Восстановление гальванических элементов и батарей простые схемы. Устройство для регенерации гальванических элементов и заряда аккумуляторных батарей асимметричным током
В.Васильев
Карманные аудиоплейеры, радиоприемники, проигрыватели компакт-дисков и другая портативная радиоэлектронная аппаратура массового потребления питается от гальванических или аккумуляторных элементов различных типоразмеров. Во всем мире более 500 различных фирм и дочерних предприятий занимаются их изготовлением, получая постоянную прибыль, так как потребность в этих необходимых всем источниках тока возрастает с каждым годом.
Гальванические элементы относительно недороги, имеют начальное напряжение 1,5 В и емкость от 0,6 до 8,0 А.ч. Их недостатком можно считать резкое падение напряжения по мере разрядки (до 0,7 В), тогда как большинство аппаратов допускает их разрядку только до 1,0...1,1 В. Другой недостаток - самый существенный - одноразовое использование. После израсходования примерно 70% энергии гальванические элементы требуют замены на новые. В литературе описаны разного рода зарядные устройства, которые могут продлить срок службы гальванических элементов, но при этом число циклов подзарядки исчисляется единицами, а емкость элемента снижается практически до нуля. Кроме того, на некоторых типах элементов делается надпись "Подзарядка запрещена". Это сделано с целью предупредить несчастный случай в результате разрушения оболочки элемента при зарядке.
В этом отношении аккумуляторные элементы имеют ряд существенных преимуществ. Главное - возможность многократной зарядки их на протяжении 5...10 лет. Отечественные аккумуляторные элементы имеют гарантированный срок службы не менее 500 циклов зарядки/разрядки, а зарубежные - не менее 1000. Хотя на практике может быть иначе. Например, автор статьи эксплуатирует пару аккумуляторных элементов емкостью 0,45 А.ч, перезаряжая их дважды в неделю (100 циклов в год). Они были приобретены еще в 1993 году, выдержали 700 циклов зарядки/разрядки и продолжают служить.
Другим преимуществом аккумуляторных элементов является высокая стабильность их рабочего напряжения. Свежезаряженный элемент имеет начальное напряжение 1,3...1,4 В, которое снижается по мере разрядки до 1,1 В. Практически полная разрядка элемента достигается при снижении напряжения до 1 В. Дальнейшая разрядка элемента ниже этого порогового значения снижает продолжительность работы аккумулятора и его емкость. В том случае, когда в аппаратуре используется только один элемент, например, в микроприемнике, достижение порогового значения напряжения разрядки заметно по факту прекращения работы приемника. Тогда элемент изымается и ставится на зарядку. В тех случаях, когда используется батарея из двух, четырех, либо шести элементов, может оказаться, что из-за неодинаковой емкости элементов один из них (самый слабый) раньше других понизит свое напряжение до порога и начнет разряжаться далее за счет нормальной работы других элементов. При этом громкость звучания может несколько снизиться, но сам приемник или плейер продолжит свою работу до разрядки других элементов.
Практика показывает, что самый слабый элемент будет иметь напряжение около 0,3 В обратной полярности (там, где раньше был "минус", стал "плюс"). Иными словами, произошла перезарядка элемента, что пагубно скажется на его дальнейшей работе. Исправить это положение можно путем немедленной зарядки его нормальным током в течение требуемого времени.
Аккумуляторные элементы при всей простоте своего внешнего вида обладают "злопамятливым" характером. Это заключается в том, что накопление энергии в полном объеме возможно только при зарядке током определенной величины (десятичасовому разрядному току) в течение 15...16 часов. Кроме того, напряжение разряженного элемента должно быть равно 1,0...1,1 В. О нежелательности разрядки ниже этого порога говорилось выше. Не рекомендуется также, чтобы это напряжение было больше порога, например, 1,2 В, т.е. когда накопленная ранее энергия израсходована не полностью, например, только на 50%. Если такое случится, то при последующем цикле зарядки аккумулятор накопит и отдаст в нагрузку те же 50%, не более. Поэтому для обеспечения длительной эксплуатации аккумуляторных элементов и получения от них номинального запаса энергии, необходимо перед включением их на подзарядку измерить вольтметром напряжение на них. Если оно находится в пределах 1,0.1,1 В, то их можно сразу ставить на зарядку. Если напряжение более этого значения, то требуется предварительно разрядить их. К сожалению, если зарядные устройства продаются везде и повсюду, то специальных устройств для контроля конечного напряжения элемента и разрядки его перед включением нет как в нашей стране, так и за рубежом. Существует мнение, что применение таких устройств осложняет эксплуатацию аппаратуры, особенно теми людьми, которые далеки от техники. В этом отношении специалисты и народные умельцы имеют преимущества.
Так, если использовать аккумуляторные элементы, не контролируя их состояние перед включением на зарядку, то срок службы снижается примерно вдвое. В этом случае отечественные аккумуляторы выходят из строя через 200...300 циклов зарядки/разрядки, а зарубежные - через 400...600. Для большинства потребителей это не будет особенно заметно, так как все равно речь идет о нескольких годах эксплуатации. Но если, прежде чем аккумуляторные элементы будут включены на зарядку, каждый из них пройдет проверку и дополнительно разрядится до требуемого уровня, то срок службы их увеличится по сравнению с гарантийным до 1000...1200 циклов зарядки/разрядки для отечественных и 1500...2000 циклов для зарубежных элементов. Правда, такие предварительные операции кому-то могут показаться сложными, но для тех, кто вынужден постоянно работать с портативной аппаратурой, они не являются помехой.
На отечественном рынке радиотоваров сейчас изобилие аккумуляторных элементов отечественного и зарубежного производства, и не только типоразмера 316. Имеются в продаже элементы других популярных типоразмеров -286, 343, 373.
Проще всего разбираться с отечественными элементами, имеющими стандартное обозначение - НКГЦ - означающее "Никель-Кадмиевый Герметичный Цилиндрический" аккумулятор. После этих букв идут цифры, указывающие номинальную емкость в ампер-часах. Например, самые распространенные и недорогие элементы типоразмера 316 имеют обозначение НКГЦ - 0,45. Это значит, что каждый элемент имеет номинальную емкость 0,45 А.ч, или 450 мА.ч. Аналогично расшифровываются названия НКГЦ - 1,8 и НКГЦ - 3,2: их емкость соответственно равна 1,8 А.ч для типоразмера 343 и 3,2 А.ч для типоразмера 373.
С зарубежными аккумуляторными элементами дело обстоит сложнее. Имеется несколько зарубежных и международных стандартов, принятых фирмами стран Европы, Северной Америки, Азии. Различаются они между собой типоразмерами и номинальной емкостью. В последнее время за счет совершенствования технологии производства емкость аккумуляторных элементов увеличена в 2...4 раза. Так, если 10 лет назад аккумуляторные элементы типоразмеров 316 имели номинальную емкость 0,45...0,6 А.ч, то теперь их емкость достигает 1,5...2 А-ч. Причем, некоторые из этих образцов нечувствительны к зарядке при неполной разрядке, к чему так чувствительны обычные элементы выпуска прошлых лет.
В таблице приведены условные обозначения аккумуляторных элементов, имеющих различные системы условных обозначений для каждого типоразмера. Там же указана продолжительность времени зарядки каждого элемента постоянным током определенной величины. Никель-кадмиевые аккумуляторные элементы допускают зарядку удвоенным значением тока, за счет чего вдвое сокращается время зарядки. Если под рукой нет зарядного устройства для зарядки аккумулятора данного типоразмера, а есть только зарядное устройство с меньшим током зарядки, то тогда зарядка может быть произведена меньшим током, но за большее время.
Имеющиеся в продаже зарядные устройства отечественного и зарубежного производства имеют указание на типоразмер заряжаемых элементов, величину тока зарядки и время, необходимое для нее. В литературе описано немало конструкций самодельных зарядных устройств, но все же лучше воспользоваться фирменным, хотя бы из соображения обеспечения личной электробезопасности, так как обычно зарядка осуществляется от сети переменного тока 220 В, хотя имеются зарядные устройства, работающие от бортовой сети автомобиля постоянного тока напряжением 12 В.
Рабочие характеристики аккумуляторов
Основными рабочими характеристиками аккумуляторных элементов и батарей являются время разрядки при заданном токе и реальная электрическая емкость. Обе характеристики определяются номинальной электрической емкостью и сопротивлением нагрузки, либо величиной потребляемого тока. На рис. 1 приведены результаты измерения напряжения одного аккумуляторного элемента с различным значением номинальной емкости от 180 до 1300 мА.ч при постоянном разрядном токе 100 мА. Такой ток потребляет современный аудиоплейер в режиме воспроизведения. И как видно из рисунка, время разрядки, измеряемое в процессе падения напряжения с 1,35 до 1,0 В, составляет от 1,6 до 11,2 ч. То есть, время нормальной работы аккумулятора практически прямо пропорционально его номинальной емкости.
При этом очевидно, что использование аккумуляторов с большим значением номинальной емкости выгодно вдвойне. Во-первых, резко возрастает время, в течение которого плейер или приемник работает нормально и не требует подзарядки. Во-вторых, уменьшается число циклов зарядка/разрядка, приходящееся на год, что продлевает общий срок службы аккумуля тора. Кроме того, как правило, цена аккумулятора большей емкости в пересчете на 1 А.ч меньше, чем у аккумуляторов меньшей емкости.
Здесь следует отметить, что все рабочие характеристики аккумуляторов рассчитаны наилучшим образом применительно к режиму, при котором разрядка производится десятичасовым разрядным током, т.е. током, равным номинальной емкости, деленной на 10 ч. При значительном возрастании потребляемого тока по сравнению с десятичасовым значением его реальная электрическая емкость падает. Это видно из рис. 2, где приведены результаты измерения реальной емкости аккумуляторного элемента различной номинальной емкости в зависимости от величины потребляемого тока.
Вертикальными пунктирными линиями обозначены границы возможных значений этого тока - от 100 до 300 м.А, куда попадают большинство аудиоплейров, проигрывателей компакт-дисков и портативных приемников.
Из рис. 2 видно, что только аккумуляторы на 1...1,5 А.ч эффективно используют свою энергию. При всех прочих равных условиях аккумуляторы большей емкости выгоднее аккумуляторов малой мощности при работе с большим потребляемым током.
Как заряжать и разряжать аккумуляторы
Для нормальной работы плейера или приемника необходимо, чтобы все элементы имели один и тот же номинал емкости. Как заряжать аккумуляторы, известно всем: взять отработавшие свой срок элементы, проверить их остаточное напряжение и, если необходимо, разрядить каждый из них до 1 В. После чего элементы вставляются в зарядное устройство согласно их полярности и устройство включается в сеть 220 В (или 12 В).
По истечении времени, предписанного инструкцией,зарядное устройство выключается из сети, элементы вынимают из него и вставляют в аппаратуру. Теперь аккумуляторы начнут работать - отдавать накопленную энергию по своему прямому назначению.
В тех случаях, когда вопрос о сохранении, а тем более продлении гарантированного срока службы аккумуляторов не стоит, процедура зарядки может производиться без контроля остаточного напряжения и разрядки элементов до напряжения 1 В. В противном случае операция разрядки до заданного значения может быть осуществлена с помощью простейшего разрядного устройства, принципиальная схема которого приведена на рис. 3.
Здесь аккумуляторные элементы поодиночке или группой подключены к стабилизатору напряжению, выполненному на резисторе R1, и двух соединенных последовательно кремниевых транзисторах, работающих в режиме насыщения коллекторного тока. Этот режим достигается тем, что база и коллектор каждого транзистора соединены между собой. В таком случае каждый транзистор становится стабилизатором напряжения 0,5 В при изменении тока через него в пределах от 1 до 200 мА. Использование двух последовательно соединенных транзисторов дает требуемое напряжение 1 В. При подключении к данному стабилизатору одного или нескольких элементов, даже имеющих большой разброс остаточного напряжения, в конце концов все они будут иметь один и тот же остаточный потенциал - 1 В. Процесс разрядки обычно занимает не более одного-двух часов в самом худшем случае. Убедиться в окончании процесса разрядки можно путем измерения напряжения сначала на элементах, а потом на транзисторах. Если процесс разрядки закончен, то напряжения будут равны 1 В.
Для контроля момента окончания цикла разрядки аккумуляторных элементов по схеме рис. 3 рекомендуется измерить падение напряжения на резисторе R1, которое должно быть равно нулю.
При покупке аккумуляторных элементов зарубежного производства возникают определенные лингвистические трудности с переводом на русский язык этикеток, написанных на английском, немецком и других языках. Ниже приводятся переводы наиболее важных фраз и предложений.
Nickel-Cadmium Battery
1000 mA.h 1,2 V
Никель-кадмиевый аккумулятор емкостью 1000 мА.ч и напряжением 1,2 В
Standart Charge: 15 House at 100 mA
Стандартный режим зарядки: 15 ч током 100 мА
Quick Charge: 6 Hours at mA
Быстрая зарядка: 6 ч при токе 250 мА
CAUTION: Do not dispose of in fire or short circuit
Предупреждение: не помещайте в огонь и не делайте короткое замыкание
Ni/Cd, 1.2 Accumulator, 600mA.h, 60IRS, bis 1000 aufladbar, up to 1000 times rechargeable, Normallabung: 14 Std. mit 60 mA, Standart charges: 14 h. at mA. IEC KR 15/51 (R6)
Никель-кадмиевый аккумулятор напряжением 1,2 В, емкостью 600 мА.ч. Выдерживает 1000 циклов зарядки/разрядки. Зарядка в течение 14 ч током 60 мА.
ACCU PLUS -
Аккумулятор повышенной емкости
Rechargeable Cell -
Подзаряжаемый элемент, может быть аккумуляторным или гальваническим
Р-100 AARM KR 15/51 1000 mA.h 1.2 V1000 F
Аккумуляторный элемент напряжением 1,2 В емкостью 1000 мА.ч, рассчитанный на 1000 циклов зарядки/разрядки
Литература
1. Варламов Р.Г. Современные источники питания. Справочник. М.: ДМК, 1998, 187 с.
2. В.Боравский. Зарядный "универсал" для аккумуляторных блоков питания портативных радиостанций. Ремонт&Сервис, 2000, № 2, с. 60-62.
Те, кто на даче не имеют электричества, наверняка испытывают определенные неудобства в самых элементарных вещах. Ну ладно там, нет холодильника или телевизора… Но ведь порой даже мобильный телефон подзарядить нет возможности. Запасных аккумуляторов — не напасешься и не навозишься.
Между тем, существует довольно простой способ получить электрический ток достаточный для работы простейших электронных устройств прямо на месте и без больших затрат. Да, лампочку к такому источнику не подключить, но обеспечить электропитанием небольшой радиоприемник или подзарядить мобильник ему вполне по силам. Такой же источник сможет зарядить небольшие аккумуляторы и в походе, пока туристы спят или отдыхают. И что особенно ценно, данный источник стоит буквально копейки, работает независимо ни от каких погодных условий и не имеет вообще никаких подвижных частей.
Принцип работы данного источника тока основан на том, что некоторые металлы образуют между собой т.н. гальванические пары. Т.е. при их соприкосновении образуется простейший гальванический элемент, вырабатывающий электрический ток. Например, по этой причине нельзя соединять напрямую провода из меди и алюминия. В месте их контакта немедленно начинает образовываться закись меди, приводящая к нарушению контакта.
Если два электрода из таких металлов поместить в электролит, они начнут вырабатывать электрический ток. Почему же не использовать этот эффект для того, что бы решить хотя бы одну проблему — с той же зарядкой мобильного телефона в условиях отсутствия электросети.
При устройстве такого простейшего элемента можно использовать в качестве электродов любые медные и железные отрезки проволоки, а лучше — пластины. Пластины дадут бОльший ток. А качестве электролита подойдет сырая земля (грунт), которую лучше пропитать солевым раствором.
Что бы не портить землю на своем участке, лучше насыпать землю в ведра (можно и дырявые) или даже в полиэтиленовые пакеты.
В пакет насыпается земля, обильно поливается соляным раствором и в нее втыкаются два электрода. Если к этим электродам подключить вольтметр, вы увидите, что он показывает наличие напряжения.
Разумеется, напряжение такого элемента невелико — 0,5-1 вольт максимум. А ток, который он вырабатывает 20-50 мА. Но что нам мешает сделать несколько таких элементов и соединить их последовательно! Таким образом мы достигнем необходимого напряжения, достаточного для зарядки аккумулятора мобильного телефона или другого устройства.
Разумеется, такой элемент примитивен, имеет невысокий КПД. Но! Во-первых, он крайне дешев и делается действительно из материалов, которые валяются под ногами — (проволока, обрезки труб, пластины металла). Во-вторых, он не требует никаких телодвижений с вашей стороны после его изготовления. Он необслуживаемый! Один раз сделал — пользуйся весь сезон. Ну разве что поливай периодически, поддерживая влажности грунта. В третьих — сделать его по силам даже школьнику младших классов.
В четвертых — он очень мобилен. Что немаловажно для туристов, например. Разбили стоянку, воткнули электроды в землю, вылили ведро воды и извольте заряжаться. За ночь аккумуляторы фонариков, мобильных телефонов, раций, фотоаппаратов и навигаторов получат необходимую подпитку.
Такими элементами пользовались еще на заре электроники, когда батареи были очень дефицитны и дороги. Теперь же с появлением весьма экономичных и низковольтных электронных приборов массового пользования они возможно кому то снова смогут принести пользу.
Проблема повторного использования гальванических элементов питания давно волнует любителей электроники. В технической литературе неоднократно публиковались различные методы “оживления” элементов, но, как правило, они помогали только один раз, да и ожидаемой емкости не давали.
В результате экспериментов удалось определить оптимальные токовые режимы регенерации и разработать зарядные устройства, пригодные для большинства элементов. При этом они обретали первоначальную емкость, а иногда и несколько превосходящую ее.
Восстанавливать нужно элементы, а не батареи из них, поскольку даже один из последовательно соединенных элементов батареи, пришедший в негодность (разряженный ниже допустимого уровня) делает невозможным восстановление батареи.
Что касается процесса зарядки, то она должна проводиться асимметричным током с напряжением 2,4…2,45 В. При меньшем напряжении регенерация весьма затягивается и элементы после 8… 10 часов не набирают и половинной емкости. При большем же напряжении нередки случаи вскипания элементов, и они приходят в негодность.
Перед началом зарядки элемента необходимо провести его диагностику, смысл которой состоит в определении способности элемента выдерживать определенную нагрузку. Для этого к элементу подключают вначале вольтметр и измеряют остаточное напряжение, которое не должно быть ниже 1 В. (Элемент с меньшим напряжением непригоден к регенерации.)
Затем нагружают элемент на 1…2 секунды резистором 10 Ом, и, если напряжение элемента упадет не более чем на 0,2 В, он пригоден к регенерации.
Электрическая схема зарядного устройства, приведенная на рис. 5.23 (предложил Б. И. Богомолов), рассчитана на зарядку одновременно шести элементов (G1…G6 типа 373, 316, 332, 343 и других аналогичных им).
Самой ответственной деталью схемы является трансформатор Т1, так как напряжение во вторичной обмотке у него должно быть строго в пределах 2,4…2,45 В независимо от количества подключенных к нему в качестве нагрузки регенерируемых элементов.
Если готового трансформатора с таким выходным напряжением найти не удастся, то можно приспособить уже имеющийся трансформатор мощностью не менее 3 Вт, намотав на нем дополнительно вторичную обмотку на нужное-напряжение проводом марки ПЭЛ или ПЭВ диаметром 0,8…1,2 мм. Соединительные провода между трансформатором и зарядными цепями должны быть возможно большего сечения.
Продолжительность регенерации 4…5, а иногда и 8 часов. Периодически тот или иной элемент надо вынимать из блока и проверять его по методике, приведенной выше для диагностики элементов, а можно следить с помощью вольтметра за напряжением на заряжаемых элементах и, как только оно достигнет 1,8…1,9 В, регенерацию прекратить, иначе элемент может перезарядиться и выйти из строя. Аналогично поступают в случае нагрева какого-либо элемента.
Лучше всего восстанавливаются элементы, работающие в детских игрушках, если ставить их на регенерацию сразу же после разряда. Причем такие элементы, особенно с цинковыми стаканами, допускают многоразовую регенерацию. Несколько хуже ведут себя современные элементы в металлическом корпусе.
В любом случае, главное для регенерации не допускать глубокого разряда элемента и вовремя ставить его на подзарядку, так что не спешите выбрасывать отработанные гальванические элементы.
Вторая схема (рис. 5.24) использует тот же принцип подзарядки элементов пульсирующим ассимметричным электрическим током. Она предложена С. Глазовым и проще в изготовлении, так как позволяет использовать любой трансформатор с обмоткой, имеющей напряжение 6,3 В. Лампа накаливания HL1 (6,3 В; 0,22 А) выполняет не только сигнальные функции, но и
ограничивает зарядный ток элемента, а также предохраняет трансформатор в случае коротких замыканий в цепи зарядки.
Стабилитрон VD1 типа КС119А ограничивает напряжение заряда элемента. Он может быть заменен набором из последовательно включенных диодов – двух кремниевых и одного германиевого – с допустимым током не менее 100 мА. Диоды VD2 и VD3 любые кремниевые с тем же допустимым средним током, например КД102А, КД212А.
Емкость конденсатора С1 от 3 до 5 мкФ на рабочее напряжение не менее 16 В. Цепь из переключателя SA1 и контрольных гнезд Х1, Х2 для подключения вольтметра. Резистор R1 10 Ом и кнопка SB1 служат для диагностики элемента G1 и контроля его состояния до и после регенерации.
Нормальному состоянию соответствует напряжение не менее 1,4 В и его уменьшение при подключении нагрузки не более чем на 0,2 В.
О степени заряженности элемента можно также, судить по яркости свечения лампы HL1. До подключения элемента она светится примерно в полнакала. При подключении разряженного элемента яркость свечения заметно увеличивается, а в конце цикла зарядки подключение и отключение элемента почти не вызывает изменения яркости.
При подзарядке элементов типа СЦ-30, СЦ-21 и других (для наручных часов) необходимо последовательно с элементом включать резистор на 300…500 Ом. Элементы батареи типа 336 и других заряжаются поочередно. Для доступа к каждому из них нужно вскрыть картонное донышко батареи.
Если требуется восстановить заряд только у элементов питания серии СЦ, схему для регенерации можно упростить, исключив трансформатор (рис. 5.25).
Работает схема аналогично вышеприведенным. Зарядный ток (1зар) элемента G1 протекает через элементы VD1, R1 в момент положительной полуволны сетевого напряжения. Величина 1зар зависит от величины R1. В момент отрицательной полуволны
диод VD1 закрыт и разряд идет по цепи VD2, R2. Соотношение 1зар и выбрано 10:1. У каждого тйпа элемента серии СЦ своя емкость, но известно, что величина зарядного тока должна составлять примерно десятую часть от электрической емкости элемента питания. Например, для СЦ-21 емкость 38 мА-ч (1зар=3,8 мА, 1разр=0,38 мА), для СЦ-59 емкость 30 мА-ч (1зар=3 мА, 1разр=0,3 мА). На схеме указаны номиналы резисторов для ре
генерации элементов СЦ-59 и СЦ-21, а для других типов их легко определить, воспользовавшись соотношениями: R1=220/2*l3ap, R2=0,1*R1.
Установленный в схеме стабилитрон VD3 в работе зарядного устройства участия не принимает, но выполняет функцию защитного устройства от поражения электрическим током при отключенном элементе G1 на контактах Х2, ХЗ напряжение не сможет возрасти больше, чем уровень стабилизации. Стабилитрон КС175 подойдет с любой последней буквой в обозначении или же может буть заменен двумя стабилитронами типа Д814А, включенными последовательно навстречу друг другу (“плюс” к “плюсу”). В качестве диодов VD1, VD2 подойдут любые с рабочим обратным напряжением не менее 400 В.
Время регенерации элементов составляет 6…10 часов. Сразу после регенерации напряжение на элементе будет немного превышать паспортную величину, но через несколько часов установится номинальное 1,5 В.
Восстанавливать таким образом элементы СЦ удается три-четыре раза, если их ставить вовремя на подзарядку, не допуская полного разряда (ниже 1 В).
Аналогичный принцип работы имеет схема, показанная на рис. 5.26. Она в особых пояснениях не нуждается.
Этой статьёй мы открываем новое для нашего сайта направление: тестирование аккумуляторов и гальванических элементов (или, выражаясь простым языком, батареек).Несмотря на то, что всё большую популярность приобретают литий-ионные аккумуляторы, специфичные для каждой конкретной модели устройства, рынок стандартных элементов питания общего назначения до сих пор очень велик – от них питается масса различных изделий, начиная от детских игрушек и заканчивая недорогими фотоаппаратами и профессиональными фотовспышками. Велик и ассортимент этих элементов – батарейки и аккумуляторы разных типов, емкостей, размеров, торговых марок, качества изготовления...
На первых порах мы не ставим перед собой цель объять всё богатство элементов питания – мы ограничимся лишь наиболее стандартными и распространёнными из них: цилиндрическими батарейками и никелевыми аккумуляторами.
Данная же статья призвана познакомить вас с некоторыми базовыми понятиями, касающимися исследуемых нами элементов питания, а также с методикой тестирования и используемым нами оборудованием. Впрочем, многие теоретические и практические вопросы мы будем обсуждать и в последующих статьях, посвящённых уже конкретным элементам питания – тем более, что делать это на "живых примерах" много удобнее и нагляднее.
Типы аккумуляторов и гальванических элементов
Батарейки с солевым электролитомБатарейки с солевым электролитом, они же цинк-углеродные (впрочем, в отличие от щелочных батареек, на упаковках солевых производители обычно просто не указывают их химию) – самые дешёвые химические источники тока из имеющихся в продаже: стоимость одной батарейки колеблется от четырёх-пяти до восьми-десяти рублей, в зависимости от марки.
Представляет собой такая батарейка цинковый цилиндрический контейнер (служащий одновременно и корпусом, и "минусом" батарейки), в центре которого находится угольный электрод ("плюс"). Вокруг анода размещён слой диоксида марганца, а оставшееся пространство между ним и стенками контейнера заполнено пастой из хлорида аммония и хлорида цинка, разведённых в воде. Состав этой пасты может варьироваться: в маломощных батарейках в ней доминирует хлорид аммония, а в более ёмких (обычно обозначаемых производителями как "Heavy Duty") – хлорид цинка.
При работе батарейки цинк, из которого сделан её корпус, постепенно окисляется, в результате чего в нём могут появиться прорехи – тогда электролит из батарейки вытечет, что может привести к порче устройства, в которое она установлена. Впрочем, такие проблемы были характерны в основном для отечественных батареек времён существования СССР, современные же надёжно упаковываются в дополнительную внешнюю оболочку и "текут" очень редко. Тем не менее, надолго оставлять в устройстве севшие батарейки не стоит.
Как уже упоминалось выше, химический состав электролита солевых батареек может немного варьироваться – в "мощной" версии используется электролит с преобладанием хлорида цинка. Впрочем, слово "мощный" применительно к ним можно писать разве что в кавычках – ни одна из разновидностей солевых батареек на сколь-нибудь серьёзную нагрузку не рассчитана: в фонаре их хватит на четверть часа, а в фотоаппарате может не хватить даже на выдвижение объектива. Удел солевых батареек – пульты дистанционного управления, часы да электронные термометры, то есть устройства, энергопотребление которых укладывается в единицы, в крайнем случае в десятки миллиампер.
Батарейки с щелочным электролитом
Следующий тип батареек – щелочные, или марганцевые батарейки. Некоторые не слишком грамотные продавцы и даже производители называют их "алкалиновыми" – это слегка искажённая калька с английского "alkaline", то есть "щёлочь".
Цены на щелочные батарейки варьируются от десяти до сорока-пятидесяти рублей (впрочем, большинство их типов укладываются в диапазон до 25 рублей, выделяются только отдельные модели повышенной мощности), а отличить от солевых их можно по обычно присутствующей в том или ином виде надписи "Alkaline" на упаковке (а иногда – и прямо в названии, например, "GP Super Alkaline" или "TDK Power Alkaline").
Отрицательный полюс щелочной батарейки состоит из цинкового порошка – по сравнению с цинковым корпусом солевых элементов, использование порошка позволяет увеличить скорость протекания химических реакций, а значит, и отдаваемый батарейкой ток. Положительный полюс – из диоксида марганца. Основным же отличием от солевых батареек является тип электролита: в щелочных в его качестве используется гидроксид калия.
Щелочные батарейки хорошо подходят для устройств с энергопотреблением от десятков до нескольких сотен миллиампер – при ёмкости порядка 2...3 А*ч они обеспечивают вполне разумное время работы. К сожалению, есть у них и существенный минус: большое внутреннее сопротивление. Если нагрузить батарейку действительно большим током, её напряжение сильно просядет, а значительная часть энергии будет расходоваться на нагрев самой батарейки – в результате эффективная ёмкость щелочных батареек сильно зависит от нагрузки. Скажем, если при разряде током 0,025 А нам удастся получить от батарейки 3 А*ч, то при токе 0,25 А реальная ёмкость упадёт уже до 2 А*ч, а при токе 1 А – и вовсе ниже 1 А*ч.
Тем не менее, какое-то время щелочная батарейка может работать и при большой нагрузке, просто это время сравнительно невелико. Скажем, если на солевых батарейках современный цифровой фотоаппарат может даже не включиться, то одного комплекта щелочных ему хватит на полчаса работы.
Кстати, если уж вы вынуждены использовать в фотоаппарате щелочные батарейки – купите сразу два комплекта и периодически меняйте их местами, это позволит немного продлить их жизнь: если разряженной большим током батарейке дать немного "отлежаться", она частично восстановит заряд и сможет проработать ещё немного. Минут пять.
Литиевые батарейки
Последний из широко распространённых типов батареек – литиевые. Как правило, они рассчитаны на напряжение, кратное 3 В, поэтому большинство типов литиевых батареек с полуторавольтовыми солевыми и щелочными не взаимозаменяемы. Такие батарейки широко используются в часах, а также – реже – в фототехнике.
Впрочем, существуют и литиевые батарейки на напряжение 1,5 В, выполненные в стандартных форм-факторах АА и ААА – их можно использовать в любой технике, рассчитанной на обычные солевые или щелочные батарейки. Основное преимущество литиевых батареек заключается в меньшем внутреннем сопротивлении по сравнению со щелочными: их ёмкость мало зависит от тока нагрузки. Поэтому, хотя при малом токе что щелочная, что литиевая батарейки имеют одинаковую ёмкость 3 А*ч, если поставить их в цифровой фотоаппарат, потребляющий 1 А, то щелочные "умрут" минут через тридцать, а вот литиевые проживут почти три часа.
Минусом литиевых батареек является высокая стоимость: мало того, что дорог сам литий, так ещё и в связи с опасностью его воспламенения при попадании воды конструкция батарейки оказывается заметно сложнее по сравнению с щелочными. В результате одна литиевая батарейка стоит 100-150 рублей, то есть в три-пять раз дороже очень хорошей щелочной. Примерно столько же стоит Ni-MH аккумулятор, обладающий сходными с литиевыми батарейками разрядными характеристиками, но способный пережить несколько сотен циклов заряд-разряд – поэтому покупка литиевых батареек оправдана лишь в том случае, когда вам негде, некогда или нечем зарядить обычные аккумуляторы.
Да, раз уж зашла речь о циклах заряда, необходимо сказать, что пытаться заряжать литиевые батарейки категорически нельзя! Если обычная щелочная или солевая батарейка при попытке её зарядить может, как максимум, просто вытечь, то герметичные литиевые батарейки при заряде взрываются.
Также, помимо хороших разрядных характеристик, у литиевых батареек есть ещё два преимущества, как правило, не очень существенных: долговечность (допустимый срок хранения достигает 15 лет, при этом батарейка потеряет всего 10 % ёмкости) и способность работать при отрицательных температурах, когда у солевых и щелочных батареек попросту замерзает электролит.
Никель-кадмиевые (Ni-Cd) аккумуляторы
Основной же альтернативой батарейкам являются аккумуляторы – источники тока, химические процессы в которых обратимы: при подключении аккумулятора к нагрузке они идут в одном направлении, а при приложении к нему напряжения – в обратном. Таким образом, если батарейку после использования приходится выбрасывать и приобретать новую, то аккумулятор можно зарядить до его полной (или почти полной) исходной ёмкости.
Рассматривать мы будем аккумуляторы, используемые в лёгкой бытовой электронной аппаратуре – поэтому тяжёлые (и в прямом, и в переносном смысле) свинцово-кислотные аккумуляторы, встречающиеся в автомобилях, блоках бесперебойного питания и других устройствах с большим энергопотреблением и без особых ограничений на вес и габариты, сразу остаются за бортом нашей сегодняшней статьи. А вот различным типам никелевых аккумуляторов внимания мы уделим много больше...
Первые никелевые – точнее говоря, никель-кадмиевые – аккумуляторы были созданы шведским учёным Вальдемаром Юнгером (Waldmar Jungner) аж в 1899 году, однако на тот момент были относительно дороги, да к тому же не являлись герметичными: при зарядке аккумулятор выделял газ. Лишь в середине прошлого века удалось создать никель-кадмиевую батарею с замкнутым циклом: выделяющиеся при зарядке газы поглощались самим же аккумулятором.
Никель-кадмиевые аккумуляторы надёжны и долговечны (их можно хранить до пяти лет, а заряжать – при правильном использовании – до 1000 раз), хорошо работают при низких температурах и легко выдерживают большие токи разряда, могут заряжаться как малыми, так и большими токами.
Минусов у них, впрочем, тоже немало. Во-первых, относительно маленькая плотность энергии (то есть отношение ёмкости элемента к его объёму), во-вторых, заметный ток саморазряда (после нескольких месяцев хранения аккумулятор перед использованием потребуется заново зарядить), в-третьих, использование в конструкции ядовитого кадмия, и, в-четвёртых, эффект памяти.
На последнем стоит остановиться подробнее, так как при разговоре об аккумуляторах мы его ещё не раз вспомним. Эффект памяти является следствием нарушения внутренней структуры аккумулятора: в нём начинают расти кристаллы, уменьшающие эффективную поверхность и, соответственно, ёмкость аккумулятора. Своё название эффект получил из-за того, что особенно быстро кристаллы растут при неполной разрядке аккумулятора: он как бы помнит, до какого уровня его разряжали в прошлый раз – если аккумулятор был разряжен, скажем, только на 25 %, то очередная зарядка восстановит его ёмкость не до 100 %, а меньше. Для борьбы с эффектом памяти аккумулятор рекомендуется перед зарядкой разряжать полностью – это разрушает образующиеся кристаллы и восстанавливает ёмкость аккумулятора. Среди доступных типов аккумуляторов именно никель-кадмиевые наиболее подвержены эффекту памяти.
Тем не менее, в некоторых случаях использование никель-кадмиевых аккумуляторов оправдано и сейчас – благодаря низкой стоимости, долговечности и возможности зарядки при низких температурах без отрицательных последствий для аккумулятора.
Никель-металлгидридные (Ni-MH) аккумуляторы
Несмотря на близкое соседство на полках магазинах, в историческом плане между Ni-Cd и Ni-MH аккумуляторами лежит пропасть: последние были разработаны лишь в 1980-х годах. Интересно, что изначально исследовалась возможность хранения водорода для никель-водородных батарей, применяемых в космической технике, но в результате мы получили и один из самых распространённых в быту типов аккумуляторов.
В отличие от никель-кадмиевых батарей, никель-металлгидридные не содержат тяжёлых металлов, а значит, безвредны для окружающей среды и не требуют специальной переработки при утилизации. Впрочем, это далеко не единственный их плюс: с точки зрения потребителей, то есть нас с вами, куда важнее, что при тех же размерах Ni-MH аккумуляторы имеют в два-три раза большую ёмкость – для наиболее распространённых аккумуляторов формата AA она доходит уже до 2500-2700 мА*ч против 800-1000 мА*ч у никель-кадмиевых.
Более того, Ni-MH аккумуляторы ещё и практически не страдают от эффекта памяти. Точнее говоря, производители год за годом уменьшают его влияние – и поэтому, хотя теоретически эффект присутствуют и в Ni-MH аккумуляторах, на практике у современных моделей он незначителен. Впрочем, мы не будем полагаться во всём на производителей и в одной из наших следующих статей попробуем сами оценить влияние эффекта памяти.
К сожалению, у Ni-MH аккумуляторов есть и свои проблемы. Во-первых, они имеют больший ток саморазряда (впрочем, об этом мы ещё раз поговорим чуть ниже) по сравнению с Ni-Cd, во-вторых, хотя число циклов перезарядки также может достигать 1000, падение ёмкости аккумулятора может наблюдаться уже после 200-300 циклов, в-третьих, слишком большие разрядные токи и зарядка при низких температурах заметно сокращают жизнь аккумулятора.
Тем не менее, по совокупности характеристик – стоимости, надёжности, ёмкости, простоте обслуживания – на данный момент Ni-MH аккумуляторы являются одними из лучших, что и обусловило их применение в огромной массе бытовых устройств.
В последнее время в продаже появились также так называемые "Ready To Use" ("готовы к использованию") Ni-MH аккумуляторы. От обычных они отличаются малым током саморазряда – производитель уверяет, что за полгода аккумулятор потеряет не более 10 % ёмкости, а за год – не более 15 % (для сравнения, обычный Ni-MH аккумулятор за месяц сядет на 20...30 %, а за год – в ноль). Отсюда и название: будучи заряженными ещё производителем, эти аккумуляторы не успеют полностью разрядиться до того, как вы купите их в магазине, а значит, их можно будет использовать без предварительной зарядки, сразу после покупки. Минусом таких аккумуляторов является меньшая ёмкость – элемент формата AA имеет ёмкость 2000...2100 мА*ч против 2600...2700 мА*ч для обычных Ni-MH аккумуляторов.
Зарядные устройства для Ni-Cd и Ni-MH аккумуляторов
Принципы заряда Ni-Cd и Ni-MH аккумуляторов во многом схожи – по этой причине современные зарядные устройства, как правило, поддерживают сразу оба типа. Методы же заряда и, соответственно, типы зарядных устройств можно разделить на четыре группы. При этом во всех случаях мы будем указывать зарядный ток через ёмкость аккумулятора: например, рекомендация заряжать током величиной "0,1С" означает, что аккумулятору ёмкостью 2700 мА*ч в такой схеме соответствует ток 270 мА (0,1*2700 = 270), а аккумулятору ёмкостью 1400 мА*ч – 140 мА.Медленный заряд током 0,1C
Этот метод основан на том, что современные аккумуляторы легко выдерживают перезаряд (то есть попытку "залить" в них больше энергии, чем аккумулятор может хранить), если зарядный ток не превышает величины 0,1C. Если ток превышает эту величину, аккумулятор при перезаряде может выйти из строя.
Соответственно, слаботочное зарядное устройство не нуждается в каком-либо контроле окончания заряда: ничего страшного в избыточной его продолжительности нет, аккумулятор просто рассеет лишнюю энергию в виде тепла. Соответствующие зарядные устройства дёшевы и весьма широко распространены. Для зарядки аккумулятора достаточно оставить его в таком ЗУ на время не менее 1,6*C/I, где C – ёмкость аккумулятора, I – зарядный ток. Скажем, если мы берём ЗУ с током 200 мА, то аккумулятор ёмкостью 2700 мА*ч гарантированно зарядится за 1,6*2700/200 = 21 час 36 минут. Почти сутки... в общем, главный недостаток таких ЗУ очевиден – время зарядки зачастую превышает разумные величины.
Тем не менее, если вы никуда не торопитесь, такое зарядное устройство вполне имеет право на жизнь. Главное – если вы используете аккумуляторы малой ёмкости в паре с современным ЗУ, проверьте, чтобы ток зарядки (а он обязательно должен быть указан в характеристиках ЗУ) не превышал 0,1C. Также стоит учесть, что медленный заряд способствует проявлению у аккумуляторов эффекта памяти.
Заряд током 0,2...0,5С без контроля окончания заряда
Подобные зарядные устройства хоть и редко, но всё же встречаются – в основном среди дешёвой китайской продукции. При токе 0,2...0,5С они либо не имеют контроля окончания заряда вообще, либо имеют только встроенный таймер, выключающий аккумуляторы через заданное время.
Использовать подобные ЗУ категорически не рекомендуется : так как контроля окончания заряда нет, то в большинстве случаев аккумулятор окажется недо- или перезаряжен, что существенно сократит срок его жизни. Сэкономив на зарядном устройстве, вы потеряете деньги на аккумуляторах.
Заряд током до 1C с контролем окончания заряда
Этот класс зарядных устройств – наиболее универсален для повседневного применения: с одной стороны, они обеспечивают зарядку аккумуляторов за разумное время (от полутора до четырёх-шести часов, в зависимости от конкретного ЗУ и аккумуляторов), с другой, чётко контролируют окончание заряда в автоматическом режиме.
Наиболее часто встречающийся метод контроля окончания заряда – по спаду напряжения, обычно он называется "метод dV/dt", "метод отрицательной дельты" или "метод -ΔV". Заключается он в том, что в течение всей зарядки напряжение на аккумуляторе медленно растёт – но когда аккумулятор достигает полной ёмкости, оно кратковременно снижается. Это изменение очень небольшое, однако его вполне можно обнаружить – и, обнаружив, прекратить заряд.
Многие производители зарядных устройств также указывают в их характеристиках "микропроцессорный контроль" – но, по сути, это то же самое, что и контроль по отрицательной дельте: если он есть, то он осуществляется специализированным микропроцессором.
Впрочем, контроль по напряжению – не единственный доступный: в момент накопления аккумулятором полной ёмкости в нём резко возрастает давление и температура корпуса, что также можно контролировать. На практике, впрочем, технически проще всего измерять напряжение, поэтому другие методы контроля окончания заряда встречаются редко.
Также многие качественные зарядные устройства имеют два защитных механизма: контроль температуры аккумуляторов и встроенный таймер. Первый останавливает зарядку, если температура превысит допустимый предел, второй – если за разумное время остановка заряда по отрицательной дельте не сработала. И то, и другое может случиться, если мы используем старые или попросту некачественные аккумуляторы.
Закончив зарядку аккумуляторов большим током, наиболее "разумные" зарядные устройства ещё некоторое время дозаряжают их малым током (менее 0,1C) – это позволяет получить от аккумуляторов максимальную возможную ёмкость. Индикатор заряда на устройстве при этом обычно гаснет, показывая, что основная стадия зарядки закончена.
Проблем с подобными устройствами бывает две. Во-первых, не все из них способны с достаточной точностью "поймать" момент спада напряжения – но, увы, это проверить можно только опытным путём. Во-вторых, хотя такие устройства обычно рассчитаны на 2 или 4 аккумулятора, большинство из них не умеют заряжать эти аккумуляторы независимо друг от друга.
Например, если в инструкции к ЗУ указано, что оно может заряжать только 2 или 4 аккумулятора одновременно (но не 1 и не 3) – это значит, что оно имеет лишь два независимых канала заряда. Каждый из каналов обеспечивает напряжение около 3 В, а аккумуляторы включаются в них попарно-последовательно. Следствия из этого два. Очевидное заключается в том, что вы не сможете зарядить в подобном ЗУ одиночный аккумулятор (а, скажем, ваш покорный слуга ежедневно пользуется mp3-плеером, работающим именно от одного AAA-аккумулятора). Менее очевидное – в том, что контроль окончания заряда также осуществляется только для пары аккумуляторов. Если вы используете не слишком новые аккумуляторы, то просто из-за технологического разброса одни из них состарятся немного раньше других – и если в паре попались два аккумулятора с разной степенью старения, то такое ЗУ либо недозарядит один из них, либо перезарядит второй. Разумеется, это будет только усугублять темпы старения худшего из пары.
"Правильное" зарядное устройство должно позволять заряжать произвольное количество аккумуляторов – один, два, три или четыре – а в идеале, ещё и иметь для каждого из них отдельный индикатор окончания зарядки (в противном случае индикатор гаснет, когда зарядится последний из аккумуляторов). Только в таком случае у вас будут некоторые гарантии того, что каждый из аккумуляторов будет заряжен до полной ёмкости независимо от состояния остальных аккумуляторов. Отдельные индикаторы заряда позволяют также отлавливать преждевременно вышедшие из строя аккумуляторы: если из четырёх элементов, использовавшихся вместе, один заряжается значительно дольше или значительно быстрее остальных, значит, именно он и будет слабым звеном всей батареи.
Многоканальные зарядные устройства имеют и ещё одну приятную особенность: во многих из них при зарядке половинного количества аккумуляторов можно выбирать скорость заряда. Скажем, ЗУ Sanyo NC-MQR02, рассчитанное на четыре аккумулятора формата AA, при зарядке одного или двух аккумуляторов позволяет выбирать зарядный ток между 1275 мА (при установке аккумуляторов в крайние слоты) и 565 мА (при установке их в центральные слоты). При установке трёх или четырёх аккумуляторов они заряжаются током 565 мА.
Кроме удобства в эксплуатации, ЗУ данного типа являются и наиболее "полезными" для аккумуляторов: заряд током средней величины с контролем окончания заряда по отрицательной дельте является оптимальным с точки зрения увеличения срока жизни аккумуляторов.
Отдельный подкласс быстрых зарядных устройств – ЗУ с предварительным разрядом аккумуляторов. Сделано это для борьбы с эффектом памяти и может быть весьма полезно для Ni-Cd аккумуляторов: ЗУ проследит, чтобы сначала они были полностью разряжены, и только после этого начнёт заряд. Для современных Ni-MH такая тренировка уже не является обязательной.
Заряд током более 1C с контролем окончания заряда
И, наконец, последний метод – сверхбыстрый заряд, продолжительностью от 15 минут до часа, с контролем заряда опять же по отрицательной дельте напряжения. Достоинств у таких ЗУ два: во-первых, вы почти моментально получаете заряженные аккумуляторы, во-вторых, сверхбыстрый заряд позволяет в большой степени избежать эффекта памяти.
Есть, впрочем, и минусы. Во-первых, не все аккумуляторы хорошо выдерживают быстрый заряд: недостаточно качественные модели, имеющие большое внутреннее сопротивление, могут в таком режиме перегреваться вплоть до выхода из строя. Во-вторых, очень быстрый (15-минутный) заряд может негативно влиять на срок жизни аккумуляторов – опять же, из-за их избыточного нагрева при заряде. В-третьих, такой заряд "наполняет" аккумулятор лишь до 90...95 % ёмкости – после чего для достижения 100 % ёмкости требуется дополнительный дозаряд малым током (впрочем, большинство быстрых ЗУ его осуществляют).
Тем не менее, если вы нуждаетесь в сверхбыстрой зарядке аккумуляторов, приобретение "15-минутного" или "получасового" ЗУ будет хорошим выходом. Разумеется, использовать с ним надо только качественные аккумуляторы крупных производителей, а также своевременно исключать из батарей отслужившие своё экземпляры.
Если же вас устраивает продолжительность заряда в несколько часов, то оптимальными по-прежнему остаются описанные в предыдущем разделе ЗУ с зарядным током менее 1C и контролем окончания заряда по отрицательной дельте напряжения.
Отдельный вопрос – совместимость зарядных устройств с разными типами аккумуляторов. ЗУ для Ni-MH и Ni-Cd, как правило, универсальны: любое из них может заряжать аккумуляторы каждого из этих двух типов. ЗУ для Ni-MH аккумуляторов с окончанием заряда по отрицательной дельте напряжения, даже если для них это не заявлено прямо, могут работать и с Ni-Cd аккумуляторами, а вот наоборот – увы. Дело здесь в том, что скачок напряжения, та самая отрицательная дельта, у Ni-MH заметно меньше, чем у Ni-Cd, поэтому не всякое ЗУ, настроенное на работу с Ni-Cd, сможет "почувствовать" этот скачок на Ni-MH.
Для других же типов аккумуляторов, включая литий-ионные и свинцово-кислотные, эти ЗУ непригодны в принципе – такие аккумуляторы имеют совершенно другую схему заряда.
Методика тестирования
В процессе тестирования аккумуляторов и гальванических элементов в нашей лаборатории мы измеряем следующие их параметры, наиболее важные для определения как качества элементов (то есть их соответствия обещаниям производителя), так и разумной области использования:
ёмкость при различных режимах разряда;
величина внутреннего сопротивления;
величина саморазряда (только для аккумуляторов);
наличие эффекта памяти (только для аккумуляторов).
Основная часть испытательного стенда – это, разумеется, регулируемая нагрузка, позволяющая разряжать заданным током до четырёх аккумуляторов или батареек одновременно.
Для контроля напряжения всех четырёх элементов используется цифровой самописец Velleman PCS10, подключаемый к компьютеру по USB-интерфейсу. Погрешность измерения составляет не более 1 % (собственная погрешность самописца – 3 %, но мы дополнительно калибруем каждый из его каналов, внося соответствующие поправки в итоговые данные), дискретность измерения напряжений – 12 мВ, периодичность измерений – 250 мс.
Схема установки достаточно проста: это четыре отдельных стабилизатора тока, выполненных на операционном усилителе LM324 (эта микросхема как раз состоит из четырёх ОУ в одном корпусе) и полевых транзисторах IRL3502. Управляются все стабилизаторы одним многооборотным переменным резистором, поэтому ток на них выставляется одновременно – это упрощает настройку установки на конкретный тест и сводит к минимуму погрешность ручной установки тока. Возможные пределы изменения нагрузки – от 0 до 3 А на каждый элемент питания.
Для измерения напряжения на ещё одной микросхеме LM324 собраны четыре дифференциальных усилителя, входы которых подключены непосредственно к контактам колодки, в которую устанавливаются аккумуляторы – это полностью исключает погрешность, вносимую потерями на соединительных проводах. С выходов дифференциальных усилителей сигнал поступает на самописец.
Кроме того, в схеме присутствует не показанный на рисунке выше генератор прямоугольных импульсов, периодически то включающий, то полностью отключающий нагрузку. Длительность "нуля" на выходе генератора равна 6,0 с, длительность "единицы" – 2,25 с. Генератор позволяет протестировать элементы питания в режиме работы с импульсной нагрузкой и, в частности, определить их внутреннее сопротивление.
Также на рисунке выше не показана схема питания установки: она подключается к блоку питания компьютера, его выходное напряжение (+12 В) понижается до +9 В стабилизатором на микросхеме 78L09, а необходимое для двуполярного питания ОУ напряжение -9 В формируется емкостным конвертером на микросхеме ICL7660. Впрочем, это уже малосущественные нюансы, которые мы обсуждаем лишь затем, чтобы заранее предупредить вопросы о корректности проведения измерений, могущие возникнуть у сведущих в электронике читателей.
Для охлаждения силовых транзисторов, шунтов обратной связи и собственно тестируемых элементов питания вся установка обдувается стандартным 12-вольтовым вентилятором типоразмера 80x80x20 мм.
Для получения и автоматической обработки данных с самописца была написана специальная программа – к счастью, компания Velleman для многих своих приборов поставляет весьма простые в использовании SDK и наборы библиотек. Программа позволяет в реальном времени строить графики напряжения на элементах питания в зависимости от прошедшего с начала теста времени, а также рассчитывать – по окончании теста – их ёмкость. Последняя, очевидно, равна произведению разрядного тока и времени, за которое элемент достиг нижней границы напряжения.
Граница же выбирается в зависимости от типа элемента и условий разряда. Для аккумуляторов при малых токах это 1,0 В – ниже разряжать их просто нельзя, так как это может привести к необратимой порче элемента; на больших токах нижняя граница снижается до 0,9 В, чтобы должным образом учесть внутреннее сопротивление аккумулятора.
Для батареек практический смысл имеют две границы разряда. С одной стороны, элемент считается полностью опустошённым, если напряжение на нём упало до 0,7 В – поэтому логично измерять ёмкость именно по факту достижения этого уровня. С другой стороны, не все питающиеся от батареек устройства способны работать при напряжениях ниже 0,9 В, поэтому практическое значение имеет и то, когда аккумулятор разрядился до данного уровня. В наших тестах мы будем приводить оба этих значения – хотя многие элементы, достигнув уровня 1,0 В, дальше разряжаются очень быстро, есть и такие, которые сравнительно долго держатся между 0,7 В и 0,9 В.
Итак, установив элементы питания, выставив нужный ток и включив самописец, мы начинаем тестирование. Для каждого типа элементов питания были выбраны несколько режимов разрядки – с целью получить наиболее интересные и характерные результаты.
Для батареек это:
разрядка малым постоянным током: 250 мА для элементов формата АА, 100 мА – формата ААА;
разрядка большим постоянным током: 750 мА для элементов формата АА, 300 мА – формата ААА;
Для Ni-MH аккумуляторов это:
разрядка малым постоянным током: 500 мА для элементов формата АА, 200 мА – формата ААА;
разрядка большим постоянным током: 2500 мА для элементов формата АА, 1000 мА – формата ААА;
разрядка импульсным током: длительность импульса 2,25 с, длительность паузы 6,0 с, амплитуда тока 2500 мА для элементов формата АА и 1000 мА – формата ААА.
Для Ni-Cd аккумуляторов формата AA разрядные режимы выбраны такими же, как и для Ni-MH аккумуляторов формата AAA – с учётом схожей паспортной ёмкости первых и вторых.
Если при тестировании батареек всё просто – распечатал упаковку, вставил батарейку в установку, запустил тест – то аккумуляторы надо предварительно готовить, ибо все они, кроме упоминавшейся выше серии "Ready To Use", на момент покупки полностью разряжены. Поэтому тестирование аккумуляторов проводилось строго по следующей схеме;
измерение остаточной ёмкости на малом токе (только для "Ready To Use" моделей);
зарядка;
разрядка большим током без измерения ёмкости (тренировка);
зарядка;
разрядка большим током с измерением ёмкости;
зарядка;
разрядка импульсным током с измерением ёмкости;
зарядка;
разрядка малым током с измерением ёмкости;
зарядка;
выдержка в течение 7 суток;
разрядка малым током с измерением ёмкости – далее результат сравнивается с полученным на предыдущем шаге и рассчитывается процент потери ёмкости за счёт саморазряда за 1 неделю;
В тестах батареек мы используем на каждом этапе по одному элементу каждой марки. В тестах аккумуляторов – минимум по два элемента каждой марки.
Для зарядки аккумуляторов мы используем зарядное устройство Sanyo NC-MQR02.
Это ЗУ быстрой зарядки с контролем отрицательной дельты напряжения и температуры аккумуляторов, позволяющее заряжать от одного до четырёх (в произвольных комбинациях) аккумуляторов формата AA, а также один или два аккумулятора формата AAA. Первые можно заряжать как током 565 мА, так и 1275 мА (если аккумуляторов не более двух), вторые – током по 310 мА на элемент. За несколько лет регулярного использования это ЗУ убедительно доказало свою высокую эффективность и совместимость с любыми аккумуляторами, что и обусловило его выбор для проведения тестирования. Чтобы избежать потери ёмкости за счёт саморазряда, во всех тестах, кроме собственно теста на саморазряд, аккумуляторы заряжаются непосредственно перед началом измерений.
Измерения на постоянном токе дают логичную картину (пример представлен на графике выше): напряжение на элементах быстро снижается в первые минуты теста, потом выходит на более-менее постоянный уровень, а в самом конце теста, на последних процентах заряда, снова быстро падает.
Несколько менее банальны измерения на импульсном токе. На рисунке выше представлен сильно увеличенный участок графика, полученного в таком тесте: провалы напряжения на нём соответствуют включению нагрузки, подъёмы – отключению. Из этого графика легко подсчитать внутреннее сопротивление аккумулятора: как вы видите, при амплитуде тока 2,5 А напряжение проседает на 0,1 В – соответственно, внутреннее сопротивление равно 0,1/2,5 = 0,04 Ом = 40 мОм. Важность этого параметра станет более ясна из наших последующих статей, в которых мы сравним друг с другом различные типы батареек и аккумуляторов – а пока отметим лишь, что большое внутреннее сопротивление вызывает не только "просадку" напряжения под нагрузкой, но и потери накопленной в аккумуляторах энергии на нагрев самих себя.
В полном же масштабе импульсы сливаются друг с другом в сплошную полосу, верхняя граница которой соответствует напряжению на элементе питания без нагрузки, нижняя – с нагрузкой. По форме этой полосы можно оценить не только время работы элемента под тяжёлой импульсной нагрузкой, но и зависимость его внутреннего сопротивления от глубины разряда: например, как вы видите, у Ni-MH аккумулятора компании Sony сопротивление почти постоянно и начинает расти только при полном его разряде. Хороший результат.
Как наверняка заметят многие наши читатели, мы выбрали очень жёсткие режимы разряда: ток 2,5 А весьма велик, а 6-секундная пауза между импульсами не даёт элементу как следует "отдохнуть" (как мы уже упоминали выше, батарейки, немного "отлежавшись", могут частично восстановить свою ёмкость). Тем не менее, сделано это нарочно, чтобы максимально ярко и наглядно показать различия между элементами питания разных типов и разного качества. Для того же, чтобы приблизиться к более мягким реальным условиям эксплуатации, а также к условиям, в которых производители аккумуляторов измеряют их ёмкость, мы добавили в тестирование режимы разряда с относительно небольшим постоянным током.
К слову, сами производители обычно указывают разрядные режимы так же, как и зарядные – пропорционально ёмкости элемента. Скажем, штатные измерения ёмкости аккумуляторов положено проводить при токе 0,2C – то есть 540 мА для аккумулятора на 2700 мА*ч, 500 мА для аккумулятора на 2500 мА*ч, и так далее. Однако, так как аккумуляторы одного форм-фактора в наших тестах достаточно близки по характеристикам, мы решили тестировать их при фиксированных токах, не зависящих от паспортной ёмкости конкретного экземпляра – это сильно упрощает представление и сопоставление результатов.
И раз уж речь зашла о ёмкости, стоит упомянуть о некоторой обманчивости такой общепринятой единицы, как ампер-час. Дело в том, что запасённая в элементе питания энергия определяется не только тем, сколько времени он держал заданный ток, но и тем, какое на нём было при этом напряжение – так, совершенно очевидно, что литиевая батарея ёмкостью 3 А*ч и напряжением 3 В способна запасти вдвое больше энергии, чем батарея ёмкостью те же 3 А*ч, но напряжением 1,5 В. Поэтому правильнее указывать ёмкость не в ампер-часах, а в ватт-часах, получая их через интеграл зависимости напряжения на аккумуляторе от времени разряда при его постоянном токе. Кроме естественного учёта разного рабочего напряжения разных элементов, такая методика позволяет ещё и учесть, насколько хорошо данный конкретный элемент держал напряжение под нагрузкой. Скажем, если две батарейки разрядились до уровня 0,7 В за 60 минут, но первая большую часть этого времени держалась на уровне 1,1 В, а вторая – на уровне 0,9 В, совершенно очевидно, что первая имеет большую реальную ёмкость – несмотря на то, что итоговое время их разряда одинаково. Особенно это важно в свете того, что большинство современных электронных устройств потребляют не постоянный ток , а постоянную мощность – и элементы с большим напряжением в них будут работать в более выгодных режимах.
Ближе к практике: примеры энергопотребления
Разумеется, помимо абстрактного тестирования батареек на управляемой нагрузке, нам было интересно, как же потребляют ток реальные устройства. Для прояснения этого вопроса мы, оглядев окружающее пространство, случайным образом выбрали набор предметов, питающихся от различных батареек.
Только часть этого набора
В случае, если устройство потребляло более-менее постоянный ток, измерения проводились обычным цифровым мультиметром Uni-Trend UT70D в режиме амперметра. Если же ток потребления сильно менялся, то измеряли мы его, включив между устройством и питающими его батарейками низкоомный шунт, падение напряжения на котором фиксировалось осциллографом Velleman PCSU1000.
Результаты представлены ниже в таблице:
Что же, среди наших устройств встретились и довольно "прожорливые" – фотовспышка, фотоаппарат и фонарь с лампой накаливания. Если последний потреблял положенные ему 700 мА постоянно и непрерывно, то у первых двух характер энергопотребления оказался более интересным.
Цена вертикального деления на осциллограммах ниже равна 200 мА, нуль соответствует первому делению снизу.
Фотоаппарат
Цена деления осциллограммы – 200 мА
В обычном режиме Canon PowerShot A510, питающийся от двух элементов типа АА, потреблял около 800 мА – немало, но и не рекордно много. Однако при включении (первая группа узких пиков на осциллограмме), движение объектива (вторая группа пиков) и фокусировке (третья группа) ток мог вырастать более чем в полтора раза, до 1,2...1,4 А. Что интересно, сразу после нажатия на "спуск" энергопотребление фотоаппарата упало – при записи только что снятого кадра на флэшку он автоматически выключает экран. Впрочем, как только кадр был записан, потребление поднялось обратно до 800 мА.
Фотовспышка
Цена деления осциллограммы – 100 мА
Фотовспышка Pentax AF-500FTZ (четыре элемента формата АА) потребляла ток ещё интереснее: он был почти равен нулю в периоды между срабатываниями, мгновенно вырастал до 700 мА сразу после срабатывания (такой момент и запечатлён на осциллограмме выше), после чего в течение 10...15 секунд плавно снижался обратно к нулю (рваная линия осциллограммы получилась из-за того, что вспышка потребляет ток с частотой около 6 кГц). При этом вспышка демонстрировала чёткую зависимость между временем спада тока и напряжением питающих её элементов: так как ей надо было каждый раз накопить определённую энергию, то чем сильнее проседало под нагрузкой напряжение питания, тем больше времени требовалось для накопления нужного запаса. Это, кстати, хорошо иллюстрирует одну из ролей внутреннего сопротивления элементов питания – чем оно меньше, тем меньше при прочих равных просядет напряжение и тем быстрее вы сможете сделать следующий кадр со вспышкой.
В следующих же наших статьях, где мы будем рассматривать уже конкретные типы и экземпляры батареек и аккумуляторов, примерное представление об энергетических потребностях разных устройств поможет нам определить, какие из элементов питания для них подходят.
О низкой эффективности заряда уже говорилось ранее. Однако если в силу тех или иных обстоятельств такой заряд желателен, то его надо проводить импульсами разнополярного тока. Вслед за импульсом тока заряда должен следовать меньший по амплитуде импульс разрядного тока противоположной полярности. Такой режим легко создать с помощью зарядного устройства, схема которого представлена на рисунке.
Асимметрия импульсов тока заряда/разряда достигается за счет различия номиналов резисторов, включенных последовательно с диодами, имеющими встречное включение. Разумеется, в зависимости от типа заряжаемых элементов (батарей) может варьироваться величина напряжения на вторичной обмотке трансформатора и номиналы резисторов. В среднем зарядный ток должен быть заметно меньше, чем ток разряда при эксплуатации элементов. Время заряда должно составлять не менее 15-20 часов, причем заряд должен обеспечивать энергию на 50 % большую, чем энергия разряда.
Ни в коем случае нельзя заряжать гальванические элементы, срок хранения которых истек. Это чревато ускоренным нарушением герметичности корпуса и вытеканием едкого электролита. Вообще сторонникам заряда гальванических элементов стоит прислушаться к печально известной поговорке - скупой платит дважды! Притом во второй раз куда больше, чем в первый, ибо, скорее всего, ему придется покупать заново уже не комплект элементов, а новый КПК взамен загубленного.
Дополнительные материалы:
- Портативное зарядное устройство является одним из лучших аксессуаров для мобильного телефона, на который вы можете потратить свои деньги. В этом руководстве, мы поможем вам выбрать Power Bank, который станет идеальным…
- Многие привыкли называть iPhone культовым телефоном, которому все нипочем. Идеальный экран, идеальный дизайн, идеальный корпус - этот гаджет разве что будущее не предсказывает.Однако ремонт Айфона все же порой требуется, что…
- Если у вас есть несколько устройств, таких как смартфон и планшет, может быть достаточно трудно отслеживать определенные аспекты их работы. Например уровень заряда аккумуляторов. Существуют методы, позволяющие привязать ваш Android…
- Повербанки становятся популярными, поскольку наши гаджеты становятся более умными и универсальными инструментами в повседневной жизни. Созданные специально для различных типов коммуникаций, таких как звонки, СМС, электронные письма и другие задачи,…
- Вы потратили приличную сумму денег на смарт-часы, а затем столкнулись с проблемой быстрого разряда батареи на устройстве? Это проблема, с которой сталкиваются многие из нас с этими гаджетами. Мы все…
