Про мой LIR2032 и CR2032 тестер, сами батарейки и накопленный опыт

    В этой статье я публикую в свободный доступ мой тестер и измеритель 8шт часовых аккумуляторов-таблеток форм-фактора CR2032. Надеюсь, он пригодится тем, кто делает портативную электронику и различный IoT. В статье я опишу схему моего тестера и расскажу как он работает. Приведу результаты измерения аккумуляторов LIR2032. И проверю восемь CR2032 от разных производителей. Также поделюсь богатым опытом: какие аккумуляторы лучше не брать, а какие — хорошие. Бонусом распишу опасные моменты: и как самому не пострадать и не сжечь дом, как это любит делать Креосан.



    Оглавление:


    Для чего?
    Основные параметры и алгоритм проверки
    Индикация и лог работы
    Микроконтроллер и как его прошивать
    Схема целиком
    Схема питания
    Схема одного из восьми каналов LIR2032/CR2032
    Про зарядку и контроллер заряда
    Плата
    Результаты аккумуляторов LIR2032
    Результаты проверки 8 разных батареек CR2032
    Итоги и про качество аккумуляторов
    Про технику безопасности
    Заключение и ссылка на мой проект на гитхабе


    Для чего?


    В целях самозанятости и в качестве хобби мы c другом-схемотехником делаем наручные устройства, которые работают в двух режимах: активном и режиме ожидания. В активном режиме требуется красивый, плавный и отзывчивый интерфейс, поэтому потребление в пределах 10-15 мА. В режиме ожидания работают только часики, потребление — единицы микроампер. В устройстве есть синхронизация данных по USB, следовательно, оно должно уметь заряжаться. Поэтому мы применяем перезаряжаемые батарейки таблетки в форм-факторе CR2032, они называются LIR2032.


    Устройства продаются в Европу. Эти заказчики более требовательны к качеству, чем отечественные потребители, и поэтому важно чтобы все устройства работали долго и примерно одинаковое время. И самая большая проблема — это контроль качества аккумуляторов. Быстро их не проверить, а объём вырос настолько, что пришлось сделать этот тестер. О чём я и расскажу далее.


    image


    Основные параметры


    1. Питание USB 5V, 400mA.
    2. Тип аккумуляторов и батарей LIR2032, CR2032 (с ограничениями)
    3. Количество одновременно проверяемых аккумуляторов: 8 шт
    4. Индивидуальная двух цветовая индикация статуса у каждого аккумулятора
    5. Одноцветный светодиод общего состояния.
    6. Посекундный текстовый лога по каждому аккумулятору.
    7. Измерители: напряжения и скорости его изменения, времени, ёмкости в мкА/ч.
    8. Разрядная нагрузка: 250 Ом (~10мА).
    9. Зарядный ток: 30мА
    10. Время цикла проверки: 4-6 часов.

    Алгоритм проверки


    Разница между LIR2032 и CR2032 в том, что CR2032 батарейки, а LIR перезаряжаемые аккумуляторы. И они имеют более высокий рабочий диапазон напряжений, но почти в 10 раз меньшую ёмкость.


    CR2032: диапазон напряжений 2000-3300 мВ, ёмкость 200+ мА/ч.
    LIR2032: диапазон напряжений 3300-4200 мВ, ёмкость 35 — 45 мА/ч.


    1. Первичная дозазрядка, окончание — сигнал #STAT зарядника в Z. Максимум 3 часа.
    2. Разряд, до 3300 мВ, время: минимум 2 часа, максимум 5 часов.
    3. Финальная полная зарядка, окончание — сигнал #STAT зарядника в Z. Максимум 3 часа.

    Аккумулятор считается годным, если все эти лимиты по времени соблюдаются.
    Напряжение не должно проседать ниже 3000 мВ или превышать 4300 мВ — т.е. те лимиты, при которых аккумуляторы быстро портятся или считаются негодными.


    Индикация


    Индивидуально у каждого держателя батареи:


    • часто мигает зелёным — Первичная дозазрядка
    • часто мигает красным — Разряд
    • медленно мигает зелёным — Финальная зарядка
    • постоянно горит зелёный — Тест окончен, батарея годная
    • постоянно горит красный — Тест окончен, батарея не годная

    Общий у USB порта:


    • Светится — проверка в процессе работы, как минимум один тестируется.
    • Погас — проверка окончена, все 8 аккумуляторов проверены.

    Лог работы


    Выводится в UART. Если впаять CP2103, то его можно считывать, иначе придётся подключать сторонний преобразователь UART в USB.
    Устройство запоминает в свободной флеш памяти (около 50кб) параметры всех ранее измеренных аккумуляторов и выдаёт их при каждой перезагрузке.


    После перезагрузки и инициализации начинает выдаваться каждую секунду:


    1. Время в секундах
    2. Отладочные статусы зарядника и тд, три группы символов по 8 шт.
    3. Напряжения на аккумуляторах в милливольтах, точность 30мВ, 8шт
    4. Прошло времени в тиках (~8 миллионов)
    5. Напряжение аналогового питания (удобно для проверки и отладки питания)
    6. Скорость изменения питания в микровольтах в сек, 8 шт. точность 5 мкВ/сек.

    После того как все аккумуляторы проверены выдаётся измеренные значения по всем аккумуляторам.


    1. Ёмкость в мкА/ч (норма от 25 и выше)
    2. Время в сек., напряжение в мВ начала и напряжение в мВ окончания периода.
    3. Периодов три: первичный заряд, разряд, финальный заряд.

    пример:


    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

    Микроконтроллер и как его прошивать


    Для тестера батареек я выбрал микроконтроллер STM32F100R8 это ARM Cortex M3.
    Выбран большой 64-х выводной корпус, т.к. на все 8 каналов не хватало выводов, а делать костыли с расширяемыми GPIO и регистрами не хотелось. МК работает от внутреннего генератора без использования PLL и делителей, т.е. на 8Мгц.


    Прошивка сделана в gcc и makefile в среде Eclipse Kepler и плагине CDT.
    Настройка не требуется. Достаточно прошить и уже можно использовать.


    Можно прошивать внешним UART программатором, для этого на отдельную PLS'ку выведены сигналы RX TX BOOT0 RST и земля.
    Можно прошивать моим встроенным USB-UART программатором о котором я рассказывал ранее, но для этого на каждый экземпляр придётся ставить CP2103.


    Схема целиком


    функциональный уровень:



    электрическая схема (увеличение по клику):
    image


    Схема питания


    Две ветки питания на двух линейных стабилизаторах LM1117 с 5 до 3.3В.
    Отдельное питание для цифровой и аналоговой части.
    С защитой от взаимных помех катушечками — индуктивностями на входе каждого стабилизатора.
    image


    ВНИМАНИЕ в плате есть ошибка: забыли установить и развести общий электролит по питанию USB, впаяйте параллельно USB хотя-бы 4000мкФ х 6В. Иначе при включении одного зарядника, сбрасываются остальные из за сильной просадки по питанию.


    Схема одного из восьми каналов LIR2032/CR2032


    функциональный уровень:
    image
    электрическая схема:
    image


    Слева направо:


    • Ключ включения питания контроллера заряда (цепь ON1)
    • Контроллер заряда (микросхема MCP73831T)
    • Вывод статуса зарядки: в процессе заряда=GND или закончен=Z (цепь STAT1)
    • Вертикальный держатель батарейки
    • Делитель напряжения на 2 и датчик напряжения на ОУ (цепь ADC1)
    • Нагрузка 250 Ом, которая включается полевым транзистором (LOAD1)

    Про зарядку и контроллер заряда


    Заряжать Li-ion аккумуляторы необходимо в двух режимах:


    1. быстрый заряд в режиме константного тока;
    2. далее дозаряд в режиме константного напряжения.
      Для этого использован готовый контроллер заряда который умеет всё это делать — MCP73831T. Он используется как в тестере питания так и в целевом устройстве.

    Его характеристика заряда по времени:



    Также имеется два дополнительных вывода:


    1. Вывод #STAT — индикация что заряд в процессе, во время зарядки там GND, по окончанию он переходит в высокий импеданс. Обычно к нему подключают катод светодиода.
    2. Вывод #Prog — задаёт ограничение тока, для универсальности и зависит от простой формулы:
      Ireg = 1000V / Rprog;

    Плата


    Четырёхслойная, средние слои: земля и питание, внешние верх и низ — сигнальные.
    Зазоры и толщина дорожек по 0.2мм. Все резисторы 0805 рекомендую ставить с 1% точностью.
    Увеличение по клику


    Результаты аккумуляторов LIR2032


    Вот график заряда и разряда, построен по логам тестера
    image


    В течении 64 циклов разряжал и заряжал 8 шт аккумуляторов и построил график того, как меняется средняя ёмкость у 8 аккумуляторов по мере накопления циклов и "износа".



    Далее, стало интересно, есть ли зависимость между измеренной ёмкостью и временем заряда или временем разряда. Для этого я взял накопленную статистику с 500+ рабочих и годных аккумуляторов:



    Оказалось что да, зависимость есть, но только по времени разряда на нагрузку.
    По времени заряда слишком косвенно. А при малых ёмкостях в пределах 25-30мА видно наступает таймаут минимального времени заряда у микросхемы зарядника — образовалась гор. полочка.


    Так же заметны две группы батареек: одна — новые фирменные EEMB с ёмкостью 34-40мА/ч, другие — тоже EEMB, но 13-ого года выпуска с ёмкостью 25-30 мА/ч. Вторую группу я случайно нашёл среди своих запасов пока делал статью и решил тоже прогнать и отдать на сборку годные.


    Сделал анимацию первых 65 измерений разных аккумуляторов:



    верхний график — напряжение в мВ, горизонтальная шкала времени шириной 16000 сек
    нижний график — скорость изменения верхнего графика в мкВ/сек.


    Результаты проверки 8 разных батареек CR2032


    Сразу предупреждаю, что тестер батареек не предназначен для CR2032. Они рассчитаны под разряд микроамперами и единицами миллиампер, притом и нагрузку менееьше 1 кОма не рекомендуют подключать. Но у меня есть дешевые китайские изделия где это нарушается, например, игрушки для детей и кошек с светодиодами. И я на помню, что именно в таком случае хуже всего себя показали фирменные батарейки, а дешевые ширпотребные хорошо.


    При желании, можно выпаять три из четырёх однокилоомных резисторов — для этого в плате нагрузка так и сделана. Или впаять другой вообще резистор побольше, например 10к. Если сообществу интересно, то могу заняться, но результаты будут Очень не скоро.



    Результаты сделал в виде таблицы по пороговым срезам, начиная с 2000 мВ до 2900 мВ с шагом в 100 мВ.
    Т.е. ёмкость в миллиамер-часах измерена так, если бы они разряжались до 2000 мВ, или 2100 мВ и тд до 2.9 В. Чем выше порог, тем меньше ёмкость.
    Единица измерения мА/ч.



    Зелёно-красный градиент индивидуален по каждому столбцу и независим от соседних столбцов.


    Да, действительно, простые и дешёвые батарейки типа ЭРА, megamag и Трофи, лучше в этой ситуации. Что и подтвердило мой прежний опыт их использования.
    Но ещё раз повторю — батарейки не обязаны выдавать такой ток!


    Часто батарейки CR2032 крепятся при помощи миниатюрных магнитов, например, в фитнес браслете misfit shine, и поэтому должны уметь хорошо магнитится. И да, действительно все 8 батареек притягиваются магнитом отлично.


    Итоги и про качество аккумуляторов


    Мне лично тестер понравился, очень удобно пользоваться. А цикл в 4 часа хорошо сочетается с личной жизнью — с утра поставил — в обед сменил следующий, после работы ещё раз все 8 шт поменял, и на ночь ещё 8 шт. Много времени не требуют, особенно если по терминалу не подключаться и лог не вести.


    Проблема с аккумуляторами была решена.
    Мы ранее покупали китайские "ноунейм" аккумуляторы, но они оказались почти 100% браком.
    На голову лучше себя повели фирменные от EEMB — у них стабильные параметры и брака 2-3%. А в некоторых палеттах из 50-40 шт ни одной бракованной. Также они отлично переживают долгое хранение в течении 3-4 лет, но процент брака повышается до 10%.


    Для сравнения скриншот первых 100 шт, где EEMB а где заказанные на алиэкспрессе думаю наглядно виден будет сразу.



    тут три партии: первые 40шт — новые EEMB, вторая — свежий "ноунейм" китай, последние 15 шт — EEMB три года лежали без использования. Заметно что даже немного деградировавшие 15 шт EEMB лучше китайских.


    Про технику безопасности


    1. Помните, что при коротком замыкании и батарейки и аккумуляторы ощутимо греются. Да, даже такие маленькие, маломощные и малоёмкие. Особенно, если работаешь с большим количеством, то не самая лучшая идея даже бракованные скидывать в одну кучу. Если Вы конечно не Креосан.
    2. Аккумуляторы плоские, так и хочется их взять стопкой, но даже в разряженном аккумуляторе напряжение 3-4В, а в стопке может достигать опасных 50-70В. Стопкой их складывать нельзя, даже бракованные. Если, конечно, не хотите стать ещё одним доказательством теории Дарвина.
    3. Китайские аккумуляторы часто вспухают и текут неприятной на запах жидкостью, от которой болит голова и чешутся пальцы. Если иметь дело с китайским ширпотребом, то перчатки и хорошо вентилируемое нежилое помещение обязательно.

    Заключение и ссылка на мой проект на гитхабе


    Я не хотел статью писать, т.к. думал, что раз тема IoT популярна на Хабре, то и про такие батарейки точно есть обзоры, но не нашел.


    Кстати, я ищу работу и на данный момент также принимаю разовые заказы на разработку или производство.


    Ссылка на проект гитхаба:
    https://github.com/Mirn/LIR2032_tester/
    Лицензия MIT, используйте на здоровье!
    Также я не против поговорить про опыт использования. И помочь советом.

    Поделиться публикацией
    Похожие публикации
    AdBlock похитил этот баннер, но баннеры не зубы — отрастут

    Подробнее
    Реклама
    Комментарии 28
    • +2

      А сами наручные устройства где нибудь можно посмотреть?

      • +5

        Тут нужно отдельную статью делать, там много интересного и весёлого типа корпуса из цемента или рекламного пластика было в промежуточных версиях. Много решённых проблем, интересный опыт и много фишек есть т.к. изделие простое и многое можно сделать очень интересно и хорошо.
        Когда нибудь сделаю, благо тема на спад скоро пойдёт.

        • +1

          Тут вопрос скорее в русле: ссылку на готовое изделие. Или коммерческая тайна? :)

        • 0
          Часы-шпаргалка, как я понимаю
          image

          В Европе тоже списывают?)
        • +1
          Можно ли заряжать батарейки 2032? По наблюдениям в калькуляторах с солнечными батареями (ситезен в частности), мультиварке (проверено на филипс)… батарейки 2032 успешно заряжаются. Даже если они восстановят только 50% ёмкости (я не знаю сколько они восстанавливают), то возможно это будет лучше вариант чем аккумулятор с емкостью в 10 раз ниже. И если заряжаются именитыми брендами, возможно это безопасно.
          • 0
            В молодости заряжал батарейки от советских электронных часов, т.к. батарейки были дефицитом. В качестве зарядника — БП от калькулятора. Немного заряжались. Для часов хватало.
            Правда если передержать — батарейки «взрывались», минусовая часть из корпуса выпресовывалась, травм от этого не получить, но и обратно уже не починить.
            • 0
              В молодости я заряжал почти все типы батареек таким образом (пальчиковые работали час вместо 4-х помнится) :) но, но сейчас батарейки 2032 штатно заряжают многие изготовители прямо в устройстве.
              • +1

                но в моём изделии это нельзя делать т.к. и зарядный ток слишком сильный и напряжение слишком высокое и не штатное для CR2032. Да и тип зарядника не предназначен для этого. Я пробовал одну ноунейм, и одну фирменную дюрасель — обе вздулись, ноунейм потёк.

              • 0
                Была даже «фотозарядка» — коробушка с половину спичечного коробка: фотоэлемент и пружинные контакты для батарейки. Несколько часов под настольной лампой давали порядком «жизни» батарейкам для часов.

                Пальчиковые батарейки знатно заряжались от 10-амперного 15-вольтового БП: 3-5 искр и плеер еще полкассеты протянет -)
            • +1
              Спасибо. Как раз вовремя.
              Хотелось бы увидеть зависимость параметров от окружающей температуры. Есть опыт?
              Делаем устройства промышленного температурного диапазона, уже столько шишек набили при выборе системы питания для чипа RTC. Для большинство батареек-таблеток нижний порог температуры -20с. Насколько деградирует емкость при более низких температурах? И как они себя ведут при температурах близких к 70с?
              • +1

                У нас наручное устройство, поэтому температура эксплотации около 20-30 градусов и мы не проверяли.


                Но вот динамика прогонов одних и тех же аккумуляторов в течении двух недель дома, первая неделя была холодная и дома температура колебалась 20-27 градусов, а вторая тёплая, температура колебалась 24-25 градусов, что и видно на графике ёмкости аккумуляторов, их период идеально вписывается в сутки.


                двух недельный график 8 шт, в мкА/ч
              • +1
                Да, с емкостью непонятки на таком токе. Вот здесь заявляется 250 мАч. Но малым током — нагрузка 15 кОм
                • 0
                  Принципиальные схемы в «чёрной теме» — оригинально.
                  А подскажите — в каком ПО проще всего рисовать схемы именно для публикации?
                  • +2

                    Это PCAD 2004 купленный 8 лет назад. А насчёт публикаций что лучше не знаю, я думаю достаточно чтоб они были. Разве цвет кому-то критичен?

                    • 0
                      Черный фон (да любой темный) как раз весьма удобен при разводке (P-CAD, Pulsonix, AutoCad, в конце-концов — темные темы по умолчанию). Опять же все современные IDE дают несколько цветовых схем оформления на выбор, и там однозначно есть темные. Меньше устают глаза при работе с темным фоном.
                      • 0

                        Я перешёл обратно на светлые. Не белые, а именно светлые. Как сказали мои глаза — для них это удобнее при хорошем внешнем освещении… А собственно без хорошего внешнего освещения лучше и не работать, даже с тёмными темами засветка при перефокусировке глаза из-за пределов монитора на его знатная.


                        Но в IDE тема… классическая, синяя :)

                    • НЛО прилетело и опубликовало эту надпись здесь
                      • 0
                        А в чём проблема? Дорожки имеют минимальную длину. Зачем накладывать ненужные ограничения при разводке?
                        Я подобное делал в Eagle. Запустил автоматическую трассировку, потом руками подправил то, что ему не удалось развести — и вуаля.
                      • +1
                        Такой трассировки я еще не встречал.
                        На плате карта звездного неба?
                        • НЛО прилетело и опубликовало эту надпись здесь
                          • +2

                            Да это топор, он тоже куплен давным давно, нам нравится. Но он полу автоматический, после него нужно мелочи править и следить побольше чем за спектрой.

                            • 0
                              Спектру не пробовал, а вот Ситус (трассировщик из комплекта PCAD / AD) Топору скорей даже проигрывает.
                              • НЛО прилетело и опубликовало эту надпись здесь
                        • НЛО прилетело и опубликовало эту надпись здесь
                          • 0
                            Тот maxell, что у вас на картинке — это китайская подделка отвратительного качества.
                            Реальный я покупал на ebay. У них даже упаковка отличается.
                            Использовал и как у вас и этот. Отличается значительно. Китайский живет в метке от автосигнализации где-то месяц, а с ebay месяца 3, если не больше.
                            • 0
                              ВНИМАНИЕ в плате есть ошибка: забыли установить и развести общий электролит по питанию USB, впаяйте параллельно USB хотя-бы 4000мкФ х 6В. Иначе при включении одного зарядника, сбрасываются остальные из за сильной просадки по питанию.

                              Если строго, то стандарт USB предписывает установку не более 10 мкФ. С просадками, КМК, лучше бороться организационно, а не экстенсивно.
                              Оказалось что да, зависимость есть, но только по времени разряда на нагрузку.

                              ЕМНИП, у всех химических источников тока — так. Если разрядный ток достаточно существенно превосходит саморязряд, то при меньших токах — ёмкость выше.

                              Можно ли заряжать батарейки 2032? По наблюдениям в калькуляторах с солнечными батареями (ситезен в частности), мультиварке (проверено на филипс)… батарейки 2032 успешно заряжаются.

                              Надо следовать РТМ производителей элементов (Varta, etc.). Как правило — зарядный ток требуется ограничиваеть величиной, сообщающей элементу заряд не превосходящий нескольких процентов от номинальной ёмкости.
                              • +1
                                Если строго, то стандарт USB предписывает установку не более 10 мкФ. С просадками, КМК, лучше бороться организационно, а не экстенсивно.

                                да, так хотелось сделать сразу идеально даже такую служебную и разовую штуку для производства, ну и чисто побаловаться в придачу. Но получилось с мелким косяком.
                                Я подумал, что обязан как минимум проинформировать об этом сообщество, открывая для всех эту разработку.


                                Этот грязный костыль не критичен т.к. сборщику будет передано с питанием не от ПК, а от 1А блока питания.
                                И по стандарту в USB порту может быть меньше 5В, а в реале существенно меньше, поэтому я использовал его, подключая кабелем, у которого один USB B и два USB A разъёма от переносного жёсткого диска.


                                Да и спасибо за то, что полностью и вдумчиво прочитали всю мою статью целиком.

                              • 0
                                А не пробовали на реальной нагрузке? На разработанных устройствах. Если они долго садят батарейку, то и подключить в параллель их штук несколько. IMHO так более точно.

                                Только полноправные пользователи могут оставлять комментарии. Войдите, пожалуйста.