ВИМІР параметри акумулятора

Б. Степанов, м.Москва, Радіо, 2001, № 9.

Добре відомо, що акумуляторна батарея повинна складатися з елементів з близькими параметрами. Саме в цьому випадку досягається не тільки максимальний час її роботи між циклами зарядки, але і найбільший термін її експлуатації. Автор публікується статті ділиться досвідом вимірювання параметрів, важливих для роботи акумуляторів у складі батареї.

Купуючи елементи для акумуляторної батареї, покупець орієнтується, перш за все, на позначену на них ємність, так як номінальна напруга фіксовано, а типорозмір зазвичай заданий габаритами батарейного відсіку приладу, для живлення якого призначений акумулятор. Тим часом навіть батарея, складена з однотипних елементів, іноді несподівано швидко виходить з ладу або потребує занадто частої підзарядки, явно не реалізуючи паспортну місткість. Причиною може бути надмірно великий розкид параметрів елементів, що проявляється, наприклад, в неоднаковості їх динамічного внутрішнього опору.

Прилад для вимірювання цього параметра був виготовлений автором, коли потрібно було знайти причину поганої роботи батареї з трьох нових акумуляторів типорозміру ААА, взятих з однієї упаковки. Вона не забезпечувала гарантованого часу автономної роботи трубки беспровідні телефону. Вимірювання показали, що внутрішній опір першого з елементів – 0,17 Ом, другого – Ом 0,3, а третього – 1,7 Ом (!). Заміна останнього на що має нормальне внутрішній опір (в межах 0,15 … 0,35 Ом) вирішила проблему. Коментарі, як кажуть, зайві.

Принципова схема приладу показана на малюнку. Він дозволяє визначити не тільки динамічне внутрішній опір акумулятора, але і його фактичну місткість при струмі розрядки 300 мА. До речі, ємність забракованого по внутрішньому опору акумулятора опинилася в два рази менше номінальної. Для проведення вимірювань додатково необхідні генератор звукової частоти, мілівольтметр змінного і вольтметр постійного струму.

Операційний підсилювач DA1 і транзистор VT1 утворюють перетворювач напруга-струм. Колекторний струм транзистора лінійно залежить від напруги, поданого на неінвертуючий вхід ОП. Строго кажучи, з падіння напруги на резисторі R4 контролюється емітерний струм, але струм в ланцюзі колектора відрізняється від нього всього на величину струму бази, можна знехтувати малу для задачі, про яку йде мова. Якщо на вхід ОП подати зразкове постійна напруга, струм розрядки досліджуваного акумулятора, включеного в ланцюг колектора транзистора VT1, буде стабільним. Вимірявши час, за який напруга на повністю зарядженому акумуляторі зменшиться до заданого значення (зазвичай до 1 В), можна визначити його ємність.

Варіюючи зразкове напругу, можна змінювати силу струму, що протікає через акумулятор. Щоб використовувати цей ефект для вимірювання динамічного внутрішнього опору, на неінвертуючий вхід ОП DA1 від генератора ЗЧ подають невелике змінну напругу, приблизно в десять разів менше постійного, заданого дільником на резистора R1-R3. У результаті в колекторному струмі транзистора VT1 утворюється змінна складова відомої амплітуди. Режим розрядки акумулятора по постійному струму від цього практично не змінюється, але з'являється можливість, вимірявши змінну складову напруги на досліджуваному акумуляторі, визначити його динамічний внутрішній опір.

Рекомендоване значення частоти напруги ЗЧ – десятки герц. Якщо прилад живиться від мережі змінного струму, можна обійтися без генератора, подаючи на вхід ОП змінну напругу з одного з вторинних обмоток мережевого трансформатора.

При вибраному значенні розрядного струму максимальне число елементів у включеної до колекторних ланцюг транзистора VT1 акумуляторної батареї обмежена потужністю, яку здатен розсіювати транзистор. Мінімальне число обмежено тим, що напруга між колектором і емітером транзистора повинно залишатися достатнім для роботи останнього в лінійному режимі. Оскільки напруга батареї в кінці розрядки не перевищує 1 У наелемент, вона повинна складатися як мінімум з двох. Іншими словами, щоб виміряти параметри одиночного акумулятора, обов'язково потрібно ще один не меншої ємності – «підживлюватися».

У загальному випадку для вимірювання внутрішнього опору доцільно вибирати розрядний струм порівняно великим. Це дозволить створити достатньо велику змінну складову, що в свою чергу знизить вимоги до чутливості мілівольтметри змінного струму. Рекомендується встановлювати розрядний струм чисельно рівним значенню ємності акумулятора або трохи меншим.

Вказані на схемі номінали резисторів відповідають розрядному току 300 мА, чтопріемлемо практично для будь-яких «пальчикових» Ni-Cd і Ni-MH акумуляторів типорозмірів АА і AAA. У цьому випадку ефективне значення змінної складової розрядного струму може досягати 20 мА (амплітуда приблизно 30 мА). Прімінімальном значенні динамічного внутрішнього опору справного акумулятора 0,15 Ом вимірюється мілівольтметри падіння змінної напруги на акумуляторі не перевищуватиме 3 мВ. Іншими словами, допустима похибка мілівольтметри – частки мілівольтах.

Для живлення мікросхеми DА1 потрібні два джерела напруги різної полярності. Це обумовлено тим, що робочі напруги на її входах (по відношенню до загального проводу приладу) близькі до нуля. Багато ОУ, в тому числі застосований автором, не здатні працювати в такому режимі при однополярний харчуванні. Замінивши ОУ на так званий «rail-to-rail» (наприклад, серії КР1446), можна обійтися одним джерелом живлення.

Налагодження пристрою починають з регулювання розрядного струму. Підключивши до контактів X1-X4 два свежезаряженних акумулятора, вимірюють падіння напруги на резисторі R4. Якщо його постійна складова не дорівнює 0,3 В, потрібного значення домагаються підстроюванням резистора R3.

Регулюючи вихідна напруга генератора ЗЧ, встановлюють ефективне значення змінної складової напруги на резисторі R4 рівним 20 мВ. При зазначеному на схемі номіналі резистора це означає, що змінна складова струму розрядки – 20 мА.

Вимірявши змінну складову напруги U на досліджуваному акумуляторі (наприклад, на G2, підключивши мілівольтметр до гнізд Х6 і Х7), обчислюють його динамічний внутрішній опір за формулою R = U/20. Якщо напруга виміряне в мілівольтах, результат буде отримано в Омасі.

При повторенні конструкції резистор R4 можна взяти і іншого номіналу. Важливо, щоб його опір було відомо з похибкою не більше 5%, інакше помилки установки змінної і постійної складових струму будуть занадто великі. Необхідно також, щоб при обраному розрядному струмі падіння напруги на резисторі R4 не перевищувало 0,5 В. У противному випадку для підтримки нормального режиму роботи транзистора VT1 напруги двох елементів акумулятора в кінці їх розрядки може виявитися недостатньо. Природно, при зміні номіналу резистора R4 буде потрібно скорегувати й номінали резисторів R1-R3.