Н. ТАРАНОВ, г. Санкт-Петербург
При разработке различных радиоэлектронных устройств возникает проблема контроля наличия тока в их цепях. Готовые измерительные устройства часто отсутствуют, дороги или неудобны в обращении. В таких случаях применяются встроенные узлы контроля. Для переменного тока задача сравнительно просто решается с помощью токовых трансформаторов, индукционных магниточувствительных элементов и т. д. Для постоянного тока, как правило, эта задача сложнее. В статье рассмотрены некоторые существующие устройства контроля наличия постоянного тока в цепи (в дальнейшем будем называть их индикаторами постоянного тока, или сокращенно - ИПТ), их достоинства и недостатки, предложены схемотехнические решения, улучшающие характеристики этих устройств.
ИПТ как правило, включаются в разрыв контролируемой цепи. Некоторые ИПТ могут реагировать на магнитное поле, создаваемое токоведущими элементами контролируемой цепи , но при малых контролируемых токах они сложны и в данной статье не рассматриваются. ИПТ можно характеризовать следующими основными параметрами и особенностями:
1) дельтаU - падение напряжения на ИПТ во всем диапазоне контролируемых токов. Чтобы свести к минимуму влияние ИПТ на контролируемую цепь и уменьшить потери мощности, стремятся минимизировать дельтаU;
2) Iном номинальный рабочий ток (подразумевается среднее значение контролируемого тока);
3) Imin, Imax - границы диапазона изменения контролируемого тока, в котором надежно индицируется факт его наличия;
4) характер выходного сигнала индикации (свечение светодиода, ТТЛ-уровни и т. д.);
5) наличие или отсутствие дополнительных источников питания для ИПТ;
6) наличие или отсутствие гальванической связи выходного сигнала ИПТ с контролируемой цепью.
По виду токочувствительного элемента - датчика тока (ДТ) различают;
- ИПТ с последовательной нагрузкой в цепи;
- ИПТ с полупроводниковыми ДТ (датчиками Холла, магнитодиодами, магниторезисторами и т. д.);
- ИПТ магнитоконтактные (на герконах, на реле тока);
- ИПТ с магнитонасыщающимися элементами.
Принцип действия ИПТ с последовательной нагрузкой в цепи (рис. 1)
Состоит в том, что в разрыв контролируемой цепи включается нагрузочный элемент (НЭ), на котором создается падение напряжения при протекании тока в контролируемой цепи. Оно поступает на преобразователь сигнала (ПС), где и преобразуется в сигнал индикации наличия тока в цепи.
Очевидно, что дельтаU для данного типа ИПТ зависит от величины контролируемого тока и от чувствительности ПС. Чем чувствительнее ПС, тем меньшее сопротивление НЭ можно применить, а значит, и дельтаU будет меньше.
В простейшем случае НЭ - резистор. Достоинство такого НЭ - простота, дешевизна. Недостатки - при малой чувствительности ПС будут велики потери мощности на НЭ, особенно при контроле больших токов, зависимость AU от величины протекающего через ИПТ тока. Она сужает диапазон изменения контролируемого тока (этот недостаток несущественен при контроле тока в узком диапазоне изменения его значения). В качестве примера рассмотрим практическую схему ИПТ данного типа. На рис. 2 показана схема индикатора наличия зарядного тока для аккумулятора. В качестве НЭ выступает резистор R1, а в качестве ПС - цепочка R2, HL1.
Балластный резистор R2 имеет сопротивление 100 Ом, светодиод HL1 имеет номинальный ток 10 мА (например, типа АЛ307Б), а сопротивление резистора R1 будет зависеть от величины контролируемого зарядного тока.
При стабилизированном зарядном токе 10 мА (например, для аккумулятора 7Д-01) резистор R1 можно исключить. При зарядном токе 1 А сопротивление резистора R1 будет примерно 3,5 Ом. Падение напряжения на ИТ в обоих случаях будет равно 3,5 В. Потери мощности при токе 1 А составят 3,5 Вт. Очевидно, что данная схема неприемлема при больших зарядных токах. Несколько снизить потери мощности на ИПТ можно, если уменьшить сопротивление балластного резистора R2. Но делать это нежелательно, поскольку при случайных бросках зарядных токов возможно повреждение светодиода HL1.
Если применить НЭ с нелинейной зависимостью падения напряжения от силы протекающего тока, можно значительно улучшить характеристики данного ИПТ. Например, хорошие результаты дает замена резистора R1 на цепочку из четырех диодов, включенных в прямом направлении, как показано на рис. 3.
В качестве диодов VD1-VD4 можно применить любые выпрямительные кремниевые диоды с допустимым рабочим током не менее значения контролируемого тока. (Для многих типов светодиодов достаточно цепочки из трех диодов). Сопротивление резистора R2 можно в этом случае уменьшить до значения в 30 Ом.
При такой схеме ИПТ диапазон контролируемых токов расширяется и простирается от 10 мА до Imax, где Imax - это максимально допустимый рабочий ток диодов. Яркость свечения светодиода HL1 практически постоянна во всем диапазоне контролируемых токов.
Другой путь улучшения характеристик ИПТ с последовательной нагрузкой в цепи - усовершенствование ПС. Действительно, если повысить чувствительность ПС и обеспечить его работоспособность в широком диапазоне изменения дельтаU, можно получить ИПТ с хорошими характеристиками. Правда, для этого придется усложнять схему ИПТ. В качестве примера рассмотрим разработанную автором схему ИПТ, показавшую хорошие результаты в устройствах контроля технологических процессов в промышленности. Этот ИПТ имеет следующие технические характеристики: диапазон рабочих токов- 0,01 мА...1 А; дельтаU
Схема ИПТ приведена на рис. 4.
НЭ в данной схеме - резистор R3. Вся остальная часть схемы - ПС. При отсутст вии тока между точками А и В на выходе операционного усилителя DA1 будет напряжение, близкое к -5 В, и светодиод HL1 не светится. При появлении тока между точками А и В на резисторе R3 создается напряжение, которое будет приложено между дифференциальными входами операционного усилителя DA1. В результате на выходе операционного усилителя DA1 появится положительное напряжение и светодиод HL1 будет светиться, индицируя наличие тока между точками А и В. При выборе операционного усилителя с большим коэффициентом усиления (например, КР1401УД2Б) надежная индикация наличия тока начинается уже с 5 мА. Конденсатор С1 необходим для устранения возможного самовозбуждения.
Следует учесть, что некоторые экземпляры ОУ могут иметь начальное напряжение смещения (любой полярности). При этом светодиод может засветиться и при отсутствии тока в контролируемой цепи. Устраняют этот недостаток введением цепи "коррекция нуля" ОУ, выполненной по любой стандартной схеме. Некоторые типы ОУ имеют специальные выводы для подключения переменного резистора "коррекция нуля".
Детали: резисторы R1, R2, R4, R5 - любого типа, мощностью 0,125 Вт; резистор R3 - любого типа, мощностью >0,5 Вт; конденсатор С1 - любого типа; операционный усилитель DA1 - любой, с коэффициентом усиления >5000, с выходным током >2,5 мА, допускающий однополярное питание напряжением 5 В. (Последние два требования обусловлены применением "удобного" напряжения питания ИПТ, хотя возможно применять и другие напряжения питания. При этом сопротивление балла стного резистора R5 надо будет пересчитать так, чтобы выходной ток операционного усилителя DA1 не превысил его максимально допустимое значение). Светодиод HL1 выбран таким из соображений достаточной яркости свечения при токе через него 2,5 мА. Эксперименты показали, что в данном устройстве прекрасно работает большинство миниатюрных импортных светодиодов (в принципе, тип светодиода определяется максимальным выходным током операционного усилителя DA1).
Данное устройство с микросхемой КР1401УД2Б удобно при построении четырехканального ИПТ, например, при контроле раздельной зарядки одновременно четырех аккумуляторов. При этом цепь смещения R1, R2, а также точка А - общие для всех четырех каналов.
Устройство может контролировать и большие токи. Для этого надо уменьшить сопротивление резистора R3 и пересчитать его мощность рассеивания. Были проведены эксперименты с применением в качестве R3 отрезка провода ПЭВ-2. При диаметре провода 1 мм и его длине 10 см надежно индицировались токи в диапазоне 200 мА...10 А (если увеличивать длину провода, нижняя граница диапазона перемещается к более слабым токам). При этом дельтаU не превышало 0,1 В.
При небольшой доработке устройство превращают в ИПТ с регулируемым порогом срабатывания (рис. 5).
Такой ИПТ с успехом можно применить в системах защиты различных устройств по току, в качестве основы для регулируемого электронного предохранителя и т. д.
Резистором R4 регулируют порог срабатывания ИПТ. В качестве R4 удобно применить многооборотный резистор, например, типов СП5-2, СПЗ-39 и т. д.
При необходимости обеспечения гальванической развязки между контролируемой цепью и устройствами контроля (УК) удобно использовать оптроны. Для этого достаточно вместо светодиода HL1 подключить оптрон, например, как показано на рис. 6.
Для согласования выходного сигнала данного ИПТ с цифровыми устройствами контроля применимы триггеры Шмитта. На рис. 7 показана схема согласования ИПТ с УК на ТТЛ-логике. Здесь +5 В УК - напряжение питания цифровых цепей УК.
ИПТ с полупроводниковыми ДТ подробно описаны в литературе. Для радиолюбителей представляет интерес использование в ИПТ магнитоуправляемых микросхем типа К1116КП1 (данную микросхему широко применяли в клавиатуре некоторых ЭВМ советского производства). Схема такого ИПТ дана на рис. 8.
Обмотка L1 размещается на магнитопроводе из магнитомягкой стали (лучше из пермаллоя), который играет роль магнитного концентратора. Примерный вид и размеры магнитного концентратора показаны на рис. 9.
Микросхема DA1 помещается в зазор магнитного концентратора. При его изготовлении надо стремиться к уменьшению зазора. Были проведены эксперименты с различными магнитопроводами, в частности, применялись кольца, отрезанные от обычных водопроводных труб, выточенные из кернов динамических головок, набранные из шайб трансформаторной стали.
Самыми дешевыми и простыми в изготовлении (в любительских условиях) оказались кольца, нарезанные из водопроводных труб диаметром 1/2 и 3/4 дюйма. Кольца отрезались от труб так, чтобы длина кольца равнялась диаметру. Затем эти кольца желательно нагреть до температуры порядка 800 °С и медленно охладить на воздухе (сделать отжиг). Такие кольца практически не имеют остаточной намагниченности и хорошо работают в ИПТ.
Экспериментальный образец имел магнитопровод из водопроводной трубы диаметром 3/4 дюйма. Обмотка наматывалась проводом ПЭВ-2 диаметром 1 мм. При 10 витках Imin = 8 А, при 50 витках Imin = 2 А. Следует отметить, что чувствительность такого ИПТ зависит от положения микросхемы в зазоре магнитопровода. Это обстоятельство можно использовать для подстройки чувствительности ИПТ.
Наиболее эффективными оказались кольца из кернов от магнитных систем динамических головок, но их изготовление в любительских условиях затруднительно.
Для радиолюбителей несомненный интерес представляют электромагнитные ИПТ на герконах и на токовых реле. ИПТ на герконах надежны и дешевы. Принцип действия таких ИПТ поясняется рис. 10,а.
Подробнее о герконах можно узнать из . Электрическая схема ИПТ с датчиком тока (ДТ) на герконе показана на рис. 10,б.
У многих радиолюбителей наверняка найдется старая клавиатура от ПЭВМ советского производства на герконах. Такие герконы прекрасно подходят для
реализации ИПТ. Чувствительность ИПТ зависит от:
- числа витков в обмотке (при увеличении числа витков растет и чувствительность);
- конфигурации обмотки (оптимальна обмотка, длина которой примерно равна длине колбы геркона);
- соотношения внешнего диаметра геркона и внутреннего диаметра обмотки (чем оно ближе к 1, тем чувствительность ИПТ будет выше).
Автором проводились эксперименты с герконами КЭМ-2, МК-16-3, МК10-3. Наилучшие результаты по чувствительности показали герконы КЭМ-2. При намотке восьми витков провода ПЭВ-2 диаметром 0,8 мм без зазора ток срабатывания ИПТ равен 2 А, ток отпускания - 1,5 А. Падение напряжения на ИПТ при этом было 0,025 В. Чувствительность данного ИПТ можно регулировать перемещением геркона вдоль продольной оси обмотки. В промышленных ИПТ данного типа геркон перемещается с помощью винта либо помещается в немагнитную втулку с внешней резьбой, которая ввинчивается в катушку с обмоткой. Такой способ регулирования чувствительности не всегда удобен, а в любительских условиях трудновыполним. Кроме этого, данный способ допускает регулировку только в сторону уменьшения чувствительности ИПТ.
Автором был разработан способ, позволяющий изменять чувствительность ИПТ в широких пределах с помощью переменного резистора. При этом способе в конструкцию ДТ вводится дополнительная обмотка из провода ПЭВ-2 диаметром 0,06-0,1 мм с числом витков 200. Эту обмотку желательно намотать прямо на геркон по всей длине его баллона, как показано на рис. 11,а.
Электрическая схема ИПТ дана на рис. 11,б.
Обмотка L1 - основная, обмотка L2 - дополнительная. Если включить обмотки L1 и L2 согласно, то подстройкой резистора R1 удается повышать чувствительность ИПТ во много раз по сравнению с вариантом ИПТ, имеющим ДТ без дополнительной обмотки. Если же включить обмотки L1 и L2 встречно, то подстройкой резистора R можно уменьшать чувствительность ИПТ во много раз. Был проведен эксперимент с данной схемой при параметpax ее элементов:
- обмотка L1 - 200 витков провода ПЭВ-2 диаметром 0,06 мм; намотанных непосредственно на геркон типа КЭМ-2;
- обмотка L2 - 10 витков провода ПЭВ-2 диаметром 0,8 мм, намотанных поверх обмотки L1.
Получены следующие значения Imin:
- при согласном включении обмоток -0,1...2 А;
- при встречном включении обмоток -2...5 А.
ИПТ на реле тока имеют в качеств: ДТ электромагнитное реле с низкоомной обмоткой. К сожалению, реле тока весьма дефицитны. Реле тока можно изготовить из обычного реле напряжения путем замены его обмотки на низкоомную. Автором применялся ДТ, из готовленный из реле типа РЭС-10. Обмотку реле аккуратно срезают скальпелем, и на ее место наматывают новую обмотку проводом ПЭВ-2 диаметром 0,3 мм до заполнения каркаса. Чувствительность данного ДТ регулируют подбором числа витков и изменением жесткости плоской пружинки якоря. Жесткость пружинки можно изменять ее подгибанием или стачиванием по ширине. Экспериментальный образец ДТ имел Imin = 200 мА, дельтаU = 0,5 В (при токе 200 мА).
При необходимости расчетов реле тока можно обратиться к .
Электрическая схема ИПТ данного типа показана на рис. 12.
Представляют определенный интерес ИПТ с магнитонасыщающимися элементами. В них использовано свойство ферромагнитных сердечников изменять проницаемость при действии на них внешнего магнитного поля. В простейшем случает ИПТ такого типа представляет собой трансформатор переменного тока с дополнительной обмоткой, как показано на рис. 13.
Здесь переменное напряжение трансформируется из обмотки L2 в обмотку L3. Напряжение с обмотки L3 детектируется диодом VD1 и заряжает конденсатор С1. Далее оно подается на пороговый элемент. При отсутствии тока в обмотке L1 напряжения, создаваемого на конденсаторе С1, достаточно для срабатывания порогового элемента. При пропускании через обмотку L1 постоянного тока магнитопровод насыщается. Это приводит к уменьшению коэффициента передачи переменного напряжения из обмотки L2 в обмотку L3 и снижению напряжения на конденсаторе С1. При достижении им некоторого значения происходит переключение порогового элемента. Дроссель L4 устраняет проникновение переменного напряжения измерительной цепи в контролируемую, а также устраняет шунтирование измерительной цепи проводимостями контролируемой цепи.
Чувствительность данного устройства можно регулировать:
- подбором количества витков обмоток L1, L2, L3;
- выбором типа магнитопровода трансформатора;
- регулировкой порога срабатывания порогового элемента.
Достоинства устройства - простота реализации, отсутствие механических контактов.
Существенный его недостаток - проникание переменного напряжения из ИПТ в контролируемую цепь (впрочем, в большинстве применений контролируемые цепи имеют блокировочные конденсаторы, что снижает этот эффект). Проникание переменного напряжения в контролируемую цепь уменьшается при увеличении отношения числа витков обмоток L2 и L3 к числу витков обмотки L1 и при увеличении индуктивности дросселя L4.
Экспериментальный образец ИПТ данного типа был собран на кольцевом магнитопроводе типоразмера К10x8x4 из феррита марки 2000НМ. Обмотка L1 имела 10 витков провода ПЭВ-2 диаметром 0,4 мм, обмотки L2 и L3 имели по 30 витков провода ПЭВ-2 диаметром 0,1 мм. Дроссель L4 намотан на таком же кольце и имел 30 витков провода ПЭВ-2 диаметром 0,4 мм. Диод VD1 - КД521 А. Конденсатор С1 - КМ6 емкостью 0,1 мкФ. В качестве порогового элемента использован один инвертор микросхемы К561ЛН1. На обмотку L2 подавалось напряжение ("меандр") прямоугольной формы частотой 10 кГц и амплитудой 5 В. Данный ИПТ надежно индицировал наличие тока в контролируемой цепи в диапазоне 10... 1000 мА. Очевидно, что для расширения диапазона контролируемых токов в сторону увеличения верхней границы необходимо увеличить диаметр провода обмоток L1 и L2, а также выбрать магнитопровод большего типоразмера.
Значительно лучшими параметрами обладает схема ИПТ данного типа, показанная на рис. 14.
Здесь магнитопровод трансформатора состоит из двух ферритовых колец, обмотки L1 и L3 намотаны на оба кольца, а обмотки L1 и L4 - на разные кольца так, чтобы наводимые в них напряжения взаимно компенсировались. Конструкция магнитопровода поясняется рис. 15.
Для наглядности сердечники разнесены, в реальной конструкции они прижаты друг к другу.
В ИПТ данного типа практически полностью отсутствует проникание переменного напряжения из измерительной цепи в контролируемую цепь и практически нет шунтирования измерительной цепи проводимостями контролируемой. Был изготовлен экспериментальный образец ИПТ, схема которого показана на рис. 16.
На инверторах D1.1-D1.3 собран генератор импульсов большой скважности (применение таких импульсов существенно снижает энергопотребление ИПТ). При отсутствии возбуждения в провод, соединяющий выводы 2, 3 микросхемы с резисторами R1, R2 и конденсатором С1, следует включить резистор сопротивлением 10...100 кОм.
Элементы С2, СЗ, VD2, VD3 образуют выпрямитель с удвоением напряжения. Инвертор D1.4 совместно со светодиодом HL1 обеспечивает пороговую индикацию наличия импульсов на выходе трансформатора (обмотка L3).
В этом ИПТ были использованы ферритовые кольца марки ВТ (применяются в ячейках памяти ЭВМ) размерами 8x4x2 мм. Обмотки L2 и L3 имеют по 20 витков провода ПЭЛ-2 диаметром 0,1 мм, обмотки L1 и L4 - по 20 витков провода ПЭЛ-2 диаметром 0,3 мм.
Данный образец уверенно индицировал наличие тока в контролируемой цепи в диапазоне 40 мА...1 А. Падение напряжения на ИПТ при токе в контролируемой цепи 1 А не превышало 0,1В. Резистором R4 можно регулировать порог срабатывания, что позволяет использовать данный ИПТ в качестве элемента схем защиты устройств от перегрузок.
ЛИТЕРАТУРА
1. Яковлев Н. Бесконтактные электроизмерительные приборы для диагностирования электронной аппаратуры. - Л.: Энергоатомиздат, Ленинградское отделение, 1990.
2. Микросхемы серии К1116. - Радио, 1990, № 6, с. 84; № 7, с. 73, 74; № 8, с. 89.
3. Коммутационные устройства радиоэлектронной аппаратуры. Под ред. Г. Я. Рыбина. - М.: Радио и связь, 1985.
4. Ступель Ф. Расчет и конструкция электромагнитных реле. - М.: Госэнергоиздат, 1950._
Радио №4 2005 год.
Компактный и простой индикатор может быть использован для индикации тока нагревательных элементов малой и средней мощности. Типичный пример это аквариумный обогреватель. Часто подобные изделия оснащаются светодиодным индикатором, но собраны он по схеме индикатора напряжения. Подобное включение делает возможной ситуацию, когда нагревающая спираль перегорела, а индикатор продолжает светиться. Схема, предложенная далее, включается последовательно с нагрузкой, и светодиод горит только при прохождении тока через нагреватель.
При предложенных деталях индикатор может быть собран даже начинающим электронщиком. В принципе достаточно не бояться паяльника и знать, что в диодах бывают анод и катод. Ниже приведена фотография сборки диодной части схемы уместившейся на электрическом клеммнике.
Пример включения диодов
Схема состоит всего из трёх или четырёх диодов и использует их прямое напряжение, неизбежно возникающее на этих полупроводниках при прохождении прямого тока. При этом два диода соединённые последовательно выполняют функцию стабистора, напряжение, возникающее на них, при прохождении тока через нагрузку стабилизировано на уровне 1,5-2,5 Вольта.
Схема инликатора тока с красным светодиодом
В схеме использованы элементы советского периода, диоды КД105Б и светодиод красного цвета АЛ307Б. При использовании этих элементов и их исправности схема будет работать без наладки.
Начинающим . В этой схеме не обязательно разбираться, где у диода плюс, где минус. Соединяются элементы по принципу два последовательных в одну сторону меткой, один в противоположную. К выходу подключается нагрузка, например лампочка, к входу схемы 220 Вольт. Лампочка должна загореться. Далее аккуратно, не прикасаясь пальцами к токоведущим частям схемы подсоединяют светодиод. Если светодиод загорелся, то в таком положении он и должен припаиваться, если не загорелся, то его переворачивают наоборот.
Возможности изменения схемы индикатора тока и увеличения мощности нагрузки
Мощность нагрузки такой схемы ограничена только максимальным прямым током диодов. Для КД105 и Д226 этот ток 300мА, то есть максимальная мощность нагрузки в этом случае P 0,3 * 2 * 220 = 132 Вт. Если же, к примеру взять диоды Д245 с Iпр.ср = 10А, то мощность нагрузки можно увеличить до 4400 Вт.
В случае замены диодов из схемы следует учитывать их прямое среднее напряжение. Например, германиевые полупроводники имеют меньшее прямое напряжение, и светодиод в этом случае не загорится, либо придётся последовательно включать таких диодов три или даже четыре.
Естественно обратное максимальное напряжение VD1 - VD3 должно быть не менее 300 Вольт.
При замене в схеме красного светодиода АЛ307Б на зелёный (АЛ307В) нужно учитывать, что напряжение свечения зелёных, оранжевых, белых и прочих, в том числе китайских светодиодов может быть большим, чем Uпр двух диодов КД105. В этом случае последовательно можно включить три или даже четыре диода.
Схема индикатора тока для зелёного светодиода
Практически экспериментировал с АЛ307В, китайским жёлтым и ярким белым светодиодом. Зелёный и жёлтый загорелись с тремя КД105, а для белого их потребовалось четыре. Для экспериментов использовалось нагрузка в виде 40-Ваттной лампы накаливания.
Злоупотреблять количеством КД105 не следует, так как в этом случае возрастает напряжение на светодиоде и придётся ограничивать его ток резистором
Конструкция и установка
Учитывая простоту и компактность схемы её можно установить практически в любом электротехническом изделии. На фото использованы обычная розетка и небольшая коммутационная панель (клеммник)
Светодиод вклеен в крышку розетки и в данном случае припаян к диодам жилками от связного кабеля ТПП (кроссировкой)
Конечный вид установленного индикатора
Подобная схема использовалась мною многократно, ранее увлекался аквариумистикой и все аквариумные обогреватели включены были через подобные индикаторы. Когда же понадобилось сконструировать подогреватель ящика для картофеля у себя на балконе, то, не задумываясь, использовал эту схему, собственно все фотки делал на этапе сборки. Размещать эту статью на своём сайте, как-то не в тему: мой сайт для связных кабельщиков и измерителей , а здесь быт и электроника.
Превышение выходного тока в источниках питания свидетельствует об увеличении потребляемой мощности в устройстве нагрузки. Иногда потребляемый ток в нагрузке (из-за неисправности соединений или самого устройства нагрузки) может увеличиться вплоть до значения тока короткого замыкания (к/з), что неминуемо приведет к аварии (если источник питания не снабжен узлом защиты от перегрузки).
Последствия перегрузки могут оказаться более существенными и непоправимыми, если использовать источник питания без узла защиты (как сегодня часто делают радиолюбители, изготавливая простые источники и покупая недорогие адаптеры) — увеличится энергопотребление, выйдет из строя сетевой трансформатор, возможно возгорание отдельных элементов и неприятный запах.
Для того чтобы вовремя заметить выход источника питания в "заштатный” режим, устанавливают простые индикаторы перегрузки. Простые — потому, что они, как правило, содержат всего несколько элементов, недорогих и доступных, а установить эти индикаторы можно универсально практически в любой самодельный или промышленный источник питания.
Самая простая электронная схема индикатора токовой перегрузки показана на рисунке 1.
Рис. 1. Электрическая схема светового индикатора токовой перегрузки.
Работа ее элементов основана на том, что последовательно с нагрузкой в выходной цепи источника питания включают ограничивающий резистор малого сопротивления (R3 на схеме).
Данный узел можно применять универсально в источниках питания и стабилизаторах с разным выходным напряжение (испытано в условиях выходного напряжения 5— 20 В). Однако значения и номиналы элементов, указанных на схеме рисунке 1, подобраны для источника питания с выходным напряжением 12 В.
Соответственно, для того чтобы расширить диапазон источников питания для данной конструкции, в выходном каскаде которых будет эффективно работать предлагаемый узел индикации, потребуется изменить параметры элементов R1— R3, VD1, VD2.
Пока перегрузки нет, источник питания и узел нагрузки работают в штатном режиме, через R3 протекает допустимый ток и падение напряжения на резисторе невелико (менее 1 В). Также невелико в этом случае и падение напряжения на диодах VD1, VD2, при этом светодиод HL1 едва светится.
При увеличении тока потребления в устройстве нагрузки или коротком замыкании между точками А и Б ток в цепи возрастает, падение напряжения на резисторе R3 может достигнуть максимального значения (выходного напряжения источника питания), вследствие чего светодиод HL1 загорится (будет мигать) в полную силу.
Для наглядного эффекта в схеме применен мигающий светодиод L36B. Вместо указанного светодиода можно применить аналогичные по электрическим характеристикам приборы, например, L56B, L456B (повышенной яркости), L816BRC-B, L769BGR, TLBR5410 или подобные им.
Мощность, рассеиваемая на резисторе R3 (при токе к/з) более 5 Вт, поэтому этот резистор изготавливается самостоятельно из медной проволоки типа ПЭЛ-1 (ПЭЛ-2) диаметром 0,8 мм.
Ее берут из ненужного трансформатора. На каркас из канцелярского карандаша наматывают 8 витков этого провода, концы ее облуживают, затем каркас вынимают. Проволочный резистор R3 готов.
Все постоянные резисторы типа МЛТ-0,25 или аналогичные. Вместо диодов VD1, VD2 можно установить КД503, КД509, КД521 с любым буквенным индексом. Эти диоды защищают светодиод в режиме перегрузки (гасят излишнее напряжение).
К сожалению, на практике нет возможности постоянно визуально следить за состоянием индикаторного светодиода в источнике питания, поэтому разумно дополнить схему электронным узлом звукового сопровождения. Такая схема представлена на рисунке 2.
Как видно из схемы, она работает по тому же принципу, но в отличие от предыдущей, это устройство более чувствительно и характер его работы обусловлен открыванием транзистора VT1, при установлении в его базе потенциала более 0,3 В. На транзисторе VT1 реализован усилитель тока.
Транзистор выбран германиевым. Из старых запасов радиолюбителя. Его можно заменить на аналогичные по электрическим характеристикам приборы: МП16, МП39—МП42 с любым буквенным индексом. В крайнем случае, можно установить кремниевый транзистор КТ361 или КТЗ107 с любым буквенным индексом, однако тогда порог включения индикации будет иным.
Рис. 2. Электрическая схема узла звукового и светового индикатора перегрузки по току.
Порог включения транзистора VT1 зависит от сопротивления резисторов R1 и R2 и в данной схеме при напряжении источника питания 12,5 В индикация включится при токе нагрузки, превышающем 400 мА.
В коллекторной цепи транзистора включен мигающий светодиод и капсюль со встроенным генератором ЗЧ НА1. Когда на резисторе R1 падение напряжения достигнет 0,5...0,6 В, транзистор VT1 откроется, на светодиод HL1 и капсюль НА1 поступит напряжение питания.
Поскольку капсюль для светодиода является активным элементом, ограничивающим ток, режим работы светодиода в норме. Благодаря применению мигающего светодиода капсюль также будет звучать прерывисто — звук будет слышен во время паузы между вспышками светодиода.
В этой схеме можно достичь еще более интересный звуковой эффект, если вместо капсюля НА1 включить прибор КРІ-4332-12, который имеет встроенный генератор с прерыванием. Таким образом звук в случае перегрузки будет напоминать сирену (этому способствует сочетание прерываний вспышек светодиода и внутренних прерываний капсюля НА1).
Такой звук достаточно громкий (слышно в соседнем помещении при среднем уровне шума), обязательно будет привлекать внимание людей.
Еще одна схема индикатора перегрузки представлена на рисунке 3. В тех конструкциях, где установлен плавкий (или иной, например, самовосстанавливающийся) предохранитель, часто требуется визуально контролировать их работу.
Здесь применен двухцветный светодиод с общим катодом и соответственно тремя выводами. Кто на практике испытывал эти диоды с одним общим выводом, знают, что они функционируют несколько иначе, чем ожидается.
Шаблон мышления в том, что казалось бы, зеленый и красный цвета будут появляться у светодиода в общем корпусе соответственно при приложении (в нужной полярности) напряжения к соответственным выводам R или G. Однако, это не совсем так.
Рис. 3. Световой индикатор перегорания предохранителя.
Пока предохранитель FU1 исправен, к обоим анодам светодиода HL1 приложено напряжение. Порог свечения корректируется сопротивлением резистора R1. Если предохранитель обрывает цепь питания нагрузки, то зеленый светодиод гаснет, а красный остается светить (если напряжения питания совсем не пропало).
Поскольку допустимое обратное напряжение для светодиодов мало и ограничено, то для указанной конструкции в схему введены диоды с разными электрическими характеристиками VD1— VD4. То, что к зеленому светодиоду последовательно включен только один диод, а к красному три, объясняется особенностями светодиода AЛC331A, замеченными на практике.
При экспериментах оказалось, что порог напряжения включения красного светодиода меньше, чем у зеленого. Чтобы уравновесить эту разницу (заметную только на практике), количество диодов неодинаково.
При перегорании предохранителя к зеленому светодиоду (G) прикладывается напряжение в обратной полярности. Номиналы элементов в схеме даны для контроля напряжения в цепи 12 В. Вместо светодиода AЛC331A допустимо применять другие аналогичные приборы, например, КИПД18В-М, L239EGW.
Литература: Андрей Кашкаров - Электронные самоделки.
Что может быть печальнее, чем внезапно севший аккумулятор в квадрокоптере во время полета или отключившийся металлоискатель на перспективной поляне? Вот если бы можно было бы заранее узнать, насколько сильно заряжен аккумулятор! Тогда мы могли бы подключить зарядку или поставить новый комплект батарей, не дожидаясь грустных последствий.
И вот тут как раз рождается идея сделать какой-нибудь индикатор, который заранее подаст сигнал о том, что батарейка скоро сядет. Над реализацией этой задачи пыхтели радиолюбители всего мира и сегодня существует целый вагон и маленькая тележка различных схемотехнических решений - от схем на одном транзисторе до навороченных устройств на микроконтроллерах.
Внимание! Приведенные в статье схемы только лишь сигнализируют о низком напряжении на аккумуляторе. Для предупреждения глубокого разряда необходимо вручную отключить нагрузку либо использовать .
Начнем, пожалуй, с простенькой схемки на стабилитроне и транзисторе:
Разберем, как она работает.
Пока напряжение выше определенного порога (2.0 Вольта), стабилитрон находится в пробое, соответственно, транзистор закрыт и весь ток течет через зеленый светодиод. Как только напряжение на аккумуляторе начинает падать и достигает значения порядка 2.0В + 1.2В (падение напряжение на переходе база-эмиттер транзистора VT1), транзистор начинает открываться и ток начинает перераспределяться между обоими светодиодами.
Если взять двухцветный светодиод, то мы получим плавный переход от зеленого к красному, включая всю промежуточную гамму цветов.
Типовое различие прямого напряжения в двухцветных светодиодах составляет 0.25 Вольта (красный зажигается при более низком напряжении). Именно этой разницей определяется область полного перехода между зеленым и красным цветом.
Таким образом, не смотря на свою простоту, схема позволяет заранее узнать, что батарейка начала подходить к концу. Пока напряжение на аккумуляторе составляет 3.25В или более, горит зеленый светодиод. В промежутке между 3.00 и 3.25V к зеленому начинает подмешиваться красный - чем ближе к 3.00 Вольтам, тем больше красного. И, наконец, при 3V горит только чисто красный цвет.
Недостаток схемы в сложности подбора стабилитронов для получения необходимого порога срабатывания, а также в постоянном потреблении тока порядка 1 мА. Ну и, не исключено, что дальтоники не оценят эту задумку с меняющимися цветами.
Кстати, если в эту схему поставить транзистор другого типа, ее можно заставить работать противоположным образом - переход от зеленого к красному будет происходить, наоборот, в случае повышения входного напряжения. Вот модифицированная схема:
В следующей схеме использована микросхема TL431, представляющая собой прецизионный стабилизатор напряжения.
Порог срабатывания определяется делителем напряжения R2-R3. При указанных в схеме номиналах он составляет 3.2 Вольта. При снижении напряжения на аккумуляторе до этого значения, микросхема перестает шунтировать светодиод и он зажигается. Это будет сигналом к тому, что полный разряд батареи совсем близок (минимально допустимое напряжение на одной банке li-ion равно 3.0 В).
Если для питания устройства применяется батарея из нескольких последовательно включенных банок литий-ионного аккумулятора, то приведенную выше схему необходимо подключить к каждой банке отдельно. Вот таким образом:
Для настройки схемы подключаем вместо батарей регулируемый блок питания и подбором резистора R2 (R4) добиваемся зажигания светодиода в нужный нам момент.
А вот простая схема индикатора разрядки li-ion аккумулятора на двух транзисторах:
Порог срабатывания задается резисторами R2, R3. Старые советские транзисторы можно заменить на BC237, BC238, BC317 (КТ3102) и BC556, BC557 (КТ3107).
Схема на двух полевых транзисторах, потребляющая в ждущем режиме буквально микротоки.
При подключении схемы к источнику питания, положительное напряжение на затворе транзистора VT1 формируется с помощью делителя R1-R2. Если напряжение выше напряжение отсечки полевого транзистора, он открывается и притягивает затвор VT2 на землю, тем самым закрывая его.
В определенный момент, по мере разряда аккумулятора, напряжение, снимаемое с делителя становится недостаточным для отпирания VT1 и он закрывается. Следовательно, на затворе второго полевика появляется напряжение, близкое к напряжению питания. Он открывается и зажигает светодиод. Свечение светодиода сигнализирует нам о необходимости подзаряда аккумулятора.
Транзисторы подойдут любые n-канальные с низким напряжением отсечки (чем меньше - тем лучше). Работоспособность 2N7000 в этой схеме не проверялась.
На трех транзисторах:
Думаю, схема не нуждается в пояснениях. Благодаря большому коэфф. усиления трех транзисторных каскадов, схема срабатывает очень четко - между горящим и не горящим светодиодом достаточно разницы в 1 сотую долю вольта. Потребляемый ток при включенной индикации - 3 мА, при выключенном светодиоде - 0.3 мА.
Не смотря на громоздкий вид схемы, готовая плата имеет достаточно скромные габариты:
С коллектора VT2 можно брать сигнал, разрешающий подключение нагрузки: 1 - разрешено, 0 - запрещено.
Транзисторы BC848 и BC856 можно заменить на ВС546 и ВС556 соответственно.
Эта схема мне нравится тем, что она не только включает индикацию, но и отрубает нагрузку.
Жаль только, что сама схема от аккумулятора не отключается, продолжая потреблять энергию. А жрет она, благодаря постоянно горящему светодиоду, немало.
Зеленый светодиод в данном случае выступает в роли источника опорного напряжения, потребляя ток порядка 15-20 мА. Чтобы избавиться от такого прожорливого элемента, вместо источника образцового напряжения можно применить ту же TL431, включив ее по такой схеме*:
*катод TL431 подключить ко 2-ому выводу LM393.
Схема с применением так называемых мониторов напряжения. Их еще называют супервизорами и детекторами напряжения (voltdetector"ами). Это специализированные микросхемы, разработанные специально для контроля за напряжением.
Вот, например, схема, поджигающая светодиод при снижении напряжения на аккумуляторе до 3.1V. Собрана на BD4731.
Согласитесь, проще некуда! BD47xx имеет открытый коллектор на выходе, а также самостоятельно ограничивает выходной ток на уровне 12 мА. Это позволяет подключать к ней светодиод напрямую, без ограничительных резисторов.
Аналогичным образом можно применить любой другой супервизор на любое другое напряжение.
Вот еще несколько вариантов на выбор:
Также можно взять советский аналог - КР1171СПхх:
В зависимости от цифрового обозначения, напряжение детекции будет разным:
Сетка напряжений не очень-то подходит для контроля за li-ion аккумуляторами, но совсем сбрасывать эту микросхему со счетов, думаю, не стоит.
Неоспоримые достоинства схем на мониторах напряжения - чрезвычайно низкое энергопотребление в выключенном состоянии (единицы и даже доли микроампер), а также ее крайняя простота. Зачастую вся схема умещается прямо на выводах светодиода:
Чтобы сделать индикацию разряда еще более заметной, выход детектора напряжения можно нагрузить на мигающий светодиод (например, серии L-314). Или самому собрать простейшую "моргалку" на двух биполярных транзисторах.
Пример готовой схемы, оповещающей о севшей батарейке с помощью вспыхивающего светодиода приведен ниже:
Еще одна схема с моргающим светодиодом будет рассмотрена ниже.
Крутая схема, запускающая моргание светодиода, если напряжение на литиевом аккумуляторе упадет до 3.0 Вольта:
Эта схема заставляет вспыхивать сверхяркий светодиод с коэффициентом заполнения 2.5% (т.е. длительная пауза - коротка вспышка - опять пауза). Это позволяет снизить потребляемый ток до смешных значений - в выключенном состоянии схема потребляет 50 нА (нано!), а в режиме моргания светодиодом - всего 35 мкА. Сможете предложить что-нибудь более экономичное? Вряд ли.
Как можно было заметить, работа большинства схем контроля за разрядом сводится к сравнению некоего образцового напряжения с контролируемым напряжением. В дальнейшем эта разница усиливается и включает/отключает светодиод.
Обычно в качестве усилителя разницы между опорным напряжением и напряжением на литиевом аккумуляторе используют каскад на транзисторе или операционный усилитель, включенный по схеме компаратора.
Но есть и другое решение. В качестве усилителя можно применить логические элементы - инверторы. Да, это нестандартное использование логики, но это работает. Подобная схема приведена в следующем варианте.
Схема на 74HC04.
Рабочее напряжение стабилитрона должно быть ниже напряжение срабатывания схемы. Например, можно взять стабилитроны на 2.0 - 2.7 Вольта. Точная подстройка порога срабатывания задается резистором R2.
Схема потребляет от батареи около 2 мА, так что ее тоже надо включать после выключателя питания.
Это даже не индикатор разряда, а, скорее, целый светодиодный вольтметр! Линейная шкала из 10 светодиодов дает наглядное представление о состоянии аккумулятора. Весь функционал реализован всего на одной-единственной микросхеме LM3914 :
Делитель R3-R4-R5 задает нижнее (DIV_LO) и верхнее (DIV_HI) пороговые напряжения. При указанных на схеме значениях свечению верхнего светодиода соответствует напряжение 4.2 Вольта, а при снижении напряжения ниже 3х вольт, погаснет последний (нижний) светодиод.
Подключив 9-ый вывод микросхемы на "землю", можно перевести ее в режим "точка". В этом режиме всегда светится только один светодиод, соответствующий напряжению питания. Если оставить как на схеме, то будет светиться целая шкала из светодиодов, что нерационально с точки зрения экономичности.
В качестве светодиодов нужно брать только светодиоды красного свечения , т.к. они обладают самым малым прямым напряжением при работе. Если, например, взять синие светодиоды, то при севшем до 3х вольт аккумуляторе, они, скорее всего, вообще не загорятся.
Сама микросхема потребляет около 2.5 мА, плюс 5 мА на каждый зажженный светодиод.
Недостатком схемы можно считать невозможность индивидуальной настройки порога зажигания каждого светодиода. Можно задать только начальное и конечное значение, а встроенный в микросхему делитель разобьет этот интервал на равные 9 отрезков. Но, как известно, ближе к концу разряда, напряжение на аккумуляторе начинает очень стремительно падать. Разница между аккумуляторами, разряженными на 10% и 20% может составлять десятые доли вольта, а если сравнить эти же аккумуляторы, только разряженненные на 90% и 100%, то можно увидеть разницу в целый вольт!
Типичный график разряда Li-ion аккумулятора, приведенный ниже, наглядно демонстрирует данное обстоятельство:
Таким образом, использование линейной шкалы для индикации степени разряда аккумулятора представляется не слишком целесообразным. Нужна схема, позволяющая задать точные значения напряжений, при которых будет загораться тот или иной светодиод.
Полный контроль над моментами включения светодиодов дает схема, представленная ниже.
Данная схема является 4-разрядным индикатором напряжения на аккумуляторе/батарейке. Реализована на четырех ОУ, входящих в состав микросхемы LM339 .
Схема работоспособна вплоть до напряжения 2 Вольта, потребляет меньше миллиампера (не считая светодиода).
Разумеется, для отражения реального значения израсходованной и оставшейся емкости аккумулятора, необходимо при настройке схемы учесть кривую разряда используемого аккумулятора (с учетом тока нагрузки). Это позволит задать точные значения напряжения, соответствующие, например, 5%-25%-50%-100% остаточной емкости.
Ну и, конечно, широчайший простор открывается при использовании микроконтроллеров со встроенным источником опорного напряжения и имеющих вход АЦП. Тут функционал ограничивается только вашей фантазией и умением программировать.
Как пример приведем простейшую схему на контроллере ATMega328.
Хотя тут, для уменьшения габаритов платы, лучше было бы взять 8-миногую ATTiny13 в корпусе SOP8. Тогда было бы вообще шикарно. Но пусть это будет вашим домашним заданием.
Светодиод взят трехцветный (от светодиодной ленты), но задействованы только красный и зеленый.
Готовую программу (скетч) можно скачать по этой ссылке .
Программа работает следующим образом: каждые 10 секунд опрашивается напряжение питания. Исходя из результатов измерений МК управляет светодиодами с помощью ШИМ, что позволяет получать различные оттенки свечения смешением красного и зеленого цветов.
Свежезаряженный аккумулятор выдает порядка 4.1В — светится зеленый индикатор. Во время зарядки на АКБ присутствует напряжение 4.2В, при этом будет моргать зеленый светодиод. Как только напряжение упадет ниже 3.5В, начнет мигать красный светодиод. Это будет сигналом к тому, что аккумулятор почти сел и его пора заряжать. В остальном диапазоне напряжений индикатор будет менять цвет от зеленого к красному (в зависимости от напряжения).
Ну и на закуску предлагаю вариант переделки стандартной платы защиты (их еще называют ), превращающий ее в индикатор севшего аккумулятора.
Эти платы (PCB-модули) добываются из старых батарей мобильных телефонов чуть ли не в промышленных масштабах. Просто подбираете на улице выброшенный аккумулятор от мобилы, потрошите его и плата у вас в руках. Все остальное утилизируете как положено.
Внимание!!! Попадаются платы, включающие защиту от переразряда при недопустимо низком напряжении (2.5В и ниже). Поэтому из всех имеющихся у вас плат необходимо отобрать только те экземпляры, которые срабатывают при правильном напряжении (3.0-3.2V).
Чаще всего PCB-плата представляет собой вот такую схемку:
Микросборка 8205 - это два миллиомных полевика, собранных в одном корпусе.
Внеся в схему некоторые изменения (показаны красным цветом), мы получим прекрасный индикатор разряда li-ion аккумулятора, практически не потребляющий ток в выключенном состоянии.
Так как транзистор VT1.2 отвечает за отключение зарядного устройства от банки аккумулятора от при перезаряде, то он в нашей схеме лишний. Поэтому мы полностью исключили этот транзистор из работы, разорвав цепь стока.
Резистор R3 ограничивает ток через светодиод. Его сопротивление необходимо подобрать таким образом, чтобы свечение светодиода было уже заметным, но потребляемый ток еще не был слишком велик.
Кстати, можно сохранить все функции модуля защиты, а индикацию сделать с помощью отдельного транзистор, управляющий светодиодом. То есть индикатор будет загораться одновременно с отключением аккумулятора в момент разряда.
Вместо 2N3906 подойдет любой имеющийся под рукой маломощный p-n-p транзистор. Просто подпаять светодиод напрямую не получится, т.к. выходной ток микросхемы, управляющий ключами, слишком мал и требует усиления.
Пожалуйста, учитывайте тот факт, что схемы индикаторов разряда сами потребляют энергию аккумулятора! Во избежание недопустимого разряда, подключайте схемы индикаторов после выключателя питания или используйте схемы защиты, .
Как, наверное, не сложно догадаться, схемы могут быть использованы и наоборот - в качестве индикатора заряда.
Цифровой амперметр на светодиодах – удобный способ отображения информации, при котором имеет значение не только модуль измеряемой величины (что, кстати, значительно удобнее определять не по отклонению стрелочного индикатора, а по величине столбчатой диаграммы, или при помощи мини-дисплея), но и частоту изменения этого параметра.
Светодиоды не отличаются большой мощностью, но использовать их в слаботочных электрических цепях допустимо и целесообразно. В качестве примера можно рассмотреть схему получения цифрового амперметра для определения силы тока в аккумуляторной батарее автомобиля, при номинальном диапазоне значений в 40…60 мА.
Вариант внешнего вида амперметра на светодиодах в столбик
Количество использованных светодиодов определит пороговое значение тока, при котором в работу будет включаться один из светодиодов. В качестве операционного усилителя можно использовать LM3915, либо подходящий по параметрам микроконтроллер. На вход будет подаваться напряжение через любой низкоомный резистор.
Удобно отражать результаты измерения в виде столбчатой диаграммы, где весь, практически используемый диапазон тока будет разделяться на несколько сегментов по 5…10 мА. Плюсом LED является то, что в схеме можно использовать элементы разного цвета – красного, зелёного, синего и т.д.
Для работы цифрового амперметра потребуются следующие компоненты:
Электрическая схема амперметра на LED источниках Входной сигнал по току (не более 1 А) подаётся от стабилизированного блока питания через шунтирующий резистор, допустимое напряжение на котором не должно быть более 40…50 В. Далее, проходя через операционный усилитель, сигнал поступает на светодиоды. Поскольку значение тока во время прохождения сигнала изменяется, то соответственно будет изменяться и высота столбика. Управляя током нагрузки, можно регулировать высоту диаграммы, получая результат с различной степенью точности .
Монтаж платы с SMD-компонентами, по желанию пользователя, можно размещать либо горизонтально, либо вертикально. Смотровое окошко перед началом тарировки необходимо перекрывать тёмным стеклом (подойдёт фильтр с кратностью 6…10 х от обычной сварочной маски).
Тарировка цифрового амперметра состоит в подборе минимального значения нагрузки по току, при которой светодиод будет светиться. Варьирование настройки производится экспериментально, для чего в схеме предусматривается резистор с небольшим (до 100 мОм) сопротивлением. Погрешность показаний такого амперметра обычно не превышает нескольких процентов.
Вы знали, что можно переделать старый вольтметр в амперметр? Как это сделать — смотрите видео:
Для этого последовательно устанавливают силу тока, которая проходит через определённый светодиод. В качестве контрольного прибора можно использовать обычный тестер. Вольтметр включается в схему перед микроконтроллером, а амперметр – после него. Для исключения влияния случайных пульсаций подключается также сглаживающий конденсатор.
Практическим плюсом изготовления прибора своими руками (светодиодов не должно быть менее четырёх) является устойчивость схемы при значительных изменениях первоначально заданного диапазона силы тока. В отличие от обычных диодов, которые при коротком замыкании выйдут из строя, светодиоды просто не загораются.
Св-диоды как измерители тока в аккумуляторной батарее автомобиля, не только экономят заряд и сохраняют аккумуляторы, но и позволяют более удобным способом считывать показания.
Аналогичным образом можно построить и цифровой вольтметр. В качестве источников света для такого варианта применения подойдут элементы на 12 В, а наличие дополнительного шунта в схеме вольтметра позволит более рационально использовать всю высоту столбчатой диаграммы.
