LE MAGAZINE DE

Par Yves JULIEN (25/03/2010) REV 2

Voltmètre à graphique de précision pour contrôler l’état de charge d’une batterie.

Il y a plusieurs façons pour contrôler l’état d’une batterie. La plus simple et probablement la plus économiques c’est par la mesure du voltage.

Avantages :

Désavantages :

Le circuit proposé corrige naturellement les deux premiers et principaux problèmes d'un voltmètre. Il s'agit de l'ajuster en conséquence de nos batteries et dans la plage d'opération que l'on préfère. Pour le dernier, c’est plus compliqué à corriger mais pas dramatique du tout si on ne le fait pas. Il faudrait connaître les valeurs de la résistance interne du type de batterie utilisée. Cette valeur varie en fonction de la décharge et du type de la batterie également. Lorsque la batterie débite du courant, cette résistance interne cause une chute de tension additionnelle ce qui aura pour effet de fausser la lecture du voltmètre en faisant croire que la batterie est plus déchargée qu’elle ne l’est réellement. Mais comme j’écrivais plus haut, ce n’est pas grave car la conséquence direct de cette erreur de lecture et de nous forcer à recharger la batterie plus vite que prévue, ce qui est très bien en sois… ! Donc le voltage demeure une excellente façon pour mesurer l'état d'une batterie et pour cause.

Je vous propose donc un voltmètre, qui ne vous donnera pas une lecture en volt mais plutôt un état de charge en %. En utilisant le Circuit Intégré (CI) LM3914N, on peut mesurer l’écart entre l’état de charge de 0 et 100 % et projeter le tout sur une dizaine de LED de couleurs variées. Le tout peut-être réaliser pour moins de 10 $, tout en procurant une excellente précision.

Explication sommaire

Le LM3914 divise en 10 parties égales un signale électrique reçu à la broche 5. Il compare ce signale avec les valeurs basses et hautes (broches 4 et 6) et allume successivement chaque LED. Le tout est indépendant du voltage d’alimentation reçu à la broche 3 car ce circuit a son propre régulateur interne de 1,25 V entre les broches 7 et 8. Il peut aussi être programmé pour allumer toutes les LED plutôt (mode BAR GRAPH) qu’une seul à la fois (MODE DOT). Il suffi de raccorder la broche 9 à la broche 3.

Consommation du circuit avec une LED allumée : 22.2 mA (Aucune LED allumée = 7.8 mA, i.e. sous voltage)

Liste des pièces

U1 = LM3914N (voir le data sheet)

R1 = R2 =  10 k (1 %) C,est important que les deux valeur soit égale.

VR1 = 1 k (potentiomètres de précision (20 tours de préférence). Essentiel pour un calibrage ultra précis.

VR2 = 10k (potentiomètres de précision (20 tours de préférence). Essentiel pour un calibrage ultra précis.

L1 = 1 mH (L1 et C2 sont facultatif. Ils protègent le circuit contre les surtensions « Spike Â» occasionné par une source de charge tel un alternateur ou un chargeur.

C1 = 0.1 uF (polyester ou céramique, améliore la stabilité)

C2 = 10 uF (voir L1)

LED1 à LED 10 de couleurs variées selon les goûts et croyances.

D11 = 1N4007 (protège le circuit en cas d’inversion de polarité).

Calibrage

Pour calibré ce circuit, il suffis d'ajusté VR1 et VR2 pour correspondre au valeur haute et basse du circuit / 2. Pour vous faciliter le travail, j'ai préparé un fichier qui calcule ces valeur selon la plage d'opération que vous désirez utiliser. Suivez les instructions :

Calibrage.xls

Note : le fichier est bon pour tous les circuits présenté dans cette section.

Par Yves JULIEN (16/03/2010) REV 1

 Voici le schémas électrique du design original (REV 1) :

Liste des pièces

U1 = LM3914N (voir le data sheet)

R1 = 5 k

R2 = 1.1k (R2 peut être variée et détermine le courant qui passe dans chaque LED. La formule suivante est utilisée. I LED = 12.5 / R2 >> Ex. : I LED = 12.5 / 1100 >> 11.36 mA. Attention ne pas dépasser les limites de la plus faible des LED (les rouges et jaunes).

VR1 et VR2 = 10k et sont des potentiomètres de précision (20 tours). Essentiel pour le calibrage

L1 = 1 mH (L1 et C2 sont facultatif. Ils protègent le circuit contre les surtensions « Spike Â» occasionné par une source de charge tel un alternateur ou un chargeur.

C1 = 0.1 uF (polyester ou céramique, améliore la stabilité)

C2 = 10 uF (voir L1)

D1 à D10 LED de couleurs variées selon les goûts et croyances.

D11 = 1N4007 (protège le circuit en cas d’inversion de polarité).

Calibrage

C’est la partie « tricky Â» du circuit. Ça ma pris plusieurs longues heures pour le figurer le fonctionnement de ce CI. Parce qu’il existe plusieurs façons de le brancher selon l’usage qu’il est destiné. Je ne passerai pas en revus chaque méthode. Je vous invite plutôt à consulter sa « fiche technique Â» sur http://www.datasheetcatalog.com/. En gros, il faut compressé la plage désirée à 1.25 V à l'aide de R1 et VR1 ou ajuster la tension entre les broches 4 et 6 en remplaçants R2 par un pot variable dont la broche 6 serait dans la médiane afin de correspondre à votre plage. Je vais vous faire grâce des explications et simplement vous donner deux exemples, qui sont adaptés pour notre usage spécifique de bateau ou chalet :

1^er cas : plage de 10.5 V à 15V

L’intérêt de cette plage d’opération est d’utiliser le circuit pour contrôler la décharge ainsi que  la recharge de la batterie. Dans le cas d’une batterie ordinaire, une décharge jusqu’à 10.5 V est permise pour un cours lapse de temps. Par contre, surcharge de plus de 14.5V est destructif pour la batterie. Ce circuit surveille donc autant la charge que la décharge de la batterie. Le choix des couleurs de LED, est bien entendu subjectif et correspond au seuil indésirable…

LED no1 = 10.5V, couleur rouge

LED no2 = 11.0V, couleur rouge

LED no3 = 11.5V, couleur rouge

LED no4 = 12.0V, couleur jaune

LED no5 = 12.5V, couleur verte

LED no6 = 13.0V, couleur verte

LED no7 = 13.5V, couleur verte

LED no8 = 14.0V, couleur verte

LED no9 = 14.5V, couleur jaune

LED no10 = 15.0V, couleur rouge

Pour calibrer ce circuit, procéder de la façon suivante.

1. Brancher la batterie sur le circuit.

2. Calibré le potentiomètre VR2 de façon à lire 3.75 à la broche no. 7 du U1.

3. Mesurer le voltage de la batterie et diviser par 4. Supposons que c'est 12.25V / 4 = 3.06V

4. Calibré le potentiomètre VR1 de façon à lire 3.06V à la broche no.5 du U1

Votre circuit est maintenant calibré du 10.5 à 15V.
Faites un essais en variant le source d'entré entre 10.5 et 15V et vous verrez les LED s'allumer successivement de no. 1 à no. 10.

2e cas : plage de 11.5 V à 13.5V

L’intérêt de cette plage d’opération limitée est de maximiser l’usage du voltmètre pour la portion utile de la charge de la batterie seulement. La plupart des batteries à décharge profonde ne doivent pas être déchargée plus bas que 11.5V sous peine de cristalliser les plaques et réduire la vie utile de la batterie. Leur charge maximum sont rarement au dessus de 13.5V Dans ce cas-ci, les 10 LED représente exactement 10% chacune de la charge d'une batterie à décharge profonde ordinaire. Le choix des couleurs de LED, est bien entendu subjectif...

LED no1 = 11.50V, (0 à 10%) couleur rouge

LED no2 = 11.72V, (10 à 20%) couleur rouge

LED no3 = 11.94V, (20 à 30%) couleur jaune

LED no4 = 12.12V, (30 à 40%) couleur jaune

LED no5 = 12.39V, (40 à 50%) couleur verte

LED no6 = 12.61V, (50 à 60%) couleur verte

LED no7 = 12.83V, (60 à 70%) couleur verte

LED no8 = 13.06V, (70 à 80%)  couleur verte

LED no9 = 13.28V, (80 à 90%) couleur verte

LED no10 = 13.50V, (± 100%) couleur verte

Pour calibrer ce circuit, procéder de la façon suivante

1. Brancher la batterie sur le circuit.

2. Calibré le potentiomètre VR2 de façon à lire 6.08 à la broche no. 7 du U1.

3. Mesurer le voltage de la batterie et diviser par 4. Supposons que c'est 12.25V / 1.78 = 6.88V

4. Calibré le potentiomètre VR1 de façon à lire 6.88V à la broche no.5 du U1

Votre circuit est maintenant calibré du 11.5V à 13.5 V
Faites un essais en variant le source d'entré entre 11.5 et 13.5V et vous verrez les LED s'allumer successivement de no. 1 à no. 10.

D'AUTRES PLAGES D'OPÉRATIONS

Il est possible de calibré ce circuit pour la plupart des batteries sans modifier le circuit actuel en autant que la plage d’opération ne soit pas inférieur à 1.69 V (facteur de compression doit être égal ou supérieur à 1.5). Pour des plages plus petites, des modifications au circuit seront nécessaires.

Procéder ainsi pour différente plage à l'intérieur des tolérances mentionnées ci-haut, faites les calcules suivants :

Limite haute – limite basse, Ex. 14V-11.5V = 2.50 V (plage d'opération)

Multiplier la plage d’opération par 0.89 pour obtenir le facteur de compression FC

Ex. : 2.50V * 0.89 =  2.22 (facteur de compression).

Prendre la valeur maximale de la plage et diviser par le facteur de compression ex. 14V/2.22 = 6.31 V

1. Brancher la batterie sur le circuit.

2. Calibré le potentiomètre VR2 de façon à lire 6.31 à la broche no. 7 du U1.

3. Mesurer le voltage de la batterie et diviser par FC (facteur de compression). Ex. 12.25V / 2.22 = 5.52V

4. Calibré le potentiomètre VR1 de façon à lire 5.52V à la broche no.5 du U1

Votre circuit sera calibré pour la plage que vous avez choisi. 

Vous pouvez utiliser ce fichier de calibrage également. Il est donner pour les deux versions.

Calibrage.xls

Note : le fichier est bon pour tous les circuits présenté dans cette section.

Autres possibilités du CI

Mode Bar Graph/Dot

Il est possible d’utiliser le circuit en mode Bar Graph. Par exemple avec le deuxième cas, ça pourrait être intéressant. Cependant il faut savoir que ça augmente considérablement la consommation du circuit (12 mA par LED et c’est cumulatif + la consommation du circuit lui-même ± 7.5 mA).

LED qui flash. Il est possible d’ajouter une résistance et condensateur afin de faire flasher une ou toutes les LED. Par exemple si la LED no. 10 du 1^er cas est allumer pour signaler une surcharge de 15V.

Il est également possible d’ajouter un pietzo pour signaler une surcharge ou une décharge profonde. Par exemple, il sera utile de mettre un pietzo en parallèle avec la LED no. 1 ou no. 10 ou un sur chaque. Il faut cependant s’assurer que les drains en courant sont respectés. L’usage d’un OP pourrait résoudre ce problème.

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