Приставка к мультиметру для измерения параметров аккумуляторов

С помощью предлагаемой приставки можно измерить параметры Ni-Cd или Ni-MH аккумуляторов типоразмера АА или ААА: напряжение и внутреннее сопротивление при токе нагрузки 0,1 или 1 А, а также их ёмкость по времени разрядки. Это позволит отобрать из имеющихся аккумуляторов лучшие или отбраковать негодные для дальнейшей эксплуатации.

Приставка предназначена для подключения к мультиметру MY-63, который измеряет, наряду с другими параметрами, постоянное и переменное напряжение, а также ёмкость конденсаторов и коэффициент передачи тока биполярных транзисторов. Наличие этих режимов необходимо для функционирования приставки. Её схема показана на рис. 1. На ОУ DA1.1 и полевом транзисторе VT1 собран стабилизатор тока, управляемый напряжением.

Рис. 1

 
На его вход с движка подстроечного резистора R5 поступает образцовое напряжение U_обр = 0,1 В. Через транзистор VT1 протекает ток I_a, который является разрядным для аккумулятора. Он зависит от образцового напряжения и от сопротивления датчика тока (R_T) — резисторов R8, R9 или R10: l_a = U_обр/R_T. Ток разрядки выбирают переключателем SA1. В положении 3 разрядный ток равен 1 А, в положении 2 — 0,1 А, а в положении 1 — около 10 мкА (его можно считать равным нулю). На ОУ DA1.2 собран усилитель с единичным коэффициентом передачи на постоянном токе (К_ус = 1) и около 100 (К_ус = 100) на переменном. Выключателем SA2 отключают аккумулятор от измерительной цепи. Все элементы приставки питаются от внутреннего стабилизатора напряжения мультиметра (+3 В), ток, потребляемый приставкой, не превышает 35...40мкА. Такая экономичность достигнута благодаря применению микромощного сдвоенного ОУ ОРА293.
 
Для измерения напряжения аккумулятора мультиметр включают в режим измерения постоянного напряжения на пределе 2 В. Аккумулятор, установленный в держатель, подключают к измерительной цепи выключателем SA2. Изменяя переключателем SA1 ток разрядки, снимают показания вольтметра U_а0(при l_a = 0), U_a0,1(при I_а = 0,1 А) и U_а1 (при I_а = 1 А). По этим данным рассчитывают внутреннее сопротивление аккумулятора, которое можно назвать статическим. Например, для l_a = 1 А, R_CT = (U_a0 - U_a1)/1. В этом режиме можно определить и ёмкость аккумулятора. Для этого измеряют продолжительность разрядки t_paз полностью заряженного аккумулятора стабильным током I_а до напряжения 0,9 В и вычисляют его ёмкость: С = l_a-t_paз (Ач). Во время разрядки мультиметр выключать нельзя, поскольку отключится и стабилизатор тока.
 
Чтобы не проводить расчёт внутреннего сопротивления, в приставке предусмотрен режим его измерения, в котором использован способ, приведённый в статье Б. Степанова "Измерение параметров аккумуляторов" ("Радио", 2001, № 9, с. 42). Он основан на том, что к образцовому напряжению стабилизатора тока добавляется переменная составляющая. Измеряя переменную составляющую напряжения на аккумуляторе, можно определить его внутреннее сопротивление. Источником переменного напряжения в приставке служит сигнал частотой около 400 Гц и амплитудой 50 мВ, который присутствует в мультиметре MY-63 на левом контакте разъёма "Сх", предназначенного для подключения измеряемого конденсатора. Переменное напряжение поступает на вход стабилизатора тока, управляемого напряжением, и приводит к появлению переменной составляющей как разрядного тока (Iа), так и напряжения аккумулятора U_a = I_aR_Д где R_Д — его внутреннее дифференциальное сопротивление. В приставке установлен I_a = 10 мА. Чтобы переменная составляющая тока была одинаковой при разном токе разрядки, переменное напряжение, поступающее с гнезда "C_x", при l_a = 1 А дополнительно уменьшает подстроенный резистор R1. Напряжение U_а усиливает ОУ DA1.2, и затем оно поступает на вход мультиметра, который включают в режим измерения переменного напряжения на пределе 2 В. Переменное напряжение на выходе этого ОУ равно: U_оу = U_aK = I_a R_Д К. Переменная составляющая разрядного тока (l_a) и коэффициент усиления ОУ DA1.2 (К) выбраны так, что измеренное переменное напряжение на выходе приставки (U_оy) численно равно внутреннему дифференциальному сопротивлению (R_д) аккумулятора. Например, для R_д = 0,1 Ом получим U_oy = 0,01х0,1х100 = 0,1 В. Именно это напряжение и будет показывать вольтметр. Следует учесть, что рассчитанное и измеренное значения внутреннего сопротивления будут немного различаться, поскольку в первом случае оно определяется разностью значений напряжения холостого хода и под нагрузкой, а во втором — наклоном нагрузочной характеристики аккумулятора в конкретной точке.

Большинство элементов приставки размещены на печатной плате из фольгированного с одной стороны стеклотекстолита толщиной 1,5...2 мм, чертёж которой показан на рис. 2. Применены постоянные резисторы для поверхностного монтажа РН1-12 типоразмера 1206 (резистор R10 типоразмера 2512), подстроечные — СПЗ-19. Оксидный конденсатор — танталовый для поверхностного монтажа типоразмера В или С, остальные — керамические типоразмера 1206 (С2, С4) и 0805 (СЗ). Полевой транзистор должен быть в корпусе D²Pak, его припаивают к металлизированной площадке для улучшения отвода тепла. Кроме того, он должен быть с так называемым "управлением логическим уровнем", т. е. при напряжении затвор-исток 2,5 В ток стока должен быть не менее 2...ЗА. В наименовании некоторых таких транзисторов в префиксе присутствует буква L. Кроме указанного на схеме IRL2505S, подойдёт, например, IRLR2905.

 
Выключатель SA2 должен иметь малое переходное сопротивление контактов в замкнутом состоянии и рассчитан на ток не менее 1...2А, подойдёт, например, В3009. Если выключатель с такими параметрами недоступен, его лучше исключить, установив взамен него проволочную перемычку. Переключатель SA1 на три положения и два направления на ток не менее 1 А — SS23F07. Подойдут и некоторые другие серии SS23, рассчитанные на коммутацию тока 1,5 А, например, SS23E24, SS23E28, SS23E29, но при этом потребуется изменить печатную плату, поскольку эти переключатели имеют другое расположение выводов.

Операционный усилитель можно заменить на аналогичный микромощный Rail-to-Rail, например LMV358DR2G. Вилка ХР1 — отрезок медной лужёной проволоки диаметром 1 и длиной 15 мм, соединённый изолированным проводом с платой. Эту вилку вставляют в гнездо "С NPN", предназначенное для подключения биполярных транзисторов. Вилки ХР2 и ХРЗ — штыри диаметром 4 и длиной 35 мм, которые закреплены в отверстиях платы. Вилка ХР4 — полоска лужёной латуни или меди толщиной 0,5, шириной 4 и длиной 20 мм, её припаивают со стороны печатных проводников к контактной площадке на плате. При установке приставки вилки ХР2 и ХРЗ должны входить в соответствующие гнёзда мультиметра, а ХР4 — в левое гнездо разъёма "Сх". После проверки и налаживания приставки вилки ХР1—ХРЗ закрепляют на плате эпоксидным клеем. Держатель аккумулятора (кассета) обеспечивает малое переходное сопротивление, поэтому его контакты должны быть не в виде спиральных пружин, а лепестковые.

Устройство можно упростить, исключив режим измерения дифференциального сопротивления и соответствующие ему элементы. В этом случае переключатель SA1 может быть на одно направление и три положения, ОУ — одиночный (DA1.2 не нужен), подойдёт LMV321SQ3T2G. Сток полевого транзистора и контакт Х1 соединяют с вилкой ХР2, исключают резисторы R1, R2, R4, R11, R12 (взамен R4 устанавливают проволочную перемычку), конденсаторы С2, С4. В таком варианте приставку, изменив её конструкцию, можно использовать совместно с более простыми и доступными мультиметрами серии М-83х (DT-83x), в которых есть режимы измерения постоянного напряжения и коэффициента передачи тока биполярных транзисторов.

Налаживают приставку в следующей последовательности. Подключают её к мультиметру, устанавливают в держатель полностью заряженный аккумулятор, а переключатель SA1 — в положение 1 ("0 А"). Движок резистора R2 переводят в нижнее по схеме положение, мультиметр переключают в режим измерения постоянного напряжения на пределе 2 В и  включают питание. Показания мультиметра должны соответствовать напряжению аккумулятора, которое контролируют образцовым вольтметром. Выключив мультиметр, между одним из выводов аккумулятора и контактом держателя устанавливают пластину-вставку из двустороннего фольгированного стеклотекстолита толщиной 0,5, шириной 10 и длиной около 15 мм. Предварительно к каждой стороне пластины припаивают по толстому изолированному проводу, к которым подключают амперметр постоянного тока. Переключатель SA1 устанавливают в положение 3 ("1 А") и включают мультиметр. Подстроечным резистором R5 устанавливают соответствующий ток стабилизатора (1 А). В положении переключателя 2 ("0,1 А") ток должен уменьшиться до этого значения, а в положении 1 ("0 А") — не превысить 20 мкА.

 
Выключают мультиметр и взамен проводов к пластине припаивают резистор R_доп сопротивлением 0,1 Ом. Движки резисторов R2 и R11 устанавливают в среднее положение, мультиметр переводят в режим измерения переменного напряжения на пределе 2 В, а затем включают питание. Устанавливают ток разрядки 0,1 А. При этом вольтметр будет показывать напряжение (U₂), пропорциональное сумме внутреннего дифференциального сопротивления аккумулятора и дополнительного резистора R_д + R_доп. Если замкнуть, например, пинцетом резистор R_доп, он будет исключён из цепи протекания тока разрядки и показания вольтметра уменьшатся (U₁). Движок резистора R2 устанавливают в положение, при котором U₂-U₁ = 0,1 В. При этом, возможно, потребуется изменить положение движка резистора R11. Аналогично проводят налаживание при токе разрядки 1 А, но используют только резистор R1. Регулировку желательно провести два-три раза. Внешний вид приставки показан на рис. 3.

И. НЕЧАЕВ, г. Москва Радио №7, 2013