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

2025 Autor: John Day | [email protected]. Zadnja promjena: 2025-01-13 06:57

Značajke:

• Prepoznajte lažnu litij-ionsku/litij-polimernu/NiCd/NiMH bateriju
• Podesivo konstantno strujno opterećenje (korisnik također može izmijeniti)
• Sposoban 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

Tehnički podaci:

• 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 posvuda lažne litijske i NiMH baterije koje ne zadovoljavaju 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 scenarijima bitno je odrediti kapacitet rabljene baterije (na primjer baterije prijenosnog računala). U ovom ćemo članku naučiti izgraditi krug za mjerenje kapaciteta baterije pomoću poznate ploče Arduino-Nano. Dizajnirao sam PCB ploču za umočene komponente. Dakle, čak i početnici mogu lemiti i koristiti uređaj.

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

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

IC1 je čip LM358 [1] koji sadrži dva operacijska 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. Spojio sam CH1 na PWM izlaz (Arduino-D10), a CH2 na izlaz filtra (slika 2). Čak možete ispitati frekvencijski odziv filtera i njegovu graničnu frekvenciju "u praksi" pomoću grafikona bode, što je jedna od lijepih uvedenih značajki 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 sljedbenika napona. Prvi opamp IC1, R7 i Q2 gradi krug konstantnog strujnog opterećenja. Do sada smo izgradili PWM kontrolirano konstantno strujno opterećenje.

LCD zaslon 2*16 koristi se 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 spajanje zujalice od 5 V. R1 i R2 su vučni otpornici za taktilne prekidače. C3 i C4 koriste se za uklanjanje gumba. C1 i C1 koriste se za filtriranje napona napajanja kruga. C5 i C6 koriste se za filtriranje šumova kruga opterećenja konstantne struje kako ne bi pogoršali performanse pretvorbe ADC -a. R7 djeluje kao opterećenje za Q2 MOSFET.

1-1: Što je istosmjerno opterećenje konstantne struje?

Opterećenje konstantnom strujom je krug koji 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 projektirani raspored sklopa PCB -a. Obje strane ploče koriste se za montažu komponenti. Kad namjeravam dizajnirati shemu/PCB, uvijek koristim biblioteke komponenti SamacSys, jer te knjižnice slijede industrijske IPC standarde i sve su besplatne. Koristio sam te knjižnice za IC1 [2], Q2 [3], pa čak sam i mogao pronaći biblioteku Arduino-Nano (AR1) [4] koja je dosta uštedjela od vremena projektiranja. Koristim CAD softver Altium Designer, pa sam za instaliranje biblioteka komponenti upotrijebio dodatak Altium [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 knjižnice slijede industrijske IPC standarde i sve su besplatne. Koristio sam te knjižnice za IC1 [2], Q2 [3], pa čak sam i mogao pronaći biblioteku Arduino-Nano (AR1) [4] 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

PCB ploča je nešto veća od LCD-a 2*16 kako bi stala na tri taktilna gumba. 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: Sklapanje i testiranje Koristio sam polu-kućnu PCB ploču za izradu brzog prototipa i testiranje kruga. Slika 8 prikazuje sliku ploče. Ne morate me pratiti, samo naručite PCB profesionalnoj tvrtki za izradu 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 3-ohmski otpornik. 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. Smanjivanjem vrijednosti otpornika (na primjer na 1,5 ohma) mogu se povećati struje, međutim, morate upotrijebiti snažniji otpornik i izmijeniti Arduino kod. Slika 9 prikazuje ploču i njezine vanjske žice.

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 protivnom 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: Oznaka ispravnog uključivanja kruga na LCD-u

Nakon otprilike 3 sekunde, tekst će se izbrisati, a na sljedećem ekranu možete podesiti vrijednost konstantne struje tipkama za gore/dolje (slika 11).

Korak 9: Slika 11: Podešavanje konstantnog strujnog opterećenja tipkama za gore/dolje

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

Važno: Nikada nemojte priključivati 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 možete vidjeti sa bilo kojim ulaznim naponom, tok struje ostaje netaknut. To je upravo ono što želimo! (Slika 12).

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

Treći gumb je Reset. To znači da jednostavno ponovno pokreće ploču. Korisno je kada namjeravate ponovno pokrenuti postupak kako biste testirali drugačiji maslac.

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

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

Korak 11: Slika 13: Litij-ionska baterija od 8, 800 mA, stvarna ili lažna ?

Prije spajanja litijeve baterije na ploču, moramo je napuniti, pa vas molimo da sa svojim napajanjem pripremite fiksne 4,20 V (500mA CC ograničenje ili niže) (Na primjer, pomoću promjenjivog sklopnog napajanja u prethodnom članku) i napunite bateriju dok trenutni protok ne dosegne nisku razinu. Ne punite nepoznatu bateriju s visokim strujama jer nismo sigurni u njen stvarni kapacitet! Visoke struje punjenja mogu eksplodirati bateriju! Budi oprezan. Kao rezultat toga, slijedio sam ovaj postupak i naša baterija od 8, 800mA je spremna za mjerenje kapaciteta.

Koristio sam držač baterije za spajanje baterije na ploču. Upotrijebite debele i kratke žice koje unose mali 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 njezin napon dosegne prag niske razine. Na slici 15 prikazano je vrijeme kada uređaj odvaja istosmjerno opterećenje iz baterije (3,2 V) i vrše se proračuni. Uređaj također generira dva duga zvučna signala koji označavaju kraj postupka. Kao što možete vidjeti na LCD ekranu, pravi kapacitet baterije je 1, 190mAh što je daleko od zahtjevanog kapaciteta! Možete slijediti isti postupak za testiranje bilo koje baterije (niže od 5V).

Korak 13: Slika 15: Pravi proračunati kapacitet litij-ionske baterije s 8.800 mA

Na slici 16 prikazan je materijal za ovo kolo.

Korak 14: Slika 16: Sastav materijala

Korak 15: Reference

Izvor članka:

[1]:

[2]:

[3]:

[4]:

[5]: