Вольтметры-индикаторы на светодиодах. Простой электронный вольтметр на светодиодах

Практически вся техника, которую выпускают в наши дни, содержит в себе светодиоды. Они буквально окружают нас со всех сторон, начиная от ламп и фонариков, заканчивая определением напряжения буквально во всей бытовой технике. Их часто используют для подсветки экранов, управления различными приборами и т.д.
Чаще всего в технике используются светодиоды пяти цветов:

белые,
красные,
зеленые,
желтые,
синие.

Так же они могут создавать инфракрасное и ультрафиолетовое излучение. Именно такие незаменимы в системах управления: пульты для телевизоров, кондиционеров и другой бытовой техники.
Мы рассмотрим способ применения светодиодов в определении напряжения устройств. Основной прибор для измерения напряжения – вольтметр. Как же тут могут пригодиться светодиоды? Они и станут нашими видимыми индикаторами.
Обычно, как образец приводят пример вольтметра на основе 12 светодиодов. Соответственно он может индексировать напряжение в диапазоне от 0 до 12 вольт. Такое устройство можно весьма эффективно использовать для измерения блоков питания, которые можно регулировать. Незаменимым он будет так же для радиолюбителей, в частности для создания небольших приборов дома.

Светодиоды – индикаторы

Использование светодиода в качестве индикатора тоже имеет свои законы, которые нужно знать, если вы собираете прибор своими руками.

Важно соблюдать полярность. Светодиод – полупроводниковый прибор, который имеет два вывода: катод и анод. Работать он будет только в случае прямого включения.
Граница напряжения. Для каждого светодиода она своя. Если превысить это значение – он сломается.
Как индикаторы рекомендуется применять светодиоды, которые достаточно ярко горят при напряжении 5 мА.

Вольтметры на светодиодах

Если погрешность вольтметра составляет не более 4%, то его можно смело назвать индикатором. Такое устройство можно легко сделать своими руками при помощи светодиодов. Вы сможете использовать такой вольтметр для индикации микросхем под напряжением 5 вольт. Индикаторами будут 6 светодиодов в границах 1,2 – 4,2 вольт с промежутком через 0,6 вольт. Светодиоды должны потреблять 60 микроампер.
Принцип работы индикатора основан на фиксации падения напряжения в переходах: база – эмиттер транзисторов и прямых падений на диодах (0,6 вольт).
Схему такого вольтметра легко найти в интернете.

Как собрать вольтметр для аккумулятора автомобиля?

Этот вольтметр можно использовать как для 12-вольтного аккумулятора, так и для зарядных устройств, либо вообще самостоятельно.
Индикатор будет состоять из 10 светодиодов с разницей значения в четверть вольт. Измерение напряжения будет в диапазоне 10,25 – 15 вольт.
Питание осуществляется от напряжения, которые вы будете измерять.
Основой схемы такого вольтметра являются две поликомпараторные микросхемы с линейным законом индикации.
Микросхема – это набор из 10 компараторов и резисторов, которые образуют делитель напряжения. У компаратов на выходе есть ключевые каскады для того, чтобы управлять светодиодами. Для того, чтобы микросхемы работали последовательно, резисторные делители включены именно в таком (последовательном) порядке.
Светодиоды устанавливаем в одну линию. Вы можете взять как светодиодные линейки, так и 10 отдельных светодиодов. Для вольтметра подойдут светодиоды любого типа.

При работе с различными электронными изделиями возникает потребность измерять режимы или распределение переменных напряжений на отдельных элементах схемы. Обычные мультиметры, включённые в режиме AC, могут фиксировать лишь большие значения этого параметра с высокой степенью погрешности. При необходимости снятия небольших по величине показаний желательно иметь милливольтметр переменного тока, позволяющий производить измерения с точностью до милливольта.

Для того чтобы изготовить цифровой вольтметр своими руками, нужен определённый опыт работы с электронными компонентами, а также умение хорошо управляться с электрическим паяльником. Лишь в этом случае можно быть уверенным в успехе сборочных операций, осуществляемых самостоятельно в домашних условиях.

Вольтметр на основе микропроцессора

Выбор деталей

Перед тем, как сделать вольтметр, специалисты рекомендуют тщательно проработать все предлагаемые в различных источниках варианты. Основное требование при таком отборе – предельная простота схемы и возможность измерять переменные напряжения с точностью до 0,1 Вольта.

Анализ множества схемных решений показал, что для самостоятельного изготовления цифрового вольтметра целесообразнее всего воспользоваться программируемым микропроцессором типа РІС16F676. Тем, кто плохо знаком с техникой перепрограммирования этих чипов, желательно приобретать микросхему с уже готовой прошивкой под самодельный вольтметр.

Особое внимание при закупке деталей следует уделить выбору подходящего индикаторного элемента на светодиодных сегментах (вариант типового стрелочного амперметра в этом случае полностью исключён). При этом предпочтение следует отдать прибору с общим катодом, поскольку число компонентов схемы в этом случае заметно сокращается..

Дополнительная информация. В качестве дискретных комплектующих изделий можно использовать обычные покупные радиоэлементы (резисторы, диоды и конденсаторы).

После приобретения всех необходимых деталей следует перейти к разводке схемы вольтметра (изготовлению его печатной платы).

Подготовка платы

Перед изготовлением печатной платы нужно внимательно изучить схему электронного измерителя, учтя все имеющиеся на ней компоненты и разместив их на удобном для распайки месте.

Важно! При наличии свободных средств можно заказать изготовление такой платы в специализированной мастерской. Качество её исполнения в этом случае будет, несомненно, выше.

После того, как плата готова, нужно «набить» её, то есть разместить на своих местах все электронные компоненты (включая микропроцессор), а затем запаять их низкотемпературным припоем. Тугоплавкие составы в этой ситуации не подойдут, поскольку для их разогрева потребуются высокие температуры. Так как в собираемом устройстве все элементы миниатюрные, то их перегрев крайне нежелателен.

Блок питания (БП)

Для того чтобы будущий вольтметр нормально функционировал, ему потребуется отдельный или встроенный блок питания постоянного тока. Этот модуль собирается по классической схеме и рассчитан на выходное напряжение 5 Вольт. Что касается токовой составляющей этого устройства, определяющей его расчетную мощность, то для питания вольтметра вполне достаточно половины ампера.

Исходя из этих данных, подготавливаем сами (или отдаём для изготовления в специализированную мастерскую) печатную плату под БП.

Обратите внимание! Рациональнее будет сразу подготовить обе платы (для самого вольтметра и для блока питания), не разнося эти процедуры по времени.

При самостоятельном изготовлении это позволит за один раз выполнять сразу несколько однотипных операций, а именно:

Вырезка из листов стеклотекстолита нужных по размеру заготовок и их зачистка;
Изготовление фотошаблона для каждой из них с его последующим нанесением;
Травление этих плат в растворе хлористого железа;
Набивка их радиодеталями;
Пайка всех размещённых компонентов.

В случае, когда платы отправляются для изготовления на фирменном оборудовании, их одновременная подготовка также позволит выгадать как по цене, так и по времени.

Сборка и настройка

При сборке вольтметра важно следить за правильностью установки самого микропроцессора (он должен быть уже запрограммирован). Для этого необходимо найти на корпусе маркировку его первой ножки и в соответствии с ней зафиксировать корпус изделия в посадочных отверстиях.

Важно! Лишь после того, как есть полная уверенность в правильности установки самой ответственной детали, можно переходить к её запаиванию («посадке на припой»).

Иногда для установки микросхемы рекомендуется впаивать в плату специальную панельку под неё, существенно упрощающую все рабочие и настроечные процедуры. Однако такой вариант выгоден лишь в том случае, если используемая панелька имеет качественное исполнение и обеспечивает надёжный контакт с ножками микросхемы.

После запайки микропроцессора можно набить и сразу же посадить на припой все остальные элементы электронной схемы. В процессе пайки следует руководствоваться следующими правилами:

Обязательно использовать активный флюс, способствующий хорошему растеканию жидкого припоя по всей посадочной площадке;
Стараться не задерживать жало на одном месте слишком долго, что исключает перегрев монтируемой детали;
По завершении пайки следует обязательно промыть печатную плату спиртом или любым другим растворителем.

В том случае, если при сборке платы не допущено никаких ошибок, схема должна заработать сразу после подключения к ней питания от внешнего источника стабилизированного напряжения 5 Вольт.

В заключение отметим, что собственный блок питания может быть подключен к готовому вольтметру по завершении его настройки и проверки, производимой по стандартной методике.

Видео

Не мало автомобилистов сталкивается с такой проблемой, как непредвиденный разряд аккумулятора. Особенно неприятно, когда происходит это в пути далеко от дома. Одной из причин может быть выход из строя генератора авто. Предупредить надвигающийся разряд аккумулятора поможет вольтметр автомобильный . Ниже приведем несколько простых схем подобного устройства.

Вольтметр автомобильный на микросхеме LM3914

Это схема автомобильного вольтметра предназначена для контроля напряжения бортовой сети автомобиля в пределах от 10,5В до 15В. В качестве индикатор используются 10 светодиодов.

Основа схемы – интегральная . Данная микросхема способна оценить входное напряжение и вывести результат на 10 светодиодов в режиме точка или столбик. Микросхема LM3914 способна работать в широком диапазоне питания (3В…25В). Яркость свечения светодиодов можно выставить при помощи внешнего переменного резистора. Выходы микросхемы совместимы с ТТЛ и КМОП логикой.

Десять светодиодов VD1-VD10 отображают текущее значение напряжения аккумулятора или напряжение бортовой сети автомобиля в режиме точки (вывод 9 не подключен или подключен на минус) или столбика (вывод 9 подключен на плюс питания).

Резистор R4 подключенный между контактами 6,7 и минусом питания задает яркость свечения светодиодов. Резисторы R2 и переменный резистор R1 образует делитель напряжения. При помощи переменного резистора R1 производится настройка верхнего уровня напряжения, а при помощи R3 нижнего.

Как уже было сказано ранее, данный автомобильный вольтметр обеспечивает индикацию от 10,5 до 15 вольт. Калибровка схемы выполняется следующим образом. Подайте на вход схемы вольтметра напряжение 15 вольт от блока питания. Затем изменяя сопротивление резистора R1, необходимо добиться, чтобы зажегся светодиод VD10 (в режиме точка) или все светодиоды VD…VD10 (в режиме столбик).

Затем на вход подайте 10,5 вольт и переменным резистором R3 добейтесь, чтобы горел только светодиод VD1. Теперь увеличивая напряжение с шагом 0,5 вольта, светодиоды один за другим будут загораться, и при напряжении 15 вольт будут гореть все светодиоды. Переключатель SA1 предназначен для переключения между режимами индикации точка/столбик. При замкнутом переключателе SA1 – столбик, при разомкнутом – точка.

Автомобильный вольтметр на транзисторах

Следующая схема автомобильного вольтметра построена на двух . Когда напряжение на аккумуляторе составляет менее 11 вольт, стабилитроны VD1 и VD2 не пропускают ток, из-за чего горит только красный светодиод, указывающий на низкое напряжение бортовой сети автомобиля.

Если напряжение находится между 12 и 14 вольт, стабилитрон VD1 открывает транзистор VT1. Зеленый светодиод загорается, указывая на нормальное напряжение. Если напряжение батареи превышает 15 вольт, стабилитрон VD2 открывает транзистор VT2, в результате чего загорается желтый светодиод, показывающий значительное превышение напряжения в сети автомобиля.

Вольтметр на операционном усилителе LM393

Данный простой автомобильный вольтметр построен на операционном усилителе . В качестве индикатора, как и в предыдущей схеме, используются три светодиода.

При низком напряжении (менее 11В) загорается красный светодиод. Если напряжение в норме (12,4…14В) то светится зеленый. В том случае, если напряжение превысило 14В, то загорается желтый светодиод. Стабилитрон VD1 формирует опорное напряжение. Данная схема схожа со схемой .

Вольтметр автомобильный на микросхеме К1003ПП1

Данная схема вольтметра для автомобиля построена на микросхеме К1003ПП1 и позволяет отслеживать напряжение бортовой сети по свечению 3 светодиодов:

При напряжении менее 11 вольт горит светодиод HL1
При напряжении 11,1…14,4 вольт горит светодиод HL2
При напряжении более 14,6 вольт горит светодиод HL3

Настройка. После подачи на вход напряжения от любого блока питания (11,1…14,4В), переменным резистором R4 необходимо добиться свечения светодиода HL2.

Данный вольтметр предназначен для дискретной индикации уровня напряжения. Индикация осуществляется линейкой, состоящей из нескольких планарных (в моём варианте) светодиодов. Конечно точность у него не слишком высокая, зато сразу наглядно показывается состояние батареи или аккумулятора. Собственно оно и делалось по просьбе товарища для контроля АКБ в автомобиле. Электрическая схема увеличивается по клику.

Основа прибора — микроконтроллер (печатка и прошивка в архиве). Светодиоды подключены к его выходам через токоограничительные резисторы R5 — R12, которыми выставляется желаемая яркость свечения линейки светодиодов. Питается схема светодиодного вольтметра через стабилизатор +5В, который можно заменить или вообще удалить, если источник питания — батарейки с нужным напряжением.

Диапазон работы индикатора устанавливается при помощи кнопок MIN и MAX. Для установки минимального и максимального уровня измеряемого напряжения необходимо:

— Выставить на входе нижний порог напряжения, при котором все светодиоды должны быть потушены.
— Нажать на кнопку MIN. Все светодиоды должны погаснуть.
— Выставить верхний порог напряжения, при котором все светодиоды светятся.
— Нажать на кнопку MAX. Все светодиоды должны зажечься.
— Если же верхний предел оказался ниже нижнего, то индицируется состояние ошибки – включены светодиоды через один.

Старый добрый способ .

Вольтметр, установленный на панель приборов автомобиля, позволяет оперативно контролировать уровень напряжения в его бортовой сети. От такого прибора не требуется высокой разрешающей способности, зато необходима возможность легкой и быстрой определения показаний. Наилучшим образом этим условиям отвечает дискретный светодиодный индикатор напряжения. Подобные устройства получили весьма широкое распространение и для оценки уровня напряжения и мощности. Реализуют их, как правило, двумя способами.

Первый, суть его в том, что линейку светодиодов подключают к источнику измеряемого напряжения через много выходной резистивный делитель напряжения. Здесь использованы пороговые свойства светодиодов, транзисторов и диодов. За простоту такого индикатора приходится расплачиваться нечетким порогом зажигания светодиодов. Подобные устройства в свое время продавались в виде радио конструктора.

Второй способ - применение для включения каждого светодиода отдельного компаратора, сравнивающего часть входного сигнала с образцовым. Вследствие высокого коэффициента усиления компараторов, чаще всего выполняемых на ОУ, пороги включения и выключения очень четкие, но для индикатора требуется много микросхем. Счетверенные ОУ сейчас еще дороги, а одна такая микросхема может управлять только четырьмя светодиодами.

Вольтметр, предлагаемый вашему вниманию, оптимизирован в свете сказанного выше - в нем четкие пороговые уровни зажигания светодиодов получены с помощью минимума дешевых, экономичных и широкодоступных элементов. В основу принципа работы прибора положены пороговые свойства цифровой микросхемы.

Прибор (см. схему на рис. 1) представляет собой шестиуровневый индикатор. Для удобства применения в автомобиле интервал измерения выбран равным 10...15 В с шагом в 1 В. И интервал, и шаг могут быть легко изменены.

Пороговыми устройствами служат шесть инверторов DD1,1-DD1.6, каждый из которых представляет собой нелинейный усилитель напряжения с большим коэффициентом усиления. Пороговый уровень переключения инверторов - примерно половина напряжения питания микросхемы, поэтому они как бы сравнивают напряжение на входе с половиной напряжения питания.

Если входное напряжение инвертора превысит пороговый уровень, на его выходе появится напряжение низкого уровня. Поэтому светодиод, служащий нагрузкой инвертора, включится выходным (втекающим) током. Когда же на выходе инверторов высокий уровень, светодиоды закрыты и выключены.

С выходов резистивного делителя R1-R7 на вход инверторов поступает соответствующая доля напряжения бортовой сети. При изменении бортового напряжения пропорционально изменяются и его доли. Напряжение же питания инверторов и светодиодной линейки стабилизировано микросхема стабилизатором DA1. Номиналы резисторов R1-R7 рассчитывают таким образом., чтобы получить шаг переключения, равный 1 В.

Конденсатор С2 совместно с резистором R1 образуют низкочастотный фильтр, подавляющий кратковременные всплески напряжения, которые могут возникнуть, например, при пуске двигателя. Конденсатор С1 изготовитель микросхемных стабилизаторов рекомендует устанавливать для улучшения их устойчивости на высокой частоте. Резисторы R8-R13 ограничивают выходной ток инверторов.

Как рассчитать резисторы R1-R7? Несмотря на то, что на входе инверторов DD1.1.-D1.6 установлены полевые транзисторы, которые входного тока практически не потребляют, существует так называемый ток утечки. Это заставляет выбирать ток через делитель намного большим суммарного тока утечки всех шести инверторов (не более 6X10-5 мкА). Минимальным ток через делитель будет при минимальном индуцируемом напряжении 10 В.

Зададим этот ток равным 100 мкА, что примерно в миллион раз больше тока утечки. Тогда общее сопротивление делителя RД=R1+R2+RЗ+R4+R5+R6+R7 (в килоомах, если напряжение в вольтах, а ток - в миллиамперах) должно быть равно: Rд=Uвx min/Imin = 10В/0,1мА = 100кОм.

Теперь рассчитаем сопротивление каждого из резисторов при условии Uпор=Uпит/2, т. е. в рассматриваемом случае Uпор=3 В. При входном напряжении 15 В на резисторе R7 должно падать 3 В, а ток через него (равный току через весь делитель) Iд=UBX/Rд=15 В/100 кОм= 0,15 мА=150 мкА, Тогда сопротивление резистора R7: R=Uпоp/Iд; R7=3 В/0,15 мА=20кОм.

На входе инвертора DD1.5 3 В должно быть при входном напряжении 14 В. Ток через делитель в этом случае Iд=14 В/100 кОм=0,14 мА. Тогда суммарное сопротивление R6+R7=Uпоp/Iд=3/0,14-21,5 кОм.

Отсюда R6=21,5-20=1,5 кОм.

Аналогично определяют сопротивление остальных резисторов делителя: R5=UпорхRд/Uвх-(R6+R7)-1,6 кОм; R4-2 кОм, RЗ-2,2 кОм, R2-2.7 кОм и, наконец, R1=Rд-(R2+RЗ+R4+R5+R6+R7) = 70 кОм-68 кОм.

Вообще, как известно, пороговое напряжение элементов микросхем КМОП находится в пределах от 1/3Uпит до 2/3Uпит. Известно также, что изготовленные в едином технологическом цикле на одном кристалле элементы одной микросхемы имеют практически одинаковые значения порога переключения. Поэтому для точной установки "начала шкалы" вольтметра достаточно резистор R1 заменить последовательной цепью из подстроечного с рассчитанным номиналом и постоянного с номиналом в два раза меньше расчетного.

Температурная стабильность прибора весьма высока. При изменении температуры от -10 до +60 °С порог срабатывания изменяется на несколько сотых долей вольта. Микросхемный стабилизатор DА1 также обладает температурной стабильностью не хуже 30 мВ в пределах 0...100 °С.

Выходное напряжение стабилизатора DА1 не должно быть меньше 6 В, иначе инверторы не смогут обеспечить необходимый ток через светодиоды. Инверторы микросхемы К561ЛН2 допускают выходной ток до 8 мА. Светодиоды АЛ307БМ можно заменить любыми другими, пересчитав номиналы ток-ограничивающих резисторов R8-R13. Конденсаторы так же могут быть любыми на номинальное напряжение не менее 10 В.

Для налаживания собранное устройство подключают к выходу регулируемого источника напряжения, который будет имитировать бортовую сеть. Установив выходное напряжение источника 10 В, а сопротивление подстроечного резистора на максимум, вращают его движок до момента включения светодиода HL1. Остальные уровни устанавливаются автоматически.

Детали вольтметра смонтированы на печатной плате из фольгированного стеклотекстолита толщиной 1 мм. Чертеж платы представлен на рис. 2. Она рассчитана на установку подстроечного резистора СПЗ-33, а остальных - МЛТ-0,125, конденсатора С1 - KM, С2 - К50-35.

Плата прикреплена ко дну коробки из пластика двумя винтами М2,5 на трубчатых стойках и еще одним таким же, который одновременно прижимает к плате микросхему DA1. Отметим, что эта микросхема установлена пластмассовой (а не металлической) гранью к плате. Между корпусом микросхемы и платой также установлена трубчатая стойка, но укороченная.

Выводы светодиодов перед монтажом изгибают на 90 град, с тем, чтобы их оптические оси были параллельны плоскости платы. Корпусы светодиодов должны выступать за край платы и при окончательной сборке устройства выходить в отверстия, просверленные в торце коробки.

Устойчивость работы стабилизатора и всего устройства в целом будет еще выше, если к входу микросхемы (между выв. 8 и 17) подключить конденсатор емкостью 0,1 мк. Для того чтобы обезопасить стабилизатор от случайных всплесков напряжения в бортовой сети, амплитуда которых может достигать 80 - 00 В. параллельно этому конденсатору следует подключить еще один - оксидный. Он должен иметь емкость не менее 1000 мкФ и номинальное напряжение 25 В. Этот конденсатор благоприяпто скажется и на работе радиоприемной и звукоусилитель автомобильной аппаратуры.

Литература