近年來,由於電力供應的普及,乾電池的使用逐漸減少;最近,更由於可充電的鎳鎘電池價格漸漸下跌,乾電池的競爭力更形薄弱。然而還是有很多手提式的設備,需要依賴乾電池,並且每隔一段時間就得更換乾電池,這時候比較麻煩的是:究竟什麼時候該換電池?理論上,測試電池是否有電很容易,只要量量電池的輸出電壓即可;實際上卻可能因為測量時的電流非常小(尤其使用內阻教高的電壓表時),而使讀到的電壓很接近新電池的電壓值,發生判斷錯誤。因此,就需要某種型式的模擬負載(dummy load),再量加上負載的電壓值,才可以克服這個問題。
本文將介紹一種簡單且價廉的電池測試器,給予待測電池輸出15mA的負載,利用三枚發光二極體來指示電池的輸出。電壓電路是為標準1.5V式電池設計的,分別可測1.5、3、4.5、6、9及12伏特;沒有什麼理由不能改測其它電壓值的電池,只需改幾枚電阻,一樣也測量鎳鎘電池。測試器本身沒有電源開關,當接待測電池的測棒上輸入超過700mV電壓時,測試器自動會開啟。不測時所消耗的電池不到1uA──對PP3型電池而言,這種耗電量還比不上一般電池貯存時的損失。很明顯的,這也意味著一個完全耗盡的電池,也不會啟動測試器,此時,也不需要測試器指示什麼,就可以決定電池該換了。
整個電路可以分成三部份:電源開關、模擬負載及電壓檢測/顯示。這三部份分別略述於后,圖一即為本機完整的電路。
電源開關
電源開關的目的是在不測試時,切斷主電路的電源供應。當測棒兩端的電壓超過700mV時,TR1導通,TR2跟著也導通,電池就對其餘電路供電。C1及C2是主電源供應的去交連電容。當TR1截止時,R2及R3使TR2的基極與射極電位非常接近,除了些許漏電流以外,TR2是處於不導通的狀態。此時所量到的消耗電流,少於1uA。二極體D1是用來保護TR1用的,尤其是測試6伏特或更大電壓的電池,測棒不慎接反時。
這部份電路還包括一個內部電源測試用的按鈕,這個按鈕只是把內部電池供電處接到測棒輸入上。要測內部電源的電壓時,要把電壓選擇開官放再9V的位置,測得的結果才有意義。
模擬負載
這類的電池測試器通常使用一堆高瓦特電阻充當模擬負載,隨著待測電壓的不同,而切換不同阻值的電阻,以獲得所需要的電流。這種方式的缺點在於此類電阻通常體積龐大;而且待測電壓下跌時,流經的電流值也跟著減少。為避免這些問題,所以採用一個汲取恆定電流的電路,不管待測電壓如何,總是固定汲取15mA的電流,因此不需要切換負載。
本電路採用LM334Z來驅動模擬負載電路。由於LM334Z最大只能輸入10mA電流,所以採用一個外部旁路電晶體TR3,增加電流處理的能力,來處理所需的15mA電流。LM334Z係藉著檢測R5上的電壓來動作,R5上的電壓維持在25℃時為67.7mV。R5兩側的電壓增加時,LM334Z鎖導通的電流較少,到TR3基極的電流也減少,整個電流便減少,R5上的電壓跟著便下跌。反之,當R5兩側的電壓下跌時,流經TR3的電流便增加,讓R5上的電壓增加。這部分電路,基本上是一個高增益的回授系統,藉著C4及R4稍稍對回授控制的阻尼,來防止振盪的發生。待測的電池如果是個滿12V的電池,TR3將要消耗180mW,所以最好加上一片小型的散熱片。
LM334Z對熱相當敏感,溫度增加時,所消耗的電流也成比例地增加。大約溫度每升高1℃,電流增加0.33%。這意味著溫度如果上升10%,流經負載電路的電流大約超過0.5mA,這在實際應用上,影響並不大。
電壓檢測及顯示電路
本機的輸出只需要具備「好」、「差」、「沒電」三種狀態指示即可。電路中係採用三枚LED來指示,其中兩枚LED直接各由一個電壓比較器驅動,另一枚LED則在前兩個LED都不亮時,由一對電晶體來驅動。基本的電路,係採用一枚雙低功率開集極比較器LM393做為電路的主體,這枚IC是從著名的LM339簡化改良而來的。
這部分的電路就是把不同的輸入電壓跟一個已知的參考電壓來比較,這個已知的參考電壓可以是可變換的,也可以是固定不變的。後者較為簡單,麻煩也較少,所以我們採用這種方式。對1.5V的電池而言,是以1.37V即1.1V兩個固定的參考電壓,做為「差」或「沒電」的比較值。這兩個電壓係利用一枚一般最穩定的5.6V稽納二極體來產生。R17供應稽納二極體約6mA的電流,C6則為去交連用的電容器。R18、R19及R20組成一個簡單的分壓器,以產生所需的電壓,供給兩個比較器使用。測棒上輸入的電壓,經由S2選擇各種分壓器,將待測電壓降到1.5V。這些分壓器雖然不是十分地精確,在實際應用上的效果,也相當地不錯。這種方法也有一個優點,就是隨著電壓量程的增高,各種待測電池所容許的誤差也增加。表一所示,即各種電池的低限電壓設計值。很顯然地,對1.5V電池的測試,是直接輸入,不經任何降壓措施。從分壓器的公共輸出點輸入的電壓,經由R16送到比較器;R16並與D2負責不小心接反電池時的保變措施。C5則為減少到比較器的阻抗,同時防止在低限電壓處的振盪。
當待測電池的狀況良好時,比較器第六腳的電壓將達1.5V,高於1.37V參考電壓,比較器的輸出變低,點亮綠色LED。當測量一個已耗盡的電池時,比較器第三腳的電壓將比第二腳的參考電壓為低;此時,比較器的輸出變低,點亮紅色的LED。額外串接的電阻R21,只是用來減弱紅色LED的亮度,使這枚LED的亮度和另外二枚LED的亮度差不多。綠色LED及紅色LED共用一枚限流電阻R22。
當待測電池加到比較器上的電壓介於1.1及1.37V之間,也就是所謂「差」的情況時,綠色或紅色LED的任一個都不會被點亮,R22上就沒有壓降產生。此時,TR4會截止,其集極電壓由於R24的緣故,將會下跌,而使TR5導通,點亮黃色LED。所以在測試器開著的時候,至少有一個LED會亮。
前面已提過,本機採用一個PP3型電池來供應電源。本機使用時,所消耗的16mA電流比起PP3型電流所推薦的電流來得大;但因實際的測試時間很短,所以關係不大。
組 裝
本機在試裝時,整個裝在一個120x40x65mm大的塑膠盒內。由於電池的外型甚多,想要做成一個適合大小不同電池使用的電池夾極為困難,所以本機的輸入採用4mm的插座,可以直接使用標準的電錶測棒。旋轉式的選擇開關直接焊接在電路板上,同時也用它來把電路板固定在外殼上。因此,推薦使用圖五的電路板,而不要用萬用電路板。
面板(盒蓋)上的文字圖案,如圖二所示。決定標示電壓值之處最簡單的方法,便是從選擇開關的中心,用鉛筆輕輕繪出一個直徑27mm的圓。然後依照開關上每一檔的位置,用圓規在圓上大約分成六個6.5mm的弧,弧與圓的交點就是每一檔的位置。接下來便是鑽孔、正式標註文字即擦掉鉛筆線。依圖三所示,利用一片鋁片沿虛線折成U型,做一個電池夾。
先焊裝電路板上除了BC461(TR3)以外的零件。裝選擇開關時,先焊上兩支接腳,然後檢察選擇開關及電路板的高度,然後才焊接其餘各接腳。焊裝LED時,讓LED保持與電路板垂值約11mm高的接腳長度。焊完之後,最好先檢查整個電路板一次。
利用一個9V的電池供電,並量量電流的消耗量,應非常接近零才對。移開安培計,然後按下內部測試按鈕,電路的電源應很快的升到9V,有一枚LED會亮。如果有問題的話,就量量在按下內部測試鈕時的電流消耗,應小於20mA;電流太大時,就意味著有短路發生。在電池正負極之間接一個220的電位器,電位器的接帚接到測棒的輸入。測試電壓選擇開關放在1.5V的位置,注意接帚處的電壓應由零開始。慢慢增加接帚上的電壓,檢查看看紅色LED是否在700mV附近開始點亮;到了1.1V時,轉變成黃色LED發光;升到超過1.37V時,則變成綠色LED發光。如果電路不工作的話,最可能出問題的地方應在參考電壓的分壓電阻上。在把測試電壓轉到3V的那一檔上,然後檢查LED轉變處的電壓,是否和表一所示一致。
現在才把BC461裝上,不要忘了先裝散熱片。在內部測試按鈕兩側跨接一個安培計,所量得的電流應約為15mA,才表示模擬負載正常。最後再把選擇開關放到9V這檔,再壓下內部測試按鈕,此時綠色的LED應會亮。
使 用
使用時千萬要記得,本機是設計供1.5V是電池使用的,用來測試非這類電池──尤其是鎳鎘電池時──就容易出錯。要測鎳鎘電池時,參考電壓分壓器部分要稍微修正,使「差」的範圍變窄,基準電壓也要由1.5V改成1.2V。如果只要改變量程,很明顯的,只須改變分壓器的電阻值即可;也就是,想測15V的電池時,只需利用一枚100KΩ分壓電阻把輸入電壓除10,成為1.5V即可。 (取材自 Practical Electronics, April 1983)
轉載音響技術第91期 JUL. 1983 簡易實用的電池測試器/趙建雄
留言列表
