Индикатор уровня напряжения аккумулятора на светодиодах и ОУ LM339
Сейчас вольтметр на приборной панели автомобиля — большая редкость. Все больше лампочки с изображением аккумулятора. Лампочка эта загорается когда нет зарядки аккумулятора. И все же, нужен хотя бы какой-то индикатор, показывающий ориентировочно напряжение.
Здесь приводится схема хорошо проверенного автомобильного индикатора напряжения, который можно применять и для других целей. Схема состоит из четырех компараторов микросхемы LM339. Соответственно, получается четырехпороговое устройство индикации.
Особенность схемы в том, что порог напряжения для каждого светодиода можно установить произвольно, причем делается это очень легко и не требует какого-либо вторжения в схему. Нужно всего-то подать на схему напряжение и покрутить один из подстроечных резисторов так, чтобы при этом напряжение загорался соответствующий светодиод. Практически, можно задать любые пороги для четырех светодиодных индикаторов, и даже в любом порядке.
При этом нижний предел ограничивается напряжением 6V (напряжение, при котором еще хорошо работает ИМС LM339), а верхний зависит от сопротивления R6, величина которого в килоомах должна быть равна верхнему пределу напряжения в вольтах. Еще нужно учесть, что верхнее напряжение не должно быть более 30В (максимум напряжения питания ИМС LM339).
Схема питается от измеряемого напряжения. На прямые входы компараторов поступает напряжение с подстроечных резисторов R2-R5. Для каждого из компараторов можно установить свое опорное напряжение.
Чтобы опорное напряжение не менялось при изменении напряжения питания, оно стабилизировано стабилитроном VD1. Измеряемое напряжение поступает на соединенные вместе инверсные входы компараторов через делитель на резисторах R6 и R7.
Светодиоды можно заменить любыми индикаторными. Если предполагается измерять напряжение более 20V желательно несколько увеличить сопротивления резисторов R8-R11 чтобы не возникало перегрузки по току выходов компараторов. Если требуется большая точность задания порогов нужно чтобы подстроечные резисторы были многооборотными.
Клотов Н. РК-2016-01.
- Схема таймера для зарядки автомобильных аккумуляторов (реле времени)
- Инфракрасный датчик расстояния с светодиодным индикатором
- Простое зарядное устройство для аккумуляторов (до 55Ач)
- Схемы индикаторов-браслетов для электромонтажника
LM339 схема компаратора
Несмотря на простоту, компараторы — куда более интересные разновидности операционных усилителей, чем может показаться при первом знакомстве с ними. Убедимся в этом на примере широко известной микросхемы компаратора LM339.
Data Sheet, распиновка LM339
В микросборке LM339, содержит внутри себя целых четыре компаратора. Данная микросхема выпускается как в виде SMD-элемента, так и для монтажа в классическом DIP исполнении через отверстия на печатной плате. Назначение выводов у чипа LM339 следующая:
Схема компаратора на LM339
Рядовой компаратор имеет два входа, обозначаемые на принципиальных схемах знаками минус (инвертирующий) и плюс (неинвертирующий вход), и один выход. Для нормальной работы выход обязательно должен быть подсоединен к плюсу блока питания через подтягивающее сопротивление. Работает компаратор так. На инвертирующий вход подключают эталонное напряжение. Когда напряжение на втором входе больше эталонного, выход имеет высокое напряжение. Если же уровень на неинвертирующем входе ниже эталонного, выход имеет низкий уровень. Проще говоря, компаратор сравнивает два значения и на выходе определяет, какое из них больше. Входы компаратора можно применять и наоборот, тогда выход будет считаться инвертированным.
На практике компараторы LM339 чаще всего используют так:
В левой части схемы показан компаратор, чей выход подключен к неинвертирующему входу через резистор. Это — положительная обратная связь (ПОС). Благодаря ей можно добиться гистерезиса. То есть, если напруга на неинвертирующем входе будет колебаться в некотором интервале возле эталонного значения, выход компаратора не будет постоянно изменяться.
В правой части схемы выше, изображен двухпороговый компаратор. Если вход схемы, показанный на рисунке, как signal, имеет напряжение между low и high, на выходе схемы образуется высокий уровень. Иначе — низкий.
Компаратор на LM339 можно использовать в роли преобразователя уровня сигнала.
Сигнализатор низкого напряжения на компараторе
Схема подойдет для мониторинга уровня заряда аккумуляторной батареи и аналогичных целей где необходимо отслеживать изменение напряжения от установленного значения. При снижении порогового уровня, который задается сопротивлением R2, начинает светится светодиод.
Светодиодный индикатор уровня звука на операционном усилителе с ПОС LM339
Основа схемы микросхема LM339 который представляет собой счетверенный компаратор. Напряжение идущее на вход индикатора удваивается при помощи диодов VD1 и VD2 и емкостей С1 и С2, далее оно следует на стабилизатор 78L05 применяемый для питания ОУ LM339 и на инверсные входы компараторов через делитель напряжения на резисторах R6 и R7. При помощи подстроечных резисторов R2-R5 каждый компаратор регулируется на срабатывание при любой требуемом уровне. При срабатывании компаратора загорается соответствующий светодиод.
Компаратор напряжения LM339N
Операционный усилитель представляет собой счетверенный компаратор напряжения, используемый в электронике для создания схем функциональных генераторов в устройствах автоматики и прочей техники.
Здесь вы сможете скачать DataSheet на популярную микросхему LM339N, а также посмотреть его подробные параметры и технические характеристики, в удобном формате PDF.
Справочник, распиновка LM339N
В микросборке LM339N, имеется целых четыре компаратора. Данная микросхема выпускается как в виде SMD-элемента, так и для монтажа в классическом DIP исполнении через отверстия на печатной плате. Назначение выводов у чипа LM339N в соответствии с рисунком выше.
Чип выпускается как в стандартной пластиковой упаковке для дырочного монтажа PDIP, и в смд вариантах для поверхностного монтажа – SOIC, SOP, SSOP. (подробней в справочнике по корпусам микросхем).
Основные технические параметры и свойства LM339N
Данную серию операционных усилителей нельзя применять в режиме линейного усиления как обычный ОУ. В основном они затачивались на роль электронного ключа, предъявляя ему немного другие параметры. Одним из главных, для LM339N — высокое быстродействие.
Максимальные параметры компаратора:
Ток на выходе до 20 мА
Постоянное питающее напряжение до 36 В (или ± 18 В)
Диапазон синфазного U от -0,3 В до +36 В
Дифференциальное U на входе (VIN) от -36 В до +36 В;
Максимальная температура которую способен выдержать кристалл до 150 градусов Цельсия
Остальные технические параметры смотри в справочном руководстве datasheet.
Принцип работы компаратора на LM339N
В основе работы каждого из четырех входящих в микросборку компараторов лежит простейший операционный усилитель, работающий в режиме переключателя с большой скоростью.
Рядовой компаратор имеет два входа, обозначаемые на принципиальных схемах знаками минус (инвертирующий) и плюс (неинвертирующий вход), и один выход. Для нормальной работы выход обязательно должен быть подсоединен к плюсу блока питания через подтягивающее сопротивление. Работает компаратор так. На инвертирующий вход подключают эталонное напряжение. Когда напряжение на втором входе больше эталонного, выход имеет высокое напряжение. Если же уровень на неинвертирующем входе ниже эталонного, выход имеет низкий уровень. Проще говоря, компаратор сравнивает два значения и на выходе определяет, какое из них больше. Входы компаратора можно применять и наоборот, тогда выход будет считаться инвертированным.
На практике компараторы LM339N чаще всего используют так:
В левой части схемы показан компаратор, чей выход подключен к неинвертирующему входу через резистор. Это — положительная обратная связь (ПОС). Благодаря ей можно добиться гистерезиса. То есть, если напруга на неинвертирующем входе будет колебаться в некотором интервале возле эталонного значения, выход компаратора не будет постоянно изменяться.
В правой части схемы выше, изображен двухпороговый компаратор. Если вход схемы, показанный на рисунке, как signal, имеет напряжение между low и high, на выходе схемы образуется высокий уровень. Иначе — низкий.
Компаратор на LM339N можно использовать в роли преобразователя уровня сигнала.
Аналоги микросхемы LM339N
Зарубежные KIA339, HA17339A, UPC339GR. Хуже по техническим параметрам, но в некоторых случаях можно использовать для замены: китайская SDP339 или узбекская К1401СА1 смотри datasheet на них.
Светодиодный индикатор уровня звука на операционном усилителе с ПОС LM339N
Основа схемы микросхема LM339N который представляет собой счетверенный компаратор. Напряжение идущее на вход индикатора удваивается при помощи диодов VD1 и VD2 и емкостей С1 и С2, далее оно следует на стабилизатор 78L05 применяемый для питания ОУ LM339N и на инверсные входы компараторов через делитель напряжения на резисторах R6 и R7. При помощи подстроечных резисторов R2-R5 каждый компаратор регулируется на срабатывание при любой требуемом уровне. При срабатывании компаратора загорается соответствующий светодиод.
Записки программиста
Ранее мы с вами познакомились с такими интегральными схемами, как таймер 555, счетчик 4026, логические вентили, а также сдвиговые регистры и декодеры. Теперь же пришло время узнать о компараторах. Несмотря на кажущуюся простоту, компараторы — куда более интересные устройства, чем может показаться на первый взгляд.
Крайне наглядная картинка, объясняющая работу компаратора, была найдена в книге Чарльза Платта Электроника: логические микросхемы, усилители и датчики для начинающих. С некоторыми изменениями эта иллюстрация приведена ниже:
Компаратор имеет два входа, обозначаемые знаками минус (инвертирующий вход) и плюс (неинвертирующий вход), и один выход. Для нормальной работы выход компаратора обязательно должен быть подключен к плюсу источника питания через подтягивающий резистор. Почему нельзя было сделать это просто внутри микросхемы, скоро станет понятно.
Используется компаратор следующим образом. На инвертирующий вход подается эталонное напряжение. Когда напряжение на втором, неинвертирующем, входе больше эталонного, выход компаратора имеет высокое напряжение. Если же напряжение на неинвертирующем входе ниже эталонного, выход компаратора имеет низкое напряжение. Проще говоря, компаратор сравнивает два значения напряжения и на выходе говорит, какое больше. Входы компаратора можно использовать и наоборот, тогда выход компаратора будет инвертирован.
В качестве типичной микросхемы, содержащей внутри себя целых 4 компаратора, можно назвать LM339. Данный чип выпускается как в виде SMD-компонента, так и варианте для монтажа через отверстия. Распиновка у LM339 следующая:
На практике компараторы чаще всего используют одним из следующих образов:
Важно! По неудачному стечению обстоятельств, компаратор обозначается на схемах точно так же, как и операционный усилитель. Однако операционные усилители работают иначе, нежели компараторы, и их не следует путать. Определить, что именно используется в схеме, обычно можно по указанному названию чипа.
В левой части схемы изображен компаратор, чей выход соединяется с неинвертирующим входом через потенциометр или резистор. Это — так называемая положительная обратная связь. Благодаря ей достигается гистерезис. То есть, если напряжение на неинвертирующем входе будет колебаться в некотором коридоре возле эталонного, выход компаратора не будет постоянно изменяться. Если помните, триггер Шмитта (чип 74HC14) делает то же самое.
Что же касается правой части схемы, на ней изображена схема двухпорогового компаратора. Если вход схемы, обозначенный, как signal, имеет напряжение между low и high, на выходе схемы образуется высокое напряжение. В противном случае напряжение на выходе низкое.
На следующем фото изображена первая схема, собранная на макетной плате:
Потенциометр слева задает напряжение на инвертирующем входе, а потенциометр справа — на неинвертирующем. Потенциометр по центру участвует в положительной обратной связи. Напряжение на обоих входах отображается при помощи миниатюрных цифровых вольтметров. Поскольку напряжение на неинвертирующем входе выше эталонного, светодиод, подключенный к выходу компаратора, горит.
Обратите внимание, что на входы неиспользованных компараторов также подается высокое и низкое напряжение. Это увеличивает надежность работы схемы и уменьшает потребляемую ею электроэнергию. Не имеет значения, на какой из входов подается высокое напряжение, а на какой — низкое. Главное, чтобы выход каждого отдельного компаратора был строго определен.
Вторую схему в собранном виде здесь я не привожу. Вам придется поверить мне на слово, что она работает.
Помимо всех озвученных выше, следует иметь в виду еще пару важных моментов:
- Через компаратор не следует пропускать слишком большой ток. Ток больше 20 мА может его сжечь;
- Напряжение на выходе компаратора может быть как выше, так и ниже напряжения на любом из входов. То есть, выход можно питать от совершенно другого источника питания. А питание на саму микросхему при этом может идти от третьего. Для правильной работы микросхемы нужно только, чтобы все эти источники имели общую землю;
Последнее обстоятельство позволяет использовать компаратор в качестве преобразователя уровня сигнала. Кроме того, теперь наконец-то стало ясно, зачем были все эти сложности со внешним подтягивающим резистором.
Вообще, компаратор можно рассматривать, как очень простой вольтметр или АЦП. В частности, с его помощью не представляет труда собрать индикатор уровня заряда Li-Ion аккумулятора. Если же у вас есть лишний фоторезистор (см заметку Мои первые страшные опыты с Arduino) или фототранзистор, на базе компаратора можно сделать датчик освещения. Если же вместо фоторезистора воспользоваться термометром типа TMP36, можно собрать устройство, управляющее кулером или кондиционером, способное регулировать температуру.
Наконец, компаратор можно использовать в качестве логического элемента НЕ, а также, если соединить выходы нескольких компараторов, в качестве И. Отсюда несложно получить ИЛИ, по форуме x || y = !(!x && !y) , ровно как и любую другую булеву функцию. Само собой разумеется, при желании можно придумать и другие применения.
Вы можете прислать свой комментарий мне на почту, или воспользоваться комментариями в Telegram-группе.