Меня всегда интересовало как устроен и работает индикатор заряда на батарейках Duracell:
А также почему под ним указано, что тестировать нужно при 21°С. Но перед тем как посмотреть на решение, которое используется в батарейках, давайте попробуем прийти к нему самостоятельно.
Как известно, одним из способов проверки заряда батареи служит измерение напряжения на её выводах, и чем оно выше, тем лучше батарея заряжена. Наиболее простым и распространенным способом измерения напряжения является косвенный метод, при котором измеряется ток, протекающий через резистор с известным номиналом.
В этом случае протекающий по резистору R ток будет:
- создавать постоянное электромагнитное поле;
- нагревать резистор.
Первый эффект нам не очень интересен, т.к. нам нужно получить как можно более простое устройство, пусть и с некоторой погрешностью измерений. Но зато он широко используется в аналоговых электромеханических вольтметрах.
Второй эффект более интересен т.к. с его помощью в сочетании с термокраской можно получить нужный нам простой индикатор. Рассмотрим это решение. На изоляционную пленку батареи с внешней стороны наносится полоска яркого цвета, которая будет служить индикатором, и покрывается термокраской, которая будет становится прозрачной по мере нагревания. С внутренней же стороны изоляционной пленки наносится слой токопроводящего материала с определенным сопротивлением. И вроде бы индикатор готов?
Давайте рассмотрим ограничения этого решения и постараемся их решить. Во-первых, резистор на обратной стороне изоляции будет нагреваться равномерно, и соответственно степень заряда можно будет определять только по тому, насколько ярко просматривается индикаторная полоска через термокраску. Можно считать, что когда полоска не просматривается, батарея полностью разряжена, а когда полностью видна то заряд 100%. В этом случае придется наносить образцы цвета для нескольких уровней заряда, с которыми нужно будет сравнивать текущее показание индикатора. Это может вызывать трудности в считывании промежуточных значений.
А можно ли сделать так, чтобы индикаторная полоска проявлялась не вся сразу, а начиная с какого-либо конца? Тогда определять уровень заряда станет проще, т.к. уровень заряда может, например, соответствовать проценту проявившегося индикатора.
Из закона Джоуля-Ленца для постоянного тока и сопротивления, количество выделившегося тепла в проводнике зависит от значений тока, сопротивления и времени. Т.к. в цепи только одно сопротивление, то по нему протекает один ток. Время включения индикатора определяется пользователем. Из величин, которые можно изменить остается только сопротивление. Что если сделать сопротивление резистора неравномерным? Например, вот так:
Ширина резистора на рисунке определяет, ширину резистора на изоляции. Чем шире участок резистора, тем больше его поперечное сечение, а значит тем меньшее сопротивление он имеет. Схему можно перерисовать в следующем виде:
Где один неравномерный резистор представлен четырьмя последовательно включенными резисторами, такими что R1 > R2 > R3 > R4. Кроме того, увеличение ширины резистора увеличивает площадь с которой рассеивается тепло т.е. участки с меньшим сопротивлением будут медленнее нагреваться и быстрее остывать.
Таким образом, используя неравномерное сопротивление можно получить индикатор, в котором индикаторная полоса будет проявляться с заданной стороны (со стороны имеющей большее сопротивление) и до заданного уровня (определяется установившимся термобалансом). Примером может служить предыдущая версия индикатора:
Во-вторых, корпус батареи выполнен из металла т.е. имеет определенною теплоемкость и хорошо проводит тепло. Получается, что корпус будет служить неплохим радиатором для нашего индикатора. Значит необходимо поместить теплоизоляцию между индикатором и корпусом, т.к. нагрев всего корпуса батареи до необходимой температуры не самый лучший вариант. Как термоизолирующую прокладку можно использовать бумагу, картон или же воздух. Например, сделать подложку только по периметру индикатора.
В-третьих, в целях экономии заряда, индикатор не может быть постоянно включен. Значит нужна кнопка его включения. У нас есть металлический корпус батареи и токопроводящий слой резистора, изолированный прокладкой от корпуса. Конструкция очень напоминает мембранную кнопку, остается лишь сделать в изоляции отверстие и кнопка будет готова:
Итого, придуманный нами индикатор состоит из индикаторной полоски, на внешней стороне изоляции батареи, покрытой термокраской. С внутренний стороны нанесен резистор с неравномерным сопротивлением и отделен от корпуса батареи термопрокладкой, с помощью которой сделано подобие мембранной кнопки для включения индикатора. Вот мы и пришли к решению, которое используется в батарейках Duracell, и теперь можно смотреть, как оно в них реализовано:
Теперь понятно требование использования этого индикатора при 21°С. И в завершении, показания индикатора батареи типа AAA в зависимости от протекающего тока:
Комментарии (33)
atpshnik
26.08.2019 17:10Я так и не понял почему именно 21 градус, а не 20 или 25.
HardWrMan
26.08.2019 17:37-1Всё просто. В моём детстве, у моей мамы был такой быстрый «термометр». Он представлял собой гибкую черную пластинку, на которой были 2 квадратика. Квадратики в обычном состоянии темные. Но если к ним прикоснуться с обратной стороны, они начинали менять цвет по спектру радуги (с тёмнофиолетового до тёмнокрасного). При этом один квадратик был «настроен» на 36.6 (типа контрольный), а второй на 37. По сути это простой экспресс тестер для маленьких детей, которых тяжело удержать 10 минут с ртутным градусником, тем более если речь, скажем, за группу в детском саду. Его прикладывали на пару-тройку секунд ко лбу ребенка и было сразу видно, повышенная температура или нет. Если повышенная, то уже обычным уточняли. Такие тестеры и сейчас есть, только более продвинутые:
Когда появились батарейки с такой проверкой, я сразу понял как оно работает. Но тоже предпочитаю измерять приборчиком, т.к. считаю эти измерители делают стресс батарейке, особенно уже и так истощённой.Anynickname
26.08.2019 23:46+4Всё просто. В моём детстве, у моей мамы был такой быстрый «термометр».
Что просто-то? Почему 21 градус, а не 20 или 25? И причем тут термометр вашей мамы? По-моему, у 21 градуса ноги растут от америкосовских фаренгейтов: 21°C = 70°F — круглая цифра в диапазоне комнатной температуры.HardWrMan
27.08.2019 06:40Просто — потому что оно реагирует на температуру. Температуру делает, как уже было сказано, сопротивление, нагреваемое электрическим током батареи при зажимании контактов. И 21 градус, это точка когда датчик «сброшен». Ты пробовал измерять температуру ртутным градусником, предварительно не сбросив его? И чем не нравится 21 градус?
Хотя, я догадываюсь. Большинство производителей батареек рекомендуют хранить их в диапазоне температур 10-20 градусов Цельсия. И если температуру хранения превысить, то ёмкость хранимых элементов заметно падает. Стало быть 21 градус — это верхняя граница этого диапазона.
fedorro
27.08.2019 12:50Потому что температура краски складывается из тепературы внешней и подогрева резистором, и примерно с чуть большей температуры, чем 21 °C краска начинает становится прозрачной. При меньшей внешней температуре резистор не сможет её нагреть достаточно, а при большей она и сама стане прозрачной.
Iv38
27.08.2019 10:19С другой стороны, измерение напряжения без нагрузки тоже так себе способ оценки.
SergeyMax
26.08.2019 17:29Наиболее простым и распространенным способом измерения напряжения является косвенный метод, при котором измеряется ток, протекающий через резистор
Всё как раз наоборот: таким образом измеряют ток, а не напряжение.1dNDN
26.08.2019 18:33По закону ома в резисторе ток прямо пропорционален напряжению. При известном сопротивлении можно вычислить второе из первого. Для измерения заряда нужно узнать именно напряжение между ее анодом и катодом (да простят меня физики, если я некорректно выразился)
SergeyMax
26.08.2019 21:25-1Вычислить можно что угодно, но если вы разберёте мультиметр, то обнаружите, по падению напряжения на шунте измеряется именно ток, а не напряжение. А напряжение измеряется напрямую, а не каким-то придуманным косвенным методом.
x67
27.08.2019 01:03+2Так там и написано, что измеряется ток. Который пропорционален напряжению. Если вы не собираетесь сейчас в открытую оспаривать закон Ома, а я надеюсь, не собираетесь, то совершенно непонятно, что вы хотели сказать.
SergeyMax
27.08.2019 14:17Идеальный вольтметр имеет бесконечно высокое входное сопротивление, как и любые приближающиеся к нему схемы навроде буферных каскадов на операционных усилителях с полевыми транзисторами на входе. Ток через них не течёт. Вообще. А паразитное входное сопротивление внутри мультиметра имеет своим назначением только ограничение наводок (и участие в делении напряжения). Никакой самостоятельной роли в виде измерения какого-то тока у него нет. К чему вы тут приплетаете закон Ома — ума не приложу.
slonm
27.08.2019 14:47+1В цифровых мультиметрах напряжение измеряется на высокоомном делителе из сопротивлений (1-10Мом)
. Иначе невозможно обеспечить предельное напряжение для измерительного входа микросхемыSergeyMax
27.08.2019 14:57Да, но ток через этот делитель не измеряется, так как он не имеет значения.
sterr
26.08.2019 20:45+1Вообще-то нужно измерять именно ток. Химические элементы так устроены, что по напряжению никогда не определить насколько годен элемент. Ну можно определить только совсем подохшие. Я обычно меряю ток кз. Если он 2+ ампера — элемент целый (ну или достаточно целый).
sterr
26.08.2019 20:39+2Вся проблема батареек, как и свинцовых аккумов в том, что измерять нужно эквивалентной (потребителю) нагрузкой. Ваши 240 ма при токе, например, хорошей батарейки в несколько ампер, ничего не определят. Свинцовый аккум так же: при измерении вольтметром показывает всегда 12 в, а при измерении нагрузочной вилкой совсем другие значения.
Соответственно, если машинка жрет от батареек хотя бы 0.5-1 А, то при измерении индикатором все будет нормально, а машинка уже не поедет.yulai-b
27.08.2019 10:10Я для измерения работоспособности батареек использовал стрелочный авометр в режим измерения максимального тока (1 -2 А). Если зашкаливает — батарейка годная. А напряжение — да, не показатель.
chapter_one
26.08.2019 21:10+4Не раз сталкивался с ситуацией, когда такая новая батарейка с кнопкой после недолгого и достаточного небрежного хранения оказывалась разряженной практически полностью. Редко, но все же сталкивался с ситуацией, когда новые дюраселы только распакованные оказывались разряженными. С тех пор никогда не покупаю батарейки с подобными индикаторами и никому не советую.
GiperBober
27.08.2019 08:53Тогда было бы логично делать упаковку подобных батарей таким образом, чтобы заряд можно было бы проверить прямо в магазине, до вскрытия упаковки. Либо, если сама технология стоит недорого (например, ~5% от цены батарейки) то встраивать систему проверки в саму упаковку. ИМХО, покупателей больше волнует опасность купить разряженную батарейку, чем проверять уже в устройстве, скока там заряда осталось — в большинстве случаев либо в устройстве есть собственный индикатор батареи, либо разряд определяется через постепенное ухудшение работы устройства.
achekalin
27.08.2019 14:17Да никого ничего в массе своей не интересует. «Мне нужна батарейка, сейчас на кассе в магазине посмотрю, вот, есть какая-то… Дороже обычной, но, кажется, производительно нормальный, может, и стоит своих денег» -> берем!
А таких, кто высчитывает целесообразность выбора — их мало.
x67
27.08.2019 01:08Напряжение можно измерить с помощью диодов с разным падением напряжения. Но тут так и просится, светодиодная индикация, которая при полутора вольтах немыслима.
AVKinc
27.08.2019 10:30У щелочных батареек остаток заряда вполне себе пропорционален напряжению на выводах. Полностью заряженная 1,5-1,55В Совсем севшая 0,8-0,9В Так что просто мультиметром меряем напряжение и примерно знаем остаток емкости.
pproger
27.08.2019 11:04+2В моем детстве оригинальных батареек с поверчеком не было. Зато были китайские подделки, с нарисованным на обертке поверчеком. И я безуспешно ломал пальцы, пытаясь увидеть светящуюся полоску.
GiperBober
27.08.2019 11:19Они могли засветиться только в руках настоящего джедая! У тебя походу мидихлорианов в крови маловато. В фильмах этого не показывают, но на самом деле, джедаи и ситхи, сражаясь на световых мечах, периодически останавливаются и меняют батарейки в рукоятках. А полоска на боку батарейки просто определяет цвет меча.
toivo61
27.08.2019 11:38У батареек при разряде возрастает внутренне сопротивление и падает ЭДС.
Так что корректны оба метода — и замер напряжения под нагрузкой, и замер тока КЗ.
mactep3230
27.08.2019 14:54На детской ванночке похожий индикатор для определения температуры. Значит теоретически ширина резистора может быть постоянной.
dipsy
27.08.2019 15:38Пора бы уже делать на «e-ink + микроконтроллер» какие-нибудь мониторы напряжения батарейки. Или что-нибудь на MEMS придумать. При массовом производстве будет недорого.
DirectX
Пример довольно спорной технологии, если учитывать энергозатраты на такую проверку.
Apazhe
Батарейка отдаёт максимальный номинальный ток аж целую секунду, а то и полторы. Действительно, жуткие энергозатраты.
Tachyon
Ага, напоминает проверку патронов отстрелом.