура lm358

LM324

lm324
LM324 структура. Индикатор уровня заряда

Индикатор уровня заряда аккумулятора 1S

Рассмотрим, для примера, вариант схемы индикатора уровня заряда для одной литиевой батареи.
Индикатор уровня заряда. Схема 1
Для контроля четырех уровней напряжения понадобится две микросхемы LM358. Также необходим источник опорного напряжения. Опорное напряжение будем подавать на инвертирующий вход (-) каждого из операционных усилителей. А изменяемое со временем напряжение аккумуляторной батареи, будем подавать через делитель напряжения к неинвертирующим входам операционных усилителей (+). Таким образом, наши операционные усилители превратятся в неинвертирующие компараторы. Их задачей будет сравнение напряжения на входе (+) с опорным. Когда сигнальное входное напряжение на входе (+) больше опорного, то выходное напряжение принимает значение напряжения источника питания минус падение напряжения на внутренних транзисторах микросхемы в выходных цепях. Для LM358 падение составит значение более одного вольта.  Изменение выходных напряжений можно проследить по таблице ниже:
индикатор уровня заряда. Таблица выходных напряжений
Как видно из таблицы выходные напряжения довольно низкие. Светодиоды для индикации должны быть рассчитаны не более чем на 2.2 В. Например, китайские 3 мм красного, зеленого, желтого цветов работают вполне нормально.  Резистор R10 на схеме служит для ограничения тока всех светодиодов.
Источник опорного напряжения
Источники опорного напряжения могут быть разные. К примеру, это могут быть стабилитроны или более мощные стабилизаторы напряжения, которые будут питать как саму микросхему ОУ, так и подавать опорное напряжение через делитель.
В нашем случае, когда минимальное контролируемое напряжение на аккумуляторной батарее составляет всего 3 вольта, опорное напряжение следует выбирать раза в два меньше. Т.е. приблизительно 1.5 вольта. 
Стабилитрон на такое напряжение мне не попадался. Питание операционного усилителя изменяется, поэтому опорное напряжение от делителя взять не получится. Выходом может стать использование диодов. Так если подключить последовательно три диода одного типа через ограничительный резистор к источнику питания, то на каждом из них будет происходить падение напряжения. Это падение будет зависеть от пропускаемого тока, и немного зависеть от изменения напряжения источника питания.
Для получения опорного напряжения приблизительно равного 1.5 вольта ограничительный резистор должен быть на 20кОм.
индикатор уровня заряда. Опорное напряжение с диодов
В этом случае при напряжении источника 4.1 вольт суммарное падение напряжение на диодах составит 1.49 вольт. Такое же падение напряжения можно получить и на двух диодах, если ограничительный резистор выбрать на 180 Ом. Но при этом ток, потребляемый схемой, увеличится почти в десять раз с 2.8 mА до 23.5 mА.
Если Rогр = 20 кОм, то ток потребления схемы при напряжении на аккумуляторе 3 вольта = 0,7mA, при напряжении 4.15 вольта = 2,8mA
Если Rогр = 180 Ом — ток потребления от 10,5mA до 23,5mA
Поскольку индикатор уровня заряда подключен непосредственно к батарее, он же и будет  постепенно ее разряжать. Токи потребления нужно минимизировать. Поэтому вариант на трех диодах будет более экономичный.
Делитель напряжения
Если на каждый (-) вход операционного усилителя подается опорное напряжение (стабилизированное), то на (+) вход необходимо подать сигнальное, изменяемое напряжение. Каждый операционный усилитель (в нашем случае работающий как компаратор) должен реагировать на свой уровень входного напряжения. Такие уровни  задаются с помощью сложного делителя напряжения.  Нижнее плечо, роль которого выполняют резисторы R5, R6, R7, R8,  выбирают обычно одного значения. В нашем случае 51 кОм (можно больше). Теоретический расчет резисторов  R1, R2, R3, R4 дело неблагодарное. На их значение оказывает сильное влияние входное сопротивление операционного усилителя. Оно же в свою очередь зависит от приложенного напряжения и силы протекающих токов. Поэтому проще предварительно собрать схему на   макетной плате и, используя подстроечные резисторы, подобрать необходимые номиналы R1, R2, R3, R4.
Итак, при значении резисторов R5, R6, R7, R8 = 51 кОм и требуемых значениях ключевых напряжений 4.1 В, 3.7 В, 3.4 В, 3.1 В, напряжения на сигнальных входах компараторов примут значения, приведенные в таблице ниже:
Напряжения на входах + компараторов. Индикатор уровня заряда.
При этом экспериментально получаем R1=16750 Ом, R2=1720 Ом, R3=2200 Ом, R4=3600 Ом. Красным цветом выделено значение опорного напряжения, т.е. напряжения при которых происходит переключение компараторов. Как видно из таблицы оно немного проседает с падением напряжения на батарее.
Теперь необходимо подобрать резисторы наиболее приближенные к найденным значениям. У меня получилось подобрать следующие номиналы:
 R1 = 16 кОм, R2 = 1.8 кОм, R3 = 2,2 кОм, R4 = 3.6 кОм
При этом раскладки напряжений несколько изменились:
Индикатор уровня заряда на операционном усилителе
Стоит заметить, что точные диапазоны переключений возможно получить только продолжив использовать подстроечные резисторы, что приведет к увеличению габаритов. При замене на постоянные, отклонения неизбежны, но, на мой взгляд, не критичны.
Работа
Итак, что происходит. На инвертирующий (-) вход каждого из наших компараторов поступает опорное напряжение (проседает от минимума до максимума на 0.07 В). Напряжение от аккумулятора подается через сложный делитель напряжения на неинвертирующий (+) вход каждого из компараторов. Благодаря делителю напряжения у каждого компаратора напряжение на входе (+) различное, плавно изменяющееся согласно таблице, приведенной выше.  И как только напряжения на входах становятся одинаковыми, происходит переключение компаратора. Появляется мерцание светодиода. Так называемый «дребезг».  Пока напряжение не установится четко больше или меньше порогового, и светодиод  четко засветится или полностью погаснет. «Дребезг» для светодиодов безвреден (в отличии, например, от реле) поэтому бороться с ним не будем. Он даже добавит эффект, который будет указывать на скорый переход аккумулятора на новый уровень разряда/заряда.  В результате мы получаем последовательное включение светодиодов при зарядке аккумулятора, и обратный процесс при его разрядке. Напряжение питания и сигнальное напряжение поступает с одного источника – аккумуляторной батареи.
Ток, потребляемый схемой, от 0.7mA  до 2.8mA. Для реализации требуется 10 резисторов, 2 микросхемы LM358, 3 диода 1N4001(7), 4 светодиода и собственно плата, на которой можно все собрать.
Замечу также, что схема индикатора может не только показывать уровень заряда, но и выполнять какие-либо действия. Например, если гаснет красный светодиод, то — подключить зарядное. Если загорается зеленый, то — отключить его. Для этого всего лишь на выходе компаратора нужно установить, к примеру, транзисторный ключ. Он будет включать или отключать требуемую нагрузку.
Выше мы рассмотрели схему, которая работает от высокого уровня на выходах компараторов. Но, пожалуй, правильней будет использовать состояние, когда на выходе устанавливается нуль (0.1В). При этом наши светодиоды необходимо переключить анодами на + источника питания, катодами на выход компараторов. Таким образом разность потенциалов на нагрузке будет гораздо больше (от 0.1 В до напряжения на аккумуляторе). Свечение светодиодов будет более ярким и равномерным. Но загораться светодиоды будут в противоположную сторону при понижении напряжения. Чтобы это исправить необходимо наши компараторы превратить в инвертирующие. Т.е. поменять местами опорное и сигнальное напряжение. Смотрим схему ниже:
индикатор емкости батареи. улучшенная схема
Теперь, когда сигнальное входное напряжение на входе (-) больше опорного, то выходное напряжение устанавливается близким к нулю. Все светодиоды загораются правильно.
Максимальное потребление тока возрастет до 3.7 mA. Таким образом предпочтительней использовать второй вариант схемы.
Индикатор уровня заряда аккумулятора . Демонстрация
Ну, а для тех, кто не хочет заморачиваться, разумеется, есть готовые решения.

Схема индикатора заряда автомобильного аккумулятора

Для свинцово-кислотных аккумуляторов напряжение полностью разряженного аккумулятора составляет 10.8 В (1.8 В на банку). При этом емкость будем считать равной 0%. Напряжение максимально заряженного аккумулятора 13.8 В (100%). Аккумулятор можно считать заряженным, если напряжение принимает значение 13.2 В.  Отсюда получаем ключевые значения напряжений:
уровни заряда для автомобильного аккумулятора
И собственно сама схема:
схема индикатора заряда автомобильного аккумулятора
В качестве источника опорного напряжения использован стабилитрон с напряжением стабилизации 4.1 В при напряжении на аккумуляторе 11.4 В и 4.5 В при 13.2 В соответственно.
Расчетные значения резисторов делителя напряжения:
расчетные значения резисторов делителя напряжения индикатора уровня заряда
Ток потребления схемы от 8 до 10 mA.
К началу ↑