Прибор для проверки батарейки своими руками

Тестер для оперативной проверки гальванических элементов

Андрей Шарый, E-mail andrij_s (at) mail.ru с.Кувечичи, Черниговская область, Украина

В наше время рынок заполнен самыми разнообразными батарейками: дорогими, дешевыми, хорошими и не очень, свежими и не совсем. Для определенности далее словом «батарейка» будем называть гальванический элемент на 1,5 В типоразмеров от ААА до D, другие типы в этой статье рассматривать не станем ввиду значительно меньшего объема продаж. Продавцы этих самых батареек при продаже проверяют их мультиметром, измеряя ЭДС. При такой проверке даже самые несвежие элементы выглядят довольно неплохо: мультиметр регистрирует напряжение 1,5 В, как и написано на батарейке, но часто при установке в плеер или радиоприемник такая батарейка работает очень мало, либо вообще не работает, потому как под нагрузкой дать даже 1,4 В не в состоянии.

Для оперативной диагностики состояния разряда батарейки надо измерять напряжение на ней под нагрузкой, тогда результат будет правдоподобным. Но всегда брать с собой мультиметр с резистором на рынок неудобно, значительно практичнее использовать какой-нибудь пробник. Более того, значительная часть потребителей вообще с тудом отличает напряжение от силы тока и обмануть их может практически любой нечестный продавец.

В литературе описано немало довольно неплохих пробников-индикаторов для проверки батареек и аккумуляторов, представляющие собой по сути вольтметры с цветовой светодиодной индикацией напряжения и нагрузочным резистором [1], но и указанный, и все остальные аналогичные устройства имеют общий недостаток: они нуждаются в дополнительном источнике питания от 6 В и выше для питания логических и измерительных цепей, что делает их эксплуатацию несколько неудобной и дорогой.

В предлагаемом устройстве нет собственного источника питания, он питается непосредственно от проверяемой батареи напряжением 1,5 В. Это стало возможным благодаря применению преобразователя напряжения, обеспечивающего ОУ двуполярным напряжением +/- 3 В при питании всего от 1,5 В.

Рисунок 1 Принципиальная схема тестера для батареек

Работает устройство следующим образом:

Сразу при подключении испытуемой батарейки к щупам устройства Х1 и Х2 с соблюдением полярности начинает работать генератор на VT1 и VT2. Не знаю точно автора схемы такого преобразователя, но встречается она в публикациях довольно давно, мне впервые встретилась в [3]. Переменное напряжение частотой около 20 кГц выпрямляется диодным мостом VD1-VD4, пульсирующее напряжение фильтруется емкостями С2 и С3, стабитроны ограничивают рост выпрямленного напряжения при малых нагрузках. Таким образром из 1,5 В получаем стандартное двуполярное питание для ОУ относительно общего провода (соединен с «-» проверяемой батареи) порядка +/- 3-3,5 В.

На операционных усилителях реализованы два компаратора без гистерезиса, нагруженные на двухцветный светодиод. Компараторы соединены таким образом, что при напряжении батарейки более 1,5 В под нагрузкой светится только «зеленый» кристалл светодиода. Напряжение батареи при этом (оно приложено к выводам 1 и 6 ИМС относительно общего провода) оказывается выше образцового на прямом входе DA1.1 (вывод 2), равного точно 1,5 В и потому на выходе этого ОУ появляется отрицательное напряжение, ток через «красный» переход светодиода не течет. На выходе же второго ОУ DA 1.2 оказывается положительное напряжение, потому что образцовое напряжение 1,4 В подано на его инверсный вход, таким образом светодиод VD9 светится зеленым цветом. При снижении напряжения ниже 1,5 В но не ниже 1,4 В светятся уже оба кристалла светодиода, создавая желто-оранжевый цвет свечения. При напряжении менее 1,4 В светодиод горит красным цветом. Если елемент питания совсем разряженный, то он не в состоянии создать ток, достаточный для работы преобразователя напряжения, и тогда светодиод не светится вообще. Такое схемное решение отличается от традиционных отсутствием дополнительной обработки сигналов компараторов логическими элементами, что существенно упрощает схему.

Отдельно скажу о формировании опорного напряжения. Поскольку довольно проблематично найти стабилитрон или стабистор с напряжением стабилизации 1,5 — 1,7 В да еще и с малой зависимостью напряжения стабилизации от температуры было решено использовать аналог низковольтного стабилитрона на транзисторах [2]. Хотя данное решение нельзя назвать простым, но все детали, использованные для аналога стабилитрона сейчас очень дешевы, а электрические параметры получаются значительно выше любого готового стабилитрона. Для достижения максимальной термостабильности можно попробовать точнее подобрать цепочку VD5, VD6. Тут возможны варианты: один или два германиевых диода, один германиевый, другой кремниевый и т.п. У автора при деталях, указанных на схеме получился такой результат стабильности опорного напряжения: 1502 мВ при температуре +50 градусов цельсия и 1498 мВ при -30 градусах.

О деталях.

Схема не критична к деталям, можно применять практически все, что давно валяется без дела. Нежелательно только менять VT1 и VT2, поскольку немногие pnp-транзисторы имеют такое малое напряжение насыщения как КТ209. Трансформатор изготавливают самостоятельно. Он содержит одну обмотку из 80 витков с отводами через каждые 20 витков. Получаются по сути 4 одинаковые обмотки соединенные последовательно. Все мотают внавал проводом диаметром 0,2 — 0,3 мм на ферритовом кольце К10х6х3 из феррита 2000НМ. Если лень мотать 80 витков, можно сложить жгут из 4 проводов и им намотать 20 витков, но тогда придется повозиться с правильным последовательным соединением частей обмотки в единое целое.

Диоды VD1-VD4 — кремниевые, высокочастотные например, КД522, КД521, КД503, 1N4148 и им подобные. VT3, VT4 могут быть любыми малогабаритными кремниевыми транзисторами. Сдвоенный операционный усилитель может быть заменен парой одинарных ОУ. Главное, чтобы выходные каскады ОУ допускали непосредственное подключение светодиодов, тоесть обеспечивали выходной ток более 10 мА. Двухцветный светодиод можно заменить двумя отдельными светодиодами разного цвета.

Настройка прибора

Настройка заключается в первую очередь в установке опорного напряжения на выводе 2 ИМС равном 1,5 В. Это сделать довольно легко подстроечным резистором R5, который после настройки все же лучше заменить постоянным точно такого же сопротивления. Проще сначала подстроечник установить вместо всей цепочки R4R5, а потом из двух резисторов скомбинировать нужное сопротивление. Далее резистором R10 устанавливают необходимый ток нагрузки (ток потребления всего устройства), которым хотят тестировать батарейку. Обычно этот ток устанавливают в пределах 80 — 100 мА для проверки батарей типоразмера АА, что соответствует нагрузке плеера или какой-нибудь игрушки. Если в качестве R10 применить резистор сопротивлением 1,5 — 2 Ом, то можно отобрать достойные батарейки для фотоапарата, ток потребления которого в момент начала заряда фотовспышки может достигать 3 А.

Если светодиод обладает повышенной светоотдачей, то сопротивление резисторов R11 и R12 можно увеличить до 200 — 300 Ом.

Конструкция

Все детали устройства размещаются на печатной плате из одностороннего фольгированого стеклотекстолита размером 35х45 мм, которая помещается в подходящую пластмассовую коробочку. Щуп Х1 представляет собой контактную площадку, наклеенную на корпус устройства, рядом с ней наносят маркировку «+». Х2 — гибкий провод сечением 0,5 мм2 длиной примерно 10 см со снятой на конце изоляцией.

Рисунок 2 Чертеж печатной платы и схема расположения элементов

Работа с прибором очень проста: проверяемую батарейку присоединяют согласно полярности к устройству, если при этом светодиод загорается зеленым цветом — батарейка «свежая», если желто-оранжевым — допустимо разряженная, красным — практически разряжена, отсутствие свечения — полный разряд. Если случайно спутать полярность, устройство просто не работает, из строя не выходит. Не следует пытаться проверить этим пробником батареи с другим напряжением! Оно рассчитано только на проверку батареек с напряжением 1,5 В.

Описанный тестер можно приспособить и для проверки никель-кадмиевых и никель-металлгидритных аккумуляторов размера АА и ААА, только надо изменить опорное напряжение и установить его равным 1,28 В. Возможно понадобиться также увеличить количество витков в первой и последней секции обмотки трансформатора намотав его по схеме 25+20+20+25. Установив вместо R10 набор сопротивлений с переключателем можно получить универсальный тестер с возможностью нагружать батарейки разными токами.

Литература

1. Тестер Роберта Кнора // РадиоХобби №4 1998 с.20 (Дайджест)
2. И. Александров Регулируемый аналог стабилитрона // Радио, №11 1993 с.39; РадиоАматор, №2 1994 с.14
3. Н.Хухтиков Зарядное устройство // Радио №5 1993 с.37

Источник

Простой тестер ёмкости аккумуляторов на Arduino

В последнее время я начал замечать, что мой смартфон стал разряжаться быстрее. Поиски программного «пожирателя» энергии плодов не принесли, поэтому стал задумываться, не пришло ли время заменить АКБ. Но абсолютной уверенности в том, что причина в батарее не было. Поэтому прежде чем заказывать новый аккумулятор решил попробовать измерить реальную емкость старого. Для этого было решено собрать простой измеритель емкости АКБ, тем более что идея эта вынашивалась уже давно – уж очень много батареек и аккумуляторов окружает нас в повседневной жизни, и было бы неплохо иметь возможность время от времени тестировать их.

Сама идея, лежащая в основе работы устройства, крайне проста: есть заряженный аккумулятор и нагрузка в виде резистора, нужно лишь измерять ток, напряжение и время в ходе разряда АКБ, и по полученным данным рассчитать его емкость. В принципе, можно обойтись вольтметром и амперметром, но сидеть за приборами несколько часов удовольствие сомнительное, поэтому намного проще и точнее можно сделать это используя регистратор данных. Я в качестве такого регистратора использовал платформу Arduino Uno.

С измерением напряжения и времени в Arduino проблем нет – есть АЦП, но чтобы измерить ток нужен шунт. У меня появилась идея использовать сам нагрузочный резистор в качестве шунта. То есть, зная на нем напряжение и предварительно измерив сопротивление, мы всегда можем рассчитать ток. Поэтому простейший вариант схемы будет состоять лишь из нагрузки и АКБ, с подключением к аналоговому входу Arduino. Но было бы неплохо предусмотреть отключение нагрузки по достижению порогового напряжение на батарее (для Li-Ion это обычно 2,5-3В). Поэтому я предусмотрел в схеме реле, управляемое цифровым пином 7 через транзистор. Конечный вариант схемы на рисунке ниже.

Все элементы схемы я разместил на кусочке макетной платы, которая устанавливается прямо на Uno. В качестве нагрузки использовал спираль из нихромовой проволоки толщиной 0,5мм, имеющей сопротивление около 3 Ом. Это дает расчетное значение тока разряда 0,9-1,2А.

2. Измерение тока

Как было сказано выше ток рассчитывается исходя из напряжения на спирали и её сопротивления. Но стоит учесть, что спираль нагревается, а сопротивление нихрома довольно сильно зависит от температуры. Чтобы компенсировать ошибку я просто снял вольт-амперную характеристику спирали, используя лабораторный блок питания и давая ей прогреться перед каждым измерением. Далее вывел в Excel уравнение линии тренда (график ниже), которое дает довольно точную зависимость i(u) с учетом нагрева. Видно, что линия не прямая.

3. Измерение напряжения

Поскольку точность данного тестера напрямую зависит от точности измерения напряжения, я решил уделить этому особое внимание. В других статьях уже неоднократно упоминали метод, позволяющих наиболее точно измерять напряжение контроллерами Atmega. Повторю лишь вкратце – суть состоит в определении внутреннего опорного напряжения средствами самого контроллера. Я пользовался материалами данной статьи.

Код не представляет из себя ничего сложного:

Каждые 5 секунд данные о времени, напряжении батареи, токе разряда, текущей емкости в мАч и ВтЧ, а также напряжении питания передаются в последовательный порт. Ток рассчитывается по полученной в п. 2 функции. По достижении порогового напряжения Voff тест прекращается.
Единственным, на мой взгляд, интересным моментом в коде я бы выделил использование цифрового фильтра. Дело в том, что при считывании напряжения значения неизбежно «пляшут» вверх-вниз. Сначала я пытался уменьшить этот эффект просто сделав 100 измерений за 5 секунд и взяв среднее. Но результат по-прежнему меня не удовлетворил. В ходе поисков я наткнулся на такой программный фильтр. Работает он похожим образом, но вместо усреднения он сортирует все 100 значений измерений по возрастанию, выбирает центральные 10 и высчитывает среднее из них. Результат меня впечатлил – флуктуации измерений полностью прекратились. Я решил использовать его и для измерения внутреннего опорного напряжения (функция readVcc в коде).

Данные из монитора последовательного порта в несколько кликов импортируются в Excel и выглядят следующим образом:

Далее легко построить график разряда АКБ:

В случае с моим Nexus 5 заявленная ёмкость аккумулятора BL-T9 – 2300 мАч. Измеренная мной – 2040 мАч при разряде до 2,5 В. В реальности контроллер вряд ли позволяет сесть батарее до такого низкого напряжения, скорее всего пороговое значение 3В. Ёмкость в этом случае 1960 мАч. Полтора года службы телефона привели к просадке емкости примерно на 15%. С покупкой новой АКБ было решено повременить.
С помощью данного тестера было разряжено уже несколько других Li-Ion аккумуляторов. Результаты выглядят очень реалистично. Измеренная емкость новых АКБ совпадает с заявленной с отклонением менее 2%.
Данный тестер подойдет и для металл-гидридных пальчиковых аккумуляторов. Ток разряда в этом случае составит около 400 мА.

Источник

Тестер АА аккумуляторов

У вас есть куча АА аккумуляторов? Некоторые из них старые, другие новые, и надо определиться, какие из них можно взять с собой в поездку, а какие нет? Я люблю использовать аккумуляторные батареи, но я уверен, что характеристики некоторых из них не соответствуют тому, что написано на упаковке. Просто тестеры аккумуляторов измеряют напряжение, но нам необходимо знать ещё и ёмкость батареи, и сколько она держит заряд. Работу данного устройства можно увидеть в видео в конце статьи.

Шаг 1. Это задача для микроконтроллера!

Простым способом проверки аккумулятора является подключение к нему нагрузки и измерение времени за которое напряжение опустится ниже необходимого. Это простое решение, но оно требует наблюдения за вольтметром в течении длительного времени. С этим прекрасно справится микроконтроллер AVR, освободив ваше время. Мой измеритель тестирует аккумуляторы АА и сообщает их мощности в миллиампер-часах (мАч), поэтому вы можете сравнить их емкость.

Особенности

Прибором можно измерять несколько аккумуляторов одновременно с индикацией каждого на дисплее. Когда аккумулятор разрядится ниже допустимого уровня, он будет отключен. Когда все аккумуляторы протестированы, прибор оповещает об этом звуковым сигналом. Он определяет тип аккумулятора, его начальное напряжение и работает с NiCd и NiMh аккумуляторами. Конструкция основана на микроконтроллере ATmega168 который имеет 6 АЦП, которые будут использоваться для измерения напряжения батареи и тока нагрузки. Каждый аккумулятор требует два АЦП, поэтому одновременно можно измерять до трех аккумуляторов. Я построил два тестера, сначала на основе Arduino для отладки, а затем автономный, который является более компактным, и освобождает Arduino для других проектов.

Шаг 2. Основные части

Вот что нам понадобиться:

• Arduino или ATmega168(328p) с обвязкой (см. схему).
• ЖК-дисплей от Nokia 5510.
• Три MOSFETs транзистора – используются для переключения нагрузки.
• Резисторы для разряда батареи.
• Резисторы для взаимодействия с дисплеем.
• Маленький динамик.
• Текстолит или макетная плата.
• Разъем для батарей типа АА(с раздельными ячейками).
• Корпус.

Шаг 3. Схемотехника

Схема довольно проста, каждая батарея имеет свой нагрузочный резистор для разряда аккумулятора, когда транзистор открыт. АЦП микроконтроллера используется для контроля напряжения батареи. Второй АЦП подключен к транзистору для определения текущего напряжения на резисторе. Оно рассчитывается путем вычитания напряжения на транзисторе из напряжения аккумулятора. Деление напряжения на сопротивление дает значение тока. Умножьте это на время, и вы получите значение в мАч. Если вы посмотрите на код, вы заметите, что всё не так просто. Микроконтроллер измеряет состояние батареи каждую секунду. Таким образом, вместо подсчета мАч, я подсчитываю количество мкАч. 1 мАч = 1000мкАч, т.е. при отображении значение делится на 1000. Код хорошо прокомментирован, так что должен быть всем понятен.

Нагрузочный резистор
Резистор рассеивает много мощности, поэтому используйте достаточно мощный резистор. При тестировании NiCd и NiMH аккумуляторов (1.2В) рассеиваемая мощность составит более 1 Вт, так что используйте достаточно большое сопротивление, или несколько резисторов включенных параллельно. При большем токе, не забудьте использовать толстую проволоку для монтажа.
Я считал возможным тестирование аккумуляторов типа 14500 Li-Ion, так как они тоже АА, но сопротивление нагрузки для них должно быть больше. Если аккумулятор установлен, программа проверяет напряжение батареи, и не выполняет тест, если обнаруживает Li-Ion аккумулятор. Если бы я не сделал этого, нагрузочного резистор бы получал около 1400мА, что превышает максимальной рекомендуемой разрядный ток 450мА. Резистор бы рассеивал около 6 Вт, что очень много. Я мог бы разработать схему для тестирования Li-Ion аккумуляторов, добавив дополнительные транзисторы и нагрузочные резисторы, но мне это не нужно.

MOSFET (полевой транзистор)
Этот компонент действует как управляемый микроконтроллером переключатель. Когда он открыт, ток с аккумулятора проходит через нагрузочный резистор, постепенно разряжая его. Я вытащил полевой транзистор из старого компьютера. Любое подобное устройство должно работать до тех пор, пока сопротивление сток-исток низкое. 2МОм резистор обеспечивает 0В при вынутых аккумуляторах. Без него, АЦП может выдавать всё что угодно.

Дисплей
Я использовал LCD от старой Nokia 5510 которым достаточно легко управлять. Arduino работает от 5В, но дисплей и управляющие линии требуют не более 3,3В. Я сделал делитель напряжения из резисторов на 1800 Ом и 3300 Ом, который делят 5В до 3,3В. Дисплей имеет подсветку и я включил её через токоограничивающий резистор. Дисплей Nokia является графическим, так что я воспользовался этим и сделал анимированные иконки батареи, чтобы показать их состояние. Библиотеки управления этим дисплеем на основе контроллера PCD8544: http://code.google.com/p/pcd8544/

Шаг 4. Полная схема

Одна из схем предназначена для Arduino, а другая для автономного проекта.

Примечания
— Тестер дает не самый точный, однако вполне приемлемый результат.
— Падение напряжения на полевом транзисторе должно быть незначительным.
— После того как тестирование завершено, тестер продолжает показывать напряжение батареи — поскольку снимается нагрузка, напряжение вернется к минимальному приемлемому, но в действительности аккумулятор разряжен.

Шаг 5. Корпус

Вы можете использовать металлические или пластмассовый корпус, но я решил сделать деревянный. Эта часть проекта делалась довольно долго, но результат мне понравился

Шаг 6. Улучшение

Только через несколько дней после завершения проекта, я понял, что необходима возможность подключать аккумуляторы большего размера. Поэтому я добавил разъем в нижней части устройства, который просто предоставляет доступ контактам двух батарей. Теперь я могу проверить батареи, которые не помещаются в держатель батарей AA. Когда это не используется, разъем с крокодильчиками можно просто вытащить.

Источник