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Voltmètre pour batterie auto 12V (montage autour du LM3914)

Indicateur niveau tension batterie 12V auto, projet électronique avec schéma élec et fichiers réalisation circuit imprimé DIY, voltmètre automobile

Envie de savoir si votre batterie auto est à plat, ou bien chargée ? Et ce avant, pendant, et après démarrage de votre véhicule ? Eh bien … découvrez cet indicateur de niveau de tension pour batterie auto 12V, fait maison, qui a justement été conçu en ce sens (pour mes besoins personnels, au départ, mais que j’ai plaisir à vous partager aujourd’hui !).

En fait, il ne s’agit ni plus ni moins que d’un voltmètre à led, permettant de visualiser toute tension comprise entre 10,5 et 13,2 volts environ. Et ce sera d’ailleurs l’occasion pour moi de vous présenter le LM3914, véritable coeur de ce montage électronique, au travers d’un exemple pratique d’utilisation !

Bonjour, et bienvenue sur le site Passion Electronique !

Comme toujours, gardez bien à l’esprit que ce type de réalisation est avant tout partagé à but didactique. Le but n’est donc pas de faire quelque chose de moins cher ou de plus performant que ce que l’on trouve sur internet, mais bien d’apprendre l’électronique, en étudiant un projet concret, et détaillé. Alors en avant !

Intro / Présentation du projet

Comme évoqué précédemment, j’avais initialement conçu ce montage pour mes propres besoins. En fait, je voulais pouvoir :

  • vérifier l’état de charge de la batterie de mon véhicule, avant démarrage moteur (qui doit faire 12,6 volts environ, lorsque pleinement chargée)
  • et vérifier le bon fonctionnement de l’alternateur, une fois le moteur démarré (dans ce cas, la tension batterie doit dépasser les 13 à 14 volts, sous l’effet de la charge de l’alternateur … si tout va bien !).

Au passage, il existe un moyen simple et rudimentaire, pour estimer la charge d’une batterie au plomb 12V (à ne pas prendre au pied de la lettre, attention). En effet, il suffit pour cela de mesurer la tension à vide, aux bornes de cette batterie. Et selon la valeur mesurée, on peut empiriquement déterminer la charge probable de cette batterie, selon un tableau de correspondance tel que celui-ci :

État de charge d'une batterie 12V au plomb, suivant sa tension à vide en volts, rouge déchargée, orange à recharger, et vert chargée

Bien entendu, tout ceci n’est qu’approximation, et ne donne qu’une idée de la correspondance entre niveau de charge d’une batterie 12V, et tension à ses bornes. Car en pratique, l’âge de la batterie, le fait qu’elle soit plus ou moins sulfatée, et tout un tas d’autres paramètres par ailleurs, font que ces valeurs sont plus ou moins vraies. Il ne faut donc pas les prendre pour argent comptant !

Cela étant dit, cela nous donne une base de départ pour notre montage !

En effet, comme la tension d’une batterie est généralement comprise entre 10,5V (batterie complètement à plat) et près de 13/14 volts (lorsque l’alternateur la recharge), quoi de mieux qu’un LM3914 pour allumer de 1 à 10 leds, selon la tension mesurée de la batterie ? Avec, comme couleurs de led :

  • du rouge, pour indiquer que la batterie est épuisée (et qu’il ne faut donc pas s’en servir)
  • du orange, pour indiquer que la batterie n’est pas suffisamment chargée (et qu’il faudra donc la mettre à charger)
  • du vert, pour indiquer que la batterie est suffisamment, voire pleinement chargée
  • et du bleu, pour signifier que la batterie reçoit une tension bien supérieure à sa tension nominale (ce qui nous indiquerait, par exemple, que notre batterie est en train d’être rechargée par notre alternateur de voiture).

Et comme vous pouvez vous en douter, c’est précisément ce code couleur là que j’ai adopté dans le projet (formalisé par un bargraphe à 10 leds, comportant : 2 leds rouges, 3 leds oranges, 4 leds vertes, et 1 led bleue).

Nota : si vous branchez une batterie de moins de 10,5 volts sur ce montage, alors aucune LED du bargraphe ne s’allumera ; car on sera « hors plage de mesure », en fait. Cela étant dit, le voyant « sous-tension » (power) devrait quant à lui s’illuminer, du moins, si la tension de la batterie est suffisante pour ce faire (car le montage s’alimente dessus).

Remarque importante : à noter qu’en dessous de 10,5 volts, une « batterie au plomb 12V » est considérée comme HS. Dans ce cas, il ne faudrait plus s’en servir, et même, ne pas essayer de la recharger (à moins qu’elle puisse être régénérée/ravivée/restaurée).

Du reste, le voltmètre pour batterie auto 12V que je vous présente ici pourra être utilisé de 2 manières différentes (d’où la présence de 2 borniers différents, sur la carte). En effet, on pourra :

  • soit brancher ce testeur directement sur une batterie, via des pinces crocodiles, par exemple
  • soit brancher ce testeur sur l’allume cigare de sa voiture, pour vérifier les tensions avant, pendant, et après démarrage de son véhicule (pour vérifier au passage le bon ou mauvais fonctionnement de l’alternateur)
Utilisation d'un indicateur de tension 12V pour batterie automobile au plomb, avec pinces croco ou prise allume-cigare, comme voltmètre auto DIY

En clair, on a toute liberté quant à son utilisation 😉

Enfin, comme indiqué en préambule, tout ce montage repose sur le LM3914, circuit intégré disposant de 10 comparateurs internes, pouvant piloter 10 leds séparément (suivant la tension mesurée, par rapport aux références de tensions min/max qu’on lui donne). Il fait partie d’une série de puces conçues par National Semiconductor, pour la réalisation de voltmètres et vumètres électroniques. Pour votre culture, on retrouve, dans cette famille :

  • le LM3914 (déca-comparateur à échelle linéaire) ; avec lui, chacune des 10 leds s’allume pour chaque dixième de tension mesurée, par rapport aux tensions min/max définies (c’est idéal pour concevoir un voltmètre à leds, comme dans le présent projet)
  • le LM3915 (déca-comparateur à échelle logarithmique) ; avec lui, chacune des LEDs s’allume par pallier de 3 dB. Cela permet d’afficher des mesures allant de -27 dB à 0 dB (parfait pour les « afficheurs audio » !)
  • et le LM3916 (déca-comparateur à échelle logarithmique ajusté) ; qui est une « copie » du LM3915, exception faite de sa plage de mesure, qui va non pas de -27 dB à 0 dB, mais de -23 dB à 0 dB (ce qui correspond à du -20 VU à +3 VU … pour une pure application en mode « VU-mètre audio » !)

Un mot sur le LM3914, véritable cœur de ce montage

Avant toute chose, il faut savoir que le LM 3914 peut s’utiliser de différentes manières, et s’entourer de composants de différentes valeurs, selon ce qu’on souhaite lui faire faire. Ici, dans le cadre de ce projet, le LM 3914 sera configuré pour fonctionner en voltmètre pouvant afficher des tensions allant de 10,5V à près de 13,2V, en pilotant des leds de couleurs différentes, selon la tension.

Mais pour bien comprendre les choses, laissez-moi tout d’abord vous présenter le schéma interne simplifié du LM3914 :

Schéma interne LM 3914 avec résistances des comparateurs intégrés, suivant tension VREF, VHIGH, et VLOW, avec pilotage leds en sortie

D’un point de vue global, on retrouve 4 parties :

  • une référence de tension interne, de 1,25 volts (qui sort sur VREF_OUT, broche 7)
    • celle-ci nous servira de référence pour nos mesures comparatives, en la reliant à VHIGH (comme nous verrons un peu plus loin)
    • le courant tiré dessus déterminera le niveau d’éclairement des LEDs
  • 10 comparateurs de tension
    • ils pilotent les 10 LED branchées sur ce circuit intégré
    • les entrées « – » de ces comparateurs sont toutes reliées ensemble ; la tension ici vaut VIN (le « buffer du bas » n’étant qu’un étage « suiveur de tension »)
    • les entrées « + » de ces comparateurs sont toutes reliées à un réseau de résistances ; celles-ci vont de VHIGH (broche 6) à VLOW (broche 4), en passant par 10 résistances internes de 1 kohm. En fait, ces résistances font office de pont diviseur de tension étagé, et les tensions sur les entrées + des comparateurs sont respectivement égales à (de haut en bas) : VHIGH, 9/10ème de (VHIGH-VLOW), 8/10ème de (VHIGH-VLOW), …, et jusqu’à 1/10ème de (VHIGH-VLOW).
    • lorsque l’entrée + d’un comparateur est supérieure à son entrée -, sa sortie passe au niveau haut (la led branchée dessus s’éteint, du fait qu’elle est câblée « à l’envers »)
    • lorsque l’entrée + d’un comparateur est inférieure à son entrée -, sa sortie passe au niveau bas (la led raccordée dessus s’allume)
  • une protection/buffer (sur l’entrée VIN, broche 5)
    • il s’agit d’un suiveur de tension (permettant « d’isoler » VIN du LM 3914, pour ainsi dire)
    • la diode branchée sur l’entrée + du buffer permet d’écrêter toute tension négative sur cette entrée (à -0,7 volts), avec limitation de courant permise par la résistance de 20 kohms à proximité (système de protection idéal contre les inversions de polarité, par exemple)
  • et un sélecteur de mode (qui permet choisir entre l’allumage d’une seule LED, ou possiblement plusieurs à la fois) ; entrée VMODE, broche 9

Du coup, vous l’aurez certainement deviné, nous utiliserons le LM 3914 pour comparer notre tension de batterie, à cette référence de tension de 1,25 volts. Bien sûr, cette tension batterie devra être préalablement abaissée, à l’aide d’un pont diviseur de tension, afin qu’elle ne soit que de 1,25 volts au maximum ou presque, en sortie.

Du reste, nous relierons la broche VLOW à la masse, via une résistance bien précise, afin que la LED « la plus basse » de notre voltmètre auto commence à s’allumer à 10,5 volts (et non 0 volt !).

Mais pour mieux comprendre les choses, voici à présent le schéma électronique de ce montage 😉

Schéma électronique + détail des calculs des composants autour du LM3914

Le schéma électronique complet

Sans plus attendre, voyons ensemble le schéma électronique de ce voltmètre auto 12V :

Schéma voltmètre pour batterie auto 12V, avec LM3914 comme circuit intégré de mesure et pilotage de LED d'affichage, projet DIY électronique

De base, on distingue 5 blocs :

  • un bloc « Alimentation » : c’est par là que sera alimenté notre montage (soit via la prise jack 5,5×2,1, soit par le bornier à 2 vis). Au passage, c’est cette tension entrante qui sera comparée, après abaissement, à la référence de tension 1,25 volts fournie par le LM3914. Un petit interrupteur on/off (SW1) permet d’alimenter ou non l’ensemble du montage, avec filtrage capacitif dans la foulée (C1)
  • un bloc « Témoin sous-tension » : il s’agit là, ni plus ni moins, que d’une LED branchée sur l’alimentation principale, avec un cavalier (JP1) qui permet ou non qu’elle s’éclaire (car elle peut être éblouissante la nuit, ou gênante vis à vis des autres LEDs situées sur le bargraphe)
  • un bloc « Mode barre/point » : cela permet, via le mini-interrupteur SW2, de choisir entre un affichage par point (1 seule LED allumée à la fois, sur le bargraphe), ou en barre (plusieurs LEDs peuvent s’allumer à la fois, selon le niveau de tension)
  • un bloc « Pont diviseur de tension » : ce diviseur résistif permet d’abaisser la tension de batterie (typiquement comprise entre 0 et 14 volts environ, quand l’alternateur de son véhicule tourne), pour que celle-ci puisse être comparée aux 1,25 volts de référence du LM3914
  • et le bloc «  Cœur du montage », qui est constitué :
    • du LM 3914 en lui-même
    • d’un bargraphe à 10 LEDs (2 rouges, 3 jaunes, 4 vertes, et 1 bleue)
    • de l’ensemble résistance R6 + potentiomètre P1 (qui nous permettra, dans une certaine mesure, de faire varier la luminosité des leds)
    • et du couple de résistances R4 et R5, qui nous permettront de fixer une tension de référence basse, pour notre montage (afin que la 1ère led, c’est à dire celle du bas du bargraphe, puisse s’allumer lorsque la batterie aura une tension supérieure ou égale à 10,5 volts, si souhaité)

Nota : afin de rester sur des valeurs de résistances « classiques » (la série E12, j’entends), j’ai parfois mis en série 2 résistances, pour arriver à la valeur souhaitée. C’est pourquoi R2 et R3 se suivent (pour avoir une résistance équivalente à 4920 ohms), et R4 et R5 également (pour obtenir 34 kohms).

Le pont diviseur de tension (R1/R2/R3), abaissant la tension d’alimentation batterie

Comme je vous disais précédemment, le LM 3914 va comparer sa référence de tension interne de 1,25V à la tension qu’on lui fournira, sur son entrée Vin (et allumer ses leds en conséquence). Comme le dernier « palier » de notre voltmètre est de 13,2 volts, il faudra donc que notre tension d’entrée soit abaissée d’un facteur de 1,25V/13,2V, soit 0,0947.

Pour arriver à cela, j’ai choisi de prendre les valeurs de résistance suivante : R1 = 47 kohms, R2 = 4,7 kohm, et R3 = 220 ohms.

Car en effet, si on applique la loi d’ohm, on trouve alors alors :

Vin = R basses / R totales * Vbatt
d’où Vin = (R2+R3) / (R1+R2+R3) * Vbatt
d’où Vin = (4700+220) / (47000+4700+220) * Vbatt
d’où Vin = 4920 / 51920 * Vbatt
d’où Vin = 0,0947 * Vbatt (environ)

Du coup, on peut vérifier si nos calculs sont bons, à présent, en prenant l’hypothèse où Vbatt ferait 13,2 volts : Vin = 0,0947 * 13,2 = 1,25 volts. Donc c’est parfait !

Nota : en pratique, il est clair que la tension de sortie ne sera pas aussi précise que cela. Car ici, on utilise des résistances à 1 % de tolérance, dont la valeur peut également varier en fonction de la température (et dans une voiture, ça varie pas mal … surtout entre l’hiver et l’été !). Donc gardez bien à l’esprit que ce « voltmètre auto » ne sera pas d’une très grande précision au final, même si, nous sommes bien d’accord, ce n’est pas son but premier 😉

Les résistances R4/R5, permettant de fixer le « niveau bas » de notre voltmètre (10,5 volts)

Si vous reprenez le schéma un peu plus haut, vous constaterez que :

  • l’entrée VHIGH est reliée au + 1,25 V, sortant de VREF_OUT (référence de tension issue du LM 3914)
  • la sortie VLOW est reliée aux résistances R4/R5 (faisant 34 kohms, au total)

Et comme le LM3914 comporte, en interne, 10 résistances de 1 kohm en série (alimentant 10 comparateurs, pilotant nos 10 leds), entre VHIGH et VLOW, on retrouve une boucle particulière (matérialisée par via les flèches oranges, ci-dessous) :

Réglage seuil bas du LM3914, en fonction des résistances branchées sur LOW, et pont résistif interne de la puce électronique, via REF OUT

Cette boucle constitue un réseau de résistances en série, si on fait abstraction des comparateurs, internes au LM 3914 (représentation de droite, juste au dessus).

Remarque : si cette partie (comme celle d’après) vous semble un peu trop compliquée, laissez-la de côté, et revenez-y plus tard 😉

En fait, il faut bien comprendre que chaque comparateur ici n’influence pas ce réseau. En effet, par définition, un comparateur ne consomme pas de courant sur ses entrées (car elles ont une impédance très élevée). Du coup, on peut donc appliquer la formule du pont diviseur de tension, et ce, n’importe où, entre ces résistances.

À présent, laissez-moi vous redessiner ce même réseau, mais en faisant apparaître les comparateurs, cette fois-ci :

Zoom sur les 10 comparateurs internes du LM3914, avec seuils de déclenchement en tension suivant valeur tension Vin comparée à REFOUT

Vous remarquerez que chaque entrée « + » de chaque comparateur peut être le « point milieu » d’un pont diviseur de tension. En effet, si on prend par exemple le comparateur pilotant la LED_1, il a R1K/R4/R5 en dessous de son entrée V+, et 9 résistances R1K au dessus.

Tout ça pour arriver à ce dont je voulais vous parler ici : comment fixer les valeurs de R4 et R5, afin que la LED_1 ne s’allume que lorsque la tension batterie fera au moins 10,5 volts ?

Pour cela, reprenons deux choses, vues jusqu’à présent :

  • l’entrée V+ des comparateurs reçoit une fraction de la tension VHIGH-VLOW (pont de diviseur de tension étage)
  • et l’entrée V- des comparateurs reçoit une tension équivalent à VIN, qui, pour rappel, vaut 0,0947 fois la tension de la batterie

En sachant que le point de basculement de chaque comparateur est quand leur entrée V+ est idéalement égale à leur entrée V-. Donc : le comparateur pilotant la LED_1 basculera quand son entrée V+ (valeur calculable avec la formule du pont diviseur de tension) sera égale à son entrée V- (qui sera alors égale à 0,0947 fois nos 10,5 volts de batterie visés).

En résumé :

  • V+ (du comparateur pilotant LED_1) = RPARTIE_BASSE / RTOTALE_DU_RESEAU * VHIGH (formule pont diviseur)
    d’où V+ = (R1K + R4 + R5) / (10 * R1K + R4 + R5) * VHIGH
  • V- (du comparateur pilotant LED_1) = 0,0947 * VBATT
    d’où V- = 0,0947 * 10,5 (ces 10.5 volts étant le seuil d’allumage de notre LED #1)
    d’où V- = 0,99435 volts

Et comme V+=V- au moment du basculement, on peut donc réunir ces 2 formules, pour déterminer R4 et R5 :

V- = V+
d’où 0.99435 = (R1K + R4 + R5) / (10 * R1K + R4 + R5) * VHIGH
d’où 0,99435 = ((1*1000 + R4 + R5) / (10*1000 + R4 + R5)) * 1,25
d’où 0,99435 * (10*1000 + R4 + R5) / 1,25 = (1*1000 + R4 + R5)
d’où 0,99435 * 10000 / 1,25 + 0,99435 * R4 / 1,25 + 0,99435 * R5 / 1,25 = 1000 + R4 + R5
d’où 7954,8 + 0,79548 * R4 + 0,79548 * R5 = 1000 + R4 + R5
d’où 7954,8 + 0,79548 * (R4 + R5) = 1000 + (R4 + R5)
d’où (R4 + R5) * (1 – 0,79548) = 7954,8 – 1000
d’où (R4 + R5) = (7954,8 – 1000) / (1 – 0,79548)
d’où (R4 + R5) = 6954,8 / 0,20452
d’où (R4 + R5) = 34 005 ohms

C’est pourquoi j’ai opté pour R4=33k et R5=1k, pour arriver à un total de 34000 ohms (proche de nos 34005 ohms, donc !).

Nota : comment les résistances utilisées dans ce projet auront une tolérance de ± 1 %, les LEDs pilotées par le LM3914 ne s’allumeront pas exactement aux tensions voulues. Mais ce n’est pas si grave, du fait que le but de ce montage est de donner une idée de la tension d’une batterie, et non de remplacer un multimètre de précision 😉

La résistance R6 et le potentiomètre P1, pour faire varier la luminosité des LEDs (du bargraphe)

Afin de pouvoir ajuster l’intensité lumineuse des LEDs qu’il pilote, le LM 3914 nous met à disposition une méthode particulière, pour ce faire. En effet, l’éclairement de chacune des led est fonction du courant soutiré sur sa référence de tension, sortant sur la broche 7 (notée VREF_OUT).

En effet, comme communiqué par le fabricant dans son datasheet, chaque LED recevra un courant approximativement égal à 10 fois le courant sortant sur VREF_OUT. En clair, par exemple, il suffit de tirer 1 mA sur cette sortie VREF_OUT, pour que chaque LED reçoive 10 mA. Et pour « tirer » ces 1 mA de VREF_OUT, qui fournit une tension constante de 1,25 volts, il suffit simplement d’y brancher une charge (comme une résistance reliée à la masse, par exemple).

LM3914 calcul courant LED, à partir de l'intensité absorbée sur VREF_OUT, via la source de tension 1,25 volts, avec dix fois le courant consommé

Pour calcul la valeur de la résistance R à brancher sur VREF_OUT, afin de soutirer un courant donné, il suffit d’appliquer la loi d’ohm.

Exemple de calcul pour tirer 1 mA de la sortie 1,25V (VREF_OUT) :

U = R * i
d’où R = U / i
d’où R = VREF_OUT / i (comme U = VREF_OUT)
d’où R = 1,25V / 0,001A (comme VREF_OUT = 1,25 V et i = 1mA)
d’où R = 1250 ohms

En théorie, donc, si on branche une résistance de 1,2 kohm, seule sur VREF_OUT, on obtiendra un courant de 10mA sur chacune des LED branchée sur le LM3914.

Remarque : si ce qui suit vous semble trop compliqué pour l’instant, n’hésitez pas à la laisser de côté, pour y revenir plus tard 😉

À présent, en pratique et du fait de la configuration de branchement de notre LM3914, il faut savoir que les choses ne sont pas si simples, pour ajuster le courant dans les leds, à notre guise. En effet, tout ce qui sera branché sur VREF_OUT va influencer la luminosité des LEDs. C’est d’ailleurs le cas dans notre montage ici, où VREF_OUT sera également relié à VHIGH, afin de servir de référence de tension, aux comparateurs internes du LM 3914.

En effet, selon la loi des nœuds, le courant sortant de VREF_OUT sera égal à la somme du courant tiré par notre charge résistive (permettant de faire varier l’intensité lumineuse des leds) + le courant tiré via VHIGH, comme visible ci-dessous (le courant étant représenté par des flèches rouges) :

Réglage intensité lumineuse des LED branchées sur LM 3914, avec résistance variable sur REF_OUT, à l'aide d'un potentiomètre courant

En résumé, et d’après l’image ci-dessus :

  • la résistance R6 et le potentiomètre P1 vont permettre de tirer un courant plus ou moins important, sur VREF_OUT
  • mais les 10 résistances internes du LM3914, ainsi que les résistances R4 et R5 (branchées sur VLOW) vont elles-aussi tirer du courant sur VREF_OUT (via l’entrée VHIGH)

Dit autrement, nous aurons 2 circuits résistifs, branchés en parallèle, avec :

  • d’un côté R6 et P1, dont la résistance totale peut varier entre 1,2k (lorsque P1=0) et 101,2k (lorsque P1=100k) ; ce qui nous donne, d’après la loi d’ohm, un courant pouvant varier de imin = U / Rmax = 1,25V / 101,2k = 0,01 mA ; à imax = U / Rmin = 1,25 / 1,2k = 1 mA
  • et de l’autre côté, 10 résistances internes du LM3914 (10 x 1 kohm, donc), ainsi que R4 (33k) et R5 (1k), qui d’après la loin d’ohm, nous donnent un courant consommé de : i = U / R = 1,25V / (10*1k + 33k + 1k) = 1,25 / 44000 = 0,028 mA

Du coup, au final, nous avons :

  • un courant minimal tiré sur VREF_OUT égal à 0,01mA + 0,028mA, soit 0,038 mA (ce qui nous donnera un courant de 0,38 mA par LED, du fait que le LM3914 « multiplie par dix » ce courant)
  • un courant maximal tiré sur VREF_OUT égal à 1mA + 0,028mA, soit 1,028 mA (ce qui nous donnera un courant de 10,28 mA par LED, du fait du principe de fonctionnement du LM 3914)

Vous l’aurez compris, on ne pourra jamais aller en-dessous de 0,38 mA par LED, ce qui pourtant peut être encore trop important, notamment lorsqu’on fait marcher ce montage de nuit (croyez-moi… en voiture la nuit, cet éclairement de led peut vite devenir gênant…).

Le circuit imprimé PCB (+ photo soudage des composants)

Le circuit imprimé de ce voltmètre de tension auto 12V, à base de LM3914 a été conçu pour tenir entre les « pinces » d’un support téléphone auto (vous savez, ceux qu’on fixe sur les aérateurs centraux des voitures, où souffle l’air dans l’habitacle). D’un point de vue dimensions, il fait environ 7 cm x 7 cm.

Perso, j’ai opté pour une couleur blanche, au niveau des couches de finition du circuit imprimé, pour des raisons esthétiques. Mais libre à vous de choisir une toute autre couleur, si vous souhaitez reproduire ce montage 😉

En parlant du PCB, en voici d’ailleurs quelques photos, vues de devant, et de derrière :

À noter que tous les composants seront soudés en « face avant » ; il n’y en aura donc aucun à l’arrière.

De mon côté, je les ai soudé classiquement, du plus petit (ou moins encombrant), au plus gros (plus imposant). Ou presque 😉

Voici d’ailleurs quelques photos que j’ai pris au moment du soudage des composants, histoire que ça vous parle davantage :

Comme vous avez pu le constater, rien de bien compliqué ici ! Par contre, faites bien attention aux sens/polarité des composants que vous soudez (condensateur, bargraphe, support de CI, mini-interrupteurs, …), si jamais vous reproduisez ce montage.

Du reste, passons à présent aux premiers essais que j’ai réalisé après soudure des composants, afin de vérifier le bon fonctionnement de cet indicateur de tension pour batterie 12V auto, et relever sa précision relative.

« Étalonnage » de ce voltmètre pour batterie auto (avec alim stabilisée et voltmètre numérique)

Alors, avant de passer direct au branchement sur batterie 12V, ou sur allume cigare de voiture, j’ai vérifié que l’affichage des LED se faisait bien aux tensions voulues (ou presque !).

Pour ce faire, j’ai utilisé :

  • une petite alimentation stabilisée 30V (là, il s’agit du modèle PS-3010F de chez Kaiweets)
  • un voltmètre numérique (pour avoir une mesure plus précise, de la tension envoyée à notre montage)
  • le montage présenté ici, fini/soudé
  • un cordon d’alim « fait maison », muni d’une fiche banane Ø4mm d’un côté, et d’une fiche DC 5,5/2,1 de l’autre, pour alimenter notre circuit
  • et un cordon banane/banane avec repiquages, afin de pouvoir mettre le multimètre en parallèle de l’alim

Le tout est branché simplement, comme suit : l’alimentation alimente directement notre montage, via son connecteur DC ; et le multimètre est branché en parallèle de l’alimentation, afin de contrôler la tension délivrée. En image, ça donne ça :

Branchement alimentation kaiweets et multimètre de mesure de tension en parallèle, pour contrôle étalonnage du circuit électronique de testeur DIY

Ensuite, j’ai mise en marche l’alimentation, et fait 3 relevés :

  • au moment où la 1ère LED du bargraphe s’est allumée (10,5 volts)
  • au moment où la LED en face du 12 volts s’est allumée
  • au moment où la LED en face du 13,2 volts s’est allumée

Voici les mesures que j’ai pu noter :

Objectif viséPhoto priseTension alim allumant cette LEDTension relevée sur multimètreÉcart de tension (entre objectif et relevé)
Faire allumer la « LED 10,5V » du bargraphePower supply Kaiweets réglé sur 10,5 volts avec affichage tension vérifiée sur multimètre numérique en parallèle, et led de contrôle élec10,50 volts10,64 volts140 mV d’écart
Faire allumer la « LED 12V » du bargrapheSource de tension 12V de marque Kaiweets alimentant un projet électronique, avec voltmètre de mesure et contrôle de justesse délivrée en sortie12,03 volts12,18 volts180 mV d’écart
Faire allumer la « LED 13,2V » du bargrapheSource de courant Kaiweets délivrant 13,2 volts, pour fournir énergie à PCB élec testeur calibrage, avec ajout voltmètre de contrôle précision mesure13,34 volts13,50 volts300 mV d’écart

En conclusion, on constate que les LED s’allument à 140~300 millivolts près, ce qui n’est pas extraordinaire ! Mais ce n’est pas choquant non plus, pour un appareil conçu avec des résistances à 1 % de tolérance, et fonctionnant avec un LM3914, dont la référence de tension interne (VREF_OUT) peut varier entre 1,2 et 1,34 volts, au lieu d’être pile à 1,25 volts (ce qui fait une « grosse » marge d’erreur !!).

Pour réduire cette marge d’erreur, on pourrait très bien passer sur des résistances de plus grande précision (à 0,1% de tolérance, par exemple), et faire appel à une source de tension externe, plus précise que celle interne au LM3914 (ce dont je ne voulais pas au départ, afin de garder un schéma électronique le plus simple et épuré possible).

Cela étant dit, place à présent aux essais sur batterie 😉

Essai #1 : mesure directe d’une batterie au plomb 12V

Premier essai que j’ai réalisé : le branchement de cet indicateur de niveau de batterie sur une batterie au plomb, 12V. Pour ce faire, j’ai tout simplement branché un câble muni de 2 pinces crocos d’un côté (pour pouvoir agripper les cosses de batterie), et de 2 fils libres de l’autre (que j’ai branché sur le bornier prévu à cet effet, sur notre plaquette).

Important : faites TRÈS attention à la polarité des raccordements, lors du branchement de vos fils (aussi bien côté montage, que côté batterie). Car cette réalisation n’est pas équipée de protection contre les inversions de polarité, ni contre les surcharges. En fait, j’avais initialement conçu ce testeur de batterie 12V pour se brancher sur l’allume cigare de ma voiture (donc sans risque d’inverser la polarité, et surtout, protégé en amont par un fusible auto). Soyez donc extrêmement prudent ici, car la moindre erreur pourrait être lourde de conséquence (une batterie pouvant délivrer plus d’une centaine d’ampères sans problème, en court circuit).

Ah oui… avant de mettre le montage sous tension (via le bouton ON/OFF présent sur la platine), j’ai réalisé une mesure de tension préalable de la batterie, qui me servira pour les tests, histoire d’avoir un point de repère. La tension relevée est de 12,56 volts :

Ensuite, j’ai retiré le multimètre, et ai appuyé sur le bouton ON/OFF de notre montage. Voici d’ailleurs 2 photos prises, pour vous montrer le résultat (en « mode point » à gauche, et en « mode barre » à droite) :

Précision : le mode « point » ne fait allumer qu’une seule LED, tandis que le mode « barre » fait allumer plusieurs LED à la fois, pour indiquer le « niveau de tension » lu.

Ici, l’indicateur de niveau batterie nous indique une tension de 12,3 volts. Ce qui est correct, du fait que la LED suivante ne s’allume qu’à partir de 12,6 volts (la tension de cette batterie étant de 12,56 volts, pour rappel).

Remarque : comme chaque LED s’allume tous les 0,3 volt, ne vous attendez pas à quelque chose d’ultra précis ! Mais ce n’est pas si grave, car, initialement, cette réalisation avait seulement pour but de donner une « indication du niveau de tension/charge » d’une batterie (avec un code couleur simple, pour ne pas avoir à réfléchir plus que ça !).

Essai #2 : branchement sur allume-cigare auto (vérification alternateur, également)

À présent, place aux tests de ce voltmètre auto sur allume-cigare ! C’est d’ailleurs pour ça que j’avais initialement conçu ce montage ! En effet, à la base, ce projet devait permettre d’afficher la tension batterie :

  • avant de mettre le contact (si votre prise allume-cigare est tout le temps alimentée, ce qui n’est pas le cas de tous les véhicules)
  • une fois le contact mis, mais avant démarrage moteur (pour voir à quel point les bougies de préchauffage faisaient chuter la tension batterie, sur un diesel, par exemple)
  • et une fois le moteur démarré (l’alternateur fournissant environ 14V à la batterie, si tout va bien)

Avec le code couleur qui va avec :

  • rouge (ou aucune led allumée) : batterie « complètement » déchargée
  • orange : batterie insuffisamment chargée
  • vert : batterie suffisamment ou pleinement chargée
  • et bleu : batterie en charge (via l’alternateur qui lui fournit environ 14 volts, une fois le moteur démarré)

Ah oui… juste un mot sur la fixation de ce montage, à l’intérieur d’un véhicule : j’ai simplement utilisé un support de téléphone portable, qui se fixe sur une bouche de ventilation auto (aérateur à ailettes) pour faire tenir le PCB à hauteur. Du reste, un cordon va quant à lui de la prise allume cigare à notre montage, pour l’alimenter, tout en lui permettant d’effectuer des mesures de tension.

À l’instar des essais précédents (sur batterie hors véhicule), je vous ai également fait des photos en mode « POINT » (une seule LED allumée à la fois, sur le bargraphe), et en mode « BARRE » (une « barre » de LED s’allume, pour indiquer le niveau de tension).

Voici les photos en « mode point », suivant si la batterie fait au moins 11,7 V (led orange), 12V (led verte), ou 13,2V (led bleue) :

Remarque : vous noterez que la LED rouge (tout en bas du bargraphe) reste constamment allumée (même si c’est faible). En fait, c’est tout à fait « normal » avec le LM3914, même si ce n’est pas désiré ici ! Pour la petite histoire … le LM3914 a un courant de fuite plus important sur la sortie correspondant à LED du bas, lorsqu’on utilise le « mode point ». À noter qu’il existe une « bidouille » pour atténuer ce « parasite visuel » ; pour cela, il suffirait de mettre une résistance de 4,7k à 10k, en série avec cette led rouge (ce que je n’ai pas testé, ni fait ici, afin de garder un montage le plus simple et épuré possible).

Et pour les photos en « mode barre », suivant si la tension fait au moins 11,7 V (led orange), 12V (led verte), ou 13,2V (led bleue), les voici :

Perso, je trouve le mode « BARRE » plus sympa ! Et vous ?

Nota : certains modèles de voiture ont l’allume-cigare alimenté en permanence, tandis que d’autres non (dans ce cas, il faut à minima mettre le contact). Ne vous inquiétez donc pas si rien ne s’allume, dans le cas où vous seriez dans le cas où il faille tourner la clef de contact, pour que le montage soit alimenté !

Remarques, et améliorations possibles

Après essais sur plusieurs jours, je suis plutôt satisfait de ce projet ! Par contre, il y aurait bien des améliorations, à apporter ! En voici quelques unes :

  • il faudrait concevoir un petit boîtier (en impression 3D, par exemple), pour protéger ce montage. Cela permettrait dans un premier temps de l’isoler électriquement de son entourage (et ainsi, éviter tout court-circuit, potentiellement très dangereux), mais également de le « cacher » un peu du soleil, pour bien voir les leds, même en plein jour (pour ce faire, une « petite casquette pare-soleil » serait l’idéal !).
  • il faudrait intégrer une protection type fusible rapide 500 mA sur le PCB, afin d’assurer une meilleure protection du circuit (et pourquoi pas ajouter une diode branchée en inverse, par la même occasion, entre le + et le -, pour faire griller le fusible, en cas d’inversion de polarité).
  • il faudrait utiliser des résistances de précision, au lieu des modèles « standards » à 1 % de tolérance, telles que j’ai utilisé ici ; ainsi, la précision de ce « voltmètre pour batterie 12V » serait encore meilleure ! Toutefois, pour rappel, cette précision resterait limitée par celle de la référence de tension interne à 1,25V du LM3914, qui peut varier entre 1,2V et 1,34V.
  • il faudrait mettre en place une source de tension externe à 1,25V, de précision, pour alimenter l’entrée VHIGH de notre montage. Ainsi, les mesures du LM 3914 et l’allumage des leds n’en seraient que plus précis ; toutefois, le schéma en serait alourdi (ce que je voulais éviter ici, afin de garder un montage simple).

Enfin, j’ai relevé plusieurs points négatifs, qu’il faudra toujours bien garder en tête :

  • si vous branchez une batterie de moins de 10,5 volts sur ce montage, alors aucune LED du bargraphe s’allumera ; c’est pour ça que j’ai rajouté une LED « sous tension (power) » sur le circuit, afin d’avoir à minima quelque chose qui s’allume (à moins que la batterie soit totalement HS…).
  • si vous essayez de baisser la luminosité au maximum, vous n’y arriverez pas (enfin, pas autant que souhaité, je veux dire) ; pour rappel, ceci est dû à la typologie de montage choisi ici (où du courant sortant de VREF_OUT « s’échappe » par VHIGH).
  • si vous allumez ce montage longtemps en « mode barre », avec une intensité lumineuse élevée, alors le LM3914 va surchauffer ; car ce dernier devra dissiper beaucoup d’énergie (et donc, beaucoup de chaleur). En effet, pour rappel, il n’y a aucune résistance de limitation de courant externe, pour les leds du bargraphe, car c’est le LM 3914 qui gère tout ça, en interne ; du coup, ça peut vite chauffer… et chauffer fort ! Attention à ne pas vous brûler d’ailleurs …

Liste des composants / téléchargements

Pour réaliser ce projet, voici la liste des composants utilisés :

Et tous les fichiers qui m’ont permis de réaliser ce projet :

Voltmètre pour batterie auto 12V : conclusion !

Voilà pour ce petit projet ! Qui j’espère vous aura plu, avec ses charmes et ses imperfections 😉

Maintenant, si y’en a qui sont motivés pour réaliser un petit boîtier en impression 3d, avec protections pare-soleil et tout, je suis preneur ! En attendant, je le laisse en l’état, dans ma voiture (cf. ci-dessous !).

À bientôt !
Jérôme.

Voltmètre automobile DIY 12V dans véhicule, avec LED indiquant la tension batterie approximative, avec couleur selon état de charge accu au plomb

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(*) Mis à jour le 06/12/2023

12 commentaires sur “Voltmètre pour batterie auto 12V (montage autour du LM3914)”

  1. Site passionelectronique.fr
    Jean-Daniel von Allmen

    Magnifique article !

    Des explications très claires. Merci beaucoup.
    Ne reste plus qu’à mettre en pratique.

    Cordialement
    Jean-Daniel

  2. Site passionelectronique.fr

    Bonjour Jérôme,

    Bravo pour la conception.

    Je ne saurais que trop te conseiller quelques améliorations : pour savoir si une batterie de voiture a quelques soucis, il faut prendre une mesure de la batterie à vide, c’est à dire sans consommation de courant, puis une seconde mesure avec une consommation. le plus simple c’est une première mesure après avoir débranché une cosse, puis pour la seconde après avoir rebranché la cosse, d’allumer les veilleuses et de prendre la nouvelle tension. Normalement il ne doit pas y avoir de différence ou alors très peu de l’ordre de 0.1 à 0.2 volts maxi. Ensuite une nouvelle mesure avec les consommateurs éteints, moteur tournant, mais là il faut allumer les feux de croisement ou plein phare. Si une grosse différence, c’est que c’est l’alternateur qui a un souci. Et bien sûr on peut aussi tester le régulateur de l’alternateur car normalement moteur avec un régime de 1500 à 2000 tours minimum, la tension est bloquée à 13,8 volts. Au dessus c’est à dire à 14 volts c’est encore acceptable mais mais 14,5 ou 15 volts cela « détruit » à la longue une batterie au plomb (le liquide à l’intérieur finit par s’évaporer en faisant des petits bouillons).

    L’implantation de tout ces tests dans un nouveau projet avec branchement directement sur l’allume cigare peut se faire. Par contre certaines voitures et de plus en plus ont des batteries AGM ou avec technologie au gel. Bref des trucs que j’ai pas du tout étudié et qui peut être ne sont pas adaptées à ce que je viens de dire au dessus.

    Bref pour te dire que ton montage basique me donne des idées pour la suite et qui pourra m’inspirer. Par contre comme tout retraité j’ai un manque de temps chronique mais c’est dans un coin de ma tête.

    Cordialement.
    Pascal

    1. Site passionelectronique.fr

      Salut Pascal !

      Oui, tu as parfaitement raison ! Par contre, je voulais juste partager ici un exemple de montage électronique basique, afin que chacun puisse l’étudier, comprendre, et apprendre. En fait, le but n’était pas d’entrer dans les détails des techniques de mesures de batteries, ni d’aborder les différentes technologies d’accus qui existaient ; il s’agit ici de vous inspirer pour la réalisation de vos propres projets, ou de vous donner des idées de montages à concevoir 😉

      D’ailleurs, je remarque que ça t’a toi-même donné des idées ! Et ce sera un réel plaisir que de les découvrir, une fois que tu les auras concrétisées (en espérant que tu aies le temps pour cela, avec la retraite, et tout, et tout !!!!).

      À très bientôt,
      Jérôme.

  3. Site passionelectronique.fr

    Très bon didacticiel, avec les calculs, c’est vraiment un plus pour comprendre comment on arrive au résultat escompté.

    Merci et continuez les prochains travaux avec calculs comme ici, c’est vraiment un plus par rapport aux autres sites pour mieux comprendre. J’attends le prochain exercice !

  4. Site passionelectronique.fr

    Bonjour jérome

    Petite question idiote : avec ce genre de montage peut-on contrôler la tension de sortie d une alimentation de PC au lieu d une batterie ?

    Merci (très joli travail)

    1. Site passionelectronique.fr

      Salut Lorenzo !

      Dans l’absolu, oui ! Tu peux mesurer n’importe quelle tension continue, à partir de n’importe quelle source 😉

      Par contre, il faut bien comprendre que ce « voltmètre auto » est fait pour mesurer des tensions devant être comprises entre 10,5 et 13,2 volts, environ, alors qu’une alim de PC délivre diverses tensions (principalement du +5V et du +12V, bien sûr, mais aussi plusieurs autres tensions, pour la carte mère).

      Du reste, garde bien à l’esprit que ce montage est vraiment peu précis (0,3 volts près, grosso modo) … même si, il faut bien l’avouer, l’affichage est visuellement très sympa !

      Voilà ! Bonne journée à toi 😉
      Jérôme.

  5. Site passionelectronique.fr

    Hello !
    Merci pour le tuto 🙂

    Une question, un pont diviseur de tension branché sur une batterie en permanence pour la mesurer, a un impact sur son déchargement ?

    1. Site passionelectronique.fr

      Salut !

      Oui, inévitablement ! Par contre, si tu prends des valeurs élevées de résistances, pour ton pont diviseur de tension, alors la consommation sera faible (et cela aura donc un faible impact, sur le déchargement de la batterie). Du reste, si tu recharges ta batterie de temps en temps (en roulant ou en la branchant sur un chargeur), alors cette consommation deviendra négligeable 😉

      Bonne journée à toi !
      Jérôme.

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