Zpět

Měřák charakteristik akumulátorů

Přístroj zaznamenává vybíjecí křivky akumulátorů, tj. závislost napětí na čase a spotřebované energii. Z ní se dozvíme mimo jiné přesnou kapacitu akumulátoru nebo jakému procentu nabití odpovídá jaké napětí.

Hlavním účelem bylo prověřit a spárovat Li-ion články z vyřazených notebooků, aby šly dále použít ve svítilnách a jiných nenáročných aplikacích. Dále může přístroj najít využití i v modelářství nebo jiných odvětvích, případně se dá použít jako poněkud nepraktický stolní multimetr. Samozřejmě existují komerčně dostupné nabíječky, které to umí taky, ale v o řád vyšších cenových hladinách a bez záruky, že budou spolupracovat zrovna s vaším počítačem (za to tedy neručím ani já, ale můj zdroják si můžete upravovat a portovat jak je libo).

Princip funkce: měřená baterie se postupně vybíjí přes zatěžovací odpory a průběžně se měří její napětí a protékající proud. Po vybití na stanovenou mez se měření automaticky ukončí. O záznam dat a řízení procesu se stará počítač, příslušný program najdete na konci článku.

Zapojení

Obvod je trošku složitější, tak si ho rozebereme po částech. Takhle vypadá celek:

Černě kreslené spoje jsou součástí DPS, červeně jsou vodiče vedené "vzduchem" přímo od součástky k součástce. Modře a zeleně jsou popsané vývody z DPS, ty zelené vedou přes kabel do počítače. Písmeny A a B jsou označené vstupy a výstupy jednotlivých podobvodů (viz dále).

Spínač je umístěn mezi baterií a voltmetrem, aby se při výpadku napájení nemohla baterie vybíjet přes napěťový dělič, který je součástí voltmetru. Pojistka je až za voltmetrem, aby neovlivňovala měření (teoreticky není úplně nutná, ale s ní je to bezpečnější). Ampérmetr je až za zátěží, protože musí mít společnou zem s voltmetrem, baterií, napájením a počítačem. Blokovací dioda D1 slouží k vybití napěťových špiček, které by po vypnutí spínače vyrobila induktivní externí zátěž (např. motor).

Měřicí elektronika potřebuje napětí 5 V, pro relé je vhodnější 12 V (větší výběr typů). Přístroj je tedy napájen dvanácti volty a 5 V si vyrábí jednoduchým lineárním stabilizátorem 7805 (IO1):

+5 V je interní rozvod napájecího napětí, který využívají všechny následující obvody. LED1 je jenom signalizační, na funkci přístroje nemá vliv. Teoreticky je možné použít pětivoltové relé, upravit hodnoty některých rezistorů a tenhle obvod úplně vynechat.

Obvod spínače:

Proud do cívky spínacího relé pouští tranzistor T1 ovládaný z počítače linkou TXD. R3+LED1 je opět jenom indikace sepnutí bez vlivu na funkci (tedy pokud nedáte odpor tak malý, že odběr z portu překročí dovolených 10 mA). Dioda D1 nad cívkou vybíjí indukované proudy po vypnutí tranzistoru, ta druhá brání přepólování součástek v době, kdy je na portu logická nula (tj. záporné napětí). R2 omezuje proud do báze tranzistoru.

Jednodušší kousky máme za sebou, začíná to být zajímavé. Obvod voltmetru:

IO2 je osmibitový A/D převodník TLC549. Na piny 1, 3, 4 a 8 vedou napájení a referenční napětí. Na pin 2 se přivádí měřené napětí o velikosti od 0 do napájecího. Spínačem S1 si volíme rozsah: v dolní poloze jde napětí na pin přímo (rozsah A: 5 V), v horní přes napěťový dělič R4+R5 (rozsah B: 15 V). Zvětšováním R5 můžeme rozsah B prakticky libovolně zvětšovat, jediným omezením je přesnost měření (8 b = 256 dílků stupnice). Druhý pól S1 signalizuje zvolený rozsah přes linku RI do počítače: logická 1 = rozsah B, 0 = A. Teoreticky bychom se bez signalizace obešli, ale bylo by s tím víc práce za provozu a větší šance na chybu.

Na ovládací piny 5 (chip select) a 7 (I/O clock) posíláme signály z linek RTS a DTR. Z portu leze až 15 V, tak musíme napětí srazit pod 5 V zenerkami D2. Rezistory R4 omezují proud do zenerek na několik mA, aby se nepřetížil port. Ošetřené řídicí napětí (šipky RTS2 a DTR2) se dále využije v ampérmetru, který se ovládá paralelně s voltmetrem. A konečně z výstupního pinu 6 nám lezou jednotlivé bity naměřené hodnoty.

Pozor, že vstupní napětí A/D převodníku nesmí klesnout pod -0,3 V. Není možné zařadit před voltmetr do série ochrannou diodu (dost výrazně a navíc nelineárně by ovlivňovala měření), proto si musíme hlídat, abychom měřený akumulátor nepřipojili obráceně.

Ampérmetr:

Napájení a ovládání A/D převodníku je stejné jako u voltmetru, výstup jde na linku DSR. Měřená veličina je úbytek napětí na výkonových rezistorech R6, který si řídicí program podle Ohmova zákona (I=U/R) přepočítá na proud. Vzhledem k tomu, že potřebujeme úbytek v rozsahu 0..5 V, musí být odpory poměrně velké (narozdíl od standardních ampérmetrů, kde jsou to miliohmy nebo i méně) a fungují tedy jako součást testovací zátěže. Přepínač S2 v horní poloze (rozsah B: 3 A) do obvodu zařazuje další odporovou větev pro měření větších proudů, v dolní (rozsah A: 1 A) ji odpojuje. Druhý pól přepínače přes linku DCD signalizuje zvolený rozsah. S citlivostí na přepólování je to stejné jako u voltmetru.

Odpory ampérmetru jako jediná zátěž většinou nestačí, je potřeba přidat další, pokud možno regulovatelnou. Já jsem to vyřešil celkem primitivně:

Výkonové rezistory sestavené do kombinací o 5, 10 a 20 Ω, tři přemosťovací spínače a jeden odpojovací. Jde na tom nastavit cokoli od 0 do 35 Ω po 5 Ω, případně to úplně vypnout. Kdyby vám to nevyhovovalo, můžete použít libovolnou jinou kombinaci rezistorů, spínačů, reostatů nebo čehokoli vhodného, fantazii se meze nekladou.

Původně jsem chtěl použít výkonový tranzistor a proud regulovat plynule, ale nevyšlo to - tím, jak zátěž plave mezi plusem baterie a plusem ampérmetru bez přístupu ke společné zemi, není kde vzít řídicí napětí pro tranzistor. Ale možná to nějak jde, jenom nevím jak, s analogovou regulací zatím nemám žádné zkušenosti.

Tohle je interní zátěž umístěná ve skříni přístroje. Pro případ potřeby mám ještě vyvedené zdířky pro zátěž externí, chráněné blokovací diodou - viz úplně první schéma.

Součástky

Plošný spoj


Pohled ze strany mědi. Velké díry v levém a pravém horním rohu jsou na přišroubování desky k podkladu. Jestli vám nevyhovuje vodivé spojení země s kostrou, oddělte tu levou horní plošku od zbytku obvodu. Na přesném tvaru vodivých drah nezáleží, dodržet je potřeba jenom vzájemnou polohu děr pro vývody.


Pohled ze strany součástek. Červené čáry jsou drátové propojky. Rezistory se vejdou jednowattové nebo menší.

Oba nákresy jsou ve formátu PNG s rozlišením 200 DPI, jdou přímo vytisknout v měřítku 1:1. Rysky na kontrolní mřížce jsou po centimetrech.

Soupis signálů a pinů

PočítačsměrPřípravek
pin COM linka pin ADC význam
1 DCD   indikace rozsahu B pro ampérmetr
2 RXD nezapojeno
3 TXD   signál pro sepnutí relé
4 DTR 5 Chip Selection pro oba převodníky
5 SG 3, 4 GND, Ref-, společná zem pro všechno
6 DSR 6 Data Out pro převodník ampérmetru
7 RTS 7 I/O Clock pro oba převodníky
8 CTS 6 Data Out pro převodník voltmetru
9 RI   indikace rozsahu B pro voltmetr
Napájení   
+12 V   buzení cívky relé
+5 V 1, 8 Ucc, Ref+ pro oba převodníky a pomocné signály

Číslování pinů v sériovém portu platí pro devítipinový konektor.

Stavba

Vodivé spojení kotvicích šroubků se společnou zemí obvodu jsem radši přerušil, protože mám plechovou horní desku přístroje uzemněnou ochranným vodičem PE a nevím, jestli mají všechny počítače propojenou stejnosměrnou zem s kostrou.

Krabičku jsem udělal z plechu ze staré CD-romky a pár kousků dřeva, rozměrově vyšla tak akorát. Takhle vypadala před závěrečnou fází zapojování:

Jako napájecí zdroj posloužil rozebraný adaptér ze šuplíkových zásob: transformátor, usměrňovací můstek, lineární stabilizátor 7812, dva vyhlazovací kondenzátory a signalizační ledka, kterou jsem přendal na hlavní desku.

Finální vrabčí hnízdo:

Trafo drží na místě oboustranná izolepa, tvrdý molitan a sevření mezi horním a spodním krytem. Usměrňovač je přilepený tavkou k boční stěně krabičky, pojistka v díře v protější stěně. Zbytek je víceméně civilizovaně přišroubovaný (pro příště: CD-romkový plech je měkký, je potřeba používat hodně velké podložky).

Hotovo a zakrytováno:

Kabely a trčící páčky přepínačů trochu komplikují skladování a přenášení. Jak tak o tom dodatečně přemýšlím, asi jsem měl použít kolébkové spínače nebo jinak tvarovanou krabičku a pro kabely udělat ve stěnách zásuvky.

O polaritě akumulátoru už jsem psal, takže druhý výstražný nápis není třeba komentovat. Ten horní je tam proto, že napětí na kterémkoli vstupu TLC549 nesmí přesáhnout napájecí napětí plus 0,3 V. Kdyby počítač poslal přes port jedničku do vypnutého převodníku, bylo by to 4,7 V proti nule, čili moc. Pod symboly "horký povrch" jsou výkonové rezistory, které můžou opravdu docela topit (jiné chlazení než prostup tepla plechem tam nemám). Jenom nálepka "warranty void if seal damaged" už asi neplatí.

Řídicí program

ZIP Ke stažení zde (použité jednotky nejsou přibaleny). Funguje v Dosu a snad ve všech verzích Windows kromě 64bitových. Časování komunikace s převodníky není nijak kritické, takže by měl běhat i s adaptéry USB/COM nebo v emulátorech (ale nezkoušel jsem to). Návod k použití je uvnitř, podrobnější vysvětlivky k obsluze ADC jsou ve zdrojáku.

Zpět

Reklamy:
„Kdy se nudíme lépe než v kruhu rodiny?“ Oscar Wilde