Измеритель ёмкости аккумуляторов (С линейным стабилизатором)

В этой статье мы поговорим об одном из способов практического применения электромеханических часов в радиолюбительской практике. В одной из статей мы собирали схему питания и управления для таких часов, а в другой мы мотали электромагнитную катушку для этой схемы. Здесь же мы рассмотрим как можно очень просто и точно измерить емкость литий-ионного аккумулятора с применением электромеханических часов. Ранние статьи Вы можете посмотреть по ссылкам:

• Способ намотки плоской катушки
• Доработка электромеханических часов

Преимущество электромеханических часов в том, что после пропадания питания стрелки часов показывают время, когда это произошло. На самом деле в устройстве можно применить любые электромеханические часы, которые после остановки показывают время, которое было при пропадании напряжения питания. Основой устройства является линейная электронная нагрузка, задающая постоянный стабильный ток потребления. В данном случае выбран ток нагрузки 500 мА, что бы можно было измерять емкость небольших аккумуляторов. Если планируется измерять емкость только мощных источников, то нужно будет увеличить ток нагрузки, так как в противном случае придется очень долго ждать и шкалы устройства может быть недостаточной для измерения. Для точного же измерения емкости аккумуляторов до 1000 мА*час не следует превышать указанное значение тока нагрузки. В перспективе можно сделать переключатель, но он будет вносить некоторую погрешность, и поэтому я отказался от него. 

Данное устройство обладает следующими параметрами:

Технические характеристики устройства:

Предел измерения с меньшей стороны обуславливается погрешностью, а с высшей стороны шкалой, размером в 12 часов. Погрешность зависит от разрешения шкалы и от стабильности нагрузочного тока. А за 12 часов с током нагрузки 500 мА можно измерить емкость аккумулятора до 6000 мА*час.

Рассмотрим блок-схему и принцип работы устройства:

Напряжение полностью заряженного аккумулятора через контроллер разряда подается на электронную нагрузку и на схему питания и управления электромеханических часов. После запуска механизма часов они начинают отсчет времени и происходит разряд аккумулятора заданным стабильным током. Все это время светится светодиод, сигнализирующий о работе устройства и о процессе разрядки аккумулятора. При достижении напряжения на аккумуляторе своего нижнего предельного значения, контроллер разряда обесточивает всю схему, светодиод гаснет напоминая о конце процесса измерения, часы останавливаются и показывают емкость данного аккумулятора. Так как емкость определяется по формуле

Е [А * час] = I [А] х T [час]

а потребляемый стабильный ток в нашем случае равен 500 мА или что то же самое 0,5 А, то аккумулятор емкостью в 1 А*час полностью разрядится за 2 часа и двенадцатичасовой шкалы часов хватит максимум на аккумулятор с емкостью 6 А*час. 

Контроллер разряда отключает нагрузку при снижении напряжения аккумулятора ниже определённого значения. Он взят из аккумулятора мобильного телефона Samsung с напряжением 3,7 В и представляет из себя плату защиты с порогами отключения цепи 2,4-4,2 В..

Обязательно нужно измерить напряжение отсечки, при котором он будет отключать нагрузку. Оно должно быть в районе 2,4 - 3,0 Вольта. Как правило у таких контроллеров общим является плюс питания, а цепь минуса управляется переходом полевого транзистора.

В качестве электронной нагрузки взят линейный стабилизатор тока, у которого в отличие от импульсного и входной и выходной ток одинаков и стабилизирован в широком пределе напряжений. Нагрузкой стабилизатора тока является низкоомный резистор, хотя при надлежащем отводе тепла от силового управляющего транзистора можно и вообще отказаться от резистора и просто замкнуть выход. 

Часы можно использовать любые электромеханические скорректировав питающее напряжение и доведя его до нужного значения. Так как большинству часов необходимо напряжение 1,5 В, а напряжение исследуемого аккумулятора будет меняться от 2,4 до 4,2 В то понадобиться простой стабилизатор напряжения для питания часов. Я использовал доработанные часы "Янтарь" со встроенным стабилизатором, которые мы ремонтировали в предыдущей статье.

Принципиальная схема получившегося измерителя емкости представлена на рисунке.

Напряжение с исследуемого полностью заряженного аккумулятора через предохранитель подается на контроллер разряда, который при подключении аккумулятора закрыт и не пропускает ток. Параллельно его входу подключен обратно смещённый диод, который защищает устройство от переполюсовки, во время которой он проводит ток в прямом направлении и сжигая предохранитель обесточивает цепь. Кратковременным нажатием кнопки "пуск" контроллер разряда запускается и подает напряжение на часы и электронную нагрузку. Предварительно обнуленные часы начинают отсчет времени, а электронная нагрузка разряжает аккумулятор заданным стабильным током. В зависимости от устройства часов может понадобится одновременный запуск их механизма. В моем случае необходимо предварительно установить стрелки на нулевую отметку и затем запустить маятник часов.

Так же в моих часах установлен светодиод подсветки шкалы одновременно сигнализирующий о работе устройства.

Электронная нагрузка представляет из себя линейный стабилизатор тока на германиевых транзисторах прямой проводимости. Транзистор Q1 стабилизирует напряжение на базе составного транзистора из элементов Q2 и Q3. В цепь эмиттера управляющего транзистора Q3 включен резистор R2, с которого напряжение отрицательной обратной связи подается на базу транзистора Q1. Подбором этого резистора осуществляется установка нужного тока стабилизации измеряя его в разрыве КТ1. Конденсатор C1 блокирует питание по высокой частоте шунтируя возможные помехи и наводки предотвращая некорректную работу устройства.

Рисунок платы с навесным монтажом представлен ниже:

Между выводами "-bat" и "-clock" подключена кнопка пуска. На выводы "+bat" и "-bat" подается напряжение с исследуемого аккумулятора. С выводов же "-clock" и "+clock" подается питание на электромеханические часы для измерения. Плата контроллера разряда приклеивается на двусторонний скотч. Управляющий транзистор Q3 ставится на радиатор площадью 10-12 см² который винтами крепится к основной плате. 

Под это устройство так же разработана печатная плата, вид которой сверху и снизу показан на рисунках:

Я начертил шкалу для замены стандартного циферблата часов. Привожу вид этой шкалы, а ниже прилагаю вариант для печати в формате PDF.

Внутренняя шкала для часовой стрелки разбита на шесть основных делений по 1000 мА*час с промежуточными делениями по 500 мА*час и делениями между ними по 100 мА*час. Внешняя шкала для минутной стрелки и каждое большое деление показывает 100 мА*час с промежуточными маленькими делениями по 10 мА*час. Так же прилагаю исходный файл шкалы для тех, кому нужно будет подогнать размеры или внести изменения.

Вот так выглядит напечатанная шкала:

Далее я приклеил ее поверх циферблата часов с помощью тонкого двойного скотча:

Вот так это выглядит в собранном виде:

Сама плата устройства из за размеров радиатора не поместилась в корпус часов. Ее я установил в перерезанную пластиковую бутылку и вывел провода через горлышко подключив по назначению:

В качестве предохранителя я использовал отрезок медного провода диаметра 0,1 мм в эмалевой изоляции. Настройка устройства заключается в установке потребляемого тока в контрольной точке КТ1 подбором сопротивления резистора R2. Этот резистор я сделал из нихромовой проволоки и подбором ее длины добился нужного показания амперметра. Вы же можете поставить резистор немного большего сопротивления, например 0,33 Ом, и подключая параллельно другие резисторы с сопротивлением 1-10 Ом установить нужный ток потребления.

Схема показала довольно хорошую стабильность при изменении температуры и напряжения питания. С помощью данного устройства также можно измерять ёмкость "power bank"-ов с напряжением 5 Вольт.

Видео:

Список радиоэлементов

^{Скачать список элементов (PDF)}

Теги:

• Часы
• Литий-ионный аккумулятор
• Sprint-Layout
• Измеритель емкости