Jak najít vnitřní odpor pomocí elektromotorické síly

Před několika lety jsem koupil baterii pro starý Dell Inspiron N5050 a nejprve mi baterie dorazila vadná. Prodejce poslal náhradní a já jsem tuto baterii rozebral na články a pravidelně je používal ve svých řemeslech. Články měly perfektní kapacitu, ale poslední rok byly prostě v akumulačním režimu (vybité na 3.6V).

Opět jsem při úklidu ve skříni narazil na tyto cely. Ze zvědavosti jsem se rozhodl otestovat jejich vnitřní odpor. Mám nabíječku LiitoKala Lii-500, která tvrdí, že měří vnitřní odpor, ale soudě podle recenzí měří nespolehlivě (různé hodnoty odporu, pokud vložíte stejný článek do různých slotů nabíječky).

Nemám „správný“ měřič vnitřního odporu, jako je YR1030, YR1035, RC3563 a podobně, a nechci utrácet peníze za nákup jednoho na jednorázovou kontrolu. Rozhodl jsem se něco sestavit vlastníma rukama a zároveň nastudovat, jak tato zařízení fungují.

Některé teorie

Ekvivalentní obvod zdroje chemického proudu lze znázornit takto:

V komentářích (1 a 2) upozorňovali na mé chyby v diagramu – zpočátku se v něm ztratil samotný zdroj EMF a poté byl nesprávně zobrazen symbol zdroje EMF.

Odpory R1 a R2 určují maximální proud, který může baterie dodat zátěži.

Pokud má proud spotřebiče pouze aktivní složku (topidla, žárovky atd.), pak se vnitřní odpor skládá z R1+R2 a lze jej měřit stejnosměrným proudem.

V případě přítomnosti jalové složky (pulsní proud v DC-DC měničích, digitálních mikroobvodech atd.) přichází ke slovu kapacita C1, která odvádí R2 a výsledný odpor se zmenšuje.

Před měřením je důležité plně nabít baterie, protože ve vybitém stavu se zvyšuje vnitřní odpor.

Měření stejnosměrného vnitřního odporu

Budete potřebovat dva odpory, jejichž odpory se liší 5krát. Podle metodiky z GOST R IEC 61960-3-2019 by měly být konkrétní hodnoty vybrány na základě kapacity baterie tak, aby počáteční proud byl 0.2 C (například pro baterii 2000 mAh by měl být R2 10 Ohm a R1 – 2 Ohm). Použil jsem domácí elektronickou zátěž, na které jsem nastavil požadovaný proud.

Schéma měření vypadá takto

Testované články jsou označeny SANYO NCR18650BF a soudě podle naměřených hodnot kapacity Lii-500 mohou být zcela originální. V tomto případě aktuální I₁ by měl být 0.68A a I₂ – 3.4A. V každém případě je nutné změřit napětí (U₁ a U₂) přímo na svorky baterie. Dále jednoduchý výpočet vnitřního odporu pomocí vzorce

Výsledky měření všech 6 článků se ukázaly jako těsné a pohybují se v rozmezí 84 – 88 mOhm.

Měření vnitřního odporu na střídavý proud

Specializované přístroje pro měření vnitřního odporu metodou střídavého proudu generují malé střídavé napětí o frekvenci 1 kHz, které způsobí střídavý proud a odpovídající úbytek napětí na vnitřním odporu baterie nebo jiného chemického zdroje proudu. Tento přístup umožňuje měřit vnitřní odpor nejen proudových zdrojů, ale i klasických rezistorů (např. nízkoodporové bočníky nelze měřit klasickým multimetrem).

V důsledku toho se zrodilo následující schéma

Jako zdroj sinusové vlny jsem použil Uni-T UTG932a a obvod se ukázal jako maximálně jednoduchý. Pro ty, kteří si chtějí moje měření zopakovat a ještě nemají po ruce generátor signálu, si můžete buď koupit jednoduchý na tržištích (klíčová slova XR2206, ICL8038) nebo si sestavit něco vlastního.

Z generátoru je na vstup J1 přiveden sinusový signál o frekvenci 1 kHz. Signál generátoru byl posunut o 50 % sinusového kmitu, takže se napětí měnilo od nuly do dané hodnoty.

Potenciometr RV1 umožňuje nastavit maximální proud protékající baterií. Pro měření jsem použil TrueRMS multimetry ZT102 a ZT301, které umožňují měřit efektivní napětí a proud při frekvenci 1 kHz.

Při měření jsem zvolil proud tak, aby bylo střídavé napětí U_ac na baterii bylo 15mV. Dále jsem zaznamenal aktuální I_ac na ampérmetru a pomocí vzorce vypočítal vnitřní odpor

Celkový

Vnitřní odpor měřený střídavým proudem je 2.5krát menší než odpor měřený stejnosměrným proudem. Rozpětí hodnot odporu mezi různými buňkami je minimální.

Datasheet pro SANYO NCR18650BF neuvádí hodnotu vnitřního odporu. Test těchto článků je k dispozici na lygte-info.dk, ale vnitřní odpor tam byl 170mΩ (škoda, že není uvedeno, jak byla tato hodnota získána). NCR18650B, který je předchůdcem NCR18650BF, má vnitřní odpor menší než 100 mΩ.

• vnitřní odpor
• akumulátory
• chemické zdroje proudu
• Měření

• Obvody
• DIY nebo Udělej si sám
• Elektronika pro začátečníky

Vnitřní odpor je důležitý parametr v elektrických obvodech, který ovlivňuje jejich účinnost a výkon. Určuje, o kolik se zmenší elektromotorická síla (EMF) baterie nebo zdroje energie uvnitř samotného zdroje, když jím prochází elektrický proud.

Znalost vnitřního odporu je důležitá pro určení maximálního výkonu, který lze ze zdroje napájení získat, a také pro výpočet tepelných ztrát a zamezení poškození elektronických součástek. Stanovení vnitřního odporu může poskytnout důležité informace o kvalitě a stavu zdroje napájení.

Jedním ze způsobů, jak určit vnitřní odpor, je změřit napětí a proud EMF protékající zdrojem energie. Využívá se k tomu Ohmův zákon, který stanoví přímou úměrnost mezi napětím, proudem a odporem. V případě zdrojů energie s nízkým vnitřním odporem však mohou být pro přesné měření zapotřebí specializovaná zařízení a metody.

V tomto článku vám poskytneme podrobného průvodce měřením vnitřního odporu pomocí elektromagnetického pole a podělíme se o užitečné tipy a triky. Probereme různé metody měření a zařízení, které lze použít k dosažení přesných výsledků. Naučíte se, jak správně zapojit a konfigurovat měřicí přístroje a také jak interpretovat výsledky měření a získat tak cenné informace o stavu napájecího zdroje.

Proč je důležité měřit vnitřní odpor?

Posouzení stavu zdroje:

Měření vnitřního odporu umožňuje určit, jak „opotřebovaný“ je zdroj napájení. S přibývajícím věkem a používáním baterie se její účinnost začíná snižovat, protože se zvyšuje její vnitřní odpor. To může vést ke snížení napětí a proudu dodávaného baterií. Měření vnitřního odporu umožňuje přesně určit, jak opotřebovaný je zdroj napájení, a rozhodnout se, zda jej vyměnit nebo opravit.

Zvýšení účinnosti systému:

Měření vnitřního odporu vám také pomáhá vyhodnotit účinnost celého systému. Pokud je vnitřní odpor napájecího zdroje příliš vysoký, může to vést ke ztrátám energie a snížení výkonu systému jako celku. Měření vnitřního odporu vám pomáhá identifikovat problémy a podniknout nápravná opatření ke zlepšení účinnosti systému.

Měření vnitřního odporu je tedy důležitým nástrojem pro posouzení stavu a výkonu elektrických napájecích zdrojů. Umožňuje vám podniknout kroky ke zlepšení výkonu systému a zajistit jeho spolehlivý provoz.

Základní pojmy a pojmy

Při měření vnitřního odporu pomocí EMF je důležité porozumět základním pojmům a konceptům.

1. Vnitřní odpor – je odpor, který existuje ve zdroji proudu nebo elektrickém obvodu. Obvykle je způsoben odporem materiálu vodiče nebo vnitřní strukturou prvku.

3. Ohmův zákon – toto je základní zákon elektrického obvodu, který stanoví vztah mezi proudem, napětím a odporem: U = I * R, kde U je napětí ve voltech, I je proud v ampérech, R je odpor v ohmech.

4. Stres – rozdíl potenciálů mezi dvěma body v elektrickém obvodu, měřený ve voltech.

5. Síla proudu – množství elektrického náboje protékajícího průřezem vodiče za jednotku času. Měří se v ampérech.

6. Odpor – schopnost prvku elektrického obvodu omezit tok elektrického proudu. Měří se v ohmech.

7. Magnetické pole – oblast prostoru, která má magnetickou indukci nebo magnetický tok. Vzniká vlivem proudu.

Metody měření vnitřního odporu

Níže jsou uvedeny některé z nejběžnějších metod pro měření vnitřního odporu:

1. Nepřímá metoda měření pomocí elektromotorického napětí: V této metodě se nejprve měří napětí u zdroje elektrické energie (emf) bez zátěže. Poté se připojením zátěže změří napětí na zátěži (emf). Jednoduchým výpočtem rozdílu mezi emf a emf a vydělením proudem lze určit vnitřní odpor.
2. Způsob zavírání: Tato metoda využívá měřicí zařízení, které je připojeno ke zdroji elektromotoru nebo baterie. Poté se změnou proudu změří úbytek napětí na zátěži a pomocí Ohmova zákona se vypočítá vnitřní odpor.
3. Metoda frekvenčního signálu: Tato metoda využívá měření fázových a amplitudových změn vstupních a výstupních signálů k určení vnitřního odporu.
4. Metoda kritického odporu: Tato metoda využívá obvod se dvěma rezistory, z nichž jeden je proměnný. Metoda je založena na změně síly proudu v závislosti na hodnotě rezistoru, což umožňuje vypočítat hodnotu vnitřního odporu.

Volba metody pro měření vnitřního odporu závisí na typu a vlastnostech měřeného zařízení. Každá metoda má své výhody a omezení a vyžaduje specifické specializované vybavení.

Metoda využívající známé elektromagnetické pole

Pro určení vnitřního odporu pomocí známého elektromotorického napětí postupujte takto:

1. Připojte prvek ke známé elektromotorické síle a proměnnému odporu. Ujistěte se, že je prvek zapojen sériově s proměnným odporem.
2. Měňte hodnotu proměnného odporu, dokud proud v obvodu nedosáhne maximální hodnoty. Zaznamenejte tuto hodnotu odporu a odpovídající proud.
3. Pomocí Ohmova zákona (I = E/R), kde E je známá elektromotorická síla a I je vypočítaný proud, vypočítejte hodnotu odporu prvku R.

Známá metoda EMF je jednoduchý a spolehlivý způsob, jak určit vnitřní odpor prvku. Je však třeba mít na paměti, že přesnost výsledků může být omezena vlivem vnějších parametrů, jako jsou chyby měřicích přístrojů a vliv vodičů.

Metoda s použitím měřicího řetězce

Pro určení vnitřního odporu elektromotorického napětí (EMF) pomocí měřicího obvodu je nutné vytvořit měřicí obvod připojením EMF k vnějšímu odporu nezávislého rezistoru. Poté se pomocí voltmetru změří úbytek napětí na měřicím rezistoru a zdroji EMF.

Dále, v souladu s Ohmovým zákonem, lze vnitřní odpor EMF vypočítat pomocí následujícího vzorce:

kde R_int — vnitřní odpor EMF, V_zdroj — napětí u zdroje EMF, V_metr — napětí na měřicím obvodu, I — proud protékající měřicím obvodem.

Při použití této metody je však nutné vzít v úvahu odpor samotného měřicího rezistoru, aby se dosáhlo přesných výsledků. Je také třeba si uvědomit, že odpor se může v průběhu času a se změnami provozních podmínek zdroje EMF měnit.

Metoda využívající měřicí obvod umožňuje přesnější výsledky při určování vnitřního odporu zdroje EMF. Vyžaduje však dodatečné úsilí a přesné měření napětí a proudu, proto by měla být používána s opatrností.