Описания устройств для светового отображения уровня напряжения уже публиковались на страницах нашего журнала. Казалось бы, что еще можно добавить к опубликованному? Оказывается, можно! Помещенная ниже статья подтверждает это: настоящий радиолюбитель никакую проблему не торопится считать решенной...
Вольтметр, установленный на панель приборов автомобиля, позволяет оперативно контролировать уровень напряжения в его бортовой сети, От такого прибора не требуется высокой разрешающей способности, зато необходима возможность легкой и быстрой считываемости показаний. Наилучшим образом этим условиям отвечает дискретный светодиодный индикатор напряжения. Подобные устройства получили весьма широкое распространение и для оценки уровня напряжения и мощности (в звукоусилительной аппаратуре). Реализуют их, как правило, двумя способами.
Первый подробно описан в [1]. Суть его в том, что линейку светодиодов подключают к источнику измеряемого на пряжения через многовыходный резистивный делитель напряжения. Здесь использованы пороговые свойства светодиодов, транзисторов и диодов. За простоту такого индикатора приходится расплачиваться нечетким порогом зажигания светодиодов (что отмечает автор в [2]). Подобные устройства в свое время продавались в виде радиоконструктора.
Второй способ - применение для включения каждого светодиода отдельного компаратора, сравнивающего часть входного сигнала с образцовым (как, например, в [3]), Вследствие высокого коэффициента усиления компараторов, чаще всего выполняемых на ОУ, пороги включения и выключения очень четкие, но для индикатора требуется много микросхем. Счетверенные ОУ сейчас еще дороги, а одна такая микросхема может управлять только четырьмя светодиодами.
Наконец, нельзя не отметить работу (4), где использован принцип аналогоцифрового преобразования. У этой конструкции немало достоинств, но все-таки многовато деталей, и к тому же неэкономичных.
Вольтметр, предлагаемый вашему вниманию, оптимизирован в свете сказанного выше - в нем четкие пороговые уровни зажигания светодиодов получены с помощью минимума дешевых, экономичных и широкодоступных элементов. В основу принципа работы прибора положены пороговые свойства цифровой микросхемы.
Прибор (см. схему на рис. 1) представляет собой шестиуровневый индикатор. Для удобства применения в автомобиле интервал измерения выбран равным 10...15 В с шагом в 1 В. И интервал, и шаг могут быть легко изменены.
Пороговыми устройствами служат шесть инверторов DD1,1-DD1.6, каждый из которых представляет собой нелинейный усилитель напряжения с большим коэффициентом усиления. Пороговый уровень переключения инверторов - примерно половина напряжения питаниями кросхемы, поэтому они как бы сравнивают напряжение на входе с половиной напряжения питания.
Если входное напряжение инвертора превысит пороговый уровень, на его выходе появится напряжение низкого уровня. Поэтому светодиод, служащий нагрузкой инвертора, включится выходным (втекающим) током. Когда же на выходе инверторов высокий уровень, светодиоды закрыты и выключены.
С выходов резистивного делителя R1-R7 на вход инверторов поступает соответствующая доля напряжения бортовой сети. При изменении бортового напряжения пропорционально изменяются и его доли. Напряжение же питания инверторов и светодиодной линейки стабилизировано микросхемным стабилизатором DA1. Номиналы резисторов R1-R7 рассчитывают таким образом., чтобы получить шаг переключения, равный 1 В.
Конденсатор С2 совместно с резистором R1 образуют низкочастотный фильтр, подавляющий кратковременные всплески напряжения, которые могут возникнуть, например, при пуске двигателя. Конденсатор С1 изготовитель микросхемных стабилизаторов рекомендует устанавливать для улучшения их устойчивости на высокой частоте. Резисторы R8-R13 ограничивают выходной ток инверторов.
Как рассчитать резисторы R1-R7? Несмотря на то, что на входе инверторов DD1.1.-D1.6 установлены полевыетранзисторы, которые входного тока практически не потребляют, существует так называемый ток утечки. Это заставляет выбирать ток через делитель намного большим суммарного тока утечки всех шести инверторов (не более 6X10-5 мкА). Минимальным ток через делитель будет при минимальном индицируемом напряжении 10 В.
Зададим этот ток равным 100 мкА, что примерно в миллион раз больше тока утечки. Тогда общее сопротивление делителя RД=R1+R2+RЗ+R4+R5+R6+R7 (в килоомах, если напряжение в вольтах, а ток - в миллиамперах) должно быть равно: Rд=Uвx min/Imin = 10В/0,1мА = 100кОм.
Теперь рассчитаем сопротивление каждого из резисторов при условии Uпор=Uпит/2, т. е. в рассматриваемом случае Uпор=3 В. При входном напряжении 15 В на резисторе R7 должно падать 3 В, а ток через него (равный току через весь делитель) Iд=UBX/Rд=15 В/100 кОм= 0,15 мА=150 мкА, Тогда сопротивление резистора R7: R=Uпоp/Iд; R7=3 В/0,15 мА=20кОм.
На входе инвертора DD1.5 3 В должно быть при входном напряжении 14 В. Ток через делитель в этом случае Iд=14 В/100 кОм=0,14 мА. Тогда суммарное сопротивление R6+R7=Uпоp/Iд=3/0,14-21,5 кОм.
Отсюда R6=21,5-20=1,5 кОм.
Аналогично определяют сопротивление остальных резисторов делителя: R5=UпорхRд/Uвх-(R6+R7)-1,6 кОм; R4-2 кОм, RЗ-2,2 кОм, R2-2.7 кОм и, наконец, R1=Rд-(R2+RЗ+R4+R5+R6+R7) = 70 кОм-68 кОм.
Вообще, как известно, пороговое напряжение элементов микросхем КМОП находится в пределах от 1/3Uпит до 2/3Uпит. Известно также, что изготовленные в едином технологическом цикле на одном кристалле элементы одной микросхемы имеют практически одинаковые значения порога переключения. Поэтому для точной установки "начала шкалы" вольтметра достаточно резистор R1 заменить последовательной цепью из подстроечного с рассчитанным номиналом и постоянного с номиналом в два раза меньше расчетного.
Температурная стабильность прибора весьма высока. При изменении температуры от -10 до +60 °С порог срабатывания изменяется на несколько сотых долей вольта. Микросхемный стабилизатор DА1 также обладает температурной стабильностью не хуже 30 мВ в пределах 0...100 °С.
Выходное напряжение стабилизатора DА1 не должно оыть меньше 6 В, иначе инверторы не смогут обеспечить необходимый ток через светодиоды. Инверторы микросхемы К561ЛН2 допускают выходной ток до 8 мА. Светодиоды АЛ307БМ можно заменить любыми другими, пересчитав номиналы токоограничивающих резисторов R8-R13. Конденсаторы так же могут быть любыми на номинальное напряжение не менее 10 В.
Для налаживания собранное устройство подключают к выходу регулируемого источника напряжения, который будет имитировать бортовую сеть. Установив выходное напряжение источника 10 В, а сопротивление подстроечного резистора на максимум, вращают его движок до момента включения светодиода HL1. Ос тальные уровни устанавливаются автоматически.
Детали вольтметра смонтированы на печатной плате из фольгированного стеклотекстолита толщиной 1 мм. Чертеж платы представлен на рис. 2. Она рассчитана на установку подстроечного резистора СПЗ-33, а остальных - МЛТ-0,125, конденсатора С1 - KM, С2 - К50-35.
Плата прикреплена ко дну коробки из пластика двумя винтами М2,5 на трубчатых стойках и еще одним таким же, который одновременно прижимает к плате микросхему DA1. Отметим, что эта микросхема установлена пластмассовой (а не металлической) гранью к плате. Между корпусом микросхемы и платой также установлена трубчатая стойка, но укороченная.
Выводы светодиодов перед монтажом изгибают на 90 град, с тем, чтобы их оптические оси были параллельны плоскости платы. Корпусы светодиодов должны выступать за край платы и при окончательной сборке устройства выходить в отверстия, просверленные в торце коробки.
Устойчивость работы стабилизатора и всего устройства в целом будет еще выше, если к входу микросхемы (между выв. 8 и 17) подключить конденсатор емкостью 0,1 мк. Для того чтобы обезопасить стабилизатор от случайных всплесков напряжения в бортовой сети, амплитуда которых может достигать 80 - 00 В. параллельно этому конденсатору следует подключить еще один - оксидный. Он должен иметь емкость не менее 1000 мкФ и номинальное напряжение 25 В. Этот конденсатор благоприяпто скажется и на работе радиоприемной и звукоусилительной автомобильной аппаратуры.
Литература
Автор: О.Клевцов, г.Днепропетровск, Украина