TESTER RZECZYWISTEJ POJEMNOŚCI AKUMULATORA TAh1

TESTER RZECZYWISTEJ POJEMNOŚCI AKUMULATORA TAh1 Zawartość Wstęp... 2 Aktualne możliwości testera... 2 Praca przy zasilaniu napięciem stałym w zakresie 8 do 16V... 2 Pomiar prądu obciążenia do 5A... 2 Rejestracja czasu testu z rozdzielczością 1 sekundy.... 3 Test rezystancji wewnętrznej zasilania.... 3 Pomiar mocy dostarczanej do obciążenia.... 3 Pomiar ładunku elektrycznego pobranego ze źródła (Ah)... 3 Pomiar pobranej energii... 3 Automatyczny zapis zmierzonych wartości dla końcowego napięcia rozładowania... 3 Testowanie pojemności akumulatora... 4 Menu serwisowe... 6 Napięcie końcowe rozładowania... 6 Test rezystancji zasilania... 6 Możliwość załączenia lub wyłączenia podświetlania LCD... 7 Wybór przedziału czasowego... 7 Zapis ustawień... 7 Przykładowy sposób przeprowadzenia testu akumulatora - połączenia... 8 Wygląd prototypowego rozwiązania testera TAh1... 8 Rozmieszczenie i opis funkcji mikrowyłączników (schemat montażowy)... 9 Schemat ideowy... 9 Współpraca testera z PC przez USB... 10 Inne zastosowania testera... 12 Dane techniczne... 12 Strona 1 z 12

Wstęp Główne zastosowanie miernika to pomiar realnej pojemności akumulatorów kwasowych i żelowych. Zakres pomiaru ograniczony jest jedynie znormalizowaną wartością czasu rozładowania (Q=20h), Umożliwia to pomiar do 100Ah, a przyjmując rozładowanie prądem do 5A i nielimitowanym czasem - pojemności mogą sięgać 999Ah (pojemność zobrazowania wyświetlacza). Jako obciążenie zastosowano tanie i bezpieczne źródło, tj. żarówkę (żarówki samochodowe). Ich moc determinowana jest koniecznością otrzymania założonego prądu rozładowania. Stosowne wyliczenia wynikają z prawa Ohma. Dostępne, niskobudżetowe mierniki akumulatorów mierzą wartość napięcia pod chwilowym obciążeniem nie daje to możliwości określenia jego pojemności, a jedynie aktualny stan naładowania. Przed pomiarem należy naładować akumulator za pomocą odpowiedniej do niego ładowarki! Zasilanie zarówno układu elektronicznego (mikroprocesor) jak i źródła obciążenia, następuje z akumulatora. Łączny, pobierany prąd jest zatem sumą prądów obu gałęzi, co oznacza, iż minimalna wartość prądu to wielkość pobierana przez samą elektronikę (40mA z podświetlonym LCD), a maksymalna - to suma prądów kontrolera i prądu żarówki. Badanie ładunku wypływającego odbywa się co sekundę, a wartości chwilowe są dodawane. Napięcie końcowe rozładowania wynosi 10,5V. Osiągniecie tej wartości kończy cykl testowania, odłączając obciążenie (żarówkę) i zapisując wyniki pomiaru do pamięci. Cechy testera w aktualnej wersji: Aktualne możliwości testera Praca przy zasilaniu napięciem stałym w zakresie 8 do 16V Układ zasilany jest z badanego źródła, zakres napięcia determinowany jest: Od dołu - 8V lub z zakresu 10,0V do 11,0V. W pierwszym przypadku jest to najniższe napięcie zasilania, niezbędne do prawidłowej pracy układu elektronicznego. W drugim wartość napięcia kończącego cykl pomiarowy. Wartości tych napięć ustawiane są w specjalnym menu, opisanym w dziale menu serwisowe. Przy drugiej opcji urządzenie dokona dziesięciokrotnego próbkowania i jeżeli wykonane tak badanie wykaże w każdej próbce spełnienie założonych warunków zapisze do wewnętrznej pamięci nieulotnej zmierzone do tej pory parametry tj. czas pomiaru, odebrany ładunek (Ah), energię (kwh) oraz rezystancję wewnętrzną, obliczoną w chwili startu miernika. Po tym nastąpi wyłączenie obciążenia, a następnie tester przejdzie w stan hibernacji, ograniczając pobór energii do wartość ok. 18mA. Na wyświetlaczu pojawią się zapisane wartości pomiaru. W stanie hibernacji urządzenie nie reaguje na żaden przycisk. Wyprowadzenie z tego stanu polega na użyciu S1(reset), co otwiera drogę do nowego pomiaru. Od góry (16V) mocą strat w stabilizatorze zasilającym mikroprocesor, oraz prawidłowym działaniem dzielnika napięcia podawanego na przetwornik ADC. Pomiar prądu obciążenia do 5A Pomiar prądu odbywa się przy wykorzystaniu nowoczesnego, hallotronowego czujnika prądowego, z rodziny ACS712. Jego zastosowanie umożliwia galwaniczną separację pomiędzy mierzonym, a odbierającym dane obwodem sterownika oraz minimalną wartość rezystancji wewnętrznej (typowo 1,2 mω), zatem i pomijalnie małe wartości straty mocy, co ułatwia trwałe obciążenie prądem maksymalnym, bez ryzyka termicznego uszkodzenia sensora. Wbudowany w przetwornik Strona 2 z 12

wzmacniacz operacyjny zapewnia dużą czułość i liniowość pomiaru przy konwersji prądu na napięcie. Uwaga! Tester rozpoczyna działanie (zliczanie pobranej energii / ładunku elektrycznego / czasu pomiaru) dla poboru prądu >= 100mA. Rejestracja czasu testu z rozdzielczością 1 sekundy. Z chwilą załączenia obciążenia przyciskiem S3 rozpoczyna się zliczanie czasu trwania pomiaru. Dane są wyświetlane w formacie HH:MM:SS (godziny: minuty: sekundy), inkrementacja czasomierza następuję synchronicznie z dokonywanymi pomiarami, dokładnie co 1 sekundę. Wyłączenie obciążenia switchem S3 (dłuższe przyciśniecie), zatrzymuje również pomiar czasu. Ponowna aktywacja obciążenia (S3), wznawia pomiar czasu od ostatniej zarejestrowanej wartości. Test rezystancji wewnętrznej zasilania. Podczas każdorazowego uruchomienia testera lub po wykonaniu polecenia reset (S1) w pierwszym kroku pomiarowym zostaje wykonany test rezystancji zasilania. Należy zapamiętać, iż na otrzymany wynik składa się suma rezystancji wewnętrznej samego źródła oraz przewodów pomiarowych (do wejścia przyrządu). Algorytm pomiaru polega na pomiarze napięcia bez obciążenia, następnie na czas 2 sek. (ustabilizowanie się wartości prądu) załączane jest obciążenie, ponowny pomiar napięcia oraz pomiar prądu. Z ilorazu różnicy zmierzonych napięć oraz prądu wyliczana jest rezystancja. Jest to wynik szybko obrazujący stan mierzonego akumulatora. Pomiar mocy dostarczanej do obciążenia. Bieżąca wartość mocy obliczana jest jako iloczyn aktualnego napięcia i prądu. Dane aktualizowane w czasie rzeczywistym, tj. co 1 sekundę. Pomiar ładunku elektrycznego pobranego ze źródła (Ah). Także, co 1 sekundę rejestrowana jest wartość przepływającego przez obciążenie prądu, wyniki z każdego pomiaru dodawane są do siebie (Asek). Wynik konwertowany jest na jednostki Ah. Pomiar pobranej energii Identyczny algorytm zastosowano przy pomiarze energii. Liczona jest cząstkowo jako Wsek, a następnie zamieniana na kwh. Automatyczny zapis zmierzonych wartości dla końcowego napięcia rozładowania Pomiar trwa aż do zaistnienia warunku U<=U ref (patrz menu serwisowe ). Graniczną wartością napięcia rozładowania dla akumulatora z 6 celami (12V) jest 10,5V. Uzyskany pomiar musi być stabilny powtarzalny. Dlatego dopiero 10 próbka spełniająca powyższą zależność, zostanie zinterpretowana przez urządzenie jako stan zakończenia testu, a wartości końcowe zapisane do nieulotnej pamięci (eeprom procesora). Następnie odłączane jest obciążenie, generowany komunikat na wyświetlaczu LCD i na koniec tester przechodzi w tryb uśpienia. W trybie tym reaguje jedynie na przycisk S1 (reset), jego użycie otwiera nowy cykl pomiarowy. Do chwili wyzerowania, zapisane dane z poprzedniej sesji pomiarowej dostępne są do odczytu po wyborze odpowiedniego menu danych zapisanych w pamięci. Jest to jedyne menu, gdzie pomiary wyświetlane są w trybie pulsowania z częstotliwością 0,5Hz (flashing). Wyszukanie tego menu przeprowadzamy przez kolejne użycie S3 (krótkie przyciśnięcia). Wykasowanie (czyszczenie) zawartości całej pamięci następuje przez dłuższe przyciśniecie S2. Strona 3 z 12

Testowanie pojemności akumulatora Prawidłowe podłączenie elementów składowych dla przeprowadzenia przykładowego testu parametrów akumulatora żelowego. Przed testem należy prawidłowo naładować do pełna akumulator i przygotować obciążenie w postaci np. żarówki samochodowej o mocy odpowiedniej do oczekiwanego prądu rozładowania. Np. stosując typową żarówkę 21W uzyskamy prąd ok. 1,8A. Po podłączeniu testera do badanego akumulatora zostanie wyświetlony komunikat informacyjny, a następnie rozpocznie się automatycznie wykonywanie procedury, określającej rezystancję źródła zasilania (o ile test został uaktywniony w menu konfiguracyjnym!). Polega ona na załączeniu na 3 sekundy obciążenia, dokonaniu pomiarów, a następnie wyłączeniu odbiornika energii. Wyświetlony zostanie rezultat testu. B różnica napięć przy nieobciążonym i obciążonym badanym źródłem zasilania C wartość nieistotna przy tym pomiarze (zawsze 0) D wyliczona rezystancja wewnętrzna zasilania Przed rozpoczęciem zasadniczego badania należy upewnić się, czy w pamięci nie są zapisane dane z poprzednich pomiarów. Krótko, kolejno przyciskając S3 poruszamy się sekwencyjnie po kolejnych menu. To właściwe, z poszukiwanymi danymi, wyświetlane jest jako pulsujące z częstotliwością 0,5Hz. W razie potrzeby zerujemy całość przez dłuższe użycie S2 (2sek.) Rezultat opisanych działań wygląda jak niżej. A wartość rezystancji zasilania dla bieżącego pomiaru B suma pojemności elektrycznej zapamiętanej i bieżącej C zapamiętany czas pomiaru D zapamiętana wartość pobranej energii z poprzedniego pomiaru Aktualne nastawy konfiguracyjne (serwisowe) widoczne są w menu PRESETS. Strona 4 z 12

B test rezystancji zasilania. Możliwe warianty ON/OFF. C końcowe napięcie rozładowania. Opcje OFF/10,0V do 11.0V, krok 0,1V Teraz przystępujemy do zasadniczego testu. Będąc w dowolnym menu dłużej naciskamy S3, co powoduje załączenie obciążenia oraz rozpoczęcie mierzenia wszystkich wartości. Aktualne dane generowane przez system możemy obserwować wybierając interesujące nas dane za pomocą S3. Dodatkowo, używając S2 (krótkie przyciśnięcie), jesteśmy w stanie wpisać do pamięci aktualny wynik pomiaru Ah. To rozwiązanie można zastosować w przypadku, kiedy cykl pomiarowy nie został jeszcze zakończony (np. długo trwał i niezbędny jest podział na dwa etapy), czyli warunek U>=10, 5V nie został spełniony, a musimy pomiar z jakiegoś powodu przerwać. Jego dokończenie bez wyzerowania wpisanych manualnie do pamięci danych, umożliwia wyświetlanie sumy Ah - zapamiętanej oraz bieżącej. B zapamiętana wartość odebranego ładunku elektrycznego (zawsze ze znakiem #) C zapisany czas pomiaru D suma ładunku zapamiętanego i z bieżącego pomiaru (zawsze ze znakiem Ʃ) Menu, na którym śledzimy bieżące wartości pomiaru. A bieżąca wartość prądu obciążenia B wartość pobranego ładunku w bieżącym cyklu pomiarowym (zawsze ze znakiem ) C napięcie akumulatora D moc wydzielana w obciążeniu Zakończenie pomiaru i zapisanie danych następuje automatycznie. Proces ten został opisany już wyżej. Końcowo pojawia się komunikat: Dodatkowo, aby ułatwić identyfikację wyżej wymienionego stanu bez angażowania zmysłu wzroku, stan rozpoczęcia oraz samo działanie algorytmu sygnalizowane jest krótkimi dźwiękami (dla dziesięciu próbek) i specyficzną kombinacją tychże dźwięków po zakończeniu testu. Strona 5 z 12

Menu serwisowe Miernik posiada dedykowane menu serwisowe, w którym można ustawić parametry konfiguracyjne lub podejrzeć dane systemowe niedostępne w menu głównym. Aby wywołać opisywane wartości należy jednocześnie przycisnąć i przytrzymać przez min. 0,5 sek. przyciski S2 i S3. Zarówno zmiana wartości jak i wybór pozycji odbywają się sekwencyjnie za pomocą S2 (wartość) oraz S3 (pozycja). Wartości prądu i napięcia z ADC. Są to dane odczytane z przetworników analogowo-cyfrowych (dane tylko dla osób zaawansowanych). Ich znaczenie jest informacyjne i nie podlega możliwości modyfikacji z poziomu menu. Zmianę ich wartości można obserwować przy załączeniu / wyłączeniu obciążenia przyciskiem S2 (dłuższe naciśnięcie). Aktualny stan obciążenia odzwierciedla komunikat (ON/OFF). B U to wartość ADC dla pomiaru napięcia, I wartość ADC dla pomiaru prądu (ACS712) D - Aktualny stan załączenia obciążenia (ON/OFF) Napięcie końcowe rozładowania. Dla OFF napięcie to wynosi 8V. Wartość ta jest bezpieczną wartością (tj. umożliwia jeszcze prawidłową pracę urządzenia) i umożliwia zapis do pamięci danych, uzyskanych w czasie testu. Jej alternatywą jest wybór wymiernych wartości z zakresu 10,0V do 11,0V (z krokiem 0,1V). D wartość napięcia końcowego rozładowania. Możliwe wartości OFF/10,0 do 11,0V, krok 0,1V Test rezystancji zasilania. W czasie startu testera w pierwszym kroku wykonywany jest test wewnętrznej rezystancji zasilania. Ten krok działania może być pominięty przez wybór odpowiedniej opcji (ON/OFF). B test rezystancji zasilania. Możliwe wartości ON/OFF. Strona 6 z 12

Możliwość załączenia lub wyłączenia podświetlania LCD. D - dostępne opcje ON/OFF. Wybór przedziału czasowego w którym wystawiane są dane na port RS TTL. Za pomocą dodatkowego konwertera poziomów możliwe jest przesyłania danych zarówno do portu RS232 jak i USB. D - dostępne wartości nastawień: 1sek, 1 min, 15 min. Wybór standardu danych USB umożliwia różne formatowanie danych wystawianych na złącze. D - dostępne formaty: #1 Time 0:12:05 U=10,8V I=2,76A /czas pomiaru, napięcie akumulatora, prąd rozładowania #2 numer kolejny 1 sek. próbki (30-33), napięcie akumulatora (11,78). Brak jednostek (s, V)! ML format MegunoLink do współpracy z darmowym oprogramowaniem, opis niżej. Zapis ustawień. Wprowadzone dane konfiguracyjne należy zapisać przez dłuższe użycie przycisku S3, co sygnalizowane jest potwierdzającym dźwiękiem oraz stosownym komunikatem na LCD. Przejście do pomiaru następuje przez użycie S1 (reset). Strona 7 z 12

Przykładowy sposób przeprowadzenia testu akumulatora - połączenia Wygląd testera TAh1 Strona 8 z 12

Rozmieszczenie i opis funkcji mikrowyłączników (schemat montażowy) S1 reset systemu (start nowego pomiaru) S2 krótkie przyciśnięcie (300msek.) wpisanie do pamięci aktualnego stanu wartości Ah S2 długie przyciśnięcie (2sek.) kasowanie wszystkich wpisów w pamięci S3 krótkie przyciśnięcie sekwencyjne przełączanie menu S3 długie przyciśnięcie załączenie / wyłączenie obciążenia A akumulator (testowane źródło zasilania) B obciążenie rezystancyjne (np. żarówka) Schemat ideowy Strona 9 z 12

Współpraca testera z PC przez USB Praca z oprogramowaniem RealTerm Sprzętowo można wykorzystać tani i funkcjonalny konwerter TTL > USB, oparty o chipset PL2302HX (Allegro). Odpowiednie punkty połączeniowe znajdują się na pcb testera. Należy pamiętać o połączeniu krzyżowym, tj. Rx na TX. Zbieranie danych przeprowadzić można za pomocą darmowych monitorów (CoolTemp, Realterm itp.). Przykładowo zobrazowano użycie do tego celu softu Realterm. Należy pamiętać o odpowiedniej jego konfiguracji tzn. ustawieniu portu (indywidualne dla każdego komputera), oraz parametrów transmisji RS232 9600 bodów, 8N1, bez kontroli parzystości. Z takimi parametrami pracuje tester. Widok omawianych nastaw na dole po prawej stronie przedstawionego niżej zrzutu ekranowego. Wynik pokazujące się w oknie zapisywane są do pliku tekstowego okresowej w lokalizacji (zakładka Capture). Otrzymany plik należy odpowiednio zmodyfikować usuwając z niego wszelkiego rodzaju komentarze i miana jednostek, zostawiając jedynie liczbowe wartości czasu (minuty) oraz napięcia (V). Jako rozdzielenie danych można zastosować np. tabulator. Taką operację najlepiej przeprowadzić z użyciem Worda z MS Office (funkcja zamień). Otrzymany czysty plik z danymi importujemy do Excela (Dane > z tekstu) i tworzymy wykres. Poniżej przedstawiono wykonany za pomocą opisanej procedury wykres badania napięcia akumulatora 7,2 Ah (mocno zużytego), rozładowywanego prądem ok. 3,2A Strona 10 z 12

Współpraca z MegunoLink wersja Lite Program ten umożliwia kreślenie w czasie rzeczywistym charakterystyki rozładowania badanego akumulatora. Niestety, nie można wygenerować czasu trwania testu, wartości te nadawane są automatycznie przez software. Osią X jest aktualny czas systemowy odczytany z RTC komputera. Poniżej przykładowy pomiar dokonany za pomocą tego softwaru, interwał przesyłanych danych 1sek. Strona 11 z 12

Inne zastosowania testera Miernik można wykorzystać przy pomiarach zużycia mocy przez dowolne urządzenia zasilane DC, z parametrami mieszczącymi się w zakresie deklarowanych warunków pracy, których obciążenie ma charakter rezystancyjny. Ograniczenie dotyczące rodzaju obciążenia wynika z zastosowania jako elementu wykonawczego tranzystora MOSFET. Rozwiązanie takie pozwala na dużą niezawodność i trwałość (brak elementów mechanicznych w postaci styków), wiąże się jednak z problemem występowania przepięć (dla elementów o charakterze indukcyjnym). Ze względu na ich wysokość, mogą one uszkodzić złącza tranzystora wykonawczego, dla którego wartość wzmiankowanego napięcia jest relatywnie niska (kilkadziesiąt V). Z uwagi na algorytm działania, dopuszczalna jest zmiana wartości obciążenia podczas trwania pomiaru. Warunkiem jest to, by była ona wolnobieżna lub polegała na włączaniu / wyłączaniu odbiornika. Otwiera to możliwość testowania zużycia energii dla urządzeń pracujących okresowo. Przy realizacji implementacji nowych funkcji (patrz: możliwe modyfikacje urządzenia) pojawiają się na horyzoncie dodatkowe dziedziny, w których można tester zastosować, ograniczone jedynie własną wyobraźnią i pomysłowością. Dane techniczne Pomiar akumulatorów 12V, 100Ah, rozdzielczość 0,01Ah Maksymalny prąd rozładowania 5A, rozdzielczość 0,02A Pomiar napięcia 10V do 16V, rozdzielczość 15mV Pomiar czasu testu 0 do 24 godzin, rozdzielczość 1 sekunda Pomiar energii do 10kWh, rozdzielczość 0,001 kwh Próg detekcji napięcia końcowego rozładowania (OFF lub 10,0V do 11,0V, krok 0,1V) Prąd własny 30mA @ 12, 5V, LCD o organizacji 2x16 znaków z HD44780 lub kompatybilnym Budowa moduł bez obudowy, pcb o wymiarach 77mm x 60 mm Strona 12 z 12