Описи пристроїв для світлового відображення рівня напруги вже публікувалися на сторінках нашого журналу. Здавалося б, що ще можна додати до опублікованому? Виявляється, можна! Вміщена нижче стаття підтверджує це: справжній радіоаматор ніяку проблему не поспішає вважати вирішеною...
Вольтметр, встановлений на панель приладів автомобіля, дозволяє оперативно контролювати рівень напруги в його бортової мережі, Від такого приладу не вимагається високої роздільної здатності, зате необхідна можливість легкої і швидкої считываемости показань. Найкращим чином цим умовам відповідає дискретний світлодіодний індикатор напруги. Подібні пристрої отримали досить широке поширення і для оцінки рівня напруги і потужності (в звукопідсилювальної апаратури). Реалізують їх, як правило, двома способами.
Перший докладно описаний в [1]. Суть його в тому, що лінійку світлодіодів підключають до джерела вимірюваного на пряження через многовыходный резистивний дільник напруги. Тут використано порогові властивості світлодіодів, транзисторів і діодів. За простоту такого індикатора доводиться розплачуватися нечітким порогом запалювання світлодіодів (що зазначає автор в [2]). Подібні пристрої в своє час продавалися у вигляді радиоконструктора.
Другий спосіб - застосування для включення кожного світлодіода окремого компаратора, що порівнює частина вхідного сигналу з зразковим (як, наприклад, в [3]), Внаслідок високого коефіцієнта посилення компараторів, найчастіше виконуваних на ОУ, пороги включення і виключення дуже чіткі, але для індикатора потрібно багато мікросхем. Счетверенних ОУ зараз ще дороги, а одна така мікросхема може управляти тільки чотирма світлодіодами.
Нарешті, не можна не відзначити роботу (4), де використано принцип аналого-цифрового перетворення. У цій конструкції чимало переваг, але все-таки забагато деталей, і до того ж неекономічних.
Вольтметр, пропонований вашій увазі, оптимізований в світлі сказаного вище - у ньому чіткі порогові рівні запалювання світлодіодів отримані з допомогою мінімуму дешевих, економічних і широкодоступних елементів. В основу принципу роботи приладу покладено граничні властивості цифрової мікросхеми.
Прилад (див. схему на рис. 1) являє собою шестирівневий індикатор. Для зручності застосування в автомобілі інтервал вимірювання вибрано рівним 10...15 В с кроком в 1 В. Та інтервал, і крок можуть бути легко змінені.
Пороговими пристроями служать шість інверторів DD1,1-DD1.6, кожен з яких являє собою нелінійний підсилювач напруги з великим коефіцієнтом посилення. Пороговий рівень перемикання інверторів - приблизно половина напруги питаниями кросхемы, тому вони як би порівнюють напруга на вході з половиною напруги живлення.
Якщо вхідна напруга інвертора перевищить пороговий рівень, на його виході з'явиться напруга низького рівня. Тому світлодіод, службовець навантаженням інвертора, включиться вихідним (втекающим) струмом. Коли ж на виході інверторів високий рівень, світлодіоди закриті і вимкнені.
З виходів резистивного дільника R1-R7 на вхід надходить інверторів відповідна частка напруги бортової мережі. При зміні бортового напруги пропорційно змінюються і його частки. Напруга живлення інверторів і світлодіодним лінійки стабілізоване микросхемным стабілізатором DA1. Номінали резисторів R1-R7 розраховують таким чином., щоб отримати крок перемикання, рівний 1 Ст.
Конденсатор С2 спільно з резистором R1 утворюють низькочастотний фільтр, пригнічує короткочасні сплески напруги, які можуть виникнути, наприклад, при пуску двигуна. Конденсатор С1 виробник мікросхемних стабілізаторів рекомендує встановлювати для поліпшення їх стійкості на високій частоті. Резистори R8-R13 обмежують вихідний струм інверторів.
Як розрахувати резистори R1-R7? Незважаючи на те, що на вході інверторів DD1.1.-D1.6 встановлені полевыетранзисторы, які вхідного струму практично не споживають, існує так званий струм витоку. Це змушує обирати струм через дільник набагато більшим сумарного струму витоку всіх шести інверторів (не більш 6X10-5 мкА). Мінімальним струм через дільник буде при мінімальному индицируемом напрузі 10 Ст.
Задамо цей струм дорівнює 100 мкА, що приблизно в мільйон разів більше струму витоку. Тоді загальний опір дільника RД=R1+R2+RЗ+R4+R5+R6+R7 (в килоомах, якщо напруга в вольтах, а струм - в миллиамперах) має бути одно: Rд=Uвx min/Imin = 10В/0,1 мА = 100кОм.
Тепер розрахуємо опір кожного з резисторів за умови Uпор=Uжив/2, тобто у випадку, що розглядається Uпор=3 Ст. При вхідній напрузі 15 В на резисторі R7 повинно падати 3 В, а струм через нього (рівний току через весь дільник) Ід=UBX/Rд=15/100 кОм= 0,15 мА=150 мкА, Тоді опір резистора R7: R=Uпоp/Ід; R7=3/0,15 мА=20кОм.
На вході інвертора DD1.5 3 повинно бути при вхідній напрузі Струм через 14 Ст. дільник у цьому випадку Ід=14 В/100 кОм=0,14 мА. Тоді сумарний опір R6+R7=Uпоp/Ід=3/0,14-21,5 кОм.
Звідси R6=21,5-20=1,5 кОм.
Аналогічно визначають опір інших резисторів дільника: R5=UпорхRд/Uвх-(R6+R7)-1,6 кОм; R4-2 кОм, RЗ-2,2 кОм, R2-2.7 кОм і, нарешті, R1=Rд-(R2+RЗ+R4+R5+R6+R7) = 70 кОм-68 кОм.
Взагалі, як відомо, порогове напруга елементів мікросхем КМОП знаходиться в межах від 1/3Uпит до 2/3Uпит. Відомо також, що виготовлені в єдиному технологічному циклі на одному кристалі елементи однієї мікросхеми мають практично однакові значення порога перемикання. Тому для точного установки "початку шкали" вольтметра досить резистор R1 замінити послідовної ланцюгом з підлаштування з розрахованим номіналом і з постійного номіналом в два рази менше розрахункового.
Температурна стабільність приладу досить висока. При зміні температури від -10 до +60 °С поріг спрацьовування змінюється на кілька сотих часток вольта. Микросхемный стабілізатор DА1 також має температурною стабільністю не гірше 30 мВ в межах 0...100 °С.
Вихідна напруга стабілізатора DА1 не повинно оыть менше 6 В, інакше інвертори не зможуть забезпечити необхідний струм через світлодіоди. Інвертори мікросхеми К561ЛН2 допускають вихідний струм до 8 мА. Світлодіоди АЛ307БМ можна замінити будь-якими іншими, перерахувавши номінали токоограничивающих резисторів R8-R13. Конденсатори так само можуть бути будь-якими на номінальну напругу не менше 10 Ст.
Для налагодження зібране пристрій підключають до виходу регульованого джерела напруги, який буде імітувати бортову мережу. Установивши вихідну напруга джерела 10 В, а опір підлаштування резистора на максимум, обертають його движок до моменту включення світлодіода HL1. Ос експериментальні рівні встановлюються автоматично.
Деталі вольтметра змонтовані на друкованій платі з фольгованого склотекстоліти товщиною 1 мм Креслення плати представлений на рис. 2. Вона розрахована на установку підлаштування резистора СПЗ-33, а інших - МЛТ-0,125, конденсатора С1 - KM, С2 - К50-35.
Плата прикріплена до дна коробки з пластика двома гвинтами М2,5 на трубчастих стійках і ще одним таким же, який одночасно притискає до плати мікросхему DA1. Зазначимо, що ця мікросхема встановлена пластмасовою (а не металевою) межею до плати. Між корпусом мікросхеми і платою також встановлена трубчаста стійка, але укорочена.
Висновки світлодіодів перед монтажем згинають на 90 град, з тим, щоб їх оптичні осі були паралельні площині плати. Корпуси світлодіодів повинні виступати за край плати і при остаточній збірці пристрою виходити в отвори, просвердлені в торці коробки.
Стійкість роботи стабілізатора і всього пристрою в загалом буде ще вище, якщо до входу мікросхеми (між вив. 8 і 17) підключити конденсатор ємністю 0,1 мк. Для того щоб убезпечити від стабілізатор випадкових сплесків напруги в бортовій мережі, амплітуда яких може досягати 80 - 00 Ст. паралельно конденсатору слід підключити ще один - оксидний. Він повинен мати ємність не менше 1000 мкФ і номінальна напруга 25 Ст. Цей конденсатор благоприяпто позначиться і на роботі і радіоприймальної звукопідсилювальної автомобільної апаратури.
Література
Автор: О. Клєвцов, м. Дніпропетровськ, Україна