Схема

установки

достаточно проста: это четыре отдельных стабилизатора тока,

выполненных на операционном усилителе LM324 (эта микросхема как раз

состоит из четырёх ОУ в одном корпусе) и полевых транзисторах IRL3502.

Управляются все стабилизаторы одним многооборотным переменным

резистором, поэтому ток на них выставляется одновременно – это упрощает

настройку установки на конкретный тест и сводит к минимуму погрешность

ручной установки тока. Возможные пределы изменения нагрузки – от 0 до 3

А на каждый элемент питания.

Для

измерения напряжения на ещё одной микросхеме LM324 собраны четыре

дифференциальных усилителя, входы которых подключены непосредственно к

контактам колодки, в которую устанавливаются аккумуляторы – это

полностью исключает погрешность, вносимую потерями на соединительных

проводах. С выходов дифференциальных усилителей сигнал поступает на

самописец.

Кроме

того, в схеме присутствует не показанный на рисунке выше генератор

прямоугольных импульсов, периодически то включающий, то полностью

отключающий нагрузку. Длительность "нуля" на выходе генератора равна

6,0 с, длительность "единицы" – 2,25 с. Генератор позволяет

протестировать элементы питания в режиме работы с импульсной нагрузкой

и, в частности, определить их внутреннее сопротивление.

Также

на рисунке выше не показана схема питания установки: она подключается к

блоку питания компьютера, его выходное напряжение (+12 В) понижается до

+9 В стабилизатором на микросхеме 78L09, а необходимое для двуполярного

питания ОУ напряжение -9 В формируется емкостным конвертером на

микросхеме ICL7660. Впрочем, это уже малосущественные нюансы, которые

мы обсуждаем лишь затем, чтобы заранее предупредить вопросы о

корректности проведения измерений, могущие возникнуть у сведущих в

электронике читателей.

Для

охлаждения силовых транзисторов, шунтов обратной связи и собственно

тестируемых элементов питания вся установка обдувается стандартным

12-вольтовым вентилятором типоразмера 80x80x20 мм.

Для

получения и автоматической обработки данных с самописца была написана

специальная программа – к счастью, компания Velleman для многих своих

приборов поставляет весьма простые в использовании SDK и наборы

библиотек. Программа позволяет в реальном времени строить графики

напряжения на элементах питания в зависимости от прошедшего с начала

теста времени, а также рассчитывать – по окончании теста – их ёмкость.

Последняя, очевидно, равна произведению разрядного тока и времени, за

которое элемент достиг нижней границы напряжения.

Граница

же выбирается в зависимости от типа элемента и условий разряда. Для

аккумуляторов при малых токах это 1,0 В – ниже разряжать их просто

нельзя, так как это может привести к необратимой порче элемента; на

больших токах нижняя граница снижается до 0,9 В, чтобы должным образом

учесть внутреннее сопротивление аккумулятора.

Для

батареек практический смысл имеют две границы разряда. С одной стороны,

элемент считается полностью опустошённым, если напряжение на нём упало

до 0,7 В – поэтому логично измерять ёмкость именно по факту достижения

этого уровня. С другой стороны, не все питающиеся от батареек

устройства способны работать при напряжениях ниже 0,9 В, поэтому

практическое значение имеет и то, когда аккумулятор разрядился до

данного уровня. В наших тестах мы будем приводить оба этих значения –

хотя многие элементы, достигнув уровня 1,0 В, дальше разряжаются очень

быстро, есть и такие, которые сравнительно долго держатся между 0,7 В и

0,9 В.

Итак,

установив элементы питания, выставив нужный ток и включив самописец, мы

начинаем тестирование. Для каждого типа элементов питания были выбраны

несколько режимов разрядки – с целью получить наиболее интересные и

характерные результаты.

Для батареек это:

разрядка малым постоянным током: 250 мА для элементов формата АА, 100 мА – формата ААА;
разрядка большим постоянным током: 750 мА для элементов формата АА, 300 мА – формата ААА;
разрядка
импульсным током: длительность импульса 2,25 с, длительность паузы 6,0
с, амплитуда тока 2500 мА для элементов формата АА и 1000 мА – формата
ААА.

Для Ni-MH аккумуляторов это:

разрядка малым постоянным током: 500 мА для элементов формата АА, 200 мА – формата ААА;
разрядка большим постоянным током: 2500 мА для элементов формата АА, 1000 мА – формата ААА;
разрядка
импульсным током: длительность импульса 2,25 с, длительность паузы 6,0
с, амплитуда тока 2500 мА для элементов формата АА и 1000 мА – формата
ААА.

Для

Ni-Cd аккумуляторов формата AA разрядные режимы выбраны такими же, как

и для Ni-MH аккумуляторов формата AAA – с учётом схожей паспортной

ёмкости первых и вторых.

Если

при тестировании батареек всё просто – распечатал упаковку, вставил

батарейку в установку, запустил тест – то аккумуляторы надо

предварительно готовить, ибо все они, кроме упоминавшейся выше серии

"Ready To Use", на момент покупки полностью разряжены. Поэтому

тестирование аккумуляторов проводилось строго по следующей схеме;

измерение остаточной ёмкости на малом токе (только для "Ready To Use" моделей);
зарядка;
разрядка большим током без измерения ёмкости (тренировка);
зарядка;
разрядка большим током с измерением ёмкости;
зарядка;
разрядка импульсным током с измерением ёмкости;
зарядка;
разрядка малым током с измерением ёмкости;
зарядка;
выдержка в течение 7 суток;
разрядка
малым током с измерением ёмкости – далее результат сравнивается с
полученным на предыдущем шаге и рассчитывается процент потери ёмкости
за счёт саморазряда за 1 неделю;

В

тестах батареек мы используем на каждом этапе по одному элементу каждой

марки. В тестах аккумуляторов – минимум по два элемента каждой марки.

Для зарядки аккумуляторов мы используем зарядное устройство Sanyo NC-MQR02.

Это

ЗУ быстрой зарядки с контролем отрицательной дельты напряжения и

температуры аккумуляторов, позволяющее заряжать от одного до четырёх (в

произвольных комбинациях) аккумуляторов формата AA, а также один или

два аккумулятора формата AAA. Первые можно заряжать как током 565 мА,

так и 1275 мА (если аккумуляторов не более двух), вторые – током по 310

мА на элемент. За несколько лет регулярного использования это ЗУ

убедительно доказало свою высокую эффективность и совместимость с

любыми аккумуляторами, что и обусловило его выбор для проведения

тестирования. Чтобы избежать потери ёмкости за счёт саморазряда, во

всех тестах, кроме собственно теста на саморазряд, аккумуляторы

заряжаются непосредственно перед началом измерений.

Измерения

на постоянном токе дают логичную картину (пример представлен на графике

выше): напряжение на элементах быстро снижается в первые минуты теста,

потом выходит на более-менее постоянный уровень, а в самом конце теста,

на последних процентах заряда, снова быстро падает.

Несколько

менее банальны измерения на импульсном токе. На рисунке выше

представлен сильно увеличенный участок графика, полученного в таком

тесте: провалы напряжения на нём соответствуют включению нагрузки,

подъёмы – отключению. Из этого графика легко подсчитать внутреннее

сопротивление аккумулятора: как вы видите, при амплитуде тока 2,5 А

напряжение проседает на 0,1 В – соответственно, внутреннее

сопротивление равно 0,1/2,5 = 0,04 Ом = 40 мОм. Важность этого

параметра станет более ясна из наших последующих статей, в которых мы

сравним друг с другом различные типы батареек и аккумуляторов – а пока

отметим лишь, что большое внутреннее сопротивление вызывает не только

"просадку" напряжения под нагрузкой, но и потери накопленной в

аккумуляторах энергии на нагрев самих себя.

В

полном же масштабе импульсы сливаются друг с другом в сплошную полосу,

верхняя граница которой соответствует напряжению на элементе питания

без нагрузки, нижняя – с нагрузкой. По форме этой полосы можно оценить

не только время работы элемента под тяжёлой импульсной нагрузкой, но и

зависимость его внутреннего сопротивления от глубины разряда: например,

как вы видите, у Ni-MH аккумулятора компании Sony сопротивление почти

постоянно и начинает расти только при полном его разряде. Хороший

результат.

Как

наверняка заметят многие наши читатели, мы выбрали очень жёсткие режимы

разряда: ток 2,5 А весьма велик, а 6-секундная пауза между импульсами

не даёт элементу как следует "отдохнуть" (как мы уже упоминали выше,

батарейки, немного "отлежавшись", могут частично восстановить свою

ёмкость). Тем не менее, сделано это нарочно, чтобы максимально ярко и

наглядно показать различия между элементами питания разных типов и

разного качества. Для того же, чтобы приблизиться к более мягким

реальным условиям эксплуатации, а также к условиям, в которых

производители аккумуляторов измеряют их ёмкость, мы добавили в

тестирование режимы разряда с относительно небольшим постоянным током.

К

слову, сами производители обычно указывают разрядные режимы так же, как

и зарядные – пропорционально ёмкости элемента. Скажем, штатные

измерения ёмкости аккумуляторов положено проводить при токе 0,2C – то

есть 540 мА для аккумулятора на 2700 мА*ч, 500 мА для аккумулятора на

2500 мА*ч, и так далее. Однако, так как аккумуляторы одного

форм-фактора в наших тестах достаточно близки по характеристикам, мы

решили тестировать их при фиксированных токах, не зависящих от

паспортной ёмкости конкретного экземпляра – это сильно упрощает

представление и сопоставление результатов.

И

раз уж речь зашла о ёмкости, стоит упомянуть о некоторой обманчивости

такой общепринятой единицы, как ампер-час. Дело в том, что запасённая в

элементе питания энергия определяется не только тем, сколько времени он

держал заданный ток, но и тем, какое на нём было при этом напряжение –

так, совершенно очевидно, что литиевая батарея ёмкостью 3 А*ч и

напряжением 3 В способна запасти вдвое больше энергии, чем батарея

ёмкостью те же 3 А*ч, но напряжением 1,5 В. Поэтому правильнее

указывать ёмкость не в ампер-часах, а в ватт-часах, получая их через

интеграл зависимости напряжения на аккумуляторе от времени разряда при

его постоянном токе. Кроме естественного учёта разного рабочего

напряжения разных элементов, такая методика позволяет ещё и учесть,

насколько хорошо данный конкретный элемент держал напряжение под

нагрузкой. Скажем, если две батарейки разрядились до уровня 0,7 В за 60

минут, но первая большую часть этого времени держалась на уровне 1,1 В,

а вторая – на уровне 0,9 В, совершенно очевидно, что первая имеет

большую реальную ёмкость – несмотря на то, что итоговое время их

разряда одинаково. Особенно это важно в свете того, что большинство

современных электронных устройств потребляют не постоянный ток, а постоянную мощность – и элементы с большим напряжением в них будут работать в более выгодных режимах.

Ближе к практике: примеры энергопотребления

Разумеется,

помимо абстрактного тестирования батареек на управляемой нагрузке, нам

было интересно, как же потребляют ток реальные устройства. Для

прояснения этого вопроса мы, оглядев окружающее пространство, случайным

образом выбрали набор предметов, питающихся от различных батареек.

В

случае, если устройство потребляло более-менее постоянный ток,

измерения проводились обычным цифровым мультиметром Uni-Trend UT70D в

режиме амперметра. Если же ток потребления сильно менялся, то измеряли

мы его, включив между устройством и питающими его батарейками

низкоомный шунт, падение напряжения на котором фиксировалось

осциллографом Velleman PCSU1000.

Результаты представлены ниже в таблице:

Что

же, среди наших устройств встретились и довольно "прожорливые" –

фотовспышка, фотоаппарат и фонарь с лампой накаливания. Если последний

потреблял положенные ему 700 мА постоянно и непрерывно, то у первых

двух характер энергопотребления оказался более интересным.

Цена вертикального деления на осциллограммах ниже равна 200 мА, нуль соответствует первому делению снизу.

В

обычном режиме Canon PowerShot A510, питающийся от двух элементов типа

АА, потреблял около 800 мА – немало, но и не рекордно много. Однако при

включении (первая группа узких пиков на осциллограмме), движение

объектива (вторая группа пиков) и фокусировке (третья группа) ток мог

вырастать более чем в полтора раза, до 1,2...1,4 А. Что интересно,

сразу после нажатия на "спуск" энергопотребление фотоаппарата упало –

при записи только что снятого кадра на флэшку он автоматически

выключает экран. Впрочем, как только кадр был записан, потребление

поднялось обратно до 800 мА.

Фотовспышка

Pentax AF-500FTZ (четыре элемента формата АА) потребляла ток ещё

интереснее: он был почти равен нулю в периоды между срабатываниями,

мгновенно вырастал до 700 мА сразу после срабатывания (такой момент и

запечатлён на осциллограмме выше), после чего в течение 10...15 секунд

плавно снижался обратно к нулю (рваная линия осциллограммы получилась

из-за того, что вспышка потребляет ток с частотой около 6 кГц). При

этом вспышка демонстрировала чёткую зависимость между временем спада

тока и напряжением питающих её элементов: так как ей надо было каждый

раз накопить определённую энергию, то чем сильнее проседало под

нагрузкой напряжение питания, тем больше времени требовалось для

накопления нужного запаса. Это, кстати, хорошо иллюстрирует одну из

ролей внутреннего сопротивления элементов питания – чем оно меньше, тем

меньше при прочих равных просядет напряжение и тем быстрее вы сможете

сделать следующий кадр со вспышкой.

В

следующих же наших статьях, где мы будем рассматривать уже конкретные

типы и экземпляры батареек и аккумуляторов, примерное представление об

энергетических потребностях разных устройств поможет нам определить,

какие из элементов питания для них подходят.