Miernik impedancji wewnętrznej baterii/akumulatorów/zasilaczy
Wstęp (pomysł budowy)
Wiele lat temu nabywając swój pierwszy cyfrowy aparat fotograficzny miałem ciekawy problem z jego zasilaniem. Aparat był zasilany z dwóch baterii (paluszków) R6 (AA) i na dołączonych w pudełku działał myślę, że ponad godzinę. Wielkie zdziwienie ogarnęło mnie, gdy aparat na dwóch czarno złotych bateriach znanego producenta wykonał tylko dwa zdjęcia! Baterie oczywiście były nowe i sprawne. W serwisie aparatu poinformowano mnie, że żaden aparat nie będzie działał na bateriach, konieczne są akumulatory ponieważ baterie nie mają pojemności!? Przeczyło to faktowi, że aparat działał na dołączonych bateriach. Stwierdzenia o braku pojemności baterii to już może nie będę komentował
W każdym razie był to pierwszy raz kiedy zetknąłem się z dużym wpływem jakości baterii na moje życie. Kluczem do zrozumienia tej zagadki było pojęcie rezystancji wewnętrznej baterii a co za tym idzie potencjalnej zdolności do oddawania przez nią dużego prądu. Producenci baterii i akumulatorów skrzętnie ukrywają parametry prądowe swoich produktów. Specjalne mierniki praktycznie nie występują w sprzedaży. Z tego powodu od razu zacząłem zastanawiać się nad budową odpowiedniego urządzenia. Mierzenie małych spadków napięć baterii pod obciążeniem wydawało się mało precyzyjne i wymagało dodatkowych obliczeń. Konieczny był pomiar z przetwarzaniem czyli pomiar rezystancji przy pewnej częstotliwości. Jednak aby to osiągnąć najsensowniejsze było zastosowanie mikroprocesora. Jestem „analogowcem” a procesory wtedy dopiero się rozwijały, więc projekt musiał poczekać kilka lat.
Do czego służy?
Urządzenie służy do pomiary impedancji wewnętrznej źródeł napięcia takich jak baterie, akumulatory czy zasilacze. Czym niższa impedancja/rezystancja tym lepsza jakość oraz wyższa potencjalna wydajność prądowa. Ma ona szczególne znaczenie tam gdzie bateria/akumulator rozładowywane są dość szybko czyli <<10h, przy których określana jest ich pojemność znamionowa. W przypadku popularnych baterii R3(AAA), R6(AA) możemy z „zamkniętymi oczami” określić czy są one cynkowo-węglowe (duża impedancja), alkaliczne (mała impedancja) i bez trudu odnajdziemy akumulatory (bardzo mała impedancja). Mając kilka ogniw rożnych producentów łatwo znajdziemy najlepsze. A znając impedancje ogniwa danego typu możemy ocenić stopień jego zużycia. Najlepszy przykład to znalezienie wadliwego ogniwa z szeregu ogniw zasilających elektronarzędzia, ups-a czy laptopa. Test pomiaru pojemności byłby bardzo długotrwały.
Obsługa
Podłączenie mierzonego źródła napięcia realizowane jest za pomocą cztero-pinowego złącza. Osobne (środkowe) styki prądowe i zewnętrzne sygnałowe. Podłączamy wg dwóch wariantów (schematy na mierniku). Dla dokładnego pomiaru niskich impedancji na długich przewodach zaleca się podłączenie cztero-przewodowe. Można użyć samych przewodów lub dostosowanych adapterów/ koszyczków baterii. Po dołączeniu mierzonego ogniwa do wyprowadzeń przyrządu uruchomi się on automatycznie, jednak tylko jeśli mierzone napięcie będzie miało wartość większą od 1V i będzie o prawidłowej polaryzacji. Miernik nie posiada żadnych przycisków.
Na podświetlanym wyświetlaczu LCD (2x8) pojawi się wartość zmierzonego napięcia i impedancji. Wyświetlany jest też stopień naładowania baterii zasilającej. Przy bardzo słabej baterii podświetlenie LCD jest wyłączane. Odłączenie mierzonego ogniwa sygnalizowane jest napisem OPEN a po chwili urządzenie wyłączy się, co poprzedzi napis POWER OFF. Dodatkowo sygnalizowane są nadmierne szumy pomiarowe - NOISE. Pojawiają się one przy podłączaniu mierzonego ogniwa lub jeśli np.: chcielibyśmy zmierzyć niestabilizowany zasilacz sieciowy.
Zasada działania
Na jednym ze zdjęć widzimy schemat blokowy miernika oraz schemat ideowy. Sterowane źródło prądowe obciąża mierzone źródło napięcia prądem około 14 i 140 mA zależnie od automatycznie wybranego zakresu. Mierzenie napięcia bez obciążenia i pod obciążeniem pozwoliłoby określić rzeczywistą rezystancję wewnętrzną źródła, lecz wynik byłby dość niedokładny. Duża dokładność wymagałaby stosowania bardzo dużych prądów obciążenia. Aby tego uniknąć stosuje się pomiar impedancji. Stąd źródło prądowe załączane jest z częstotliwością 75 hz z wypełnieniem 50%. Typowa, ujęta normami częstotliwość pomiarowa to 1 kHz. Dla niej podawane są parametry np. baterii. Wybrałem jednak dużo niższą częstotliwość aby przybliżyć wynik pomiaru do rzeczywistej wartości rezystancji wyjściowej. Impedancja dla 1 kHz jest często niższa. Załączenie źródła odbywa się tylko na trzydzieści cykli, później trwają obliczenia i wyświetlenie wyniku. Dzięki temu średni prąd obciążenia badanego ogniwa jest dużo niższy niż prąd załączanego źródła prądowego. W układzie źródła wystarczy zastosowanie tranzystora małej mocy, który poradzi sobie nawet z napięciami sięgającymi 20 V.
Podczas obciążania mierzonego ogniwa pojawia się na jego wewnętrznej rezystancji niewielki spadek napięcia. Jest on później wzmacniany zmiennoprądowo wzmacniaczem operacyjnym i podany w postaci napięcia zmiennego na wejście ADC procesora. Aby uzyskać dużą rozdzielczość pomiarową rzędu 0,001 Ohma zastosowałem różnicowy wzmacniacz pomiarowy podłączany cztero-przewodowo. Dzięki temu rezystancja przewodów pomiarowych jest silnie tłumiona. Dla mniej dokładnych pomiarów można użyć podłączenia dwu-przewodowego, co sugerują schematy podłączeń na mierniku.
Całym miernikiem steruje oprogramowanie mikroprocesora Atmega8. Oprócz pomiaru napięcia i impedancji sprawdzane jest napięcie baterii zasilającej, nasycenie źródła prądowego, przekroczenie zakresu czy szumy pomiarowe. Dokładny opis działania programu byłby tu zbyt obszerny.
Dokładność pomiarowa
Miernik dokonuje pomiaru dwóch parametrów ogniwa. Napięcia oraz jego impedancji wewnętrznej. Pomiar napięcia jest obarczony błędem wynikającym z dokładności napięcia referencyjnego procesora (2,56 V) oraz tolerancji dzielnika pomiarowego. Referencja ma dość niską dokładność więc już nie siliłem się na precyzje zastosowanego dzielnika. Użyłem typowych rezystorów o tolerancji 5 %. Zastosowałem programową kalibrację, która odbywa się przez zwarcie zwory na płytce miernika podczas mierzenia zasilacza ustawionego dokładnie na wartości 10 V. Tym sposobem zapewniamy dokładność pomiarową nie gorszą niż 0,01 V. Zostaje tylko współczynnik termiczny źródła napięcia referencyjnego i dzielnika. Jeśli kalibracja nie zostanie przeprowadzona, miernik wyświetli zmierzone napięcie ze znakiem zapytania.
Nieco trudniejsze jest określenie dokładności pomiaru impedancji. Składa się na nie kilka czynników: wzmocnienie wzmacniacza pomiarowego, które ustalają rezystory o typowej tolerancji 5%, niskiej jakości źródło napięcia referencyjnego oraz precyzja sterowanego źródła prądowego. Źródło składa się ze wzmacniacza operacyjnego, tranzystora wykonawczego i rezystora prądowego. Tolerancje rezystora możemy pominąć, zostanie tylko jego dryft termiczny. Wzmacniacz operacyjny wnosi napięcie niezrównoważenia (w praktyce liczy się tylko jego dryft termiczny). Aby był on możliwie najniższy starałem się maksymalnie podnieść napięcie na rezystorze pomiarowym (31 i 313 mV). Jest ono dość niskie ale jest to konieczne aby uzyskać maksymalny stabilizowany prąd nawet przy pomiarze ogniwa o napięciu 1 V. Dla napięcia 31 mV błąd dryftu jest największy ale i rozdzielczość pomiarowa jest wtedy niska (0,01 Ohma). Warto jeszcze wspomnieć o bipolarnym tranzystorze wykonawczym źródła prądowego. Prąd wyjściowy jest pomniejszony o prąd bazy tego tranzystora. W praktyce ważna będzie tylko jego zmiana np. pod wpływem temperatury.
Napięciem referencyjnym dla źródła prądowego jest napięcie z wyjścia pinu procesora a więc napięcie zasilania. Jest ono zmniejszone do wspomnianych 31 i 313 mV za pomocą dwóch regulowanych dzielników (dwa zakresy prądu). Zasilanie jest stabilizowane z baterii 9 V za pomocą pięciowoltowego stabilizatora LDO mikropower. Parametry stabilizacji tego typu stabilizatorów są niestety dość słabe. Sumując wszystkie te czynniki dokładność pomiaru byłaby bardzo niska. Dlatego cały tor pomiaru impedancji również jest kalibrowany. Służą do tego to dwa PR-ki ustalające prąd źródła prądowego (dwa zakresy). Kalibracji dokonuje się na bieżąco, mierząc ogniwo o znanej rezystancji wewnętrznej. Do tego celu stosuje zasilacz o impedancji wyjściowej tylko 0,002 Ohma z dołączonymi rezystorami szeregowymi 0,5 Ohma 1% i 5 Ohmów 1% aby kalibracja dokonywana była dla środkowej wartości. Tym sposobem można ustawić wynik z dokładnością 0,001 Ohma i 0,01 Ohma. Należy jednak pamiętać o dokładności rezystorów wzorcowych (u mnie 1 %). Dalszy wpływ na dokładność będą miały już głównie czynniki termiczne. Warto tu wspomnieć o wpływie jakości stabilizacji stabilizatora 5 V w zależności od jego napięcia zasilania. Typowa bateria 9 V może mieć napięcie od 5,5 V, które jest traktowane jako minimum, a nawet 10,5 V. Miernik umożliwia też prace bez baterii zasilającej, wybiera się to zworą na płytce. Zasilanie odbywa się wtedy z badanego ogniwa, które musi mieć napięcie min 5,5 V i maksimum około 20 V. Możliwa jest praca z kombinowanym zasilaniem. Z baterii i ogniwa mierzonego, będzie ono zasilać miernik jeśli napięcie będzie wyższe od napięcia baterii. Przy zasilaniu rzędu 20V stabilizator 5V będzie się nagrzewać co wpłynie na jego parametry. Prąd pobiera głównie podświetlenie wyświetlacza LCD. Dla niskich napięć baterii jest ono wyłączane co zmniejsza prąd. Oba te czynniki w pewnym stopni wpływają na precyzje pomiarów. Zaletą jest możliwość jego wykonania nawet dla skrajnie wyczerpanej baterii. Rozważania o tolerancjach i dryftach termicznych wydają się mało istotne, bo pomiary wykonywane są przez przetwornik tylko 10 bitowy. W praktyce i tak największe błędy wprowadza podłączenie do badanej baterii. Aby je zminimalizować należałoby skonstruować specjalne podstawki pomiarowe dostosowane do konkretnego typu ogniwa. Typowe koszyczki baterii nie nadają się do precyzyjnych pomiarów ze względu na wnoszoną bardzo dużą rezystancje sprężynek kontaktowych.
Przydatność
Miernik wykonałem w dwóch prototypach i od lat służą mi one przy pomiarach różnych baterii. Dla mnie przydatność jest nieoceniona. Niestety dla wielu, nawet elektroników, takie urządzenie nie jest niezbędnym wyposażeniem warsztatu. Może dlatego tego typu mierniki są niedostępne w typowym handlu detalicznym z aparaturą pomiarową. Ta niby nisza nie skłoniła mnie nawet do próby wykonania kilkunastu profesjonalnych płytek i sprzedaży choćby znajomym elektronikom z forum.
Parametry miernika
Pomiar napięcia:
1-20 V z rozdzielczością 0,01 V (kalibracja elektroniczna przy 10 V)
Pomiar impedancji (ok.75hz), dwa zakresy przełączane automatycznie:
0-1 Ohm z rozdzielczością 0,001 Ohma (kalibracja potencjometrem montażowym)
0-10 Ohm z rozdzielczością 0,01 Ohma (kalibracja potencjometrem montażowym)
Fajne? Ranking DIY
