САЙТ КРЫЛОВА ПАВЛА
Главная
Схемы Ветрогенераторы Собаки Стройка Книги О сельском хозяйстве и прочем


СХЕМЫ---->
Полезная схемотехника. статьи № 1-50---->
Полезная схемотехника. статьи № 51-100

Особенности эксплуатации гальванических элементов и никель-кадмиевых аккумуляторов.

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.

В таблице приведены условные обозначения аккумуляторных элементов



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.

время разрядки при заданном токе и реальная электрическая емкость

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.

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.

операция разрядки до заданного значения может быть осуществлена с помощью простейшего разрядного устройства

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.

РЕМОНТ&СЕРВИС-11 2000
altay-krylov@yandex.ru