Например TDA7294

РадиоКот > Схемы > Цифровые устройства > Измерительная техника

Измеритель ёмкости кислотных аккумуляторов.

Автор: Вадим Пономаренко, zamir-vadik@yandex.ru
Опубликовано 15.09.2015.
Создано при помощи КотоРед.

 Поздравляю с юбилеем самого лучшего Кота на свете! Желаю бесконечного совершенствования и поменьше собак на жизненном пути.

 Однажды я задумался, что меня окружают компьютерные ИБП, фонари, мопеды, мотоциклы и многое другое, содержащее в качестве источника питания аккумуляторы с номинальным напряжением 12 Вольт, которые не всегда бывают в хорошем состоянии. Ну и немного позже мне привезли около сорока штук подобных аккумуляторов, попросив их протестировать. Первое время я брал лампу накаливания от габаритных огней автомобиля, мощностью 21 Ватт на 12 Вольт, присоединял её и вольтметр параллельно клеммам полностью заряженного аккумулятора и с секундомером в руках сидел в ожидании падения напряжения до 10,8 Вольт. Исходя из затраченного времени разряда и тока нагрузки получал очень приблизительную ёмкость в Ампер/часах. Этот метод очень утомлял, позже я догадался напечатать на принтере шкалу для китайских часов, на которой была градуировка не в часах и минутах, а в Ампер/часах, при условии, что ток нагрузки от той же лампы 21/12=1,75 Ампер. Стало легче, но не намного. Дело в том, что полностью заряженный аккумулятор довольно долго может разряжаться до 11 Вольт, а потом скорость разряда резко увеличивается. Бывало отвлечёшься минут на 10, а когда глянешь на вольтметр, а там уже значительно меньше 10 Вольт, и снова приходилось заряжать аккумулятор и повторно проводить измерения, т.е. терялись ещё сутки, электроэнергия ну и нервы конечно. Но даже если измерения проводились успешно, то точности можно сказать не было никакой. Изначально аккумулятор мог быть заряжен до 13, 4 Вольт, а в конце разряда 10,8 Вольт, поэтому по закону Ома ток нагрузки в процессе измерения менялся в больших пределах, а должен быть стабильным.

 Вот так я и сидел напротив часов по несколько часов в день почти месяц и ко мне пришла замечательная идея, вот её суть:

 В одном часе 3600 секунд и если разряжать аккумулятор стабильным током равным 3,6 Ампер, что равно 3600 мА то можно представить, что секундная стрелка показывает не время в секундах, а ёмкость аккумулятора в миллиампер/часах. Это просто замечательно, но током 3,6 Ампера разряжать аккумуляторы, у которых ёмкость к примеру всего 3 А/ч - это очень плохо, поэтому оптимальным будет поделить и ток и время на два. Идея ясна, решено - нужно спроектировать устройство, способное выполнять измерения автоматически, используя в качестве разряжающего модуля нагрузку со стабилизированным током ровно 1,8 Ампер, при этом разряд должен прекратиться при достижении 10,8 Вольт, а счет времени разряда в секундах поделенных на два, должен остановиться, отображая на самом деле точную ёмкость аккумулятора в миллиампер/часах. При этом просто поставив запятую перед тремя младшими разрядами получим привычный показатель в Ампер/часах.

 И вот тут возникла проблема: около 80% всего технического задания может выполнить микроконтроллер, но я, как и большинство радиолюбителей, к огромному сожалению, не умею программировать, так же у меня нет программатора и знаний для работы с программами для прошивки. Зато есть старые платы с кучами КМОП микросхем с привычной с детства логикой, в крайнем случае их до сих пор можно приобрести за копейки, при этом есть масса зарубежных аналогов. В результате я остановился на микросхемах 176 и 561 серий.

 Через несколько недель был готов вот такой прибор:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

  Преимущества:

1. Очень высокая точность измерения из-за стабильного тока разряда аккумулятора при падении напряжения от 15 до 10 Вольт и применения часового генератора с кварцевой стабилизацией.
2. Отсутствие дополнительного источника питания. Питается непосредственно от измеряемого аккумулятора.
3. Отображение результата измерения в Ампер/Часах, благодаря простой математической формуле.
4. Низкое потребление тока в дежурном режиме, определяющееся в основном суммарным током потребления семисегментных индикаторов и светодиодов.
5. Модульная конструкция, удобна для различных вариантов корпуса, а так же позволяющая применять в разных комбинациях другие приборы. К примеру модуль счетчика и индикации может быть применен для построения частотомера; одометра; счетчика витков при намотке катушек, шагомера и множества других устройств. Для упрощения конструкции силовой модуль может быть исключен и заменен на другую нагрузку, например лампу накаливания 12 Вольт 21 Ватт, но точность показаний значительно снизится.
6. Микросхемы КМОП и большая часть радиоэлементов применены советского или российского производства, что часто позволяет обойтись радиолюбительскими запасами и свести затраты к минимуму. 

  Недостатки:

1. Основной недостаток — длительное время измерения. Измеритель изначально проектировался для тестирования аккумуляторов средней ёмкости. Ток разряда 1,8 Ампер «универсальный» для всех таких АКБ, но мал для аккумуляторов большой ёмкости. К примеру исправный стандартный автомобильный аккумулятор на 55А/ч будет тестироваться около 30 часов.
2. Из-за применения радиатора с вентилятором не удалось добиться миниатюрности конструкции. Возможно применить импортные мощные транзисторы с бОльшим максимально допустимым нагревом (у КТ818 максимум 125°С) и уменьшить габариты охлаждения, но в таком случае доступность транзисторов снизится, а цена резко возрастет.

   Теперь несколько слов о схеме электрической принципиальной

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

     В качестве генератора секундных импульсов использована микросхема U1 К176ИЕ12 или К176ИЕ5 (последняя использована на печатной плате) В процессе измерения аккумулятора эта микросхема выдает импульсы частотой ровно 1Гц. Светодиод D1 соответственно моргает в такт секундам, сигнализируя о работе прибора в режиме счета. Как писал выше, время нужно поделить на два, с этой задачей справляется делитель импульсов на триггере, выполненном на половинке микросхемы U2 К561ТМ2, таким образом получаем положительные импульсы один раз в две секунды. Для себя решил, что оптимальным пределом измерения прибора должно быть 99,999 А/ч, но точность до единиц миллиампер абсолютно не нужна, поэтому решил убрать младший разряд, оставив четыре разряда, упростив модуль счетчика. Для этого с помощью микросхемы U3 на К561ИЕ8 поделил импульсы ещё на 10, в итоге с основной платы поступает один импульс каждые 20 секунд, которые и считает счетчик на классической схеме, выполненной на микросхемах К176ИЕ4.

      Эти микросхемы предназначены для использования совместно с ЖК индикаторами, но современные импортные светодиодные семисегментные индикаторы потребляют очень малые токи, что в некоторых случаях позволяет подключать их непосредственно к выводам микросхем, у меня были такие индикаторы, к сожалению без маркировки, к тому же мне нужна минимальная яркость для работы в темном помещении, для большей яркости уже необходимо применение ключевых транзисторов. С помощью резистора R3S подведено питание запятой, в результате получил индикацию в таком виде : 00.00 , что соответствует показаниям в Ампер/часах.

      При подключении полностью заряженного аккумулятора, через микросхему U6 7805 запитывается вся цифровая часть схемы и с помощью логического элемента на U4:A формируется импульс сброса, так же импульс может быть подан в любое время вручную, нажатием кнопки start/reset. Этот импульс сбрасывает показания счетчика в ноли, так же сбрасывает делитель на 10, чтобы итоговые показания были точнее и переводит второй триггер микросхемы 561ТМ2 в режим "разрешения" счета. Пока эта микросхема находится в таком состоянии - на её выводе 12 логический ноль разрешает работу генератора секундных импульсов, а логическая единица на выводе 13 открывает транзисторы Q3 и Q4, которые подключают к клеммам аккумулятора нагрузку. Стабилизация тока нагрузки, независимо от напряжения, выполняется транзистором Q5 КТ818 и микросхемой U7 LM317T. Подбором резистора R20 устанавливается общий ток схемы 1,8 Ампер (учитывается ток потребления цифровых модулей, поэтому на схеме 1,76 Ампер указано именно в разрыве питания нагрузки, остальные 40 миллиампер в моем случае потребляют все остальные узлы). R20 может ощутимо нагреваться и точность его важна вплоть до сотых Ома, поэтому я подобрал комбинацию параллельно/последовательно соединенных резисторов, мощностью не менее 5 Вт и при каждом повторении конструкции плата может немного отличаться, под соответствующие резисторы.

      В качестве нагрузки, рассеивающей остальную мощность, применил распространенный транзистор IRFZ44. Резисторы R21 и R22 подобраны так, чтобы транзистор был открыт не полностью, соответственно потреблял ток не более 2 Ампер при напряжении аккумулятора 10 Вольт. Использование нагрузки с меньшим сопротивлением могло бы восприниматься как короткое замыкание и вывести из строя стабилизатор тока.

      Транзисторы и микросхема модуля нагрузки ощутимо нагреваются, поэтому необходим большой радиатор, но для уменьшения габаритов используется радиатор с вентилятором от старого процессора компьютера. Через изолирующие термопроводящие прокладки к нему закреплены Q4,Q5,Q6,U7. Вентилятор охлаждения, включающийся вместе с нагрузкой только в режиме измерения, подключен через стабилизатор на микросхеме 7809, чтобы снизить зависимость оборотов от изменения напряжения.

      В процессе измерения за напряжением аккумулятора постоянно следит компаратор на микросхеме U5 LM311. Пока напряжение выше 10,8 Вольт - на выходе компаратора высокий уровень, который инвертируется в низкий логическим элементом U4:B. Как только напряжение аккумулятора упадет до 10,8 Вольт, компаратор сформирует на выходе U4:B единицу, которая переводит триггер U2:B во второе состояние, при этом появившаяся единица на выводе 12 останавливает работу генератора, тем самым счетчик замирает с показаниями, которые были в этот момент. Так же включается светодиод D2, сигнализирующий о завершении измерения. На выводе 13 U2:B соответственно формируется низкий уровень, полностью отключая модуль нагрузки. Известный факт, что при снятии нагрузки с АКБ его напряжение резко возрастает, поэтому компаратор может снова переключить свое состояние, но счет снова не возобновится, благодаря тому, что на выводе 8 U2:B присутствует низкий уровень, а два низких уровня на входе триггера не меняют его текущего состояния.

      Предохранитель F1 и диод D3 выполняют функцию защиты от переполюсовке питания. Резисторы со звездочкой подбираются по яркости свечения индикаторов. Я их вообще не использовал, но так лучше не делать для нормального режима работы микросхем.

     

      Настройка.


Основная настройка - это подбор резистора R20, описанная выше. Наиболее объективные показания можно получить при подключении амперметра в разрыв питания всего устройства.
Для настройки порога переключения компаратора необходимо вместо аккумулятора подключить лабораторный блок питания с током не менее двух Ампер и регулируемым напряжением до 15 Вольт. Подав 15 Вольт запустить измеритель кнопкой start/reset и плавно уменьшая напряжение, подстройкой резистора R13 добиться отключения режима счета именно в момент падения напряжения до 10,8 Вольт.

      Немного фото.

Плата основного модуля

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Плата модуля индикации

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Модуль нагрузки

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

     Конструкция.  

   Шасси корпуса изготовил из листового металла 2мм с помощью "болгарки" и сварки. Это позволило прямо в шасси просверлить отверстия и нарезать резьбу для стоек крепления плат и винтов кожуха. Передняя панель выпилена из тонкого гетинакса, отверстие для индикаторов изнутри заклеено прозрачным пластиком от коробки компакт диска (можно затонировать, но мне это не нужно). Сразу прошу прощения у ценителей русского языка за надписи на английском языке, хотел сделать всё на русском, но в моём Sprint-Layout v5.0 нет русского шрифта :(  Для защиты надписей сделанных методом ЛУТ, да и самих печатных плат, применяю лак-спрей. Кожух (крышку) изготовил из листа металла от боковой стенки корпуса старого компьютера. Она прекрасно гнется и режется, замечательный способ испытать себя в качестве жестянщика. Вверху кожуха сделаны отверстия для входа охлаждающего воздуха, а по бокам для выхода нагретого. При таком решении радиатор не нагревается больше 40 градусов. Все металлические элементы корпуса окрашиваю молотковой эмалью. Такая эмаль, помимо придания всем знакомого вида приборов, так же является отличной защитой от коррозии и выполняет функции грунтовки, так как содержит несколько соответствующих компонентов.

Так конструкция выглядит внутри:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

       Ниже прикреплены файлы печатных плат в Sprint-Layout. Основной модуль можно оставлять как есть, а вот модули измерения и нагрузки исключительно для ознакомительных целей, так как могут изменяться в зависимости от схемотехнических решений и используемой элементной базы.

 

 

 

 


Файлы:
Печатные платы


Все вопросы в Форум.


ID: 2423