Comprobador de capacitat de la bateria mitjançant Arduino [Liti-NiMH-NiCd]: 15 passos (amb imatges)

2024 Autora: John Day | [email protected]. Última modificació: 2024-01-30 08:12

Característiques:

• Identifiqueu una bateria falsa de ions de liti / polímer de liti / NiCd / NiMH
• Càrrega de corrent constant ajustable (també pot ser modificada per l'usuari)
• Capaç de mesurar la capacitat de gairebé qualsevol tipus de bateria (per sota de 5V)
• Fàcil de soldar, construir i utilitzar, fins i tot per a principiants (tots els components són Dip)
• Una interfície d'usuari LCD

Especificacions:

• Subministrament de la placa: 7V a 9V (màxim)
• Entrada de la bateria: 0-5V (màx.): Sense polaritat inversa constant
• Càrrega actual: 37 mA a 540 mA (màxim) - 16 passos - pot ser modificada per l'usuari

La mesura real de la capacitat de la bateria és essencial per a molts escenaris. Un dispositiu de mesura de capacitat també pot resoldre el problema de detectar bateries falses. Avui dia hi ha bateries falses de liti i de NiMH a tot arreu que no gestionen les seves capacitats publicitàries. De vegades és difícil distingir entre una bateria real i una falsa. Aquest problema existeix al mercat de les bateries de recanvi, com ara les bateries de telèfons mòbils. A més, en molts casos, és essencial determinar la capacitat d'una bateria de segona mà (per exemple, una bateria d'ordinador portàtil). En aquest article, aprendrem a construir un circuit de mesurament de la capacitat de la bateria mitjançant la famosa placa Arduino-Nano. He dissenyat la placa PCB per a components dip. Així, fins i tot els principiants poden soldar i utilitzar el dispositiu.

1: Anàlisi de circuits La figura 1 mostra el diagrama esquemàtic del dispositiu. El nucli del circuit és una placa Arduino-Nano.

Pas 1: figura 1, diagrama esquemàtic del dispositiu de mesurament de la capacitat de la bateria

IC1 és un xip LM358 [1] que conté dos amplificadors operatius. R5 i C7 construeixen un filtre de pas baix que converteix el pols PWM en un voltatge continu. La freqüència del PWM ronda els 500Hz. Vaig utilitzar un oscil·loscopi Siglent SDS1104X-E per examinar el comportament del filtre i el PWM. Vaig connectar el CH1 a la sortida PWM (Arduino-D10) i el CH2 a la sortida del filtre (Figura 2). Fins i tot podeu examinar la resposta de freqüència del filtre i la seva freqüència de tall "a la pràctica" mitjançant el gràfic de bode, que és una de les funcions introduïdes de l'SDS1104X-E.

Pas 2: Figura 2, el senyal PWM (CH1: 2V / div) i el resultat després de passar pel filtre RC R5-C7 (CH2: 50mV / div)

R5 és una resistència de 1 M que limita enormement el corrent, però la sortida del filtre passa a través d’un opamp (el segon opamp d’IC1), en una configuració de seguidor de tensió. El primer opamp de l'IC1, R7 i Q2 construeix un circuit de càrrega de corrent constant. Fins ara hem creat una càrrega de corrent constant controlable per PWM.

S'utilitza una pantalla LCD de 2 * 16 com a interfície d'usuari que facilita el control i els ajustos. El potenciòmetre R4 estableix el contrast de la pantalla LCD. R6 limita el corrent de llum de fons. P2 és un connector Molex de 2 pins que s’utilitza per connectar un brunzidor de 5 V. R1 i R2 són resistències de tracció per als commutadors tàctils. C3 i C4 s’utilitzen per rebutjar els botons. C1 i C1 s’utilitzen per filtrar la tensió d’alimentació del circuit. C5 i C6 s’utilitzen per filtrar els sorolls del circuit de càrrega de corrent constant per no degradar el rendiment de la conversió ADC. R7 actua com a càrrega del MOSFET Q2.

1-1: Què és una càrrega de corrent continu constant?

Una càrrega de corrent constant és un circuit que sempre treu una quantitat constant de corrent, fins i tot si la tensió d’entrada aplicada varia. Per exemple, si connectem la càrrega de corrent constant a una font d’alimentació i configurem el corrent a 250 mA, el consum de corrent no canviarà fins i tot si la tensió d’entrada és de 5 V o 12 V o el que sigui. Aquesta característica del circuit de càrrega de corrent constant ens permet construir el dispositiu de mesura de la capacitat de la bateria. Si utilitzem una resistència simple com a càrrega per mesurar la capacitat de la bateria, a mesura que disminueix el voltatge de la bateria, també disminueix el corrent, cosa que fa que els càlculs siguin complexos i inexacts.

2: Tauler PCB

La figura 3 mostra el disseny del circuit dissenyat per PCB. Els dos costats del tauler s’utilitzen per muntar els components. Quan tinc intenció de dissenyar un esquema / PCB, sempre faig servir les biblioteques de components SamacSys, perquè aquestes biblioteques segueixen els estàndards IPC industrials i totes són gratuïtes. Vaig utilitzar aquestes biblioteques per a IC1 [2], Q2 [3] i fins i tot vaig poder trobar la biblioteca Arduino-Nano (AR1) [4] que va estalviar molt del temps de disseny. Utilitzo el programari CAD Altium Designer, de manera que he utilitzat el connector Altium per instal·lar les biblioteques de components [5]. La figura 4 mostra els components seleccionats.

Pas 3: Figura 3, la placa PCB del circuit de mesurament de la capacitat de la bateria

Quan tinc intenció de dissenyar un esquema / PCB, sempre faig servir les biblioteques de components SamacSys, perquè aquestes biblioteques segueixen els estàndards IPC industrials i totes són gratuïtes. Vaig utilitzar aquestes biblioteques per a IC1 [2], Q2 [3] i fins i tot vaig poder trobar la biblioteca Arduino-Nano (AR1) [4] que va estalviar molt del temps de disseny. Utilitzo el programari CAD Altium Designer, de manera que he utilitzat el connector Altium per instal·lar les biblioteques de components [5]. La figura 4 mostra els components seleccionats.

Pas 4: Figura 4, components instal·lats des del connector SamacSys Altium

La placa PCB és lleugerament més gran que una pantalla LCD de 2 * 16 per adaptar-se als tres polsadors tàctils. Les figures 5, 6 i 7 mostren vistes 3D del tauler.

Pas 5: Figura 5: una vista 3D de la placa de PCB muntada (TOP), Figura 6: una vista 3D de la placa de PCB muntada (lateral), Figura 7: una vista 3D de la placa de PCB muntada (inferior)

3: Muntatge i Test He utilitzat una placa PCB semi-casolana per construir un prototip ràpid i provar el circuit. La figura 8 mostra una imatge del tauler. No cal que em seguiu, només heu de demanar el PCB a una empresa professional de fabricació de PCB i construir el dispositiu. Haureu d’utilitzar un tipus de potenciòmetre de peu per al R4 que us permeti ajustar el contrast de la pantalla LCD des del lateral del tauler.

Pas 6: Figura 8: una imatge del primer prototip en una placa de PCB semi-casolana

Després de soldar els components i preparar les condicions de prova, estem preparats per provar el nostre circuit. No us oblideu de muntar un gran dissipador de calor al MOSFET (Q2). He seleccionat R7 per ser una resistència de 3 ohms. Això ens permet generar corrents constants de fins a 750 mA, però al codi, he establert el corrent màxim a uns 500 mA, que és suficient per al nostre propòsit. La reducció del valor de la resistència (per exemple, a 1,5 ohms) pot generar corrents més elevats, però, cal utilitzar una resistència més potent i modificar el codi Arduino. La figura 9 mostra el tauler i els seus cables externs.

Pas 7: Figura 9: Cablejat del dispositiu de mesurament de la capacitat de la bateria

Prepareu una tensió d'al voltant de 7V a 9V a l'entrada de subministrament. He utilitzat el regulador de la placa Arduino per fer el carril + 5V. Per tant, no apliqueu mai una tensió superior a 9V a l’entrada de subministrament, en cas contrari, podríeu danyar el xip regulador. La placa estarà engegada i hauríeu de veure un text a la pantalla LCD, igual que la figura 10. Si utilitzeu una pantalla de fons blava 2 * 16 LCD, el circuit consumirà uns 75 mA.

Pas 8: Figura 10: Indicació correcta d’encesa del circuit a la pantalla LCD

Després d’uns 3 segons, el text s’esborrarà i, a la pantalla següent, podeu ajustar el valor actual constant mitjançant els botons de pujada / baixada (Figura 11).

Pas 9: Figura 11: l'ajust de càrrega de corrent constant mitjançant els botons de pujada / baixada

Abans de connectar una bateria al dispositiu i mesurar-ne la capacitat, podeu examinar el circuit mitjançant una font d'alimentació. Per a aquest propòsit, heu de connectar el connector P3 a la font d'alimentació.

Important: no apliqueu mai cap tensió superior a 5 V o en polaritat inversa a l’entrada de la bateria, ja que en cas contrari danyareu permanentment el pin digital del convertidor d’Arduino

Estableix el límit de corrent desitjat (per exemple, 100 mA) i juga amb la tensió de la teva font d’alimentació (per sota de 5 V). Com podeu veure amb qualsevol voltatge d’entrada, el flux de corrent continua intacte. Això és exactament el que volem! (Figura 12).

Pas 10: Figura 12: el flux de corrent es manté constant fins i tot davant de les variacions de voltatge (provat amb entrades de 4,3 V i 2,4 V)

El tercer polsador és Restableix. Vol dir que simplement reinicia el tauler. És útil quan teniu previst reiniciar el procediment per provar un altre mantegós.

De totes maneres, ara esteu segur que el vostre dispositiu funciona perfectament. Podeu desconnectar la font d'alimentació i connectar la bateria a l'entrada de la bateria i establir el límit de corrent desitjat.

Per començar la meva pròpia prova, vaig seleccionar una nova bateria de liti-ió de 8, 800 mA (Figura 13). Sembla una tarifa fantàstica, oi ?! Però no em puc creure d’alguna manera:-), així que anem a provar-ho.

Pas 11: Figura 13: una bateria de ions de liti de 8, 800 mA, real o falsa ?

Abans de connectar la bateria de liti a la placa, l’hem de carregar, així que prepareu un fix de 4,20 V (límit de 500 mA CC o inferior) amb la vostra font d’alimentació (per exemple, mitjançant la font d’alimentació de commutació variable de l’article anterior) i carregueu la bateria fins que el flux actual arriba a un nivell baix. No carregueu una bateria desconeguda amb corrents elevats, perquè no estem segurs de la seva capacitat real. Els corrents de càrrega elevats poden explotar la bateria. Ves amb compte. Com a resultat, he seguit aquest procediment i la nostra bateria de 8, 800 mA està preparada per mesurar la capacitat.

Vaig utilitzar un suport de bateria per connectar la bateria a la placa. Assegureu-vos d'utilitzar cables gruixuts i curts que presentin una baixa resistència, ja que la dissipació d'energia en els cables provoca caigudes de tensió i imprecisió.

Configurem el corrent a 500 mA i premem llargament el botó "AMUNT". A continuació, haureu de sentir un so i començarà el procediment (Figura 14). He definit el voltatge de tall (llindar baix de la bateria) a 3,2 V. Podeu modificar aquest llindar al codi si voleu.

Pas 12: Figura 14: Procediment de càlcul de la capacitat de la bateria

Bàsicament, hauríem de calcular el "temps de vida" de la bateria abans que la seva tensió arribi al llindar de baix nivell. La figura 15 mostra el moment en què el dispositiu desconnecta la càrrega de CC de la bateria (3,2 V) i es fan càlculs. El dispositiu també genera dos sons llargs per indicar el final del procediment. Com podeu veure a la pantalla LCD, la capacitat real de la bateria és d’1, 190 mAh, la qual cosa està lluny de la capacitat reclamada. Podeu seguir el mateix procediment per provar qualsevol bateria (inferior a 5V).

Pas 13: Figura 15: la capacitat real calculada de la bateria de ions de liti de 8.800 mA

La figura 16 mostra la llista de materials d’aquest circuit.

Pas 14: figura 16: llista de materials

Pas 15: referències

Font de l'article:

[1]:

[2]:

[3]:

[4]:

[5]: