02.04.21

[Домашняя]

Продолжая тему «Женщина любит ласку, а машина - смазку», в отношении аккумуляторов можно сказать «любят под- , но не любят перезарядку». Описанный ниже  прибор поможет угодить вашему свинцовому другу. Вольтметры на светодиодах обычно построены, но одном из двух принципов. Первый, он же и самый дешевый, заключается в том, что набор светодиодов подключается к источнику измерения через модифицированный делитель напряжения. Такие индикаторы используют известные пороговые свойства вольтамперных характеристик (ВАХ) светодиодов, транзисторов, диодов, а также могут снабжаться предусилителями. Однако «пороговость» экспоненты ВАХ довольно условна и простота таких устройств «окупается» нечетким порогом свечения светодиодов, что в условиях прямого дневного света затрудняет считывание. Второй принцип - применение для каждого светодиода отдельного компаратора, сравнивающего часть входного сигнала с неким образцовым. Большой коэффициент усиления компараторов обеспечивает четкие пороги включения/выключения, но такой подход требует большого количества не очень дешевых компараторов (часто применяют ОУ без обратных связей). Наконец, нельзя не упомянуть о работе, где использован принцип АЦП и динамическая индикация, но это также не очень экономный вариант. Ниже описан вольтметр, четкие пороги «зажигания» светодиодов в котором реализованы с минимумом широкодоступных, дешевых и экономичных радиоэлементов. Вольтметр использует некоторые необычные возможности цифровой микросхемы. Как видно из схемы (рис.1), прибор представляет собой шестиуровневый вольтметр, для удобства эксплуатации в автомобиле уровни индикации с шагом 1 В, образуют диапазон измерения от 10 до 15 В, но и диапазон, и шаг легко изменить и под другие применения.

Каждый из шести элементов цифровой микросхемы сравнивает напряжение на своем входе с половиной напряжения питания. Если входное напряжение превышает этот уровень, то на выходе элемента появится логический 0, иначе - логическая 1. Светодиоды подключены к выходам микросхемы таким образом, что при логическом 0 они светятся, а при логической 1 - нет. С помощью делителя R1-R7 на входы элементов-инверторов DD1 подается доля напряжения бортовой сети. При изменении напряжения в сети изменяется и его доля, а значит и напряжения на входах логических элементов. А вот напряжение питания на ИМС DD1 подано с интегрального стабилизатора DA1, поэтому оно является эталонным. Сопротивления резисторов R1-R7 рассчитаны таким образом, чтобы получить пороги переключения с шагом 1 В. Конденсатор С2 вместе с R1 образуют НЧ фильтр, подавляющий короткие всплески напряжения, например при пуске двигателя. Конденсатор С1 рекомендуется устанавливать для обеспечения устойчивости DD1. Резисторы R8-R13 необходимы для ограничения тока через светодиоды. Как рассчитать R1-R7? Здесь надо исходить из следующих соображений. Ток через эти резисторы должен превышать входные токи микросхемы. Благо у КМОП ИМС входные токи мизерные - в худшем случае десятитысячные доли микроампера, поэтому в данном случае они пренебрежимо малы, и вполне можно допустить любой реальный ток через делитель, например 100 мкА. Тогда общее (суммарное Rд - R1 + R2 + R3 + R4 + R5 + R6 +R7) сопротивление делителя Rд можно определить по закону Ома Rд= Uмин/lmin =10В/100мкА - 100 кОм. Теперь рассчитаем сопротивление каждого из резисторов. Для этого нужно вспомнить, что порог переключения КМОП элементов DD1 равен половине напряжения питания; в нашем случае Uпит - 6 В, а его половина 3 В. Тогда при входном напряжении 15 В напряжение на резисторе R7 должно быть 3 В. Ток же через этот резистор по первому закону Кирхгофа (ток в последовательной цепи неизменен, или ток никуда не исчезает») равен току через все резисторы R1-R7, опять применив закон Ома, находим Iд - Uвx / Rд = 15 В/ 100 кОм - 150 мкА. Тогда сопротивление резистора R7 - Uпop / Iд - 3 В / 150 мкА - 20 кОм. Следующий порог - при входном напряжении Uвx =14 В. При этом на входе соответствующего инвертора должно быть уже известное пороговое напряжение 3 В. Ток через делитель в этом случае Iд - 14 В / 100 кОм = 140 мкА. Тогда сумма сопротивлений (R6 + R7)= Uпop / Iд = 3 В / 140 мкА = 21,5 кОм. Отсюда R6 = (R6 +R7) - R7 = 21,5 - 20 = 1,5 кОм. По той же методике для остальных резисторов делителя. Наконец, R1 = Rд - (R2 + R3 + R4 + R5 + R6+ R7) - 70 кОм (принимаем ближайший стандартный номинал 68 кОм). Таким образом, наша «микроконтрольная» по теоретическим основам электротехники закончена. На самом деле пороговое напряжение КМОП элементов по спецификации заводов-изготовителей может быть в пределах от 1/3 до 2/3 Uпит. Но подбирать все резисторы «по - новой» не придётся. Изготовленные в одном технологическом цикле, элементы одной и той же микросхемы имеют один и тот же порог, поэтому достаточно резистор R1 сделать подстроенным (так на схеме, и сделано - R1 для компенсации состоит из соединённых последовательно подстроечного и постоянного). Обратимся теперь к вопросу температурном нестабильности. Известно, что полевой транзистор является неплохим датчиком температуры. К счастью, в КМОП ИМС применена симметричная структура с встречным включением полевых транзисторов с противоположной проводимостью каналов и их температурные коэффициенты взаимно компенсируются. Практический результат - при переносе устройства с мороза в -11°С и нагреве ИМС DD1 паяльником до более чем 60°С порог срабатывания изменился на величину, соответствующую уменьшению измеряемого напряжения всего на 0,04 В! Температурная нестабильность ИМС стабилизатора DA1 в диапазоне 0 - 100°С не превышает 30 мВ.

О деталях. Стабилизатор DA1 на 6 В заменять стабилитроном на 5 В не рекомендуется, так как при таком варианте питания возрастает выходное сопротивление ИМС DD1 и не обеспечивается необходимый ток светодиодов. К561ЛН2 содержит 6 инверторов повышенной мощности, поэтому стало допустимым требовать от КМОП элементов выходной ток 8 мА для обеспечения нормальной яркости свечения светодиодов. Резисторы и конденсаторы могут быть любыми.

Налаживание. Правильно собранное устройство подключают к регулируемому источнику напряжения. Выставив напряжение 10 В, а сопротивление R1 на максимум, вращают его движок до момента, когда засветится светодиод НL1.                       

О конструкции. На рис 2 представлен чертеж печатной платы в натуральную величину и схема расположения элементов на ней.

Она рассчитана на установку R1 типа СПЗ-33, остальных резисторов МЛТ-0,25, О - КМ, С2 - К50-35. К корпусу из пластика печатная плата размером 45x80 мм крепится двумя винтами М2,5, еще один такой же винт прижимает через втулку DA1 к плате, причем эта микросхема установлена «лицом вниз».

Радиохобби №1 1998г стр. 47