Tester pojemności baterii za pomocą Arduino [Lithium-NiMH-NiCd]: 15 kroków (ze zdjęciami)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Ostatnio zmodyfikowany: 2024-01-30 11:29

Cechy:

• Zidentyfikuj fałszywą baterię litowo-jonową/litowo-polimerową/NiCd/NiMH
• Regulowane obciążenie prądem stałym (może być również modyfikowane przez użytkownika)
• Potrafi zmierzyć pojemność prawie każdego rodzaju baterii (poniżej 5V)
• Łatwy do lutowania, budowania i użytkowania, nawet dla początkujących (wszystkie elementy są zanurzane)
• Interfejs użytkownika LCD

Dane techniczne:

• Zasilanie płyty: 7 V do 9 V (maks.)
• Wejście baterii: 0-5V(max) – brak odwrotnej polaryzacji Stała
• Obciążenie prądowe: 37mA do 540mA(max) – 16 kroków – może być modyfikowane przez użytkownika

Prawdziwy pomiar pojemności akumulatora jest niezbędny w wielu sytuacjach. Urządzenie do pomiaru pojemności może również rozwiązać problem wykrywania fałszywych baterii. W dzisiejszych czasach podrabiane baterie litowe i NiMH są wszędzie, które nie radzą sobie z reklamowanymi pojemnościami. Czasami trudno jest odróżnić baterię prawdziwą od fałszywej. Ten problem występuje na rynku baterii zapasowych, takich jak baterie do telefonów komórkowych. Ponadto w wielu sytuacjach konieczne jest określenie pojemności używanej baterii (np. baterii laptopa). W tym artykule nauczymy się budować układ pomiaru pojemności baterii przy użyciu słynnej płytki Arduino-Nano. Zaprojektowałem płytkę PCB pod komponenty zanurzeniowe. Dzięki temu nawet początkujący mogą lutować i korzystać z urządzenia.

1: Analiza obwoduRysunek 1 przedstawia schemat ideowy urządzenia. Rdzeniem układu jest płytka Arduino-Nano.

Krok 1: Rysunek 1, schemat ideowy urządzenia do pomiaru pojemności baterii

IC1 to układ LM358 [1], który zawiera dwa wzmacniacze operacyjne. R5 i C7 budują filtr dolnoprzepustowy, który przekształca impuls PWM na napięcie stałe. Częstotliwość PWM wynosi około 500 Hz. Użyłem oscyloskopu Siglent SDS1104X-E do zbadania zachowania PWM i filtra. Podłączyłem CH1 do wyjścia PWM (Arduino-D10), a CH2 do wyjścia filtra (rysunek 2). Możesz nawet zbadać pasmo przenoszenia filtra i jego częstotliwość odcięcia „w praktyce” za pomocą wykresu wróżby, co jest jedną z fajnie wprowadzonych funkcji SDS1104X-E.

Krok 2: Rysunek 2, sygnał PWM (kan.1: 2V/dz) i wynik po przejściu przez filtr RC R5-C7 (kan.2: 50mV/dz)

R5 to rezystor 1M, który znacznie ogranicza prąd, jednak wyjście filtra przechodzi przez opamp (drugi opamp IC1), w konfiguracji wtórnika napięcia. Pierwszy opamp IC1, R7 i Q2 buduje obwód obciążenia stałoprądowego. Do tej pory zbudowaliśmy obciążenie stałoprądowe sterowane PWM.

Wyświetlacz LCD 2*16 jest używany jako interfejs użytkownika, co ułatwia sterowanie/regulacje. Potencjometr R4 ustawia kontrast LCD. R6 ogranicza prąd podświetlenia. P2 to 2-pinowe złącze Molex, które służy do podłączenia brzęczyka 5V. R1 i R2 to rezystory podciągające dla przełączników dotykowych. C3 i C4 służą do odbicia przycisków. C1 i C1 służą do filtrowania napięcia zasilania obwodu. C5 i C6 służą do filtrowania szumów obwodu obciążenia prądu stałego, aby nie pogarszać wydajności konwersji ADC. R7 działa jako obciążenie dla tranzystora Q2 MOSFET.

1-1: Co to jest obciążenie stałoprądowe DC?

Obciążenie stałoprądowe to obwód, który zawsze pobiera stałą ilość prądu, nawet jeśli przyłożone napięcie wejściowe się zmienia. Na przykład, jeśli podłączymy obciążenie stałoprądowe do zasilacza i ustawimy prąd na 250mA, pobór prądu nie zmieni się, nawet jeśli napięcie wejściowe wynosi 5V lub 12V lub cokolwiek innego. Ta cecha obwodu obciążenia stałoprądowego pozwala nam zbudować urządzenie do pomiaru pojemności baterii. Jeśli użyjemy prostego rezystora jako obciążenia do pomiaru pojemności akumulatora, to wraz ze spadkiem napięcia akumulatora maleje również prąd, co powoduje, że obliczenia są skomplikowane i niedokładne.

2: Płytka PCB

Rysunek 3 przedstawia zaprojektowany układ PCB obwodu. Do montażu komponentów służą obie strony płytki. Kiedy zamierzam zaprojektować Schemat/PCB, zawsze używam bibliotek komponentów SamacSys, ponieważ te biblioteki są zgodne z przemysłowymi standardami IPC i wszystkie są bezpłatne. Użyłem tych bibliotek do IC1 [2], Q2 [3], a nawet udało mi się znaleźć bibliotekę Arduino-Nano (AR1) [4], która zaoszczędziła wiele czasu projektowania. Korzystam z oprogramowania CAD Altium Designer, więc wykorzystałem wtyczkę Altium do zainstalowania bibliotek komponentów [5]. Rysunek 4 przedstawia wybrane komponenty.

Krok 3: Rysunek 3, płytka PCB obwodu pomiaru pojemności baterii

Kiedy zamierzam zaprojektować Schemat/PCB, zawsze używam bibliotek komponentów SamacSys, ponieważ te biblioteki są zgodne z przemysłowymi standardami IPC i wszystkie są bezpłatne. Użyłem tych bibliotek do IC1 [2], Q2 [3], a nawet udało mi się znaleźć bibliotekę Arduino-Nano (AR1) [4], która zaoszczędziła wiele czasu projektowania. Korzystam z oprogramowania CAD Altium Designer, więc wykorzystałem wtyczkę Altium do zainstalowania bibliotek komponentów [5]. Rysunek 4 przedstawia wybrane komponenty.

Krok 4: Rysunek 4, Zainstalowane komponenty z wtyczki SamacSys Altium

Płytka PCB jest nieco większa niż wyświetlacz LCD 2*16, aby zmieścić trzy dotykowe przyciski. Rysunki 5, 6 i 7 przedstawiają trójwymiarowe widoki tablicy.

Krok 5: Rysunek 5: Widok 3D zmontowanej płytki PCB (GÓRA), Rysunek 6: Widok 3D zmontowanej płytki PCB (z boku), Rysunek 7: Widok 3D zmontowanej płytki PCB (dół)

3: Montaż i testUżyłem częściowo domowej roboty płytki PCB do zbudowania szybkiego prototypu i przetestowania obwodu. Rysunek 8 przedstawia zdjęcie tablicy. Nie musisz iść za mną, po prostu zamów PCB w profesjonalnej firmie produkującej PCB i zbuduj urządzenie. Do R4 należy użyć potencjometru stojącego, który umożliwia regulację kontrastu LCD od strony płytki.

Krok 6: Rysunek 8: Zdjęcie pierwszego prototypu na półdomowej płytce PCB

Po zlutowaniu elementów i przygotowaniu warunków testowych jesteśmy gotowi do przetestowania naszego układu. Nie zapomnij zamontować dużego radiatora na MOSFET (Q2). Wybrałem R7 jako rezystor 3-omowy. To pozwala nam generować prądy stałe do 750mA, ale w kodzie ustawiłem maksymalny prąd na gdzieś około 500mA co jest wystarczające do naszego celu. Obniżenie wartości rezystora (na przykład do 1,5 oma) może spowodować wyższe prądy, jednak należy użyć mocniejszego rezystora i zmodyfikować kod Arduino. Rysunek 9 przedstawia płytę i jej zewnętrzne okablowanie.

Krok 7: Rysunek 9: Okablowanie urządzenia do pomiaru pojemności baterii

Przygotuj napięcie około 7V do 9V na wejście zasilania. Do wykonania szyny +5V użyłem regulatora płyty Arduino. Dlatego nigdy nie przykładaj napięcia wyższego niż 9V do wejścia zasilania, w przeciwnym razie możesz uszkodzić układ regulatora. Płyta zostanie zasilona i powinieneś zobaczyć tekst na wyświetlaczu LCD, taki sam jak na rysunku 10. Jeśli użyjesz wyświetlacza LCD 2*16 z niebieskim podświetleniem, obwód będzie pobierał około 75mA.

Krok 8: Rysunek 10: Wskazanie prawidłowego włączenia obwodu na wyświetlaczu LCD

Po około 3 sekundach tekst zostanie wyczyszczony i na następnym ekranie możesz ustawić stałą wartość prądu za pomocą przycisków góra/dół (Rysunek 11).

Krok 9: Rysunek 11: Regulacja stałego obciążenia prądowego za pomocą przycisków Góra/Dół

Przed podłączeniem akumulatora do urządzenia i pomiarem jego pojemności można zbadać obwód za pomocą zasilacza. W tym celu należy podłączyć złącze P3 do zasilania.

Ważne: Nigdy nie przykładaj napięcia wyższego niż 5 V lub z odwrotną polaryzacją do wejścia akumulatora, w przeciwnym razie trwale uszkodzisz pin przetwornika cyfrowo-cyfrowego Arduino

Ustaw żądany limit prądu (na przykład 100mA) i baw się napięciem zasilania (pozostań poniżej 5V). Jak widać przy dowolnym napięciu wejściowym, przepływ prądu pozostaje nienaruszony. Właśnie tego chcemy! (Rysunek 12).

Krok 10: Rysunek 12: Przepływ prądu pozostaje stały nawet przy wahaniach napięcia (testowane z wejściami 4,3 V i 2,4 V)

Trzeci przycisk to Reset. Oznacza to, że po prostu restartuje płytę. Jest to przydatne, gdy planujesz ponownie rozpocząć procedurę w celu przetestowania innego masła.

W każdym razie teraz masz pewność, że Twoje urządzenie działa bez zarzutu. Możesz odłączyć zasilanie i podłączyć akumulator do wejścia akumulatora i ustawić żądany limit prądu.

Aby rozpocząć własny test, wybrałem zupełnie nowy akumulator litowo-jonowy 8, 800 mA (Rysunek 13). Wygląda na fantastyczną stawkę, prawda?! Ale jakoś nie mogę w to uwierzyć:-), więc przetestujmy.

Krok 11: Rysunek 13: Akumulator litowo-jonowy 8,800mA, prawdziwy czy fałszywy?

Przed podłączeniem baterii litowej do płyty musimy ją naładować, więc przygotuj stałe napięcie 4,20 V (limit 500 mA CC lub niższą) ze swoim zasilaczem (na przykład za pomocą zmiennego zasilacza impulsowego w poprzednim artykule) i naładuj akumulator, aż przepływ prądu osiągnie niski poziom. Nie ładuj nieznanego akumulatora dużymi prądami, ponieważ nie jesteśmy pewni jego rzeczywistej pojemności! Wysokie prądy ładowania mogą eksplodować akumulator! Bądź ostrożny. W rezultacie zastosowałem się do tej procedury i nasza bateria 8,800mA jest gotowa do pomiaru pojemności.

Do podłączenia baterii do płytki użyłem uchwytu baterii. Upewnij się, że używasz grubych i krótkich przewodów, które wprowadzają niską rezystancję, ponieważ rozpraszanie mocy w przewodach powoduje spadek napięcia i niedokładność.

Ustawmy prąd na 500mA i długo wciskamy przycisk „UP”. Następnie powinieneś usłyszeć sygnał dźwiękowy i procedura się rozpocznie (Rysunek 14). Ustawiłem napięcie odcięcia (próg niskiego poziomu baterii) na 3,2V. Możesz zmodyfikować ten próg w kodzie, jeśli chcesz.

Krok 12: Rysunek 14: Procedura obliczania pojemności baterii

Zasadniczo powinniśmy obliczyć „żywotność” baterii, zanim jej napięcie osiągnie próg niskiego poziomu. Rysunek 15 przedstawia czas, w którym urządzenie odłącza obciążenie DC z akumulatora (3,2V) i wykonywane są obliczenia. Urządzenie generuje również dwa długie dźwięki sygnalizujące zakończenie procedury. Jak widać na ekranie LCD, rzeczywista pojemność baterii wynosi 1,190 mAh, co jest dalekie od deklarowanej pojemności! Możesz wykonać tę samą procedurę, aby przetestować dowolną baterię (niższą niż 5 V).

Krok 13: Rysunek 15: Rzeczywista obliczona pojemność znamionowego akumulatora litowo-jonowego 8.800 mA

Rysunek 16 przedstawia zestawienie materiałów dla tego obwodu.

Krok 14: Rysunek 16: Zestawienie materiałów

Krok 15: Referencje

Źródło artykułu:

[1]:

[2]:

[3]:

[4]:

[5]: