Рис.1. Приципиальная схема индикатора
В свое время у радиолюбителей были очень популярны различные конструкции индикаторов напряжения. И это не удивительно — при относительной их простоте и минимуме затрат можно быстро получить "видимый" результат. Что касается автолюбителей, то, по наблюдениям автора, у них подобные конструкции интереса не вызывали. Они требовали переделки приборной панели автомобиля или размещения на ней отдельного блока, к тому же, отвлекали внимание водителя. С другой стороны, автолюбители не видели необходимости что-либо переделывать в этом плане, поскольку полностью полагались на штатные приборы: амперметр, вольтметр и/или контрольную лампу. Между тем, контрольная лампа и амперметр в большинстве случаев регистрируют только направление тока в системе "Аккумуляторная батарея (АБ) — генератор" и не позволяют судить о качественных изменениях в ней.
Автор просмотрел публикации по данной теме за последние примерно 20 лет и пришел к выводу, что наиболее удачной конструкцией до сих пор остается индикатор напряжения Е.Климчука [1]. Указанный индикатор работает с одной штатной контрольной лампой, которая имеется практически на любом транспортном средстве, в том числе и на мотоциклах. При этом он позволяет регистрировать с высокой степенью точности четыре основных режима работы системы "АБ-генератор". Такое количество режимов, как показывает практика, оптимально. Кстати, водителю практически не требуется менять психологию восприятия: к привычным режимам работы контрольной лампы добавляются еще два четко различимых генераторных режима.
Что касается пользы этого индикатора, то весьма любопытен случай, произошедший с автором. В дороге на автомобиле ГАЗ-2410 стала вспыхивать контрольная лампа, причем в моменты, когда машину встряхивало на ухабах. Проверка натяжения приводного ремня генератора результатов не дала. И только осмотр машины на яме выявил неожиданную неисправность - потерю нижнего болта крепления генератора. Поскольку генератор нижней частью упирался в двигатель, ослабления натяжения ремня не чувствовалось. Однако, на неровностях дороги, очевидно, начинала "играть" верхняя планка крепления генератора, и происходило кратковременное проскальзывание ремня. Этого было достаточно для регистрации провалов напряжения. Самое любопытное, что на протяжении длительного времени выпуска указанной модели на ней устанавливалась контрольная лампа, которая загоралась только при нажатии на клавишу проверки ламп приборной панели. Никакого устройства управления ее работой заводом так и не было предусмотрено. Наличие же амперметра с длиной шкалы около 40 мм и максимальным током отклонения ±50 А на практике оказалось бесполезным. Например, до установки индикатора отказ регулятора напряжения был замечен слишком поздно, когда АБ уже практически полностью разрядилась.
Указанный индикатор напряжения надежно работает на автомобиле до сих пор. Поскольку публикации по данной теме продолжают появляться в радиолюбительской литературе (например, [2]), хочу еще раз вернуться к хорошо зарекомендовавшей себя конструкции. В новом варианте индикатора полностью изменена цифровая часть.
Основу предлагаемой схемы индикатора (рис.1), как и в прототипе, составляет сдвоенный компаратор напряжения, собранный на микросхеме DA1. Единственное его отличие - использование низкого (а не высокого) уровня напряжения для получения дополнительной логической комбинации, что повышает стабильность формируемого порога напряжения. Напряжение на неинвертирующих входах компараторов стабилизировано параметрическим стабилизатором VD1-R5. Примененная микросхема DA1 работоспособна в широком диапазоне входных напряжений (от 0 до 32 В), но для правильной работы компаратора необходимо, чтобы напряжение на одном из входов каждого ОУ было не менее чем на 1,5 В меньше напряжения питания (без учета падения напряжения на резисторе R11), что и обеспечивается соответствующим включением стабилитрона VD1.
Рис.1. Приципиальная схема индикатора
Напряжения на инвертирующих входах компараторов задаются при настройке делителями R1-R2 и R3-R4. Для компаратора DA1.1 напряжение на инвертирующем входе, благодаря наличию связи с выходом DA1.2 через цепочку VD2-R9, может принимать два значения. Таким образом, по мере повышения напряжения питания, на выходах компараторов последовательно формируются четыре логические комбинации: 00, 10, 01, 11. В соответствии с этими комбинациями цифровая часть индикатора обеспечивает 4 режима работы контрольной лампы.
Предложенный Е.Климчуком алгоритм работы индикатора на практике оказался весьма удачным. Более высокая частота работы индикаторной лампы моментально сигнализирует об опасном напряжении в бортовой сети, а более низкая предупреждает о недопустимой степени разрядки АБ.
Цифровая часть индикатора построена на недорогом таймере DD2 (МС14541В), назначение выводов которого приведено в табл.1.
| Вывод | Состояние | ||
|---|---|---|---|
| № | Наименование | "0" | "1" |
| 5 | AUTO RESET | Автоматический сброс работает | Автоматический сброс отключен |
| 6 | MASTER RESET | Работает таймер | Включен сброс |
| 9 | Q/Q SELECT | После сброса на выходе лог. 0 | После сброса на выходе лог. 1 |
| 10 | MODE | Одиночный импульс | Повторяющийся импульс |
Примечания:
| |||
| А | B | Коэффициент деления |
|---|---|---|
| 1 | 0 | 28 = 256 |
| 0 | 1 | 210 = 1024 |
| 0 | 0 | 213 = 8192 |
| 1 | 1 | 216 = 65536 |
К сожалению, логические уровни на выходах сдвоенного компаратора не позволяют сразу получить желаемую последовательность режимов работы таймера (табл.3). Поэтому в схему введены элементы ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ (микросхема DD1). При разных логических уровнях на выходах компараторов элемент DD1.2 формирует высокий логический уровень, приводящий к сбросу внутреннего счетчика таймера и остановке генератора. В этом состоянии таймера его выходное напряжение совпадает с логическим уровнем на входе SE. Соответственно, лампа либо горит, либо погашена. Требуемому порядку переключения лампы отвечает логический уровень на выходе компаратора DA1.1. В крайних режимах индикатора (на входе MR — "0") начинает работать внутренний генератор таймера. Частота генерации на выходе таймера зависит от логической комбинации на входах А и В. Поскольку в этом режиме логические уровни на выходах компараторов одинаковы и совпадают с требуемым уровнем на входе А таймера, то для входа В сигнал инвертируется элементом DD1.1.
| Выходы DА1 | Входы DD2 | Выход DD2 (режим) | |||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| DA1.1 | DA1.2 | А | B | MR | SE | Q | Состояние лампы |
| 1 | 1 | 1 | 0 | 0 | 1* | Импульсы | Мигает (F=3 Гц) |
| 0 | 1 | 1* | 0* | 1 | 0 | 0 | Погашена |
| 1 | 0 | 0* | 1* | 1 | 1 | 1 | Горит постоянно |
| 0 | 0 | 0 | 1 | 0 | 0* | Импульсы | Мигает (F=0,75 Гц) |
| Примечание: "*" — логический уровень для данного режима значения не имеет. | |||||||
Помеченные звездочкой в табл.3 логические уровни выбраны не случайно. Хотя на работе индикатора в целом они не сказываются, все же предпочтительно, чтобы до начала работы генератора уровни на входах А и В уже были установлены во избежание ненужного "дребезга" внутри таймера. Указанные в таблице уровни на входе SE позволяют начать генераторный режим с моментального переключения лампы, не дожидаясь появления первого импульса. Так, если в предшествующем состоянии лампа была выключена, генераторный режим начнется с ее загорания, и наоборот.
На элементах DD1.3 и DD1.4 собран звуковой генератор. Его включение происходит только в генераторных режимах работы индикатора при наличии уровня "0" на входе 12 и "1" на входе 8. Поэтому крайние режимы можно отличить и на слух.
Данная схема предназначена для автомобилей, у которых контрольная лампа соединена с "+" источника питания (через контакты замка зажигания). Между тем, на некоторых старых моделях, например ВАЗ-2101, контрольная лампа на приборной панели разбирать приборный щиток, в этом случае достаточно заменить транзистор VT1 на КТ973А, а для инвертирования выходного сигнала таймера добавить транзистор VT2 (рис.2).
Эмиттер транзистора VT1 в этом случае необходимо соединить с "+" питания через замок зажигания, а коллектор - со свободным выводом лампы (оба провода на указанной выше модели выведены в моторный отсек). Резистор R17, показанный на рис.2 пунктирной линией, может понадобиться при применении в качестве VT1 транзисторов другого типа, например, КТ814, КТ816. В составном транзисторе КТ973А такой резистор уже имеется.
Печатная плата устройства (рис.3) изготовлена из одностороннего фольгированного стеклотекстолита и рассчитана на оба варианта подключения контрольной лампы. В первом варианте необходимо перемкнуть перемычкой зачерненные на рис.3 контактные площадки, во втором - необходимо установить дополнительные детали: транзистор VT2, резистор R16 и, при необходимости, R17, который распаивают непосредственно на выводах транзистора VT1 либо на плате со стороны печатных проводников. В последнем случае удобно воспользоваться таким способом. У резистора с номинальной мощностью 0,125 Вт откусывают выводы и удаляют защитную краску с торцевых чашечек. Чашечки зачищают мелкой наждачной бумагой, например, зажав резистор в патроне микродрели. Подготовленный таким способом резистор припаивают чашечками к контактным площадкам платы либо к выводам транзистора.
Рис.3. Печатная плата устройства
Стабилитрон VD1 и резистор R7 устанавливаются на плату до монтажа микросхемы DA1. Конденсатор С1 - К53-1А, остальные - любые керамические. Свободные выводы 4 и 11 микросхемы DD2 лучше удалить. Хотя они являются всего лишь технологической частью корпуса, присутствие на них каких-либо сигналов нежелательно. Пьезоизлучатель НА1 может быть и другого типа.
Налаживание индикатора целесообразно начать с установки порогов срабатывания компараторов, т.е. напряжений питания (АБ), при которых происходит смена режимов работы контрольной лампы Uпор.1...Uпор.3. Для этого необходим источник питания с плавно регулируемым выходным напряжением 10...15 В, цифровой мультиметр и, желательно, осциллограф. Резисторы, определяющие пороги компарирования (R2, R4 и R9), устанавливаются по мере их подборки. Вначале вместо R4 запаивают подстроечный резистор (желательно многооборотный) и, установив напряжение на выводах "АБ" схемы, равное Uпор.3, вращением движка R4 добиваются переключения компаратора DA1.1, контролируя напряжение на его выходе с помощью осциллографа. Затем плавно изменяют напряжение, уточняя верхний и нижний порог переключения DA1, т.к. компараторы для более четкого переключения охвачены положительной обратной связью через цепочки R6-R8 и R7-R10. Проделать эту операцию лучше несколько раз, изменяя Uпор.
После этого выпаивают подстроечный резистор, измеряют его сопротивление и заменяют постоянным с таким же значением. В принципе, подбираемый резистор можно составить из двух. Применение подстроечных резисторов не рекомендуется.
Затем аналогичным образом подбирают резистор R2 при напряжении питания Uпор.2. добиваясь переключения компаратора DA1.2. И в заключение подбирают R9, добиваясь переключения компаратора DA1.1, но уже при напряжении питанияUпор.1
Сопротивление R15 в звуковом генераторе может отличаться от указанного на схеме, особенно в случае применения другого типа пьезоизлучателя. Его подбирают по максимальной громкости пьезоизлучателя.
Напряжения Uпор.2 и Uпор.3 целесообразно выбрать равными крайним значениям диапазона, обеспечиваемого регулятором напряжения. Этот диапазон обычно указывается в эксплуатационном пособии на автомобиль либо в паспорте на регулятор напряжения. Следует учесть, что в промышленных регуляторах напряжения указанный диапазон, как правило, соответствует технологическому разбросу параметров при производстве, а не фактическому изменению напряжения от температуры. При работе индикатора с полностью термокомпенсированным регулятором напряжения выбор указанных порогов компарирования усложняется. Поэтому можно просто порекомендовать радиолюбителям выбрать Uпор.2 = 13,6 В, Uпор.3 = 14,6 В. В указанный диапазон укладывается большинство промышленных регуляторов напряжения.
Что касается термокомпенсированных регуляторов напряжения, то индикатор работает у меня совместно с регулятором напряжения [3]. В холодную погоду (около -30°С) при запуске двигателя контрольная лампа начинает мигать с повышенной частотой, сигнализируя о высоком напряжении (как известно, при низких температурах напряжение на клеммах АБ необходимо увеличивать). После прогрева подкапотного пространства, а следовательно, и АБ, лампа гаснет. Первоначально подобное поведение лампы вызывало тревогу, но очень скоро такой режим стал даже удобным - он свидетельствует о работоспособности термокомпенсатора. В умеренную погоду индикатор работает в обычном режиме.
С выбором Uпор.1 дело обстоит еще сложнее. На первый взгляд, можно установить Uпор.1, соответствующее 50% степени разряженности АБ (как известно, напряжение связано с плотностью электролита практически линейной зависимостью). Но это напряжение сильно зависит от температуры электролита. Есть и другой немаловажный фактор. Напомню, что для повышения точности измерения питание на индикатор следует подавать непосредственно с клемм АБ. Контрольная же лампа включается при повороте замка зажигания. При этом к АБ подключается и значительная нагрузка - обмотка возбуждения генератора (не исключается и ток через первичную обмотку катушки зажигания). Можно, конечно, применить отдельный выключатель для питания лампы, но это не совсем удобно. Лучше в конструкции регулятора напряжения предусмотреть включение обмотки возбуждения после запуска двигателя [4] или даже после достижения двигателем минимально необходимой для возбуждения генератора частоты вращения [5].
Можно поступить и так: выбрать день со среднестатистической температурой, разрядить нагрузочной вилкой АБ до желаемого уровня и установить на автомобиль. После этого повернуть ключ замка зажигания (без запуска двигателя) и цифровым вольтметром измерить напряжение на клеммах АБ. На полученное значение и настроить Uпор.1. В крайнем случае, можно рекомендовать Uпор.1 = 12,0...12,6 B.
Конструктивно индикатор напряжения выполнен, как это описано в [6]. Общим проводом служит корпус индикатора. Индикатор лучше установить в салоне автомобиля, избегая соседства с отопителем. Проводник, соединяющий индикатор с АБ, стоит припаять к плате (без разъема), а на другом конце припаять лепесток под клемму АБ. Для облегчения снятия АБ с автомобиля лепесток можно надеть на клемму стартера, связанную "мощным" проводом с клеммой"+" АБ.
Предлагаемая схема работоспособна в диапазоне напряжений питания от 3 до 18 В. Температурный диапазон зависит от исполнения микросхемы DA1 и составляет от 0°С до +70°С (LM358) и от -55°С до +125°С (LM158).
Источники
Автор: А.МАРТЕМЬЯНОВ, г.Северск