Foxiss Измеритель ёмкости аккумуляторов позволяет измерить ёмкость аккумулятора и тем самым определить степень его износа. С его помощью можно также измерить ёмкость нового аккумулятора и сверить результат с параметрами, заявленными производителем.
Модные в последнее время повербанки манят тысячами миллиампер-часов — стоит проверить, действительно ли эти небольшие устройства способны отдать столько энергии. Кроме того, с помощью измерителя можно оценить «аппетит» к энергии любого устройства.
Пояснение. Ёмкость (А·ч) и энергия (Вт·ч) — разные величины. Ёмкость показывает заряд, который аккумулятор способен отдать, а энергия учитывает ещё и напряжение: 1 Вт·ч = 1 А·ч × 1 В. Поэтому для аккумуляторов с разным напряжением сравнивать «миллиампер-часы» напрямую некорректно — устройство измеряет обе величины.
Характеристики измеритель ёмкости аккумуляторов
— расчёт ёмкости источника питания на основе измерения параметров в процессе его разряда;
— измерение постоянного напряжения в диапазоне 0–25 В с разрешением 25 мВ;
— измерение постоянного тока в диапазоне 0…5 А с разрешением 10 мА;
— измерение ёмкости в диапазоне до 100 А·ч с разрешением 1 мА·ч;
— измерение энергии в диапазоне до 100 Вт·ч с разрешением 1 мВт·ч;
— измерение времени в диапазоне до 100 часов;
— подходит практически для любого типа батарей, аккумуляторов и повербанков;
— передача всех параметров в реальном времени через USB;
— автоматическое начало измерения после подключения исследуемого источника питания;
— завершение измерения вручную или автоматически при превышении заданного значения тока, напряжения, времени или ёмкости;
— автоматическое отключение исследуемого источника питания после завершения измерения;
— питание 8–15 В постоянного тока или от USB.
Пояснение по разрешению. Разрешение — это минимальный шаг, который устройство способно различить, а не гарантированная точность. Например, разрешение 25 мВ означает, что соседние показания отличаются на 25 мВ; фактическая погрешность зависит от калибровки, опорного напряжения и шумов. Разрешение по ёмкости 1 мА·ч при диапазоне 100 А·ч соответствует примерно 10⁵ шагов — на практике оно ограничено точностью измерения тока и времени.
Как измеряется ёмкость
Ёмкость аккумулятора определяет, сколько энергии он может отдать. Для определения этого параметра необходимо измерить, как долго аккумулятор способен обеспечивать заданные параметры тока и напряжения. Таким образом, испытание требует проведения одного полного цикла работы аккумулятора — недостаточно «приложить измеритель», чтобы он сразу показал результат. В случае батареек испытание, разумеется, является разрушающим.
Пояснение. Ёмкость вычисляется интегрированием тока по времени: Q = ∫ I dt. Устройство периодически (около 30 раз в секунду) измеряет ток, умножает на интервал времени и накапливает сумму. Отсюда два следствия: (1) результат тем точнее, чем стабильнее ток и точнее отсчёт времени; (2) при импульсном потреблении мгновенные значения усредняются, поэтому важна частота выборки.
Результат измерения ёмкости зависит от многих параметров. Если испытание должно проверить номинальную ёмкость аккумулятора, предназначенного для конкретного устройства, необходимо обеспечить такие условия разряда, которые создаёт это устройство. Если испытание касается универсального аккумулятора, результат следует рассматривать как значение для определённых условий работы.
Ёмкость аккумулятора зависит прежде всего от тока разряда: на практике при меньшем токе разряда аккумулятор покажет бо́льшую ёмкость, чем при интенсивном разряде большим током. Поэтому испытание следует проводить при токе разряда, близком к значению, с которым аккумулятор будет работать в конечном использовании.
Пояснение. Это эффект внутреннего сопротивления и химической кинетики: при большом токе часть энергии теряется на внутреннем сопротивлении (нагрев), а активная масса элемента не успевает полностью проработать. Кроме того, результат зависит от температуры: на холоде ёмкость заметно падает. Поэтому корректное сравнение — только при одинаковом токе, температуре и конечном напряжении.
Представленная схема не оснащена модулем регулируемой нагрузки — нагрузку необходимо подключить к выходу схемы. Наилучшим решением будет подключение устройства, которое в конечном итоге должно питаться от аккумулятора. Однако следует помнить, что выходное напряжение уменьшается на падение напряжения на измерительном резисторе.
При небольших токах падение будет небольшим, пренебрежимым, но при максимальном токе 5 А падение напряжения составит целых 0,5 В, а это может вызвать неправильную работу целевого устройства. В простейшем случае к выходу следует подключить соответствующим образом подобранный мощный резистор или лампу накаливания.
Пояснение. Измерительный резистор (шунт) включён последовательно с нагрузкой, и на нём по закону Ома падает напряжение U = I × R. Чтобы при 5 А падение составляло 0,5 В, сопротивление шунта должно быть около 0,1 Ом.
Это компромисс: большее сопротивление даёт больший сигнал (точнее измерение малых токов), но сильнее «просаживает» выход. Мощность, рассеиваемая на шунте, при 5 А составит P = I²R ≈ 2,5 Вт — это ещё одна причина, по которой шунт делают малоомным.
Правильное выполнение испытания ёмкости требует проведения полного цикла. Поэтому перед началом испытания аккумулятор должен быть полностью заряжен — здесь нет сомнений, штатное зарядное устройство обеспечит выполнение этого условия.
А как определить момент окончания испытания? Общепринятым методом является определение конечного напряжения: для аккумуляторов Ni-xx — около 0,9 В на элемент, для аккумуляторов Li-xx — около 3 В на элемент и т.д.; следует точно проверить в спецификации конкретного аккумулятора.
Пояснение. Конечное напряжение — это порог, ниже которого дальнейший разряд вреден или бессмыслен: для Li-ion типично 2,75–3,0 В на элемент, для NiMH — около 0,9–1,0 В.
Превышение глубины разряда у Li-ion необратимо снижает ресурс, а у Ni-xx может вызвать переполюсовку отдельных элементов в сборке. Поэтому порог лучше брать из документации, а не «на глаз».
Представленная схема имеет функции автоматического завершения испытания; одна из пяти опций — задание минимального напряжения. Когда напряжение аккумулятора упадёт до этого уровня, испытание будет завершено, а аккумулятор отключён от нагрузки.
Другая опция — задание минимального тока: функция полезна, когда к выходу подключено устройство. Когда аккумулятор разрядится до такой степени, что устройство не сможет работать и отключится, это вызовет падение значения тока, что и послужит сигналом к завершению испытания.
Пояснение. Критерий по минимальному току удобен для «умных» потребителей с собственным порогом отключения: устройство само перестаёт потреблять ток, когда ему не хватает питания, и измерителю не нужно угадывать напряжение отсечки. Критерий по напряжению, наоборот, универсален для «пассивной» нагрузки (резистор, лампа), где ток падает плавно.
Схема измеритель ёмкости аккумуляторов
Схема устройства представлена на рисунке ниже; в ней можно выделить несколько блоков.
Процессор — управляющий блок, тактируемый внутренним генератором 8 МГц. Вместо резонатора применён часовой кварц 32768 Гц, который тактирует один из таймеров микроконтроллера — TIMER2. Он служит для точного отсчёта времени.
— Дисплей и кнопки — пользовательский интерфейс.
— Микросхема FT232R — USB-интерфейс.
— Реле K1.
— Остальные элементы — аналоговая часть.
Пояснение по тактированию. 32768 Гц = 2¹⁵ Гц — стандартная частота часовых кварцев: делением на степени двойки получают ровно 1 Гц, поэтому такой кварц идеален для точного отсчёта времени (погрешность порядка секунды в сутки). Основной генератор 8 МГц нужен для быстродействия процессора, но он менее стабилен; поэтому время считает отдельный таймер TIMER2 от часового кварца.
Микросхема IC3 вместе с несколькими десятками пассивных элементов образует более развитый блок питания. Напряжение тщательно фильтруется, а цифровая и аналоговая земли разделены, чтобы обеспечить как можно бо́льшую точность измерений. Для этой цели применён также прецизионный источник опорного напряжения MCP1525.
Пояснение. АЦП измеряет входное напряжение относительно опорного (reference). Точность опорного напряжения напрямую задаёт точность всех измерений, поэтому вместо питания контроллера используют отдельный прецизионный источник (MCP1525).
Разделение земель снижает помехи: импульсные токи цифровой части, протекая по общей земле, создают паразитные падения напряжения, которые «портили» бы аналоговые измерения. Земли соединяют в одной точке (обычно у источника питания), чтобы токи не текли через аналоговый участок.
Аналоговые значения преобразуются в цифровую форму 10-битным АЦП, входящим в периферию микроконтроллера.
Пояснение. 10 бит дают 2¹⁰ = 1024 уровня квантования. При опорном напряжении, например, 2,5 В шаг квантования составит около 2,4 мВ. Это и определяет фактический предел разрешения по напряжению; заявленные 25 мВ — следствие выбранных делителей и диапазона.
Измерение напряжений производится через делители напряжения с потенциометрами R18 и R21: один — для входного напряжения, другой — для выходного.
Пояснение. Делитель нужен, чтобы привести измеряемое напряжение (до 25 В) к диапазону АЦП (обычно 0–2,5 В или 0–5 В). Потенциометры позволяют точно подогнать коэффициент деления при калибровке — именно их крутят на этапе аппаратной юстировки.
Измерение тока производится путём измерения падения напряжения на резисторе R9. Из-за очень малого сопротивления напряжения имеют небольшую величину — максимум 0,5 В, поэтому к АЦП они подаются через два усилителя напряжения на микросхеме TLC272 с коэффициентом усиления 5 и 50.
Таким образом, ток измеряется в двух диапазонах — 0…0,5 А и 0,5…5 А; программа управляет процессом, применяя соответствующие гистерезисы при переключении диапазонов.
Пояснение. Два усилителя с разными коэффициентами реализуют два поддиапазона: на малом токе сигнал шунта слабый, и его усиливают сильнее (×50), что повышает точность; на большом токе — слабее (×5), чтобы не выйти за пределы АЦП.
Гистерезис при переключении диапазонов предотвращает «дребезг»: переключение вверх и вниз происходит при разных порогах, поэтому на границе диапазона устройство не прыгает туда-обратно.
Работа с измеритель ёмкости аккумуляторов
После подачи питания появляется приветственный экран, а затем главное окно (рисунок ниже).
В главном окне отображаются основные параметры. Измерения выполняются значительно чаще, чем обновляется изображение. Программа измеряет аналоговые параметры около 30 раз в секунду, затем вычисляет среднее значение и передаёт его для дальнейших расчётов и отображает на дисплее.
Пояснение. Усреднение по нескольким выборкам — простейший способ подавить шум. Случайные помехи частично компенсируются, и показания становятся стабильнее. Обновлять дисплей 30 раз в секунду незачем — глаз всё равно не различит, поэтому показывают усреднённое значение реже.
Обозначение «Vi» у значения напряжения означает, что измеряется, отображается и передаётся в расчёты напряжение со входа схемы. Обозначение «Vo» означает, что учитывается напряжение с выхода схемы, то есть с учётом падения напряжения на измерительном резисторе. Аналогично это относится и к критерию завершения испытания по напряжению.
Индикатор времени показывает этап работы устройства:
— время увеличивается — идёт испытание;
— время не меняется и показывает какое-то значение — испытание завершено;
— время равно нулю — устройство готово к началу испытания.
Испытание можно начать, нажав кнопку «плюс», когда отображается главное окно. Альтернативно оно начнётся автоматически, когда на входном разъёме появится напряжение не менее 0,5 В.
Пояснение. Порог 0,5 В выбран, чтобы устройство не «стартовало» от помех и остаточных напряжений: реальный источник питания заведомо даёт больше.
Начало испытания включает реле и соединяет вход и выход схемы. Завершить испытание можно принудительно, удерживая кнопку «menu» около 3 с, либо автоматически, если такая функция установлена.
После автоматического завершения подсветка дисплея начинает мигать, сигнализируя о готовности устройства; нажатие любой кнопки останавливает этот эффект.
В главном окне отображается результат испытания — значение ёмкости. Чтобы подготовить устройство к следующему испытанию, следует удерживать кнопку «menu» около 3 с — результаты обнулятся.
Пояснение. Реле выполняет две функции: коммутирует нагрузку и обеспечивает автоматическое отключение аккумулятора по завершении испытания, чтобы не допустить переразряда. Мигание подсветки — индикация того, что измерение остановлено, но результат ещё не сброшен.
Меню измерителя
Структура меню содержит главное окно и четыре окна параметров. Переключение к следующему окну — кнопкой «menu», изменение значения параметра — кнопками «плюс» и «минус» (рисунок ниже).
Окно 1 — «Stop mode». Выбор метода завершения испытания. Доступны опции:
- ручной;
- по минимальному значению тока;
- по минимальному напряжению;
- по максимальному напряжению;
- по заданному времени;
- по заданной ёмкости.
Опция 1. Остановка произойдёт только после удержания кнопки «menu».
Опция 2. Применяется, когда к выходу подключено устройство: после разряда аккумулятора устройство отключится, ток упадёт ниже установленного значения, и устройство завершит испытание.
Опция 3. Лучший выбор при разряде лампой накаливания или резистором. Аккумулятор разрядится до установленного напряжения, после чего испытание завершится, а аккумулятор отключится от нагрузки.
Опция 4. Полезна при исследовании процесса зарядки. Устройство отключит аккумулятор при достижении установленного максимального напряжения.
Опция 5. Позволяет исследовать энергопотребление. Для простого потребителя (например, лампы накаливания) достаточно измерить мгновенный ток, остальное легко посчитать. Для сложного электронного устройства задача усложняется. Его ток не постоянен — обычно оно в спящем режиме, но периодически пробуждается и потребляет энергию в зависимости от задачи.
Опция 5 позволяет узнать, сколько мА·ч израсходует такое устройство, например, за час; это поможет рассчитать, какой аккумулятор нужен для работы в течение 24 часов.
Опция 6. Позволяет определить, как долго проработает устройство при заданной ёмкости, например 500 мА·ч.
Пояснение к опции 4. При заряде критерий «максимальное напряжение» играет роль защиты. Для Li-ion превышение порога (обычно 4,2 В на элемент) опасно, поэтому реле вовремя разрывает цепь. Это превращает измеритель в простой контроллер окончания заряда.
Пояснение к опциям 5–6. Для устройства с «рваным» профилем потребления (сон/пробуждение) средний ток за период и есть то, что определяет реальный расход.
Измеритель ёмкости аккумуляторов интегрирует ток, поэтому автоматически учитывает пики и паузы — вручную это посчитать трудно. Зная средний расход (мА·ч/ч) и ёмкость аккумулятора, получают время работы: t = Q / I_ср.
Окно 2 — «Auto. param.». Отображает значение параметра, выбранного в предыдущем окне. Кнопками «плюс» и «минус» значение меняется: ток — с шагом 10 мА, напряжение — с шагом 100 мВ, время — с шагом 10 минут, ёмкость — с шагом 100 мА·ч. При ручном управлении отображается «Auto stop dis» — функция автоматического завершения отключена.
Окно 3 — выбор измеряемого напряжения. «Input» — измерение на входных зажимах, «Output» — на выходных. Напряжение на выходе меньше входного на падение на измерительном резисторе.
Резистор включён в отрицательной цепи питания, поэтому на выходе «другая» земля, чем на входе. Схема построена так, что процессор измеряет выходное напряжение относительно главной земли (земли на входе).
А затем вычитает рассчитанную по току и сопротивлению величину падения на измерительном резисторе. При испытании ёмкости аккумулятора следует выбирать входное напряжение; при исследовании зарядки или измерении мощности потребителя — выходное.
Пояснение. «Другая земля» означает, что потенциал выходного минуса отличается от входного на падение на шунте. Измерять выходное напряжение напрямую относительно главной земли нельзя — получится завышенное значение; поэтому программа вычитает расчётное падение.
Для расчёта ёмкости важнее напряжение самого аккумулятора (вход), а для расчёта мощности, отдаваемой потребителю, — напряжение на нагрузке (выход).
Окно 4 — «USB period». Задаёт интервал отправки данных через USB: 1…255 секунд с шагом 1 с. Значение следует выбирать осознанно: обычно испытание длится несколько часов, и слишком большой объём данных трудно обрабатывать.
Кроме того, в момент автоматического завершения испытания устройство отправит итоговую сводку — последний кадр — независимо от установленного интервала.
Пояснение. При интервале 1 с за 10 часов накопится 36 000 кадров — таблица станет громоздкой. Для построения кривых разряда обычно достаточно 10–60 с. Итоговый кадр отправляется всегда, чтобы в логе гарантированно оказался финальный результат.
Передача данных
Подключённое к компьютеру измеритель ёмкости аккумуляторов определяется как виртуальный последовательный порт; данные можно считывать любой терминальной программой, например BrayTerminal. Параметры связи: 19200, 8, none, 1.
Пояснение. «19200, 8, none, 1» — стандартная запись параметров UART: скорость 19200 бод, 8 бит данных, без контроля чётности, 1 стоп-бит. Микросхема FT232R преобразует USB в виртуальный COM-порт, поэтому для компьютера устройство выглядит как обычный последовательный порт.
Каждый кадр начинается с новой строки и знака «*», после чего последовательно выводятся: время [чч:мм:сс], ёмкость [А·ч], энергия [Вт·ч], мощность [Вт], напряжение [В] и ток [А]; каждое значение завершается точкой с запятой. Пример кадра:
* 0:00:01; 0.000Ah; 0.000Wh; 0.000W; 0.00Vo; 0.00A;
Пояснение. Фиксированный формат с разделителем «;» и маркером начала «*» упрощает автоматический разбор. Программа может отбрасывать неполные строки и легко делить кадр на поля. Суффикс «Vo» в поле напряжения указывает, что это выходное напряжение.
BrayTerminal имеет функцию записи в файл («Log to file»). Записанные данные легко импортировать в электронную таблицу и построить характеристики параметров. Пример графика — на рисунке ниже график (испытанию подвергался совершенно новый аккумулятор 2000 мА·ч).
Пояснение. По кривой разряда (напряжение от времени при известном токе) видно «полку» рабочего напряжения и момент резкого спада — это и есть точка, где аккумулятор отдал основную часть ёмкости. Сравнение такой кривой для нового и изношенного аккумулятора наглядно показывает деградацию.
Калибровка измерителя
На рисунке ниже видно ещё одно окно с параметрами — «Calibration».
Оно служит для калибровки устройства, и войти в него из меню невозможно. Чтобы запустить калибровку, перед подачей питания нажмите кнопку «menu» и, удерживая её, подключите питание. Через несколько секунд появится это окно — тогда кнопку можно отпустить.
Пояснение. Скрытый вход в режим калибровки защищает от случайного изменения настроек. Калибровочные коэффициенты сохраняются в памяти и влияют на все измерения, поэтому их нельзя менять в обычной работе.
Этап 1 — компенсация нуля. Запоминаются уровни напряжений (результаты преобразования АЦП) на входах без поданного напряжения. Оставьте входные и выходные зажимы неподключёнными и кратковременно нажмите «плюс» — появится окно «Zero comp.».
Четыре значения определяют уровни компенсации для четырёх аналоговых каналов: ток (верхний диапазон), ток (нижний диапазон), входное напряжение, выходное напряжение.
Первое, третье и четвёртое значения не должны превышать 3 отсчётов; второе — 40…50 отсчётов. После нажатия «плюс» устройство запомнит и применит новые настройки.
Пояснение. Даже при нулевом входе АЦП выдаёт небольшой ненулевой код (смещение нуля) из-за неидеальности усилителей и самой микросхемы. Компенсация вычитает это смещение из всех последующих измерений.
Большее допустимое смещение у канала «ток, нижний диапазон» объясняется высоким коэффициентом усиления (×50): усилитель усиливает и собственное смещение, поэтому «нулевой» код там закономерно выше.
Этап 2 — аппаратная юстировка аналоговых трактов.
Подключите к входу регулируемый блок питания и мультиметр в режиме измерения постоянного напряжения. Установите напряжение 10…15 В и соответствующими потенциометрами (рисунок ниже) выставьте правильные показания входного и выходного напряжения.
- Подключите к выходу нагрузку и мультиметр в режиме измерения постоянного тока. Регулируя напряжение блока питания, установите ток около 1…1,5 А и потенциометром верхнего диапазона выставьте правильное показание тока на дисплее.
- Установите ток около 0,25 А и потенциометром нижнего диапазона выставьте правильное показание тока на дисплее.
После нажатия «плюс» калибровка вернётся к первому этапу; после нажатия «menu» калибровка завершится, а настройки запомнятся.
Пояснение. Юстировка «по образцовому прибору» (мультиметру) компенсирует разброс номиналов делителей и шунта: потенциометрами подстраивают коэффициент передачи так, чтобы показания совпали с эталоном.
Верхний и нижний диапазоны тока юстируются раздельно, поскольку у них разные усилители и разные коэффициенты усиления. После калибровки настройки сохраняются в энергонезависимой памяти и действуют при каждом включении. Прошивку можно получить Izm.
