Индикатор заряда аккумулятора своими руками: схема, установка в автомобиль. Схема индикатора заряда аккумулятора на светодиодах Электронный датчик зарядки

От качества зарядки аккумулятора зависит, насколько успешно пройдет запуск автомобиля. Не многие водители следят за степенью зарядки АКБ. В статье рассматривается такое полезное устройство как индикатор заряда автомобильного аккумулятора: как устроен, работает, дается инструкция и видео, как его самостоятельно изготовить.

[ Скрыть ]

Характеристика индикатора уровня заряда батареи

На современных автомобилях с бортовым компьютером водитель имеет возможность получить информацию об уровне . Старые модели оборудованы аналоговыми вольтметрами, но они не отражают истиной картины состояния аккумулятора. Индикатор напряжения (ИН) аккумулятора — вариант иметь оперативную информацию о напряжении батареи.

Предназначение и устройство

На ИН возложены две функции – показывать, как заряжается АКБ от генератора, и информировать о величине заряда аккумулятора автомобиля. Проще всего собрать такое устройство своими руками. Схема самодельного устройства простая. Приобретя необходимые детали, легко собрать индикатор своими руками. Таким образом можно сэкономить, так как себестоимость прибора получается низкой (автор видео — AKA KASYAN).

Принцип действия

Индикатор уровня заряда имеет три светодиодные лампочки разных цветов. Обычно это: красный, зеленый и синий. Каждый из цветов имеет свою информативную нагрузку. Красный цвет означает низкую зарядку, которая является критичной. Синий цвет соответствует рабочему режиму. Зеленый цвет говорит о полной заряженности аккумулятора.

Разновидности

ИН могут быть размещены на аккумуляторных батареях в виде гидрометра или в виде отдельных устройств с информационным дисплеем. Встроенные ИН обычно размещают на . Они оснащаются поплавковым индикатором (гидрометром). Он имеет простую конструкцию.

Выпускаются заводские ИН:

1. DC-12 В. Устройство представляет собой конструктор. С его помощью можно контролировать заряженность АКБ и работоспособность реле-регулятора.
2. Для тех, у кого машина оборудована вторым аккумулятором, полезным устройством будет панель с индикатором от TMC. Это панель из алюминия с размещенным на ней вольтметром и переключателем с одной батареи на другую.
3. ИН Signature Gold Style и Faria Euro Black Style – определяют уровень заряда аккумулятора. Но их стоимость слишком высокая, поэтому на них небольшой спрос.

Руководство по изготовлению устройства в домашних условиях

Самым простым и дешевым вариантом является ИН, изготовленный своими руками. Его назначение – контролировать, как работает АКБ при значении напряжения в бортовой сети в пределах 6-14В.

Чтобы прибор не работал постоянно, его следует подключать через замок зажигания. В этом случае он будет работать, когда вставлен ключ.

Для схемы понадобятся следующие детали:

• печатная плата;
• резисторы: 2 сопротивлением 1 кОМ, 1 сопротивлением 2 кОм и 3 сопротивлением 220 Ом;
• транзисторы: ВС547 — 1 и ВС557 — 1;
• стабилитроны: один на 9,1 В, один на 10 В;
• светодиодные лампочки (RGB): красный, синий, зеленый.

У светодиодов с помощью тестера нужно определить и проверить выводы, чтобы они соответствовали цвету. Собирается прибор согласно схеме.

Компоненты примеряют на плату и вырезают ее соответствующих размеров. Желательно компоновать комплектующие так, чтобы они занимали поменьше места.

Светодиоды лучше припаивать к проводам, а не на плату, чтобы индикаторы удобнее было размещать на приборной панели.

По изготовленному устройству нельзя определить конкретные значения напряжения батареи, можно лишь ориентироваться в каких пределах оно находится:

• красный горит, если напряжение от 6 до 11 В;
• синий соответствует напряжению от 11 до 13 В;
• зеленый означает полную зарядку, то есть напряжение превышает 13 В.

Индикатор напряжения аккумулятора можно устанавливать в любом месте салона. Удобнее всего размещать его в нижней части рулевой колонки: светодиоды будут хорошо видны, и не будут мешать управлению. Кроме того, прибор легко будет подключить к замку зажигания. После установки водитель сможет всегда знать, насколько заряжена батарея его автомобиля и заряжать свой аккумулятор в случае необходимости.

В современной практике еще встречаются автомобили, на которых нет ни бортового компьютера, ни табло с индикатором заряда аккумуляторной батареи. Передвижение без индикатора чревато полной остановкой двигателя и невозможностью в дальнейшем запустить его.

Индикатор заряда аккумулятора выполняет две функции: показывает зарядку тока аккумулятора от генератора и информативно величину заряда АКБ. Существует несколько способов устранить эту недоработку у автомобиля. Один из них самый простой, сделать своими руками устройство показывающее зарядку батареи.

В доступных источниках есть много предложений изготовления цифровой цепи тока такого устройства. Оно имеет достаточно простой вид. Для этого нужны навыки по пайке радиодеталей и желание собрать устройство своими руками. Выбрать светодиод, стабилитрон, макетную плату и резисторы. Схема индикатора заряда АКБ приведена на рисунке ниже.

Принцип работы

Светодиодный индикатор благодаря наличию трех цветов светодиодов может показывать различные фазы зарядки тока. Начало зарядки. Рабочую середину. Предупреждение окончания процесса. Это схема дает нам возможность контролировать весь рабочий цикл батареи.

Спаять детали своими руками несложно, но для начала сделай проверку тестером. Если все детали исправны можно сделать сборку по схеме. Прозванием тестером светодиодный выход. Определяем выход низкого напряжения тока от шести до одиннадцати вольт.

Это светодиод красного цвета. От одиннадцати до тринадцати вольт – желтый. Более тринадцати — будет светодиод зеленого цвета. Схема имеет простой набор деталей и работает надежно.

Интересно! АКБ выдает на светодиод определенное напряжение тока. Он загорается. Так мы определяем начало и окончания заряда АКБ.

Если у вас нет каких, либо комплектующих, то нужно посмотреть в интернете аналогичные схемы и своими руками доработать устройство. Схема будет также показывать надежно индикацию заряда тока батареи.

Для автомобиля важно, чтобы схема работала не постоянно, а только когда водитель находился за рулем. Рекомендуется после окончания работы своими руками полученное устройство смонтировать под рулевым колесом и соединить с замком зажигания. В этом случае индикатор будет работать только при включенном зажигании автомобиля.

Мы видим, что после окончания работ, своими руками можно создать удобный и необходимый для надежной эксплуатации автомобиля индикатор заряда батареи. Себестоимость такого изделия будет не высокой.

Важно! Надежность индикатора и удобность его размещения позволяет эффективно устранить не доработку конструкторов – производителей автомобилей.

С одной стороны любое устройство, будь то транспортное средство или простая кухонная утварь, кажется совершенной и доработанной с технической точки зрения. Не требующей вмешательства человеческой мысли и грамотных рук.

С другой, всегда найдутся грамотные «Кулибины», для которых это устройство кажется не совершенным и требует усовершенствования и технической доработки.

На этом и строится прогрессивный технический прогресс. Вроде простая, но при этом жизненно необходимая наглядная индикация процесса зарядки аккумуляторной батареи автомобиля, не спроектированная конструкторами нашла свою простую разработку простыми почитателями мира науки и техники.

Удивительно, что абсолютное большинство автомобилей не имеет датчика зарядки аккумулятора. Как определить зимой, что АКБ стоит подзарядить за ночь, чтобы утром не идти на работу пешком? Или если машину завести не получается – как не загонять безсмысленно батарею до полного истощения?

Используя эту схему вы сможете легко собрать своими руками датчик зарядки аккумулятора. Притом себестоимость, как видите, будет ниже чем у любого китайского аналога, а качество намного лучше! Запитывать модель имеет смысл от замка зажигания, дабы диод светился только, когда ключ вставлен.

Цвет светодиода будет обозначать степень зарядки. Красный – от 6 Вольт до 11, синий от 11 до 13, зелёный боле 13

В комплект входят следующие детали:

Транзисторы
BC547 – 1шт
BC557 – 1шт
Резисторы
1 кОм – 2шт
220 Ом – 3 шт
2,2 кОм – 1 шт
Диоды (стабилитроны)
10 v – 1шт
9,1 v – 1шт
Светодиоды
RGB светодиод – 2шт

Светодиод проверяем тестером, заодно проверяем какой вывод соответствует каждому цвету:

После примеряем детали к печатной плате и вырезаем нужный нам кусок:

Затем приклеиваем светодиод к плате и начинаем монтаж элементов. Важный момент! Так как этот модуль вы будете использовать в автомобиле, то целесообразно не припаивать светодиод к плате, а вывести его на проводах. Так, чтобы вы могли установить его отдельно на приборной панели. Мы же установим его на плату – для простоты и наглядности.

Схема транзисторов(на всякий случай):

Вот что получилось:

Схема отлично работает, тестировалась полчаса, прогоном напряжения от минимального до максимального. В качестве источника питания использовался блок питания от ноутбука с выходным напряжением 19V. Регулятор напряжения – LM 317 и подстроечный резистор 10 кОм. На видео есть небольшой сбой срабатывания на переходе красный – синий и синий – зеленый, это связано со слишком быстрым падением/приростом напряжения (тестер не успевал фиксировать изменения вольтажа), на аккумуляторе все это будет срабатывать плавнее и точнее.

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.

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 + V Z . (Здесь V Z - напряжение на стабилитроне, в нашем случае равное примерно 7.2 В).

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 V Z 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.

Все мы оказывались в ситуации, когда очень важно знать, насколько сильно разряжен аккумулятор и сколько времени остается до отключения устройства. Максимально точно определить заряд и время поможет малопотребляющая микросхема MAX17055 на базе алгоритма ModelGauge m 5 EZ от Maxim Integrated .

Носимые устройства являются привлекательным и растущим сегментом рынка, в котором интеллектуальные часы продолжают удерживать доминирующее положение. Каждый производитель стремится занять лидирующую позицию в этой переполненной и конкурентной среде, в то время как потребители требуют точного определения заряда аккумуляторной батареи и максимально долгой работы устройств (рисунок 1). Рассмотрим требования, связанные с важной функцией контроля за емкостью аккумулятора, а также познакомимся с прорывной технологией, которая решает эти задачи.

Проблемы затягивания сроков вывода устройств на рынок

Эффективность использования аккумулятора зависит от качества применяемой математической модели, которая лежит в основе алгоритма измерения уровня заряда. Если потратить время на исследование индивидуальных характеристик аккумулятора, то вы получите более точное математическое описание, сможете снизить возможность возникновения ошибки текущего состояния заряда (SOC) и правильно спрогнозировать, когда аккумулятор приближается к полному разряду.

Энергия, запасенная в батарее (емкость в мА·ч), зависит от таких параметров как нагрузка и температура. В результате разработчики должны снимать характеристики заряда/разряда аккумулятора для работы в самых разнообразных условиях. Как только модель заряда-разряда, описывающая поведение аккумулятора, определена – она загружается в специализированную микросхему, которая следит за состоянием SoC в процессе работы аккумулятора (эти микросхемы часто называют «топливомером» или Fuel Gauge . Прим. ред.) . Тщательный контроль за состоянием аккумулятора позволяет обеспечить более высокий уровень безопасности при заряде и разряде, продлить срок службы аккумулятора.

Получение модели аккумулятора является проблемой, увеличивающей срок вывода продукта на рынок. Трудности в обслуживании потребителей любого уровня, в том числе — и наиболее крупносерийных, также составляет сложность для производителей. Поставщики интегральных схем (ИС) традиционно ориентированы на производителей крупных серий устройств, поскольку для получения модели часто требуется обширная исследовательская работа, и только некоторые производители ИС имеют необходимые для этого ресурсы.

Проблемы оценки времени работы аккумулятора

Одним из важных последствий использования неточной модели аккумулятора является высокая погрешность при оценке времени его работы. Типовой суточный сценарий работы интеллектуальных часов включает в себя 5 часов в активном состоянии, в том числе таких действий как проверка времени и уведомлений, использование приложений, воспроизведение музыки, разговоры и тренировки, и 19 часов в пассивном состоянии (только проверка времени). Если устройство потребляет 40 мА в активном режиме и 4 мА в пассивном, то в общей сложности потребление составит 276 мА·ч в день, что примерно соответствует емкости типичной аккумуляторной батареи. Точное предсказание времени работы батареи необходимо для предотвращения неожиданных или преждевременных перерывов в работе устройства.

Продолжительность времени работы также важна. В пассивном режиме типовая аккумуляторная батарея может выдерживать до 69 часов работы (276/4 мА). Типовая микросхема Fuel Gauge , потребляющая 50 мкА, сократит время работы батареи в пассивном режиме примерно на 52 минуты, а такой величиной уже нельзя пренебрегать.

Использование технологии EZ для решения проблем

Компания Maxim Integrated создала алгоритм для точной оценки состояния заряда и безопасного управления для большинства аккумуляторных батарей. Алгоритм был разработан после изучения характеристик обычных литиевых аккумуляторов.

В алгоритме ModelGauge™ m5 EZ (EZ) используется модель аккумулятора, встраиваемая в ИС Fuel Gauge, которая настроена на конкретное приложение. Проектировщики могут создавать модели аккумуляторов, используя простую утилиту настройки, которая входит в состав программного обеспечения оценочного набора. Разработчику системы необходимо предоставить значения только трех параметров:

• емкость (зачастую указывается на этикетке или в документации на аккумулятор);
• напряжение аккумулятора, которое будет считаться напряжением полного разряда аккумулятора (зависит от приложения);
• напряжение полного заряда аккумулятора (если оно выше 4,275 В).

С технологией EZ разработчикам больше не нужно самостоятельно строить модель аккумулятора, поскольку это уже было сделано производителем микросхемы контроля состояния заряда(Fuel Gauge).

Несколько адаптивных механизмов, реализованных в алгоритме EZ, еще больше повышают точность измерения уровня заряда за счет дополнительного изучения характеристик аккумуляторной батареи в процессе работы. Один из таких механизмов гарантирует, что по мере разряда аккумулятора показания датчика будут стремиться к 0%. Поэтому датчик сообщает об уровне заряда (SOC), равном 0%, как только напряжения ячейки снизится до уровня полного разряда.

Если мы зададимся величиной бюджета ошибки на уровне 3%, то при измерении полного разряда аккумулятора 95,5% всех моделей EZ пройдут тестирование. Это очень близко к показателям, демонстрируемым лабораторными моделями, которые успешно проходят испытания в 97,7% тестовых случаев. Как показано на рисунке 2, механизм EZ работает примерно на том же уровне точности, когда батарея только приближается к полному разряду, и это наиболее важно.

Для многих пользователей недостаточно знать уровень заряда или оставшуюся емкость аккумулятора. На самом деле они хотят знать, сколько времени осталось до полного разряда. Упрощенные методы, такие как деление оставшейся емкости на настоящую или будущую нагрузку, могут привести к чрезмерно оптимистичным оценкам. Алгоритм EZ способен дать гораздо более точную оценку времени до полного разряда, основываясь на известных параметрах батареи, температуре, уровне нагрузки и значении напряжения полного разряда для конкретного приложения.

Благодаря алгоритму EZ крупносерийные производители могут использовать его в качестве отправной точки для быстрой разработки. И только после того, как они получат рабочий прототип, можно перейти на специализированную выверенную модель заряда-разряда. Менее крупные производители могут применять алгоритм EZ для наиболее доступных аккумуляторов, с тем лишь условием, что разброс параметров аккумуляторов не будет слишком большим.

MAX17055: Fuel Gauge c ModelGauge m5 EZ

Микросхема MAX17055 на базе алгоритма ModelGauge m5 EZ предназначена для работы с аккумулятором, состоящим из одной ячейки. В режиме ”Shutdown Mode” она потребляет 0,7 мкА, а в спящем режиме – всего 7 мкА и всего 18 мкА в активном состоянии, что идеально подходит для носимых устройств с батарейным питанием. Интерфейс I²C обеспечивает доступ к регистрам данных и управления и обеспечивает полный контроль над микросхемой.

Сравнительный анализ погрешностей измерения

На рисунке 3 представлен сравнительный анализ погрешностей MAX17055. Эта диаграмма показывает, что при почти полном разряде аккумулятора микросхема MAX17055 в большинстве тестовых случаев (15 из 26) обеспечивает погрешность не более 1%, в то время как конкурирующий аналог демонстрирует гораздо более высокую погрешность для одного и того же количества испытаний.

Преимущества при оценке времени работы

Малая погрешность около значений состояния полного разряда аккумулятора обеспечивает оптимальное использование заряда батареи, увеличение времени работы и минимизацию возможности неожиданного или преждевременного прерывания работы устройства, то есть позволяет лучше прогнозировать время работы до полного разряда.

Увеличение срока службы по сравнению с конкурентами

Использование ИС Fuel Gauge с малым значением тока собственного потребления увеличивает время работы аккумулятора. Для MAX17055 ток в активном состоянии составляет 18 мкА, что на 64% ниже, чем у ближайшего конкурента. Кроме того, в спящем режиме ток падает до 7 мкА. Применяя эти характеристики к рассмотренному в начале статьи суточному сценарию для умных часов, можно посчитать, что время работы аккумулятора сокращается уже не на 52 минуты, а всего лишь на 7 минут. Это – существенное увеличение времени работы.

Заключение

Очень важно использовать качественные математические модели заряда-разряда аккумуляторов для построения эффективной системы измерения заряда, которая определяет время работы аккумулятора с максимальной точностью. Сложности, возникающие при построении точных моделей аккумуляторов, увеличивают время выхода устройств на рынок и препятствуют выпуску небольших серий устройств с батарейным питанием. Прорывной подход, основанный на алгоритме E7 ModelMauge m5 EZ, встроенном в MAX17055, делает процесс разработки быстрее, проще, дешевле и обеспечивает более эффективное использование аккумуляторов в широком спектре приложений.