Простой измеритель емкости аккумуляторов (КР1006ВИ1)
В процессе эксплуатации аккумуляторы постепенно теряют емкость. Оценить реальное состояние аккумулятора и сделать выводы о целесообразности его дальнейшего использования позволяет прибор, описание которого приведено в статье.
Для контроля состояния аккумулятора пользователю доступны всего несколько параметров напряжение на его выводах без нагрузки, внутреннее сопротивление, напряжение на выводах при определенной нагрузке и его изменение во времени Последний параметр ассоциируют с емкостью аккумулятора (ее обозначают латинской буквой С).
У аккумуляторов, предназначенных для питания радиоэлектронных устройств, емкость принято оценивать в ампер-часах (Ач) или миллиампер-часах (мАч) как время, за которое напряжение на Ni-Cd/Ni-MH аккумуляторе при разрядке его стабильным током уменьшается до 1 В Выбор такого значения в какой-то мере условен, но не случаен.
Считается, что к этому моменту аккумулятор успевает отдать примерно 90 % запасенной в нем энергии, а скорость уменьшения напряжения на аккумуляторе заметно возрастает. Следует отметить, что определенная таким образом емкость аккумулятора зависит от выбранного тока разрядки. Эта зависимость заметно ослабевает только при его значениях меньше 0,5С.
Измерять емкость аккумулятора удобно в устройстве, способном разряжать его стабильным током до 1 В. Схема возможного варианта такого устройства, предназначенного для проверки аккумуляторных батарей из шести или семи Ni-Cd/Ni-MH аккумуляторов, изображена на рис. 1 Его основа - интегральный таймер КР1006ВИ1 (DA1).
Он содержит два компаратора (верхнего и нижнего уровней), триггер, выходной каскад и разряжающий транзистор. Выводы 5 и 6 - входы компаратора верхнего уровня. Напряжение на первом из них задано внутренним делителем микросхемы и равно 2/3 напряжения питания микросхемы, на втором - резистивным делителем R1- R3, который питается от стабилизированного источника +9 В.
Как видно, питание на микросхему поступает через разъем Х1 от проверяемой аккумуляторной батареи. Если она состоит из шести элементов, компаратор должен сработать при напряжении 6 В, а если из семи (например, батарея “Ника” и ей подобные) - при 7 В. Следовательно, напряжение на выводе 6 DA1, заданное делителем R1-R3, в первом случае должно быть равно 4, а во втором - 4,67 В.
Рис. 1. Принципиальная схема измерителя емкости аккумуляторов.
Эти значения нуждаются в уточнении, так как зависят от параметров внутреннего делителя конкретного экземпляра микросхемы. Для определенности в дальнейшем рассматривается вариант устройства для аккумуляторной батареи “Ника"
Пока напряжение аккумулятора выше 7 В, на выходе таймера (вывод 3) присутствует высокий уровень (примерно на 1,5 В ниже текущего значения напряжения питания). Разрядный ток складывается из тока нагрузки (его поддерживает неизменным стабилизатор тока на полевом транзисторе VT1) и тока, потребляемого самой микросхемой (около 5 мА).
Устанавливать суммарный ток более 30 мА нежелательно. В авторском варианте он выбран равным 20 мА. Это позволяет разряжать аккумуляторную батарею “Ника" током 0,2С, что, с одной стороны, сокращает время разрядки вдвое (примерно до 5 ч), а с другой - не “уменьшает” заметно емкости проверяемой батареи (при разрядке током 1C она может оказаться на 30 % ниже, чем при слаботочной разрядке).
Нагрузкой служат резистор R4 и светодиод HL1. Свечение последнего информирует о том, что идет процесс разрядки аккумулятора и уровень 7 В еще не достигнут. Поскольку номинальный ток через светодиод АЛ307БМ - 10 мА, “избыток" стабилизированного тока (5 мА) течет через резистор R4.
Если необходим больший разрядный ток, устройство дополняют транзистором VT2 с резистором R6 (изображены штриховыми линиями). Ток через эту цепь будет стабильным, поскольку напряжение на базе транзистора практически постоянно (известно, что прямое падение напряжения на светодиоде в области рабочих токов изменяется мало).
Ток в цепи эмиттера (а значит, и коллектора) рассчитывают по формуле I = (U - 0,6)/R. Здесь U - напряжение на базе транзистора, В; R - сопротивление резистора R6, Ом; I - ток коллектора, А; 0,6 - ориентировочное значение падения напряжения на эмиттерном переходе транзистора (0,6 В) Формула эта оценочная, поэтому значение тока разрядки надо уточнить при налаживании устройства подбором резистора R6.
Для устранения возможных сбоев вывод 4 (“Сброс”) соединен с плюсовой шиной питания Вход компаратора нижнего уровня (вывод 2) используется для включения режима разрядки касанием сенсорного контакта Е1 Конденсатор С1 подключен ко второму входу компаратора верхнего уровня, чтобы уменьшить вероятность ложных срабатываний устройства от импульсных помех, проникающих через цепи питания.
К выводу 7 (коллектор разрядного транзистора таймера) подключен пьезоэлектрический звукоизлучатель НРМ14АХ фирмы JL World (с встроенным генератором), подающий сигнал по окончании разрядки аккумуляторной батареи
Детали устройства смонтированы на печатной плате, чертеж которой показан на рис. 2. На ней устанавливают все детали, кроме звукоизлучателя НА1 и разъема Х1. Плата рассчитана на при менение постоянных резисторов МЛТ, проволочного подстроечного резистора СП5-2 и конденсаторов КМ.
Резисторы R2, R4, R5 устанавливают перпендикулярно плате.
Рис. 2. Печатная плата измерителя емкости аккумуляторов.
Для налаживания устройства необходим дополнительный регулируемый источник напряжения Его подключают к устройству вместо аккумулятора и устанавливают напряжение 9,4 В. При касании сенсорного контакта Е1 должен зажечься светодиод НL1. Подбирая резистор R4, добиваются того, чтобы суммарный ток, потребляемый устройством от дополнительного источника, стал равным 20 мА.
Затем напряжение понижают до 7 В и измеряют напряжение на выводе 5 микросхемы. Такое же напряжение устанавливают подстроечным резистором R3 на ее выводе 6. После этого прибор готов к эксплуатации.
В устройстве с дополнительным транзистором подбирают резистор R6 таким образом, чтобы суммарный ток разрядки стал равным требуемому значению (если VT2 используется без теплоотвода, он не должен превышать 150 мА). Следует заметить, что при коллекторном токе более 100 мА транзистор VT2 заметно нагревается.
Это приводит к изменению напряжения база-эмиттер, а оно влияет на значение стабилизируемого тока (изменяется значение 0,6В приведенной выше формуле) Поэтому разрядный ток следует устанавливать не ранее чем через 3 -4 мин после подачи напряжения питания. На работу устройства в последующем это не влияет, поскольку “выбег” тока коллектора транзистора VТ2 при прогреве не превышает нескольких миллиампер и длится он примерно 3 мин.
Затем проводят контрольный эксперимент. Включив питание и установив (по вольтметру) на выходе дополнительного источника напряжение 9-10 В, касаются контакта Е1. При этом зажигается светодиод НL1. Затем, постепенно снижая выходное напряжение дополнительного источника, регистрируют значение, при котором погас светодиод и появился звуковой сигнал.
Если оно отличается от 7 В, корректируют напряжение на входе компаратора верхнего уровня подстроечным резистором R3. По окончании разрядки устройство потребляет от аккумулятора ток около 5 мА.
Изменение напряжения на выводе 7 микросхемы можно использовать для отключения испытуемого аккумулятора от прибора по окончании разрядки, а также для управления таймером, с помощью которого фиксируется время его разрядки. Тем, кто хочет глубже познакомиться с вопросами эксплуатации аккумуляторов, можно рекомендовать поискать в библиотеках книгу [1], а также посетить сайты [2-5].
Б. Степанов, г. Москва. Р2001, 7.
Литература:
- Теньков В. В., Центер Б. И. Основы теории и эксплуатации герметичных никель-кадмиевых аккумуляторов - Ленинград: Энергоатомиздат 1985;
- "battery.rax.ru";
- "www.landata.ru/kip";
- "www.cadex.com";
- "www.cc.columbia.edu/~fuat/cuarc/NiCd.html".