|
In een ander artikel hebben wij een universele LED-meter beschreven. In dít artikel wordt deze schakeling uitgebreid met een klein extra printje, waarmee u de conditie van een 12 V accu kunt meten. Door het onderdrukken van het nulpunt kunt u de grootte van de accuspanning nauwkeurig meten op een LED-kolom. |
Het onderdrukken van het nulpunt
Van 9 V tot 16,5 V
Het handige van deze schakeling is dat het meetbereik van de uitlezing loopt van kleiner dan 9 V (eerste LED) tot groter dan 16,5 V (laatste LED). Alleen het in de praktijk bruikbare deel van de schaal wordt dus gebruikt. De schaal van de meter wordt uitgerekt, wat de nauwkeurigheid ten goede komt. Iedere LED reageert op een halve volt spanningsverschil aan de ingang van de schakeling. De indeling van de schaal van 9 V tot 16,5 V heeft als verder voordeel dat u door middel van twee verschillende kleuren LED's kunt aangeven of de accuspanning goed dan wel verdacht is. De eerste vijf LED's van de uitlezing zijn rood. Deze geven aan dat de accuspanning kleiner is dan 11,0 V. Het bereik dat door de zeven volgende LED's wordt gedekt is het normale spanningsgebied van een accu, zodoende worden hiervoor groene LED's gebruikt. De vier laatste LED's zijn weer rood, omdat deze halfgeleiders reageren op accuspanningen, die ontstaan door te hoge spanning van de batterij.
De schakeling is ondergebracht op een printje met dezelfde afmetingen als dat van de uitleesprint. U kunt het geheel kan samenbouwen tot een compact apparaatje.
De traditionele manier van de accuspanning meten
In onderstaande figuur is de meest eenvoudige methode getekend om door middel van de LED-meter van het artikel 'Zestien LED bar/dot-display' de grootte van een accuspanning te meten. Door middel van een spanningsdeler R1-R2 wordt de te meten spanning gereduceerd tot ze binnen de meetgrenzen van de UAA170-schakeling valt. De gevoeligheid van de meter is immers 5 V, zodat u de accuspanning meer dan een factor drie moet verkleinen. De ijking van de 16 LED's is in dezelfde figuur getekend. Het spanningsbereik loopt van kleiner dan 1 V tot groter dan 16 V, zodat iedere LED reageert op 1 V spanningsvariatie. Omdat echter de spanning over de accuklemmen nooit kleiner wordt dan 11 V, zullen de eerste elf LED's van de uitlezing nooit branden. Het interessante bereik van de uitlezing bestaat dus uit slechts drie LED's. Niet erg praktisch!
 |
| De normale manier waarop u met de LED-meter de accuspanning kunt meten. (© 2018 Jos Verstraten) |
Dat is natuurlijk zonde en vandaar dat wij hebben gezocht naar een systeem waarbij het nuttige bereik van de uitlezing wordt uitgesmeerd over meer lichtgevende dioden. Dat noemt men het 'onderdrukken van het nulpunt'. Het principe van deze schakeling is getekend in onderstaande figuur. Bij deze schakeling wordt de te meten accuspanning niet rechtstreeks aan een spanningsdeler aangeboden. Tussen de accu en de deler staat, zo lijkt het, een tweede accu, Ucte genoemd. Dat is de schematische voorstelling van een constante gelijkspanning. Deze spanning staat in serie met uw accu en wel zo dat de pluspool van de accu verbonden is met de positieve aansluiting van deze constante spanning. Aan de spanningsdeler R1-R2 wordt dus nu het spanningsverschil tussen de accuspanning en de constante spanning Ucte aangeboden.
 |
| Het meetsysteem met onderdrukt nulpunt. (© 2018 Jos Verstraten) |
As u Ucte gelijk stelt aan 9 V, dan zal er van de waarde van de accuspanning steeds een vast bedrag van 9 V afgetrokken worden alvorens zij gemeten wordt. Met andere woorden: is de spanning over de accu gelijk aan 9 V, dan zal er over de spanningsdeler 9 V minus 9 V, is 0 V, staan. Is de accuspanning gelijk aan 16 V, dan zal de spanningsdeler slechts 7 V te verwerken krijgen. Als u nu de spanningsdeler zo berekent dat de 0 V tot 7 V omgevormd wordt tot 0 V tot 5 V aan de ingangsklemmen van de LED-meter, dan zal de schaal er uitzien zoals getekend in de bovenstaande figuur.
Het principe van de schakeling
Het op te lossen probleem kan als volgt omschreven worden. Een spanning, die kan variëren tussen 9 V en 16 V, moet omgevormd worden tot een spanning met een bereik tussen 0 V en 5 V. Zoals reeds geschreven in de eerste paragraaf, kunt u deze transformatie oplossen door eerst 9 V van de accuspanning af te trekken en nadien de overblijvende 0 V tot 7 V te reduceren tot 0 V tot 5 V. Het principeschema is getekend in onderstaande figuur.
Het hart van de schakeling is een driehoekje dat de rekenkundige bewerking 'aftrekken' toepast op twee gelijkspanningen. Aan een van de ingangen van deze schakeling wordt de accuspanning +Ub aangesloten. De tweede ingang wordt ingesteld op een vaste spanning van 9 V door middel van een weerstand R1 en een zenerdiode D1. De schakeling berekent steeds het verschil tussen de accuspanning en de 9 V zenerspanning. Aan de uitgang van die trap ontstaat zodoende een spanning van 0 V tot 7 V. Door middel van de spanningsdeler R2-R3 wordt die waarde teruggebracht tot 0 V tot 5 V. Deze uitgangsspanning kunt u dan meten met de LED-meter. Het geheimzinnige driehoekje is niets anders dan een verschilversterker die u op een heel eenvoudige manier met een op-amp kunt opbouwen.
 |
| Het principeschema van de schakeling. (© 2018 Jos Verstraten) |
De basisopzet van deze niet zo vaak toegepaste schakeling is getekend in onderstaande figuur. Het hart van de schakeling is een operationele versterker IC1. Meestal wordt zo'n achtpoot gebruikt met slechts één ingangsspanning. Deze spanning gaat naar de inverterende of naar de niet-inverterende ingang, afhankelijk van de toepassing. De andere ingang van de op-amp wordt opgenomen in een terugkoppeling of ligt op een vaste spanning. Bij de verschilversterker worden aan beide ingangen van de op-amp ingangsspanningen aangeboden. Om de ene spanning van de andere af te trekken worden vier weerstanden ingeschakeld. Deze vier weerstanden moeten even groot zijn. Is dat het geval, dan zal de op-amp de bewerking:
Uuit = U1 - U2
uitvoeren. Uit deze vergelijking volgt dat de spanning die aan de inverterende ingang wordt aangeboden wordt afgetrokken van de spanning op de niet-inverterende ingang.
Misschien wordt nu duidelijk, waarom men die ingangen meestal aanduidt met de symbolen '+' en '-'. De spanning op de negatieve ingang wordt afgetrokken van de spanning op de positieve ingang.
 |
| Het basisschema van een verschilversterker met een op-amp. (© 2018 Jos Verstraten) |
Stel dat U1 gelijk is aan 6 V en U2 gelijk is aan 2 V. Denk er aan dat alle weerstanden even groot zijn en dat de op-amp zeer hoge ingangsweerstanden heeft. Op het knooppunt van R3 en R4 ontstaat dus een spanning van 3 V. Dat is de spanning op de positieve ingang van de op-amp. Een op-amp streeft steeds naar gelijkheid van spanningen op zijn twee ingangen, de negatieve ingang staat dus ook op 3 V. Over R1 staat een spanning van 1 V. De stroom die deze spanning over R1 veroorzaakt vloeit ook door R2. Over deze weerstand ontstaat dus een ook een spanning van 1 V. Op de uitgang ontstaat een spanning van 3 V + 1 V = 4 V.
Het volledig schema
Het volledig schema van de schakeling is getekend in onderstaande figuur. Als operationele versterker wordt niet de bekende 741 gebruikt, maar de 3140. Het nadeel van de 741 is dat de uitgangsspanning niet lager kan komen dan ongeveer 4 V boven de negatieve voedingsspanning. Het zal duidelijk zijn dat we de schakeling willen voeden uit de accuspanning. De negatieve voedingsspanning voor de op-amp is dan uiteraard gelijk aan 0 V. Bij een 741 zou de uitgangsspanning niet lager kunnen komen dan +4 V, waardoor de schakeling niet zou werken. De 3140 heeft echter een uitgangsspanningsbereik tot tegen de negatieve voedingsspanning. Als dit IC aan zijn negatieve voedingsaansluiting de massa voelt, is het toch nog in staat zijn uitgang tot ongeveer +0,2 V te laten dalen. Deze kleine restspanning nemen we maar voor lief!
De rest van de schakeling behoeft nauwelijks toelichting. De zenerdiode heeft niet de verwachte waarde van 9 V, maar vergast ons op 6,2 V. Reden is dat dit soort zenerdioden veel stabielere spanningen opwekt. Omdat de aftrekspanning lager is dan de nodige 9 V, zal het duidelijk zijn dat ook de ingangsspanning aan deze gewijzigde omstandigheid aangepast moet worden. Vandaar de spanningsdeler R1-R2, waarmee de accuspanning wordt aangepast aan de nieuwe waarde van de aftrekspanning. De verschilversterker is duidelijk herkenbaar. De uitgang van deze versterker gaat, via de reeds toegezegde spanningsdeler, naar de uitgang van de schakeling. De drie uitgangsklemmen worden verbonden met de aansluitlipjes van de LED-meter.
 |
| Het volledig schema van de schakeling. (© 2018 Jos Verstraten) |
De bouw van de schakeling
De print voor de schakeling
De print en de componentenopstelling zijn voorgesteld in onderstaande figuren.
 |
| Het printontwerp voor de schakeling. (© 2018 Jos Verstraten) |
 |
| De componentenopstelling van de print. (© 2018 Jos Verstraten) |
De print van de LED-meter wordt uitgerust met negen rode en zeven groene LED's. D1 tot en met D4 en D12 tot en met D16 zijn rood. Nadien kunt u de beide printen samen monteren door middel van twee afstandsbusjes van 10 mm en het nodige schroefwerk. De drie aansluitpunten van de ene print worden doorverbonden met de drie soldeerlipjes op de andere print.
Het afregelen van de schakeling
Voor het afregelen van de schakeling moet u een gestabiliseerde en regelbare voeding ter hulp roepen en een gelijkspanningsmeter. De potentiometer R1 van de LED-meter, die het minimale meetbereik vastlegt, wordt op nul gedraaid. De loper wordt dan met de massa van de schakeling verbonden. Dat doet u door de printencombinatie met de LED's naar voren in de hand te nemen en de instelpotentiometer volledig in tegenuurwijzerzin te verdraaien.
De twee overige instelpotentiometers (op iedere print eentje) worden in de middenstand gezet, de gestabiliseerde voeding wordt verbonden met de GND en de +Ub van de printen. De positieve uitgang van de voeding gaat uiteraard naar de +Ub. De meter wordt over de voeding aangesloten.
De uitgangsspanning van de voeding wordt ingesteld op 9,5 V. U verdraait de instelpotentiometer R1 van deze schakeling tot de LED D15 gaat branden. Nadien stelt u de voeding in op een spanning van 16,5 V. U verdraait de instelpotentiometer R2 op de LED-meter print tot de LED D1 gaat branden. Beide afregelingen moet u enige malen herhalen.
Tot slot
Tot slot enige woorden over de betekenis van de afgelezen spanning voor het leven van uw accu. Een volledig ontladen accu heeft een spanning van 11 V. Lagere spanningen zijn zeer slecht voor de conditie van de accu. De maximaal toelaatbare spanning is officieel 14,1 V. Bij 14,4 V gaat de accu namelijk koken, wat niet zo bevorderlijk is voor de zuurvulling van de elementen. Absoluut maximaal haalbare spanning is 16,5 V. De accu is dan echter flink overladen, dat wil zeggen dat de spanningsregelaar van uw auto dringend aan revisie toe is.
Referentie
Beschrijving van de zestien LED bar/dot-display schakeling
Bouwpakket 50 MHz Frequencycounter
