[Из песочницы] Придумываем технологию Powercheck
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 напряжение 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 погрешность 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 внешний 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 пощью которой сделано подобием 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:
