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mesures > Indicateur niveau batterie 006
Dernière mise à jour : 05/04/2015Présentation
Cet indicateur est plus qu'un indicateur. Vous allez rapidement comprendre pourquoi.
Ce système est basé sur un circuit intégré ancien, obsolète et abominable. Mais je l'aime. Il s'agit du LM3900, un quadruple ampli de Norton, qui ressemble à un AOP mais qui travaille en "courant" et non en "tension", bien que ces deux grandeurs soient toujours plus ou moins intimement liées. Cet indicateur de niveau a été conçu pour surveiller des batteries de 12 V reliées en série (pour une valeur équivalente de 24 V) utilisées dans un système composé de panneaux photovoltaïques et d'un onduleur. La surveillance de la tension de batterie s'effectue sur deux niveaux différents, un seuil bas et un seuil haut. Quand la tension à surveiller dépasse le seuil haut, un premier relais colle, et quand cette même tension passe en-dessous du seuil bas, un autre relais colle (un seul relais est actif à la fois). Quand la tension à surveiller se situe entre les deux seuils bas et haut, les deux relais sont au repos. Les trois cas de figure sont visualisés par une LED.
Schéma
Bien entendu, un montage similaire avec un microcontrôleur aurait simplifié le circuit. Mais cela m'a été formellement interdit. Soit.
Principe général de fonctionnement
La tension de la batterie est comparée à deux tensions de référence basse et haute, grâce à l'emploi d'amplificateurs opérationnels câblés en comparateurs de tension. Les tensions de référence sont fixées par des potentiomètres ajustables. Trois cas de figure sont possibles :- tension de batterie inférieure au seuil bas -> Le relais "seuil bas" colle
- tension de batterie supérieure au seuil haut -> Le relais "seuil haut" colle
- tension de batterie comprise entre seuils bas et haut -> Les deux relais sont au repos
Remarques
- Le montage est simple et la tension de référence basse peut être réglée à une valeur supérieure à la tension de référence haute ! A vous de faire attention à ce "détail".
- Le relais central RL2 est optionnel et peut être supprimé selon la méthode qui vous convient (marteau ou acide sulfurique).
Fonctionnement détaillé
La tension de 24 V alimente l'ensemble du montage, les AOP du LM3900 supportent cette tension sans problème (max 36 V). La comparaison de la tension de la batterie nécessite des tensions de référence très stables, c'est pourquoi j'ai ajouté un petit régulateur de tension U2/78L15 (régulateur positif +15 V en boîtier plastique TO92). J'aurais bien sûr pu aussi utiliser une référence de tension encore plus stable.Le premier comparateur de tension est axé sur l'AOP U1:A. Sa broche inverseuse (-) reçoit la tension de référence haute qui vient du potentiomètre ajustable RV1, tandis que son entrée non-inverseuse (+) reçoit une tension égale à la moitié de la tension de la batterie (valeur divisée par deux par le pont diviseur R1/R2). Si la tension de batterie est de +24 V, alors la tension appliquée sur l'entrée non-inverseuse de U1:A est égale à +12 V (à la tolérance près de R1 et R2, qu'on peut négliger ici). Si la tension de la batterie chute à +20 V, alors la tension appliquée sur l'entrée non-inverseuse de U1:A devient égale à +10 V. Pour disposer d'un point de basculement entre ces deux valeurs de +24 V et +20 V, il suffit de placer la référence de tension haute à une valeur intermédiaire, par exemple +11 V, qui correspond à une tension de batterie de +22 V. Si la demi-tension de la batterie est supérieure à la tension de référence haute, alors la sortie de U1:A passe à l'état haut. A ce stade, on se rend compte que le régulateur de tension U2 pourrait tout-à-fait être un modèle +12 V (78L12). Pourquoi ai-je dans ce cas décidé d'opter pour une tension de +15 V ? Tout simplement pour pouvoir travailler avec un seuil sipérieur à +12 V et ainsi pouvoir gérer une surcharge en tension. Avec un régulateur de tension de +12 V, le seuil haut aurait été bloqué à +12 V (tension batterie de +24 V). Ce serait bien dommage de se limiter.
Pour le seuil bas, on travaille de la même façon, avec l'AOP U1:C. Mais ce dernier est monté de manière inversé si on le compare à U1:A. En effet, la tension de référence basse est appliquée sur la broche non-inverseuse de U1:C et la demi-tension de batterie est appliquée sur l'entrée inverseuse. Pour cette raison, la sortie de U1:C passe à l'état haut quand la demi-tension de batterie est inférieure à la tension de référence basse.
Pour la partie centrale enfin, j'ai utilisé une petite astuce avec un troisième AOP, U1:B. Ce dernier est lui aussi utilisé en comparateur de tension, son entrée non-inverseuse reçoit une tension égale à +7,5 V et son entrée inverseuse reçoit une tension à peu près égale à la tension de batterie via les résistances R10 et R11 qui sont reliées sur la sortie des deux premiers AOP. Si la sortie de l'AOP U1:A ou la sortie de l'AOP U1:C est à l'état haut, la sortie de U1:B reste à l'état bas et la LED LED2 est éteinte. Si en revanche la sortie des deux AOP U1:A et U1:C est à l'état bas, la sortie de U1:B bascule à l'état haut. De cette façon, la LED LED2 ne s'allume que quand on est dans la plage intermédiaire, entre les deux tension de référence basse et haute. Notez que le relais RL2 est totalement facultatif (l'aurais-je déjà dit ? Je radote).
Remplacement du LM3900 par un LM324 ?
Quoi, vous n'aimez pas le LM3900 ? Quel dommage. Mais je le comprend.
Plusieurs résistances de 1 MO pourraient être supprimées puisque les entrées des AOP du LM324 fonctionnent en tension (point besoin de convertir en courant les tensions à comparer). Mais comme cela fonctionne de cette manière, je ne voyais pas de raison de me casser la tête (remplacer des résistances par des straps me demande un effort qu'on imagine mal). Attention si vous tombez amoureux du LM324, son brochage diffère complètement de celui du LM3900, un échange "broches à broches" ne peut être envisagé.
Prototypes
Réalisé sur plaque d'expérimentation sans soudure avec LM3900, l'ensemble branché sur une source de tension ajustable 0 V à 40 V (alim de labo). N'ayant pas de régulateur de tension 78L15 en boîtier TO92 sous la main, j'ai utilisé un classique LM7815 en boîtier TO220.
Seuil bas réglé à 23 V et seuil haut réglé à 25 V, le circuit s'est mis à fonctionner correctement après avoir résolu un problème de faux contact (broches du circuit LM3900 un peu oxydées, le pauvre dormait au garage).
Egalement testé avec un LM2900, qui est identique au LM3900 mais susceptible de travailler sur une plage de température plus étendue (-40 °C à +85 °C au lieu de 0 °C à +70 °C). Comme je trouvais rigolo de jouer avec le bouton de réglage de mon alim variable pour faire "clignoter" les LED, je ne prêtais pas toujours attention à la tension de sortie de l'alimentation. Au moment où j'ai constaté que j'avais dépassé la barre des 40 V, je suis vite revenu en arrière. Le LM3900 qui normalement ne supporte pas plus de 36 V, a survécu. Sans doute parce que c'est bientôt Pâques. Je n'ai pas réalisé de proto avec le LM324, mais je crois le connaître assez bien et suis confiant ;-)
Prototype de Alain avec LM324
Eh bien voilà, il suffisait d'être patient ;-)
Photo de gauche avec réglage seuil bas à 23 V et photo de droite avec réglage seuil haut à 25 V. Merci à Alain pour ses retours !
Circuit imprimé
Non réalisé.Historique
05/04/2015- Ajout photos et retours de Alain G., que je remercie.
29/03/2015
- Première mise à disposition.