Batterietester für 9V-Blockbatterien
9-V-Blockbatterien - oder Akkus - erfreuen sich nach wie vor großer Beliebtheit. Egal, ob die Fernsteuerung eines Modells, ein Walkie Talkie, der Elektronikbaukasten oder das ein oder andere Lernpaket. 9V Batterien finden immer dort einen Einsatz wo viel Spannung bei kleiner bis mittlerer Stromentnahme gefordert wird. Mit der hier vorgestellten Schaltung eines Batterietesters können benutzte 9V Batterien auf ihre Restkappazität geprüft werden. Somit entfällt unter Umständen der Neukauf einer Batterie, da eine, welche noch irgendwo im Bastelkeller rumlag mit etwas Glück ja noch voll genug für diverse Experimente sein kann. Weiterhin besteht unter vorheriger Absprache mit diesem Tester auch die Möglichkeit, sich quasi kostenlos 9V Batterien vom Wertstoffhof zu holen, denn manchmal werden auch noch recht volle Batterien weggeworfen welche man durch messen mit dem hier vorgestelltem Batterietester dann unter Umständen wieder für eigene Projekte verwenden kann.
Batterietester mit dem Logik IC 4093
Nun aber zur eigentlichen Schaltung, dem Batterietester mit dem 4-fach Schmitt Trigger 4093. Der Batterietester wird mit einer 9V Batterie versorgt. Allerdings ist die Spannungsquelle hier etwas kritisch, da sich die internen Referenzen auf die Batteriespannung beziehen. Das bedeutet in der Praxis also, das mit einer vollen 9V Batterie als Spannungsquelle für den Batterietester andere Messergebnisse erzielt werden, als mit einer schon relativ leeren. Idealerweise wird der Batterietester also mit einem 7809 Spannungsregler, über ein Netzteil - oder eine vergleichbare Spannungsquelle betrieben. Diese sollte eine genaue, stabilisierte Ausgangsspannung bereitstellen. Wird diese Spannungsquelle allerdings bereitgestellt sind die Messergebnisse dieses Batterietesters relativ genau. Klar ist die Schaltung mit einem professionellen Batterietester nicht vergleichbar - sie ist jedoch schon ein ganz brauchbares "Werkzeug" um 9V Batterien auszumessen und sie für eine weitere Verwendung zu sortieren.
Betrieb des Batterietesters
Der Batterietester wird mit einer 9V Spannungsquelle an seinem Spannungseingang verbunden. Die Spannungsquelle (falls es sich um Batterie/en) handelt) sollte steckbar oder schaltbar gemacht werden, da der Batterietester auch ohne Anzeige / Prüfling etwas Strom verbraucht. Ist die Spannungsquelle mit dem Batterietester verbunden, kann die zu prüfende 9V Batterie an dem entsprechenden Anschluss mit dem Tester verbunden werden. Die zu prüfende Batterie wird also mit dem entsprechenden Anschluss am Tester verbunden, und bleibt dann bis maximal 10 Sekunden mit dem Prüfer verbunden.
Dabei ergibt sich eines der folgenden Ergebnisse:
Keine der LED´s leuchtet
Die rote LED leuchtet nach wenigen Sekunden
Die rote und gelbe LED leuchtet nach wenigen Sekunden
Die rote, gelbe und grüne LED leuchtet nach wenigen Sekunden
Anhand dieser Anzeige kann also auf den Ladezustand der Batterie geschlossen werden. Leuchtet keine der LED´s (auch nach 10 Sekunden) ist die Spannung der Batterie bereits unter 7,3V gesunken. Diese Batterie ist quasi leer, der Ladezustand kann mit diesem Tester nicht weiter bestimmt werden. Unter Umständen reicht die Ladung der Batterie noch aus, um damit sehr sparsame Geräte zu betreiben, für Experimente oder Geräte, die etwas mehr Leistung benötigen ist diese Batterie nichtmehr zu empfehlen. Ein aufleuchten der roten LED nach ein paar Sekunden an dem Tester sagt aus, das die Batterie noch zwischen 7,3 und 7,8V Spannung besitzt. Diese Batterie kann dann z.B: noch ein Multimetern eingesetzt werden, da die meisten Standard-Multimeter eine eher geringe Stromaufnahme haben. Bei Aufleuchten der roten und gelben LED beträgt die Spannung noch mehr als 7,8V aber weniger als 8,3V. Diese Batterie kann mitunter für die meisten Einsatzzwecke verwendet werden. Vom Experimentierkasten bis zum Walkie Talkie kann diese Batterie noch mit jedoch verkürzer Betriebsdauer verwendet werden. Leuchten alle 3 LEDs - also rot, gelb, grün besitzt die Batterie noch mehr als 8,3V Spannung - sie ist also "so gut wie neu". Obwohl eine neue 9V Batterie bei 8,3V (wo sie der Batterietester als voll deklariert) eigentlich nichtmehr ganz voll ist, wurde diese Spannung bewusst gewählt. Manche ältere 9V Akkus besitzen aufgrund der verwendeten Zellen nur 8,4V Spannung. Somit können auch Akkus geprüft werden. Der Autor verweist allerdings darauf, dass sich die angegebenen Spannungswerte auf Schätzungen beziehen, und hier keine fundierten Aussagen getroffen werden wollen bezüglich des Ladezustandes einer 9V Batterie.
Wie ermittelt der Batterietester die Ladung der Batterie?
Ein Blick in den Schaltplan hilft zum besseren Verständnis dieser Erklärung. Normalerweise würde es ausreichen die Ladung der Batterie anhand einer Spannungsmessung mit dem Multimeter zu definieren. Allerdings ist dies nicht besonders sinnvoll, da das Multimeter über einen sehr hohen Innenwiderstand verfügt, und somit eben so gut wie nur die Spannung der Batterie ermittelt wird. Diese kann selbst bei nichtmehr vollen Batterien gut 8V betragen. Somit könnte man anhand der Messung durch das Multimeter schlussfolgern, dass es sich um eine volle Batterie handelt. Wird die als gut geprüfte Batterie jedoch mit einem Verbraucher verbunden, funktioniert dieser nicht oder nur kurz und dann nichtmehr, oder nicht richtig. Ein Bild erläutert nochmal die Vorteile dieses Batterietesters gegenüber der Messung der Batterie mit Spannungsmessung.
Diese "falschen Messergebnisse" bei der Spannungsmessung mit dem Multimeter liegen neben dem hohen Innenwiderstand des Multimeters daran, das Batterien die Eigenschaft haben, sich ohne Belastung oftmals von selbst wieder etwas aufzuladen z.B. wenn die Batterie aus dem Gerät genommen wurde und somit nichtmehr verwendet wurde. Belastet man die Batterie jedoch, sinkt die Spannung rapide wieder auf den quasi aktuellen Ladestand. Daher wurde der Batterietester auch unter Beachtung dieser Eigenschaften entwickelt.
Verbindet man die Batterie mit dem Batterietester, wird sie erstmal über die beiden Widerstände R1 und R2 belastet. Diese Widerstände sorgen dafür, dass ein Strom von ca. 29mA von der Batterie entnommen wird. Desweiteren wird zusätzlich noch etwas Strom durch die Spannungsteiler Widerstände (R7...R13) entnommen. Dadurch wird die Batterie belastet, und es werden keine falschen Messergebnisse angezeigt. Weiterhin wird der Strom der Batterie über R3 zum Kondensator C1 weitergeleitet, welcher sich langsam auflädt. Erreicht der Kondensator C1 eine Spannung von 7,3V, schaltet der Schmitt Trigger des IC´s den Ausgang von 0 auf 1. Der nun auf 1 geschaltete Ausgang steuert zunächst die rote LED an. Weiterhin steuert er jeweils einen der beiden Eingänge der Schmitt Trigger an, welche für die gelbe und grüne LED zuständig sind. Da ein Schmitt Trigger zwar erst ab einer gewissen (durch die Schaltung vorgegebenen) Spannung von 0->1 schaltet jedoch "Rückwärts" von 1->0 auch mit weniger Spannung als der Schaltspannung von 0->1 auf "1" bleibt wird die Zeitverzögerungsschaltung benötigt. Ansonsten könnte es ja sein, das die Batterie im ersten Moment noch kurz z.B: 8,3V liefert, dann jedoch langsam unter diese Spannung sinkt. Die grüne LED würde dann unter Umständen an bleiben, obwohl die Spannung bereits geringer ist als die für den "volle Batterie" Status notwendige Spannung. Weiterhin wurde das Zeitverzögerungsglied in die Schaltung integriert, um die Batterie für mindestens 2-3Sekunden vor zu belasten - um - dann keinen "Spitzenwert" zu messen, sondern einen eher realen Wert unter Belastung.
Zusatz Information: Entwicklung des Batterietesters
Zuerst wurde für den 4093 IC eine stabilisierte Spannungsquelle bereitgestellt. Hierfür konnte ein 7809 Spannungsregler (9V) verwendet werden. Anschließend wurde mit einem Labornetzteil festgestellt, ab welcher Schaltschwelle die Eingänge des Schmitt Triggers von 0->1 schalten. Der daraus ermittelte Wert wurde für die rote LED herangezogen, es ist sozusagen der minimale Wert, bei dem der Schmitt Trigger sicher durchschaltet. Um nun aber auch die weiteren Ladungszustände der Batterien zu definieren, wurde ein Spannungsteiler entwickelt, und jedesmal mit dem Labornetzteil die Spannung so eingestellt, das der Schmitt Trigger durchschaltet. So konnten die Werte für die Eingangsspannungsteiler (gelbe LED R7, R8, R9) sowie die Werte für die grüne LED (R10,R11,R12,R13) ermittelt werden. Um sicherzustellen, das diese Werte auch konstant sind, wurde das IC etwas erwärmt und anschließend auch etwas abgekühlt. Dabei wurde erneut geprüft, ob das IC bei den entsprechenden Spannungswerten die zugeordneten Ausgänge schaltet. Weiterhin wurde auch ein zweiter IC getestet um festzustellen, ob es kleine - aber sich auf die Funktion der Schaltung auswirkende - Toleranzen gibt. Es konnte hier jedoch kein Unterschied festgestellt werden auch mit dem getauschten IC schalteten die entsprechenden Bereiche zuverlässig. Die Zeitkonstante von ca. 3 Sekunden wurde rein experimentell ermittelt.
Bildergalerie
Gesamtbild Schaltung
Test einer fast leeren Batterie
Test einer fast vollen Batterie
Test einer vollen Batterie
