Arduino Kullanan Pil Kapasitesi Test Cihazı [Lityum-NiMH-NiCd]: 15 Adım (Resimlerle)

2024 Yazar: John Day | [email protected]. Son düzenleme: 2024-01-30 13:18

Özellikleri:

• Sahte bir Lityum-İyon/Lityum-Polimer/NiCd/NiMH pili tanımlayın
• Ayarlanabilir sabit akım yükü (kullanıcı tarafından da değiştirilebilir)
• Hemen hemen her tür pilin kapasitesini ölçebilir (5V altı)
• Yeni başlayanlar için bile lehimlenmesi, inşa edilmesi ve kullanılması kolaydır (tüm bileşenler Dip'tir)
• LCD kullanıcı arayüzü

Özellikler:

• Kart Beslemesi: 7V - 9V(Max)
• Pil Girişi: 0-5V(max) – ters polarite yok Sabit
• Akım Yükü: 37mA - 540mA(maks) – 16 Adım – kullanıcı tarafından değiştirilebilir

Bir pilin kapasitesinin gerçek ölçümü birçok senaryo için esastır. Bir kapasite ölçüm cihazı, sahte pilleri tespit etme sorununu da çözebilir. Günümüzde sahte Lityum ve NiMH piller, reklamı yapılan kapasitelerini karşılamayan her yerdedir. Bazen gerçek ve sahte pili ayırt etmek zordur. Bu sorun, cep telefonu pilleri gibi yedek pil pazarında mevcuttur. Ayrıca, birçok senaryoda, ikinci el bir pilin (örneğin bir dizüstü bilgisayar pili) kapasitesinin belirlenmesi esastır. Bu yazıda ünlü Arduino-Nano kartını kullanarak pil kapasitesi ölçüm devresi kurmayı öğreneceğiz. PCB kartını daldırma bileşenleri için tasarladım. Böylece yeni başlayanlar bile cihazı lehimleyebilir ve kullanabilir.

1: Devre AnaliziŞekil 1 cihazın şematik diyagramını göstermektedir. Devrenin çekirdeği bir Arduino-Nano kartıdır.

Adım 1: Şekil 1, Batarya Kapasite Ölçüm Cihazının Şematik Diyagramı

IC1, iki işlemsel yükselteç içeren bir LM358 [1] yongasıdır. R5 ve C7, PWM darbesini DC voltajına dönüştüren bir düşük geçiş filtresi oluşturur. PWM'nin frekansı yaklaşık 500Hz'dir. PWM ve filtrenin davranışını incelemek için bir Siglent SDS1104X-E osiloskop kullandım. CH1'i PWM çıkışına (Arduino-D10) ve CH2'yi filtrenin çıkışına bağladım (Şekil 2). SDS1104X-E'nin güzel tanıtılan özelliklerinden biri olan bode grafiğinden filtrenin frekans tepkisini ve "pratikte" kesme frekansını bile inceleyebilirsiniz.

Adım 2: Şekil 2, PWM Sinyali (CH1: 2V/böl) ve R5-C7 RC Filtresinden Geçtikten Sonra Sonuç (CH2: 50mV/div)

R5, akımı büyük ölçüde sınırlayan 1M'lik bir dirençtir, ancak filtrenin çıkışı, voltaj izleyici konfigürasyonunda bir opamptan (IC1'in ikinci opampı) geçer. IC1, R7 ve Q2'nin ilk opamp'ı bir sabit akım yük devresi oluşturur. Şimdiye kadar, bir PWM kontrol edilebilir sabit akım yükü oluşturduk.

2*16 LCD, kontrol/ayarları kolaylaştıran bir kullanıcı arayüzü olarak kullanılır. R4 potansiyometresi LCD kontrastını ayarlar. R6, arka ışık akımını sınırlar. P2, 5V buzzer bağlamak için kullanılan 2 pinli Molex konektörüdür. R1 ve R2, dokunsal anahtarlar için çekme dirençleridir. C3 ve C4, butonları geri döndürmek için kullanılır. C1 ve C1 devre besleme voltajını filtrelemek için kullanılır. ADC dönüştürme performansını düşürmemek için sabit akım yük devresi gürültülerini filtrelemek için C5 ve C6 kullanılır. R7, Q2 MOSFET için bir yük görevi görür.

1-1: Sabit akım DC yükü nedir?

Sabit akım yükü, uygulanan giriş voltajı değişse bile her zaman sabit miktarda akım çeken bir devredir. Örneğin, sabit akım yükünü bir güç kaynağına bağlayıp akımı 250mA'ya ayarlarsak, giriş voltajı 5V veya 12V veya her ne olursa olsun akım çekişi değişmeyecektir. Sabit akım yük devresinin bu özelliği, pil kapasitesi ölçüm cihazını oluşturmamızı sağlar. Akü kapasitesini ölçmek için yük olarak basit bir direnç kullanırsak, akü voltajı azaldıkça akım da düşer ve bu da hesaplamaları karmaşık ve yanlış yapar.

2: PCB Kartı

Şekil 3, devrenin tasarlanmış PCB yerleşimini göstermektedir. Kartın her iki tarafı bileşenleri monte etmek için kullanılır. Bir Şematik/PCB tasarlamayı düşündüğümde, her zaman SamacSys bileşen kitaplıklarını kullanırım çünkü bu kitaplıklar endüstriyel IPC standartlarını takip eder ve hepsi ücretsizdir. Bu kütüphaneleri IC1 [2], Q2 [3] için kullandım ve hatta tasarım zamanından çok tasarruf sağlayan Arduino-Nano (AR1) [4] kütüphanesini bile bulabildim. Altium Designer CAD yazılımını kullanıyorum, bu yüzden bileşen kitaplıklarını [5] kurmak için Altium eklentisini kullandım. Şekil 4, seçilen bileşenleri gösterir.

Adım 3: Şekil 3, Pil Kapasitesi Ölçüm Devresinin PCB Kartı

Bir Şematik/PCB tasarlamayı düşündüğümde, her zaman SamacSys bileşen kitaplıklarını kullanırım çünkü bu kitaplıklar endüstriyel IPC standartlarını takip eder ve hepsi ücretsizdir. Bu kütüphaneleri IC1 [2], Q2 [3] için kullandım ve hatta tasarım zamanından çok tasarruf sağlayan Arduino-Nano (AR1) [4] kütüphanesini bile bulabildim. Altium Designer CAD yazılımını kullanıyorum, bu yüzden bileşen kitaplıklarını [5] kurmak için Altium eklentisini kullandım. Şekil 4, seçilen bileşenleri gösterir.

Adım 4: Şekil 4, SamacSys Altium Eklentisinden Kurulu Bileşenler

PCB kartı, üç dokunmatik düğmeye sığması için 2*16 LCD'den biraz daha büyüktür. Şekil 5, 6 ve 7, kartın 3 boyutlu görünümlerini göstermektedir.

Adım 5: Şekil 5: Monte Edilmiş PCB Kartının 3B Görünümü (ÜST), Şekil 6: Monte Edilmiş PCB Kartının 3B Görünümü (Yan), Şekil 7: Monte Edilmiş PCB Kartının 3B Görünümü (Alt)

3: Montaj ve Test Hızlı bir prototip oluşturmak ve devreyi test etmek için yarı ev yapımı bir PCB kartı kullandım. Şekil 8, tahtanın bir resmini göstermektedir. Beni takip etmenize gerek yok, sadece PCB'yi profesyonel bir PCB imalat şirketine sipariş edin ve cihazı kurun. R4 için, LCD kontrastını kartın yanından ayarlamanıza izin veren ayakta duran bir potansiyometre kullanmalısınız.

Adım 6: Şekil 8: Yarı Ev Yapımı Bir PCB Kartı Üzerindeki İlk Prototipin Resmi

Bileşenleri lehimledikten ve test koşullarını hazırladıktan sonra devremizi test etmeye hazırız. MOSFET'e (Q2) büyük bir soğutucu takmayı unutmayın. 3 ohm'luk bir direnç olarak R7'yi seçtim. Bu, 750mA'ya kadar sabit akımlar üretmemize izin veriyor, ancak kodda maksimum akımı 500mA civarında bir yere ayarladım ki bu bizim amacımız için yeterli. Direnç değerini düşürmek (örneğin 1.5 ohm'a kadar) daha yüksek akımlar sağlayabilir, ancak daha güçlü bir direnç kullanmanız ve Arduino kodunu değiştirmeniz gerekir. Şekil 9, kartı ve harici kablolamalarını göstermektedir.

Adım 7: Şekil 9: Batarya Kapasite Ölçüm Cihazının Kablolaması

Besleme girişine 7V ila 9V civarında bir voltaj hazırlayın. +5V rayını yapmak için Arduino kartının regülatörünü kullandım. Bu nedenle besleme girişine asla 9V'dan yüksek voltaj uygulamayınız, aksi takdirde regülatör çipine zarar verebilirsiniz. Kart açılacaktır ve LCD'de şekil 10'dakine benzer bir yazı görmelisiniz. Mavi arkadan aydınlatmalı 2*16 LCD kullanıyorsanız, devre 75mA civarında tüketecektir.

Adım 8: Şekil 10: LCD'deki Devreye Güç Verme Göstergesini Düzeltin

Yaklaşık 3 saniye sonra yazı silinecektir ve bir sonraki ekranda yukarı/aşağı butonları ile sabit akım değerini ayarlayabilirsiniz (Şekil 11).

Adım 9: Şekil 11: Yukarı/Aşağı Basmalı Butonlarla Sabit Akım Yükü Ayarı

Cihaza pil bağlamadan ve kapasitesini ölçmeden önce bir güç kaynağı kullanarak devreyi inceleyebilirsiniz. Bunun için P3 konnektörünü güç kaynağına bağlamalısınız.

Önemli: Pil girişine asla 5V'den yüksek veya ters polaritede voltaj uygulamayın, aksi takdirde Arduino'nun dijital dönüştürücü pinine kalıcı olarak zarar verirsiniz

İstediğiniz akım limitini ayarlayın (örneğin 100mA) ve güç kaynağı voltajınızla oynayın (5V'un altında kalın). Herhangi bir giriş voltajında görebileceğiniz gibi, akım akışı bozulmadan kalır. Tam olarak istediğimiz şey bu! (Şekil 12).

Adım 10: Şekil 12: Akım Akışı, Gerilim Değişimlerinin Önünde Bile Sabit Kalıyor (4,3V ve 2,4V Girişlerle test edilmiştir)

Üçüncü basma düğmesi Sıfırla'dır. Bu, kartı yeniden başlattığı anlamına gelir. Farklı bir tereyağını test etmek için prosedürü yeniden başlatmayı planlıyorsanız yararlıdır.

Her neyse, artık cihazınızın kusursuz çalıştığından eminsiniz. Güç kaynağının bağlantısını kesebilir ve pilinizi pil girişine bağlayabilir ve istediğiniz akım limitini ayarlayabilirsiniz.

Kendi testimi başlatmak için yepyeni bir 8, 800mA dereceli lityum iyon pil seçtim (Şekil 13). Harika bir oran gibi görünüyor, değil mi?! Ama buna bir şekilde inanamıyorum:-), hadi test edelim.

Adım 11: Şekil 13: 8, 800mA Anma Lityum-iyon Pil, Gerçek mi Sahte mi?

Lityum pili karta bağlamadan önce şarj etmemiz gerekiyor, bu yüzden lütfen güç kaynağınızla sabit bir 4.20V (500mA CC limiti veya altı) hazırlayın (Örneğin, önceki makaledeki değişken anahtarlamalı güç kaynağını kullanarak) ve şarj edin. Akım akışı düşük bir seviyeye ulaşana kadar pili Bilinmeyen bir pili yüksek akımla şarj etmeyin, çünkü gerçek kapasitesinden emin değiliz! Yüksek şarj akımları pili patlatabilir! Dikkat olmak. Sonuç olarak bu prosedürü takip ettim ve 8,800mA pilimiz kapasite ölçümü için hazır.

Pili karta bağlamak için bir pil tutucu kullandım. Düşük direnç oluşturan kalın ve kısa teller kullandığınızdan emin olun çünkü tellerdeki güç kaybı voltaj düşmesine ve yanlışlığa neden olur.

Akımı 500mA olarak ayarlayalım ve “UP” tuşuna uzun basalım. Ardından bir bip sesi duymalısınız ve prosedür başlar (Şekil 14). Kesme voltajını (düşük pil eşiği) 3,2V olarak ayarladım. İsterseniz bu eşiği kodda değiştirebilirsiniz.

Adım 12: Şekil 14: Pil Kapasitesi Hesaplama Prosedürü

Temel olarak, voltajı düşük seviye eşiğine ulaşmadan önce pilin “ömrünü” hesaplamalıyız. Şekil 15, cihazın DC yükünü aküden (3.2V) ayırdığı ve hesaplamaların yapıldığı zamanı göstermektedir. Cihaz ayrıca işlemin bittiğini belirtmek için iki uzun bip sesi çıkarır. LCD ekranda da görebileceğiniz gibi, gerçek pil kapasitesi 1.190mAh olup iddia edilen kapasiteden çok uzaktır! Herhangi bir pili (5V'den düşük) test etmek için aynı prosedürü takip edebilirsiniz.

Adım 13: Şekil 15: 8.800mA Nominal Lityum-iyon Pilin Gerçek Hesaplanan Kapasitesi

Şekil 16, bu devre için malzeme listesini göstermektedir.

Adım 14: Şekil 16: Malzeme Listesi

Adım 15: Referanslar

Makale Kaynağı:

[1]:

[2]:

[3]:

[4]:

[5]: