Схемы самодельных цифровых вольтметра и амперметра (СА3162, КР514ИД2). Вольтметр на линейке светодиодов Светодиодный вольтметр на 4 светодиодах схема

Эта конструкция описывает простой вольтметр, с индикатороми на двенадцати светодиодах. Данное измерительное устройство позволяет отображать измеряемое напряжение в диапазоне значений от 0 до 12 вольт с шагом в 1 вольт, причем погрешность в измерении очень низкая.

На трех операционных усилителях LM324 собраны компараторы напряжения. Их инверсные входы подсоединены к резисторному делителю напряжения, собранного на резисторах R1 и R2, через который на схему идет контролируемое напряжение.

На неинвертирующие входы операционных усилителей поступает опорное напряжение с делителя, выполненного на сопротивлениях R3 - R15. Если на входе вольтметра отсутствует напряжение, то на выходах ОУ будет высокий уровень сигнала и на выходах логических элементов будет логический ноль, поэтому светодиоды не светятся.

При поступление на вход светодиодного индикатора измеряемого напряжения, на определенных выходах компараторов ОУ установится низкий логический уровень, соответственно на светодиоды поступит высокий логический уровень, в результате чего загорится соответствующий светодиод. Для предотвращения подачи уровня напряжения на входе устройства имеется защитный стабилитрон на 12 вольт.

Этот вариант рассмотренной выше схемы отлично подойдет любому автовладельцу и даст ему наглядную информацию о состоянии заряда аккумуляторной батареи. В данном случае задействованы четыре встроенных компаратора микросборки LM324. Инвертирующими входами формируются опорные напряжения 5,6V, 5,2V, 4,8V, 4,4V соответственно. Напряжение аккумулятора напрямую поступает на инвертирующий вход через делитель на сопротивлениях R1 и R7.

Светодиоды выступают в роли мигающих индикаторов. Для настройки, вольтметр, подсоединяют к АКБ, затем регулируют переменный резистор R6 так, чтобы нужные напряжения присутствовали на инвертирующих выводах. Зафиксируйте индикаторные светодиоды на передней панели авто и нанесите рядом с ними напряжение аккумулятора, при котором загораются тот, или иной индикатор.

Итак, хочу сегодня рассмотреть очередной проект с применением микроконтроллеров, но еще и очень полезный в ежедневных трудовых буднях радиолюбителя. Это цифровое устройство на современном микроконтроллере. Конструкция его была взята из журнала радио за 2010 год и может быть с легкостью перестроена под амперметр в случае необходимости.

Это простая конструкция автомобильного вольтметра используется для контроля напряжения бортовой сети автомобиля и расчитана на диапазон от 10,5В до 15 вольт. В роли индикатора применены десять светодиодов.

Сердцем схемы является ИМС LM3914. Она способна оценить уровень входное напряжение и отобразить приблизительный результат на светодиодах в режиме точка или столбик.

Светодиоды выводят текущее значение напряжения аккумулятора или бортовой сети в режиме точки (вывод 9 не подключен или подсоединен на минус) или столбика (вывод 9 к плюсу питания).

Сопротивление R4 регулирует яркость свечения светодиодов. Резисторы R2 и переменный R1 образуют делитель напряжения. При помощи R1 осуществляется настройка верхнего порога напряжения, а при помощи резистора R3 нижнего.

Калибровка схемы делается по следующуму принципу. Подаем на вход вольтметра 15 вольт. Затем изменяя сопротивление R1, добивемся, зажигания светодиода VD10 (в режиме точка) или всех светодиодов(в режиме столбик).

Затем на вход подаем 10,5 вольт и R3 добиваемся свечения VD1. А затем увеличиваем уровень напряжение с шагом в половину вольта. Тумблер SA1 используется для переключения между режимами индикации точка/столбик. При замкнутом SA1 – столбик, при разомкнутом – точка.

Если напряжение на аккумуляторной батареи ниже уровня 11 вольт, стабилитроны VD1 и VD2 не пропускают ток, из-за чего светится только HL1, говорящий о низком уровне напряжения бортовой сети автомобиля.

Если напряжение лежит в интервале от 12 до 14 вольт, стабилитрон VD1 отпирает VT1. HL2 горит, указывая на нормальный уровень АКБ. Если напряжение батареи выше 15 вольт, стабилитрон VD2 отпирает VT2, и загорается светодиод HL3, показывающий значительное превышение напряжения в сети автомобиля.

В роли индикатора, как и в предыдущей конструкции, применены три светодиода.

При низком напряжении уровне загорается HL1. Если норма HL2. А более 14 вольт, вспыхивает третий светодиод. Стабилитрон VD1 формирует опорное напряжение для работы ОУ.

Рассмотрены не сложные схемы цифровых вольтметра и амперметра, построенных без использования микроконтроллеров на микросхемах СА3162, КР514ИД2. Обычно, у хорошего лабораторного блока питания есть встроенные приборы, - вольтметр и амперметр. Вольтметр позволяет точно установить выходное напряжение, а амперметр покажет ток через нагрузку.

В старых лабораторных блоках питания были стрелочные индикаторы, но сейчас должны быть цифровые. Сейчас радиолюбители чаще всего делают такие приборы на основе микроконтроллера или микросхем АЦП вроде КР572ПВ2, КР572ПВ5.

Микросхема СА3162Е

Но существуют и другие микросхемы аналогичного действия. Например, есть микросхема СА3162Е, которая предназначена для создания измерителя аналоговой величины с отображением результата на трехразрядном цифровом индикаторе.

Микросхема СА3162Е представляет собой АЦП с максимальным входным напряжением 999 mV (при этом показания «999») и логической схемой, которая выдает сведения о результате измерения в виде трех поочередно меняющихся двоично-десятичных четырехразрядных кодов на параллельном выходе и трех выходах для опроса разрядов схемы динамической индикации.

Чтобы получить законченный прибор нужно добавить дешифратор для работы на семисегментный индикатор и сборку из трех семисегментных индикаторов, включенных в матрицу для динамической индикации, а так же, трех управляющих ключей.

Тип индикаторов может быть любым, -светодиодные, люминесцентные, газоразрядные, жидкокристаллические, все зависит от схемы выходного узла на дешифраторе и ключах. Здесь используется светодиодная индикация на табло из трех семисегментных индикаторов с общими анодами.

Индикаторые включены по схеме динамической матрицы, то есть, все их сегментные (катодные) выводы включены параллельно. А для опроса, то есть, последовательного переключения, используются общие анодные выводы.

Принципиальная схема вольтметра

Теперь ближе к схеме. На рисунке 1 показана схема вольтметра, измеряющего напряжение от 0 до 100V (0...99,9V). Измеряемое напряжение поступает на выводы 11-10 (вход) микросхемы D1 через делитель на резисторах R1-R3.

Конденсатор СЗ исключает влияние помех на результат измерения. Резистором R4 устанавливают показания прибора на ноль, при отсутствии входного напряжения А резистором R5 выставляют предел измерения так чтобы результат измерения соответствовал реальному, то есть, можно сказать, им калибруют прибор.

Рис. 1. Принципиальная схема цифрового вольтметра до 100В на микросхемах СА3162, КР514ИД2.

Теперь о выходах микросхемы. Логическая часть СА3162Е построена по логике ТТЛ, а выходы еще и с открытыми коллекторами. На выходах «1-2-4-8» формируется двоичнодесятичный код, который периодически сменяется, обеспечивая последовательную передачу данных о трех разрядах результата измерения.

Если используется дешифратор ТТЛ, как, например, КР514ИД2, то его входы непосредственно подключаются к данным входам D1. Если же будет применен дешифратор логики КМОП или МОП, то его входы будет необходимо подтянуть к плюсу при помощи резисторов. Это нужно будет сделать, например, если вместо КР514ИД2 будет использован дешифратор К176ИД2 или CD4056.

Выходы дешифратора D2 через токоограничивающие резисторы R7-R13 подключены к сегментным выводам светодиодных индикаторов Н1-НЗ. Одноименные сегментные выводы всех трех индикаторов соединены вместе. Для опроса индикаторов используются транзисторные ключи VT1-VT3, на базы которых подаются команды с выходов Н1-НЗ микросхемы D1.

Эти выводы тоже сделаны по схеме с открытым коллектором. Активный ноль, поэтому используются транзисторы структуры р-п-р.

Принципиальная схема амперметра

Схема амперметра показана на рисунке 2. Схема практически такая же, за исключением входа. Здесь вместо делителя стоит шунт на пятиваттном резисторе R2 сопротивлением 0,1 От. При таком шунте прибор измеряет ток до 10А (0...9.99А). Установка на ноль и калибровка, как и в первой схеме, осуществляется резисторами R4 и R5.

Рис. 2. Принципиальная схема цифрового амперметра до 10А и более на микросхемах СА3162, КР514ИД2.

Выбрав другие делители и шунты можно задать другие пределы измерения, например, 0...9.99V, 0...999mA, 0...999V, 0...99.9А, это зависит от выходных параметров того лабораторного блока питания, в который будут установлены эти индикаторы. Так же, на основе данных схем можно сделать и самостоятельный измерительный прибор для измерения напряжения и тока (настольный мультиметр).

При этом нужно учесть, что даже используя жидкокристаллические индикаторы прибор будет потреблять существенный ток, так как логическая часть СА3162Е построена по ТТЛ-логике. Поэтому, хороший прибор с автономным питанием вряд ли получится. А вот автомобильный вольтметр (рис.4) выйдет неплохой.

Питаются приборы постоянным стабилизированным напряжением 5V. В источнике питания, в который будут они установлены, необходимо предусмотреть наличие такого напряжения при токе не ниже 150mA.

Подключение прибора

На рисунке 3 показана схема подключения измерителей в лабораторном источнике.

Рис. 3. Схема подключения измерителей в лабораторном источнике.

Рис.4. Самодельный автомобильный вольтметр на микросхемах.

Детали

Пожалуй, самое труднодоставаемое - это микросхемы СА3162Е. Из аналогов мне известна только NTE2054. Возможно есть и другие аналоги, о которых мне не известно.

С остальным значительно проще. Как уже сказано, выходную схему можно сделать на любом дешифраторе и соответствующих индикаторах. Например, если индикаторы будут с общим катодом, то нужно КР514ИД2 заменить на КР514ИД1 (цоколевка такая же), а транзисторы VТ1-VТЗ перетащить вниз, подсоединив их коллектора к минусу питания, а эмиттеры к общим катодам индикаторов. Можно использовать дешифраторы КМОП-логики, подтянув их входы к плюсу питания при помощи резисторов.

Налаживание

В общем-то оно совсем несложное. Начнем с вольтметра. Сначала замкнем между собой выводы 10 и 11 D1, и подстройкой R4 выставим нулевые показания. Затем, убираем перемычку, замыкающую выводы 11-10 и подключаем к клеммам «нагрузка» образцовый прибор, например, мультиметр.

Регулируя напряжение на выходе источника, резистором R5 настраиваем калибровку прибора так, чтобы его показания совпадали с показаниями мультиметра. Далее, налаживаем амперметр. Сначала, не подключая нагрузку, регулировкой резистора R5 устанавливаем его показания на ноль. Теперь потребуется постоянный резистор сопротивлением 20 От и мощностью не ниже 5W.

Устанавливаем на блоке питания напряжение 10V и подключаем этот резистор в качестве нагрузки. Подстраиваем R5 так чтобы амперметр показал 0,50 А.

Можно выполнить калибровку и по образцовому амперметру, но мне показалось удобнее с резистором, хотя конечно на качество калибровки очень влияет погрешность сопротивления резистора.

По этой же схеме можно сделать и автомобильный вольтметр. Схема такого прибора показана на рисунке 4. Схема от показанной на рисунке 1 отличается только входом и схемой питания. Этот прибор теперь питается от измеряемого напряжения, то есть, измеряет напряжение, поступающее на него как питающее.

Напряжение от бортовой сети автомобиля через делитель R1-R2-R3 поступает на вход микросхемы D1. Параметры этого делителя такие же как в схеме на рисунке 1, то есть для измерения в пределах 0...99.9V.

Но в автомобиле напряжение редко бывает более 18V (больше 14,5V уже неисправность). И редко опускается ниже 6V, разве только падает до нуля при полном отключении. Поэтому прибор реально работает в интервале 7...16V. Питание 5V формируется из того же источника, с помощью стабилизатора А1.

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.

Электронные самоделки в помощь автомобилисту

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 считываемости показаний. Наилучшим образом этим условиям отвечает дискретный светодиодный индикатор напряжения. Подобные устройства получили весьма широкое распространение и для оценки уровня напряжения и мощности (в звукоусилительной аппаратуре). Реализуют их, как правило, двумя способами.

Первый подробно описан в . Суть его в том, что линейку светодиодов подключают к источнику измеряемого напряжения через многовыходный резистивный делитель напряжения. Здесь использованы пороговые свойства светодиодов, транзисторов и диодов. За простоту такого индикатора приходится расплачиваться нечетким порогом зажигания светодиодов (что отмечает автор в ). Подобные устройства в свое время продавались в виде радиоконструктора.

Второй способ - применение для включения каждого светодиода отдельного компаратора, сравнивающего часть входного сигнала с образцовым (как, например, в ), 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.

Наконец, нельзя не отметить работу (4), где использован принцип аналогоцифрового преобразования. У этой конструкции немало достоинств, но все-таки многовато деталей, и к тому же неэкономичных.

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 микросхемным 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 полевыетранзисторы, 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 индицируемом 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 боыть 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 токоограничивающих 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. Ос тальные 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.

ЛИТЕРАТУРА
1. Нечаев И. Светодиодный индикатор уровня сигнала. - Радио, 1988, № 12 , с. 52.
2. Исаулов В., Василенко Е. Простой индикатор уровня записи. - РадiАматор, 1995, № 3 , с. 5.
3. Тихомиров А. Индикатор напряжения бортовой сети. - РадiоАматор, 1996 , № 10, с. 2.
4. Гвоздицкий Г. Индикатор напряжения бортовой сети. - Радио, 1992, № 7, с. 18-20.

О. КЛЕВЦОВ, г. Днепропетровск, Украина
Журнал Радио 1998 год, номер 2

Примечание от редакции журнала Радио: 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 благоприятно скажется и на работе радиоприемной и звукоусилительной автомобильной аппаратуры.