Измеритель емкости Li-Ion аккумулятора

Измеритель емкости Li-Ion аккумулятора
Аннотация

     Представленный прибор, хоть и разрабатывался "с нуля", не претендует на оригинальность, - похожие схемы есть в И-нете, о чем узнал 'уже после того как'. Тем не менее:
     Представлен прибор для измерения емкости Li-Ion аккумуляторов с рабочим напряжением 3.6 (3.7) v, используемых в фотоаппаратах, мобильных телефонах и прочей малогабаритной технике. Представлены все сопутствующие рассчеты, что позволяет легко адаптировать схему под батареи на 7.2v.
     Устройство не осуществляет зарядку или тренировку аккумулятора, только измеряет емкость заряженного штатной зарядкой аккумулятора.

Задача

     Требуется измерить емкость Li-Ion аккумулятора, маркированного «3,7 V / 700 mAh»

Концепция

     Разряжаем аккумулятор стабильным током до некоего порогового напряжения, одновременно измеряем время разряда. По завершении умножаем ток на время и получаем искомую величину. Электронику питаем от разряжаемого аккумулятора, следовательно, надо позаботиться, чтобы потребляемый схемой ток не зависел от напряжения на аккумуляторе, или, хотя бы, мало изменялся по сравнению с током разряда.

Параметры разряда

     На рисунке показаны типовые разрядные характеристики Li-Ion аккумулятора емкостью 720 mAh
(взято из документа http://www.sony.com.cn/products/ed/battery/download.pdf).
     Как видим, емкость аккумулятора измеряется при разряде до уровня 3V током 0,2С-1С.
     Выбираем пороговое напряжение 3V и разрядный ток 200mA. Это немного больше чем 0,2С, зато проще вычислять емкость аккумулятора. С другой стороны, не хочется сильно повышать разрядный ток с вытекающими отсюда заботами об отводе тепла и падением напряжения на контактах и проводах.

Основные узлы устройства

Таймер

     В качестве таймера используем обычный стрелочный будильник. Питание для него берем от разряжаемого аккумулятора, по достижении порогового напряжения питание выключается, будильник останавливается и тем самым фиксируется время разряда.
     Одновременно на 10-15 секунд включаем сигнал будильника. В конкретной модели сигнал включается замыканием соответствующего вывода на «-» питания. В «свободном» состоянии на этом выводе присутствует «+», порог включения сигнала, при напряжении питания 1.3V, составил ~0.8V при замыкании на «-» сопротивлением ~360 кОм, - это пригодится при расчете соответствующего делителя.
     Напряжение питания: от аккумулятора 1.3V будильник работал, от 1.25V – отказался, а жаль, можно было бы использовать стабилизатор, который предполагается использовать в качестве нагрузки (об этом чуть позже). Впрочем, это означает, что и от 1.3V будильник может работать нестабильно. Значит, ориентируемся на стандартные 1.5V или около того.
     Потребляемый ток: исходя из того, что щелочная батарейка (~2500mAh) работает в будильнике ~2 года (24*365*2 = 17520 часов), интегральное потребление тока будильником составляет ~0.15mA. Эта величина принципиально мала по сравнению с 200mA и практически сопоставима с точностью измерения самих 200mA, а главное - не зависит от напряжения на аккумуляторе, т.к. будильник будем питать стабилизированным напряжением.
     Доработка: припаиваем три провода на «+», «-» и сигнал будильника. Для этого используем шлейф от старого компьютерного вентилятора, - и три провода уже есть, и разъем «с ключом», т.е. исключаем возможность неправильного подключения в будущем. В сам будильник при этом никаких изменений не вносится и его можно использовать и по прямому назначению.

Нагрузка

     В качестве нагрузки используем линейный стабилизатор напряжения LM1117-Adj, включенный по схеме источника тока. Согласно паспортным данным, минимальное падение напряжения на микросхеме при токе 200mA составляет ~< 1.1V, что более чем достаточно для сохранения работоспособности при снижении напряжения на аккумуляторе до 3V. Кстати, если бы речь шла об аккумуляторе на 7.2V, то можно было бы использовать более распространенную LM317.
     Токоизмерительный резистор: сопротивление - 1.25V / 200mA = 6.25 Ом, рассеиваемая мощность - 1.25V * 200mA = 0.25 Wt. Эта величина соответствует мощности SMD-резистора типоразмера 1206, поэтому составляем нагрузку из трех резисторов 11 Ом (см. рисунок) плюс многооборотный подстроечный резистор 100 Ом (не проволочный (!), т.к. у проволочного резистора большая дискретность регулировки).
     Добавив последовательно с этой нагрузкой резистор 1 Ом (взят из платы старого винчестера), получим стабилизированное питание 1.45V для будильника.

Контроль окончания разрядки

     Используем шунтирующий регулятор (программируемый стабилитрон) TL431, включенный по схеме компаратора (см. рисунок). Указанные ~2V на катоде (т.е. в конце разряда на резисторе в цепи катода будет 3V – 2V = 1V) означают, что в качестве исполнительных ключей можно использовать обычные кремниевые p-n-p транзисторы.
     Согласно паспортным данным, минимальный рабочий ток катода 0.5mA, т. е в цепь катода ставим резистор (3V-2V) / 0.5mA = 2 кОм. Это означает, что в начала разрядки в узел контроля будут течь (4.2V-2V) / 2 кОм = 1.1mA, а в конце разрядки – ранее высчитанные 0.5mA. Не очень большая разница, а если выставить требуемые 200mA при некоем среднем напряжении на аккумуляторе, скажем, 3.8V, то можно и вообще об этом не задумываться.
     На управляющий вывод TL431 (Vref = 2.5V) через делитель подаем напряжение аккумулятора. Входной ток управляющего электрода ~1 mkA, значит 50 mkA в цепи делителя вполне достаточно. 3V / 50 mkA = 60 кОм, соотношение резисторов делителя (3 V – 2.5V) / 2.5V = 1 / 5, выбираем для «нижнего» резистора 47 кОм, а для «верхнего» – 6.8 кОм + подстроечник 10 кОм (можно проволочный).

использование TL431 в качестве компаратора

узел управления включением сигнала будильника

Управление сигналом будильника

В качестве исполнительных ключей используем SMD транзисторы широкого применения BC857, включенные по схеме «с общим эмиттером». Резистор в цепи базы ограничивает входной ток, резисторы делителя в цепи коллектора вычисляем по принципу «не превысить напряжения питания будильника в начале разряда + в конце разряда иметь напряжение выше порога включения сигнала». Номиналы указаны на рисунке.

Управление включением устройства

     Схема показана на рисунке. Нажатие на кнопку открывает ключ на полевом транзисторе и начинается процесс разрядки аккумулятора. При этом p-n-p транзистор открывается и поддерживает полевик в открытом состоянии. По достижении 3В на аккумуляторе, срабатывает компаратор на TL431 и p-n-p транзистор закрывается. После этого полевой транзистор остается открытым еще около 10 секунд (постоянная времени RC-цепочки в цепи затвора), в течении которых звучит сигнал будильника, а затем полевик закрывается, нагрузка отключается и будильник останавливается.
     Резистор, стоящий последовательно с времязадающей RC-цепочкой, ограничивает ток через кнопку в момент включения, т.е. когда электролитический конденсатор разряжен. В качестве мощного ключа используем транзистор из сборки SDM9926 (или аналогичной), которую добываем из отслужившего Li-Ion телефонного аккумулятора.
     Принципиальный момент – значение «нулевого тока коллектора» p-n-p транзистора, т.е. когда транзистор закрыт. Скажем, в случае «нулевого тока» ~1 мкА, что вполне реально для «древних» транзисторов, падение напряжения на резисторе RC-цепочки может превысить порог переключения полевого транзистора и он (полевик) не закроется. В этом случае придется добавить эмиттерный повторитель (см. рисунок).

Индикация включения

     Вариантов несколько.
     1. Можно вообще ничего не добавлять, достаточно «тикающей» секундной стрелки будильника.
     2. Можно использовать светодиод, адекватно светящийся уже при токе 0.5 мА. В частности, я использовал подобный светодиод и резистор 2 кОм. Измеренный ток составил около 1.2 mA при 4.2 V и 0.6 mA при 3 V. Наверное, с этим можно мириться.
     3. Для любителей «изящного»: можно построить генератор тока на паре транзисторов, тогда можно использовать любой светодиод и ток практически не будет зависеть от напряжения на аккумуляторе. Я даже набросал схему, но реализовать не удосужился, лень..

     * Вариант с использованием полевого транзистора в качестве генератора тока не рассматривался по причине практического отсутствия таковых в столе. Плюс к тому, по воспоминаниям, токовая характеристика полевика выходит на 'полочку' при падении напряжения 1.5 - 2 v ... Короче: требуются дополнительные исследования, а результат, предположительно, будет мало отличаться от варианта #2.

индикация включения с использованием генератора тока

Схема устройства

     Узлы и детали практически все уже описаны выше. Детали – преимущественно из того что есть. Подстроечные резисторы – многооборотные. Стабилизатор напряжения LM1117-Adj следует установить на радиатор; в этом смысле, предпочтительнее использовать корпус ТО220. В качестве терминала для аккумулятора использовал контактный узел от сгоревшей зарядки-«лягушки».
     Печатная плата не разрабатывалась, сборка выполнена навесным монтажом на одностороннем фольгированном стеклотекстолите, монтажные площадки вырезаны 'по месту'.
     Для настройки потребуется авометр и лабораторный источник питания. При напряжении 3.8v с помощью подстроечного резистора 100 Ом (см. рисунок в абзаце НАГРУЗКА) выставить суммарный ток всего устройства 200 мА, а при напряжении 3v - с помощью подстроечного резистора 10 кОм выставить напряжение 2.5v на управляющем электроде TL431.
     Все. Да: ток, потребляемый самим устройством, составил около 1.4mA@3v и 3mA@4.2v.
     Внешний вид получившейся конструкции - на фото

Работа с устройством

     Скручиваем показания будильника 'на ноль', подключаем аккумулятор (с соблюдением полярности) и нажимаем накнопку 'старт'. Дожидаемся сигнала будильника, считываем его показания и умножаем на 200 мА. При этом не забываем, что 2 часа 15 минут - это не 2.15 часа, а 2 + (15/60) = 2.25 часа.

     И последнее, а точнее - с чего все началось. Купил новый аккумулятор для фотоаппарата, маркирован как 700 mAh. Корпус оказался чуть толще и вставлялся в аппарат с усилием. Решил снять крышку и залепить скотчем, не выбрасывать же. При вскрытии корпуса обнаружил на самом элементе маркировку 600 mAh, после чего и был задуман сей девайс. В итоге, емкость аккумулятора оказалась действительно 600 mAh. А производителю (AcmePower) большое ФИ.
     К слову: измерения остальных аккумуляторов показали, что наиболее приличным оказался родной, т.е. поставлявшийся в комплекте с фотоаппаратом, его емкость после четырех лет эксплуатации снизилась с 700 до 600 mAh; два другие, покупавшиеся практически одновременно, показали около 400 mAh, при заявленных 700.

Хостинг от uCoz