Батарейный тестер

При покупке батареек или аккумуляторов возникает вопрос – а стоят ли они потраченных денег за обещанные характеристики? Тем более, этих характеристик, как правило, не бывает указано вовсе. На маркетплейсах можно приобрести элементы питания/аккумуляторы дешевле, чем в рознице. Но оправданно ли это? Соответствует ли заявленная цена качеству продукта? Оценить состояние элемента питания по какому-то одному параметру невозможно, будь то напряжение холостого хода (ЭДС), или эквивалентное последовательное сопротивление элемента под нагрузкой. Предлагаемое устройство поможет выяснить свойства приобретаемого элемента/батареи по нескольким параметрам и/или сравнить между собой.

Технические характеристики батарейного тестера:

Потребляемый ток при питании без подсветки дисплея: 3В – 60 мА, 3,7 В – 50 мА, 4,2 В – 45 мА.

Потребляемый ток при питании с подсветкой дисплея: 3В – 275 мА, 3,7 В – 220 мА, 4,2 В – 200 мА.

Два режима работы тестера: экспресс-анализ и измерение ёмкости элемента/батареи.

Для обоих режимов выбирается испытательный ток разряда элемента/батареи, мА: 27, 106, 159, 253, 305, 386, 438, 540, 593, 672, 726, 819, 873, 951, 1005.

Режим экспресс-анализа:

• диапазон измеряемого напряжения холостого хода Uxx (ЭДС) элемента/батареи, В: 0,000…15,000;
• диапазон измеряемого напряжения U1 при подключении испытательного тока разряда, нулевой момент времени измерения, В: 0,000…15,000;
• диапазон измеряемого напряжения U2 при подключении испытательного тока разрядa и установленном окончании времени разряда, В: 0,000…15,000;
• измерение падения напряжения под нагрузкой (испытательным током) dUxx=Uxx-U1, В: 0,000…15,000;
• эквивалентное последовательное сопротивление элемента/батареи Rs=dUxx/Iн под нагрузкой (испытательным током), Ом: 0,000…0,999;
• измерение падения напряжения dU12=U1-U2 под нагрузкой (испытательным током), абсолютное значение, В: 0,000…15,000;
• измерение падения напряжения dU12=(1-(U2/U1))*100, под нагрузкой (испытательным током), относительное значение, %: 0,0…99,9;
• время разряда элемента/батареи при экспресс-анализе, с: 5…95, шаг 5с.

Режим измерения ёмкости элемента/батареи:

• установленное напряжение конечного разряда элемента/батареи (отключение испытательного тока разряда при достижении этого значения), В: 0,800…15,000;
• максимальное измеряемое значение ёмкости элемента/батареи, мА*ч: 9999;
• максимальное измеряемое время разряда элемента/батареи, с: 65535 (18ч:12м:15с).

Схема батарейного тестера представлена ниже.

Основа устройства – микроконтроллер ATmega32A. Для измерения напряжения используются элементы DA2, DA3, VT2, которые выполняют роль АЦП. Встроенный АЦП микроконтроллера в 10 бит не обеспечивает желаемой точности измерения 1 мВ в диапазоне измеряемого напряжения от 0 до 15В. Вместо встроенного АЦП используется 16ти разрядный таймер DD1 ТIMER1 в режиме захвата. Измерение происходит следующим образом. Конденсатор С4 заряжается стабильным током в 2,2 мА, который обеспечивает стабилизатор DA2 и сопротивления R16, R17. Уровень тока определяется по формуле I=Uоп/(R16+R17), где Uоп – опорное напряжение стабилизатора DA2, равное 2,495 В. Транзистор VT2 работает в качестве ключа, который в начале цикла измерения разряжает конденсатор С4 и поддерживает нулевое напряжение на выв. 2 компаратора DA3. Измеряемое напряжение поступает на выв. 3 компаратора DA3. Элементы R15, VD2, C3 ограничивают входное напряжение по уровню не более 16 В, что необходимо для корректной работы таймера Т1 DD1 – при питающем напряжении +18 В компаратор DA3 должен гарантированно переключаться с высокого уровня на низкий при превышении напряжения на выв. 2 относительно выв. 3. Низкий уровень на выв. 5 (PB4) DD1 закрывает ключ VT2, после чего начинается заряд конденсатора С4. Время заряда конденсатора определяется формулой t = (U*C)/I. Одновременно с этим запускается таймер Т1 микроконтроллера DD1, и начинается подсчет импульсов от внутреннего генератора, частота которого, согласно установкам управляющего регистра TCCR1, равна 1 МГц. При этой частоте минимальное значение подсчитанного импульса равняется 1 микросекунде. Таким образом, минимальное значение подсчитанных импульсов составит (2,2 мкФ/2,2 мА)*0,001В= 1, что будет равно 1 мВ. Как только нарастающее напряжение на выв. 2 компаратора DA3 превысит измеряемое напряжение на выв. 3, произойдет перепад выходного напряжения на выв. 1 (выв.20 ICP DD1) с высокого уровня на низкий, что, в свою очередь, повлечет за собой остановку счета таймера Т1. Количество подсчитанных импульсов таймером Т1 будет соответствовать измеренному напряжению. Для повышения точности измерения применена четырёхпроводная схема измерения.

   Разряд стабильным током испытываемых батареек/аккумуляторов осуществляют элементы DA1, DD1, VT1. За начальное формирование уровня разрядного тока отвечает контроллер DD1. Подавая напряжение на матрицу R-2R (подробнее о работе ЦАП на основе матрицы R-2R можно ознакомиться, например, здесь - https://radiohlam.ru/dac_r-2r/) на резисторы R1…R4, и далее через делитель R9, R10 с порта PB0…PB3, контроллер DD1 устанавливает опорное напряжение для ОУ DA1. ОУ DA1 управляет транзистором VT1, который осуществляет разряд испытуемого элемента установленным DD1 током. Резистор R12 – датчик протекающего через элемент/батарею тока. ОУ DA1 сравнивает падение напряжения на выв. 2 с напряжением, поступающим от делителя R9, R10, выв. 3, формируя на выв. 1 управляющее напряжение полевым транзистором VT1. Величина разрядного тока элемента/батареи при этом будет равна падению напряжения на резисторе R12, делённого на опорное напряжение, поступающего на выв. 3 DA1. Диод VD1 защищает транзистор VT1 от ошибочной полярности подключаемого элемента. Для предотвращения колебательных процессов на выходе ОУ DA1 при работе на большую ёмкость затвора транзистора VT1 служат элементы R11, R14, C1. Резистор R13 ограничивает усиление ОУ по постоянному току. Без него из-за смещения ОУ по постоянному току, а оно у LM358 достаточно велико, может сложиться ситуация, когда напряжение на выходе (выв.1) DA1 может оказаться достаточным для открытия транзистора VT1 даже при нулевом значении на выв.3. Транзистор VT3 шунтирует вход (выв.3) ОУ DA1, исключая разряд испытываемого элемента в режиме ожидания, поскольку низкий уровень на выводах 1…4 контроллера DD1 отличен от нуля. Резистор R20 соединяет исток транзистора VT1 с «землей». Это защитная мера необходима в случае, когда измерительные щупы не подключены к устройству, часть измерительной схемы «висит в воздухе», и её может вывести из строя разряд статического электричества. Транзистор VT4 управляет подсветкой индикатора MT-20S4A. Резистор R18 ограничивает величину тока подсветки, если её максимальная величина не принципиальна, его можно заменить перемычкой. Стабилитрон VD3 защищает от ошибок подключения питания +5В в случае подачи обратной полярности напряжения или повышенного напряжения. Его наличие необязательно, но с ним спокойнее – контроллер дороже. Резисторная сборка DR1 подтягивает входы контроллера к шине питания +5В, это улучшает помехозащищённость от внешних воздействий. Внутренние подтягивающие резисторы портов, в зависимости от версии исполнения контроллера DD1, могут достигать значения 60 кОм и более, что многовато – возможны влияние помех на входы микроконтроллера. Кнопки SA1…SA6 управляют режимом работы устройства. Дребезг контактов при нажатии кнопок устраняется программно с помощью таймера TIMER0, он обеспечивает подсчет минимального непрерывного времени нажатия кнопок SA1…SA6. Таймер настроен на режим работы Normal, тактовый сигнал поступает от кварцевого резонатора ZQ2 через предделитель на 1024. При каждом переполнении таймера возникает прерывание, это обеспечивает минимальную задержку, равную 1/((8000000 Гц/1024)/256) = 32,768 мс. Для подсчета времени используется таймер TIMER2, который настроен для работы от внешнего кварцевого резонатора частотой 32768 Гц, подключенного к выводам TOSC2 и TOSC1 контроллера DD1. TIMER2 настроен в режим Normal – прерывание генерируется при каждом переполнении таймера. Поскольку он восьмиразрядный, то оно будет происходить через каждые 256 тактов. Настройка внутреннего предделителя TIMER2 делит частоту кварцевого резонатора 32768 Гц на 128, в итоге на вход таймера поступает частота 256 Гц. Таким образом, каждое переполнение таймера происходит один раз в секунду – (32768/128)/256 = 1.

Функциональное назначение кнопок управления батарейного тестера:

• SA1 – Ввод, «ENT», выбор опции/элемента меню;
• SA2 –Вниз, «DWN», навигация в меню;
• SA3 –Вверх, «UP», навигация в меню;
• SA4 –Возврат, «RET», возврат в предыдущее меню, или выход из выбранного режима работы;
• SA5 –Запись, «REC», запись в энергонезависимую память;
• SA6 – Подсветка дисплея, «BLT», включение/выключение.

Кнопка SA7 при нажатии позволяет измерять напряжение аккумулятора, питающего батарейный тестер, для чего необходимо включить режим измерения ёмкости элемента/аккумулятора.

Питающие напряжения +5В и +18В для устройства формируют повышающие преобразователи на МС34063, и они имеют стандартную схему включения:

Сразу хочу отметить, что это не самое оптимальное/современное решение в плане КПД повышающих преобразователей. Есть масса других вариантов, просто этот для меня оказался наиболее доступен по номенклатуре применяемых компонентов. Но могут быть и другие решения, это не принципиально.

Для контроля уровня напряжения на питающем тестер аккумуляторе используется компаратор DA3. Опорное напряжение формируется стабистором VD1, и с него подается на выв. 2 DA3. На выв. 3 DA3 с подстроечного резистора R1 поступает напряжение с питающего аккумулятора. Как только оно становится меньше опорного, на выходе компаратора устанавливается низкий уровень напряжения, зажигая светодиод HL1, который индицирует разряд аккумулятора. Резистор R11 образует положительную обратную связь, которая способствует резкому переключению светодиода HL1 из отключенного состояния во включенное, и обратно. Для заряда питающего аккумулятора используется внешний источник напряжением 4,1 В и ограничением тока в нагрузке 0,3 А. Не стал усложнять, для этой цели подойдёт любой зарядник для телефона, переделанный с 5ти вольт до 4,1 В. В большинстве случаев потребуется пересчёт номиналов резисторного делителя для TL491 в обратной связи зарядного устройства.

Фотографии собранного устройства:

Управляющая микроконтроллером программа написана на ассемблере. Настройки фьюз битов:

Программирование микроконтроллера может осуществляться через SPI интерфейс, разъём XP2 на плате тестера, любым подходящим программатором, например USBasp2.0. Помимо самой программы *.hex не забываем записать в EEPROM файл с начальными установками *.eep.

Настройка устройства начинается с установки контрастности LCD-матрицы MT-20S4A. Для этого вращением подстроечного резистора R19 устанавливается комфортное для глаз изображение дисплея. Далее настраиваются режимы измерения напряжения и разрядных токов тестера. Для этого у выключенного устройства необходимо нажать кнопку «REC» и затем подать питание, после чего тестер перейдёт в режим калибровки:

Выбираем необходимую настройку кнопками «UP», «DWN», выбор режима осуществляется нажатием кнопки «ENT», выход в основное меню – кнопкой «RET».

Меню калибровки напряжения:

Вначале, замкнув накоротко измерительные щупы, необходимо убедиться в нулевом значении измеряемого напряжения (U=0,000В). Если оно отличается от нуля, кнопками «UP» и «DWN» устанавливаем необходимое значение константы Uc, которая будет вычитаться из измеряемого значения напряжения. Контролируем показания напряжения, и по достижению нулевого значения нажатием кнопки «REC» записываем константу Uc в энергонезависимую память. Скорее всего эта процедура не потребуется, но… Пусть остаётся такая возможность для всяких непредвиденных задержек. Далее, на измерительные щупы подается эталонное напряжение в пределах 14,000…14,900 В. С помощью подстроечного резистора R17 устанавливается соответствие измеряемого напряжения эталонному.

Меню калибровки тока:

В энергонезависимой памяти контроллера уже записаны начальные значения токов разряда. Однако, из-за погрешностей номиналов резисторов R1…R8, имеет смысл произвести их корректировку, приведя к реальным значениям.

Для настройки стабильного тока разряда элемента/батареи потребуется блок питания с режимом ограничения тока в нагрузке и амперметр. Плюсовая пара измерительного щупа подключается к плюсу внешнего источника питания, а минусовая пара через амперметр к минусу. Алгоритм настройки следующий. Кнопками «UP» и «DWN» выбирается значение разрядного тока, подлежащего коррекции, на дисплей выводится номер цифрового кода в десятичной форме «NC» (состояние выходов PB0…PB3). Кнопкой «ENT» активируется режим разряда, после чего через внешний амперметр начинает проходить ток. Кнопками «UP» и «DWN» на дисплее выставляется значение, равное измеренному амперметром. Нажатием кнопки «REC» записываем это значение в энергонезависимую память.

Начать корректировку следует с максимального значения тока 1000 мА, NC=15. Подстраиваем сопротивление резистора R10 и контролируем ток разряда внешним амперметром. Величина тока может отличаться от 1000 мА, но не стоит забывать, что остальные 14 значений токов разряда будут «привязаны» именно к нему. Иными словами, увеличение или уменьшение максимального тока разряда соответственно приведут к увеличению или уменьшению всех остальных токов. Хотя само значение не принципиально – программа учтёт его для всех необходимых расчётов. После установки максимального значения тока разряда необходимо, контролируя ток амперметром, скорректировать все остальные значения токов разряда (14 шт.) в энергонезависимой памяти МК. Резистор R10 при этом не трогаем, только приводим в соответствие значения разрядного тока в энергонезависимой памяти с показаниями внешнего амперметра.

Не забываем о радиаторе для транзистора VT1. Он должен соответствовать максимальному тока разряда и напряжению на батарее. Иными словами - мощности рассеивания транзистора. В наиболее напряжённом режиме она будет равна 15В*1А=15Вт. Для этой цели потребуется радиатор побольше, чем на представленных фотографиях.

Далее проверяем работоспособность кварцевого резонатора ZQ1. Включаем любой режим – в обоих случаях видно, идёт отсчёт времени, или нет. В технической документации на МК сказано, что в асинхронном режиме работы TIMER2 (входы TOSC2 и TOSC1 используются для подключения внешнего резонатора) оптимизирован для работы с кварцевым резонатором 32768 Гц. Однако, в моём случае потребовались два конденсатора на 33 пФ. Скорее всего, всё дело в конкретном кварце, и с другими подобного может не произойти.

Главное меню батарейного тестера:

Начальные значения минимального напряжения разряда элемента/батареи, тока разряда, а также времени разряда при экспресс-анализе находятся в энергонезависимой памяти. Для их изменения необходимо зайти в меню «установки U/I/t»:

Меню «Установка Umin»:

Нажатием кнопки «ENT» выбирается разряд, значение которого необходимо уменьшить или увеличить (на фото выбраны сотни милливольт). Кнопками «UP»и «DWN» выбранный разряд увеличивается или уменьшается на единицу. Кнопка «REC» записывает это значение в EEPROM.

Меню «ток разряда»:

Кнопками «UP» и «DWN» выбирается нужное значение тока разряда, кнопка «REC» записывает это значение в EEPROM.

Меню «время разряда»:

Кнопками «UP» и «DWN» выбирается нужное значение времени разряда в режиме экспресс-анализа, кнопка «REC» записывает это значение в EEPROM.

После произведения всех необходимых изменений выбираем один из двух режимов тестирования.

Меню «Измерение емкости»:

Измеряемое напряжение выводится на дисплей непрерывно. После нажатия кнопки «ENT» начинается измерение ёмкости элемента/батареи:

На дисплей непрерывно выводятся 3 измеряемых параметра: напряжение на элементе/батарее, время разряда в секундах tr и в привычном формате чч:мм:сс, подсчитанная ёмкость. После окончания измерения символ «!» сменится на «#». Такой режим больше подходит для аккумуляторов с целью определения их остаточной ёмкости в процессе эксплуатации, поскольку их после этой процедуры можно зарядить обратно. А вот определить ёмкость гальванических элементов получится только один раз – для них он окажется последним. Хотя, измеренная таким образом ёмкость может показать неожиданные результаты, но об этом ниже.

Меню «Экспресс-анализ»:

После нажатия кнопки «ENT»начинается экспресс-анализ элемента/батареи (на фото окончание процесса):

Результаты измерения выводятся на две страницы дисплея, переключение между ними осуществляется кнопками «UP»и «DWN».

Ну и о результатах измерения. В качестве «жертв» эксперимента выбрано несколько широко распространенных щелочных элементов 1,5 В типоразмера АА.

Измеренная ёмкость:

Цена за один элемент, в зависимости от места покупки, может отличаться, поэтому упоминать её я не буду. Но в целом, из таблицы отчётливо видно, что некоторые именитые «бренды» совершенно не оправдывают свою стоимость. И наоборот – батарейки, цена за которые может быть в разы ниже, показывают куда лучшие результаты.

Экспресс-анализ:

Тестировались совсем свежие элементы, «из упаковки». Тут необходимо дать некоторые пояснения полученным значениям. Степень падения напряжения под нагрузкой различна для разных типов химических источников тока: у одних типов оно снижается незначительно, на 5 - 10 % начального значения Uхх, для других это снижение может достигать 50 %. Довольно быстрое падение напряжения часто наблюдается в самом начале разряда. Иногда в начале разряда наблюдается не падение, а кратковременный рост напряжения. В других случаях в начале разряда напряжение резко снижается, а потом опять возрастает (начальный «провал» напряжения) – как раз таким образом повела себя батарейка GOPower. После незначительного разряда элемента этот эффект пропадает, уменьшается Uxx, соответственно уменьшается и dUxx, что в конечном итоге приводит к уменьшению значения последовательного сопротивления Rs. То же самое справедливо и для элементов, у которых кратковременный рост напряжения не наблюдается. Вообще, параметр Rs зависит от тока нагрузки, и для каждого тока будет иметь своё определённое значение.

К сожалению, нет такой формулы, с помощью которой по нескольким исходным параметрам можно было бы определить остаточную ёмкость элемента/батареи, или сколько она ещё проработает при заданной нагрузке. На мой взгляд, наиболее информативен параметр dU12, показывающий насколько «провалится» напряжение элемента при заданном разрядном токе в течение установленного времени разряда, и, одновременно с этим, насколько велико значение dUxx – напряжения элемента под нагрузкой может не хватить для нормального функционирования прибора. Есть ряд устройств, потребляющий значительный ток за короткий промежуток времени, например, фотовспышка, тонометр или фотоаппарат. Для них важен уровень напряжения батареи в момент пиковых нагрузок – U1 и U2. Наверное, многие сталкивались с ситуацией, когда даже со свежими батарейками удавалось сделать всего несколько снимков.

И ещё, имеет смысл обратить взгляд на массу элемента. Есть определённая корреляция между ней и характеристиками элемента... 

Имеющиеся в продаже батарейные тестеры, в подавляющем большинстве, ничего, кроме напряжения холостого хода Uxx не измеряют. Этот параметр в отрыве от остальных мало о чем может сказать.

Например:

1,377В – это напряжение на элементе после полного разряда, см. таблицу «измеренная ёмкость». Однако такие параметры, как dUxx, dU12 и Rs говорят о том, что проработает такой элемент ещё долго.

   А вот здесь при большой нагрузке элемента параметр dUxx тоже большой, но саму нагрузку элемент держит очень хорошо:

Все необходимые чертежи для сборки устройства и прошивка с исходным кодом находятся в архиве.

Использованная литература:

1. Ревич Ю.В. Практическое программирование микроконтроллеров Atmel AVR на языке ассемблера 2-е издание.
2. Багоцкий В. С., Скундин А. М. Химические источники тока.

Список радиоэлементов

^{Скачать список элементов (PDF)}

Теги:

• Батарейка
• Тестер