ИЗМЕРЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ АККУМУЛЯТОРОВ

Б.Степанов, г.Москва, Радио, 2001, №9.

Хорошо известно, что аккумуляторная батарея должна состоять из элементов с близкими параметрами. Именно в этом случае достигается не только максимальное время ее работы между циклами зарядки, но и наибольший срок ее эксплуатации. Автор публикуемой статьи делится опытом измерения параметров, важных для работы аккумуляторов в составе батареи.

Приобретая элементы для аккумуляторной батареи, покупатель ориентируется, прежде всего, на обозначенную на них емкость, так как номинальное напряжение фиксировано, а типоразмер обычно задан габаритами батарейного отсека прибора, для питания которого предназначен аккумулятор. Между тем даже батарея, составленная из однотипных элементов, иногда неожиданно быстро выходит из строя или нуждается в слишком частой подзарядке, явно не реализуя паспортную емкость. Причиной может быть чрезмерно большой разброс параметров элементов, проявляющийся, например, в неодинаковости их динамического внутреннего сопротивления.

Прибор для измерения этого параметра был изготовлен автором, когда потребовалось найти причину плохой работы батареи из трех новых аккумуляторов типоразмера ААА, взятых из одной упаковки. Она не обеспечивала гарантированного времени автономной работы трубки бесшнурового телефона. Измерения показали, что внутреннее сопротивление первого из элементов — 0,17 Ом, второго — 0,3 Ом, а третьего — 1,7 Ом (!). Замена последнего на имеющий нормальное внутреннее сопротивление (в пределах 0,15…0,35 Ом) решила проблему. Комментарии, как говорится, излишни.

Принципиальная схема прибора показана на рисунке. Он позволяет определить не только динамическое внутреннее сопротивление аккумулятора, но и его фактическую емкость при токе разрядки 300 мА. Кстати, емкость забракованного по внутреннему сопротивлению аккумулятора оказалась в два раза меньше номинальной. Для проведения измерений дополнительно необходимы генератор звуковой частоты, милливольтметр переменного и вольтметр постоянного тока.

Операционный усилитель DA1 и транзистор VT1 образуют преобразователь напряжение-ток. Коллекторный ток транзистора линейно зависит от напряжения, поданного на неинвертирующий вход ОУ. Строго говоря, по падению напряжения на резисторе R4 контролируется эмиттерный ток, но ток в цепи коллектора отличается от него всего на величину тока базы, пренебрежимо малую для задачи, о которой идет речь. Если на вход ОУ подать образцовое постоянное напряжение, ток разрядки исследуемого аккумулятора, включенного в цепь коллектора транзистора VT1, будет стабильным. Измерив время, за которое напряжение на полностью заряженном аккумуляторе уменьшится до заданного значения (обычно до 1 В), можно определить его емкость.

Варьируя образцовое напряжение, можно изменять силу тока, протекающего через аккумулятор. Чтобы использовать этот эффект для измерения динамического внутреннего сопротивления, на неинвертирующий вход ОУ DA1 от генератора ЗЧ подают небольшое переменное напряжение, примерно в десять раз меньше постоянного, заданного делителем на резисторах R1–R3. В результате в коллекторном токе транзистора VT1 образуется переменная составляющая известной амплитуды. Режим разрядки аккумулятора по постоянному току от этого практически не изменяется, но появляется возможность, измерив переменную составляющую напряжения на исследуемом аккумуляторе, определить его динамическое внутреннее сопротивление.

Рекомендуемое значение частоты напряжения ЗЧ — десятки герц. Если прибор питается от сети переменного тока, можно обойтись без генератора, подавая на вход ОУ переменное напряжение с одной из вторичных обмоток сетевого трансформатора.

При выбранном значении разрядного тока максимальное число элементов во включенной в коллекторную цепь транзистора VT1 аккумуляторной батарее ограничено мощностью, которую способен рассеивать транзистор. Минимальное число ограничено тем, что напряжение между коллектором и эмиттером транзистора должно оставаться достаточным для работы последнего в линейном режиме. Поскольку напряжение батареи в конце разрядки не превышает 1 В наэлемент, она должна состоять как минимум из двух. Иными словами, чтобы измерить параметры одиночного аккумулятора, обязательно требуется еще один не меньшей емкости — «подпитывающий».

В общем случае для измерения внутреннего сопротивления целесообразно выбирать разрядный ток сравнительно большим. Это позволит создать достаточно большую переменную составляющую, что в свою очередь снизит требования к чувствительности милливольтметра переменного тока. Рекомендуется устанавливать разрядный ток численно равным значению емкости аккумулятора или немного меньшим.

Указанные на схеме номиналы резисторов соответствуют разрядному току 300 мА, чтоприемлемо практически для любых «пальчиковых» Ni-Cd и Ni-MH аккумуляторов типоразмеров АА и AAA. В этом случае эффективное значение переменной составляющей разрядного тока может достигать 20 мА (амплитуда приблизительно 30 мА). Приминимальном значении динамического внутреннего сопротивления исправного аккумулятора 0,15 Ом измеряемое милливольтметром падение переменного напряжения на аккумуляторе не превысит 3 мВ. Иными словами, допустимая погрешность милливольтметра — доли милливольта.

Для питания микросхемы DА1 нужны два источника напряжения разной полярности. Это обусловлено тем, что рабочие напряжения на ее входах (по отношению к общему проводу прибора) близки к нулю. Многие ОУ, в том числе примененный автором, не способны работать в таком режиме при однополярном питании. Заменив ОУ на так называемый «rail-to-rail» (например, серии КР1446), можно обойтись одним источником питания.

Налаживание устройства начинают с регулировки разрядного тока. Подключив к контактам X1–X4 два свежезаряженных аккумулятора, измеряют падение напряжения на резисторе R4. Если его постоянная составляющая не равна 0,3 В, нужного значения добиваются подстройкой резистора R3.

Регулируя выходное напряжение генератора ЗЧ, устанавливают эффективное значение переменной составляющей напряжения на резисторе R4 равным 20 мВ. При указанном на схеме номинале резистора это означает, что переменная составляющая тока разрядки — 20 мА.

Измерив переменную составляющую напряжения U на исследуемом аккумуляторе (например, на G2, подключив милливольтметр к гнездам Х6 и Х7), вычисляют его динамическое внутреннее сопротивление по формуле R=U/20. Если напряжение измерено в милливольтах, результат будет получен в омах.

При повторении конструкции резистор R4 можно взять и другого номинала. Важно, чтобы его сопротивление было известно с погрешностью не более 5 %, иначе ошибки установки переменной и постоянной составляющих тока будут слишком велики. Необходимо также, чтобы при выбранном разрядном токе падение напряжения на резисторе R4 не превышало 0,5 В. В противном случае для поддержания нормального режима работы транзистора VT1 напряжения двух элементов аккумулятора в конце их разрядки может оказаться недостаточно. Естественно, при изменении номинала резистора R4 потребуется скорректировать и номиналы резисторов R1–R3.

Обсудить на форуме