Про мій LIR2032 і CR2032 тестер, самі батарейки і накопичений досвід

У цій статті я публікую у вільний доступ мій тестер вимірювач 8шт часових акумуляторів-таблеток форм-фактора CR2032. Сподіваюся, він стане в нагоді тим, хто робить портативну електроніку і різний IoT. У статті я опишу схему мого тестера і розповім як він працює. Наведу результати вимірювання акумуляторів LIR2032. І перевірю вісім CR2032 від різних виробників. Також поділюся багатим досвідом: які акумулятори краще не брати, а які — хороші. Бонусом розпишу небезпечні моменти: і як самому не постраждати і не спалити будинок, як це любить робити Креосан.

Зміст:
Для чого?
Основні параметри і алгоритм перевірки
Індикація і лог роботи
Мікроконтроллер і як його прошивати
Схема цілком
Схема харчування
Схема одного з восьми каналів LIR2032/CR2032
Про зарядку і контролер заряду
Плата
Результати акумуляторів LIR2032
Результати перевірки 8 різних батарейок CR2032
Підсумки і про якість акумуляторів
Про техніку безпеки
Ув'язнення і заслання на мій проект на гітхабі
Для чого?
В цілях самозайнятості і в якості хобі ми з другом-схемотехником робимо наручні пристрої, які працюють у двох режимах: активному і режимі очікування. В активному режимі потрібно красивий, плавний і чуйний інтерфейс, тому споживання в межах 10-15 мА. В режимі очікування працюють тільки годинники, споживання — одиниці мікроампер. У пристрої є синхронізація даних по USB, отже, воно повинно вміти заряджатися. Тому ми застосовуємо перезаряджаються батарейки таблетки у форм-факторі CR2032, вони називаються LIR2032.
Пристрої продаються в Європу. Ці замовники більш вимогливі до якості, ніж вітчизняні споживачі, і тому важливо, щоб всі пристрої працювали довго і приблизно однаковий час. І найбільша проблема — це контроль якості акумуляторів. Швидко їх не перевірити, а обсяг зріс настільки, що довелося зробити цей тестер. Про що я розповім далі.
image
Основні параметри
  1. Харчування USB 5V, 400mA.
  2. Тип акумуляторів і батарей LIR2032, CR2032 (з обмеженнями)
  3. Кількість одночасно перевіряються акумуляторів: 8 шт.
  4. Індивідуальна двох колірна індикація статусу у кожного акумулятора
  5. Одноколірний світлодіод загального стану.
  6. Посекундний текстовий лода щодо кожного акумулятора.
  7. Вимірники: напруги і швидкості його зміни, часу, ємності в мкА/ч.
  8. Розрядна навантаження: 250 Ом (~10мА).
  9. Зарядний струм: 30мА
  10. Час циклу перевірки: 4-6 годин.
Алгоритм перевірки
Різниця між LIR2032 і CR2032 в тому, що батарейки CR2032, а LIR акумулятори акумулятори. І вони мають більш високий робочий діапазон напруг, але майже в 10 разів меншу ємність.
CR2032: діапазон напруг 2000-3300 мВ, ємність 200+ мА/год.
LIR2032: діапазон напруг 3300-4200 мВ, ємність 35 — 45 мА/год
  1. Первинна дозазрядка, закінчення — сигнал #STAT зарядника в Z. Максимум 3 години.
  2. Розряд, до 3300 мВ, час: мінімум 2 години, максимум 5 годин.
  3. Фінальна повна зарядка, закінчення — сигнал #STAT зарядника в Z. Максимум 3 години.
Акумулятор вважається придатним, якщо всі ці ліміти часу дотримуються.
Напруга не повинна просідати нижче 3000 мВ або перевищувати 4300 мВ — тобто ті ліміти, при яких акумулятори швидко псуються або вважаються непридатними.
Індикація
Індивідуально у кожного власника батареї:
  • часто блимає зеленим — Первинна дозазрядка
  • часто блимає червоним — Розряд
  • повільно блимає зеленим — Фінальна зарядка
  • постійно горить зелений — Тест закінчено, батарея годна
  • постійно горить червоний — Тест закінчено, батарея не годна
у Загальний USB порти:
  • Світиться — перевірка в процесі роботи, як мінімум один тестується.
  • Згасло — перевірка закінчена, всі 8 акумуляторів перевірені.
Лог роботи
Виводиться в UART. Якщо впаяти CP2103, то його можна зчитувати, інакше доведеться підключати сторонній перетворювач UART в USB.
Пристрій запам'ятовує у вільній флеш пам'яті (близько 50к) параметри всіх раніше виміряних акумуляторів і видає їх при кожному перезавантаженні.
Після перезавантаження і ініціалізації починає видаватися кожну секунду:
  1. Час у секундах
  2. Налагоджувальні статуси зарядника і тд, три групи символів по 8 шт.
  3. Напруги на акумуляторах милливольтах, точність 30мВ, 8шт
  4. Минуло часу в твк (~8 мільйонів)
  5. Напруга аналогового харчування (зручно для перевірки і налагодження харчування)
  6. Швидкість зміни харчування в микровольтах в сек, 8 шт. точність 5 мкВ/сек.
Після того як всі акумулятори перевірені видається виміряні значення по всіх акумуляторів.
  1. Ємність в мкА/год (норма від 25 і вище)
  2. Час в сек., напруга в мВ початку і напруга в мВ закінчення періоду.
  3. Періодів три: первинний заряд, розряд, фінальний заряд.
приклад:
LIR_1 capacity 40943 uAh
LIR_1 #0 Charge_A 2203 4078 4217
LIR_1 #1 Load_250 9755 4172 3297
LIR_1 #2 Charge_B 6542 3470 4220

Мікроконтроллер і як його прошивати
Для тестера батарейок я вибрав мікроконтролер STM32F100R8 це ARM Cortex M3.
Обраний великий 64-х вивідний корпус, т. к. на всі 8 каналів не вистачало висновків, а робити милиці з расширяемыми GPIO і регістрами не хотілося. МК працює від внутрішнього генератора без використання PLL і дільників, тобто на 8Мгц.
Прошивка зроблена в gcc і makefile в середовищі Eclipse Kepler і плагіні CDT.
Настройка не потрібна. Досить прошити і вже можна використовувати.
Можна прошивати зовнішнім UART програматором, для цього на окрему PLS'ку виведені сигнали RX TX BOOT0 RST і земля.
Можна прошивати моїм вбудованим USB-UART програматором про який я розповідав раніше, але для цього на кожен примірник доведеться ставити CP2103.
Схема цілком
функціональний рівень:

електрична схема (збільшення по кліку):
image
Схема живлення
Дві гілки харчування на двох лінійних стабілізаторах LM1117 з 5 до 3.3 Ст.
Окреме харчування для цифрової і аналогової частини.
З захистом від взаємних перешкод катушечками — індуктивностями на вході кожного стабілізатора.
image
УВАГА в платі є помилка: забули встановити й розвести загальний електроліт з харчування USB, впаяйте паралельно USB хоча б 4000мкФ х 6В. Інакше при включенні одного зарядника, скидаються решта за сильного осідання по харчуванню.
Схема одного з восьми каналів LIR2032/CR2032
функціональний рівень:
image
електрична схема:
image
Зліва направо:
  • Ключ включення живлення контролера заряду (ланцюг ON1)
  • Контролер заряду (мікросхема MCP73831T)
  • Висновок статусу зарядки: в процесі заряду=GND або закінчений=Z (ланцюг STAT1)
  • Вертикальний тримач батарейки
  • Дільник напруги на 2 і датчик напруги на ОУ (ланцюг ADC1)
  • Навантаження 250 Ом, яка включається польовим транзистором (LOAD1)
Про зарядку і контролер заряду
Заряджати Li-ion акумулятори необхідно в двох режимах:
  1. швидкий заряд в режимі константного струму;
  2. далі дозаряд в режимі константного напруги.
    Для цього використаний готовий контролер заряду, який вміє все це робити — MCP73831T. Він використовується як у тестері харчування, так і в цільовому пристрої.
Його характеристика заряду по часу:

Також є два додаткові висновки:
  1. Висновок #STAT — індикація що заряд в процесі, під час зарядки там GND, по закінченні він переходить у високий імпеданс. Зазвичай до нього підключають катод світлодіода.
  2. Висновок #Prog — задає обмеження струму, для універсальності і залежить від простої формули:
    Ireg = 1000V / Rprog;
Плата
Чотиришарова, середні шари: земля і харчування, зовнішні верх і низ — сигнальні.
Зазори і товщина доріжок по 0.2 мм. Всі резистори 0805 рекомендую ставити з 1% точністю.
Збільшення по кліку

Результати акумуляторів LIR2032
Ось графік заряду і розряду, побудований по логам тестера
image
протягом 64 циклів розряджав і заряджав 8 шт акумуляторів і побудував графік того, як змінюється середня ємність у 8 акумуляторів по мірі накопичення циклів і "зносу".

Далі, стало цікаво, чи є залежність між вимірюваною ємністю і часом заряду або часом розряду. Для цього я взяв накопичену статистику з 500+ робітників і придатних акумуляторів:

Виявилося, що так, залежність є, але тільки по часу розряду на навантаження.
З часу заряду дуже опосередковано. А при малих ємностях в межах 25-30мА видно настає таймаут мінімального часу заряду у мікросхеми зарядника — утворилася гір. поличка.
Так само помітні дві групи батарейок: одна — нові фірмові EEMB з ємністю 34-40мА/год, інші — теж EEMB, але 13-ого року випуску з ємністю 25-30 мА/год. Другу групу я випадково знайшов серед своїх запасів поки робив статтю і вирішив теж прогнати і віддати на складання придатні.
Зробив анімацію перше 65 вимірювань різних акумуляторів:

верхній графік — напруга в мВ, горизонтальна шкала часу шириною 16000 сек
нижній графік — швидкість зміни верхнього графіка в мкВ/сек.
Результати перевірки 8 різних батарейок CR2032
Відразу попереджаю, що тестер батарейок не призначений для CR2032. Вони розраховані під розряд микроамперами і одиницями міліампер, притому і навантаження менееьше 1 кОма не рекомендують підключати. Але у мене є дешеві китайські вироби де це порушується, наприклад, іграшки для дітей і кішок з світлодіодами. І я пам'ятаю, що саме в такому випадку найгірше себе показали фірмові батарейки, а дешеві широко використовуваних добре.
При бажанні, можна випаяти три з чотирьох однокилоомных резисторів — для цього в платі навантаження так і зроблено. Або впаяти інший взагалі резистор побільше, наприклад 10к. Якщо спільноти цікаво, то можу зайнятися, але результати будуть Дуже не скоро.

Результати зробив у вигляді таблиці за пороговим зрізах, починаючи з 2000 мВ до 2900 мВ з кроком 100 мВ.
Тобто ємність в миллиамер-годинах виміряна так, якби вони розряджалися до 2000 мВ, або 2100 мВ і тд до 2.9 Ст. Чим вище поріг, тим менше ємність.
Одиниця виміру мА/год

Зелено-червоний градієнт індивідуальний по кожному стовпцю і незалежний від сусідніх стовпців.
Так, дійсно, прості і дешеві батарейки типу ЕРА, megamag і Трофі, краще в цій ситуації. Що й підтвердило мій колишній досвід їх використання.
Але ще раз повторю — батарейки не зобов'язані видавати такий струм!
Часто батарейки CR2032 кріпляться за допомогою мініатюрних магнітів, наприклад, у фітнес браслеті misfit shine, і тому повинні вміти добре магнитится. І так, дійсно все 8 батарейок притягуються магнітом відмінно.
Підсумки і про якість акумуляторів
Мені особисто тестер сподобався, дуже зручно користуватися. А цикл в 4 години добре поєднується з особистим життям — з ранку поставив — в обід змінив наступний після роботи ще раз всі 8 шт поміняв, і на ніч ще 8 шт. Багато часу не вимагають, особливо якщо по терміналу не підключатися і лог не вести.
Проблема з акумуляторами була вирішена.
Ми раніше купували китайські "ноунейм" акумулятори, але вони виявилися майже 100% шлюбом.
На голову краще себе повели фірмові від EEMB — у них стабільні параметри та шлюбу 2-3%. А в деяких палеттах з 50-40 шт ні однієї бракованої. Також вони відмінно переживають тривалий зберігання протягом 3-4 років, але відсоток браку підвищується до 10%.
Для порівняння скріншот перших 100 шт, де EEMB а де замовлені на алиэкспрессе думаю наочно видно відразу.

тут три партії: перші 40шт — нові EEMB, друга — свіжий "ноунейм" китай, останні 15 шт — EEMB три роки лежали без використання. Помітно що навіть трохи деградовані 15 шт EEMB краще китайських.
Про техніку безпеки
  1. Пам'ятайте, що при короткому замиканні та батарейки та акумулятори відчутно гріються. Так, навіть такі маленькі, малопотужні і малоемкие. Особливо, якщо працюєш з великою кількістю, то не найкраща ідея навіть браковані скидати в одну купу. Якщо Ви звичайно не Креосан.
  2. Акумулятори плоскі, так і хочеться їх взяти стопкою, але навіть в розрядженому акумуляторі напруга 3-4В, а в стопці може досягати небезпечних 50-70В. Стопкою їх складати не можна, навіть браковані. Якщо, звичайно, не хочете стати ще одним доказом теорії Дарвіна.
  3. Китайські акумулятори часто спухають і течуть неприємною на запах рідиною, від якої болить голова і сверблять пальці. Якщо мати справу з китайським ширвжитком, то рукавички і добре вентильоване нежитлове приміщення обов'язково.
Ув'язнення і заслання на мій проект на гітхабі
Я не хотів писати статтю, оскільки думав, що раз тема IoT популярна на Хабре, то і про такі батарейки точно є огляди, але не знайшов.
до Речі, я шукаю роботу і на даний момент також приймаю разові замовлення на розроблення або виробництво.
Посилання на проект гитхаба:
https://github.com/Mirn/LIR2032_tester/
Ліцензія MIT, використовуйте на здоров'я!
Також я не проти поговорити про досвід використання. І допомогти порадою.
Джерело: Хабрахабр

0 коментарів

Тільки зареєстровані та авторизовані користувачі можуть залишати коментарі.