Ispitivač kapaciteta baterije pomoću Arduina [Lithium-NiMH-NiCd]: 15 koraka (sa slikama)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Zadnja izmjena: 2024-01-30 08:05

Karakteristike:

• Prepoznajte lažnu litij-ionsku/litij-polimernu/NiCd/NiMH bateriju
• Podesivo konstantno strujno opterećenje (može ga promijeniti i korisnik)
• Može mjeriti kapacitet gotovo svih vrsta baterija (ispod 5V)
• Lako se lemi, gradi i koristi, čak i za početnike (sve komponente su Dip)
• LCD korisničko sučelje

Specifikacije:

• Napajanje ploče: 7V do 9V (maks.)
• Ulaz baterije: 0-5V (max)-nema obrnutog polariteta
• Trenutno opterećenje: 37mA do 540mA (max) - 16 koraka - korisnik može izmijeniti

Pravo mjerenje kapaciteta baterije bitno je za mnoge scenarije. Uređaj za mjerenje kapaciteta može riješiti problem uočavanja lažnih baterija. Danas su lažne litijske i NiMH baterije posvuda koje ne podnose njihove oglašene kapacitete. Ponekad je teško razlikovati pravu i lažnu bateriju. Ovaj problem postoji na tržištu rezervnih baterija, poput baterija za mobitele. Nadalje, u mnogim je scenarijima bitno odrediti kapacitet rabljene baterije (na primjer baterije prijenosnog računara). U ovom ćemo članku naučiti izgraditi krug za mjerenje kapaciteta baterije koristeći poznatu Arduino-Nano ploču. Dizajnirao sam PCB ploču za umočene komponente. Tako da čak i početnici mogu lemiti i koristiti uređaj.

1: Analiza kola Slika 1 prikazuje shematski dijagram uređaja. Jezgra kola je Arduino-Nano ploča.

Korak 1: Slika 1, Shematski dijagram uređaja za mjerenje kapaciteta baterije

IC1 je čip LM358 [1] koji sadrži dva operativna pojačala. R5 i C7 grade niskopropusni filter koji pretvara PWM impuls u istosmjerni napon. Frekvencija PWM -a je oko 500Hz. Koristio sam osceloskop Siglent SDS1104X-E za ispitivanje PWM-a i ponašanja filtera. Priključio sam CH1 na PWM izlaz (Arduino-D10), a CH2 na izlaz filtra (slika 2). Čak možete provjeriti frekvencijski odziv filtera i njegovu graničnu frekvenciju "u praksi" pomoću grafikona bode, što je jedna od lijepih uvedenih karakteristika SDS1104X-E.

Korak 2: Slika 2, PWM signal (CH1: 2V/div) i rezultat nakon prolaska kroz R5-C7 RC filter (CH2: 50mV/div)

R5 je 1M otpornik koji uvelike ograničava struju, međutim, izlaz filtra prolazi kroz opamp (drugi opamp IC1), u konfiguraciji naponskog sljedbenika. Prvi opamp IC1, R7 i Q2 gradi krug konstantnog strujnog opterećenja. Do sada smo izgradili PWM kontrolirano konstantno strujno opterećenje.

2*16 LCD se koristi kao korisničko sučelje koje olakšava upravljanje/podešavanje. Potenciometar R4 postavlja kontrast LCD -a. R6 ograničava struju pozadinskog osvjetljenja. P2 je 2 -pinski Molex konektor koji se koristi za povezivanje 5V zujalice. R1 i R2 su pull-up otpornici za taktilne prekidače. C3 i C4 koriste se za uklanjanje tastera. C1 i C1 koriste se za filtriranje napona napajanja kola. C5 i C6 koriste se za filtriranje šuma kruga konstantne struje kako ne bi pogoršali performanse konverzije ADC -a. R7 djeluje kao opterećenje za Q2 MOSFET.

1-1: Šta je istosmjerno opterećenje konstantne struje?

Opterećenje konstantnom strujom je kolo koje uvijek vuče konstantnu količinu struje, čak i ako primijenjeni ulazni napon varira. Na primjer, ako priključimo konstantno strujno opterećenje na izvor napajanja i postavimo struju na 250mA, struja se neće promijeniti čak i ako je ulazni napon 5V ili 12V ili bilo što drugo. Ova značajka kruga konstantnog strujnog opterećenja omogućuje nam izradu uređaja za mjerenje kapaciteta baterije. Ako koristimo jednostavan otpornik kao opterećenje za mjerenje kapaciteta baterije, kako se napon baterije smanjuje, tako se i struja smanjuje što proračune čini složenim i netočnim.

2: PCB ploča

Na slici 3 prikazan je dizajnirani sklop PCB -a. Obje strane ploče koriste se za montažu komponenti. Kad namjeravam dizajnirati shemu/PCB, uvijek koristim biblioteke komponenti SamacSys, jer te biblioteke slijede industrijske IPC standarde i sve su besplatne. Koristio sam ove biblioteke za IC1 [2], Q2 [3], pa čak sam mogao pronaći i Arduino-Nano (AR1) [4] biblioteku koja je dosta uštedjela od vremena projektiranja. Koristim CAD softver Altium Designer, pa sam koristio dodatak Altium za instaliranje biblioteka komponenti [5]. Slika 4 prikazuje odabrane komponente.

Korak 3: Slika 3, PCB ploča kruga za mjerenje kapaciteta baterije

Kad namjeravam dizajnirati shemu/PCB, uvijek koristim biblioteke komponenti SamacSys, jer te biblioteke slijede industrijske IPC standarde i sve su besplatne. Koristio sam ove biblioteke za IC1 [2], Q2 [3], pa čak sam i mogao pronaći Arduino-Nano (AR1) [4] biblioteku koja je dosta uštedjela od vremena projektiranja. Koristim CAD softver Altium Designer, pa sam koristio dodatak Altium za instaliranje biblioteka komponenti [5]. Slika 4 prikazuje odabrane komponente.

Korak 4: Slika 4, Instalirane komponente iz SamacSys Altium dodatka

Matična ploča je nešto veća od LCD ekrana 2*16 da stane na tri taktilna tastera. Slike 5, 6 i 7 prikazuju 3D prikaz ploče.

Korak 5: Slika 5: 3D prikaz sklopljene ploče (gore), slika 6: 3D prikaz sklopljene ploče (sa strane), slika 7: 3D prikaz sklopljene ploče (dolje)

3: Montaža i TestI koristio sam polu-kućnu PCB ploču za izradu brzog prototipa i testiranje kola. Slika 8 prikazuje sliku ploče. Ne morate me pratiti, samo naručite PCB profesionalnoj kompaniji za proizvodnju PCB -a i napravite uređaj. Za R4 biste trebali koristiti stojeći potenciometar koji vam omogućuje podešavanje kontrasta LCD -a sa strane ploče.

Korak 6: Slika 8: Slika prvog prototipa, na polu-domaćoj PCB ploči

Nakon lemljenja komponenti i pripreme uvjeta ispitivanja, spremni smo za testiranje našeg kruga. Ne zaboravite montirati veliki hladnjak na MOSFET (Q2). Odabrao sam R7 kao otpornik od 3 ohma. To nam omogućuje generiranje konstantnih struja do 750mA, ali u kodu sam postavio maksimalnu struju na negdje oko 500mA što je dovoljno za naše potrebe. Snižavanje vrijednosti otpornika (na primjer na 1,5 ohma) može dovesti do većih struja, međutim, morate koristiti snažniji otpornik i izmijeniti Arduino kod. Na slici 9 prikazana je ploča i njeni vanjski vodovi.

Korak 7: Slika 9: Ožičenje uređaja za mjerenje kapaciteta baterije

Pripremite napon od oko 7V do 9V na ulaz napajanja. Koristio sam regulator ploče Arduino za izradu šine +5V. Stoga, nikada nemojte priključivati napon veći od 9V na ulaz napajanja, jer u suprotnom možete oštetiti čip regulatora. Ploča će biti uključena i trebali biste vidjeti tekst na LCD-u, isti kao na slici 10. Ako koristite plavo pozadinsko osvjetljenje 2*16 LCD, krug će trošiti oko 75mA.

Korak 8: Slika 10: Indikacija uključivanja ispravnog kola na LCD-u

Nakon otprilike 3 sekunde, tekst će biti izbrisan, a na sljedećem ekranu možete podesiti konstantnu trenutnu vrijednost pomoću tipki za gore/dolje (slika 11).

Korak 9: Slika 11: Podešavanje konstantnog opterećenja strujom pomoću tipki za gore/dolje

Prije nego što spojite bateriju na uređaj i izmjerite njen kapacitet, možete ispitati krug pomoću izvora napajanja. U tu svrhu trebate spojiti P3 konektor na izvor napajanja.

Važno: Nikada nemojte primjenjivati nikakav napon veći od 5 V ili obrnutog polariteta na ulaz baterije, jer ćete u suprotnom trajno oštetiti pin za digitalni pretvarač Arduina

Postavite željeno ograničenje struje (na primjer 100mA) i igrajte se s naponom napajanja (ostanite ispod 5V). Kao što vidite sa bilo kojim ulaznim naponom, protok struje ostaje netaknut. To je upravo ono što želimo! (Slika 12).

Korak 10: Slika 12: Protok struje ostaje konstantan čak i ispred varijacija napona (testirano sa 4,3 V i 2,4 V ulaza)

Treće dugme je Reset. To znači da jednostavno ponovo pokreće ploču. Korisno je kada planirate ponovno pokrenuti postupak kako biste testirali drugu maslac.

U svakom slučaju, sada ste sigurni da vaš uređaj radi besprijekorno. Možete isključiti napajanje i spojiti bateriju na ulaz baterije i postaviti željeno ograničenje struje.

Za početak vlastitog testa odabrao sam potpuno novu litij-ionsku bateriju od 8, 800mA (slika 13). Izgleda fantastično, zar ne ?! Ali ne mogu nekako vjerovati u ovo:-), pa hajde da testiramo.

Korak 11: Slika 13: Litijum-jonska baterija od 8, 800 mA, prava ili lažna ?

Prije nego što povežemo litijumsku bateriju s pločom, moramo je napuniti, pa vas molimo da sa svojim napajanjem pripremite fiksne 4,20 V (500mA CC ograničenje ili niže) (Na primjer, upotrebom promjenjivog sklopnog napajanja u prethodnom članku) i napunite bateriju dok protok struje ne dosegne nizak nivo. Ne punite nepoznatu bateriju s visokim strujama jer nismo sigurni u njen stvarni kapacitet! Visoke struje punjenja mogu eksplodirati bateriju! Budi pazljiv. Kao rezultat toga, slijedio sam ovu proceduru i naša baterija od 8, 800mA je spremna za mjerenje kapaciteta.

Koristio sam držač baterije za spajanje baterije na ploču. Koristite debele i kratke žice koje unose nizak otpor jer rasipanje snage u žicama uzrokuje pad napona i netočnost.

Postavimo struju na 500mA i dugo pritisnemo tipku "GORE". Tada biste trebali čuti zvučni signal i postupak počinje (slika 14). Postavio sam granični napon (niski prag baterije) na 3,2 V. Ovaj prag možete promijeniti u kodu ako želite.

Korak 12: Slika 14: Postupak izračunavanja kapaciteta baterije

U osnovi, trebali bismo izračunati "vijek trajanja" baterije prije nego što njen napon dosegne prag niskog nivoa. Slika 15 prikazuje vrijeme kada uređaj odvaja istosmjerno opterećenje iz baterije (3,2 V) i vrše se proračuni. Uređaj takođe generiše dva duga zvučna signala koji označavaju kraj procedure. Kao što vidite na LCD ekranu, pravi kapacitet baterije je 1, 190mAh što je daleko od zahtjevanog kapaciteta! Možete slijediti istu proceduru za testiranje bilo koje baterije (niže od 5V).

Korak 13: Slika 15: Pravi proračunati kapacitet litijum-jonske baterije od 8.800 mA

Na slici 16 prikazan je materijal za ovo kolo.

Korak 14: Slika 16: Opis materijala

Korak 15: Reference

Izvor članka:

[1]:

[2]:

[3]:

[4]:

[5]: