Индикатор заряда аккумулятора Li-ion
Усилитель для наушников, который собирался мной в прошлый раз, питается от аккумулятора. А аккумуляторы имеют обыкновение терять свой заряд. Причем, теряют даже тогда, когда к ним ничего не подключено, т.е, саморазряд. И хоть современные аккумуляторы на этот процесс тратят очень немало времени, но это случается. А если они питают какую-то нагрузку, даже не очень большую, то это время сокращается. Ну да это и нормально. Просто их надо заряжать.
Плохо то, что аккумуляторы Li-ion очень не любят глубокий разряд. Чтобы этого не допустить, достаточно лишь не допускать снижение падения напряжения на его клеммах ниже 2.9-3 Вольта. Конечно же, это значение для отдельного элемента. Если батарея из последовательно подключенных элементов — то тут возможны варианты.
Озадачился тем, чтобы оборудовать усилитель каким-нибудь индикатором заряда/разряда. Индикатор разряда для ухоуся был выбран один из самых простых.
Принцип работы очень прост. Когда напряжение на клеммах аккумулятора более 3.25 Вольта, и стабилитрон (Uст=2 Вольта) еще не находится в режиме пробоя, транзистор закрыт, горит зеленый светодиод через ограничительный резистор. Когда напряжение будет подходить близко к 3.25 Вольтам, стабилитрон уйдет в режим пробоя, транзистор откроется и зашунтирует собой зеленый светодиод. При этом ток уже потечет по цепи R1, эмиттер-коллектор, красный светодиод.
Ну а так как в схеме используются нелинейные элементы, то при напряжении, близком к 3.25 Вольта, будет наблюдаться слабо горение обеих светодиодов. А если использовать один сдвоенный светодиод, то будет красновато-зеленоватое свечение.
Но с кажущейся простотой есть и одни проблема. Связана она с настройкой и подбором стабилитрона. У разных экземпляров стабилитронов одной и той же марки будет сильный разброс параметров на границе пробоя:
Нам это грозит только тем, что красный святодиод будет начинать загораться либо чуть раньше, либо чуть позже. Но загораться будет. Мне этого достаточно.
Конкретно моя реализация. Мне не удалось вообще найти стабилитрона на 2 Вольта. Решил заменить цепочкой из 4-х диодов 1N4148 в прямом включении.
Логика работы немного изменилась, но в целом, можно достаточно точно предугадать момент, когда надо ставить батарейку на зарядку. На том и остановился.
Вышло так, что индикатор заряда стал играть роль индикатора включенного устройства:
Зеленый свет означает то, что напряжение на аккумуляторе более 3.3 Вольта, и можно особо не суетиться с подзарядкой. Как только появляется красноватые оттенки, можно неспешно думать о том, чтобы подключить USB-шнурок от телефона и подкормить батарейку.
Кормежка осуществляется через популярные контроллеры заряда с Алишки:
Но за неделю тестового использования еще не приходилось заряжать. Связано это с тем, что усилитель весьма экономичный, и слушаю я не на полной громкости ), ибо уши жалко.
Пока что контролирую напряжение мультиметром, но уже планирую закрыть корпус.
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:
- 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).
Зависимость напряжения на выводах аккумулятора от степени заряда в разных условиях
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
Индикатор разряда аккумулятора
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.
Схема контроля заряда
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.
Схема контроля разряда на TL431
Эту схему можно «наращивать» для аккумулятора, состоящего из нескольких ячеек. Сколько ячеек, столько раз надо повторить схему.
Схема контроля заряда для батарейки из двух ячеек
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.
Схема линейного индикатора на LM3914
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.).
Схема индикатора на счетверенном ОУ
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.
Схема индикатора на микроконтроллере
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.
Рисунок печатной платы, выполненный в Sprint Layout для индикатора на Atmega8
Дальше рисунок надо перенести на плату. Можно нарисовать от руки лаком (например, для ногтей).
Отрисовка посадочного места под микросхему лаком
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.
Рисунок, нанесенный на плату методом ЛУТ
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.
Сверление отверстий ручной дрелью
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).
Индикатор для контроля заряда li-ion 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 | <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.
Индикатор уровня заряда аккумулятора 3.7 вольт, на микросхеме LM3914
Иногда визуальная индикация заряда аккумуляторной батареи крайне необходима. Особенно в автомобильной промышленности, где дизайнеры сейчас работают над автомобилями с батарейным питанием. Таким образом, работа с батареей является важной задачей.
Но, помимо этого, при создании такого автомобиля, который будет работать от аккумулятора, им также нужен индикатор уровня заряда батареи, чтобы сделать эти автомобили более удобными в использовании. Потому что потребители попадут в беду без индикатора уровня. Итак, эта статья о создании простого и понятного индикатора уровня заряда батареи.
Для создания этой схемы мы используем микросхему LM3914, интегральную схему. Эта сигнальная интегральная схема может управлять многими дисплеями, такими как 10 светодиодов, ЖК-дисплеи и т.д.
Аппаратные компоненты
Для создания схемы индикатора уровня заряда батареи требуются следующие компоненты;
- Микросхема — LM3914
- Резистор — 1K
- Переменный резистор — 50 К, 10 К
- Светодиоды, желательно разноцветные — 10 шт.
- Блок питания
Распиновка LM3914
Схема индикатора уровня заряда батареи
Пошаговая сборка:
Во-первых, вам нужно разместить микросхему LM3914 на вашей плате.
- После этого установите резистор и оба потенциометра
- Установите все светодиоды и разъем для подключения к источнику питания
- Теперь вам нужно откалибровать схему для батареи 3,7 В. Подключите источник питания, подайте от него 4 В и отрегулируйте потенциометр.
- Подключите источник питания 3,7 В, который заряжен на 80%, и наблюдайте за светодиодами
- Затем подключите тот же аккумулятор с зарядкой 90% и обратите внимание на светодиоды. Вы можете заметить незначительные изменения.
- Теперь используйте батарею со 100% зарядом и наблюдайте за полным свечением.
Небольшое объяснение;
Для калибровки схемы подключите источник питания и отрегулируйте VR1 так, чтобы светодиод1 просто начал светиться. Использование светодиодов разного цвета позволяет четче распознавать уровень напряжения на основе выполненной калибровки. При разном уровне заряда батареи вы будете наблюдать разные цвета.
Индикатор АКБ на светодиодах схема для начинающих
Сегодня по вашим просьбам покажу наверное самый простой вариант схемы индикатора заряда аккумуляторов, этот индикатор по сути может работать с любыми аккумуляторами это простой вольтметр и индикатор напряжения построенный на доступных компонентах.
Схема не содержат никаких транзисторов, микросхем, поэтому ее сможет собрать абсолютно любой человек буквально за пять минут. 
В качестве самих индикаторов задействованы светодиоды их количество в принципе может быть любым, в нашем варианте 6 штук. 
Работает это устройство очень простым образом, но перед тем как пояснять основу работы скажу, что данный образец заточен под двенадцати вольтовые аккумуляторы. 
Каждый индикаторный светодиоды имеет свой токо ограничивающий резистор, мощность этих резисторов в принципе неважна, подойдут любые. 
В разрыв питания светодиодов подключины стабилитроны, именно они служат в качестве датчика напряжения. Стабилитроны подобранны на определенное напряжение срабатывания, а в частности на 9 10 11 12 и 13 вольт. Один из светодиодов подключен к источнику питания без стабилитрона, он в качестве индикатора наличия аккумулятора и светится постоянно если подключен аккумулятор.
Если напряжение на аккумуляторе выше напряжения срабатывания определенного стабилитроны то последний откроется по открытому переходу стабилитрона обеспечивается питания светодиода, последний начинает светиться. 
При разряде аккумулятора происходит обратный процесс, если напряжение на АКБ меньше напряжения срабатывания светодиода, последняя закроется и прекращается подача питания на светодиод и тот потухает, всё очень просто.
Светодиоды буквально любые, цвета и диаметр на ваше усмотрение. Такой индикатор естественно имеет некоторую погрешность и связано это с напряжением свечения конкретного светодиода, но в целом никогда не врет и всегда работает безотказно, а самое главное минимальные затраты на комплектующие.
Я сделал также для вас и печатную плату, ее можете скачать переходя по ссылки в конце статьи. Думаю для многих информация была полезна, возможно кто-то и сделает себе такой простой индикатор АКБ. Всем добра.