Electronique
> Réalisations
>
Affichage
/
mesures > Indicateur niveau batterie 003
Dernière mise à jour : 20/03/2011Présentation
Le présent montage permet l'allumage d'une led quand la tension de la batterie (modèle 12V) chute en-dessous d'un certain seuil. Il est similaire à l'indicateur niveau batterie 001, mais ici, la programmation du seuil ne se fait pas par le biais d'un potentiomètre, mais par le biais d'une diode zener, et est donc fixe.
Il sera préféré pour toute situation où le seuil n'a pas besoin d'être modifié après installation, et où l'usage d'un potentiomètre n'est pas recommandé (à cause de vibrations trop importantes par exemple).
Schéma
Une fois encore, la simplicité est de mise.
Principe général
Le fonctionnement repose sur un système de comparaison de tension, où entre en jeu une diode zener. Une tension égale à la tension d'alimentation à laquelle est retranchée la tension zener de la diode zener D1, est appliquée à la base du transistor Q1, au travers de la résistance R2. Si la tension d'alimentation est de 12 V et que la diode zener est un modèle 10 V (c'est le cas sur le schéma), nous retrouvons au point nodal R1 / R2, une tension de 2 V (12 V moins 10 V). Cette tension est suffisante pour produire dans R2 et dans la base du transistor Q1, un courant permettant de saturer le transistor Q1, qui présente alors sur son collecteur une tension proche de 0 V. Le transistor Q2 étant bloqué, la led D2 est éteinte. Si maintenant la tension d'alimentation chute à 10,3 V, nous retrouvons au point nodal R1 / R2, une tension de 0,3 V (10,3 V moins 10 V). Cette tension n'est plus suffisante pour saturer le transistor Q1, qui se bloque. Dans ces conditions, la base de Q2 est polarisée positivement par la résistance R3, ce qui permet sa saturation. La led D2 s'illumine, le courant qui la traverse étant limité par la résistance R4.Calcul des composants
Ci-dessous, quelques lignes explicatives sur le choix de la valeur des composants, en partant de la droite du schéma (Led D2) et en remontant vers la gauche (diode zener D1).Calcul de la valeur de R4
Les leds actuelles s'illuminent déjà très bien pour un courant de 10 mA et même parfois bien moins, surtout s'il s'agit de leds haute luminosité (certaines se contentent largement de quelques centaines de uA). La valeur de 1 KO induit un courant d'environ 10 mA dans la led D2, et par la même dans le circuit collecteur du transistor Q2 quand ce dernier conduit.
Calcul de la valeur de R3
Q2 ayant un courant collecteur de 10 mA quand il conduit, son gain min est (d'après le datasheet) de 75. En pratique il est au moins de 100, on peut donc se contenter d'un courant de base de 100 uA pour Q2. R3, pour une tension d'alim de 10 V (batterie plus trop en forme), on peut donc prendre pour valeur R = 10 / 0,0001 = 100 KO. Pour être sûr de saturer correctement Q2 (quand Q1 est bloqué), mieux vaut choisir pour R3 une résistance de valeur au moins deux fois plus faible. En pratique, une valeur comprise entre 10 K0 et 68 KO convient.
Calcul de la valeur de R2
Si R3 vaut 33 KO, cela induit un courant collecteur de Q1 de 10 V / 33000 soit environ 300 uA. Pour un tel courant collecteur, le gain du transistor est plus faible et voisin de 50, ce qui implique, pour le faire conduire, un courant de base d'au moins 300 uA / 50 = 6 uA. Pour une tension de 12 V, et en considérant la chute de tension de 10 V dans la diode zener et la chute de tension Base-Emetteur de Q1, il reste une tension de 12 - 10 - 0,7 = 1,3 V pour la commande du transistor. La résistance de base R2 peut donc prendre pour valeur R = 1,3 / 0,000006 = 216 KO. Toujours pour être sûr d'avoir une saturation correcte même avec un gain pessimiste, R2 est fixée à 100 KO.
Calcul de la valeur de R1
Le courant qui circule dans la diode zener n'est pas critique, mais il doit rester compris entre la valeur min pour laquelle on a bien dépassé le "coude" de conduction et pour lequelle la tension aux bornes de la diode correspond à sa valeur nominale, et la valeur max qui risque de la faire griller. Si on part du principe qu'il n'est pas raisonnable de consommer de l'énergie pour rien, on choisira de se placer un peu au dessus de la valeur min. J'ai pour cette raison choisi un courant de l'ordre de 1 mA à 2 mA : sous une alimentation 12 V, la résistance R1 devra donc avoir une valeur répondant à la formule suivante :
R = (12 - 10) / 0,001 = 2 KO (pour 1 mA)
R = (12 - 10) / 0,002 = 1 KO (pour 2 mA)
J'ai pris entre les deux, soit 1,5 KO
Calcul de la valeur de D1
Pour déterminer la valeur de la diode zener, il suffit d'utiliser la formule suivante :
Vzener = Vseuil + 0,7 V
les 0,7 V correspondant à la tension base-émetteur de Q1.
Si par exemple vous souhaitez que la led s'allume quand la tension de la batterie chute en-dessous de 9 V, vous devrez utiliser une diode zener de :
Vzener = 9,7 V.
Bien entendu, si la tension de zener calculée n'existe pas, il faut prendre la valeur la plus proche.
Remarque
Suite à une remarque faite par un lecteur, j'ai modifié les valeurs de quelques résistances du schéma. Non pas parce que ça ne fonctionnait pas, mais parce que le fonctionnement pouvait être bancal avec certains transistors dont le gain est plus faible que la moyenne. Le montage que j'ai réalisé fonctionnait bien ave les valeurs d'origine parce que les deux transistors employés (des 2N2222A) avaient un gain bien supérieur au minimal envisagé. A l'origine, R2 valait 330 KO et R4 valait 510 ohms.Ajout d'un relais
Pascal me demande comment ajouter un relais qui s'active quand la tension passe en-dessous du seuil, c'est à dire en même temps que la led s'allume. Le circuit suivant remplie cette tache.
Comme vous pouvez en faire le constat, une modification fort simple suffit : ajout d'un relais en série avec la led, et diminution de la valeur de la résistance R4. Le relais doit être un modèle 5V, pour qu'il puisse encore coller même si la tension de la batterie chute "beaucoup". Avec une valeur de 330 ohms pour R4, le courant circulant dans la led et dans la bobine du relais est compris entre 15 mA et 25 mA. Selon le relais utilisé, vous devrez peut-être ajuster un peu la valeur de R4 (en plus ou en moins) pour conserver un courant de cet ordre de grandeur.
Choix du relais
Tout dépend de l'élement à commander, et principalement de sa consommation en courant. Le relais utilisé ici est un petit modèle capable de commuter une charge de moyenne importance, ordre de grandeur : 1 A ou 2 A. Pour commander une charge plus importante, vous devrez soit utiliser un plus gros relais à la place de celui-ci (un seul installé au final), soit ajouter un plus gros relais en plus de celui-ci, dont la bobine sera de préférence alimentée extérieurement, comme le montre le schéma suivant.
Exemple avec un second relais fonctionnant en 12V, à partir d'une tension externe de 12V.
Version avec réglage précis du seuil
Au départ il était hors de question de placer un organe de réglage pour faire varier le seuil à la valeur désirée pile poil. Seulement voilà, je ne sais pas dire non quand on me demande gentilement. Voici donc contre toute attente une variante du montage où l'on conserve la diode zener et où on peut ajuster de manière continue le seuil de commutation entre 11 V et 14 V.
La tension nominale de la diode zener doit grosso-modo correspondre à la tension de seuil désirée à laquelle il faut soustraire 1 V ou 2 V. Le principal est qu'il reste au moins 0,7 V aux bornes de RV1 pour pouvoir faire conduire le transistor Q1 quand la tension de la batterie est passée au travers de la diode zener. Si par exemple tension batterie de 12 V et zener de 10 V, alors reste 2 V aux bornes du potentiomètre dont on peut extraire la fraction souhaitée (au moins 0,7 V). Le potentiomètre ajustable RV1 doit être de très bonne qualité. La tension d'entrée (batterie) ne doit pas excéder 15 V. Si vous devez régler le seuil de commutation à une valeur "élevée", par exemple 13 V ou 14 V, assurez-vous que le courant traversant le relais et la LED ne monte pas trop au-delà de la capacité de ces deux composants. Au besoin, augmentez la valeur de R3 (de 330 ohms passez à 390 ohms ou 470 ohms). Là encore choisissez un relais dont la résistance bobine est voisine de 250 ohms (5 V / 20 mA). Rien n'interdit d'utiliser un modèle de relais 12 V capable de fonctionner sur une "large" plage de tension (par exemple 10 à 15 V en permanence), et qui dans ce cas sera connecté sans la LED et sans la résistance R3 en série.
Circuit imprimé (première version, sans relais)
Réalisé en simple face et sans strap. Un véritable
exploit.
Pour ajouter le relais, il suffit de l'intercaller en série avec la led, qui ne sera alors plus montée directement sur le CI. N'oubliez pas d'abaisser la valeur de R4, sinon le relais risque fort de ne pas coller.
Typon aux formats PDF, EPS et Bitmap 600 dpi (avec sources Isis et Ares)
Prototype
Je n'ai pas réalisé le circuit imprimé que je propose, mais quelqu'un d'autre l'a fait "pour moi".
Source : http://tehnikservice.net/2010/05/08/battery-level-indicator/
Modifications et remarques
23/04/2009- Modification de valeur de quelques résistances et explications complémentaires.