Рубрики
Силовые разъемы

Черта батарей и измерение мощности при помощи программной системы измерительного оборудования

Черта батарей и измерение мощности при помощи программной системы измерительного оборудования Клаудиа Лоренте Кен Рейндел Перевод:Наталия Клемешова Внедрение программного подхода предоставляет

Черта батарей и измерение мощности при помощи программной системы измерительного оборудования Клаудиа Лоренте
Кен Рейндел
Перевод:Наталия Клемешова

Внедрение программного подхода предоставляет разработчикам способности, нужные для адаптации системы к условиям тестирования измерительным оборудованием, также для ее расширения в дальнейшем.

Жесткие условия конкуренции, сложившиеся в текущее время на рынке потребительской электроники, диктуют производителям необходимость выпуска все более маленьких, дешевеньких и совместно с тем паче функциональных (а означает, и сложных) устройств. К примеру, в современном MP3-плеере можно выбирать подходящий перечень песен в меню, просматривать обложки альбомов и даже играть и выводить на экран цветной календарь. Повышение времени работы от батарей в таких устройствах — это одна из основных задач, с которыми сейчас сталкиваются разработчики, потому логично, что значимые издержки времени и усилий приходятся конкретно на тестирование энергопотребления и производительности батарей.

При всем этом появляется еще одна задачка: адаптация имеющегося изменрительного оборудования для работы с новыми технологиями. Производители измерительного оборудования, такие как National Instruments, отвечают на эту потребность выпуском программных средств, позволяющих в точности «подстроить» систему под определенную задачку, заместо того чтоб использовать приборы с данной на аппаратном уровне функциональностью. Этот программно-ориентированный подход именуется технологией виртуальных устройств (virtual instrumentation).

В качестве примера приведем модуль NI PXI-4071, который может быть программно сконфигурирован и как настоящий 26-разрядный (71/2-значный) цифровой мультиметр, и как оцифровщик с частотой дискретизации 1,8 МГц, имеющий возможность проведения хоть какого нужного анализа приобретенных данных. Такая многофункциональность данного прибора в купе с интеграцией с разными средами разработки приложений (такими как NI LabVIEW), обеспечивает упругость, удобство и высшую точность, нужные для решения многих задач, в том числе измерения токов утечки, исходных токов, потребляемой мощности, запасного объема батарей и их внутреннего сопротивления.

Измерение токов утечки и потребляемой мощности

Ток утечки — это ток, протекающий в отключенной батарее. Измерение тока утечки позволяет разработчикам найти, как длительно батарея может сохранять заряд в неиспользуемом устройстве. Чтоб провести это измерение, гальванический элемент нужно поочередно подключить к чувствительному измерителю тока с пикоамперной точностью, такому как модуль NI FlexDMM.

Отслеживание потребляемой устройством мощности помогает предсказать время жизни батареи и улучшить дизайн устройства. В то время как ток при разряде батареи изменяется в широком спектре, уровень напряжения остается фактически неизменным. Для измерения мощности, потребляемой портативными устройствами с источником питания от батарей, нужно использовать высокоточные оцифровщики тока. Таких инструментов нет посреди обычных цифровых мультиметров. Как отмечалось ранее, модуль NI FlexDMM может быть сконфигурирован для работы в качестве оцифровщика тока с частотой дискретизации 1,8 МГц. Эта функция позволяет использовать одно и то же физическое устройство, без переключения проводов, для измерения как тока утечки, так и переходных процессов.

На рис. 1 приведен график измерения мощности, потребляемой MP3-плеером. Измерения и анализ были проведены с внедрением устройства NI FlexDMM, программки LabVIEW 7.1 Express и инструментального драйвера NI-DMM. Этот MP3-плеер обеспечивал малый уровень употребления мощности даже во время проигрывания песен. Потребление росло только тогда, когда юзер перелистывал меню и загружал в память новые файлы, что отражено в виде пиков на графике.

Черта батарей и измерение мощности при помощи программной системы измерительного оборудования
Рис. 1. Измерение употребления мощности MP3-плеером с внедрением модуля NI FlexDMM и программки NI LabVIEW
Черта батареи

Получая свойства разных батарей, инженеры могут выбирать те, которые имеют довольно низкое внутреннее сопротивление, что позволит обеспечить необходимое секундное значение тока. Еще одним принципиальным параметром является запасная мощность батареи. Мощность, обеспечиваемая батареей, — это итог химического процесса, потому значения последних 2-ух характеристик варьируются зависимо от многих причин, таких как метод измерения, температура, возраст элемента и разработка производства.

Запасная мощность батареи — это величина энергии, которую батарея может хранить. Для измерения этого параметра батарею обычно разряжают с определенной скоростью и глядят, за какое время уровень напряжения падает до данного значения, которое находится в зависимости от хим состава элемента. Обычно производители указывают скорость разрядки батарей в 1C (где С — номинальная мощность батареи). Это значит, что если для батареи обозначено значение 1000 мA·ч, то она, имея запасную мощность 100%, должна выдавать ток 1000 мА в течение 1 часа. Если, к примеру, батареи хватило лишь на 45 минут, то ее запасная мощность равна 75%. Для измерения запасной мощности нужно подключить к батарее нагрузку, подобающую определенной скорости разрядки, и создавать четкие измерения напряжения в протяжении долгого периода.

Внутреннее сопротивление батареи определяет ее возможность обеспечивать секундное изменение тока. Чем меньше данная величина, тем резвее батарея сумеет среагировать на резкое изменение уровня потребляемого тока, к примеру, когда юзер меняет песню в MP3-плеере. Внутреннее сопротивление батарей обычно составляет несколько миллиом, а для неких частей — микроом. Внутреннее сопротивление не является неизменной величиной, оно варьируется при подключении нагрузки, не считая того, растет при увеличении температуры, при старении батареи и может быть различным даже для частей 1-го типа зависимо от материалов, используемых при производстве.

Повышение внутреннего сопротивления приводит к понижению производительности. Для определения того момента, когда батарею нужно поменять, некие инженеры вычисляют и выслеживают внутреннее сопротивление батареи относительно значения, измеренного при ее установке. Других интересует, может ли батарея обеспечить пиковый ток для их приложения. В обоих случаях более нужная информация будет получена, если условия измерений будут очень точно имитировать нагрузку на батарею в устройстве.

При проведении опыта, описанного в этой статье, был учтен тот факт, что большая часть потребительских устройств в работающем состоянии поддерживают низкий уровень нагрузки, который резко увеличивается, когда юзер изменяет какие-либо опции. Для проигрывания подходящих критерий в течение какого-то времени уровень нагрузки системы на батарею сохранялся низким (к примеру, 1 мA), потом он резко изменялся (до 100 мA), и в этот момент измерялся скачок напряжения, вызванный конфигурацией нагрузки. Внутреннее сопротивление рассчитывалось из значений тока нагрузки и результирующего напряжения.

Рис. 2а показывает спад напряжения, вызванный возникновением дополнительной нагрузки. Точка 1 соответствует моменту времени, когда к батарее была подключена подготовительная нагрузка, равная 1 мА. Точка 2 соответствует моменту подключения нагрузки 100 мА, а точка 3 — ее удалению. Для вычисления внутреннего сопротивления (Ri) разделим разность напряжений в точках 2 и 3 на разность токов в этих же точках. Ток в точке 2 (I2) равен напряжению в этой точке (V2), деленному на значение подготовительной нагрузки (RPL), а ток в точке 3 (I3) — напряжению в этот момент (V3), деленному на нагрузку (RL).

Ri= δV/δI,

где δV = V2 — V3 δI = I2 — I3 = (V2/RPL) — (V3/RL).

Черта батарей и измерение мощности при помощи программной системы измерительного оборудования
Рис. 2. a) Спад напряжения, вызванный в батарее нагрузкой 100 мA при подготовительной нагрузке 1 мА; б) внутреннее сопротивление батареи относительно нагрузки. Были применены подготовительная нагрузка 1 мA и нагрузки 10, 44, 95, 180 и 265 мА.

Используя разные пары «подготовительная нагрузка — нагрузка», можно измерить внутреннее сопротивление батареи при различных нагрузках. Рис. 2б указывает внутреннее сопротивление батареи с подготовительной нагрузкой 1 мA и нагрузками 10, 100 и 570 мA.

Эта измерительная система может быть сотворена с внедрением упомянутого выше программного подхода. Система должна содержать матричный тумблер для подсоединения к батарее различных нагрузок. Таким макаром, в ней необходимо будет просто измерить скачки напряжений на контактах батареи при помощи цифрового мультиметра DMM [1].

Упрощение разработки систем измерительного оборудования

Повсеместное внедрение батарей диктует необходимость кропотливого исследования их характеристик. При тестировании хим источников тока более нужная информация может быть получена при наивысшем приближении критерий тестирования к реальной системе, которая нагружает батарею. Внедрение программного подхода предоставляет разработчикам способности, нужные для адаптации системы к условиям тестирования, также ее расширения в дальнейшем.