Elektronika     Układ pomiarowy do rozładowywania akumulatorów      

1. Wstęp
2. Program "TsDMMViewer"
3. Obciążenie stałoprądowe
4. Pomiary praktyczne

1. Wstęp

Układ rejestruje proces rozładowywania ogniw/akumulatorów stałym prądem i na podstawie uzyska-
nego wykresu, pozwala ustalić ich pojemność oraz ewentualnie napięcie odcięcia, jeśli dane ogniwo/
akumulator posiada zabezpieczenie przed nadmiernym rozładowaniem. W skład układu wchodzą:
komputer PC z zainstalowanym programem rejestrującym "TsDMMViewer" (używam wersji 10.0),
multimetr/woltomierz podłączony do komputera (używam UNI-T UT70B z komunikacją na podczer-
wień IR przez port szeregowy COM) oraz elektroniczne/sztuczne obciążenie stałoprądowe.

2. Program "TsDMMViewer"

  Używam starszej wersji 10.0 programu, który można ściągnąć ze strony
https://www.ts-software-jp.net/products/tsdmmview.html. Działa w systemie
od starego Windows 98 do najnowszego Windows 11. Obsługuje bardzo
wiele multimetrów z różnymi interfejsami komunikacyjnymi (RS-232C, USB,
Bluetooth, GPIB/IEEE-488, RS-485, LAN). Umożliwia ustawienie paramet-
rów takich, jak: zakres wartości mierzonej przez miernik, zakres wartości
i czasu wyświetlanego na wykresie, interwał czasowy wykonywania pomiaru
(maksymalnie 32700 próbek), nazwa miernika i wykresu, minimalna i maksy-
malna wartość (zielona linia na wykresie) po przekroczeniu której, będą generowane ostrzegawcze syg-
nały dźwiękowe z częstotliwością wykonywania pomiarów. Zarejestrowane wartości można zapisać do
lub odczytać z pliku tekstowego w formacie CSV. Wersja 10.0 programu nie odczytuje swoich własnych
plików CSV oraz tych, wygenerowanych w nowszych wersjach. Problem można rozwiązać zmieniając
frazę "Ver.1x.0.0" w pierwszej linii pliku CSV, np. na "Ver.7.1.0" (chodzi o liczbę cyfr w zapisie wersji
programu).

3. Obciążenie stałoprądowe



Jest to proste obciążenie z dodaną regulowaną diodą Zenera U2 (TL431), która zapewnia stabilny
prąd obciążenia, niezależnie od zmian napięcia zasilania Vcc=6-12V. Prąd obciążenia ustawia się
wieloobrotowym potencjometrem P1 (5k) w zakresie ok. 0.5mA - 2.4A (górna wartość zależy od na-
pięcia referencyjnego U2, które może wynosić Vref=2.44-2.55V). Ustawiony prąd obciążenia Iin jest
stały, niezależnie od zmian napięcia źródła Vin. Prąd obciążenia można ustawić na dwa sposoby.
Pierwszy mniej dokładny, polega na pomiarze spadku napięcia Vr występującego na wyprowadze-
niach rezystora R1 (1/100W), gdy obciążenie jest podłączone do źródła. Napięcie to ustawia się
potencjometrem P1 i jest ono wprost proporcjonalne do prądu obciążenia (1V=1A). Niedokładność
ustawionej w ten sposób wartości prądu obciążenia, wynika z tolerancji rezystora R1 (zwykle 5%)
i błędu pomiarowego woltomierza. Drugi dokładniejszy sposób, polega na wpięciu między źródło
i obciążenie (na plusie zasilania) amperomierza (z możliwie krótkimi przewodami pomiarowymi) oraz
ustawienie potencjometrem P1 potrzebnego prądu obciążenia. Niedokładność ustawionej w ten
sposób wartości prądu obciążenia, wynika z błędu pomiarowego samego amperomierza.
Stabilność ustawionej wartości prądu obciążenia, zależy od stabilności temperaturowej potencjome-
tru P1 (zwykle 100ppm/C), regulowanej diody Zenera U2 (zwykle 50ppm/C) oraz rezystora R1 (zwy-
kle 100ppm/C). Moc obciążenia jest tracona głównie w tranzystorze T1 (MOSFET-N) oraz częściowo
w rezystorze R1, które są przykręcone do wspólnego radiatora z wentylatorem 12V (chłodzenie pro-
cesora ze starej płyty głównej). Moc traconą w tranzystorze T1 można obliczyć ze wzoru: Pt = (Vin-
Vr)*Iin [W], a moc traconą w rezystorze R1 ze wzoru: Pr = Vr*Iin [W], gdzie: Vin - napięcie źródła,
Iin - prąd płynący ze źródła, Vr - spadek napięcia na rezystorze R1 (Vr = Iin*R1 [V]).
Rezystor R1 jest połączony z płytką grubszymi kablami miedzianymi, aby zmniejszyć wprowadzany
przez nie spadek napięcia. Napięcie na wyjściu wzmacniacza operacyjnego U1 (LM358), które steruje
pracą tranzystora T1 wynosi maksymalnie ok. Vcc-1.5V. Dlatego przy niskim napięciu zasilania (np.
Vcc=9V), użyty tranzystor powinien przewodzić już przy napięciu bramki Vgs=4.5V (logic level), co
zmniejszy powstające w nim straty mocy podczas jego ciągłego włączania i wyłączania. Kondensator
C3 (1u/50V) zapobiega powstawaniu nieporządanych oscylacji napięcia na rezystorze R1. Zasilanie
obciążenia powinno być włączane dopiero po podłączeniu do źródła, aby uniknąć udarów prądowych
i ewentualnego uszkodzenia tranzystora T1 (przy włączonym zasilaniu T1 przewodzi, a więc podłą-
czane źródło jest na krótki czas zwierane do masy przez rezystor R1).
W modelowym obciążeniu użyłem tranzystora FDP6030BL w obudowie TO-220, z napięciem Vds=30V,
ciągłym prądem drenu Id=40A oraz maksymalną mocą rozpraszaną Pd=60W (przy temperaturze Tc=
25C). Teoretycznie z aktywnym chłodzeniem, pozwala on na podłączenie obciążenia do źródła o na-
pięciu 30V i prądzie 2A. W praktyce lepiej nie zbliżać się do parametrów granicznych.
Modelowe obciążenie przy napięciu Vcc=9V w stanie spoczynku pobiera prąd 3.7mA (108mA z dzia-
łającym wentylatorem). Zmontowałem je na płytce jednostronnej o wymiarach 60x30mm, wykonanej
bez trawienia (mini wiertarką z małym frezem). Poniżej zdjęcia modelowego obciążenia:

   

   

4. Pomiary praktyczne

Zrobiłem kilka pomiarów baterii/akumulatorów naładowanych do pełna (elektroniczny prostownik Bass
BP-6702, prąd ładowania 1A) i obciążonych prądem 1A (woltomierz podłączony bezpośrednio do ich
wyprowadzeń, obciążenie podłączone 1-2s po włączeniu rejestrowania w programie). Przy pomiarach,
należy stosować możliwie krótkie połączenia przewodami o dużym przekroju.

4.1 Akumulator AGM 12V/7Ah (firmy Xtreme).

 

4.2 Akumulator AGM 12V/7.2Ah (model SBL7.2-12L firmy SSB).

 

Moment odcięcia Voff nastąpił po ręcznym odłączeniu woltomierza od wyprowadzeń akumulatora (za-
lecane napięcie Voff=10.5V = 1.75V/ogniwo jest zaznaczone na wykresie zieloną linią). Zmierzone pa-
rametry rozładowywania danym prądem w czasie, są zgodne z informacjami podawanymi przez produ-
centów. Porównując obydwa akumulatory można zauważyć różnicę w ich jakości na korzyść SSB, który
ma wyższe napięcie po naładowaniu i wytrzymuje znacznie dłużej. Na wykresie akumulatora SSB przez
pewien czas widać wzrost napięcia pod obciążeniem, który prawdopodobnie jest spowodowany niewie-
lkim zasiarczeniem jego elektrod (akumulator ciągle pracuje buforowo i długo nie był rozładowywany).

4.3 Bateria Li-Ion 5S2P 21V/4Ah (od wkrętarki A-BH-20-A firmy Lux Tools).

 

4.4 Bateria Li-Ion 5S2P 21V/4Ah (od wkrętarki A-BH-20-A firmy Lux Tools) z dołączoną przet-
wornicą Step-Down (XL4015 z wyłączonym wyświetlaczem LED) o napięciu wyjściowym 12V.

 

Na wykresie można zobaczyć momenty odcięcia Voff przy napięciu 14.52V i 14.44V po automatycznym
zadziałaniu zabezpieczenia przed nadmiernym rozładowaniem (zalecane napięcie Voff=15V = 3V/ogni-
wo jest zaznaczone na wykresie zieloną linią).