|
Een heel eenvoudige nabouwschakeling, waarmee u door middel van drie LED's de spanning over een 12 V accu in de gaten houdt: te hoog, goed, te laag. De schakeling maakt gebruik van gemakkelijk verkrijgbare onderdelen. Een ontwerpje van een print is bijgevoegd. |
Achtergrondinformatie
Inleiding
Bij auto's, caravans, kampeerauto's en motorboten kan een lege accu zeer onaangename gevolgen hebben. De in dit artikel beschreven schakeling is een zeer eenvoudig hulpmiddel om de energievoorraad van een accu in de gaten te houden. De schakeling wordt verbonden met de accu en zal door middel van drie LED's de waarde van de accuspanning controleren. Twee rode LED's geven respectievelijk aan dat de accuspanning te laag of te hoog is, een derde groene LED brandt als de spanning goed is.
Dat het noodzakelijk is een alarm te sturen als de accuspanning te laag is zal duidelijk zijn. Een dalende spanning is immers het logische gevolg van het ontladen van de accu door de verbruikers. Maar als de accu in een voer- of vaartuig zit waarin de accu tijdens het rijden of varen wordt bijgeladen door een generator kan het ook gebeuren dat de accuspanning te hoog wordt. Dat verschijnsel doet zich voor als de spanningsregulator die de lading beëindigt als de accu vol is het laat afweten. Zoals bekend kan een overladen accu tamelijk veel schade aanrichten omdat het accuzuur dan gaat 'koken' en de 'overgekookte' bijtende vloeistof metalen en andere materialen in de buurt kan aantasten.
Drie LED'jes zijn het best
Een indicatie met slechts drie LED's is voor dit doel veel beter geschikt dan een LED-schaal met tientallen LED'jes. Het menselijke oog is nu eenmaal veel attenter voor het plotsklaps van kleur veranderen van een indicatie dan voor het iets groter of kleiner worden van een thermometer uitlezing.
De auto-accu
Een auto-accu is samengesteld uit zes elementen die bestaan uit platen van zuiver lood en platen van loodperoxyde. Deze platen hangen in een geleidende oplossing van gedestilleerd water en zwavelzuur. Het laden en ontladen van een cel is een vrij ingewikkeld fysisch proces. In het kort komt het er op neer dat bij het laden of ontladen de celspanning over een groot gebied vrij constant blijft, maar vrij snel stijgt op het einde van het laadproces en ook vrij snel daalt bij het einde van het ontlaadproces.
 |
| Het verloop van de accu-spanning bij op- en ontladen. (© 2017 Jos Verstraten) |
De spanning vergelijken met twee referenties
Dank zij deze eigenschappen hebt u dus een zeer eenvoudige indicatie van de ladingsconditie van een accu. Het volstaat de spanning over de accu te vergelijken met twee referentiespanningen, die de grenzen van het toelaatbare gebied definiëren. Zolang de spanning tussen deze grenzen blijft wordt de groene LED gestuurd. Als de spanning onder de onderste of boven de bovenste grens daalt of stijgt, dan moet een van de rode LED's geactiveerd worden. De normale spanning die over een goed geladen accu staat bedraagt ongeveer 12,4 V. Bij maximaal toelaatbare lading stijgt deze spanning tot 14,8 V. Bij maximaal toelaatbare ontlading zakt de spanning tot ongeveer 11,0 V. Hiermee zijn de twee drempels gedefinieerd waarmee u de accuspanning moet vergelijken.
Bespreking van de schakeling
Het blokschema van de schakeling
Het blokschema van de schakeling is getekend in onderstaande figuur. De accuspanning wordt in twee comparatoren of vergelijkers vergeleken met twee drempelspanningen Vref1 en Vref2. De twee uitgangen van deze comparatoren sturen een zogenaamde beslissingsschakeling die uit de informatie afleidt welke van de drie LED's moet worden aangestuurd.
 |
| Het blokschema van de schakeling. (© 2017 Jos Verstraten) |
De comparatoren of vergelijkers
In onderstaande figuur is de comparatorschakeling nog eens getekend, maar nu met een overzicht van de uitgangsspanningen voor de drie toestanden die gedetecteerd moeten worden. Uit dit schema blijkt dat de grootte van de accuspanning wordt omgezet in drie code-combinaties op de twee uitgangen van de comparatoren. Iedere code-combinatie definieert een gebied van de accuspanning. Is deze spanning kleiner dan 11,0 V, dan leveren beide comparatoren een lage uitgangsspanning. De accuspanning wordt immers aangeboden aan de niet-inverterende ingangen van de comparatoren. De twee referentiespanningen van 11,0 V en 14,8 V worden aan de inverterende ingangen van de comparatoren gelegd. De comparatoren leveren een 'nul' als de spanning op de niet-inverterende ingang lager is dan de spanning op de inverterende ingang.
Als de accuspanning tussen de grenzen 11,0 V en 14,8 V ligt, dan wordt UIT1 gelijk aan "hoog" en blijft UIT2 "nul". Als de accuspanning groter wordt dan 14,8 V zijn beide niet-inverterende ingangen positiever dan de inverterende ingangen en leveren beide comparatoren "hoog" op de uitgang.
 |
| De drie toestanden van de twee comparatoren. (© 2017 Jos Verstraten) |
De uitgewerkte comparatorschakeling
De schakeling moet uiteraard gevoed worden uit de accu. Nu is het niet mogelijk met eenvoudige middelen uit een spanning die kan variëren tussen minder dan 11,0 V en meer dan 14,8 V een stabiele referentiespanning van 14,8 V af te leiden. Vandaar dat alle spanningen met een constante factor gereduceerd worden, waardoor de onderlinge verhoudingen tussen de spanningen gerespecteerd blijven, maar de spanningen in het werkbare gebied van de voedingsspanning van de schakeling vallen. Hoe dat in de praktijk wordt gebracht is getekend in onderstaande figuur. De inverterende ingang van de comparator wordt aangesloten op een stabiele zenerspanning. Deze spanning wordt uit de accuspanning afgeleid door via de weerstand R1 een stroom door de zenerdiode te sturen. De zenerdiode heeft een zenerspanning van 6,2 V, omdat deze zeners het stabielste zijn. De niet-inverterende ingang van de comparator wordt aangesloten op een spanningsdeler, geschakeld tussen de massa en de accuspanning. U kunt de twee weerstanden R2 en R3 van deze spanningsdeler zo berekenen dat er precies 6,2 V ontstaat op hun knooppunt als de accuspanning gelijk wordt aan 11,0 V (voor de ene comparator) of 14,8 V (voor de tweede comparator). Tussen de uitgang van de comparator en de niet-inverterende ingang is nog een weerstand R4 geschakeld. Deze zorgt ervoor dat de comparatorschakeling een bepaalde hysteresis verkrijgt. Zonder deze weerstand zal de comparator omschakelen iedere keer als de spanning op de niet-inverterende ingang groter of kleiner wordt dan de zenerspanning. De drempel van dat omschakelen bedraagt slechts een paar millivolt. Nu zal het duidelijk zijn dat de spanning over een ontladende accu niet erg snel de 11,0 V drempel zal overschrijden. Hoewel het met een voltmeter lijkt alsof de klemspanning van de accu zeer constant is zal de spanning toch steeds een paar mV schommelen. Het is bijvoorbeeld voldoende dat er in een van de elementen een gasbel vrijkomt van een plaat om de spanning iets te laten schommelen. Het gevolg is dat zonder speciale maatregelen de uitgangen van de comparatoren een hele tijd heen en weer zouden schakelen tussen de ene en de andere toestand. Ook de LED's zouden dan een hele tijd onrustig aan en uit gaan, wat weliswaar een duidelijke indicatie oplevert dat er iets mis is met de accuspanning, maar toch niet zo fraai is.
 |
| De comparatorschakeling in de praktijk. (© 2017 Jos Verstraten) |
Om dit overgangsverschijnsel te vermijden is de weerstand R4 aangebracht. Deze grote weerstand zorgt voor een bepaalde mate van meekoppeling. Als in het getekende voorbeeld de spanning op de niet-inverterende ingang van de comparator kleiner is dan de zenerspanning, dan zal de uitgang van de comparator 'nul' zijn. Er ontstaat dan een extra spanningsdeler tussen het knooppunt van de twee weerstanden en de uitgang van de comparator. Het gevolg is dat de spanning op het knooppunt van R2 en R3 lager zal zijn dan het geval is als de weerstand R4 niet aanwezig is. Als de spanning op de niet-inverterende ingang gelijk wordt aan de zenerspanning, dan zal de comparator omklappen met als gevolg dat de spanning op de uitgang gelijk wordt aan 'hoog'. Door de weerstand R4 wordt een gedeelte van deze spanningssprong teruggekoppeld naar de niet-inverterende ingang van de comparator. De spanning op dat punt wordt dus opeens iets groter dan de zenerspanning, waardoor het kritische omschakelpunt flink overschreden wordt. Het gevolg is dat de comparator onmiddellijk naar een stabiele toestand schakelt en de uitgang 'hoog' blijft, ook al zou de accuspanning kleine schommelingen vertonen.
De beslissingsschakeling
Het principe van de beslissingsschakeling is getekend in onderstaande figuur. In feite kunnen de comparatoren opgevat worden als elektronische schakelaars, die hun uitgang omschakelen tussen de massa en de accuspanning. De uitgang 'nul' komt immers overeen met het massapotentiaal, de uitgang 'hoog' met de voedingsspanning. Men kan dus deze schakelingen vervangen door omschakelaars. De beslissingsschakeling bestaat uit niets meer dan de serieschakeling van de drie LED's, ieder met een eigen stroombegrenzingsweerstand. De twee knooppunten van deze serieschakeling gaan naar de uitgangen van de comparatoren.
 |
| De drie toestanden van de beslissingsschakeling. (© 2017 Jos Verstraten) |
In de figuur zijn de drie verschillende toestanden waarin de schakeling kan verkeren
getekend.
- In de linker figuur zijn beide comparator-uitgangen 'nul', hetgeen overeen komt met een accuspanning kleiner dan 11,0 V. De schakelaar S1 sluit de kathode van de LED D1 kort naar de massa. Er gaat een stroom vloeien van de accuspanning naar de massa door de weerstand R1 en de LED D1. Deze LED gaat bijgevolg branden. Omdat de kathode van D1 op massapotentiaal staat is er geen spanning beschikbaar voor het sturen van D2 en D3. Deze LED's blijven gedoofd.
- In de middelste figuur is de situatie getekend als de accuspanning zich in het toegelaten bereik tussen 11,0 V en 14,8 V bevindt. De kring R1/D1 wordt nu kortgesloten door de bovenste schakelaar, met als gevolg dat LED D1 dooft. Er gaat nu echter een stroom vloeien door R2 en D2, zodat deze LED gaat branden. Voor de onderste LED D3 is nog steeds geen spanning beschikbaar, zodat deze gedoofd blijft.
- In de rechter figuur is de situatie getekend die ontstaat als de accuspanning groter is dan 14,8 V. De twee schakelaars schakelen naar 'hoog', de LED's D1 en D2 worden kortgesloten. Er vloeit nu echter een stroom door R3 en D3, zodat deze LED gaat oplichten.
Het volledige schema van de schakeling
Het volledig schema van het accuspanning-alarm is getekend in onderstaande figuur. De accuspanning wordt in eerste instantie door een filtertje R1/C1 gestuurd, dat eventueel op deze spanning aanwezige stoorsignalen zoals van de ontsteking afvlakt. Nadien wordt uit deze spanning een stabiele referentiespanning van 6,2 V afgeleid. De inverterende ingangen van de operationele versterkers die als comparatoren worden gebruikt gaan rechtstreeks naar deze referentie.
 |
| Het volledig schema van de schakeling. (© 2017 Jos Verstraten) |
De niet-inverterende ingangen zijn aangesloten op instelbare spanningsdelers. Door het verdraaien van de lopers van de instelpotentiometers R4 en R7 kunt u de twee drempels op de juiste waarde instellen.
In de beslissingsschakeling zijn kleine zenerdioden van 4,7 V in serie met de LED's geschakeld. Deze componenten zijn noodzakelijk voor het compenseren van het niet ideale schakelgedrag van de operationele versterkers. Als de uitgang van zo'n 741 schakeling naar 'nul' gaat zal namelijk niet echt naar het massapotentiaal geschakeld worden. De minimale uitgangsspanning van dit type op-amp is ongeveer 2,7 V. Zonder deze zenerdioden zouden de LED's die niet mogen branden toch zwakjes oplichten. Met deze zeners verhoogt u als het ware de brandspanning van de LED's van 1,5 V tot 6 V.
De bouw van de schakeling
In de onderstaande twee figuren zijn het printontwerpje en de componentenopstelling getekend. Voor de twee instelpotentiometers moet u staande modellen gebruiken met een raster van 10 mm x 5 mm. De + en de -, links op de print, moet u verbinden met de te bewaken accu. Uiteraard moet dat gebeuren na een eventuele hoofdschakelaar! U kunt deze twee aansluitingen voorzien van soldeerlipjes. Handiger is het gebruik te maken van een printkroonsteentje. U hebt dan bij de montage van de schakeling in auto of caravan geen soldeerbout nodig! De drie LED'jes kunnen rechtstreeks in het printje worden gesoldeerd. De plus moet uiteraard verbonden worden met de anode van deze onderdelen.
 |
| Het printje van de schakeling. (© 2017 Jos Verstraten) |
 |
| De componentenopstelling van de print. (© 2017 Jos Verstraten) |
Afregelen van de schakeling
- Verbind de schakeling met een voeding waarvan de uitgangsspanning regelbaar is.
- Stel de uitgangsspanning van deze voeding in op 13 V en draai de potentiometer van de voeding langzaam terug tot het apparaat precies 11,0 V levert.
- Regel nu instelpotentiometer R4 af tot de LED 'TE LAAG' gaat branden.
- Verhoog de uitgangsspanning van de voeding tot 14,8 V.
- Herhaal de procedure met R7 tot de LED 'TE HOOG' gaat branden.
- Tot slot zet u de uitgangsspanning van de voeding opnieuw op 13 V.
- De groene LED moet nu branden.
PIC Microcontrollers
