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Prova batterie con misura della resistenza serie

Indice Argomento Corrente
1) Prova batterie con misura della resistenza serie
2) Schema elettrico Prova batterie
3) Caratteristiche dei componenti utilizzati
4) Taratura del prova batterie
5) Misure eseguite durante il funzionamento del Prova batterie

Prova batterie con misura della resistenza serie

Si tratta di uno prova batterie che induce un assorbimento variabile in modo da calcolare, con l'uso di un oscilloscopio, la resistenza serie delle batterie in esame.
Confrontando questi valori con i dati di targa delle batterie si determina se è ancora in grado di funzionare correttamente.

Prova batterie

Sopra lo schema a blocchi del circuito di prova atto a misurare la resistenza serie.
Il prova batterie in verde consiste in una resistenza che viene inserita e disinserita con l'interruttore S1.
L'interruttore S1 viene azionato diverse centinaia di volte al secondo, il segnale prelevato ai capi della batteria e misurato con l'oscilloscopio settato in AC rappresenta l'abbassamento della tensione ai capi della batteria sotto carico.
Basta misurare il valore picco-picco della forma d'onda ottenuta e dividerlo per la corrente che passa in RC per determinare la resistenza serie.

Schema elettrico Prova batterie

Il basso lo schema del Prova batterie ad impulsi.
Come vedete la parte finale va realizzata con filo di rame di sezione sufficiente per veicolare delle correnti relativamente alte senza introdurre una significativa caduta di tensione.

Prova batterie ad impulsi di corrente

Analizziamo il funzionamento del circuito:

L'integrato 40106-1, una porta NOT smith-trigger CMOS, funge da generatore di onda quadra con simmetria variabile.
Regolando i trimmer Trim1-Trim2 è possibile variare la simmetria dell'onda quadra e la frequenza della stessa.
Il condensatore C1 assieme ai due trimmer e ai diodi schottky D1 2 D2 determinano la frequenza dell'onda quadra.
Aumentando la capacità C1 la frequenza scende e viceversa riducendo C1 la frequenza sale.
Possiamo prendere in considerazione di variare C1 qualora volessimo far funzionare il circuito a frequenze diverse da quelle scelte in fase di progetto.
Le restanti porte logiche servono solo a squadrare e bufferizzare l'onda quadra che viene poi applicata sul gate di M1 attraverso la resistenza R2.
La resistenza R1 serve per riferimento di massa, per forzare il gate di M1 a potenziale zero quando il valore dell'onda quadra è zero.
Il carico della batteria quando M1 è in saturazione è costituito da R3.
Nel nostro circuito R3 è 10 Ohm ma possiamo ridurre il valore fino ad 1 Ohm senza problemi aumentando in questo modo la corrente che passa nel circuito ed eseguendo una misura più precisa della resistenza serie della batteria.
Il valore da noi scelto è tale da permettere una misura abbastanza precisa della resistenza serie della batteria senza dissipare troppa energia, quindi evitando di surriscaldare R3 e di doverla dotare di una aletta di raffreddamento che aumenterebbe l'imgombro del circuito.
A regime la corrente è data dal valore della tensione di batteria diviso la resistenza R3 (10 Ω).
L'induttanza L1 e il condensatore C5 servono per eliminare i transienti di commutazione e ripulire la tensione che arriva al regolatore di tensione 7812 (che in pratica alla normale tensione di batteria non funziona quasi mai) che alimenta l'integrato 40106.
Lo stesso compito hanno anche i condensatori C2 e C3.
La resistenza R3 deve essere adatta per dissipare una discreta potenza, quindi ne abbiamo scelta una del tipo corazzato da 50W.
Facendo un rapido conto della potenza dissipata alla tensione di 12V la resistenza R3 dissipa (12*((12/10)2))/2=7,2Watt dove 12V è la tensione della batteria, 10 Ohm la resistenza R3 il tutto fratto 2 perchè il tempo di on del mosfet è il 50%.
Tutto il circuito in cui passano i picchi di corrente, compresi i fili di collegamento con la batteria che devono essere il più corti possibile.
Il mosfet M1 deve essere dotato di una piccola aletta di raffreddamento.
Il tempo di commutazione dello stesso è una frazione irrilevante del tempo di durata dell'onda quadra che lo eccita, essendo la frequenza dell'ordine dei 400 hz, quindi la dissipazione di energia dello stesso, dovuto al passaggio nella zona di funzionamento lineare è molto basso.
Il compromesso va cercato fra dissipazione di calore ed efficacia del circuito, quindi per raggiungere lo scopo si può agire sulla simmetria dell'onda quadra generata, facendo in modo che il mosfet sia interdetto per la maggior parte del tempo.

Caratteristiche dei componenti utilizzati

Vedere i relativi datasheet.

Taratura del prova batterie

Basta misurare con una certa precisione la tensione ai capi di R3 con l'oscilloscopio per determinare la corrente che passa nella stessa e di conseguenza in tutto il circuito.
In questo modo si esclude anche la tensione che cade ai capi del mosfet e si compensa l'eventuale fluttuazione della tensione di batteria.
Questo lavoro può (modificando il circuito) essere svolto in automatico da un microprocessore.

Misure eseguite durante il funzionamento del Prova batterie

Le misure di tensione sono state eseguite con un tester da banco Keithley 2015 e con un oscilloscopio Tektronix 2465B da 400Mhz utilizzando diversi tipi di sonda, da 50Mhz e 250Mhz dotate di attenuatore 1/10 escludibile.
Per i rilievi termici è stata utilizzata una termocam Fluke Ti9.

Misure eseguite durante il funzionamento del Prova batterie Misure eseguite durante il funzionamento del Prova batterie

Da un rapido calcolo la frequenza di commutazione del mosfet è di circa 400Hz.
Infatti la base dei tempi è impostata su 1mS (sulla immagine sopra a sinistra) a divisione e la durata di un periodo è 2,5mS.
La simmetria dell'onda è al 50% circa, ovvero il tempo di off e di on del mosfet si equivalgono.
Nel primo caso la variazione di tensione dovuta al carico rilevata sulla batteria è di 48,8mV, quindi la resistenza interna della batteria è dovuta alla corrente che passa 12/10=1,2 Ampere dove 12V è la tensione rilevata ai capi di R3 quando il mosfet è saturo e 10 Ohm la resistenza di carico.
Quindi la resistenza interna è di (48,8*10-3)/1,2=40,6 mOhm.
Nella immagine sopra a destra una batteria in migliori condizioni.
Nel secondo caso la variazione di tensione dovuta al carico rilevata sulla batteria è di 20,4 mV.
Quindi la resistenza interna è di (20,4*10-3)/1,2=17 mOhm.
Ovviamente tutte e due le batterie sono dello stesso modello, la prima è solfatata o parzialmente essiccata, la seconda funziona regolarmente.

Per eseguire una prova omogenea abbiamo caricato le due batterie alla tensione corrispondente ad una carica del 99% secondo la tabella riportata di seguito.
Eseguendo la prova quando la batteria è parzialmente scarica la resistenza serie della stessa ovviamente aumenta.

%CARICA TENSIONE
99 12.91
90 12.80
80 12.66
70 12.52
60 12.38
50 12.22
40 12.06
30 11.90
20 11.70
10 11.42
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