YR1030, міліомметр для вимірювання малих опорів і внутрішнього опору акумуляторів

Я опублікував чимало оглядів акумуляторів, і мене часто запитували: чому в оглядах немає вимірювання внутрішнього опору цих акумуляторів? Відповідь зазвичай була одна: наявні в мене прилади не дають змоги коректно вимірювати цей параметр, тож сенсу в таких вимірюваннях немає. Але відносно недавно я розжився спеціалізованим приладом, призначеним саме для таких вимірювань.
Цей пристрій належить до дуже специфічного класу вимірювальних приладів, але припускаю, що він може стати в пригоді не лише під час роботи з акумуляторами.


Прилад замовляв на ТаоБао, у магазині відомого китайця — навіть не знаю, як його точно назвати, нехай буде кастомайзер — 100 MHz. Насправді особливої різниці, де замовляти прилад, не було: просто на той момент у нього була найнижча ціна, а крім того, у нього ж були й низькоомні резистори.

Для початку — що таке внутрішній опір акумуляторів. Не буду багато розписувати й спробую пояснити, хай і грубо, але, сподіваюся, наочно.
Уявіть, що існує ідеальний акумулятор: він не має ні саморозряду, ні внутрішнього опору — такий собі «сферичний кінь у вакуумі». Цей ідеальний елемент міститься всередині вашого акумулятора, але там є ще два умовні резистори: один називається Rs і ввімкнений послідовно з акумулятором, другий — Rp, він, відповідно, ввімкнений паралельно. При цьому:
Rs — це опір, який називають внутрішнім послідовним опором; він визначає струм, який здатен віддавати акумулятор.
Rp — це опір, через який акумулятор розряджається, поки лежить на полиці.

Насправді все це дещо складніше, ніж така схематична пара резисторів, адже акумулятор є хімічним елементом, але для загального розуміння цього більш ніж достатньо.

На другій схемі праворуч зовні акумулятора також показані паразитні опори, наприклад контакти тримача, які збільшують послідовний опір, а також, скажімо, ваша схема, яка може мати невеликий опір і теж розряджати акумулятор.
Справедливості заради, точно така сама картина спостерігається, наприклад, і в конденсаторів, а цей параметр називається ESR (еквівалентний послідовний опір). Навіть звичайний дросель через активний опір обмотки можна умовно вважати таким, що має цей параметр.

Якщо у випадку зовнішніх компонентів ми можемо щось поліпшити — наприклад, використати якісніші тримачі, а то й узагалі припаяти дроти безпосередньо до акумулятора, відмити плату або використати компоненти з меншим споживанням, щоб зменшити витоки, — то на внутрішні параметри можна впливати лише опосередковано, наприклад, змінюючи температуру. З підвищенням температури обидва опори зменшуються. Щоб акумулятор мав менший саморозряд, його зберігають у прохолодному місці, а щоб його внутрішній опір був меншим — використовують «теплим».


Як же все це виглядає в реальному житті, а не на віртуальних схемах?
Візьмемо, наприклад, пару акумуляторів: US18650VTC4 і LGDBHG21865 (більш відомі як шоколадки).


Оскільки внутрішній опір є важливим параметром, його майже завжди зазначають у даташиті. Наприклад, у першого акумулятора він становить 12 мОм (0.012 Ома)


А в другого — до 17 мОм.


Фактично саме внутрішній опір впливає на нагрівання акумулятора, і це проявляється під час роботи з великим струмом.
Наприклад, 12 мОм за струму 15 Ампер дадуть падіння напруги 0.18 Вольта; якщо 0.18 помножити на 15, отримаємо 2.7 Ватта тепла.
Для другого акумулятора все ще гірше: 17х15=0.255 Вольта, а 0.255х15=3.825 Ватта.

Звісно, усе це дуже грубо й перебільшено, але наочний приклад — нижче на фото: після повного розряджання струмом 15 Ампер температура першого акумулятора становить 70 градусів, а другого — майже 80. Але справа не лише в температурі: під навантаженням більше й падіння напруги, що може бути критичним для потужних споживачів, наприклад електронних сигарет, електроінструментів, а також різних квадрокоптерів, машинок тощо.



Для вимірювання цього параметра можна використовувати різні інструменти, але найправильніше застосовувати спеціалізовані прилади. Під час огляду я спробую пояснити чому, а поки перейду власне до огляду.

Своє замовлення я отримав запакованим в окремі пакетики: в одному лежав прилад, у другому — резистори, оскільки їх замовляв окремим лотом.
Отже, маю:
Прилад
Щупи до приладу
Тестові резистори.

У продавця є багато варіантів комплектації. Я вибрав варіант «прилад + щупи» — його ціну зазначено в заголовку, — а також набір резисторів.


Резистори замовив, щоб згодом перевірити точність роботи приладу — як того, що оглядаю, так і інших, які є в господарстві. У продавця такий набір коштує 1.64 долара (на момент замовлення було 1.48), що дуже навіть непогано.
Номінали резисторів
1. 1 мОм 1%
2. 2.2 мОм 0.5%
3. 10 мОм 0.5%

Резистори мають чотирипровідне підключення, розраховані на потужність до 10 Ватт і можуть встановлюватися на радіатор.


А оскільки резистори фірмові, виробництва Isabellenhutte, то знайшовся і даташит на них, де вказані як параметри резисторів, так і їхня внутрішня конструкція. З даташита можна дізнатися, що випускаються резистори й із точністю 0.1%, але в мене є лише 0.5 і 1.0%, що теж непогано, особливо за таких малих номіналів.


У комплекті були щупи з чотирипровідним підключенням. Узагалі, майже в усіх подібних приладах використовується саме чотирипровідна схема підключення вимірюваного компонента.


Тут процитую власне пояснення щодо чотирипровідного підключення з іншого огляду.

Під час звичного для нас вимірювання опору (до речі, не лише опору) досить сильно впливати може така паразитна річ, як дроти до щупів. Думаю, багато хто знає, що рідкісний мультиметр із замкнутими щупами на нижній межі вимірювання покаже 0. На індикаторі зазвичай відображається якесь значення приблизно 0.05-0.5 Ома — це і є паразитний опір.
Іноді його можна компенсувати, увімкнувши функцію відносних вимірювань (Rel), але це не завжди зручно і далеко не завжди коректно.

Якщо говорити про вимірювання внутрішнього опору акумуляторів, то переважна більшість популярних зарядних пристроїв на кшталт Опуса, Літокали, Аймакса тощо використовують двопровідну схему. У моєму електронному навантаженні, яке я використовую для тестування акумуляторів, підключення чотирипровідне, але дроти з'єднуються біля затискачів-крокодилів, а до акумулятора підключаються у двох точках. І навіть якщо переробити касету для акумулятора так, щоб підключення було чотирипровідним, це все одно нічого особливо не дасть, оскільки практично всі ці пристрої вимірюють опір постійним струмом.


Сам принцип вимірювання опору досить простий. Підключаємо компонент до джерела струму й вимірюємо напругу на компоненті. Але оскільки дроти мають опір, у результаті отримаємо суму реального опору компонента й опору дроту.
Якщо опір великий, зазвичай це не має особливого значення, а от коли йдеться про величини 1-10 Ом і менше, проблема постає на повний зріст.
Щоб розв'язати цю проблему, розділяють кола, якими струм проходить через компонент, і кола безпосереднього вимірювання.


У реальному житті це має приблизно такий вигляд, як показано на схемі.


Але у випадку вимірювання внутрішнього опору акумуляторів, як, утім, і конденсаторів, перевіряти постійним струмом некоректно. Це зумовлено тим, що тут впливають і хімічні процеси, а також процеси, які відбуваються під час заряджання/розряджання.
Тому внутрішній опір акумуляторів прийнято вимірювати на частоті 1 кГц, хоча для деяких акумуляторів вказано опір і в режимі постійного струму. На скриншоті помітно, що значення при цьому може суттєво відрізнятися (верхнє — для змінного струму, нижнє — для постійного). І якщо чотирипровідну схему ще можна «допиляти», то створити прилад для вимірювання змінним струмом дещо складніше. Такий принцип використовується у правильних тестерах акумуляторів і вимірювачах ESR конденсаторів, та й узагалі в LCR-вимірювачах

Власне, це і є відповідь на запитання, чому я не вимірюю і не рекомендую іншим робити це за допомогою поширених пристроїв «побутового» рівня, які не мають ані чотирипровідної схеми підключення, ані режиму вимірювання змінним струмом.



Щупи являють собою конструкцію з чотирьох підпружинених контактів, вставлених у металеві трубки. Тримати в руках зручно, дроти, щоправда, закороткі, але досить м'які. Підключення до приладу — за допомогою роз'єму USB.
Також у комплекті дали чотири запасні контакти. Частина, що під’єднується до тестованого елемента, виконана у вигляді розетки, тому досить добре тримається на виводі компонента й не зіскакує.

Варіант підключення за допомогою USB-роз’єму виглядає дещо сумнівним, але, на мій погляд, він більш ніж зручний, а крім надійного контакту, ще й легко ремонтується.


До зовнішнього вигляду приладу майже немає претензій — акуратна сіра коробочка.


Усі позначення на кнопках виконані англійською та китайською мовами, утім, кнопок усього чотири, тож заплутатися дуже важко.


Короткі характеристики приладу є на нижній частині корпусу, повні наведено нижче:
Вимірювання опору
Діапазон 20 мОм, роздільна здатність 0,01 мОм, похибка 0,7% + 7 зн. (коли ввімкнено функцію ZR)
Діапазон 200 мОм, роздільна здатність 0,1 мОм, похибка 0,5% + 5 зн.
Діапазон 2 Ом, роздільна здатність 1 мОм, похибка 0,5% + 5 зн.
Діапазон 20 Ом, роздільна здатність 10 мОм, похибка 0,5% + 5 зн.
Діапазон 200 Ом, роздільна здатність 0,1 Ом, похибка 0,6% + 5 зн.

Вимірювання напруги
Діапазон 2В, роздільна здатність 0,001В, похибка 0,8% + 5 зн.
Діапазон 20 В, роздільна здатність 0,01 В, похибка 0,8% + 5 зн.
Діапазон 28 В, роздільна здатність 0,1 В, похибка 0,8% + 5 зн.

На одному з торців розташовані роз’єм для підключення щупів і microUSB для заряджання акумулятора приладу. Коли робив фото, звернув увагу, що написи «догори ногами», а потім подумав, що все логічно: коли підключаєте роз’єми, тримаєте прилад екраном до себе, і написи читаються правильно. Частіше зустрічав навпаки :)


Кнопка Power виконує одразу кілька функцій:
1. Власне, увімкнення
2. За тривалого натискання — вимкнення, але з’являється запит так/ні; «так» розташоване ліворуч, тобто це середня кнопка.
3. За короткого натискання — вхід у меню налаштувань, повторне натискання — вихід із меню

Також коротким натисканням можна ввімкнути підсвічування приблизно на 10-15 секунд. Підсвічування вміє автоматично вмикатися, коли на вході приладу з’являється напруга, тобто під час підключення акумулятора.


Праворуч розташовані дві кнопки — Range R і Range U. Перша перемикає діапазони вимірювання опору (авто, 20 мОм, 200 мОм, 2 Ома, 20 Ом, 200 Ом), друга відповідає за діапазони вимірювання напруги (авто, 2 В, 20 В, 28 В).
У мене прилад увесь час працював в автоматичному режимі. Автоперемикання швидке, проблем не виявлено, хоча кілька разів на межах діапазонів перемикання відбувалося не завжди, але в цьому разі це вплив гістерезису автоматики.


1, 2. Середня кнопка позначена як HoldZEROR. Коротке натискання — функція фіксації показань, тривале — вимкнення функції автоматичного утримання нуля. За замовчуванням функцію ZEROR увімкнено (ZR на екрані), і всі вимірювання я проводив саме в цьому режимі. Її можна примусово ввімкнути або вимкнути.
3, 4. Меню — тут і повний жах, і рай водночас, спробую пояснити.
Жах — усе китайською, і, як я зрозумів, більшість приладів постачають саме з китайським меню.
Рай — у нормально працюючому й налаштованому приладі вам робити нічого, усе нормально працює «з коробки».


В інтернеті я знайшов англомовний варіант меню, з якого випливає, що є такі пункти:
1. Звичайний режим
2. Режим сортування компонентів.
3. Час роботи підсвічування, 5-60 секунд
4. Час автоматичного вимкнення приладу й переходу в режим енергозбереження
автоматичне вимкнення 5-60 хвилин
режим енергозбереження — 5-30 хвилин
5. Налаштування режиму сортування акумуляторів
A - RaUxa(встановлене значення)
B - RbUxb(встановлене значення)
C - RcUxc(встановлене значення)
6. Кількість акумуляторів у режимі сортування
7. Калібрування
8. Скидання налаштувань до заводських
9. Струм заряджання акумулятора — 200/400 мА, за замовчуванням 200 мА. Останнього пункту в старій версії приладу немає, хоча, як на мене, він особливо й не потрібен.


А ось ті самі меню, тільки китайською мовою, порядок такий самий, як вище
2. Режим сортування компонентів.
3. Час роботи підсвічування, 5-60 секунд
4. Час автоматичного вимкнення приладу й переходу в режим енергозбереження
автоматичне вимкнення 5-60 хвилин
режим енергозбереження — 5-30 хвилин
5. 6 Налаштування режиму сортування акумуляторів
A - RaUxa(встановлене значення)
B - RbUxb(встановлене значення)
C - RcUxc(встановлене значення)
7. Кількість акумуляторів у режимі сортування
8. Калібрування
9. Скидання налаштувань до заводських
10. Струм заряджання акумулятора — 200/400 мА, за замовчуванням 200 мА. Останнього пункту в старій версії приладу немає, хоча, як на мене, він особливо й не потрібен.

Заодно невелике пояснення щодо керування меню, яке, на мій погляд, вкрай незручне.
Power — кнопка вибору потрібного пункту меню, вона ж — кнопка виходу з пункту меню без збереження налаштувань.
Hold — кнопка збереження параметра та виходу з підпункту меню.
Range R — зміна виділеного параметра лише в бік збільшення; ця ж кнопка переміщує пункти меню вгору.
Range U — переміщення меню, а також усередині меню, причому переміщення лише вниз.

Якщо не впевнені у вибраному параметрі — натискаєте Power, якщо хочете зберегти — Hold, змінюємо параметр — Range R, вибираємо, який параметр змінювати, — Range U. Щоб вийти з меню, треба вибрати пункт 1 і натиснути Power.



Режим енергозбереження, вихід із нього — натисканням кнопки power.


Знизу корпусу є чотири саморізи, тому пристрій дуже легко розбирається. Щоправда, у мене дисплей приклеївся до фальшпанелі, ледве відклеїв.




Перед тестуванням — кілька слів про нюанси
1. Просто загальний вигляд екрана: з розімкнутими щупами показує перевантаження.
2. Якщо з’єднати щупи між собою, показує 0
3,4. Але що здивувало: під час спроби виміряти опір шкіри показує нісенітницю. Хоча згодом я зрозумів, що все логічно, адже прилад чотирипровідний, і йому потрібне з’єднання однойменних щупів.


Насамперед вирішив перевірити шунти. Хоча, по суті, це не має особливого значення, адже результат залежатиме від точності самого шунта та похибки двох мультиметрів одночасно.
Використовувалися два мультиметри:
UT61E у режимі вимірювання струму
UT181A у режимі вимірювання напруги.

Можливо, варто було під’єднати їх навпаки, але цього експерименту я вже не проводив.

Перевірку проводили за двох контрольних значень струму — 1 і 5 Ампер. Результати вимірювання показали, що:
Шунт 1 мОм має опір 0.997 мОм і 1.0008 мОм
Шунт 2.2 мОм — 2.206 мОм і 2.2076 мОм
Шунт 10 мОм — 10.021 мОм і 10.0214 мОм.
Покази за струму 1 і 5 Ампер трохи відрізняються, найімовірніше, через нагрівання шунта амперметра. Також під час вимірювання трохи коливалася остання цифра вольтметра — приблизно на +/- 2 одиниці, але в будь-якому разі покази збігаються із заявленими значеннями.


1. Прилад, який оглядаємо, також під’єднувався до резисторів за чотирипровідною схемою.
2, 3, 4. Результати просто чудові: спочатку прилад показує менше значення, але за кілька секунд стабілізується на показаному. Значення дуже стабільне, лише іноді останній розряд може змінитися на одиницю.


А далі я вирішив порівняти його зі своїм RLC-вимірювачем, але отримав дещо дивні результати.
1. Встановлення нуля з’єднанням через шматок мідного дроту.
2, 3. З резисторами 1 і 2.2 мОм усе чудово
4. Резистор 10 мОм показував 9.1–9.2 замість 10
5, 6. Просто з цікавості торкнувся звичайних резисторів 5% опором 0.1 і 0.22 Ома. Результат загалом більш-менш адекватний, що свідчить про проблеми з лінійністю саме в нижньому діапазоні.


Взяв ті самі резистори 0.1 і 0.22 Ома та перевірив їх приладом, який оглядаємо. Він показав опір трохи більший, ніж RLC-вимірювач.


Далі я вирішив поекспериментувати зі своїм попереднім приладом. Спочатку спробував встановити нуль, просто з’єднавши щупи. Тепер усе навпаки: для 1 і 2.2 мОм отримав завищені результати, а для решти вони практично збіглися з показами приладу, який оглядаємо.
Для мого RLC-метра заявлено 0.5% у базовому варіанті та 0.3% після додаткового калібрування. За похибки 0.5% і діапазону 1.5 Ома похибка становитиме +- 0.75 мОм. Звісно, можна сказати, що результати приблизно збігаються в обох випадках, але це вже сама межа діапазону, та й усе одно якось «не те». Виходить, що для роботи з малими опорами треба застосовувати один спосіб встановлення нуля, а з опорами 5 мОм і вище — інший. :(


Наведені вище вимірювання проводилися на частоті 1 кГц, як і в приладу, який оглядаємо. Але після того, як я перемкнув RLC на частоту 100 Гц, картина помітно покращилася. Загалом, думаю, треба ще розібратися, адже RLC-вимірювач має додаткові налаштування, і, можливо, є шанс налаштувати лінійність.


Після цього вирішив перевірити ще кілька резисторів:
1. 0.47 Ома 1%
2. 5.1 Ома 1%
3. 9.76 Ома 2%
4. 75 Ом 1%


Резистори 9.76 і 75 Ом я додатково не перевіряв, а от 0.1 і 0.22 Ома, про які йшлося раніше, а також 0.47 і 5.1 Ома попередньо перевірив за тією самою методикою, що й шунти.
У результаті отримав:
Резистор 0.1 Ома — фактично 0.09817 Ома
0.22 Ома — 0.21721 Ома
0.47 Ома — 0.47054 Ома
5.1 Ома — 5.105 Ома.


І, відповідно, результати, отримані за допомогою приладу, який оглядаємо, як на мене, досить непогані.


Оскільки прилад призначений для роботи з акумуляторами, то, крім внутрішнього опору, він уміє вимірювати й напругу. Максимальна вхідна напруга — до 28 В, і краще не перевищувати це значення. Полярність може бути будь-якою — просто напруга відобразиться зі знаком мінус.

Під час тестування я порівняв покази вольтметра з точнішим приладом. Результати чудові, але майже в усіх тестах прилад завищував покази на 1 одиницю, що цілком нормально для цифрових приладів.


Я провів і додатковий тест: для цього взяв конденсатор і три шунти, показані на самому початку огляду.
Спочатку виміряв внутрішній опір конденсатора, а потім послідовно під'єднував до нього шунти й дивився, наскільки отриманий результат відрізняється від розрахункового.


1. ESR конденсатора — 30.1 мОм
2. Конденсатор + резистор 1 мОм: виміряне — 31.4, розрахункове — 31.1
3. Конденсатор + резистор 2.2 мОм: виміряне — 33.2, розрахункове — 32.1
4. Конденсатор + резистор 10 мОм: виміряне — 40.7, розрахункове — 40.1

Результати дуже непогані. Підвів тест із резистором 2.2 мОм, але, думаю, така похибка допустима.


І, звісно, акумулятори. Спочатку я взяв акумулятор, якому два роки, і за даташитом його опір становить 12 мОм.
2. У повністю зарядженому стані — 12.46 мОм.
3. У розрядженому стані — 12.68 мОм
4. А ось приклад збільшення внутрішнього опору за низької температури. Розряджений акумулятор охолодили приблизно до -20 градусів. У результаті опір збільшився майже в 1.6 раза.


Для прикладу — тест акумуляторів із категорії «подарувати ворогові».


1, 2. Жовтий: заряджений і розряджений.
3, 4. Синій: заряджений і розряджений.

Як можна зрозуміти, це повний жах. Якщо встановити такий акумулятор у павербанк, то через високий внутрішній опір він вимкнеться раніше, так і не використавши повністю й без того невелику ємність акумулятора.
На фото — напруга на акумуляторах саме після розряджання в павербанку.


А ось вимірювання опору літій-залізного акумулятора. Звісно, тут опір завеликий, частково це зумовлено тим, що акумулятор маленький. Що менший акумулятор, то менша площа електродів і то вищий опір. Втім, навіть у межах одного типорозміру опір може відрізнятися: є «високострумові» акумулятори з низьким опором і «високоємні» з вищим опором, але й більшою ємністю.

1. Опір за кімнатної температури — 114.4 мОм
2. Опір за температури -20 градусів — 140.9 мОм, або в 1.23 раза вищий, ніж за +25.

У показаного вище US18650VTC4 різниця становила майже 1.6 раза, але можу сказати, що якщо навантажити акумулятор, то завдяки самонагріванню він швидко поверне опір до нормального значення.


Радше вже як доповнення — осцилограми на щупах приладу.
1. Лише вихід джерела струму.
2. Пари щупів з'єднані. Оскільки цей режим є основним під час використання приладу, подальші осцилограми знімалися зі з'єднаними парами щупів.


Осцилограми в різних режимах роботи.
Авто, 20 мОм, 200 мОм, 2 Ома, 20 Ом, 200 Ом.


І наостанок невеликий бонус. Коли я брав резистори для перевірки, то натрапив на стрічку з резисторами 0.1 Ома — принаймні саме так розшифровується їхнє маркування: коричневий, чорний, срібний, золотий = 0.1 Ом, 5%

Але найцікавіше з'ясувалося під час перевірки: із 6 штук лише 1 (один) мав опір близько 0.1 Ома, а в п'яти він становив 0.224 Ома! Я навіть перевірив їх в одній стрічці — це добре видно на фото.
Резистори купував офлайн, у перевіреного продавця. Щоправда, колись давно я вже зустрічав помилкове маркування, але тоді всі резистори в стрічці були промарковані неправильно. Але щоб так, як тут...



Відеоверсія огляду


Підсумовуючи, можу сказати, що прилад мені однозначно сподобався — щонайменше завдяки високій точності та зручності користування. Його можна використовувати як для вимірювання внутрішнього опору акумуляторів, так і для перевірки ESR конденсаторів, а також — що теж дуже важливо — для вимірювання дуже малих значень опору.
Єдиний, мабуть, мінус — меню повністю китайською мовою. Особливо це буде незручно, якщо знадобиться функція сортування, на жаль :( За звичайної роботи в меню заходити не доводиться, усе працює «як є» і цілком нормально.

Трохи засмутили труднощі під час роботи з моїм RLC-вимірювачем. Треба ще розібратися, чому так відбувається. Як з’ясувалося, загалом він «зі скрипом» вкладається у зазначені 0.5%, але за двох різних варіантів отримуємо зміщення в той чи інший бік, тоді як за 100Гц покази правильні.



На цьому в мене все. Сподіваюся, огляд був корисним, а також буду радий запитанням і пропозиціям щодо тестів.