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Electronique > Réalisations > Affichage / mesures > Indicateur niveau batterie 002

Dernière mise à jour : 09/12/2012

Présentation

Les montages décrits ici sont des indicateurs de niveau de batterie faible.



Un premier montage a été conçu à l'origine pour une batterie dont la tension nominale est de 8,2 V, et pour laquelle une alerte sonore doit être donnée quand la tension descend en dessous de 7,2 V. Il a été conçu suite à la demande d'un utilisateur d'un bateau radiocommandé, qui souhaitait avoir une information sonore de niveau batterie faible pour éviter que son bateau ne reste coincé en plein milieu d'un lac, faute d'énergie suffisante pour revenir vers le rivage. Puis un autre amateur de modélisme m'a demandé comment adapter le montage pour disposer d'un seuil de tension basse non pas de 7,2 V mais de 9 V, pour batterie 12 V. Et par la même occasion, comment allumer une LED verte quand tout va bien, et faire clignoter une LED rouge et faire sonner un buzzer quand le seuil de tension basse est atteint. Cette deuxième demande a été le point de départ de la conception d'un second montage. Puis un troisième internaute, qui souhaitait un seuil réglable et un affichage double LED - verte OK, rouge tension trop basse - a été entendu et s'est vu proposer un autre schéma. Puis par effet boule de neige... Vous trouverez donc sur cette page, plusieurs schémas différents répondant à ces différentes demandes :
- Schéma 002a : pour batterie 8,2 V, seuil alarme à 7,2 V - Alarme sonore
- Schéma 002b : pour batterie 12 V, seuil alarme à 9 V - Alarme sonore et visuelle
- Schémas 002c et 002d : pour batterie 12 V, seuil alarme ajustable - Alarme visuelle
- Schéma 002e : pour batterie 3,6 V, seuil alarme à 2,8 V - Alarme visuelle
- Schéma 002f : pour batterie 4,1 V, quatre seuils d'indication entre 3,0 V et 4,0 V - 4 LED (schéma poposé par Guillaume N.)
- Schéma 002g : pour batterie 24 V, seuil d'alarme à 23,6 V, sortie sonore et visuelle
Les seuils fixes posés pour chacun de ces schémas peuvent être modifiés pour répondre à d'autres besoins.

Schéma 002a (seuil 7,2 V)

Le schéma n'est pas complexe et ne comporte que des composants courants.

 

Détection du seuil

La détection du passage en-dessous du seuil de 7,2V est réalisé en comparant une tension de référence stabilisée (qui ne change pas même quand la tension de la batterie chute), avec la tension de la batterie qui elle tend à la baisse quand elle se décharge. La stabilisation de la tension de référence est obtenue par la diode zener D1 de 3,6V, polarisée en inverse par la résistance R1. Le comparateur de tension, formé ici par un simple AOP de type LM741, reçoit cette tension de référence sur sa borne non-inverseuse (broche 3). La tension non stabilisée provenant de la batterie est quant à elle appliquée sur la borne inverseuse de l'AOP, au travers d'un pont diviseur résistif composé de R2 et R3, qui divise la tension d'entrée par deux. Quand la tension de la batterie vaut 7,2V, la tension au point nodal de R2 et R3 est de 3,6V. Si la tension chute un tout petit peu en dessous de 7,2V, la borne inverseuse de l'AOP se retrouve avec une tension inférieure à celle présente sur la borne non-inverseuse, ce qui provoque le basculement de sa sortie de l'état bas à l'état haut.

Modification du seuil

Il est assez aisé de modifier la tension de seuil, pour l'adapter à toute autre valeur "raisonnable". Pour ce faire, vous pouvez modifier la valeur de la diode zener D1 et / ou la valeur des résistances R2 et R3. Sans changer la diode zener, vous pouvez déjà ajuster le seuil de basculement sur une plage assez large, selon la formule suivante :
Seuil = Vz1 / (R3 / (R2 + R3))
où Vz1 est la tension de la diode zener D1, ici de 3,6 V.
Tournée différement, la formule peut aussi s'écrire de la façon suivante :
R3 / (R2 + R3) = Vz1 / Seuil
Exemple pratique : vous souhaitez un seuil de 5 V, en conservant la diode zener de 3,6 V. Ce qui donne :
R3 / (R2 + R3) = 3,6 / 5 = 0,72
Restent deux inconnues, les résistances R2 et R3. Là, il faut y aller au culot, et choisir une valeur arbitraire pour une des deux résistances. Choisissons donc une valeur de 10 Kohms pour R2, et cherchons la valeur de R3 :
R3 / (10000 + R3) = 3,6 / 5 = 0,72
R3 / (10000 + R3) = 0,72
R3 = 0,72 * (10000 + R3)
R3 = 7200 + (0,72 * R3)
(1 * R3) - (0,72 * R3) = 7200
(1 - 0,72) * R3 = 7200
R3 = 7200 / (1 - 0,72)
R3 = 25714
A vous de voir ensuite s'il est préférable de choisir pour R3 la valeur la plus proche dans la série E12 des résistances (27k dans le cas présent), ou s'il vaut mieux tenter sa chance avec une autre valeur de R2 pour aboutir à une valeur de R3 plus proche encore d'une valeur normalisée.

Commande du buzzer

Le buzzer utilisé ici est un modèle électronique émettant un son entrecoupé. Pourquoi un tel modèle ? Pour deux raisons : la première est qu'il consomme moins qu'un modèle mécanique, qui fait plus "vibreur", et la seconde est qu'il permet d'accrocher l'oreille plus rapidement. La capacité en courant de la sortie de l'AOP étant un peu juste pour commander directement le buzzer, un transistor est ajouté en tant qu'interface de puissance. La diode D2 n'est pas vraiment indispensable si vous utilisez un buzzer électronique, mais le devient si vous voulez commander un buzzer mécanique ou un relais (on ne sait jamais). La résistance R5 permet de disposer d'une tension bien inférieure à 0,6V sur la base du transistor quand la sortie de l'AOP est à l'état bas. Sans cette résistance, le transistor à toutes les chances de conduire de façon permanente, du fait que la tension min en sortie de l'AOP est de l'ordre du volt et non de zéro volt.

Schéma 002b (seuil 9 V et led clignotante)

Le schéma qui suit est basé sur le même principe que le précédent, mais il utilise des composants différents, histoire de ne pas répéter la même histoire de trop nombreuses fois.



Le premier circuit intégré, U1, est un comparateur de tension de type LM311. Il joue le rôle de... comparateur de tension, oui. La tension de référence stable et stabilisée par une diode zener de 4,7 V est appliquée sur l'entrée non inverseuse du comparateur. Quand la tension présente sur l'entrée inverseuse du comparateur est supérieure à cette tension de référence, la sortie du comparateur (borne 7) est portée à un potentiel nul (la sortie est de type collecteur ouvert, avec émetteur disponible sur borne 1 et reliée ici à la masse). Quand la tension présente sur l'entrée inverseuse du comparateur est inférieure à la tension de référence, la sortie du comparateur (borne 7) est portée à un potentiel positif grâce à la résistance de rappel R5. Il ne reste donc qu'à exploiter le niveau de cette sortie du comparateur pour allumer la led verte quand tout va bien, et pour faire clignoter la led rouge quand la tension de la batterie est trop basse. Pour la LED verte, pas de difficulté majeure : on utilise une petite porte NAND incluse dans un CD4093 qui fait office de petit buffer de faible puissance, et on pilote la led verte D3 après inversion de l'état logique en sortie du comparateur. Pour le clignotement de la LED et le son entrecoupé du buzzer, on utilise un oscillateur rectangulaire à base de CD4093 associé à un petit transistor de commande.

En résumé...

- Tension de batterie OK : sortie comparateur U1 à 0, sortie de la porte U2:B à 1, la LED verte s'allume. L'entrée de commande de l'oscillateur étant à 0, l'oscillateur n'oscille pas et sa sortie reste à 1. La porte NAND U2:C présente donc un état logique bas sur sa sortie, et le transistor Q1 reste bloqué. La LED rouge est éteinte et le buzzer reste muet.
- Tension de batterie Basse : sortie comparateur U1 à 1, sortie de la porte U2:B à 0, la LED verte s'éteint. L'entrée de commande de l'oscillateur passant à 1, l'oscillateur se met à osciller et sa sortie passe périodiquement de l'état logique 1 à l'état logique 0, puis inversement, à une fréquence d'environ 2 à 4 Hz. A chaque passage à l'état haut de la porte NAND U2:C, le transistor Q1 devient passant, la LED rouge s'allume et le buzzer se fait entendre.

Choix du buzzer

Il existe plusieurs type de buzzers : des mécaniques, des électroniques, avec ou sans oscillateur intégré. Le modèle préconisé ici doit être un buzzer électronique avec oscillateur intégré, car il consomme moins que son homologue mécanique. Sa tension de fonctionnement doit être comprise entre 6 V et 12 V.

Schémas 002c et 002d (seuil ajustable et deux LED)

Oui, il y a toujours moyen de mélanger les schémas, de les faire tourner dans tous les sens, et d'obtenir des circuits nouveaux, plus simples ou plus compliqués. Le schéma qui suit est en quelque sorte une "révision" du premier schéma, avec deux LED (une verte et une rouge) dont une seule peut s'allumer à la fois.



Les deux résistances fixes R2 et R3 du premier schéma ont été remplacées par un potentiomètre ajustable RV1, qui permet de régler le seuil de basculement. En position centrale (pont diviseur par deux), la tension de seuil est égale à la tension de la diode zener multiupliée par deux, soit 9,4 V si zener de 4,7 V. Dans la mesure du possible, choisissez une valeur de diode zener qui soit le plus proche possible de la moitié de la tension de seuil désirée. Ce n'est pas obligatoire mais permet une meilleur facilité de réglage avec RV1. Si par exemple vous voulez fixer le seuil d'alarme à 10 V, optez pour une diode zener de 5,1 V. Notez que la résistance de limitation de courant de la LED verte (R2) est de valeur inférieure à celle de la LED rouge (R3), puisque sa tension nominale est plus élevée (moins de tension à chuter).

Les deux LED s'allument en même temps ?

Ca, c'est embêtant... Pour quelle(s) raison(s) les deux LED peuvent-elles donc s'allumer en même temps, alors que la sortie du 741 ne peut pas en même temps être à 0 V et à +Valim ? Tout simplement parce que le 741 n'est pas un composant parfait, et que la tension de sortie n'est pas exactement celle que l'on désire dans les deux cas de figure. L'étage de sortie du 741 procure en effet une tension de déchet de l'ordre du volt, qui fait que l'on a environ +1 V pour un état logique bas au lieu de 0 V et environ +8 V pour un état logique haut au lieu de +9 V (si alim +9 V) quand la sortie reste en l'air (sans LED connectées). Et cet écart varie un peu en fonction de la charge, et donc du courant consommé en sortie. Si la LED rouge est récente, il y a des chances que vous la voyez s'éclairer même pour un malheureux petit mA de courant de fuite dans la branche négative, quand la sortie est à son niveau électrique le plus haut. Une solution consiste à augmenter la valeur de la résistance en série avec la LED rouge, mais cela a bien sûr aussi comme conséquence de diminuer son intensité lumineuse quand elle doit être allumée. Une autre solution consiste à utiliser des petites diodes zener de 2,4 V en série avec les leds, de sorte que la tension de déchet soit gommée. Un exemple est donné avec le schéma suivant :



En adoptant cette démarche, il faut tenir compte de la tension désormais appliquée aux LED - qui est diminuée de la valeur des diodes zener - et diminuer en conséquence la valeur des résistances de limitation de courant en série avec elles. Avec le circuit proposé ici, le courant de fuite n'est plus de l'ordre du mA mais de l'ordre de 10 uA. Là, une LED standard ne doit pas s'éclairer bien fort. Mais attention si vous utilisez une LED haute luminosité récente, vous pourriez voir des surprises... En résumé : le schéma 002c convient si vous employez des LED "anciennes" qui ne s'éclairent pas à partir de 1 mA, et le schéma 002d convient mieux pour des LED récentes et plus "sensibles".

Utilisation d'une LED bicolore à deux broches ?

A-t-on le droit d'utiliser une LED bicolore à deux broches dans ce genre de montage (schémas 002c et 002d) ? C'est faisable mais pas conseillé du tout. La modification qu'il faudrait apporter au schéma 002c par exemple serait la suivante.



L'inconvénient avec ce type de configuration est que les LED rouge (R) et verte (V) présentent des caractéristiques différentes et qu'on est quasiment assuré que si une des deux LED s'allume correctement, l'autre s'illuminera faiblement. Ce point est aussi discuté à la page Alimentation d'une LED. On peut toujours essayer d'ajuster la valeur des deux résistances R2 et R3 pour s'approcher au plus près de l'effet visuel désiré, mais ce ne sera pas si simple que ça et dans tous les cas le courant globalement ponctionné sur la batterie sera plus important car il subsiste un courant parasite permanent lié à la "mise en série" de R2 et R3 qui referment les deux pôles d'alimentation.

Schéma 002e (version batterie 3,6 V)

Avertissement : le montage tel que présenté ci-après fonctionne (merci à Jean-Claude pour son retour positif) mais il faut savoir que certains AOP ne fonctionnent plus correctement quand on passe sous la barre de la tension d'alimentation minimale, qui est généralement de quelques volts (disons entre 3 V et 6 V pour beaucoup). Je propose comme AOP le LM741 car il est très connu et facile à trouver, mais vous pouvez en tester d'autres plus classiques (TL071, TL081 ou moitié de LM358 par exemple) ou d'autres moins classiques tels ceux fonctionnant en très basse tension et issus de l'écurie Maxim (ICL7611 ou ICL7612 par exemple, moins faciles à trouver). Bref, expérimentation à prévoir si vous vous sentez l'âme d'un poète de l'électronique, en commençant par le 741 et en continuant le cas échéant avec ceux que vous voulez. Ceci dit examinons le schéma en question, dont la base est sans surprise identique aux schémas précédents.



La diode zener qui offrait jusqu'alors sa source de tension de référence a été remplacée par une LED rouge classique dont la tension nominale est de 1,6 V environ. L'exactitude de cette tension importe peu mais il ne faut pas qu'elle dépasse 2,0 V et c'est pourquoi on ne prendra pas une LED jaune ou verte et encore moins une LED de type haute luminosité. La résistance qui limite le courant dans cette LED est de valeur suffisement faible pour amener la LED à conduire un minimum, et suffisement élevé pour que la LED ne s'allume pas ou alors très peu (le but étant toujours d'économiser au maximum l'énergie de la batterie à surveiller). Le potentiomètre RV1 sert à régler le seuil de basculement de la sortie de l'AOP, de ce côté rien de nouveau. La sortie de l'AOP attaque la base du transistor Q1/2N2222 au travers d'une résistance de limitation de courant - ce qui est bon pour sa santé même quand on travaille avec une tension d'alimentation aussi faible que 2 V. La diode D2 insérée entre la résistance R2 et la base de Q1 empêche le transistor Q1 d'entrer en conduction si la sortie de l'AOP délivre une tension de déchet supérieure à 0,5 V à l'état bas. Le courant dans la LED est limité par R3 dont la faible valeur ne devrait pas vous surprendre. La LED doit en effet s'allumer pour une tension d'alim qui passe sous la barre de 2,8 V et si sa tension nominale est de 1,6 V, il ne reste que 1,2 V à chuter.

Schéma 002f - Version batterie 4,1 V - 4 seuils / 4 LED

Schéma gentilement communiqué par Guillaume N. pour la communeauté. Merci à lui ! 



Avec ce montage, on a une, deux, trois ou quatre LED allumée en même temps et non pas une seule à la fois, il faut y penser pour ce qui est consommation globale. Plus la tension batterie est élevée et plus le nombre de LED allumées est grand. A ce propos je conseille ici l'emploi de LED haute luminosité ou faible consommation, et d'augmenter la valeur des résistances qui sont en série avec elles. Les seuils calculés pour ce montage sont 3,0 V, 3,3 V, 3,7 V et 4,0 V. La tension de référence est fixée par la LED rouge D1 et sa valeur est comprise entre 1,5 V et 1,6 V selon son "type" et sa provenance.

Schéma 002g - Pour usage avec batterie 24 V

Cela faisait un an que cette page avait été mise à jour, voici de quoi la rajeunir un peu avec ce schéma pour usage batterie 24 V (ou 2 x 12 V ou 4 x 6 V en série).



Rémy B., le demandeur de cette version, souhaitait un seuil d'alarme à 23,5 V ou 23,6 V, c'est-à-dire situé très près de la tension nominale de 24 V. Ce schéma répond à la demande, mais la précision requise est telle que l'on doit utiliser un potentiomètre pour le réglage précis du seuil. Un potentiomètre ajustable multitours (10 ou 25 tours) ou classique (3/4 de tour) conviendra très bien, mais attention si l'engin est en permanence en milieu humide : il faudra choisir un modèle de qualité (cermet par exemple) et étanche de préférence. Vous avez le choix de câbler la LED ou le Buzer (modèle 24 V), ou les deux. La résistance de limitation de courant dans la LED D3 a été calculée pour un courant voisin de 15 mA, qui conduit à une dissipation de puissance un peu supérieure à 0,3 W. Une résistance de 1 W est toutefois conseillée car une 0,5 W commencerait à chauffer un peu, même si on tient compte du fait qu'en temps normal elle n'est pas sollicitée. Si pour le buzer vous avez du mal à trouver un modèle 24 V, rien n'interdit d'utiliser un modèle 12 V électronique (pas mécanique) avec une diode zener de 12 V câblée en série avec lui (attention au sens de la diode car sinon, pouf, plus de buzer dès sa première activation : cathode diode zener au +24 V, anode diode zener sur pôle plus du buzer, et pôle moins du buzer sur le collecteur de Q1).

Prototype(s)

Plusieurs ont été réalisés mais un seul fait l'objet d'un retour ici, celui du schéma 002f proposé par Guillaume (4 seuils / 4 LED).

Prototype montage 002f

Testé sur plaque d'expérimentation sans soudure.



Cool, ça semble bien fonctionner... Notez la LED de référence D1 isolée des quatre autres LED et qui est légèrement allumée (ce qui est normal). Pas impossible qu'on puisse augmenter un peu la valeur de la résistance qui se trouve en série avec elle, en vérifiant bien que la tension développée à ses bornes ne chute cependant pas trop et ne décale par là même l'ensemble des seuils.

Circuit(s) imprimé(s)

Un seul proposé pour l'instant, celui correspondant au schéma 002f et ce en version CMS. Le schéma de guillaume correspond dans l'idée à un montage que j'avais réalisé quand j'étais enfant pour la voiture de mes parents. Même topologie de circuit et tout en CMS, ce devait être un des premiers montages que je tentais avec des composants miniatures !


(clic sur vignettes pour agrandissement)

Les seuils n'étaient pas les mêmes, la référence de tension était fixée par une diode zener de 5,6 V, les LED étaient montées dans l'autre sens et j'utilisais un LM324 et non un LP339, mais l'idée générale était la même. D'ailleurs vous pouvez comparer les deux schémas.

Typon montage 002f - version CMS

Le typon qui suit correspond au schéma 002f de Guillaume, ce n'est pas une reprise de mon ancien typon visible en photo ci-avant. Comme le circuit est majoritairement élaboré avec des composants CMS, il faut un outillage adapté (fer à pointe fine et soudure de diamètre 0,7 mm ou 0,8 mm) et un peu de patience. L'ensemble est tout de même assez aéré pour être monté par un débutant.



Remarques

• Le point sur le circuit intégré U1 est le détrompeur et indique donc où se trouve la broche N°1.
• Les empreintes utilisées pour les quatre LED D2 à D5 sont celles de LED 5 mm, mais il faudra y placer des LED 3 mm car je les ai collées (volontairement) bien l'une contre l'autre. Notez qu'il y a cependant assez de place sur le circuit à cet endroit pour les espacer un peu plus et utiliser dans ce cas des modèles 5 mm.
• Pour ce qui est de la LED D1 qui sert de référence de tension, j'ai prévu d'y placer un modèle CMS format 1603 mais sa disposition sur le CI permet de mettre un modèle miniature avec pattes de diamètre 1,6 mm ou même de 3 mm.

Attention, typon proposé pour montage CMS côté composants (dessus du CI). Les pistes côté cuivre (au-dessous) sont là uniquement pour les LED D2 à D5 et totalement facultatives bien que conseillées pour rigidifier mécaniquement l'ensemble des LED. Un circuit simple face suffit mais attention à ne pas en inverser son sens et à ne pas tirer trop sur les LED pour ne pas décoller les pastilles du CI !

Typon 002f aux formats EPS, PDF et Bitmap 600 dpi

Remarques

Ces montages sont simples et peuvent fonctionner très bien pendant longtemps, mais pensez tout de même à ce qui suit.

Consommation

Ces circuits sont destinés à alerter l'utilisateur d'une tension batterie faible. Le moins qu'on puisse leur demander est de ne pas contribuer dans une trop grande mesure, à la décharge de la batterie. Pour le premier montage, la consommation est de l'ordre de 3 à 4 mA, il s'agit principalement du courant circulant dans la diode zener. Il est possible de réduire ce courant en augmentant la valeur de R1, qui peut par exemple passer de 2K2 à 10K, le courant global consommé au repos sera alors de l'ordre de 2 mA. Descendre plus bas encore le courant dans la diode zener est faisable, mais il faut alors s'assurer que la tension à ses bornes est encore celle que l'on attend et qu'elle reste aussi stable... Il est également possible de porter les deux résistances R2 et R3 à une valeur de 100K, mais la consommation passera seulement de 2,0 mA à 1,9 mA... Pour conclure, circuit adapté pour la surveillance dans un système qui consomme beaucoup plus (genre 100 mA ou plus, comme c'est le cas pour l'utilisation prévue, grâce au récepteur HF associé à l'électronique de commande et au moteur), mais circuit peu adapté pour un montage consommant 1 mA. Pour réaliser une fonction de détection batterie faible qui consomme très très peu (quelques uA ou dizaines de uA), il faut se tourner vers des circuits spécialisés comparateur de tension (voir chez Maxim par exemple). Le troisième montage ne fait pas exception à la règle, et est même "pire" dans le sens où il y a toujours une led allumée. Il faut dire qu'il a été conçu pour être installé sur une moto et que cette dernière risque à priori moins de se retrouver au milieu d'un bassin d'eau. Toujours est-il que vous pouvez réduire la consommation de ce schéma 002c en utilisant des leds haute luminosité associées à des résistances série de forte valeur (au moins 10 kO au lieu de quelques centaines d'ohms), et en remplaçant RV1 par un modèle de plus forte valeur (par exemple 470 kO ou 1 MO). Pour la résistance R1 de polarisation de la diode zener, je vous laisse relire les lignes qui précèdent.

Stabilité du seuil de basculement

Pour les deux premiers montages, le seuil est fixé par le biais de résistances fixes et non ajustables. Si le circuit est réalisé avec soin, ce seuil ne devrait pas bouger dans de grandes proportions. Mais il sera toujours sujet à quelques écarts (faibles) par rapport à la valeur attendue. A cela deux raisons : la tolérance des composants, et la température ambiante. En extérieur, cette dernière peut varier dans d'assez grandes proportions. Attendez-vous à une précision de quelque 100 mV. Pour le troisième montage, un potentiomètre ajustable est utilisé pour ajuster le seuil. Il doit impérativement être de haute qualité, piste cermet et si possible étanche (plus important en extérieur).

Historique

09/12/2012
- Ajout schéma 002g pour usage avec batterie 24 V, alarme à 23,6 V.
xx/xx/2011
- Ajout de plusieurs schémas, avec différentes tensions d'alim et différents seuils d'alarme.
xx/xx/xxxx
- Première mise à disposition.