Автор статьи предлагает вниманию читателей модернизированный вариант некогда популярного индикатора бортового напряжения.
Опубликованный почти десять лет назад Е. Климчуком индикатор бортового напряжения автомобиля [1], по моему мнению, до сих пор остается одной из самых удачных конструкций подобного назначения. Этот индикатор не требует переделки приборной панели автомобиля, показания легко "читаются". Прибор позволяет достоверно судить об основных параметрах работы системы: аккумуляторная батарея-стабилизатор напряжения. Индикатор проработал на моем автомобиле уже более пяти лет, подтвердив свою полезность, высокую стабильность и надежность.
Тем не менее, если применить несколько иной принцип реализации дополнительных режимов работы контрольной лампы и воспользоваться появлением на рынке элементов, ранее малодоступных радиолюбителям, то появится возможность заметно упростить индикатор, повысив его эксплуатационные качества, особенно при совместной работе с термокомпенсированным стабилизатором напряжения [2] Число микросхем при этом уменьшается с трех до одной, сокращается число пассивных элементов, допустимый интервал напряжения питания расширился до 3...30 В.
Принципиальная схема индикатора напряжения показана на рис. 1. Как и в прототипе, для организации четырех режимов работы контрольной лампы применены два компаратора напряжения на ОУ DA1.1 и DA1.2. Отличие заключается в том, что для получения дополнительного порога переключения верхнего по схеме компаратора использовано не высокое, а низкое выходное напряжение нижнего по схеме компаратора. Усилитель DA1.3 инвертирует выходной сигнал компаратора DA1.2.
Таким образом, по мере увеличения напряжения на выводах аккумуляторной батареи на выходах ОУ DA1.1 и DA1.3 последовательно формируются логические комбинации 01, 11, 00 и 10.
На ОУ DA1.4 собран генератор прямоугольных импульсов, частота следования которых зависит от номиналов цепи C2R15. "Гистерезис" напряжения обеспечивает положительная ОС через резистор R14. Обычно у подобных генераторов "гистерезис" симметричен относительно напряжения переключения ОУ, что обеспечивают применением в делителе напряжения R11R12 одинакового сопротивления резисторов. При этом скважность импульсов на выходе генератора равна двум.
При изменении соотношения номиналов резисторов делителя "гистерезис", не меняя ширины петли, перестает быть симметричным, а следовательно, время зарядки и разрядки конденсатора С2 оказывается неодинаковым, т. е. изменяется скважность импульсов. Причем, если напряжение переключения компаратора превышает половину напряжения питания, скважность увеличивается Этот принцип использован для оперативного распознавания двух генераторных режимов работы контрольной лампы.
Визуальная проверка работы индикатора показала, что при некоторой оптимальной частоте генератора можно получить два режима: в одном - лампа периодически гаснет, а в другом - периодически включается. Замечено, что при значительном снижении частоты погасания лампы (назовем этот режим так) длительность выключенного состояния лампы становилась такой, что в зрительной памяти нарушалась "целостность картины", иначе говоря, процесс перехода лампы из включенного состояния в выключенное и обратно как бы разбивался на отдельные элементы. Это субъективно делало оба режима в чем-то похожими, и для определения истинного требовалось на секунду-другую остановить взгляд на индикаторе, сосредоточиться и определить, что в работе лампы больше - сумма пауз или сумма включений.
В то же время подборкой частоты удалось добиться того, что оба режима стали органичным продолжением соседних основных состояний контрольной лампы - непрерывного свечения и полного его отсутствия.
Так, если при включенном зажигании, но при выключенном стартере и неработающем двигателе (положение I замка зажигания), лампа постоянно горит, это говорит о том, что батарея аккумуляторов, если и разряжена, то в меру.
Если же в постоянном свечении лампы появляются провалы яркости, батарея нуждается в подзарядке.
Аналогичная картина наблюдается и при работающем двигателе. Если напряжение, вырабатываемое генератором, находится в допустимых пределах, лампа выключена и не отвлекает водителя. Как только напряжение превысит опасный для электрооборудования уровень, начнутся равномерные короткие вспышки контрольной лампы.
Естественно, все сказанное справедливо при соответствующем выборе порогов компарирования, т. е. значений напряжения, при которых происходит смена режимов индикации. При указанных на схеме номиналах резисторов R2, R4 и R9 эти пороги примерно равны 12,2, 13,6 и 14,4 В.
Следует, однако, заметить, что значения частоты генератора все же неодинаковы, хотя и соответствуют благоприятному для психологического восприятия сочетанию. Так, частота погасания лампы несколько меньше частоты включения (при указанных на схеме номиналах пассивных элементов - около 1,2 и 1,5 Гц соответственно).
Переключение режимов работы генератора происходит в результате смены полярности напряжения на делителе R11R12-уровни 01 и 10 на выходах ОУ DA1.1 и DA1.3. Если выходные уровни совпадают (11 и 00), генератор заторможен и ОУ DA1.4 работает повторителем напряжения, т. е. на его выходе либо высокое, либо низкое напряжение. При работе без нагрузки генератор может возбуждаться на паразитной частоте.
На транзисторе VT1 собран усилитель тока, нагруженный индикаторной лампой накаливания. В случае применения вместо лампы светодиода его включают непосредственно между резистором R16 и общим проводом, анодом к резистору.
Несколько слов необходимо сказать о "гистерезисе" порогов компарирования. Как и в исходной конструкции, его можно регулировать изменением соотношения значений сопротивления резисторов делителей R6R8 и R7R10. Однако рассматриваемый индикатор имеет особенность, связанную с изменением нагрузки генератора на ОУ DA1.4. В зависимости от режима выходной ток генератора может меняться от нескольких микроампер до нескольких миллиампер. Это приводит к изменению падения напряжения на резисторе R13 сглаживающего фильтра C1R13 и, следовательно, пороговых значений напряжения. Подобный эффект, хотя и слабо выраженный, наблюдался и у прототипа [1].
При указанных на схеме номиналах деталей "гистерезис" первого и третьего порогов компарирования не превышает 20 мВ, а второго - около 250 мВ! Объясняется это тем, что средний потребляемый ток в генераторных и соседних с ними основных режимах примерно одинаков, да и пульсации напряжения хорошо подавляются фильтром C1R13.
Значительно уменьшить "гистерезис" второго порога компарирования (до значения менее 40 мВ) довольно просто - достаточно плюсовой вывод напряжения питания операционных усилителей (вывод 4) подключить к правому (по схеме) выводу резистора R13. Тем не менее я не стал этого делать, поскольку подобная неодинаковость показалась мне даже предпочтительней.
Дело в том, что второй порог компарирования разделяет два, в общем-то, нормальных состояния электрооборудования. С другой стороны, возможны незначительные колебания напряжения в бортовой сети вблизи этого порога (на холостых оборотах двигателя или при слабом натяжении ремня привода генератора), что с учетом тепловой инерционности лампы затрудняет "считывание" информации. В то же время малый "гистерезис" крайних значений контролируемого напряжения обеспечивает высокую точность контроля, что особенно важно при определении степени разряженности аккумуляторной батареи.
Вместо микросхемы LM324DP в индикаторе можно использовать ее отечественный аналог К1401УД2, необходимо только иметь в виду, что он имеет противоположное расположение выводов питания: на вывод 4 нужно подавать -Uпит а на вывод 11 - +Uпит [3]. Составной транзистор VT1 может быть заменен обычным из серий КТ815 или КТ817. Стабилитрон VD1 - любой на напряжение стабилизации 4,7...7,5 В (например, КС147Г, КС156Г, KC168A). Конденсатор C1 желательно применить танталовый (К53-1А, К53-18 и др.). Конденсатор C2 (К73-17 на номинальное напряжение 63 В) следует выбрать с возможно меньшим температурным коэффициентом емкости.
Все детали индикатора смонтированы на печатной плате из фольгированного стеклотекстолита толщиной 1,5 мм. Чертеж платы представлен на рис. 2. Плату помещают в пластмассовую коробку, которую крепят за панелью приборов.
Налаживание индикатора заключается в установке порогов компарирования подборкой резисторов R2, R4 и R9. Как зто сделать, подробно рассказано в [1]. Отмечу только, что считаю целесообразным отказаться от использования подстроечных резисторов. Как показала практика эксплуатации индикатора, необходимости в подстройке порогов напряжения не возникает.
В заключение остается добавить, что нелишним будет попробовать немного изменить частоту генератора для приведения алгоритма индикации в более полное соответствие с индивидуальными особенностями восприятия. Выполнять это желательно с лампой того же типа, с которой будет работать индикатор.
Литература
Автор: А.Мартемьянов, г.Северск Томской обл.