Penguji Kapasitas Baterai Menggunakan Arduino [Lithium-NiMH-NiCd]: 15 Langkah (dengan Gambar)

2024 Pengarang: John Day | [email protected]. Terakhir diubah: 2024-01-30 09:55

Fitur:

• Identifikasi baterai Lithium-Ion/Lithium-Polymer/NiCd/NiMH palsu
• Beban arus konstan yang dapat disesuaikan (juga dapat dimodifikasi oleh pengguna)
• Mampu mengukur kapasitas hampir semua jenis baterai (di bawah 5V)
• Mudah disolder, dibuat, dan digunakan, bahkan untuk pemula (semua komponen Dip)
• Antarmuka pengguna LCD

Spesifikasi:

• Pasokan Papan: 7V hingga 9V (Maks)
• Input Baterai: 0-5V (maks) - tidak ada polaritas terbalik Konstan
• Beban Saat Ini: 37mA hingga 540mA (maks) – 16 Langkah – dapat dimodifikasi oleh pengguna

Pengukuran kapasitas baterai yang sebenarnya sangat penting untuk banyak skenario. Perangkat pengukur kapasitas juga dapat memecahkan masalah menemukan baterai palsu. Saat ini baterai Lithium dan NiMH palsu ada di mana-mana yang tidak menangani kapasitas yang diiklankan. Terkadang sulit untuk membedakan antara baterai asli dan palsu. Masalah ini ada di pasar baterai cadangan, seperti baterai ponsel. Selain itu, dalam banyak skenario, penting untuk menentukan kapasitas baterai bekas (misalnya baterai laptop). Pada artikel ini, kita akan belajar membangun rangkaian pengukuran kapasitas baterai menggunakan papan Arduino-Nano yang terkenal. Saya telah merancang papan PCB untuk komponen celup. Jadi bahkan pemula dapat menyolder dan menggunakan perangkat.

1: Analisis Sirkuit Gambar 1 menunjukkan diagram skema perangkat. Inti dari rangkaian ini adalah papan Arduino-Nano.

Langkah 1: Gambar 1, Diagram Skema Perangkat Pengukuran Kapasitas Baterai

IC1 adalah chip LM358[1] yang berisi dua buah penguat operasional. R5 dan C7 membangun filter lolos rendah yang mengubah pulsa PWM menjadi tegangan DC. Frekuensi PWM adalah sekitar 500Hz. Saya menggunakan osiloskop Siglent SDS1104X-E untuk memeriksa PWM dan perilaku filter. Saya menghubungkan CH1 ke output PWM (Arduino-D10) dan CH2 ke output filter (Gambar 2). Anda bahkan dapat memeriksa respons frekuensi filter dan frekuensi cut-off-nya "dalam praktik" dengan plot pertanda, yang merupakan salah satu fitur SDS1104X-E yang diperkenalkan dengan baik.

Langkah 2: Gambar 2, Sinyal PWM (CH1:2V/div) dan Hasil Setelah Melewati Filter RC R5-C7 (CH2:50mV/div)

R5 adalah resistor 1M yang sangat membatasi arus, namun, output dari filter melewati opamp (opamp kedua dari IC1), dalam konfigurasi pengikut tegangan. Opamp pertama dari IC1, R7, dan Q2 membangun rangkaian beban arus konstan. Sejauh ini, kami telah membangun beban arus konstan yang dapat dikontrol PWM.

LCD 2*16 digunakan sebagai antarmuka pengguna yang memudahkan pengontrolan/penyesuaian. Potensiometer R4 mengatur kontras LCD. R6 membatasi arus lampu latar. P2 adalah konektor Molex 2 pin yang digunakan untuk menghubungkan buzzer 5V. R1 dan R2 adalah resistor pull-up untuk sakelar taktil. C3 dan C4 digunakan untuk mendebounce tombol-tekan. C1 dan C1 digunakan untuk menyaring tegangan suplai rangkaian. C5 dan C6 digunakan untuk menyaring suara rangkaian beban arus konstan agar tidak menurunkan kinerja konversi ADC. R7 bertindak sebagai beban untuk Q2 MOSFET.

1-1: Apa yang dimaksud dengan beban DC arus konstan?

Beban arus konstan adalah rangkaian yang selalu menarik jumlah arus yang konstan, bahkan jika tegangan input yang diterapkan bervariasi. Misalnya, jika kita menghubungkan beban arus konstan ke catu daya dan mengatur arus pada 250mA, penarikan arus tidak akan berubah bahkan jika tegangan input 5V atau 12V atau apa pun. Fitur dari rangkaian beban arus konstan ini memungkinkan kita untuk membangun perangkat pengukuran kapasitas baterai. Jika kita menggunakan resistor sederhana sebagai beban untuk mengukur kapasitas baterai, saat tegangan baterai berkurang, arus juga berkurang yang membuat perhitungan menjadi rumit dan tidak akurat.

2: Papan PCB

Gambar 3 menunjukkan tata letak sirkuit PCB yang dirancang. Kedua sisi papan digunakan untuk memasang komponen. Ketika saya bermaksud untuk mendesain Skema/PCB, saya selalu menggunakan pustaka komponen SamacSys, karena pustaka ini mengikuti standar IPC industri dan semuanya gratis. Saya menggunakan perpustakaan ini untuk IC1 [2], Q2 [3], dan bahkan saya dapat menemukan perpustakaan Arduino-Nano (AR1) [4] yang menghemat banyak waktu desain. Saya menggunakan software CAD Altium Designer, jadi saya menggunakan plugin Altium untuk menginstal perpustakaan komponen [5]. Gambar 4 menunjukkan komponen yang dipilih.

Langkah 3: Gambar 3, Papan PCB dari Sirkuit Pengukuran Kapasitas Baterai

Ketika saya bermaksud untuk mendesain Skema/PCB, saya selalu menggunakan pustaka komponen SamacSys, karena pustaka ini mengikuti standar IPC industri dan semuanya gratis. Saya menggunakan perpustakaan ini untuk IC1 [2], Q2 [3], dan bahkan saya dapat menemukan perpustakaan Arduino-Nano (AR1) [4] yang menghemat banyak waktu perancangan. Saya menggunakan software CAD Altium Designer, jadi saya menggunakan plugin Altium untuk menginstal perpustakaan komponen [5]. Gambar 4 menunjukkan komponen yang dipilih.

Langkah 4: Gambar 4, Komponen Terpasang Dari SamacSys Altium Plugin

Papan PCB sedikit lebih besar dari LCD 2*16 agar sesuai dengan tiga tombol tekan taktil. Gambar 5, 6, dan 7 menunjukkan tampilan 3D papan.

Langkah 5: Gambar 5: Tampilan 3D Papan PCB Rakitan (ATAS), Gambar 6: Tampilan 3D Papan PCB Rakitan (Samping), Gambar 7: Tampilan 3D Papan PCB Rakitan (Bawah)

3: Perakitan dan PengujianSaya menggunakan papan PCB semi-buatan untuk membangun prototipe cepat dan menguji sirkuit. Gambar 8 menunjukkan gambar papan. Anda tidak perlu mengikuti saya, cukup pesan PCB ke perusahaan fabrikasi PCB profesional dan buat perangkatnya. Anda harus menggunakan jenis potensiometer berdiri untuk R4 yang memungkinkan Anda menyesuaikan kontras LCD dari sisi papan.

Langkah 6: Gambar 8: Gambar Prototipe Pertama, pada Papan PCB Semi-buatan sendiri

Setelah menyolder komponen dan menyiapkan kondisi pengujian, kami siap menguji sirkuit kami. Jangan lupa untuk memasang heatsink besar pada MOSFET (Q2). Saya memilih R7 menjadi resistor 3-ohm. Ini memungkinkan kita untuk menghasilkan arus konstan hingga 750mA, tetapi dalam kode, saya mengatur arus maksimum ke suatu tempat sekitar 500mA yang cukup untuk tujuan kita. Menurunkan nilai resistor (misalnya 1,5-ohm) dapat membuat arus lebih tinggi, namun, Anda harus menggunakan resistor yang lebih kuat dan memodifikasi kode Arduino. Gambar 9 menunjukkan papan dan kabel eksternalnya.

Langkah 7: Gambar 9: Pengkabelan Perangkat Pengukuran Kapasitas Baterai

Siapkan tegangan sekitar 7V hingga 9V ke input suplai. Saya telah menggunakan regulator papan Arduino untuk membuat rel +5V. Oleh karena itu, jangan pernah memberikan tegangan lebih tinggi dari 9V ke input suplai, jika tidak, Anda dapat merusak chip regulator. Papan akan menyala dan Anda akan melihat teks pada LCD, sama seperti gambar 10. Jika Anda menggunakan LCD 2*16 lampu latar biru, rangkaian akan mengkonsumsi sekitar 75mA.

Langkah 8: Gambar 10: Indikasi Power-up Sirkuit yang Benar pada LCD

Setelah sekitar 3 detik, teks akan dihapus dan di layar berikutnya, Anda dapat menyesuaikan nilai arus konstan dengan menekan tombol atas/bawah (Gambar 11).

Langkah 9: Gambar 11: Penyesuaian Beban Arus Konstan dengan Tombol Tekan Atas/Bawah

Sebelum menghubungkan baterai ke perangkat dan mengukur kapasitasnya, Anda dapat memeriksa sirkuit menggunakan catu daya. Untuk tujuan ini, Anda harus menghubungkan konektor P3 ke catu daya.

Penting: Jangan pernah menerapkan tegangan lebih tinggi dari 5V, atau dalam polaritas terbalik, ke input baterai, jika tidak, Anda akan secara permanen merusak pin digital ke konverter Arduino

Tetapkan batas arus yang Anda inginkan (misalnya 100mA) dan mainkan dengan tegangan catu daya Anda (tetap di bawah 5V). Seperti yang Anda lihat dengan tegangan input apa pun, aliran arus tetap utuh. Itulah yang kami inginkan! (Gambar 12).

Langkah 10: Gambar 12: Aliran Arus Tetap Konstan Bahkan di Depan Variasi Tegangan (diuji Dengan Input 4.3V dan 2.4V)

Tombol tekan ketiga adalah Reset. Itu berarti itu hanya me-restart papan. Ini berguna ketika Anda berencana untuk memulai kembali prosedur untuk menguji mentega yang berbeda.

Bagaimanapun, sekarang Anda yakin bahwa perangkat Anda bekerja dengan sempurna. Anda dapat memutuskan catu daya dan menghubungkan baterai Anda ke input baterai dan mengatur batas arus yang Anda inginkan.

Untuk memulai pengujian saya sendiri, saya memilih baterai lithium-ion berperingkat 8 800mA yang baru (Gambar 13). Kelihatannya seperti tarif yang fantastis, bukan?! Tapi entah bagaimana saya tidak bisa mempercayai ini:-), jadi mari kita uji.

Langkah 11: Gambar 13: Baterai Lithium-ion Berperingkat 8 800mA, Asli atau Palsu?

Sebelum menghubungkan baterai lithium ke papan, kita harus mengisinya, jadi harap siapkan 4.20V tetap (batas CC 500mA atau lebih rendah) dengan catu daya Anda (Misalnya, dengan menggunakan catu daya switching variabel di artikel sebelumnya) dan isi daya baterai sampai aliran arus mencapai tingkat rendah. Jangan mengisi baterai yang tidak dikenal dengan arus tinggi, karena kami tidak yakin dengan kapasitas sebenarnya! Arus pengisian daya yang tinggi dapat meledakkan baterai! Hati-hati. Hasilnya, saya mengikuti prosedur ini dan baterai 8, 800mA kami siap untuk pengukuran kapasitas.

Saya menggunakan dudukan baterai untuk menghubungkan baterai ke papan. Pastikan untuk menggunakan kabel tebal dan pendek yang menimbulkan resistansi rendah karena disipasi daya pada kabel menyebabkan penurunan tegangan dan ketidakakuratan.

Mari kita atur arus ke 500mA dan tekan lama tombol "UP". Kemudian Anda akan mendengar bunyi bip dan prosedur dimulai (Gambar 14). Saya telah mengatur tegangan cut-off (ambang baterai rendah) ke 3.2V. Anda dapat mengubah ambang batas ini dalam kode jika Anda mau.

Langkah 12: Gambar 14: Prosedur Perhitungan Kapasitas Baterai

Pada dasarnya, kita harus menghitung "masa pakai" baterai sebelum tegangannya mencapai ambang batas level rendah. Gambar 15 menunjukkan waktu ketika perangkat memutuskan beban DC dari baterai (3.2V) dan perhitungan dibuat. Perangkat juga menghasilkan dua bunyi bip panjang untuk menunjukkan akhir prosedur. Seperti yang Anda lihat di layar LCD, kapasitas baterai sebenarnya adalah 1, 190mAh yang jauh dari kapasitas yang diklaim! Anda dapat mengikuti prosedur yang sama untuk menguji baterai apa pun (lebih rendah dari 5V).

Langkah 13: Gambar 15: Kapasitas Terhitung Sebenarnya dari Baterai Lithium-ion Berperingkat 8.800mA

Gambar 16 menunjukkan tagihan bahan untuk sirkuit ini.

Langkah 14: Gambar 16: Bill of Material

Langkah 15: Referensi

Sumber Artikel:

[1]:

[2]:

[3]:

[4]:

[5]: