Zaloguj
Nowa wersja urządzenia zachowała w 100 procentach rozwiązania układowe pierwowzoru, którego schemat został pokazany na rysunku 1. Założenia tego projektu były dwa: musi to być układ do zbudowania w 15 minut z elementów znalezionych w szufladzie; akumulator musi być rozładowywany stałym prądem w całym teście. Pierwszy cel udało się zrealizować w pełni, drugi natomiast niezupełnie.
Wydawać by się mogło, że źródło prądowe sterowane napięciem stałym powinno wytwarzać stały prąd. W ogólnym przypadku tak powinno być, ale w naszym prostym urządzeniu dwa czynniki decydowały, że cel ten nie został osiągnięty w pełni. Okazało się, że prąd pobierany z akumulatora w trakcie jego rozładowywania zmieniał się w pewnym zakresie. Przyczyny były dwie.
Pierwsza, to znaczna wrażliwość na temperaturę. Dolegliwość ta stawała się tym bardziej dokuczliwa im większym prądem był rozładowywany akumulator. Bezpośrednią przyczyną było samopodgrzewanie tranzystora wyjściowego. Wzrost temperatury złącza wywołany przepływem prądu powodował zmianę charakterystyki Ic=f(Ib). Przy stałym prądzie bazy wpływającym z lustra prądowego zmieniał się prąd kolektora tranzystora wyjściowego. Przypadek taki zasymulowano w programie LTspice, a wynik tej symulacji jest widoczny na rysunku 2. Obniżenie temperatury z 21°C do 17°C spowodowało (przy stałym prądzie bazy) zmniejszenie prądu kolektora tranzystora wyjściowego BD136 o ok.1,77 mA. Czasami zmiany prądu były na tyle duże, że konieczna była ręczna korekta napięcia sterującego. Była to dość duża niedogodność, gdyż czas testu rozciąga się na kilka godzin, trudno więc śledzić go od początku do końca. Wrażliwość układu na temperaturę była na tyle duża, że wystarczyła nawet przypadkowa struga powietrza blisko tranzystora mocy, aby zauważyć niemal natychmiastową zmianę natężeniu prądu wyjściowego.
Drugim powodem zmian prądu rozładowywania była zależność prądu kolektora od prądu bazy dla różnych napięć kolektor-emiter. Efekt ten uwidaczniał się w końcowej fazie testu, w której na skutek zmniejszania się napięcia akumulatora i spadku napięcia na rezystorze pomiarowym prądu (R3, R4) malało napięcie UCE. W chwili gdy napięcie to zbliżało się do napięcia nasycenia (ok. 0,2 V) przy stałym prądzie bazy gwałtownie malał prąd kolektora. Zależność prądu kolektora tranzystora BD136 w funkcji napięcia kolektor-emiter dla różnych prądów bazy zdjętą symulatorem LTspice pokazano na rysunku 3.
Nowa koncepcja
Najważniejszym założeniem nowej koncepcji było rozwiązanie zagadnienia stabilizacji prądu rozładowania akumulatora. Zapewnienie stałości tego parametru znakomicie upraszcza obliczenie pojemności akumulatora, które teraz można wykonać wręcz w pamięci. Pozostawiając inne założenie dotyczące prostoty układu, a także korzystając z możliwości i tak wykorzystywanego zestawu Analog Discovery 2, najlepszym rozwiązaniem problemu było sięgnięcie po dostępne w nim narzędzie „Script”. Konieczne jest więc napisanie skryptu, który będzie realizował sterowanie 1. kanałem generatora arbitralnego wytwarzającego napięcie stałe sterujące źródłem prądowym. Skrypt będzie jednocześnie na bieżąco mierzył prąd pobierany z akumulatora. Tak wiec ten wirtualny automat będzie sprawdzał czy prąd rozładowania mieści się w zadanym przedziale wyznaczonym histerezą regulacji. Jeśli będzie za mały, zwiększymy wydajność źródła. Analogicznie zmniejszymy ją, jeśli prąd akumulatora będzie za duży. Zadanie jest dość proste, skrypt nie będzie skomplikowany.
Taka koncepcja kryje też pewną niewiadomą, ale jest ona charakterystyczna dla wszystkich układów regulacji. Otóż układ ma jakąś bezwładność termiczną. Załóżmy, że dla ustalonego napięcia sterującego prąd źródła rośnie wskutek nagrzewania się tranzystora. Po przekroczeniu zadanej wartości zmniejszamy więc napięcie sterujące, aby powstrzymać dalszy wzrost prądu. Tranzystor zaczyna stygnąć, a to z kolei skutkuje zmniejszeniem prądu. Po osiągnięciu dolnego progu ponownie zwiększamy sterowanie i cały cykl się powtarza, Niestety, takie działanie powoduje, że prąd źródła oscyluje wokół zadanej wartości w zakresie przyjętej histerezy. Działanie sterowania tego typu zaprezentowano na rysunku 4.
Oczywiście można by powiedzieć: no dobrze, jeśli więc ustalimy bardzo małą histerezę, to praktycznie uzyskamy żądaną wartość średnią prądu bez oscylacji. Tak jednak nie będzie. Jęli spojrzymy na wykres napięcia sterującego źródłem prądowym (rysunek 4), to zauważymy, że wirtualny automat sterujący ma 3 stany: w pierwszym systematycznie zwiększa napięcie sterujące, w drugim utrzymuje napięcie na stałym poziomie, w trzecim zmniejsza napięcie. Jeśli histereza byłaby zbyt mała, praktycznie nie występowałby stan drugi i regulacja charakteryzowałaby się znacznie większymi i to stałymi oscylacjami.
Skrypt
Do wykonania pomiaru konieczne jest uruchomienie kilku narzędzi Analog Discovery 2. Są to: rejestrator (Logger), zasilacz (Supplies), generator arbitralny z aktywnym 1. kanałem (Wavegen) i skrypt (Script). Pomiar będzie trwał dość długo, co zależy od pojemności akumulatora i prądu rozładowania. Zwykle jest to kilka, a nawet kilkanaście godzin. Taki czas trzeba zadeklarować w polu „History”. W polu „Update” wprowadzamy interwał czasowy odświeżania wykresu. Może to być np. 1 lub 2 sekundy. Natężenie prądu rozładowania akumulatora wpisujemy w treści skryptu – jest to parametr I0, który w moich testach był równy 0,060 czyli 60 mA. Można tam również zmienić wartość histerezy. W testach, które prowadziłem przyjąłem histerezę 2 mA, co oznacza, że jeśli w dowolnym kroku zmierzony prąd akumulatora jest mniejszy od 59 mA, to jest on zwiększany. Krok zmian jest bliżej nieokreślony, ale zależy od kroku zmian napięcia sterującego równego 0,015 V (wartość przyjęta arbitralnie). Jeśli w danym kroku następuje zwiększenie prądu, zostanie to zasygnalizowane w oknie „Output” znakiem „>”. Jeśli w danym kroku prąd akumulatora mieści się w przedziale 59...61 mA, nie jest zmieniane napięcie sterujące, a zatem i prąd. W tym przypadku wyświetlany jest znak „o”. Przekroczenie prądu akumulatora powyżej 61 mA powoduje zwiększenie napięcia sterującego, a zatem zmniejszenie prądu. Jest to sygnalizowane wyświetleniem znaku „<”.
W każdym kroku pomiarowym wyświetlane są także: numer kroku, zmierzone napięcie akumulatora i natężenie prądu. Niezależnie narzędzie Logger rysuje wykres tych dwóch parametrów.
Należy jeszcze wspomnieć o samym pomiarze prądu. Dostępne w zestawie Analog Discovery 2 narzędzia z zasady mierzą napięcie, jak jednak pamiętamy, w układzie pomiarowym został zastosowany rezystor 5 Ω, który umożliwia pomiar prądu. Jest to więc parametr obliczany, w związku z czym konieczna jest modyfikacja domyślnej formuły definiującej jeden z parametrów mierzonych w kanale 1. W tym celu klikamy dwa razy w polu nazwy parametru („C1DC”) i modyfikujemy formułę tak, jak to pokazano na rysunku 5.
W końcowej części pętli pomiarowej znajdują się instrukcje sprawdzające czy napięcie akumulatora nie spadło poniżej dopuszczalnej wartości zadawanej na początku skryptu jako parametr ustop. Jeśli taki stan zostanie wykryty, natychmiast wyłączane jest napięcie zasilające i zatrzymywana jest rejestracja. W konsekwencji zostaje wyłączone również źródło prądowe obciążające akumulator. Gdyby tego zabiegu nie było, mogłoby dojść do nadmiernego rozładowania akumulatora, co z kolei mogłoby skutkować trwałym jego uszkodzeniem. Zapobiegamy ponadto w ten sposób wysunięciu wykresu poza okno, co oznaczałoby utratę danych pomiarowych.
Wpisanie skryptu, z uwagi na jego niewielką objętość, nie zajmie dużo czasu. Całą treść zamieszczono na listingu 1.
function doLoggerWavegen()
{
print("Pomiar");
var wyjscie=1
var uakum=0;
var iakum=0;
var idx=0;
var delta=0.015;
var ustop=2.70 //napiecie konca testu
//Napięcie rozładowania akumulatora [A]
var i0=.06; //<<<<<<<<<< wprowadzic zadana wartosc
var imin=i0-histe/2; //prad maksymalmy
var histe=.002; //histereza regulacji
var imax=i0+histe/2; //prad minimalny
var kierunek="<";
Wavegen1.Channel1.Mode.text = "Basic";
Wavegen1.Channel1.Basic.Offset.value = 3.75;
Wavegen1.run();
Logger.run();
Supplies.Output.PositiveSupply.Enable;
Supplies.Output.PositiveSupply.Voltage.value=5;
Supplies.run();
Do
{
uakum=Logger.Input.Channel2.DC.value;
iakum=Logger.Input.Channel1.DC.value/5;
idx++;
kierunek="o";
if(iakum>imax)
{
Wavegen1.Channel1.Basic.Offset.value += delta;
kierunek="<";
}
if(iakum<imin)
{
Wavegen1.Channel1.Basic.Offset.value -= delta;
kierunek=">";
}
print(idx+": Uakum="+uakum+" V"+" Iakum="+iakum*1000+" mA");
print("AWG="+Wavegen1.Channel1.Basic.Offset.value+" "+kierunek);
wait(1);
// ****************************************************
//zostawic ten fragment kodu, jesli rejestracja
//ma sie wylaczyc automatycznie po osiagnieciu
//minimalnego napiecia akumulatora
if(uakum<ustop)
{
Supplies.stop();
Logger.stop();
Wavegen1.Channel1.Basic.Offset.value = 5;
print("Koniec testu Uakum="+uakum+" V");
Tool.beep();
wyjscie=0;
}
// ****************************************************
}while(wyjscie);
}
if(!(‘Wavegen1’ in this))
{
throw("Uruchom 1 kanal generatora");
}
if(!(‘Logger’ in this))
{
throw("Uruchom Logger");
}
if(!(‘Supplies’ in this))
{
throw("Uruchom zasilacz");
}
doLoggerWavegen();
Skrypt składa się z kilku instrukcji sprawdzających aktywność potrzebnych narzędzi (w dolnej części listingu) i jednej funkcji pomiarowej doLoggerWavegen() uruchamianej w przypadku, gdy wszystkie narzędzia działają prawidłowo. Jeśli któreś z nich nie będzie aktywne, skrypt zostaje zatrzymany.
Pomiary
Układ jeszcze raz został przetestowany w pomiarach kilku typów akumulatorów. Wyniki pokazano na rysunkach 6...13. Były to akumulatory używane od pewnego czasu w różnych urządzeniach, a test miał na celu określenie stopnia zużycia. Niestety, nie jest znana historia ich eksploatacji, trudno więc powiedzieć na ile aktualna kondycja zależy od okresu, a na ile od intensywności użytkowania. Analizując zarejestrowane przebiegi można dość łatwo rozpoznać typ akumulatora. Wyraźnie dostrzegamy inny przebieg krzywych rozładowania dla akumulatorów litowo-polimerowych, a inny dla niklowo-metalowo-wodorkowych (Ni-MH). Testowane były pojedyncze akumulatory litowo-polimerowe i pakiety składające się z 3 akumulatorów Ni-MH o rozmiarze AAA.
Obliczenia pojemności
Dla każdego testowanego akumulatora była obliczana pojemność, jako iloczyn prądu rozładowania (i0=60 mA) i czasu osiągnięcia dolnego napięcia granicznego. Wyniki podano na wykresach. Przyjęto dwie definicje pojemności. W pierwszej z nich minimalne napięcie akumulatora jest równe 3,5 V jako minimalne napięcie użytkowe. Poniżej tego napięcia przestawało działać urządzenie zasilane z akumulatora. W drugiej definicji napięciem minimalnym było dopuszczalne napięcie dla danego typu akumulatora lub napięcie, przy którym włączało się wbudowane zabezpieczenie. Jako dopuszczalne napięcia przyjęto: 2,5 V dla Li-Poly i 2,7 V dla Ni-MH (3×0,9 V). Należy zauważyć, że przy tak przyjętej pierwszej definicji, już z samego założenia nie jest możliwe wykorzystanie pełnej znamionowej pojemności akumulatorów.
Wnioski
Wszystkie testowane akumulatory wykazywały pewien stopień zużycia, co nie może dziwić, gdyż mniej lub bardziej intensywnie były używane w różnych urządzeniach. Stopień zużycia można oszacować na podstawie odniesienia zmierzonej pojemności do pojemności znamionowej, przy czym napięciem granicznym obliczania pojemności było 3,5 V. Zestawienie zmierzonych pojemności umieszczono w tabeli 1.
Na podstawie uzyskanych wyników można uznać, że część akumulatorów, mimo że utraciły swoją pojemność poniżej znamionowej nadaje się jeszcze do pracy. Raczej nie można tak zakwalifikować akumulatora Ni-MH #1, którego pełna pojemność jest równa zaledwie 27% pojemności znamionowej, a użytkowa to zaledwie niespełna 24%. Akumulator ten kwalifikuje się do utylizacji.
Jarosław Doliński, EP
