VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ USB TESTER AKUMULÁTORŮ BAKALÁŘSKÁ PRÁCE FAKULTA ELEKTROTECHNIKY A KOMUNIKAČNÍCH TECHNOLOGIÍ ÚSTAV TELEKOMUNIKACÍ

VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ BRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY

FAKULTA ELEKTROTECHNIKY A KOMUNIKAČNÍCH TECHNOLOGIÍ ÚSTAV TELEKOMUNIKACÍ FACULTY OF ELECTRICAL ENGINEERING AND COMMUNICATION DEPARTMENT OF TELECOMMUNICATIONS

USB TESTER AKUMULÁTORŮ USB BATTERY TESTER

BAKALÁŘSKÁ PRÁCE BACHELOR'S THESIS

AUTOR PRÁCE

LUKÁŠ ANDRYSÍK

AUTHOR

VEDOUCÍ PRÁCE SUPERVISOR

BRNO 2014

doc. Ing. IVO LATTENBERG, Ph.D.

VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií Ústav telekomunikací

Bakalářská práce bakalářský studijní obor Teleinformatika Student: Ročník:

Lukáš Andrysík 3

ID: 145963 Akademický rok: 2013/2014

NÁZEV TÉMATU:

USB tester akumulátorů POKYNY PRO VYPRACOVÁNÍ: Navrhněte a realizujte elektronický USB tester, který bude měřit kapacitu akumulátorů a baterií. U baterií to bude za cenu úplného vybití vzorku. Přístroj bude dále umožňovat měření vnitřního odporu. Vytvořte ovládací program pro PC, kde bude možno konfigurovat profil (akumulátory/baterie). U každého profilu se budou nastavovat parametry vybíjení, potřebné pro měření kapacity. Měření pak bude prováděno autonomně (i při vypnutém PC za předpokladu trvalého napájení USB portu). Program bude zobrazovat graficky informace o průběhu vybíjení článku zaznamenané testerem během vybíjení. DOPORUČENÁ LITERATURA: [1] ARENDÁŠ, M., RUČKA, M. Nabíječky a nabíjení. Nakladatelství BEN - technická literatura, Praha 2002, 112 stran, ISBN 80-86056-61-9. [2] BRTNÍK, B., MATOUŠEK, D. Mikroprocesorová technika BEN - technická literatura, Praha 2011, 152 stran, ISBN 978-80-7300-406-4. [3] MATOUŠEK, D. Práce s mikrokontroléry Atmel AVR. Nakladatelství BEN - technická literatura, Praha 2006, 376 stran, ISBN 80-7300-209-4. Termín zadání:

10.2.2014

Termín odevzdání:

4.6.2014

Vedoucí práce: doc. Ing. Ivo Lattenberg, Ph.D. Konzultanti bakalářské práce:

doc. Ing. Jiří Mišurec, CSc. Předseda oborové rady UPOZORNĚNÍ: Autor bakalářské práce nesmí při vytváření bakalářské práce porušit autorská práva třetích osob, zejména nesmí zasahovat nedovoleným způsobem do cizích autorských práv osobnostních a musí si být plně vědom následků porušení ustanovení § 11 a následujících autorského zákona č. 121/2000 Sb., včetně možných trestněprávních důsledků vyplývajících z ustanovení části druhé, hlavy VI. díl 4 Trestního zákoníku č.40/2009 Sb.

Abstrakt Tato pr´ace se zab´ yv´a konstrukc´ı testeru akumul´ator˚ u a problematikou nejzn´amˇejˇs´ıch prim´arn´ıch a sekund´arn´ıch elektrochemick´ ych ˇcl´ank˚ u. Je tvoˇrena ˇctyˇrmi ˇca´stmi – prvn´ı se zab´ yv´a obecn´ ym popisem nejpouˇz´ıvanˇejˇs´ıch elektrochemick´ ych ˇcl´ank˚ u v souˇcasnosti, jejich vlastnostmi, v´ yhodami, nev´ yhodami a oblast´ı pouˇzit´ı. Druh´a se t´ yk´a n´avrhu vlastn´ıho zaˇr´ızen´ı urˇcen´eho k jejich testov´an´ı, popisem jednotliv´ ych blok˚ u obvodu a v´ ypoˇctem potˇrebn´ ych hodnot spolu s n´avrhem ˇr´ıdic´ıho software. Tˇret´ı ˇca´st se vˇenuje mechanick´e konstrukci a v´ yrobˇe DPS. Posledn´ı ˇca´st je vˇenovan´a srovn´an´ı vlastnost´ı nˇekolika typ˚ u ˇcl´ank˚ u z hlediska kapacity a jejich v´ ykonu pˇri rozd´ıln´ ych podm´ınk´ach.

Kl´ıˇ cov´ a slova Akumul´atory, Baterie, Mikrokontrol´er, USB, Zdroj proudu, Sekund´arn´ı ˇcl´anek, Prim´arn´ı ˇcl´anek, Elektrochemick´ y ˇcl´anek, NiCd, NiMH, Li-ion

Abstract This bachelor’s thesis contains construction of battery tester along with primary and secondary cells comparsion. It consists of four parts – the first one focuses on general description of the most commonly used electrochemical cells, their characteristics, advantages and disadvantages. Second one relates to design a custom equipment for testing these cells including software, parts values calculations and common problems with the design. Third part is mainly about mechanical design and PCB manufacture. The last section is devoted to comparsion of several models of cells in terms of capacity and performance under different conditions

Keywords Accumulator, Batteries, Microcontroller, USB, Current source, Secondary cell, Primary cell, Electrochemical cell, NiCd, NiMH, Li-ion

ANDRYS´IK, L. USB tester akumul´ator˚ u. Brno: Vysok´e uˇcen´ı technick´e v Brnˇe, Fakulta elektrotechniky a komunikaˇcn´ıch technologi´ı, 2014. 57 s. Vedouc´ı bakal´aˇrsk´e pr´ace doc. Ing. Ivo Lattenberg, Ph.D..

Prohl´ aˇ sen´ı Prohlaˇsuji, ˇze jsem tuto vysokoˇskolskou kvalifikaˇcn´ı pr´aci vypracoval samostatnˇe pod veden´ım vedouc´ıho diplomov´e pr´ace, s pouˇzit´ım odborn´e literatury a dalˇs´ıch informaˇcn´ıch zdroj˚ u, kter´e jsou vˇsechny citov´any v pr´aci a uvedeny v seznamu literatury. Jako autor uveden´e pr´ace d´ale prohlaˇsuji, ˇze v souvislosti s vytvoˇren´ım t´eto bakal´aˇrsk´e pr´ace jsem neporuˇsil autorsk´a pr´ava tˇret´ıch osob, zejm´ena jsem nezas´ahl nedovolen´ ym zp˚ usobem do ciz´ıch autorsk´ ych pr´av osobnostn´ıch a jsem si plnˇe vˇedom n´asledk˚ u poruˇsen´ı.

V Brnˇe dne 2. 6. 2014

.............................. Luk´aˇs Andrys´ık

Podˇ ekov´ an´ı Chtˇel bych podˇekovat sv´emu vedouc´ımu bakal´aˇrsk´e pr´ace doc. Ing. Ivo Lattenbergovi, Ph.D. za odborn´e veden´ı, pomoc a rady pˇri zpracov´an´ı t´eto pr´ace.

OBSAH ´ 1 Uvod do problematiky testeru

8

2 Elektrochemick´ eˇ cl´ anky 2.1 Historie . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2 Prim´arn´ı ˇcl´anky . . . . . . . . . . . . . . 2.2.1 Zinko-uhl´ıkov´e a zinko-chloridov´e 2.2.2 Alkalick´e . . . . . . . . . . . . . . 2.2.3 Stˇr´ıbro-oxidov´e . . . . . . . . . . 2.2.4 Lithiov´e . . . . . . . . . . . . . . 2.3 Sekund´arn´ı ˇcl´anky . . . . . . . . . . . . 2.3.1 Olovˇen´e . . . . . . . . . . . . . . 2.3.2 NiMH . . . . . . . . . . . . . . . 2.3.3 Li-ion . . . . . . . . . . . . . . . 3 N´ avrh zaˇ r´ızen´ı ˇ 3.1 Rady rezistor˚ u. . . . . . . . . . . . . . 3.2 Komunikace . . . . . . . . . . . . . . . 3.2.1 Pˇrevodn´ıky USB - s´eriov´a linka 3.3 Indikace . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.4 Nap´ajen´ı . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.4.1 Nab´ıjen´ı intern´ıho akumul´atoru 3.4.2 Nap´ajen´ı obvodu . . . . . . . . 3.4.3 Ochrann´ y obvod akumul´atoru . 3.5 Mikrokontrol´er . . . . . . . . . . . . . 3.5.1 V´ ybˇer pamˇeti pro data . . . . . ˇ 3.5.2 Zivotnost pamˇeti . . . . . . . . 3.6 Vstupn´ı ochrana . . . . . . . . . . . . . 3.7 Zdroj proudu . . . . . . . . . . . . . . 3.7.1 Zdroj nastavovac´ıho napˇet´ı . . . 3.7.2 Princip v´ ybˇeru proudu . . . . . 3.7.3 V´ ypoˇcet dˇeliˇce . . . . . . . . . 3.8 Sn´ım´an´ı napˇet´ı a proudu . . . . . . . . 3.9 Metodika mˇeˇren´ı . . . . . . . . . . . . 3.9.1 Mˇeˇren´ı vnitˇrn´ıho odporu . . . . 3.9.2 Mˇeˇren´ı kapacity . . . . . . . . . 3.10 N´avrh a implementace software . . . . 3.10.1 Princip mˇeˇren´ı . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . .

9 9 10 10 11 11 12 14 14 15 16

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

17 17 17 18 20 20 21 21 22 23 23 24 24 25 27 27 27 28 30 30 30 31 31

3.11 Software na stranˇe PC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 4 Konstrukce 4.1 V´ yroba DPS . . . . . . . . . . . . . 4.1.1 N´avrh desky ploˇsn´ ych spoj˚ u 4.1.2 Vlastn´ı v´ yroba DPS . . . . 4.2 Mechanick´a konstrukce . . . . . . . 4.2.1 V´ ybˇer krabiˇcky . . . . . . . 4.2.2 Odvod tepla . . . . . . . . . 4.3 Ovˇeˇren´ı funkˇcnosti . . . . . . . . . 4.3.1 Energetick´a n´aroˇcnost . . . 4.3.2 Ovˇeˇren´ı proudov´e stability .

. . . . . . . . .

. . . . . . . . .

5 Mˇ eˇ ren´ı 5.1 Srovn´an´ı vnitˇrn´ıho odporu . . . . . . . 5.2 Mˇeˇren´ı kapacity pˇri r˚ uzn´ ych proudech . 5.3 Mˇeˇren´ı kapacity pˇri r˚ uzn´ ych teplot´ach 5.4 Z´avˇery mˇeˇren´ı . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . .

. . . .

. . . . . . . . .

. . . .

. . . . . . . . .

. . . .

. . . . . . . . .

. . . .

. . . . . . . . .

. . . .

. . . . . . . . .

. . . .

. . . . . . . . .

. . . .

. . . . . . . . .

. . . .

. . . . . . . . .

. . . .

. . . . . . . . .

. . . .

. . . . . . . . .

. . . .

. . . . . . . . .

. . . .

. . . . . . . . .

. . . .

. . . . . . . . .

. . . .

. . . . . . . . .

. . . .

. . . . . . . . .

. . . .

. . . . . . . . .

37 37 37 37 39 39 39 40 40 40

. . . .

41 42 43 45 46

6 Z´ avˇ er

47

Literatura

48

Seznam symbol˚ u, veliˇ cin a zkratek

51

Seznam pˇ r´ıloh

53

A Celkov´ y vzhled zaˇ r´ızen´ı

54

B Sch´ ema zapojen´ı

55

C Pˇ redloha pro v´ yrobu DPS

56

D Osazovac´ı pl´ any 57 D.1 Horn´ı vrstva . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 D.2 Spodn´ı vrstva . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57

1

´ UVOD DO PROBLEMATIKY TESTERU

Zad´an´ım t´eto bakal´aˇrsk´e pr´ace bylo vytvoˇrit tester prim´arn´ıch a sekund´arn´ıch ˇcl´ank˚ u. Mˇeˇren´e veliˇciny budou jejich kapacita a vnitˇrn´ı odpor, kter´e budou mˇeˇreny mikrokontrol´erem a zaznamen´any do vnitˇrn´ı pamˇeti, ze kter´e je bude moˇzn´e naˇc´ıst pomoc´ı softwaru na PC. Software na PC bude tak´e pouˇzit pro v´ ybˇer vyb´ıjec´ıho profilu (proud, koneˇcn´e napˇet´ı) a s namˇeˇren´ ymi hodnotami bude prov´adˇet dalˇs´ı operace, jako je zobrazen´ı kˇrivky napˇet´ı v ˇcase, v´ ypoˇcet kapacity a podobnˇe. Pr´ace se dˇel´ı na nˇekolik ˇc´ast´ı – v prvn´ı jde o z´akladn´ı pˇrehled nejv´ıce pouˇz´ıvan´ ych prim´arn´ıch i sekund´arn´ıch ˇcl´ank˚ u se zamˇeˇren´ım prim´arnˇe na komerˇcnˇe dostupn´e ˇcl´anky pro pouˇzit´ı koncov´ ymi spotˇrebiteli. Druh´a ˇca´st se vˇenuje n´avrhu mˇeˇriˇce a z´aleˇzitost´ı s t´ım spojen´ ych, v´ ypoˇcty souˇca´stek, postupem a probl´em˚ u pˇri konstrukci fin´aln´ıho v´ yrobku. Tak´e je zde zm´ınˇen n´avrh ˇr´ıdic´ıho software. Tˇret´ı ˇca´st je zamˇeˇrena hlavnˇe na mechanickou konstrukci a v´ yrobu DPS a tak´e otestov´an´ı z´akladn´ıch funkc´ı pˇr´ıstroje. V posledn´ı ˇc´asti jsem se zamˇeˇril na srovn´an´ı nˇekolika typ˚ u bˇeˇznˇe dostupn´ ych prim´arn´ıch i sekund´arn´ıch ˇcl´ank˚ u velikosti AA ( tuˇzkov´a ” baterie“). Jedn´a se o srovn´an´ı kapacity pˇri r˚ uzn´ ych vyb´ıjec´ıch podm´ınk´ach – at’ uˇz se jedn´a o zmˇenu teploty ˇci vyb´ıjec´ıho proudu. Na zaˇca´tku n´avrhu bylo nutn´e zvolit vhodn´ y hardware, zvl´aˇstˇe pouˇzit´ y mikrokontrol´er. Sv˚ uj projekt jsem postavil na mikrokontrol´eru Atmel 328P-PU v pouzdˇre DIP z d˚ uvodu jednoduch´e pˇr´ıpadn´e v´ ymˇeny v prvotn´ı f´azi oˇzivov´an´ı a programov´an´ı. Jedn´a se o jednoˇcipov´ y osmibitov´ y mikrokontrol´er zaloˇzen´ y na architektuˇre RISC obsahuj´ıc´ı 32 kB pamˇeti flash, ve kter´e bude uloˇzen hlavn´ı ˇr´ıdic´ı program. D´ale disponuje 1 kB pamˇeti EEPROM pro uloˇzen´ı pracovn´ıch dat a tak´e obsahuje 2 kB operaˇcn´ı pamˇeti SRAM. Mezi dalˇs´ı d˚ uleˇzit´e parametry patˇr´ı desetibitov´ y AD pˇrevodn´ık, kter´ ym budou v m´em projektu odeˇc´ıt´any hodnoty napˇet´ı a proudu pˇri mˇeˇren´ı. Z hlediska rozhran´ı se jedn´a o 6 pin˚ u pˇripojen´ ych k AD pˇrevodn´ıku a d´ale 11 univerz´aln´ıch vstupnˇe-v´ ystupn´ıch digit´aln´ıch pin˚ u. Pro s´eriovou komunikaci jsou vyhrazeny dva digit´aln´ı piny. Mikrokontrol´er m´a zabudovan´ y intern´ı oscil´ator a prakticky m˚ uˇze fungovat pouze po pˇripojen´ı extern´ıho nap´ajen´ı. Ovˇsem pro zpˇresnˇen´ı ˇcasov´an´ı se doporuˇcuje pouˇz´ıt extern´ı 16MHz krystal. [2]

8

2 2.1

´ CL ˇ ANKY ´ ELEKTROCHEMICKE Historie

Objev prvn´ıho galvanick´eho ˇcl´anku sah´a aˇz do roku 1780, kdy Luigi Galvani objevil, ˇze pˇri souˇcasn´em dotyku ˇzab´ıho stehna n´astroji z r˚ uzn´ ych kov˚ u dojde k jeho pohybu. Na z´akladˇe tˇechto pozorov´an´ı se Alessandro Volta rozhodl dan´ y jev podrobnˇeji prozkoumat a zaˇcal experimentovat s r˚ uzn´ ymi kombinacemi kov˚ u a elektrolyt˚ u mezi nimi. V roce 1800 po s´erii pokus˚ u zjistil, ˇze nejlepˇs´ı kombinac´ı je z´aporn´a zinkov´a elektroda, kladn´a mˇedˇen´a elektroda a jako elektrolyt zˇredˇen´a kyselina s´ırov´a. Jeho objev znamenal revoluci, jelikoˇz se jednalo o prvn´ı stabiln´ı zdroj elektrick´e energie. Do t´e doby byla lidem zn´am´a pouze statick´a elektˇrina, jej´ıˇz vyuˇzit´ı bylo velmi omezen´e. Po tomto objevu n´asledovala ˇrada experiment´ator˚ u s r˚ uzn´ ymi konstrukcemi a variantami chemick´ ych ˇcl´ank˚ u. [3] Ovˇsem aˇz do roku 1859 se jednalo pouze o nenab´ıjec´ı, prim´arn´ı ˇcl´anky. V tomto roce Gastron Plant´e objevil olovˇen´ y akumul´ator – prvn´ı chemick´ y ˇcl´anek, kter´ y bylo moˇzn´e po vybit´ı znovu nab´ıt, coˇz znamenalo dalˇs´ı z´asadn´ı revoluci v tomto odvˇetv´ı pr˚ umyslu. [21] O nˇekolik desetilet´ı pozdˇeji, v roce 1899 ˇsv´edsk´ y vˇedec jm´enem Waldemar Junger vynaleznul nikl-kadmiov´ y akumul´ator. Jednalo se o prvn´ı sekund´arn´ı ˇcl´anek ˇ edsku roku 1910 a ve s alkalick´ ym elektrolytem. Jeho komerˇcn´ı v´ yroba zaˇcala ve Sv´ srovn´an´ı s doposud pouˇz´ıvan´ ym olovˇen´ ym akumul´atorem mˇel mnohem lepˇs´ı energetickou hustotu. Byl bohuˇzel ovˇsem tak´e mnohem draˇzˇs´ı. [28] V souˇcasn´e dobˇe je na svˇetˇe pouˇz´ıv´ana cel´a ˇsk´ala typ˚ u nab´ıjec´ıch i nenab´ıjec´ıch ˇcl´ank˚ u a jde jen tˇeˇzko ˇr´ıct, kter´ y je lepˇs´ı – kaˇzd´ y typ m´a sv´a pro a proti a pro kaˇzd´ y obor pouˇzit´ı je vhodn´e zv´aˇzit vlastnosti nab´ızen´ ych typ˚ u a vybrat ten nejlepˇs´ı.

9

2.2

Prim´ arn´ı ˇ cl´ anky

Prim´arn´ı ˇcl´anky jsou zdroje elektrick´e energie pˇremˇen ˇuj´ıc´ı chemickou energii na energii elektrickou. Reakce prob´ıhaj´ıc´ı v tˇechto ˇcl´anc´ıch jsou nevratn´e, z ˇcehoˇz vypl´ yv´a, ˇze ˇcl´anky nen´ı moˇzn´e po vybit´ı znovu nab´ıt (na rozd´ıl od sekund´arn´ıch ˇcl´ank˚ u). Existuje mnoho chemick´ ych sloˇzen´ı a velikost´ı prim´arn´ıch ˇcl´ank˚ u, kter´e se od sebe odliˇsuj´ı dle zam´ yˇslen´eho pouˇzit´ı. N´ıˇze bude uvedeno nˇekolik nejpouˇz´ıvanˇejˇs´ıch typ˚ u.

2.2.1

Zinko-uhl´ıkov´ e a zinko-chloridov´ e

Zinko-uhl´ıkov´e ˇcl´anky jsou nejobyˇcejnˇejˇs´ım a nejlevnˇejˇs´ım typem komerˇcnˇe dostupn´ ych ˇcl´ank˚ u. Konstrukˇcnˇe jsou sloˇzeny ze zinkov´eho kal´ıˇsku, slouˇz´ıc´ıho z´aroveˇ n jako z´aporn´a elektroda, d´ale uhl´ıkov´e tyˇcinky uprostˇred ve funkci kladn´e elektrody a smˇesi oxidu manganiˇcit´eho s uhl´ıkov´ ym pr´aˇskem nas´aknu´eho elektrolytem – vodn´ ym roztokem chloridu amonn´eho. V souˇcasn´ ych ˇcl´anc´ıch elektrolyt tvoˇr´ı smˇes chloridu amonn´eho a zineˇcnat´eho. Zinko-uhl´ıkov´e ˇcl´anky maj´ı z´asadn´ı konstrukˇcn´ı nev´ yhodu – zinkov´ y kal´ıˇsek tvoˇr´ıc´ı stˇeny ˇcl´anku totiˇz nepln´ı jen mechanickou funkci – slouˇz´ı z´aroveˇ n tak´e jako z´aporn´a elektorda, kter´a se v pr˚ ubˇehu vyb´ıjen´ı rozpouˇst´ı dle rovnice 2.1. Pokud tedy nen´ı vytvoˇren z dostateˇcnˇe tlust´eho kovu, m˚ uˇze doj´ıt u vybit´eho ˇcl´anku k jej´ımu protrˇzen´ı a vyteˇcen´ı smˇesi elektrolytu mimo ˇcl´anek, ˇc´ımˇz m˚ uˇze doj´ıt ke korozi a n´asledn´emu poˇskozen´ı nap´ajen´eho zaˇr´ızen´ı. Tento probl´em se vyskytoval hlavnˇe dˇr´ıve, kdy byly pouˇz´ıv´any ˇcl´anky s elektrolytem z ˇcist´eho chloridu amonn´eho, jelikoˇz pˇri vyb´ıjen´ı ˇcl´anku nav´ıc tak´e vznikala voda (viz rovnice 2.1). [14] Zn + 2MnO2 + 2NH4 Cl → Mn2 O3 + Zn(NH3 )2 Cl2 + H2 O

(2.1)

V souˇcasnˇe vyr´abˇen´ ych ˇcl´anc´ıch je m´ısto ˇcist´eho chloridu amonn´eho pouˇzita jeho smˇes s vysok´ ym obsahem chloridu zineˇcnat´eho, pˇri kter´e je naopak voda spotˇrebov´av´ana (viz rovnice 2.2). Tyto ˇcl´anky jsou oznaˇcov´any jako zinko-chloridov´e, aˇckoliv v´ yrobci v praxi tyto oba typy vz´ajemnˇe zamˇen ˇuj´ı a toto oznaˇcen´ı nen´ı vˇseobecnˇe zaˇzit´e. Jejich jmenovit´e napˇet´ı je 1,5 V.

4Zn + 8MnO2 + ZnCl2 + 9H2 O → 8MnOOH + ZnCl2 · 4ZnO · 5H2 O

(2.2)

Aˇckoliv byl probl´em vyt´ek´an´ı v´ıcem´enˇe vyˇreˇsen, vzhledem ke ˇspatn´ ym vlastnostem tˇechto ˇcl´ank˚ u se od jejich pouˇzit´ı tak ˇci tak postupnˇe upouˇst´ı – alkalick´e ˇcl´anky maj´ı v´ yraznˇe lepˇs´ı parametry. At’ uˇz se jedn´a o kapacitu, nebo niˇzˇs´ı samovyb´ıjen´ı a z toho vypl´ yvaj´ıc´ı delˇs´ı skladovatelnost. Tak´e vnitˇrn´ı odpor je niˇzˇs´ı, coˇz umoˇzn ˇuje jejich pouˇzit´ı i ve v´ ykonnˇejˇs´ı elektronice. [6] 10

2.2.2

Alkalick´ e

Alkalick´e ˇcl´anky jsou vylepˇsenou verz´ı ˇcl´ank˚ u zniko-uhl´ıkov´ ych. Jejich jm´eno dostaly z d˚ uvodu pouˇzit´ı alkalick´eho elektrolytu – hydroxidu draseln´eho. Jejich jmenovit´e napˇet´ı je jako v pˇr´ıpadˇe zinko-uhl´ıkov´ ych 1,5 V. Hlavn´ı ˇc´ast´ı ˇcl´anku je st´ale zinek, aˇckoliv jiˇz ne v podobˇe kovov´eho kal´ıˇsku. Je zde pˇr´ıtomen ve formˇe pr´aˇsku tvoˇr´ıc´ıho hlavn´ı sloˇzku gelu obsahuj´ıc´ıho hydroxid draseln´ y a jin´e pomocn´e l´atky, jejichˇz sloˇzen´ı je z´avisl´e na konkr´etn´ım v´ yrobci. D´ale je zde pouˇzita opˇet smˇes oxidu manganiˇcit´eho a pr´aˇskov´eho uhl´ıku. Tyto dvˇe sloˇzky jsou od sebe oddˇeleny separ´atorem ze syntetick´e tkaniny. Pouˇzit´ı pr´aˇskov´eho zinku m´a za n´asledek mnohem vyˇsˇs´ı aktivn´ı plochu zinkov´ ych ˇc´astic a s t´ım souvisej´ıc´ı schopnost ˇcl´anku dodat vyˇsˇs´ı proud. V alkalick´ ych ˇcl´anc´ıch prob´ıh´a reakce mezi vodou, zinkem a oxidem manganiˇcit´ ym podle rovnice 2.3 Zn + 2MnO2 + H2 O → ZnO + 2MnOOH

(2.3)

Alkalick´e ˇcl´anky jsou v souˇcasnosti nejsp´ıˇse nejv´ıce rozˇs´ıˇren´ ym typem prim´arn´ıch ˇcl´ank˚ u. Jejich hlavn´ı pouˇzit´ı je ve spotˇrebn´ı elektronice s n´ızk´ ym aˇz stˇredn´ım odbˇerem, kde mohou vydrˇzet v provozu i nˇekolik let. Napˇr´ıklad d´alkov´a ovl´ad´an´ı, hodiny, bud´ıky a podobnˇe. Aˇckoliv maj´ı niˇzˇs´ı vnitˇrn´ı odpor neˇz zinko-uhl´ıkov´e, maj´ı poˇr´ad vysok´ y vnitˇrn´ı odpor pro pouˇzit´ı v zaˇr´ızen´ıch s vysok´ ym odbˇerem – zde by bylo ovˇsem i nepraktick´e provozovat tyto nenab´ıjec´ı ˇcl´anky z ekonomick´eho hlediska.[7]

2.2.3

Stˇ r´ıbro-oxidov´ e

Stˇr´ıbro-oxidov´e ˇcl´anky maj´ı vysokou kapacitu a ˇzivotnost – aˇz do objeven´ı ˇcl´ank˚ u na b´azi lithia mˇely nejvyˇsˇs´ı zn´amou energetickou hustotu. Konstrukˇcnˇe jsou provedeny ze z´aporn´e elektrody opˇet ze zinku a kladn´e elektrody z oxidu stˇr´ıbrn´eho. Pˇri vyb´ıjen´ı se zinek mˇen´ı na oxid zineˇcnat´ y a oxid stˇr´ıbrn´ y na element´arn´ı stˇr´ıbro. Reakce prob´ıh´a v elektrolytu hydroxidu draseln´eho nebo sodn´eho. Volba elektrolytu je z´avisl´a na u ´ˇcelu pouˇzit´ı – ˇcl´anky s hydroxidem sodn´ ym maj´ı vyˇsˇs´ı energetickou hustotu, verze s hydroxidem draseln´ ym m´a zase schopnost dod´avat vyˇsˇs´ı proudy. V souˇcasn´e dobˇe se ve spotˇrebn´ı elektronice, hlavnˇe z d˚ uvodu vyˇsˇs´ı ceny ve srovn´an´ı s alkalick´ ymi a tak´e faktem, ˇze technologie alkalick´ ych ˇcl´ank˚ u dos´ahla znaˇcn´eho vylepˇsen´ı, pouˇz´ıvaj´ı pouze v proveden´ı mal´ ych knofl´ıkov´ ych ˇcl´ank˚ u do n´aramkov´ ych hodinek, kalkulaˇcek apod. Ve velk´em proveden´ı byly tyto ˇcl´anky pouˇzity pˇri mis´ıch Apollo pro pohon lun´arn´ıch rover˚ u a jin´ ych vojensk´ ych aplikac´ıch (napˇr. torp´eda Mark 37). Oproti dˇr´ıve uveden´ ym typ˚ um maj´ı m´ırnˇe vyˇsˇs´ı jmenovit´e napˇet´ı - 1,55 V. [8][18]

11

2.2.4

Lithiov´ e

Posledn´ı hojnˇe uˇz´ıvanou skupinou prim´arn´ıch ˇcl´ank˚ u jsou ˇcl´anky lithiov´e. Na rozd´ıl od v´ yˇse zm´ınˇen´ ych jejich elektrolyt nen´ı zaloˇzen na vodn´em roztoku, ale pouˇz´ıv´a se sol´ı lithia v r˚ uzn´ ych organick´ ych rozpouˇstˇedlech. Mezi jejich hlavn´ı v´ yhody patˇr´ı mnohem vyˇsˇs´ı kapacita, niˇzˇs´ı samovyb´ıjen´ı a u nˇekter´ ych typ˚ u schopnost dodat velmi vysok´e proudy. Urˇcit´a nev´ yhoda je vyˇsˇs´ı cena zp˚ usoben´a n´aroˇcnost´ı z´ısk´av´an´ı kovov´eho lithia a tak´e je problematick´e hledisko bezpeˇcnosti – lithium je alkalick´ y kov, prudce reaguj´ıc´ı s vodou. Tak´e pouˇz´ıvan´e elektrolyty jsou vysoce hoˇrlav´e, v nˇekter´ ych pˇr´ıpadech i toxick´e. Existuje nepˇrebern´e mnoˇzstv´ı typ˚ u liˇs´ıc´ıch se r˚ uzn´ ym materi´alem kladn´e elektordy a sloˇzen´ım elektrolytu. Z´aporn´a elektorda je vˇzdy z kovov´eho lithia, kladn´a je u nejˇcastˇeji pouˇz´ıvan´ ych ˇcl´ank˚ u z oxidu manganiˇ cit´ eho, stejnˇe jako v pˇr´ıpadˇe alkalick´ ych nebo zinkouhl´ıkov´ ych ˇcl´ank˚ u. Pˇr´ıklad ˇcl´ank˚ u s touto elektrodou jsou mincov´e baterie ˇrady CR“ pouˇz´ıvan´e v d´alkov´ ych ovladaˇc´ıch, z´akladn´ıch desk´ach poˇc´ıtaˇc˚ u pro z´alohu ob” vodu re´aln´eho ˇcasu, pˇr´ıpadnˇe v r˚ uzn´ ych mal´ ych drobnostech typu sv´ıtic´ı pˇr´ıvˇeˇsky na kl´ıˇce. Jejich jmenovit´e napˇet´ı je 3 V a konstrukce je vidˇet na obr´azku 2.4. V´ yhodou tohoto typu je relativnˇe n´ızk´a cena, vysok´a kapacita, vysok´a proudov´a zat´ıˇzitelnost a relativnˇe bezpeˇcn´ y provoz. [5]

Obr. 2.4: Konstrukce ˇcl´anku CR2032 Dalˇs´ım typem jsou ˇcl´anky s kladnou elektrodou tvoˇrenou kapaln´ ym chloridem thionylu. M˚ uˇzeme se s nimi nejˇcastˇeji setkat v podobˇe z´aloˇzn´ıch bateri´ı v r˚ uzn´ ych pr˚ umyslov´ ych zaˇr´ızen´ıch. Na rozd´ıl od typu s oxidem manganiˇcit´ ym maj´ı vyˇsˇs´ı kapacitu a jmenovit´e napˇet´ı (3,6 V), mohou pracovat v ˇsirˇs´ım spektru teplot (jiˇz od teplot hluboko pod bodem mrazu). Mezi nev´ yhody patˇr´ı vyˇsˇs´ı vnitˇrn´ı odpor, coˇz

12

je pˇredurˇcuje pro pouˇzit´ı s velmi n´ızk´ ymi proudy (z´alohy pamˇet´ı, bezdr´atov´e detektory apod.). Hlavn´ı nev´ yhodou je obsah toxick´ ych l´atek, moˇznost v´ ybuchu pˇri nespr´avn´em pouˇzit´ı (zkrat, nab´ıjen´ı) a d´ale tak´e vysok´a cena. Posledn´ı komerˇcnˇe hojnˇe pouˇz´ıvan´ y typ lithiov´ ych ˇcl´ank˚ u m´a kladnou elektrodu z disulfidu ˇ zeleznat´ eho. Jejich jmenovit´e napˇet´ı je niˇzˇs´ı neˇz pˇredchoz´ıch dvou – pouze 1,7 V, coˇz z nich dˇel´a dobrou pˇr´ımou n´ahradu ˇcl´ank˚ u alkalick´ ych nebo zinko-uhl´ıkov´ ych. Ve srovn´an´ı s alkalick´ ymi ˇcl´anky maj´ı niˇzˇs´ı vnitˇrn´ı odpor, funguj´ı i za n´ızk´ ych teplot, maj´ı vyˇsˇs´ı kapacitu a menˇs´ı samovyb´ıjen´ı. Tak´e jejich napˇet´ı je t´emˇeˇr konstantn´ı v pr˚ ubˇehu vyb´ıjen´ı n´ızk´ ym proudem a prudce poklesne aˇz pˇri u ´pln´em vybit´ı ˇcl´anku – alkalick´e a zinko-uhl´ıkov´e ˇcl´anky maj´ı pokles napˇet´ı v z´atˇeˇzi t´emˇeˇr line´arn´ı. Tento pozvoln´ y pokles m˚ uˇze nˇekdy v´est k probl´em˚ um u nespr´avnˇe navrˇzen´ ych zaˇr´ızen´ı (napˇr´ıklad kontrast LCD displeje klesaj´ıc´ı s napˇet´ım, kter´ y nut´ı uˇzivatele vymˇenit ˇcl´anek za nov´ y, aˇckoliv v nˇem zb´ yv´a jeˇstˇe napˇr. 30 % energie). Na druhou stranu toto t´emˇeˇr konstantn´ı napˇet´ı v zaˇr´ızen´ıch velmi ztˇeˇzuje detekci vybit´e baterie“ s dostateˇcn´ ym pˇredstihem. Z tohoto d˚ uvodu napˇr´ıklad ” nedoporuˇcuj´ı v´ yrobci bateriov´ ych kouˇrov´ ych hl´asiˇc˚ u pouˇzit´ı tˇechto ˇcl´ank˚ u. Jejich z´asadn´ım probl´emem je ale hlavnˇe nˇekolikan´asobnˇe vyˇsˇs´ı cena oproti ostatn´ım typ˚ um. [9]

Obr. 2.5: Lithiov´e ˇcl´anky velikosti AA

13

2.3

Sekund´ arn´ı ˇ cl´ anky

U sekund´arn´ıch ˇcl´ank˚ u, nebo tak´e akumul´ator˚ u, jsou chemick´e procesy vratn´e, tud´ıˇz vybit´ y ˇcl´anek lze nabit´ım obnovit do (t´emˇeˇr) p˚ uvodn´ıho stavu.

2.3.1

Olovˇ en´ e

Olovˇen´ y akumul´ator je nejstarˇs´ım z´astupcem sekund´arn´ıch, nab´ıjec´ıch ˇcl´ank˚ u. Roku 1859 jej objevil francouzsk´ y fyzik Gaston Plant´e. Aˇckoliv m´a velmi n´ızkou energetickou hustotu, je i nyn´ı st´ale velmi obl´ıben´ y v mnoha kaˇzdodenn´ıch aplikac´ıch. Mezi nejzn´amˇejˇs´ı oblast pouˇzit´ı patˇr´ı bezpochyby jeho proveden´ı jako startovac´ı baterie v automobilech. Dalˇs´ı rozˇs´ıˇren´e pouˇzit´ı je v z´aloˇzn´ıch zdroj´ıch nap´ajen´ı, at’ jiˇz v mal´ ych UPS, ostrovn´ıch sol´arn´ıch syst´emech ˇci cel´ ych akumul´atorovn´ach napˇr. pro telekomunikaˇcn´ı syst´emy. Mezi jeho hlavn´ı v´ yhody patˇr´ı n´ızk´a cena, dobˇre zvl´adnut´a technologie v´ yroby a schopnost dodat velmi vysok´e proudy vzhledem ke kapacitˇe. Obyˇcejn´ y olovˇen´ y akumul´ator je tvoˇren dvˇema deskami, mezi nimiˇz je zˇredˇen´a kyselina s´ırov´a tvoˇr´ıc´ı elektrolyt. Z´aporn´a deska je v nabit´em stavu z ˇcist´eho houbovit´eho olova (pro dosaˇzen´ı co nejvyˇsˇs´ı aktivn´ı plochy elektrod), kladn´a deska je tvoˇrena oxidem oloviˇcit´ ym. Pˇri vyb´ıjen´ı reaguj´ı obˇe tyto slouˇceniny s elektrolytem a ve vybit´em akumul´atoru jsou obˇe elektrody tvoˇreny s´ıranem olovnat´ ym a elektrolytem je velmi zˇredˇen´ y roztok kyseliny s´ırov´e. Na tuto skuteˇcnost je potˇreba d´avat pozor pˇri pouˇz´ıv´an´ı tˇechto akumul´ator˚ u v prostˇred´ı pod bodem mrazu – zat´ımco elektrolyt plnˇe nabit´eho akumul´atoru zamrzne aˇz pˇri −60°C, vybit´eho mrzne jiˇz pˇri nˇekolika °C pod nulou. Postupem ˇcasu bylo vytvoˇreno mnoho modifikac´ı tˇechto akumul´ator˚ u. Modern´ı akumul´atory nem´ıvaj´ı elektrody z ˇcist´eho olova, ale jejich vlastnosti byly vylepˇseny pˇrid´an´ım legovac´ıch l´atek – nejˇcastˇeji v´apn´ıku, c´ınu, antimonu a dalˇs´ıch. Pro r˚ uzn´a pouˇzit´ı byly tak´e provedeny zmˇeny po konstrukˇcn´ı str´ance. Mezi nejzn´amˇejˇs´ı patˇr´ı syst´em AGM. Chemicky jde o t´emˇeˇr totoˇzn´ y akumul´ator, zmˇena je hlavnˇe mechanick´a – kapaln´ y elektrolyt je nas´aknut v netkan´e skeln´e text´ılii a ˇcl´anek je kromˇe bezpeˇcnostn´ıho ventilu hermeticky uzavˇren. To m´a za n´asledek moˇznost provozovat baterii ˇcl´ank˚ u v libovoln´e poloze, ˇcehoˇz se vyuˇz´ıv´a napˇr´ıklad v bateri´ıch pro motocykly. AGM je podobn´e syst´emu GEL, kde je elektrolyt v podobˇe tuh´eho gelu z velmi jemn´eho oxidu kˇremiˇcit´eho nas´aknut´eho kyselinou s´ırovou. Tento ˇcl´anek lze tak´e provozovat v jak´ekoliv poloze. Jmenovit´e napˇet´ı jednoho ˇcl´anku je 2,0 V [4]

14

2.3.2

NiMH

NiMH, cel´ ym n´azvem nikl-metal hydridov´ y akumul´ator je v souˇcasnosti jedn´ım z nejˇcastˇeji pouˇz´ıvan´ ych akumul´ator˚ u. Vyr´ab´ı se v ˇsirok´e ˇsk´ale komerˇcnˇe dostupn´ ych velikost´ı pro pohon kaˇzdodenn´ı elektroniky. Jeho pˇredch˚ udce je NiCd (nikl-kadmiov´ y akumul´ator) se kter´ ym m´a velmi podobn´e vlastnosti co se t´ yˇce jmenovit´eho napˇet´ı (1,2 V), nab´ıjec´ı charakteristiky a podobnˇe. V tomto ˇcl´anku je kladn´a elektroda tvoˇrena z oxidu-hydroxidu nikelnat´eho a z´aporn´a elektroda smˇes´ı niklu, kobaltu, manganu a nˇekter´ ych vz´acn´ ych kov˚ u (lanthanu, ceru, neodymu apod.). Konstrukce ˇcl´anku v proveden´ı AA – lidovˇe pˇrezd´ıvan´eho tuˇzkov´a baterie“ je ” patrn´a z obr´azku 2.6:(1: kladn´ y p´ol, 2: kovov´ y obal ˇcl´anku, z´aroveˇ n z´aporn´ y p´ol, 3: kladn´a elektroda 4: z´aporn´a elektroda s mˇr´ıˇzkou slouˇz´ıc´ı jako sbˇeraˇc proudu, 5: separ´ator mezi elektrodami.) [4] Velkou nev´ yhodou dˇr´ıve vyr´abˇen´ ych ˇcl´ank˚ u bylo vysok´e samovyb´ıjen´ı. Tento probl´em se jiˇz podaˇril speci´aln´ımi v´ yrobn´ımi technikami znaˇcnˇe eliminovat a v souˇcasn´e dobˇe si je akumul´ator schopen zachovat aˇz 70% energie po pˇeti letech skladov´an´ı. Tento technologick´ y posun umoˇzn ˇuje pouˇzit´ı nab´ıjec´ıch akumul´ator˚ u i v aplikac´ıch, kde to bylo dˇr´ıve d´ıky samovyb´ıjen´ı nepraktick´e. [20]

Obr. 2.6: Konstrukce Ni-MH ˇcl´anku

15

2.3.3

Li-ion

Lithium-iontov´ y akumul´ator je nejnovˇejˇs´ım hojnˇe pouˇz´ıvan´ ym akumul´atorem. Na rozd´ıl od pˇredeˇsle uveden´ ych v sobˇe neobsahuje elektrolyt na vodn´ı b´azi, ale jde opˇet jako v pˇr´ıpadˇe lithiov´eho prim´arn´ıho ˇcl´anku 2.2.4 o smˇes organick´ ych rozpouˇstˇedel a sol´ı lithia. V souˇcasn´e dobˇe se v pˇrenosn´ ych zaˇr´ızen´ıch, kde je kladen velk´ y d˚ uraz na hmotnost a kapacitu, pouˇz´ıv´a v´ yhradnˇe lithium-iontov´ ych ˇcl´ank˚ u, kter´e vytlaˇcily p˚ uvodnˇe pouˇz´ıvan´e ˇcl´anky NiMH ˇci NiCd s mnohem niˇzˇs´ı energetickou hustotou. V souˇcasn´e dobˇe se nejˇcastˇeji pouˇz´ıvaj´ı akumul´atory s kladnou elektrodou tvoˇrenou slouˇceninou kobaltitanu lithnyt´eho (LiCoO2 ), pˇr´ıpadnˇe slouˇceninou LiMn2 O4 . Druh´e jmenovan´e dosahuj´ı niˇzˇs´ı kapacity, jsou ovˇsem schopny dodat mnohem vyˇsˇs´ı proudy, ˇcehoˇz se vyuˇz´ıv´a pˇri pouˇzit´ı v zaˇr´ızen´ıch s vysok´ ym odbˇerem, kde nahrazuj´ı nikl-kadmiov´e akumul´atory (ruˇcn´ı vrtaˇcky, vysavaˇce a podobnˇe). [11] Jmenovit´e napˇet´ı jednoho ˇcl´anku je 3,6 V, coˇz pˇresnˇe odpov´ıd´a tˇrem NiCd ˇci NiMH ˇcl´ank˚ um v s´eriov´em zapojen´ı. T´eto kompatibility“ se vyuˇz´ıvalo napˇr´ıklad ” u starˇs´ıch model˚ u mobiln´ıch telefon˚ u (Nokia 5110, 3310), vybaven´ ych z v´ yroby bateri´ı tvoˇrenou tˇremi NiMH ˇcl´anky, do kter´ ych bylo moˇzn´e zakoupit baterii s vyˇsˇs´ı kapacitou obsahuj´ıc´ı pouze jeden ˇcl´anek Li-ion.

Obr. 2.7: Li-ion ˇcl´anek Panasonic NCR18650

16

3 3.1

´ ˇ ´IZEN´I NAVRH ZAR ˇ Rady rezistor˚ u

Vˇsechny d´ale pouˇzit´e rezistory poch´azej´ı z ˇrady E12. Hodnoty souˇc´astek vych´azej´ı z takzvan´ ych vyvolen´ ych ˇc´ısel. Mimo sady rezistor˚ u se stejn´eho ˇrazen´ı vyuˇz´ıv´a pro odstupˇ nov´an´ı v´ ykonu, poˇctu ot´aˇcek, rozmˇer˚ u, pr˚ umˇeru, hmotnost´ı, drsnost´ı povrchu a podobn´e pouˇzit´ı v technick´e praxi. Byla zvolena stupnice vyvolen´ ych ˇc´ısel, ˇ ktar´a dˇel´ı interval 1 aˇz 10 na 6/12/24 . . . d´ıl˚ u. Rada tˇechto ˇc´ısel tvoˇr´ı pˇribliˇznˇe geometrickou posloupnost a pˇri zobrazen´ı logaritmick´e stupnici bude jejich vz´ajemn´a ˇ vzd´alenost pˇribliˇznˇe stejn´a. Rady tˇechto vyvolen´ ych ˇc´ısel se oznaˇcuj´ı p´ısmenem E a jsou definov´any normou IEC 60063. V tabulce 3.1 je uvedena ˇrada E12 ze kter´e budeme pouˇz´ıvat veˇsker´e rezistory a kondenz´atory.[15] ˇ Tab. 3.1: Rada E12 100

3.2

120

150

180

220

270

330

390

470

560

680

820

Komunikace

Jak jiˇz bylo zm´ınˇeno, mikrokontrol´er podporuje s´eriovou komunikaci pomoc´ı rozhran´ı USART. Jedn´a se o ˇc´ast integrovan´eho obvodu urˇcenou pro s´eriovou komunikaci. Toto rozhran´ı je hojnˇe vyuˇz´ıv´ano v mikrokontrol´erech pro komunikaci s dalˇs´ımi jednotkami ˇci pro komunikaci s PC jako v naˇsem pˇr´ıpadˇe. Vyuˇz´ıv´a tˇr´ı vodiˇc˚ u – jeden pro odes´ıl´an´ı, druh´ y pro pˇr´ıjem a tˇret´ı jako zemˇe. Jelikoˇz toto rozhran´ı pouˇz´ıv´a nejˇcastˇeji pouze napˇet’ov´e u ´rovnˇe 0 V aˇz 3,3 V nebo 5V, nen´ı vhodn´e pro pˇrenosy na delˇs´ı vzd´alenosti vzhledem k velk´e pravdˇepodobnosti vzniku chyb. Na poˇc´ıtaˇci jej proto v t´eto podobˇe nenajdeme. Aˇckoliv na poˇc´ıtaˇc´ıch najdeme rozhran´ı RS232, pˇrezd´ıvan´e tak´e s´eriov´a linka, kter´e je velmi podobn´e - m´a shodn´e ˇcasov´an´ı, ale jin´e napˇet’ov´e u ´rovnˇe. D´ıky rozd´ıln´ ym u ´rovn´ım ovˇsem nen´ı moˇzn´e s mikrokontrol´erem komunikovat pˇr´ımo pouˇzit´ım RS-232 z poˇc´ıtaˇce. Pro pˇr´ımou komunikaci by bylo potˇreba upravit napˇet’ov´e u ´rovnˇe, na coˇz vznikla ˇrada integrovan´ ych obvod˚ u, napˇr´ıklad obl´ıben´ y MAX232, kter´ y ke svoj´ı funkci potˇrebuje pouze 5 V a pˇripojen´ı extern´ıch kondenz´ator˚ u. Bohuˇzel v souˇcasn´e dobˇe se jiˇz RS-232 port pˇrest´av´a objevovat i u stoln´ıch poˇc´ıtaˇc˚ u, nehledˇe na notebooky, kam se neosazuje jiˇz delˇs´ı dobu. Proto bylo potˇreba pˇrij´ıt s nˇejak´ ym jin´ ym zp˚ usobem jak jednoduˇse komunikovat s vyuˇzit´ım novˇejˇs´ıch rozhran´ı na modern´ıch poˇc´ıtaˇc´ıch, jako je tˇreba USB. [26] 17

3.2.1

Pˇ revodn´ıky USB - s´ eriov´ a linka

Jelikoˇz pˇr´ım´a komunikace pomoc´ı USB je sloˇzitˇejˇs´ı, ˇcasto se vyuˇz´ıv´a mikrokontrol´er pracuj´ıc´ı se s´eriovou linkou v kombinaci k pˇrevodn´ıkem na USB. Stejnou logiku zapojen´ı vyuˇz´ıv´a tento projekt. Jako pˇrevodn´ık je moˇzn´e vybrat z ˇrady komerˇcn´ıch integrovan´ ych obvod˚ u, pˇr´ıpadˇe je moˇzn´e zakoupit jiˇz kompletn´ı desku s USB konektorem a kol´ıkovou liˇstou s v´ ystupem potˇreb´ ych nap´ajec´ıch napˇet´ı (obvykle 5 V, pˇr´ıpadnˇe i 3,3 V z integrovan´eho line´arn´ıho stabiliz´atoru) a s´eriov´e linky. Pˇri n´avrhu jsem mˇel k dispozici nˇekolik model˚ u pˇrevodn´ık˚ u: PL2303HX Prvn´ım byl model PL2303HX od spoleˇcnosti Prolific. Tento pˇrevodn´ık podporuje USB 1.1, m´a 256bajtov´ y buffer pro odes´ıl´an´ı a pˇrij´ım´an´ı. Podpora starˇs´ıho USB 1.1 avˇsak nen´ı vzhledem ke zpˇetn´e kompatibilitˇe a pouˇz´ıvan´ ym rychlostem na stranˇe s´eriov´e linky nijak z´asadn´ı. Je kompatibiln´ı jak s 3,3 V, tak 5 V u ´rovnˇemi s´eriov´e linky, vybaven intern´ım 12MHz oscil´atorem a moˇznost´ı pˇripojen´ı extern´ıho krystalu. P˚ uvodn´ı n´avrh obvodu je starˇs´ıho data (rok 2005), avˇsak je poˇr´ad plnˇe podporov´an ze strany v´ yrobce. Aˇckoliv napˇr´ıklad ve starˇs´ıch technick´ ych listech je uvedena podpora pro operaˇcn´ı syst´emy Windows 98 aˇz XP, na str´ank´ach v´ yrobce jsou dostupn´e ovladaˇce a revizovan´e technick´e listy uv´adˇej´ıc´ı podporu i pro v souˇcasn´e dobˇe nejnovˇejˇs´ı syst´em Windows 8.1 v 32 nebo 64bitov´e variantˇe. Mimo klasick´e Windows (vˇcetnˇe serverov´ ych edic´ı) jsou dostupn´e ovladaˇce pro Windows CE, Linux, Android i MAC OS 8/9/OSX. Minim´alnˇe v testovan´em syst´emu Windows 7 64bitov´a verze nebyly ovladaˇce souˇca´st´ı syst´emu a bylo je potˇreba doinstalovat. Tento obvod jsem chtˇel p˚ uvodnˇe pouˇz´ıt, ovˇsem jsem mˇel menˇs´ı pot´ıˇze t´ ykaj´ıc´ı se ovladaˇc˚ u – v nˇekter´ ych pˇr´ıpadech se st´avalo, ˇze odvodu nebylo pˇriˇrazeno ˇc´ıslo COM portu, aˇckoliv bylo pˇripojen´ı poˇc´ıtaˇcem detekov´ano. [22] FT232RL Druh´ y pouˇzit´ y model byl FT232RL od spoleˇcnosti FTDI Chip. V praktick´ ych ohledech se od pˇredchoz´ıch pro naˇse pouˇzit´ı nijak v´ yraznˇe neliˇs´ı - je moˇzn´e jej provozovat pˇr´ımo od napˇet´ı 3,3 V aˇz do 5,25 V. Na rozd´ıl od pˇrechoz´ıho podporuje i niˇzˇs´ı logick´e u ´rovnˇe s´eriov´e linky 1,8 V a 2,8 V. Dalˇs´ı v´ yraznou zmˇenou je integrovan´a EEPROM pamˇet’ do kter´e se daj´ı uloˇzit u ´daje o v´ yrobci, jedineˇcn´e ID produktu, s´eriov´e ˇc´ıslo a dalˇs´ı konfiguraˇcn´ı informace pro USB rozhran´ı. U pˇredchoz´ıho a n´asleduj´ıc´ıho modelu je moˇzno tyto u ´daje uloˇzit do pˇripojen´e extern´ı EEPROM. Bliˇzˇs´ı popis je uveden v katalogov´em listˇe. [13]

18

CP2102 Posledn´ım testovan´ ym pˇrevodn´ıkem byl CP2102 od spoleˇcnosti Silicon Labs. Principem funkce se velmi podob´a pˇrechoz´ım obvod˚ um. Vˇsechny tˇri obvody obsahuj´ı integrovan´ y stabiliz´ator 3,3 V, model od Silicon Labs se vyr´ab´ı tak´e v proveden´ı se stabiliz´atorem nastaven´ ym na 3,45 V. Na rozd´ıl od prvn´ıho uveden´eho, je tento obvod kompatibiln´ı s USB 2.0 a m´ırnˇe se liˇs´ı i dalˇs´ımi parametry jako jsou vstupn´ı a v´ ystupn´ı buffer - 576, respektive 640 bajt˚ u. Dalˇs´ı zmˇenou je moˇznost nap´ajen´ı ˇcistˇe z 3,3 V nap´ajec´ı vˇetve (dovolen´ y rozsah je 3,0 V aˇz 3,6 V) - je moˇzn´e obej´ıt vstupn´ı stabiliz´ator 3,3 V ze kter´eho je cel´ y obvod nap´ajen. Pˇri pouˇzit´ı s klasick´ ym USB z 5 V je ovˇsem potˇreba zachovat zapojen´ı s vyuˇzit´ım stabiliz´atoru. Rozsah vstupn´ıch napˇet´ı je v tomto pˇr´ıpadˇe podle katalogov´eho listu 4,0 V aˇz 5,25 V. Pro tento model jsou k dispozici ovladaˇce pro Windows XP aˇz Windows 8.1, Windows CE, Linux i MAC OSX. Opˇet jako v pˇr´ıpadˇe pˇredeˇsl´eho modelu bylo potˇreba na testovan´em Windows 7 64bitov´e verzi doinstalovat ovladaˇce ze str´anek v´ yrobce se kter´ ymi fungoval bez jak´ ychkoliv probl´em˚ u. [24] Dostupnost Spoleˇcn´ y probl´em tˇechto integrovan´ ych obvod˚ u je jejich dostupnost a tak´e cena. T´ım sp´ıˇse pokud se do ceny mus´ı zapoˇc´ıtat tak´e mezin´arodn´ı poˇstovn´e, jelikoˇz doˇ e republice stupnost tˇechto specializovan´ ych obvod˚ u je v obchodech p˚ usob´ıc´ıch v Cesk´ problematick´a. Prvn´ı uveden´ y obvod PL2303HX jsem nebyl schopen v klasick´ ych obchodech se souˇca´stkami naj´ıt v nab´ıdce. Druh´ y obvod, FT232RL je dostupn´ y v kamenn´em obchodˇe GM Electronics za cenu 155 Kˇc. Posledn´ı obvod (CP2102) m´a v nab´ıdce spoleˇcnost Farnell za cenu 95 Kˇc, ke kter´e je tˇreba pˇripoˇc´ıst pˇribliˇznˇe 150 Kˇc za poˇstovn´e. Dalˇs´ı, cenovˇe pˇrijatelnˇejˇs´ı variantou je objedn´an´ı mimo obchody s elektronikou, pˇr´ımo u ˇc´ınsk´ ych dealer˚ u, mnohdy nab´ızej´ıc´ıch poˇstovn´e zdarma i pˇri koupi jednoho kusu. V tom pˇr´ıpadˇe vych´az´ı prvn´ı obvod PL-2303 po pˇrepoˇctu na pˇribliˇznˇe 25 Kˇc, FT232RL na 50 Kˇc a posledn´ı CP2102 m˚ uˇzeme sehnat za pˇr´ıjemn´ ych 40 Kˇc. V pˇr´ıpadˇe n´akupu z tˇechto zdroj˚ u je ovˇsem problematick´a doba doruˇcen´ı mnohdy pˇresahuj´ıc´ı 30 dn´ı. Mus´ıme tak´e poˇc´ıtat s moˇznost´ı obdrˇzen´ı padˇelan´ ych souˇc´astek, kter´e nebudou splˇ novat vˇsechny vlastnosti uv´adˇen´e v katalogov´ ych listech. Proto bych se tˇemto zdroj˚ um vyvaroval v pˇr´ıpadˇe konstrukce kritick´ ych komponent. Pouˇ zit´ y model Pro fin´aln´ı konstrukci mˇeˇriˇce jsem se rozhodnul pro ˇreˇsen´ı vyuˇz´ıvaj´ıc´ı jiˇz pˇredpˇripraven´eho modulu s integrovan´ ym obvodem CP2102. Toto rozhodnut´ı vych´az´ı

19

z ˇca´sti ze skuteˇcnosti, ˇze pˇri testov´an´ı desky semestr´aln´ıho projektu a tak´e v prvn´ı revizi desky, kde byl pˇrevodn´ık pˇripojov´an externˇe, se obvod osvˇedˇcil a nebyly s n´ım ˇza´dn´e probl´emy. Dalˇs´ı aspekt v´ ybˇeru tohoto obvodu byl ˇca´steˇcnˇe z finanˇcn´ıch d˚ uvod˚ u – bylo paradoxnˇe levnˇejˇs´ı objednat v zahraniˇc´ı jiˇz hotov´ y modul, neˇz samotn´ y obvod. Posledn´ım v´ yznamn´ ym aspektem pouˇzit´ı jiˇz hotov´eho modulu byla skuteˇcnost, ˇze obvod vyuˇz´ıv´a velmi mal´e pouzdro QFN s 28 o rozmˇerech pouh´ ych 5 mm s 28 p´ajec´ımi ploˇskami, pro kter´e by jiˇz mohly nastat probl´emy pˇri v´ yrobˇe DPS v pouˇzit´em v´ yrobn´ım procesu.

3.3

Indikace

V zapojen´ı jsou pouˇzity ˇctyˇri LED diody pro indikaci. Prvn´ı je jednoduˇse pˇripojena na nap´ajec´ı napˇet´ı pˇres 1kΩ rezistor na zem. Zb´ yvaj´ıc´ı tˇri jsou kaˇzd´a pˇripojena na jeden v´ yvod mikrokontrol´eru, opˇet pˇres rezistor 1 kΩ na zem. Funkc´ı tˇechto tˇr´ı diod je indikovat obsluze aktu´aln´ı sepnut´ y vyb´ıjec´ı proud – kaˇzd´a LED odpov´ıd´a jednomu z proud˚ u, kter´e je moˇzn´e nastavit pro mˇeˇren´ı. Pokud zanedb´ame u ´bytek vznikl´ y na mikrokontrol´eru, vypoˇcteme proud tekouc´ı LED diodami dle Ohmova z´akona z rovnice 3.2. Nap´ajec´ı napˇet´ı je 5 V, napˇet´ı na PN pˇrechodu LED je dle katalogov´eho listu 1,8 V. Rezistory byly zvoleny 1 kΩ. UVSTUP − ULED R 5 − 1, 8 I = 1000 I = 3,2 mA I =

(3.2)

Postup v´ ypoˇctu uveden´ y v rovnici 3.2 plat´ı pro ˇcerven´e LED diody. V pˇr´ıpadˇe zelen´e LED indikuj´ıc´ı nap´ajen´ı bude proud niˇzˇs´ı z d˚ uvodu vyˇsˇs´ıho napˇet´ı na PN pˇrechodu zelen´e LED.

3.4

Nap´ ajen´ı

Jelikoˇz se jedn´a o zaˇr´ızen´ı pracuj´ıc´ı se sbˇernic´ı USB, bylo v´ıce neˇz vhodn´e vyuˇz´ıt nap´ajen´ı, kter´e tato sbˇernice poskytuje. Z d˚ uvodu vˇetˇs´ı univerz´alnosti a moˇznosti mˇeˇren´ı bez z´avislosti na pˇripojen´em PC jsem se rozhodl pouˇz´ıt pro nap´ajen´ı Li-ion akumul´ator typu 18650 s kapacitou pˇribliˇznˇe 2000 mAh uvnitˇr pˇr´ıstroje, kter´ y se nab´ıj´ı po ˇcas pˇripojen´ı pˇr´ıpravku k PC.

20

3.4.1

Nab´ıjen´ı intern´ıho akumul´ atoru

Pro nab´ıjen´ı intern´ıho akumul´atoru byl pouˇzit integrovan´ y obvod TP4056. Jedn´a se o line´arn´ı nab´ıjec´ı obvod umoˇzn ˇuj´ıc´ı jednoduch´e zapojen´ı vyˇzaduj´ıc´ı pouze minimum extern´ıch souˇca´stek pro nab´ıjen´ı Li-ion v jednoˇcl´ankov´ ych aplikac´ıch. Nab´ıjen´ı prob´ıh´a metodou konstantn´ı proud/konstantn´ı napˇet´ı s moˇznost´ı volby proudu pomoc´ı rezistoru. Rozsah vstupn´ıho napˇet´ı je od 4 V do 8 V, coˇz jej pˇredurˇcuje pro pouˇzit´ı nejen s USB, ale tak´e s jak´ ymkoliv zdrojem z tohoto rozsahu. Nab´ıjen´ı je ukonˇceno, jakmile proud tekouc´ı do ˇcl´anku klesne na 10% nastaven´e poˇc´ateˇcn´ı hodnoty nab´ıjec´ıho proudu. Obvod d´ale obsahuje v´ ystup na LED diody indikuj´ıc´ı stav nab´ıjen´ı a tak´e ochranu proti pˇrehˇra´t´ı, kdy zaˇcne sniˇzovat v´ ystupn´ı proud, aby nedoˇslo k pˇrekroˇcen´ı kritick´e teploty. Tato ochrana se uplatn´ı hlavnˇe v pˇr´ıpadˇe nab´ıjen´ı zcela vybit´eho ˇcl´anku maxim´aln´ım proudem, kdy rozd´ıl vstupn´ıho napˇet´ı a napˇet´ı ˇcl´anku v kombinaci s vysok´ ym proudem zp˚ usob´ı vysokou v´ ykonovou ztr´atu na obvodu.

Obr. 3.3: Typick´ y Pr˚ ubˇeh nab´ıjen´ı metodou konstantn´ı proud, konstantn´ı napˇet´ı obvodem TP4056, pˇrevzato z [17]

3.4.2

Nap´ ajen´ı obvodu

Vzhledem k tomu, ˇze napˇet´ı na akumul´atoru se pohybuje v rozmez´ı 3 V aˇz 4,2 V, nen´ı moˇzn´e toto napˇet´ı vyuˇz´ıt pˇr´ımo – mikrokontrol´er by nebyl schopen v tomto cel´em rozsahu spr´avnˇe pracovat. Z tohoto d˚ uvodu bylo nutn´e navrhnout zvyˇsuj´ıc´ı mˇeniˇc na napˇet´ı 5V. Pro tento u ´ˇcel byl zvolen integrovan´ y obvod MCP16251 od spoleˇcnosti Microchip. Jedn´a se o jednoduch´ y n´ızkoproudov´ y zvyˇsuj´ıc´ı mˇeniˇc schopn´ y pˇri vstupn´ım napˇet´ı

21

3,3 V poskytnout na v´ ystupu aˇz 225 mA pˇri 5 V. Vzhledem k celkov´e spotˇrebˇe desky je tento proud naprosto dostateˇcn´ y. Jelikoˇz je MCP16251 regul´ator s nastaviteln´ ym v´ ystupn´ım napˇet´ım, je pro poˇzadovan´ ych 5 V nutn´e vhodnˇe nastavit odporov´ y dˇeliˇc pˇripojen´ y do sn´ımac´ıho vstupu regul´atoru. VO = VREF (1 + R2 /R1 )

(3.4)

Dle katalogov´eho listu je referenˇcn´ı napˇet´ı UREF rovno hodnotˇe 1,23 V. Pokud vyjdeme z rezistor˚ u dostupn´ ych v ˇradˇe E12 ( 3.1) a pro R1 zvol´ıme hodnotu 1 MΩ, vyj´adˇren´ım R2 a dosazen´ım do rovnice 3.4, dostaneme pro R2 hodnotu 3,065 MΩ, kter´a vˇsak nen´ı z ˇrady E12. Pouˇzijeme proto nejbliˇzˇs´ı vyˇsˇs´ı hodnotu, 3,3 MΩ. Pokud nyn´ı zp´atky dosad´ıme hodnoty rezistor˚ u do v´ ychoz´ı rovnice, vyjde n´am v´ ystupn´ı napˇet´ı 5,29 V. Jelikoˇz vˇsechny souˇca´stky jsou schopny pˇri tomto napˇet´ı bez probl´em˚ u pracovat (nejd˚ uleˇzitˇejˇs´ı souˇc´astka, mikrokontrol´er, m´a rozsah nap´ajec´ıch napˇet´ı 4,5 V aˇz 5,5 V), tak se spokoj´ıme s vypoˇctenou hodnotou. M˚ uˇzeme tak´e poˇc´ıtat s t´ım, ˇze v z´atˇeˇzi dojde k urˇcit´emu poklesu v´ ystupn´ıho napˇet´ı.

6

VIN

1 3 2

SW EN GND

VOUT

5

VFB

4

Obr. 3.5: Zapojen´ı obvodu MCP16251

3.4.3

Ochrann´ y obvod akumul´ atoru

V´ yˇse zm´ınˇen´ y regul´ator m´a minim´aln´ı vstupn´ı napˇet´ı 0,35 V. Aˇckoliv pˇri tomto napˇet´ı jiˇz nen´ı schopn´ y dodat dostateˇcn´ y proud na v´ ystupu, st´ale by na toto napˇet´ı byl schopn´ y vyb´ıt intern´ı akumul´ator, coˇz by pro nˇej bylo jistˇe fat´aln´ı. Z tohoto d˚ uvodu byl osazen ochrann´ y obvod zamezuj´ıc´ı pˇr´ıliˇsn´emu vybit´ı akumul´atoru. Jedn´a se o obvod DW-01, kter´ y monitoruje napˇet´ı na akumul´atoru. Pˇri poklesu napˇet´ı pod urˇcitou u ´roveˇ n (pˇribliˇznˇe 2,5 V) dojde k odpojen´ı z´atˇeˇze. K tomu slouˇz´ı unipol´arn´ı 22

tranzistor zapojen´ y mezi z´aporn´ y p´ol akumul´atoru a z´aporn´ y p´ol spotˇrebiˇce (v tomto pˇr´ıpadˇe spoleˇcnou zem zaˇr´ızen´ı). [12]

1

OD

GND

6

2

CS

VCC

5

3

OC

TD

4

Obr. 3.6: Zapojen´ı ochrann´eho obvodu

3.5

Mikrokontrol´ er

Hlavn´ım prvkem v zapojen´ı je jiˇz zm´ınˇen´ y mikrokontrol´er ATmega328P-PU, kter´ y se star´a jak o sp´ın´an´ı silov´ ych obvod˚ u, tak o mˇeˇren´ı napˇet´ı a proudu. Pro spr´avnou funkci bylo potˇreba pˇripojit extern´ı 16MHz krystal a tak´e dva kondenz´atory mezi zemi a oba v´ yvody krystalu. Byla pouˇzita doporuˇcen´a hodnota 22 pF v SMD proveden´ı v pouzdru 0805. Dalˇs´ı nezbytnou souˇca´stkou je rezistor zapojen´ y mezi nap´ajec´ı napˇet´ı a v´ yvod ˇc´ıslo 1 mikrokontrol´eru. Jedn´a se o v´ yvod RESET, kter´ y mus´ı b´ yt v norm´aln´ım provozn´ım stavu udrˇzov´an na logick´e u ´rovni 1. Pro tento u ´ˇcel nen´ı hodnota rezistoru kritick´a, byl pouˇzit standartn´ı rezistor SMD 0805 s doporuˇcenou hodnotou 10 kΩ. Vlastn´ı sp´ın´an´ı digit´aln´ıch v´ ystup˚ u umoˇzn ˇuje zvolit ze tˇr´ı proud˚ u pro vyb´ıjen´ı dan´eho ˇcl´anku. O problamtice v´ ybˇeru v´ ystupn´ıho proudu pojedn´av´a sekce 3.7.2.

3.5.1

V´ ybˇ er pamˇ eti pro data

Namˇeˇren´e hodnoty napˇet´ı se v prvn´ı revizi desky ukl´adaly do integrovan´e pamˇeti v mikrokontrol´eru ATmega328, disponuj´ıc´ıho 1024 bajty EEPROM. Pˇri zachov´an´ı maxim´aln´ıho rozliˇsen´ı napˇet´ı z desetibitov´eho AD pˇrevodn´ıku bylo tˇreba pro kaˇzdou mˇeˇrenou hodnotu dvou bajt˚ u. Z toho vypl´ yv´a, ˇze poˇcet namˇeˇren´ ych hodnot mohl b´ yt nanejv´ yˇs 512. Z t´eto hodnoty bylo tak´e potˇreba odeˇc´ıst nˇekolik bajt˚ u na servisn´ı informace o uloˇzen´em poˇctu mˇeˇren´ı, nastaven´em proudu a podobnˇe. Vyuˇz´ıvat

23

pouh´ ych pˇribliˇznˇe 500 hodnot znamenalo odeˇc´ıtat hodnoty s velmi velk´ y rozestupem – pokud bychom chtˇeli namˇeˇrit charakteristiku ˇcl´anku o kapacitˇe 3000 mAh proudem 100 mA, celkov´ y ˇcas mˇeˇren´ı by byl 1800 minut. To by znamenalo odeˇc´ıtat hodnoty pˇribliˇznˇe pouze kaˇzd´e necel´e ˇctyˇri minuty. Z d˚ uvodu poˇzadavku na jemnˇejˇs´ı pr˚ ubˇeh mˇeˇren´ı byla zvolena extern´ı EEPROM pamˇet’ s kapacitou 64 kB komunikuj´ıc´ı s mikrokontrol´erem po sbˇernici I2 C. Do nyn´ı nevyuˇz´ıvan´e intern´ı pamˇeti jsou ukl´ad´any servisn´ı informace o nastaven´em proudu a podobnˇe.

3.5.2

ˇ Zivotnost pamˇ eti

Pamˇeti EEPROM, stejnˇe jako v souˇcasnosti pouˇz´ıvan´e pamˇeti typu FLASH maj´ı na rozd´ıl od operaˇcn´ıch pamˇet´ı typu napˇr´ıklad SRAM omezen´ y poˇcet z´apis˚ u. Pamˇet’ v mikrokontrol´eru m´a garantovan´ y poˇcet z´apis˚ u stanoven na 100000, za extern´ı pamˇet’ jsem zvolil model 24LC512 od spoleˇcnosti Microchip, kde se v katalogov´em listˇe [16] doˇcteme o ˇzivotnosti v´ıce neˇz milion z´apis˚ u“. Aˇckoliv se milion z´apis˚ u ” zd´a mnoho, katalogov´ y list uv´ad´ı, ˇze pˇri z´apisu po jednotliv´ ych bajtech dojde pˇri z´apisu k pˇrepisu cel´e str´anky pamˇeti (skupiny 128 bajt˚ u). V praxi to znamen´a, ˇze pokud zapisujeme posledn´ı bajt v r´amci jedn´e str´anky, vˇsechny pamˇet’ov´e buˇ nky v dan´e str´ance jiˇz byly pˇreps´any 128n´asobnˇe. T´ım se efektivn´ı ˇzivotnost milionu pˇrepis˚ u sn´ıˇz´ı pouze na necel´ ych 8000. V naˇsem pˇr´ıpadˇe to znamen´a, ˇze pˇri nejhorˇs´ı moˇzn´e ˇzivotnosti pamˇeti dojde po 8000 spuˇstˇen´ı mˇeˇren´ı k chyb´am a selh´an´ı zaˇr´ızen´ı. 8000 pˇrepis˚ u ovˇsem znamen´a, ˇze kdyby se v pr˚ umˇeru dennˇe spouˇstˇely dvˇe mˇeˇren´ı, k vyˇcerp´an´ı poˇctu pˇrepis˚ u dojde pˇribliˇznˇe po deseti letech. Byla zvaˇzov´ana z´amˇena pamˇeti EEPROM za pamˇet’ typu FRAM, kter´a m´a moˇzn´ y poˇcet pˇrepis˚ u ˇra´dovˇe vyˇsˇs´ı – pˇri uvaˇzovan´em zat´ıˇzen´ı dvou test˚ u dennˇe by teoreticky doˇslo k vyˇcerp´an´ı poˇctu z´apis˚ u za nˇekolik tis´ıcilet´ı. Nakonec ale byla vzhledem k pˇredpokl´adan´emu zat´ıˇzen´ı zvolena pamˇet’ EEPROM i pˇres v´ yˇse uveden´e nedostatky, jelikoˇz jej´ı pomˇer cena/v´ ykon je pˇr´ıznivˇejˇs´ı, nehledˇe na sloˇzitˇejˇs´ı dostupnost pamˇet´ı FRAM. V pˇr´ıpadˇe potˇreby by bylo ovˇsem velmi jednoduch´e pamˇet’ zamˇenit – vyr´ab´ı se ve variantˇe se stejn´ ym, pinovˇe kompatibiln´ım pouzdrem i adresov´an´ım.

3.6

Vstupn´ı ochrana

Jelikoˇz mus´ıme poˇc´ıtat s urˇcitou pravdˇepodobnost´ı, kdy obsluha zapoj´ı mˇeˇren´ y ˇcl´anek opaˇcnou polaritou, bylo nutno vybavit zapojen´ı ochrann´ ym obvodem zabraˇ nuj´ıc´ımu zniˇcen´ı nejen mikrokontrol´eru, ale i dalˇs´ıch komponent˚ u v obvodu. V pˇr´ıpadˇe pˇrep´olov´an´ı by se objevilo z´aporn´e napˇet´ı na AD pˇrevodn´ıku mikrokontrol´eru, coˇz by vedlo k jeho zniˇcen´ı – maxim´aln´ı dovolen´e z´aporn´e napˇet´ı na jak´emkoliv v´ yvodu mikrokontrol´eru je dle katalogov´eho listu 0,5 V. Mimo to by zaˇcal

24

t´ect vysok´ y proud pˇres hlavn´ı sp´ınac´ı tranzistor a sn´ımac´ı odpor, coˇz by mohlo v´est k jejich zniˇcen´ı v pˇr´ıpadˇe pˇripojen´ı ˇcl´anku s vysok´ ym napˇet´ım a n´ızk´ ym vnitˇrn´ım odporem. [2] Ochrana proti pˇrep´olov´an´ı je ˇreˇsena jednoduch´ ym zapojen´ım schottkyho diody a pojistky. Dioda je v norm´aln´ım provozu v z´avˇern´em smˇeru a neteˇce j´ı ˇz´adn´ y proud. V pˇr´ıpadˇe pˇrep´olov´an´ı se dioda otevˇre, zaˇcne j´ı t´ect vysok´ y proud dan´ y pouze rozd´ılem napˇet´ı na pˇripojen´em ˇcl´anku, u ´bytku na diodˇe, vnitˇrn´ım odporu ˇcl´anku a pˇr´ıpadnˇe dalˇs´ıch parazitn´ıch impedanc´ı. Schottkyho dioda byla zvolena z d˚ uvodu dosaˇzen´ı co nejniˇzˇs´ıho napˇet´ı v propustn´em smˇeru. Byla zvolena SMD ˇ ckov´ varianta v pouzdˇre SMC se jmenovit´ ym proudem 3 A. Spiˇ y proud m˚ uˇze b´ yt ovˇsem nˇekolikan´asobnˇe vyˇsˇs´ı, neˇz dojde ke vlastn´ımu zniˇcen´ı souˇca´stky. Tento n´ar˚ ust proudu zp˚ usob´ı pˇrep´alen´ı pojistky a odpojen´ı vstupu od mˇeˇric´ıho pˇr´ıpravku. Po vymˇenˇen´ı pojistky bude obvod opˇet plnˇe funkˇcn´ı. Bohuˇzel toto zapojen´ı se v prvn´ı revizi desky uk´azalo jako problematick´e - pˇri pr˚ utoku proudu vznik´a na pojistce nezanedbateln´ yu ´bytek napˇet´ı, kter´ y zp˚ usobuje urˇcitou chybu mˇeˇren´ı. Proto bylo zapojen´ı lehce zmˇenˇeno. St´ale je zde pojistka a v´ ykonov´a dioda pro ochranu tranzistoru pˇred pˇr´ıliˇsn´ ym proudem, ovˇsem mˇeˇren´e napˇet´ı mus´ı b´ yt z d˚ uvodu sn´ıˇzen´ı chyby pˇripojeno pˇr´ımo na vstupn´ı svorky pˇred pojistkou. T´ım ovˇsem znovu z´ısk´ame moˇznost z´aporn´eho napˇet´ı na AD vstupech mikrokontrol´eru. Z tohoto d˚ uvodu bylo pouˇzito dalˇs´ıch (v norm´aln´ım stavu) z´avˇernˇe p´olovan´ ych schottkyho diod pˇripojen´ ych ke vstup˚ um AD pˇrevodn´ıku. Jak je podrobnˇeji rozeps´ano v 3.8, AD pˇrevodn´ık je pˇripojen ke vstupn´ımu napˇet´ı pˇres odporov´ y dˇeliˇc – v pˇr´ıpadˇe pˇrep´olov´an´ı vstupu poteˇce tud´ıˇz diodami pouze proud v jednotk´ach miliamp´er˚ u dan´ y vstupn´ım napˇet´ım, u ´bytkem na diodˇe a hodnotou rezistoru v dˇeliˇci.

3.7

Zdroj proudu

Pro vytvoˇren´ı zdroje proudu bylo vyuˇzito zapojen´ı operaˇcn´ıho zesilovaˇce spolu s NPN tranzistorem. Operaˇcn´ı zesilovaˇc bylo potˇreba vybrat takov´ y, kter´ y umoˇzn ˇuje nap´ajen´ı pouze z kladn´eho napˇet´ı kolem 5 V. V prvn´ı revizi desky byl za konkr´etn´ı model byl vybr´an velmi obl´ıben´ y obvod LM358 v proveden´ı SMD v pouzdru SO8. D˚ uvodem jeho obl´ıbenosti je mimo jin´e i velmi n´ızk´a cena - necel´e 3Kˇc. Pozdˇeji se ovˇsem uk´azalo, ˇze obvod nedosahuje oˇcek´avan´e proudov´e stability – pˇri klesaj´ıc´ım napˇet´ı na vstupu (vyb´ıjen´ı mˇeˇren´eho ˇcl´anku) zaˇcal klesat i odeb´ıran´ y proud, kter´ y by ovˇsem mˇel b´ yt konstantn´ı. Pokud uvaˇzujeme, ˇze chceme ˇcl´anek vyb´ıjet na napˇet´ı 0,9 V, bylo moˇzn´e pouˇz´ıt maxim´aln´ı vyb´ıjec´ı proud pouh´ ych 200mA, maxim´alnˇe 300mA. Pˇri vyˇsˇs´ım proudu jiˇz doch´azelo ke sniˇzov´an´ı proudu v koneˇcn´e f´azi testu.

25

V zapojen´ı tud´ıˇz byl otestov´an i jin´ y obvod, MCP602 se kter´ ym jiˇz vˇse funguje dle pˇredpoklad˚ u. Konkr´etn´ı namˇeˇren´a proudov´a stabilita v z´avislosti na vstupn´ım napˇet´ı je uk´az´ana na grafu 4.5 v sekci vˇenovan´e testov´an´ı pˇr´ıstroje. Zapojen´ı vyuˇz´ıv´a jiˇz dˇr´ıve zm´ınˇen´eho sn´ımac´ıho odporu v cestˇe proudu tekouc´ıho z emitoru tranzistoru. Tekouc´ı proud zp˚ usob´ı u ´bytek napˇet´ı dan´ y Ohmov´ ym z´akonem. V tomto pˇr´ıpadˇe je pouˇzit rezistor o hodnotˇe 500 mΩ, tud´ıˇz na kaˇzd´ ych 100 mA tekouc´ıho proudu vznikne u ´bytek 50 mV. Toto napˇet´ı je d´ale vedeno do invertuj´ıc´ıho vstupu operaˇcn´ıho zesilovaˇce. Do neinvertuj´ıc´ıho vstupu operaˇcn´ıho zesilovaˇce je pˇrivedeno napˇet´ı z dˇeliˇce urˇcuj´ıc´ıho zvolen´ y proud. Z principu funkce operaˇcn´ıch zesilovaˇc˚ u v tomto zapojen´ı vypl´ yv´a, ˇze rozd´ıl napˇet´ı mezi diferenˇcn´ımi vstupy m´a b´ yt ide´alnˇe nulov´ y, ˇcehoˇz se snaˇz´ı tento obvod doc´ılit. Pˇri pˇriveden´ı nenulov´eho napˇet´ı na neinvertuj´ıc´ı vstup dojde ke zv´ yˇsen´ı napˇet´ı na v´ ystupu OZ, kter´ y je pˇripojen na b´azi v´ ykonov´eho tranzistoru. Zv´ yˇsen´ı napˇet´ı zp˚ usob´ı zv´ yˇsen´ı proudu tekouc´ıho do b´aze tranzistoru. Proud tekouc´ı b´az´ı tranzistoru vyvol´a tok kolektorov´eho proudu vyn´asoben´ y ˇcinitelem zes´ılen´ı hFE . Operaˇcn´ı zesilovaˇc je schopen poskytnout na sv´em v´ ystupu proud aˇz 30 mA. V´ ypoˇcet maxim´aln´ıho proudu tranzistorem je uveden v rovnici 3.7 ze zn´am´eho proudu OZ (IOZ ) a zesilovac´ıho ˇcinitele tranzistoru hFE , kter´ y odeˇcteme z grafu v katalogov´em listˇe. [27] [25]

IT = IOZ · hFE IT = 30 · 50 IT = 1500 mA

(3.7)

Za hlavn´ı tranzistor byl v testovac´ı revizi desky zvolen model BD243C, jehoˇz v´ yrobcem je STMicroelectronics. Tento model patˇr´ı mezi z´akladn´ı typy NPN tranzistor˚ u v pouzdˇre TO220. V´ yhoda pouˇzit´ı tohoto pouzdra spoˇc´ıv´a v pˇr´ıpadn´e jednoduch´e mont´aˇzi na chladiˇc pˇri vyb´ıjen´ı vysok´ ymi proudy v kombinaci s vyb´ıjen´ım ˇcl´ank˚ u s vyˇsˇs´ım svorkov´ ym napˇet´ım. Maxim´aln´ı ztr´atov´ y v´ ykon na tranzistoru vznikne pˇri vyb´ıjen´ı plnˇe nabit´eho ˇcl´anku Li-ion, u kter´eho m˚ uˇze maxim´aln´ı napˇet´ı dos´ahnout aˇz 4,2V. Maxim´aln´ı v´ ykonovou ztr´atu na tranzistoru m˚ uˇzeme vypoˇc´ıst dle rovnice 3.8. P = U·I P = 4, 2 · 0, 5 P = 2, 1 W

(3.8)

Ve skuteˇcnosti bude ztr´atov´ y v´ ykon o nˇeco niˇzˇs´ı - aˇckoliv plnˇe nabit´ y bˇeˇzn´ y Liion ˇcl´anek m˚ uˇze m´ıt teoreticky uveden´ ych 4,2 V, napˇet´ı pˇri z´atˇeˇzi poklesne a d´ale

26

bude klesat s postupn´ ym vyb´ıjen´ım mˇeˇren´eho ˇcl´anku. Je vˇsak dobr´e poˇc´ıtat s nejhorˇs´ı moˇznou variantou pro zachov´an´ı dostateˇcn´e rezervy. Dalˇs´ı u ´bytek vznikne na sn´ımac´ım rezistoru, pˇr´ıvodn´ıch vodiˇc´ıch, pojistce, pˇrechodov´ ych odporech a podobnˇe. [25]

3.7.1

Zdroj nastavovac´ıho napˇ et´ı

Jak jiˇz bylo v´ yˇse zm´ınˇeno, operaˇcn´ı zesilovaˇc porovn´av´a napˇet´ı ze sn´ımac´ıho rezistoru s napˇet´ım urˇcuj´ıc´ım v´ ysledn´ y proud. Toto napˇet´ı vznik´a na odporov´em dˇeliˇci, kde jsou ˇctyˇri rezistory, kaˇzd´ y z jednoho v´ ystupu mikrokontrol´eru, pˇripojeny do spoleˇcn´eho uzlu s p´at´ ym rezistorem zapojen´ ym na zem. Napˇet´ı vznikl´e na spoleˇcn´em uzlu tˇechto rezistor˚ u je pˇriv´adˇeno na vstup operaˇcn´ıho zesilovaˇce. V prvn´ı revizi desky bylo pouˇzito dalˇs´ıch napˇet’ov´ ych referenc´ı staraj´ıc´ıch se o konstantn´ı napˇet´ı na vstupu odporov´eho dˇeliˇce. Toto zapojen´ı bylo potˇreba z d˚ uvodu nap´ajen´ı mˇeˇriˇce pˇr´ımo ze sbˇernice USB, kde napˇet´ı m˚ uˇze kol´ısat v rozsahu 4,75 V aˇz 5,25 V. V souˇcasn´e verzi, kde se o stabiln´ı napˇet´ı star´a sp´ınan´ y regul´ator to jiˇz nen´ı potˇreba a m˚ uˇzeme vyuˇz´ıt v´ ystupn´ı napˇet´ı pˇr´ımo z v´ yvod˚ u mikrokontrol´eru.

3.7.2

Princip v´ ybˇ eru proudu

Princip zapojen´ı je n´asleduj´ıc´ı: vˇsechny ˇctyˇri v´ yvody mikrokontrol´eru jsou skrze diody zapojeny do s´erie s vˇzdy jinou hodnotou rezistoru do spoleˇcn´eho uzlu, tvoˇr´ıc´ıho s p´at´ ym uzemˇen´ ym rezistorem odporov´ y dˇeliˇc. Kdyby nebyla um´ıstˇena dioda v s´erii s mikrokontrol´erem, doch´azelo by pˇri sepnut´ı jednoho v´ ystupu k toku proudu zpˇet do aktu´alnˇe vypnut´eho v´ ystupu mikrokontrol´eru, jelikoˇz je na nˇem udrˇzov´ana logick´a nula. Tento tekouc´ı proud by mˇel za n´asledek ovlivnˇen´ı v´ ysledn´eho napˇet´ı a znemoˇznil by nastaven´ı pˇresn´eho proudu.

3.7.3

V´ ypoˇ cet dˇ eliˇ ce

Z dostupn´eho v´ ystupn´ıho napˇet´ı je nyn´ı tˇreba vhodn´ ym nastaven´ım vytvoˇrit napˇet´ı odpov´ıdaj´ıc´ı poˇzadovan´emu proudu, kter´ ym bude tento pˇr´ıpravek vyb´ıjet pˇripojen´e ˇcl´anky. Pˇri zvolen´em sn´ımac´ım odporu o hodnotˇe 500 mΩ pˇripad´a na kaˇzd´ ych 100 mA proudu ˇr´ıdic´ı napˇet´ı 50 mV. D´ale m´ame stanoveno, ˇze pˇr´ıpravek bude schopen vyb´ıjet s nastaven´ ymi proudy 100 mA, 250 mA nebo 500 mA. Nyn´ı tud´ıˇz zb´ yv´a vypoˇc´ıtat vhodn´e hodnoty rezistor˚ u pro zadan´e proudov´e rozsahy. Spoleˇcn´emu rezistoru byla pˇriˇrazena hodnota 1 kΩ z d˚ uvodu minimalizace poˇctu rozd´ıln´ ych souˇc´astek - tato hodnota je na desce pˇr´ıpravku jiˇz nˇekolikr´at pouˇzita. V tomto okamˇziku je tˇreba prov´est hrub´ y v´ ypoˇcet v´ ypoˇcet hodnot rezistor˚ u pro z´ısk´an´ı poˇzadovan´eho napˇet´ı, kter´ y provedeme ze vztahu 3.9. 27

Uv´yst. =

R2 · Uvst. R1 + R2

(3.9)

Po u ´pravˇe a dosazen´ı z´ısk´ame poˇzadovanou hodnotu rezistoru R1. R2 · Uvst. − R2 Uv´yst. 1000 · 5 = − 1000 0, 05 = 99 kΩ

R1 = R1 R1

(3.10)

Obdobn´ y v´ ypoˇcet provedeme pro druhou a tˇret´ı hodnotu proudu – tedy napˇet´ı 100 mV ( 3.11.), respektive 250 mV ( 3.12.). R2 · Uvst. − R2 Uv´yst. 1000 · 5 = − 1000 0, 125 = 39 kΩ

(3.11)

R2 · Uvst. − R2 Uv´yst. 1000 · 5 = − 1000 0, 25 = 19 kΩ

(3.12)

R1 = R1 R1

R1 = R1 R1

Jak plyne z v´ ypoˇct˚ u v´ yˇse, poˇzadujeme hodnoty nenach´azej´ıc´ı se v ˇradˇe E12. Z tohoto d˚ uvodu bylo nutn´e v´ ysledn´e hodnoty vytvoˇrit paraleln´ı kombinac´ı nˇekolika rezistor˚ u. Nem´enˇe d˚ uleˇzit´ y je tak´e fakt, ˇze ve v´ ypoˇctech neuvaˇzujeme u ´bytek na diod´ach, vych´az´ıme z teoreticky pˇresn´eho napˇet´ı 5 V a neuvaˇzujeme nepˇresnosti v´ yroby, tvoˇr´ıc´ı u pouˇzit´ ych rezistor˚ u aˇz 5%. Z tˇechto d˚ uvod˚ u bylo pro fin´aln´ı kalibraci vyuˇzito mˇeˇren´ı hodnoty vyb´ıjec´ıho proudu multimetrem a souˇcasn´e pˇrid´av´an´ı rezistor˚ u s vysok´ ymi hodnotami pro dosaˇzen´ı co nejmenˇs´ıho rozd´ılu mezi nastavenou a skuteˇcnou hodnotou proudu.

3.8

Sn´ım´ an´ı napˇ et´ı a proudu

Odeˇcet napˇet´ı na mˇeˇren´em ˇcl´anku je prov´adˇen pomoc´ı AD pˇrevodn´ıku pouˇzit´eho mikrokontrol´eru. V z´akladn´ım zapojen´ı je jako reference pro AD pˇrevodn´ık vyuˇzito nap´ajec´ıho napˇet´ı 5 V, tud´ıˇz v tomto stavu by bylo bez probl´emu moˇzn´e pˇripojit mˇeˇren´e napˇet´ı pˇr´ımo na analogov´ y vstup. Ovˇsem vzhledem k hlavn´ımu poˇzadavku –

28

mˇeˇren´ı ˇcl´ank˚ u o napˇet´ı kolem 1,5 V by bylo pouˇzit´ı reference 5 V zbyteˇcn´e pl´ ytv´an´ı pˇresnost´ı mˇeˇren´ı – bylo proto vyuˇzito intern´ı reference 1,1 V v mikrokontrol´eru. Tento krok ovˇsem znamen´a, ˇze nejvyˇsˇs´ı moˇzn´e mˇeˇren´e napˇet´ı AD pˇrevodn´ıkem je pouh´ ych 1,1 V. [2] V tomto pˇr´ıpadˇe je opˇet referenˇcn´ı napˇet´ı niˇzˇs´ı neˇz poˇzadovan´e mˇeˇren´e i v pˇr´ıpadˇe ˇcl´ank˚ u s napˇet´ım 1,2V. Z tohoto d˚ uvodu je vstupn´ı mˇeˇren´e napˇet´ı pˇrivedeno na odporov´ y dˇeliˇc. Jak jiˇz bylo zm´ınˇeno, poˇzadujeme co nejvyˇsˇs´ı pˇresnost pˇri mˇeˇren´ı ˇcl´ank˚ u s napˇet´ım okolo 1,5 V. Ovˇsem na druhou stranu tak´e vyˇzadujeme mˇeˇren´ı Li-ion ˇcl´ank˚ u s napˇet´ım aˇz 4,2 V. Z tohoto d˚ uvodu bylo pro zachov´an´ı co nejvyˇsˇs´ı pˇresnosti mˇeˇren´ı vyuˇzito dvou odporov´ ych dˇeliˇc˚ u – kaˇzd´ y do jednoho vstupu AD pˇrevodn´ıku. Kaˇzd´ y dˇeliˇc je nastaven tak, aby pˇri maxim´aln´ım napˇet´ı dan´ ych ˇcl´ank˚ u bylo na vstupu AD pˇrevodn´ıku napˇet´ı bl´ıˇz´ıc´ı se 1,1 V. V pˇr´ıpadˇe mˇeˇren´ı ˇcl´ank˚ u s vyˇsˇs´ım napˇet´ım je na druh´em dˇeliˇci napˇet´ı vyˇsˇs´ı neˇz referenˇcn´ı – to ovˇsem vad´ı pouze z hlediska namˇeˇren´ı nesmysln´ ych hodnot. K poˇskozen´ı AD pˇrevodn´ıku doj´ıt nem˚ uˇze, dokud vstupn´ı napˇet´ı nepˇrekroˇc´ı pˇribliˇznˇe 7V. Volbu spr´avn´eho portu AD pˇrevodn´ıku provede software podle nastaven´ ych u ´daj˚ u o mˇeˇren´ı. Pro v´ ypoˇcet odporov´ ych dˇeliˇc˚ u dˇeliˇce budeme uvaˇzovat, ˇze na analogov´em vstupu sm´ı b´ yt pˇri vstupn´ım napˇet´ı 4,2 V, respektive 1,8 V, maxim´alnˇe hodnota referenˇcn´ıho napˇet´ı – 1,1V. Ve druh´em pˇr´ıpadˇe poˇzadujeme 1,8 V z d˚ uvodu moˇznosti mˇeˇren´ı lithiov´ ych ˇcl´ank˚ u, u kter´ ych napˇet´ı napr´azdno m˚ uˇze dost´ahnout aˇz takto vysok´e hodnoty. Poˇzadovanou hodnotu vypoˇcteme dle vztahu 3.9. Hodnotu rezistoru R2 zvol´ıme 100 kΩ a dopoˇc´ıt´ame hodnotu R1. Po u ´pravˇe a dosazen´ı z´ısk´ame poˇzadovanou hodnotu rezistoru R1. V tomto pˇr´ıpadˇe je vypoˇcten´a hodnota z rovnice 3.13 nejniˇ zˇ s´ı hodnotou, kterou je moˇzn´e bezpeˇcnˇe pouˇzit. R2 · Uvst. − R2 Uv´yst. 1000000 · 4, 2 > − 1000000 1, 1 > 282 kΩ

R1 > R1 R1

(3.13)

Pro praktick´e zapojen´ı zvol´ıme tud´ıˇz hodnotu 330 kΩ, dostupnou z ˇrady E12. [15]. Obdobnˇe vypoˇcteme hodnotu pro druh´ y dˇeliˇc R2 · Uvst. − R2 Uv´yst. 100000 · 1, 8 > − 100000 1, 1 > 63,6 kΩ

R1 > R1 R1

29

(3.14)

Opˇet zvol´ıme vhodnou hodnotu z ˇrady E12. [15]. V tomto pˇr´ıpadˇe 68 kΩ. D˚ uvod pouˇzit´ı takto vysok´ ych hodnot je poˇzadavek na co nejniˇzˇs´ı proud tekouc´ı dˇeliˇcem – v opaˇcn´em pˇr´ıpadˇe by pˇri pˇripojen´ı mˇeˇren´eho ˇcl´anku tekl proud dan´ y celkov´ ym odporem dˇeliˇc˚ u i pˇri vypnut´em mˇeˇren´ı. V krajn´ım pˇr´ıpadˇe by tento proud mohl zp˚ usobit podvybit´ı a zniˇcen´ı pˇripojen´eho akumul´atoru po ukonˇcen´ı mˇeˇren´ı.

3.9 3.9.1

Metodika mˇ eˇ ren´ı Mˇ eˇ ren´ı vnitˇ rn´ıho odporu

Pro mˇeˇren´ı vnitˇrn´ıho odporu je moˇzno pouˇz´ıt ˇradu metod. V tomto pˇr´ıpadˇe je mˇeˇren´ı prov´adˇeno stejnosmˇernou metodou, pˇri kter´e se zjiˇst’uje pokles napˇet´ı pˇri zat´ıˇzen´ı ˇcl´anku urˇcit´ ym proudem po dobu pˇribliˇznˇe 100 ms. Oproti jednoduch´emu mˇeˇren´ı rozd´ılu napˇet´ı ˇcl´anku napr´azdno a v z´atˇeˇzi byla zvolena metoda vyuˇz´ıvaj´ıc´ı dvou rozd´ıln´ ych zatˇeˇzovac´ıch proud˚ u – ˇcl´anek je nejprve po dobu pˇribliˇznˇe 20 ms zat´ıˇzen mal´ ym proudem, pˇribliˇznˇe 20 mA. Po uplynut´ı 20 ms je zmˇeˇreno napˇet´ı a sepnut hlavn´ı zatˇeˇzovac´ı proud o hodnotˇe pˇribliˇznˇe 750 mA. Po uplynut´ı dalˇs´ıch 100 ms je z´atˇeˇz odpojena a probˇehne dalˇs´ı odeˇcet napˇet´ı. Rozd´ıl obou namˇeˇren´ ych napˇet´ı je spolu se zatˇeˇzovac´ım proudem pouˇzit pro v´ ypoˇcet vnitˇrn´ıho odporu dle Ohmova z´akona. [10]

3.9.2

Mˇ eˇ ren´ı kapacity

Vlastn´ı mˇeˇren´ı kapacity prob´ıh´a zat´ıˇzen´ım ˇcl´anku konstantn´ım proudem o zn´am´e hodnotˇe a mˇeˇren´ım ˇcasu neˇz ˇcl´anek dos´ahne zvolen´eho minim´aln´ıho napˇet´ı. Pro u ´ˇcely testu bylo zvoleno napˇet´ı 3,0 V pro Li-ion ˇcl´anky a 0,9 V pro ostatn´ı ˇcl´anky (alkalick´e, zinko-uhl´ıkov´e, lithiov´e a NiMH). Nab´ıjec´ı NiMH ˇcl´anek byl nabit nab´ıjeˇcem Maha C9000 a pˇred proveden´ım test˚ u ponech´an vˇzdy 24 hodin v klidu. Bˇehem test˚ u teplotn´ı z´avislosti kapacity byla snaha o udrˇzen´ı co nejstabilnˇejˇs´ı teploty ˇcl´ank˚ u bˇehem vyb´ıjen´ı. Pro testy pˇri pokojov´e teplotˇe bylo vyuˇzito aktivn´ı chlazen´ı ventil´atorem v m´ıstnosti s teplotou okolo 23° C. Pro testy za sn´ıˇzen´e teploty bylo opˇet vyuˇzito chlazen´ı ventil´atorem v chladic´ım boxu, kde byla celou dobu udrˇzov´ana teplota v rozmez´ı 9-11°C. Pro testy pˇri extr´emnˇe n´ızk´ ych teplot´ach (−20°C) jiˇz nebylo moˇzn´e vyuˇz´ıt ventil´ator vzhledem ke zv´ yˇsen´ı viskozity oleje v loˇzisc´ıch a jeho ˇ anky byly proto uvnitˇr mrazic´ıho boxu ponoˇreny v n´adobˇe s ethanozadˇren´ı. Cl´ lem o objemu pˇribliˇznˇe 1 l, kter´ y slouˇzil jako chladic´ı m´edium. Vzhledem ke sv´e relativnˇe vysok´e mˇern´e tepeln´e kapacitˇe a velk´emu objemu chladiva nedoch´azelo k jejich v´ yraznˇejˇs´ımu ohˇrevu.

30

3.10

N´ avrh a implementace software

Program pro mikrokontrol´er byl naps´an ve v´ yvojov´em prostˇred´ı Arduino IDE s vyuˇzit´ım programovac´ıho jazyku pro Arduino. Jedn´a se o jazyk vych´azej´ıc´ı z jazyka Wiring, kter´ y p˚ uvodnˇe vznikl pro v´ yvojov´ y kit podobn´ y Arduinu a zaloˇzen´ y na dalˇs´ım open source projektu Processing. Jedn´a se o jazyk velmi podobn´ y C++, nebo sp´ıˇse jak´asi vylepˇsen´a sada maker nad C++.[23] Vlastn´ı program bˇeˇz´ı v nekoneˇcn´e smyˇcce, kdy ˇcek´a na pˇr´ıjem ˇr´ıdic´ıch informac´ı z PC. Pot´e dojde ke spuˇstˇen´ı jednotliv´ ych funkc´ı programu, jak je zˇreteln´e z v´ yvojov´eho diagramu. 3.15

Start úlohy

Inicializace proměnných Čekání na příjem řídicí informace NE

Příkaz pro nastavení proudu/napětí?

Ulož nastavení do EEPROM

NE

Příkaz pro spuštění měření?

NE

Funkce měření

Přijat příkaz pro odeslání dat?

Funkce odesílání

NE

Příkaz pro měření vnitřního odporu

Funkce měření odporu

Obr. 3.15: V´ yvojov´ y diagram programu

3.10.1

Princip mˇ eˇ ren´ı

Studen´ y start Pˇri zapnut´ı zaˇr´ızen´ı dojde k inicializaci promˇenn´ ych, nastaven´ı stavu port˚ u (vstup2 n´ı/v´ ystupn´ı) a naˇcten´ı knihoven pro komunikaci pomoc´ı I C s EEPROM pamˇet´ı. D´ale dojde k inicializaci s´eriov´e komunikace a ˇcek´an´ı na pˇr´ıchoz´ı data z PC.

31

Komunikace s PC ˇ ızen´ı pˇr´ıpravku pˇr´ıkazy z PC je ˇreˇseno sekvenc´ı bajt˚ R´ u, kdy kaˇzd´ y znamen´a jeden pˇr´ıkaz a podle pˇrijat´e hodnoty dojde k proveden´ı pˇr´ısluˇsn´e operace. Pˇri poˇzadavku na spuˇstˇen´ı mˇeˇren´ı z PC se odeˇsle sekvence tˇr´ı bajt˚ u – prvn´ı nastav´ı vybran´ y vyb´ıjec´ı proud, druh´ y nastav´ı napˇet´ı, pˇri kter´em dojde k odpojen´ı z´atˇeˇze a ukonˇcen´ı mˇeˇren´ı. Hodnoty napˇet´ı a proudu se uloˇz´ı do EEPROM, aby mohly b´ yt pozdˇeji odesl´any zpˇet do PC a doˇslo ke spr´avn´emu vyhodnocen´ı kapacity a vykreslen´ı hodnot do grafu. Tˇret´ım bajtem dostane mˇeˇriˇc pˇr´ıkaz pro spuˇstˇen´ı vlastn´ıho mˇeˇren´ı. Komunikace prob´ıh´a pomoc´ı s´eriov´e linky rychlost´ı 9600 bit˚ u za sekundu. Hodnota bajtu [HEX] 0x21 0x23 0x31 0x32 0x33 0x41 0x42 0x61 0x62 0x63

Znak v ASCII ! # 1 2 3 A B a b c

Pˇr´ıkaz pˇr´ıkaz uvozuj´ıc´ı namˇeˇren´e hodnoty pˇr´ıkaz uvozuj´ıc´ı mˇeˇren´ı vnitˇrn´ıho odporu zaˇcni odes´ılat obsah pamˇeti spust’ mˇeˇren´ı zmˇeˇr vnitˇrn´ı odpor nastav koneˇcn´e napˇet´ı na 0,9 V nastav koneˇcn´e napˇet´ı na 3,0 V nastav proud 100 mA nastav proud 250 mA nastav proud 500 mA

Tab. 3.16: V´ yznam ˇr´ıdic´ıch bajt˚ u Po odesl´an´ı ˇr´ıdic´ıho bajtu 0x21 jsou odesl´any dva bajty obsahuj´ıc´ı surovou namˇeˇrenou hodnotu z AD pˇrevodn´ıku. Podobnˇe je tomu v pˇr´ıpadˇe bajtu 0x23 uvozuj´ıc´ıho mˇeˇren´ı vnitˇrn´ıho odporu – v tomto pˇr´ıpadˇe je odesl´an ve dvou bajtech rozd´ıl napˇet´ı a v´ ysledn´ y proud. Hodnoty ˇr´ıdic´ıch bajt˚ u byly zvoleny z d˚ uvodu snadn´eho ovl´ad´an´ı pˇr´ımo z termin´alu v pr˚ ubˇehu programov´an´ı – odpov´ıdaj´ı totiˇz bˇeˇzn´ ym znak˚ um a tak bylo moˇzn´e jednoduˇse pos´ılat pˇr´ıkazy i bez dokonˇcen´eho programu na PC. Vlastn´ı mˇ eˇ ren´ı Po zavol´an´ı funkce pro mˇeˇren´ı dojde k naˇcten´ı hodnoty koneˇcn´eho napˇet´ı z EEPROM, d´ale se z EEPROM naˇcte tak´e hodnota zvolen´eho proudu pro mˇeˇren´ı. Pot´e se podle naˇcten´e hodnoty proudu vyberou vhodn´e v´ ystupy mikrokontrol´eru, na kter´e se pˇrivede napˇet´ı. V´ıce informac´ı o principu proudov´eho zdroje lze nal´ezt v´ yˇse.( 3.7) Dalˇs´ım krokem je jiˇz samotn´e odeˇcten´ı hodnoty napˇet´ı z AD pˇrevodn´ıku. Neˇz k tomu dojde, je nutn´e vybrat, ze kter´eho vstupu se bude napˇet´ı odeˇc´ıtat – v za-

32

Start funkce

Načtení hodnot proudu a koncového napětí z EEPROM

Sepnutí proudu

Uplynul interval měření?

NE

ANO

Ulož napětí do paměti

Naměřené napětí je vyšší než koncové

ANO

Přijat příkaz pro ukončení

Ulož počet naměřených hodnot do EEPROM

NE

Konec funkce

Obr. 3.17: V´ yvojov´ y diagram funkce mˇeˇre´an´ı pojen´ı jsou pouˇzity dva odporov´e dˇeliˇce, aby bylo moˇzn´e mˇeˇrit ˇcl´anky s r˚ uzn´ ym svorkov´ ym napˇet´ı bez nutnosti obˇetovat velkou ˇc´ast pˇresnosti integrovan´eho desetibitov´eho AD pˇrevodn´ıku pˇri mˇeˇren´ı ˇcl´ank˚ u s niˇzˇs´ım napˇet´ım. Pro tento v´ ybˇer se vyuˇzije hodnota nastaven´eho koneˇcn´eho vyb´ıjec´ıho napˇet´ı – budeme pˇredpokl´adat, ˇze pˇri vyb´ıjen´ı do hodnoty 3,0 V se jedn´a o Li-ion akumul´ator, kter´ y dosahuje napˇet´ı aˇz 4,2 V a vyuˇzijeme vstup s vyˇsˇs´ım dˇelic´ım pomˇerem. Analogicky k tomu budeme pˇri vybran´em koneˇcn´em napˇet´ı 0,9 V pˇredpokl´adat ˇze se jedn´a o typ ˇcl´anku (nejˇcastˇeji alkalick´ y nebo NiMH), kter´ y dosahuje napˇet´ı maxim´alnˇe 1,8 V a pouˇzijeme vstup s dˇelic´ım pomˇerem niˇzˇs´ım. V dalˇs´ı f´azi dojde k zaps´an´ı namˇeˇren´e hodnoty do EEPROM. Jelikoˇz AD pˇrevodn´ık je desetibitov´ y, je potˇreba namˇeˇren´e napˇet´ı rozdˇelit do dvou bajt˚ u. D´ale se tato namˇeˇren´a hodnota odeˇsle na s´eriov´ y port do PC. Nyn´ı dojde k ˇcek´an´ı po nastaven´ y interval mezi mˇeˇren´ımi (5 sekund) a d´ale ke zv´ yˇsen´ı ˇc´ıtaˇce poˇctu mˇeˇren´ı a porovn´an´ı odeˇcten´eho napˇet´ı v pˇredchoz´ım kroku s koneˇcn´ ym napˇet´ım uloˇzen´ ym v pamˇeti. K zastaven´ı mˇeˇren´ı dojde tak´e pˇri pˇrekroˇcen´ı maxim´aln´ıho poˇctu mˇeˇren´ı (32760) nebo po pˇrijet´ı ˇr´ıdic´ıch dat z PC. Pokud jsou splnˇeny podm´ınky pro pokraˇcov´an´ı, opakuje se cel´ y cyklus znovu. V opaˇcn´em pˇr´ıpadˇe dojde k zaps´an´ı poˇctu mˇeˇren´ı do EEPROM, vypnut´ı indikaˇcn´ıch LED a proudov´eho zdroje a k navr´acen´ı do hlavn´ı smyˇcky programu, ve kter´e se vyˇck´av´a na pˇr´ıjem ˇr´ıdic´ıch informac´ı z PC. Naˇ cten´ı hodnot z pamˇ eti do PC Po tom co m´ame data z ukonˇcen´eho mˇeˇren´ı v pamˇeti zaˇr´ızen´ı, je moˇzn´e pˇrej´ıt k jejich odesl´an´ı do PC. K tomu opˇet dojde po pˇrijet´ı ˇr´ıdic´ıho pˇr´ıkazu, na z´akladˇe

33

kter´eho zaˇr´ızen´ı odeˇsle do PC informace o pouˇzit´em proudu a koneˇcn´em napˇet´ı. Pot´e dojde k postupn´emu ˇcten´ı EEPROM pamˇeti, pˇri kter´em je jej´ı obsah odes´ıl´an do PC. Vˇzdy pˇri tom dojde k porovn´an´ı hodnoty uloˇzen´eho poˇctu mˇeˇren´ı a zv´ yˇsen´ı ˇc´ıtaˇce jiˇz odeslan´ ych dat. Jakmile jsou tyto hodnoty shodn´e, dojde k ukonˇcen´ı odes´ıl´an´ı a n´avratu do hlavn´ı smyˇcky programu.

Start funkce

Načtení z EEPROM a odeslání hodnoty napětí a použitého proudu do PC

Načtení naměřeného napětí z EEPROM a odeslání do PC

ANO

Zvýšení hodnoty čítače měření

Čítač je nižší než uložený počet měření

NE Konec funkce

Obr. 3.18: V´ yvojov´ y diagram funkce odesl´an´ı namˇeˇren´ ych hodnot do PC

Mˇ eˇ ren´ı vnitˇ rn´ıho odporu Po pˇrijet´ı poˇzadavku na zmˇeˇren´ı vnitˇrn´ıho odporu ˇcl´anku dojde nejprve k sepnut´ı n´ızk´e proudov´e z´atˇeˇze (pˇribliˇznˇe 10mA), odeˇcten´ı napˇet´ı a d´ale k sepnut´ı vˇsech proudov´ ych v´ ystup˚ u, coˇz vy´ ust´ı ve vyb´ıjec´ı proud pˇribliˇznˇe 750mA. Hodnota proudu je n´aslednˇe odeˇctena jako u ´bytek napˇet´ı na sn´ımac´ım rezistoru. Odeˇcten´ı skuteˇcn´e hodnoty proudu je nutn´e pro pˇr´ıpady, kdy by tekouc´ım proudem doˇslo k takov´emu poklesu napˇet´ı ˇcl´anku, kdy by jiˇz mˇeˇriˇc nebyl schopen odeb´ırat stabiln´ı proud a doˇslo by k jeho poklesu. V tom pˇr´ıpadˇe by bylo mˇeˇren´ı zat´ıˇzen´e velmi velkou chybou, jelikoˇz pro v´ ypoˇcty by byla pˇredpokl´ad´ana hodnota 750 mA, avˇsak skuteˇcn´a by mohla b´ yt mnohem niˇzˇs´ı. Po sepnut´ı proudu je d´ale provedeno dalˇs´ı mˇeˇren´ı napˇet´ı a vypnut´ı vˇsech proudov´ ych v´ ystup˚ u. N´aslednˇe dojde k odesl´an´ı hodnoty proudu a rozd´ıl˚ u napˇet´ı bez z´atˇeˇze a se z´atˇeˇz´ı do PC. N´asleduje opˇet n´avrat do hlavn´ı smyˇcky programu. Start funkce Konec funkce

Sepnutí nízkého proudu

Změření napětí

Odeslání hodnot napětí a proudu do PC

Sepnutí hlavního proudu

Změření proudu

Vypnutí proudu

Změření napětí

Obr. 3.19: V´ yvojov´ y diagram funkce mˇeˇren´ı vnitˇrn´ıho odporu ˇcl´ank˚ u

34

3.11

Software na stranˇ e PC

Obsluˇzn´ y program na PC byl vytvoˇren s vyuˇzit´ım Visual C++. Jedn´a se o jednoduch´e rozhran´ı navrˇzen´e pro nastaven´ı parametr˚ u mˇeˇren´ı – v´ ybˇer proudu a nastaven´ı koncov´eho napˇet´ı, pˇri kter´em dojde k ukonˇcen´ı mˇeˇren´ı. Program d´ale zobrazuje graf pr˚ ubˇehu napˇet´ı v ˇcase a to bud’ ˇzivˇe pˇri mˇeˇren´ı, nebo po naˇcten´ı mˇeˇren´ ych hodnot z pamˇeti mˇeˇriˇce. Po spuˇstˇen´ı programu je provedeno naˇcten´ı vˇsech dostupn´ ych COM port˚ u v syst´emu a jejich zobrazen´ı v tabulce. Po v´ ybˇeru a otevˇren´ı zvolen´eho portu dojde k odblokov´an´ı dalˇs´ıch ovl´adac´ıch prvk˚ u. Po tomto kroku je moˇzn´e zaˇc´ıt komunikovat s pˇr´ıpravkem a zas´ılat do nˇej poˇzadavky na proveden´ı dan´eho u ´kolu. Prvn´ı d˚ uleˇzitou funkc´ı je spuˇstˇen´ı mˇeˇren´ı – k tomu slouˇz´ı seznamy vyb´ıjec´ı proud“ a koneˇcn´e ” ” napˇet´ı“. Po v´ ybˇeru poˇzadovan´ ych hodnot a kliknut´ı na tlaˇc´ıtko Start“ dojde k ode” sl´an´ı sekvence bajt˚ u znaˇc´ıc´ıch pˇr´ıpravku poˇzadavek pro nastaven´ı proudu, koneˇcn´eho napˇet´ı a pˇr´ıkaz pro spuˇstˇen´ı mˇeˇren´ı. V tomto okamˇziku se ˇcek´a na pˇr´ıchoz´ı data z mˇeˇriˇce a n´aslednˇe dojde k postupn´emu pˇrid´av´an´ı namˇeˇren´ ych hodnot do grafu. Z´aroveˇ n je tak´e pˇrehlednˇe zobrazov´ano posledn´ı namˇeˇren´e napˇet´ı, celkov´a doposud ˇcl´anku odebran´a kapacita, poˇcet mˇeˇren´ı a celkov´ y ˇcas. Pˇri poˇzadavku na naˇcten´ı jiˇz namˇeˇren´ ych hodnot z pamˇeti dojde po kliknut´ı na tlaˇc´ıtko Naˇcti data“ k odesl´an´ı ˇr´ıdic´ıho bajtu s poˇzadavkem na odesl´an´ı dat ” zaˇr´ızen´ı n´aslednˇe odeˇsle vˇsechna relevantn´ı data z pamˇeti a v software dojde postupnˇe k vykreslen´ı grafu a v´ ypisu stejn´ ych informac´ı jako pˇri prob´ıhaj´ıc´ım mˇeˇren´ı. Posledn´ı funkc´ı programu je mˇeˇren´ı vnitˇrn´ıho odporu – po stisknut´ı tlaˇc´ıtka Zmˇeˇr“ dojde k odesl´an´ı poˇzadavku na mˇeˇren´ı vnitˇrn´ıho odporu ˇcl´anku. Pˇr´ıpravek ” n´aslednˇe odpov´ı s hodnotami napˇet´ı a proudu, ze kter´ ych dojde k v´ ypoˇctu vnitˇrn´ıho odporu a jeho vyps´an´ı.

Obr. 3.20: Uk´azka funkce mˇeˇren´ı vnitˇrn´ıho odporu

35

Obr. 3.21: Obsluˇzn´ y program na PC s v´ ysledkem mˇeˇren´ı ˇcl´anku AA

Obr. 3.22: Obsluˇzn´ y program na PC s v´ ysledkem mˇeˇren´ı ˇcl´anku Li-ion

36

4

KONSTRUKCE

4.1 4.1.1

V´ yroba DPS N´ avrh desky ploˇ sn´ ych spoj˚ u

N´avrh DPS byl proveden v programu Eagle. Obvod byl navrˇzen pro jednostrannou desku z d˚ uvodu snadn´e dom´ac´ı v´ yroby. V´ ysledn´ y n´avrh je uveden na obr´azku.

Obr. 4.1: Fin´aln´ı podoba DPS

4.1.2

Vlastn´ı v´ yroba DPS

Pro v´ yrobu DPS byla zvolena technika pozitivn´ı fotoemulze. Jedn´a se o leptuvzdornou vrstvu pokr´ yvaj´ıc´ı mˇedˇen´ y povrch ploˇsn´eho spoje. V m´ıstech, kde je tato vrstva vystavena svˇetlu se po vyvol´an´ı v roztoku hydroxidu sodn´eho fotoemulze smyje a odkryje tak mˇedˇen´ y povrch, kter´ y d´ale m˚ uˇze reagovat s leptac´ım pˇr´ıpravkem. Fotoemulze se d´a zakoupit jako samostatn´ y roztok ve spreji, pˇr´ıpadnˇe jsou v prodeji jiˇz pˇredpˇripraven´e polotovary DPS s pr˚ umyslovˇe nanesenou vrstvou.

37

Postup v´ yroby DPS ´ 1. Uprava zakoupen´eho polotovaru desky na vhodnou velikost 2. Tisk pˇredlohy na pr˚ usvitn´ y pap´ır a jej´ı um´ıstˇen´ı na polotovar DPS 3. Osvit DPS s pˇredlohou UV svˇetlem 4. Vyvol´an´ı fotoemulze v roztoku hydroxidu sodn´eho 5. Lept´an´ı v roztoku peroxidu vod´ıku a kyseliny chlorovod´ıkov´e 6. Vizu´aln´ı kontrola vodiv´ ych spoj˚ u a jejich pˇr´ıpadn´a oprava 7. Vrt´an´ı dˇer pro souˇc´astky s dr´atov´ ymi v´ yvody 8. Zabrouˇsen´ı hran desky a jej´ı u ´prava na fin´aln´ı velikost 9. Odstranˇen´ı zbytk˚ u fotoemulze acetonem 10. Nanesen´ı vrstvy roztoku kalafuny v acetonu pro zabr´anˇen´ı oxidace desky 11. Osazen´ı vˇetˇsiny pasivn´ıch souˇca´stek 12. Osazen´ı nap´ajec´ıho a nab´ıjec´ıho obvodu a kontrola jejich spr´avn´e funkce 13. Osazen´ı citliv´ ych souˇca´stek (mikrokontrol´er, operaˇcn´ı zesilovaˇc, EEPROM) 14. Osazen´ı mechanicky n´aroˇcn´ ych souˇca´stek (LED, konektory, vyp´ınaˇc)

Obr. 4.2: Fotka desky zaˇr´ızen´ı, vrchn´ı a spodn´ı pohled

38

4.2 4.2.1

Mechanick´ a konstrukce V´ ybˇ er krabiˇ cky

Pro dalˇs´ı pouˇz´ıv´an´ı mˇeˇric´ıho pˇr´ıpravku bylo potˇreba jej um´ıstit do vhodn´e krabiˇcky – jak z d˚ uvodu estetick´ ych, tak pro zajiˇstˇen´ı mechanick´e ochrany elektroniky pˇred vnˇejˇs´ımi vlivy. Pˇri v´ ybˇeru materi´alu krabiˇcky bylo vyb´ır´ano mezi plastem a kovem. Jelikoˇz dan´ y pˇr´ıpravek nen´ı povaˇzov´an za pˇrenosn´e zaˇr´ızen´ı, a tud´ıˇz nen´ı tˇreba ˇreˇsit co nejniˇzˇs´ı hmotnost, byl pro v´ yrobu zvolen jako materi´al kov. Konkr´etn´ı krabiˇcka je vyrobena z 1,6 mm tlust´eho hlin´ıku a p˚ usob´ı byteln´ ym dojmem. Mimo v´ yhod zm´ınˇen´ ych v´ yˇse je velmi dobˇre vyuˇziteln´a pro odvod tepla vznikl´eho na regulaˇcn´ım tranzistoru. Pro fin´aln´ı konstrukci byla zakoupena krabiˇcka s oznaˇcen´ım DIY1065 o vnitˇrn´ıch rozmˇerech 20,5x60,5x110 mm. Uvnitˇr tak´e obsahuje dr´aˇzky pro uchycen´ı DPS. Jedinou nutnou u ´pravou bylo vytvoˇren´ı otvor˚ u v pˇredn´ım a zadn´ım panelu pro uchycen´ı indikaˇcn´ıch diod a konektor˚ u.

Obr. 4.3: Zakoupen´a konstrukˇcn´ı krabiˇcka

4.2.2

Odvod tepla

Jak jiˇz bylo v´ yˇse zm´ınˇeno, pouˇzit´ım hlin´ıkov´e krabiˇcky se velmi zjednoduˇs´ı chlazen´ı cel´eho pˇr´ıpravku. V praxi je jedin´ ym v´ yznamn´ ym zdrojem odpadn´ıho tepla regulaˇcn´ı tranzistor. Jak bylo vypoˇcteno v rovnici 3.8, maxim´aln´ı ztr´atov´ y v´ ykon je 2,1 W. Aˇckoliv je to hodnota relativnˇe n´ızk´a, pouh´e pouzdro TO220 bez pˇripojen´ı na chladiˇc by se pˇri tomto v´ ykonu jiˇz zahˇr´ıvalo na nebezpeˇcnˇe vysok´e teploty. Na druhou stranu z estetick´ ych d˚ uvod˚ u bylo neˇza´douc´ı vrt´an´ı do kovov´e krabiˇcky. Dalˇs´ım 39

aspektem pro neinvazivn´ı zp˚ usob pˇrenosu tepla je fakt, ˇze by bylo nutn´e zajistit elektrickou izolaci tranzistoru a krabiˇcky. Byl proto zvolen kompromis v podobˇe teplovodiv´e gumy, kter´a vyplˇ nuje mezeru mezi pouzdrem tranzistoru a stˇenou krabiˇcky. Tento zp˚ usob chlazen´ı nen´ı vhodn´ y pro vysok´e v´ ykony, ovˇsem pro pouh´e 2,1 W je v naˇsem pˇr´ıpadˇe naprosto dostateˇcn´ y.

4.3

Ovˇ eˇ ren´ı funkˇ cnosti

4.3.1

Energetick´ a n´ aroˇ cnost

Po fin´aln´ım sestaven´ı a kalibraci pˇr´ıpravku bylo provedeno mˇeˇren´ı energetick´e n´aroˇcnosti zaˇr´ızen´ı v provozu. Byl mˇeˇren proud z vestavˇen´eho akumul´atoru pˇri napˇet´ı 3,7 V a vyb´ıjen´ı ˇcl´anku o napˇet´ı 1,5 V. Stav zaˇr´ızen´ı Neˇcinn´ y Vyb´ıjen´ı 100 mA Vyb´ıjen´ı 250 mA Vyb´ıjen´ı 500 mA

Proudov´ y odbˇer [mA] 24 32 36 43

Tab. 4.4: Proudov´a n´aroˇcnost pˇr´ıpravku Jak m˚ uˇzeme vidˇet, je proudov´a n´aroˇcnost zaˇr´ızen´ı velmi n´ızk´a – kapacita vestavˇen´eho akumul´atoru je pˇribliˇznˇe 2000 mAh, coˇz znamen´a aˇz 62 hodin mˇeˇren´ı pˇri 100 mA na jedno nabit´ı.

4.3.2

Ovˇ eˇ ren´ı proudov´ e stability

Z grafu 4.5 je zˇretelnˇe vidˇet, ˇze zvolen´ y proud 500mA je v cel´em rozsahu provozn´ıho napˇet´ı velmi stabiln´ı a mˇeˇren´ı tud´ıˇz nebude pˇr´ıpadnou nestabilitou ovlivnˇeno.

I (mA)

Závislost proudu na napětí 500

400 0

1

2

3

4

U (V)

Obr. 4.5: Z´avislost proudu na vstupn´ım napˇet´ı

40

5

5

ˇ REN ˇ ´I ME

Jakmile byla ovˇeˇrena z´akladn´ı funkce mˇeˇric´ıho pˇr´ıpravku, rozhodl jsem se udˇelat ˇradu test˚ u na nˇekolika bˇeˇznˇe dostupn´ ych nab´ıjec´ıch i nenab´ıjec´ıch ˇcl´anc´ıch velikosti AA a sledovat jejich kapacitu v r˚ uzn´ ych situac´ıch. Do testu byly zahrnuty ˇcl´anky zinko-uhl´ıkov´e, alkalick´e, dva kusy lithiov´ ych a pro srovn´an´ı jeden nab´ıjec´ı NiMH. C´ılem testu bylo tak´e zjistit, jak velk´e rozd´ıly jsou mezi draˇzˇs´ımi znaˇckov´ ymi ˇcl´anky a nejlevnˇejˇs´ı konkurenc´ı.

ˇ anky v testu Obr. 5.1: Cl´

N´azev Tesco Battery Varta Superlife Varta Longlife Tesco Power GP Ultra Energizer powerseal Varta High Energy Energizer Maximum GP Lithium Energizer Lithium Sanyo Eneloop

technologie Zn-C Zn-C Alkalick´ y Alkalick´ y Alkalick´ y Alkalick´ y Alkalick´ y Alkalick´ y Lithiov´ y Lithiov´ y NiMH

hmotnost [g] 14,5 16,9 23,3 23,6 23,0 22,9 23,3 24,2 14,8 14,7 26,0

cena za kus [Kˇc] 6,3 10,0 10,0 11,3 12,5 18,8 25,0 29,0 44,5 55,0 65,0

Tab. 5.2: Seznam ˇcl´ank˚ u v testu Jak je jiˇz z tabulky 5.2 zˇreteln´e, jsou v ˇcl´anc´ıch kromˇe poˇrizovac´ı ceny velk´e rozd´ıly i v hmotnosti – nejniˇzˇs´ı vykazuj´ı ˇcl´anky lithiov´e, nejvyˇsˇs´ı naopak nab´ıjec´ı NiMH. 41

5.1

Srovn´ an´ı vnitˇ rn´ıho odporu

Prvn´ım mˇeˇren´ım bylo prov´est test vnitˇrn´ıho odporu u vˇsech ˇcl´ank˚ u pˇri r˚ uzn´e teplotˇe. Jak je vˇseobecnˇe zn´amo, sn´ıˇzen´ım teploty dojde ke zpomalen´ı chemick´ ych dˇej˚ u, coˇz v pˇr´ıpadˇe ˇcl´ank˚ u vede ke zmˇen´am jejich charakteristick´ ych vlastnost´ı jako je napˇr´ıklad vnitˇrn´ı odpor. Jak je jiˇz z tabulky 5.3 zˇreteln´e, jsou ve vnitˇrn´ım odporu velk´e rozd´ıly mezi jednotliv´ ymi technologiemi, naproti tomu rozd´ıly mezi ˇcl´anky v r´amci jedn´e technologie pˇri dan´ ych podm´ınk´ach jiˇz vˇetˇsinou nejsou nikterak z´asadn´ı. Zaj´ımav´ y je niˇzˇs´ı vnitˇrn´ı odpor u ˇcl´anku Energizer Powerseal ve srovn´an´ı s ostatn´ımi alkalick´ ymi. Nejlepˇs´ı v´ ysledky pˇri velmi n´ızk´ ych teplot´ach naopak podaly ˇcl´anky Varta High Energy a Varta Longlife (paradoxnˇe nejlevnˇejˇs´ı alkalick´ y ˇcl´anek v testu). Jin´ ymi ˇcl´anky naprosto nedosaˇziteln´e hodnoty vykazuje nab´ıjec´ı NiMH Sanyo Eneloop, kter´ y i pˇri n´ızk´e teplotˇe prok´azal velmi n´ızk´ y vnitˇrn´ı odpor a v tomto testu pˇrekonal i velmi drah´e prim´arn´ı lithiov´e ˇcl´anky. N´azev Tesco Battery Varta Superlife Varta Longlife Tesco Power GP Ultra Energizer Powerseal Varta High Energy Energizer Maximum GP Lithium Energizer Lithium Sanyo Eneloop

technologie Zn-C Zn-C Alkalick´ y Alkalick´ y Alkalick´ y Alkalick´ y Alkalick´ y Alkalick´ y Lithiov´ y Lithiov´ y NiMH

𝑅i (23 ∘ C) [Ω] 0,43 0,35 0,16 0,16 0,16 0,12 0,14 0,16 0,35 0,18 0,03

𝑅i (10 ∘ C) [Ω] 0,51 0,43 0,20 0,20 0,20 0,16 0,17 0,21 0,50 0,26 0,04

𝑅i (−20 ∘ C) [Ω] 1,40 1,50 0,32 0,42 0,52 0,50 0,30 0,47 1,20 0,64 0,06

Tab. 5.3: Srovn´an´ı vnitˇrn´ıho odporu ˇcl´ank˚ u Jak jiˇz bylo zm´ınˇeno v 3.9, vnitˇrn´ı odpor je vypoˇcten jako pokles napˇet´ı pˇri zmˇenˇe z´atˇeˇze z 10 mA na 750 mA. Pouˇzit´ı metody dvou proud˚ u nam´ısto rozd´ılu hodnoty napr´azdno a v z´atˇeˇzi pˇrispˇelo ke stabilnˇejˇs´ım hodnot´am pˇri opakovan´ ych mˇeˇren´ıch.

42

5.2

Mˇ eˇ ren´ı kapacity pˇ ri r˚ uzn´ ych proudech

Dalˇs´ım d˚ uleˇzit´ ym krokem ke srovn´an´ı ˇcl´ank˚ u bylo prov´est mˇeˇren´ı kapacity pˇri r˚ uzn´ ych proudech. Aˇckoliv pˇr´ıpravek um´ı proudy 100 mA, 250 mA a 500 mA, bylo z ˇcasov´ ych i ekonomick´ ych d˚ uvod˚ u provedeno mˇeˇren´ı pouze nejvyˇsˇs´ım a nejniˇzˇs´ım moˇzn´ ym proudem. N´azev

technologie

Tesco Battery Varta Superlife Varta Longlife Tesco Power GP Ultra Energizer Powerseal Varta High Energy Energizer Maximum GP Lithium Energizer Lithium Sanyo Eneloop

Zn-C Zn-C Alkalick´ y Alkalick´ y Alkalick´ y Alkalick´ y Alkalick´ y Alkalick´ y Lithiov´ y Lithiov´ y Ni-MH

Kapacita (100 mA) [mAh] 707 579 2295 2345 2298 2295 2482 2472 2890 3108 1880

Kapacita (500 mA) [mAh] 269 152 1330 1209 1165 1126 1368 1329 2611 3143 1851

Tab. 5.4: Srovn´an´ı kapacity ˇcl´ank˚ u pˇri r˚ uzn´ ych proudech

1,6 1,5

Zn-C (100mA) Zn-C (500mA)

1,4 U (V)

Alkalický (100mA) 1,3

Alkalický (500mA) Lithiový (100mA)

1,2

Lithiový (500mA)

NiMH (100mA)

1,1

NiMH (500mA) 1 0,9 0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

kapacita (mAh)

Obr. 5.5: Pr˚ ubˇeh napˇet´ı vybran´ ych ˇcl´ank˚ u pˇri r˚ uzn´ ych proudech

43

1,6

Tesco Battery Varta Superlife

1,5

Varta Longlife Tesco Power

1,4

U (V)

GP Ultra

1,3

Energizer Powerseal

Varta High

1,2

Energizer Maximum GP Lithium

1,1

Energizer Lithium Eneloop

1 0,9 0

500

1000

1500 2000 kapacita (mAh)

2500

3000

Obr. 5.6: Pr˚ ubˇeh napˇet´ı ˇcl´ank˚ u pˇri vyb´ıjec´ım proudu 500 mA 1,6

Tesco Battery Varta Superlife

1,5

Varta Longlife Tesco Power

1,4 U (V)

GP Ultra

1,3

Energizer Powerseal Varta High

1,2

Energizer Maximum GP Lithium

1,1

Energizer Lithium

Eneloop

1 0,9 0

500

1000

1500 2000 kapacita (mAh)

2500

3000

Obr. 5.7: Pr˚ ubˇeh napˇet´ı ˇcl´ank˚ u pˇri vyb´ıjec´ım proudu 100 mA Na grafu 5.5 m˚ uˇzeme vidˇet pr˚ ubˇeh napˇet´ı na vybran´ ych ˇcl´anc´ıch (Tesco Battery, Energizer Maximum, Energizer Lithium, Eneloop) pˇri obou vyb´ıjec´ıch proudech. Na grafech 5.6 a 5.7 m˚ uˇzeme pozorovat pr˚ ubˇehy napˇet´ı pˇri z´atˇeˇzi 500 mA, resp. 100 mA. Pˇri porovn´an´ı r˚ uzn´ ych typ˚ u ˇcl´anku m˚ uˇzeme vidˇet, ˇze rozd´ıln´ y vyb´ıjec´ı proud m´a t´emˇeˇr zanedbateln´ y vliv na lithiov´ y a NiMH ˇcl´anek – pˇri obou mˇeˇren´ıch dos´ahly t´emˇeˇr stejn´e kapacity. U niˇzˇs´ıho proudu je u lithiov´eho pouze strmˇejˇs´ı pokles napˇet´ı v koneˇcn´e f´azi mˇeˇren´ı. Naprosto jin´a situace je zˇreteln´a u alkalick´ ych ˇcl´ank˚ u. Pˇri sn´ıˇzen´ı vyb´ıjec´ıho proudu dojde k velmi v´ yrazn´emu n´ar˚ ustu kapacity – pˇri 500 mA se kapacita pohybuje pouze okolo 1300 mAh, v 100 mA testu jiˇz vyk´azaly hodnoty okolo 2400 mAh, ˇc´ımˇz dokonce pˇrekonaly v kapacitˇe nab´ıjec´ı NiMH.

44

5.3

Mˇ eˇ ren´ı kapacity pˇ ri r˚ uzn´ ych teplot´ ach

Posledn´ı mˇeˇren´ı mˇelo za u ´ˇcel zjistit rozd´ıly v kapacitˇe ˇcl´ank˚ u pˇri r˚ uzn´ ych teplot´ach. Mˇeˇren´ı prob´ıhaly pˇri pokojov´e teplotˇe (23°C), v chladu (10°C) a v mrazu (−20°C) pˇri proudu 500 mA. N´azev Tesco Battery Varta Superlife Varta Longlife Tesco Power GP Ultra Energizer powerseal Varta High Energy Energizer Maximum GP Lithium Energizer Lithium Sanyo Eneloop

Kapacita (23°C) [mAh] 269 152 1330 1209 1165 1126 1368 1329 2611 3143 1851

Kapacita (10°C) [mAh] 46 62 884 829 653 708 861 938 2699 3052 1836

Kapacita (−20°C) [mAh] 0 0 96 75 50 101 107 102 0 2029 1277

Tab. 5.8: Srovn´an´ı kapacity ˇcl´ank˚ u pˇri r˚ uzn´ ych teplot´ach Pro pˇrehlednˇejˇs´ı zobrazen´ı v grafu byly vybr´any 3 ˇcl´anky – jako z´astupce alkalick´ ych ˇcl´anek Energizer Maximum, d´ale Energizer Lithium a nab´ıjec´ı Ni-MH Sanyo Eneloop. Graf 5.6.zobrazuje pr˚ ubˇeh napˇet´ı tˇechto tˇr´ı ˇcl´ank˚ u pˇri r˚ uzn´ ych teplot´ach. 1,5 Alkalický (23°C)

1,4

Alkalický (10°C)

1,3 U (V)

Alkalický (-20°C)

Lithiový (23°C)

1,2

Lithiový (10°C)

1,1

Lithiový (-20°C)

1

Ni-MH (23°C)

0,9

Ni-MH(10°C)

0

500

1000

1500 2000 kapacita (mAh)

2500

3000

3500

Ni-MH(-20°C)

Obr. 5.9: Pr˚ ubˇeh napˇet´ı ˇcl´ank˚ u pˇri r˚ uzn´ ych teplot´ach Jak m˚ uˇzeme jasnˇe vidˇet, rozd´ıl mezi pokojovou teplotou a chladem m´a minim´aln´ı vliv na Ni-MH ˇcl´anek, ovˇsem na alkalick´em ˇcl´anku je jiˇz vidˇet rozd´ıl znaˇcn´ y. Z´asadn´ı rozd´ıly ovˇsem m˚ uˇzeme pozorovat pˇri velmi n´ızk´e teplotˇe – vˇsechny typy vyk´azaly v´ yrazn´e sn´ıˇzen´ı kapacity. 45

5.4

Z´ avˇ ery mˇ eˇ ren´ı

V´ ysledky proveden´ ych mˇeˇren´ı dokazuj´ı, ˇze rozd´ıly mezi nejdraˇzˇs´ımi a levnˇejˇs´ımi alkalick´ ymi ˇcl´anky jsou z hlediska kapacity a vnitˇrn´ıho odporu minim´aln´ı. Na druhou stranu nem˚ uˇzeme vylouˇcit rozd´ıly, kter´e nebylo moˇzn´e v t´eto pr´aci posoudit – nam´atkou napˇr´ıklad rychlost samovyb´ıjen´ı ˇci tˇesnost obalu po delˇs´ı dobˇe v provozu. Velmi z´asadn´ı rozd´ıly ovˇsem pozorujeme mezi jednotliv´ ymi technologiemi – zinkouhl´ıkov´e ˇcl´anky vyk´azaly v testech velmi ˇspatn´e parametry, at’ uˇz se jedn´a o kapacitu pˇri obou zatˇeˇzovac´ıch proudech, hodnoty vnitˇrn´ıho odporu nebo kapacitu pˇri sn´ıˇzen´e teplotˇe. Pˇri −20°C dokonce selhaly u ´plnˇe a po pˇripojen´ı z´atˇeˇze kleslo jejich napˇet´ı okamˇzitˇe pod 0,9 V. Oba testovan´e lithiov´e ˇcl´anky vyk´azaly velmi vysokou kapacitu pˇri obou proudech, ovˇsem co se t´ yˇce teplotn´ıch test˚ u, naprosto propadnul ˇcl´anek GP Lithium, kter´ y pˇri −20°C vyk´azal nulovou kapacitu a velmi vysok´ y vnitˇrn´ı odpor. Naopak ˇcl´anek Energizer Lithium dok´azal obstojnˇe fungovat i pˇri tˇechto extr´emn´ıch podm´ınk´ach a dok´azal poskytnout naprosto nejvyˇsˇs´ı kapacitu ze vˇsech ˇcl´ank˚ u v testu. Spolu s velmi vysokou kapacitou a n´ızkou hmotnost´ı nen´ı divu, ˇze byl pouˇzit i na palubˇe raketopl´anu [19]. Podobnˇe velmi dobrou funkˇcnost prok´azal nab´ıjec´ı NiMH ˇcl´anek Sanyo Eneloop, kter´ y mˇel nejniˇzˇs´ı vnitˇrn´ı odpor ze vˇsech ˇcl´ank˚ u ve vˇsech teplotn´ıch testech a tak´e poskytoval vysokou kapacitu pˇri vysok´e proudov´e z´atˇeˇzi. Aˇckoliv je jeho kapacita niˇzˇs´ı neˇz u lithiov´eho, pro kaˇzdodenn´ı pouˇzit´ı je v´ yraznˇe vhodnˇejˇs´ı – i bez velk´ ych v´ ypoˇct˚ u zjist´ıme, ˇze po pouh´ ych dvou nabit´ıch je jiˇz jeho pouˇzit´ı ekonomiˇctˇejˇs´ı.

46

6

´ ER ˇ ZAV

C´ılem t´eto pr´ace bylo navrhnout a zkonstruovat tester kapacity bateri´ı a akumul´ator˚ u, kter´ y bude tak´e umoˇzn ˇovat mˇeˇren´ı jejich vnitˇrn´ıho odporu. N´avrh musel b´ yt ˇreˇsen tak, aby zaˇr´ızen´ı pracovalo autonomnˇe a tud´ıˇz mohlo pracovat i pˇri vypnut´em PC jen vyuˇz´ıvaj´ıc´ı nap´ajen´ı z USB. Na z´akladˇe tohoto poˇzadavku bylo potˇreba m´ıt v zaˇr´ızen´ı pamˇet’, do kter´e se budou namˇeˇren´e veliˇciny ukl´adat a pot´e p˚ ujdou d´avkovˇe pˇren´est do PC. Jelikoˇz jsem chtˇel, aby bylo moˇzn´e mˇeˇren´ı prov´adˇet i naprosto bez pˇr´ıtomnosti nap´ajen´ı z poˇc´ıtaˇce (pˇredchoz´ı n´avrh poˇc´ıtal s pˇr´ım´ ym vyuˇzit´ım 5 V z USB pro nap´ajen´ı zaˇr´ızen´ı), vybavil jsem jej intern´ım Li-ion akumul´atorem. Toto ˇreˇsen´ı umoˇzn ˇuje po spuˇstˇen´ı mˇeˇren´ı naprost´e odpojen´ı USB, tud´ıˇz se nem˚ uˇze napˇr´ıklad st´at, ˇze pˇri vypnut´ı/zapnut´ı PC dojde k selh´an´ı mˇeˇren´ı z d˚ uvodu kr´atkodob´eho odpojen´ı nap´ajen´ı USB. Toto chov´an´ı vykazuje napˇr´ıklad m˚ uj Thinkpad x220i Tablet, kter´ y aˇckoliv ve vypnut´em stavu (pˇri pˇripojen´em nap´ajen´ı) poskytuje nap´ajen´ı USB, pˇri zapnut´ı dojde ke kr´atkodob´emu v´ ypadku. Stejn´e chov´an´ı vykazuje i pˇri pˇrechodu z/do reˇzimu sp´anku, kdy jsou USB porty nap´ajeny dokonce i pˇri bˇehu na baterii. Tyto kr´atkodob´e v´ ypadky by zp˚ usobily pˇreruˇsen´ı mˇeˇren´ı, coˇz by bylo velmi neˇza´douc´ı vzhledem k tomu, ˇze kapacitn´ı testy mohou trvat i pˇres 24 hodin. Celkem se pr´ace dˇel´ı do ˇctyˇr ˇca´st´ı. V prvn´ı ˇca´sti jsem se zab´ yval histori´ı a teoretick´ ym rozborem v souˇcasnosti nejpouˇz´ıvanˇejˇs´ıch prim´arn´ıch a sekund´arn´ıch ˇcl´ank˚ u, jejich v´ yhodami a nev´ yhodami. N´apln´ı druh´e ˇc´asti pr´ace byl teoretick´ y n´avrh a popis jednotliv´ ych ˇc´ast´ı zaˇr´ızen´ı – od pouˇzit´eho mikrokontrol´eru, pˇres popis v´ ybˇeru proudu aˇz po metodiku mˇeˇren´ı kapacity a vnitˇrn´ıho odporu. Je zde tak´e zm´ınˇena napˇr´ıklad problematika ˇzivotnosti EEPROM ˇci nutnost ochrann´eho obvodu zaˇr´ızen´ı a jin´ ymi probl´emy, kter´e se vyskytly bˇehem konstrukce. D´ale obsahuje tak´e n´avrh software mˇeˇric´ıho zaˇr´ızen´ı i ovl´adac´ıho software na PC, kter´ y slouˇz´ı k nastaven´ı proudu, vykreslen´ı grafu pr˚ ubˇehu napˇet´ı v ˇcase a podobnˇe. Pˇredposledn´ı ˇca´st se zamˇeˇruje na mechanickou konstrukci, v´ yrobu a osazen´ı DPS a z´akladn´ı testy sestaven´eho pˇr´ıstroje. Byl zde tak´e zm´ınˇen v´ ybˇer konstrukˇcn´ıho boxu pro um´ıstˇen´ı osazen´e desky. V posledn´ı ˇca´sti pr´ace jsem se zamˇeˇril na testov´an´ı dostupn´ ych tuˇzkov´ ych“ ” ˇcl´ank˚ u, jejich srovn´an´ı pˇri r˚ uzn´ ych podm´ınk´ach a posouzen´ı ekonomick´e v´ yhodnosti jednotliv´ ych model˚ u.

47

LITERATURA ´ S, ˇ Miroslav a Milan RUCKA. ˇ [1] ARENDA Nab´ıjeˇcky a nab´ıjen´ı. 2., aktualizovan´e vyd. Praha: Ingara, 1997, 101 s. ISBN 80-86056-29-5. [2] ATMEL. ATmega48A/PA/88A/PA/168A/PA/328/P datasheet. 2012, 660 s. Dostupn´e z:http://www.atmel.com/Images/ Atmel-8271-8-bit-AVR-Microcontroller-ATmega48A-48PA-88A-88PA-168A/ /-168PA-328-328P_datasheet.pdf [3] BELLIS, Mary. Biography of Alessandro Volta. ABOUT.COM. About.com - Inventors [online]. [cit. 2013-12-30]. Dostupn´e z:http://inventors.about.com/ od/utstartinventors/a/Alessandro_Volta.htm [4] CENEK, Miroslav et al. Akumul´atory od principu k praxi. Praha: FCC Public, 2003, 248 s. ISBN 80-86534-03-0. [5] DURACELL. Lithium Technical Bulletin. 14 s. Dostupn´e z: http: //ww2.duracell.com/media/en-US/pdf/gtcl/Technical_Bulletins/ LithiumTechnicalBulletin.pdf [6] ENERGIZER. Eveready Carbon Zinc Application manual. 2001, 13 s. Dostupn´e z: http://data.energizer.com/PDFs/carbonzinc_appman.pdf [7] ENERGIZER. Alkaline Manganese Dioxide Handbook and Application Manual. 2012. Dostupn´e z: http://data.energizer.com/PDFs/alkaline_appman.pdf [8] ENERGIZER. Energizer Silver Oxide Application manual. 2001, 5 s. Dostupn´e z: http://data.energizer.com/PDFs/silveroxide_appman.pdf [9] ENERGIZER. Lithium Iron Disulfide Handbook and Application Manual. 2013, 18 s. Dostupn´e z: http://data.energizer.com/PDFs/lithiuml91l92_ appman.pdf [10] ENERGIZER Technical Bulletin: Battery Internal Resistance. 2005. Dostupn´e z: http://data.energizer.com/PDFs/BatteryIR.pdf [11] ERIKSSON, Tom. LiMn2O4 as a Li-Ion battery cathode from bulk to electrolyte interface. Uppsala: Univ, 2001. ISBN 91-554-5100-4. Dostupn´e z: http: //uu.diva-portal.org/smash/get/diva2:160906/FULLTEXT01.pdf. Dissertation. Uppsala University. [12] FORTUNE SEMICONDUCTOR CORP. DW01-P: One Cell Lithiumion/Polymer Battery Protection IC. 2006. Dostupn´e z: http://www. ic-fortune.com/upload/Download/DW01-P_DataSheet_V10.pdf 48

[13] FTDI CHIP. Future Technology Devices International: FT232R USB UART IC. 2010. Dostupn´e z: http://www.ftdichip.com/Support/Documents/ DataSheets/ICs/DS_FT232R.pdf [14] GARCHE, Juergen. Encyclopedia of electronchemical power sources. Boston, MA: Elsevier, 2009, p. cm. ISBN 978-044-4520-937. [15] LESURF, Jim. The E12 Series. [online]. [cit. 2013-12-30]. Dostupn´e z: http://www.st-andrews.ac.uk/~www_pa/Scots_Guide/info/comp/ passive/resistor/e12/e12.html [16] MICROCHIP. 24AA512/24LC512/24FC512: 512K I2C Serial EEPROM. 2010. Dostupn´e z: http://ww1.microchip.com/downloads/en/DeviceDoc/21754M. pdf [17] NANJING TOP POWER ASIC CORP. TP4056: 1A Standalone Linear Lilon Battery Charger with Thermal Regulation. 2014. Dostupn´e z: http:// dlnmh9ip6v2uc.cloudfront.net/datasheets/Prototyping/TP4056.pdf [18] NASA. Apollo experience report: Battery subsystem. Houston, USA, 1972. Dostupn´e z: http://ntrs.nasa.gov/archive/nasa/casi.ntrs.nasa.gov/ 19720024228_1972024228.pdf [19] NASA. Use of Lithium IronDisulfideCell for the Orbiter Wing Leading Edge Impact Sensor. 2005. Dostupn´e z: https://batteryworkshop.msfc.nasa. gov/presentations/TueAM_01_Use_of_Lithium_IronDisulfide_Cell_ Orbiter_Wing_Leading_Edge_JJeevarajan.pdf [20] PANASONIC Self-Discharge. Eneloop technology [online]. [cit. 2013-12-30]. Dostupn´e z: http://www.eneloop.info/home/technology/self-discharge. html ´ Gaston. The Storage Of Electrical Energy. Francie: Paul Bedford, [21] PLANTE, 1859. Dostupn´e z: https://archive.org/details/storageofelectri031249mbp [22] PROLIFIC. PL-2303HX Edition USB to Serial Bridge Controller: Product datasheet. 2013. Dostupn´e z: http://www.prolific.com.tw/UserFiles/files/ ds_pl2303HXD_v1_4_4.pdf [23] Arduino: jak pro nˇej zaˇc´ıt programovat. In: Root.cz [online]. 2010 [cit. 2014-05-27]. Dostupn´e z: http://www.root.cz/clanky/ arduino-jak-pro-nej-zacit-programovat

49

[24] SILICON LABS. CP2102/9: Single-Chip USB to UART bridge. 2013. Dostupn´e z: http://www.silabs.com/SupportDocuments/TechnicalDocs/ CP2102-9.pdf [25] ST MICROELECTRONICS. BD243C, 244C: Complementary power transistors. 2007. Dostupn´e z: http://www.st.com/web/en/resource/technical/ document/datasheet/CD00001155.pdf [26] TEXAS INSTRUMENTS. MAX232, MAX232I: Dual EIA-232 drivers/recievers. 1989, 19 s. Dostupn´e z: http://www.ti.com/lit/ds/symlink/max232. pdf [27] TEXAS INSTRUMENTS. LM158/LM258/LM358/LM2904: Low Power Dual Operational Amplifiers. 2000. Dostupn´e z: http://www.ti.com/lit/ds/ symlink/lm358-n.pdf [28] THREW, Jesse. What Is an NiCd Rechargeable Battery. eHow [online]. [cit. 2013-12-30]. Dostupn´e z: http://www.ehow.com/facts_7611299_ nicd-rechargeable-battery.html [29] USB IMPLEMENTERS FORUM. Universal Serial Bus: Power Delivery Specification. 2013. Dostupn´e z: http://www.usb.org/developers/docs/usb20_ docs/usb_20_070113.zip

50

˚ VELICIN ˇ SEZNAM SYMBOLU, A ZKRATEK USB Universal Serial Bus PC

Personal Computer

AA

Velikost tuˇzkov´e baterie“ ” DIP Dual In-line Package PC

Personal Computer

RISC Reduced Instruction Set Computing kB

kiloByte

EEPROM Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory SRAM Static Random Access Memory FRAM Ferroelectric Random Access Memory AD

Analog-to-Digital

LCD Liquid Crystal Display UPS Uninterruptible Power Supply AGM Absorbed Glass Mat NiMH Nickel–Metal Hydride battery NiCd Nickel–Cadmium battery Li-ion Lithium-ion battery IEC International Electrotechnical Commission USART Universal Synchronous / Asynchronous Receiver and Transmitter QFN Quad-flat no-leads DPS Deska ploˇsn´ ych spoj˚ u LED Light-Emitting Diode SMD surface-mount device I2 C

Inter-Integrated Circuit

Zn-C Zinko-uhl´ıkov´ y ˇcl´anek ASCII American Standard Code for Information Interchange

51

´ ˚ SEZNAM OBRAZK U 2.4

Konstrukce ˇcl´anku CR2032 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

12

2.5

Lithiov´e ˇcl´anky velikosti AA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

13

2.6

Konstrukce Ni-MH ˇcl´anku . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

15

2.7

Li-ion ˇcl´anek Panasonic NCR18650 . . . . . . . . . . . . . . . .

16

3.3

Typick´ y Pr˚ ubˇeh nab´ıjen´ı metodou konstantn´ı proud, konstantn´ı napˇet´ı obvodem TP4056, pˇrevzato z [17] . . . . . . . . . . . . .

21

3.5

Zapojen´ı obvodu MCP16251 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

22

3.6

Zapojen´ı ochrann´eho obvodu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

23

3.15 V´ yvojov´ y diagram programu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

31

3.17 V´ yvojov´ y diagram funkce mˇeˇre´an´ı . . . . . . . . . . . . . . . . .

33

3.18 V´ yvojov´ y diagram funkce odesl´an´ı namˇeˇren´ ych hodnot do PC .

34

3.19 V´ yvojov´ y diagram funkce mˇeˇren´ı vnitˇrn´ıho odporu ˇcl´ank˚ u . . .

34

3.20 Uk´azka funkce mˇeˇren´ı vnitˇrn´ıho odporu . . . . . . . . . . . . . .

35

3.21 Obsluˇzn´ y program na PC s v´ ysledkem mˇeˇren´ı ˇcl´anku AA . . . .

36

3.22 Obsluˇzn´ y program na PC s v´ ysledkem mˇeˇren´ı ˇcl´anku Li-ion . . .

36

4.1

Fin´aln´ı podoba DPS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

37

4.2

Fotka desky zaˇr´ızen´ı, vrchn´ı a spodn´ı pohled . . . . . . . . . . .

38

4.3

Zakoupen´a konstrukˇcn´ı krabiˇcka . . . . . . . . . . . . . . . . . .

39

4.5

Z´avislost proudu na vstupn´ım napˇet´ı . . . . . . . . . . . . . . .

40

5.1

ˇ anky v testu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Cl´

41

5.5

Pr˚ ubˇeh napˇet´ı vybran´ ych ˇcl´ank˚ u pˇri r˚ uzn´ ych proudech . . . . .

43

5.6

Pr˚ ubˇeh napˇet´ı ˇcl´ank˚ u pˇri vyb´ıjec´ım proudu 500 mA . . . . . . .

44

5.7

Pr˚ ubˇeh napˇet´ı ˇcl´ank˚ u pˇri vyb´ıjec´ım proudu 100 mA . . . . . . .

44

5.9

Pr˚ ubˇeh napˇet´ı ˇcl´ank˚ u pˇri r˚ uzn´ ych teplot´ach . . . . . . . . . . .

45

ˇ ´ILOH SEZNAM PR A Celkov´ y vzhled zaˇ r´ızen´ı

54

B Sch´ ema zapojen´ı

55

C Pˇ redloha pro v´ yrobu DPS

56

D Osazovac´ı pl´ any 57 D.1 Horn´ı vrstva . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 D.2 Spodn´ı vrstva . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57

53

A

´ VZHLED ZAR ˇ ´IZEN´I CELKOVY

54

B

´ SCHEMA ZAPOJEN´I

55

C

ˇ ´ PREDLOHA PRO VYROBU DPS

56

D

´ OSAZOVAC´I PLANY

D.1

Horn´ı vrstva

D.2

Spodn´ı vrstva

57