Batterie al piombo sigillate nella pratica radioamatoriale. Enciclopedia dell'elettronica radio e dell'ingegneria elettrica

Enciclopedia della radioelettronica e dell'elettrotecnica / Caricabatterie, batterie, celle galvaniche

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1. Prima il pan di zenzero, poi le fruste...

Le batterie sigillate al piombo (SLA) sono le fonti di energia secondaria (ricaricabili) più convenienti. Conveniente, nell'economia attuale, significa, in primo luogo, la disponibilità per la vendita di batterie standard con una tensione di 6 V e 12 V, con una capacità da uno a mille Ah, e in secondo luogo, quella per 1 cu sempreverde. è possibile acquistare da 1.5 a 6 Wh di capacità nominale. Il numero più piccolo corrisponde alle batterie piccole, il numero più grande a quelle grandi.

Cos'altro c'è di positivo? Autoscarica relativamente lenta (non più del 5% della capacità al mese a temperatura ambiente), durata relativa soggetta a cicli di scarica superficiali. Mancanza di “memoria” (tipica delle batterie al nichel-cadmio). È consentita una ricarica “fluttuante” costante in modalità standby (così funzionano le batterie delle auto).

Rispetto alle batterie al piombo con elettrolita liquido, le batterie sigillate beneficiano naturalmente della sicurezza operativa (nessun vapore nocivo, funzionamento in qualsiasi posizione è accettabile). Inoltre, una batteria sigillata è meno critica per le condizioni di ricarica ed è più difficile ucciderla con una carica inadeguata. Il fatto è che l'elettrolita gel è selezionato in modo tale che la batteria non sia mai completamente carica (dal punto di vista chimico). Pertanto, durante la ricarica non avviene sviluppo di gas, poiché semplicemente non avviene alcuna ricarica. Ciò non significa che puoi dimenticarti di controllare la modalità di ricarica. È vietato. Ne parleremo più avanti.

Qual è lo svantaggio? Innanzitutto, la capacità specifica bassa: 25..35 Wh per chilogrammo di massa o 60..100 Wh per litro di volume. In secondo luogo, una significativa riduzione della durata della batteria durante i cicli di scarica profonda, nonché durante la scarica sistematica con correnti elevate. In terzo luogo, esiste una dipendenza significativa della tensione e della resistenza interna dalla profondità del ciclo.

2. Sulla vecchiaia prematura

Terminologia: in pratica è consuetudine designare intensità di scarica sotto forma di "unità C" adimensionali. 1C (one-tse) è numericamente uguale alla capacità della batteria scaricata con corrente continua per 20 ore. Una scarica completa è definita come una scarica fino a 1.8 V per cella a temperatura ambiente (ovvero fino a 5.4 e 10.8 V per batterie da 6 V e 12 V). Il valore di 1.8 V è stato stabilito empiricamente come limite inferiore, quando scaricato al di sotto di esso con una corrente di 0.05 C, inizia l'invecchiamento precoce irreversibile della batteria.

Pertanto, se si determina sperimentalmente per una batteria che per scaricarla da uno stato completamente carico (20-2.1 V per cella) a 2.3 V per cella in 1.8 ore, è necessaria una corrente di scarica di 150 mA, allora la corrente nominale la capacità della batteria è impostata su 3.0 A*h (=0.15 A * 20 h).

L'intensità di corrente 1C per una determinata batteria corrisponde a una corrente di scarica di 3A, 2C corrisponde a una corrente di scarica di 6A, ecc. Se si limita la scarica raggiungendo una determinata tensione minima, la stessa 10.8V, si scopre che la capacità reale ad una corrente di 1C sarà ridotta di circa la metà rispetto a quella nominale (vedi grafico). Ma la soglia per l'invecchiamento irreversibile ad alta intensità di scarica (1C e superiore), al contrario, è significativamente ridotta - a 8 V.

La scarica ripetuta della batteria a tensioni inferiori alla linea tratteggiata porta al guasto della batteria

In pratica, gli SLA operano in due modalità: buffer e ciclica. In modalità buffer la batteria è costantemente collegata al caricabatterie. Se è presente tensione nella rete elettrica, dopo la ricarica la batteria rimane esposta per lungo tempo alla tensione di carica finale. La bassa corrente che scorre attraverso le batterie compensa l'autoscarica della batteria e la mantiene sempre completamente carica. In caso di interruzione di corrente, la batteria si scarica sul carico ad essa collegato. La modalità di funzionamento buffer è tipica dei sistemi di continuità di corrente continua e alternata, ampiamente utilizzati per computer, comunicazioni e produzione continua. E anche: batterie per auto durante l'uso regolare dell'auto.

Nel funzionamento ciclico la batteria viene caricata e poi scollegata dal caricabatteria. La batteria viene scaricata secondo necessità. La modalità operativa ciclica viene utilizzata quando si utilizzano vari dispositivi portatili o trasportabili: luci elettriche, apparecchiature di comunicazione, strumenti di misurazione. I produttori di batterie di solito indicano nell'elenco delle caratteristiche tecniche a quale modalità operativa è destinata una particolare batteria.

Quindi, se decidi di alimentare le batterie a filamento di un amplificatore a valvole, allora questa è una modalità ciclica (che bello sapere che hai parlato in prosa per tutta la vita...). Ma questo significa che puoi semplicemente scaricare la batteria al massimo consentito lampade 5.7 o 11.4 V? Infatti, anche se questa modalità è ovviamente più sicura rispetto alla scarica di “emergenza” a 5.4 o 10.8 V, se la batteria viene scelta in modo errato, porterà a cicli di scarica piuttosto profondi, accorciando così la sua durata..

Profondità del ciclo la scarica è definita come il rapporto tra gli amperora effettivamente erogati al carico e gli amperora corrispondenti alla scarica fino alla soglia di invecchiamento irreversibile. Gli amperora al denominatore coincideranno con la capacità nominale solo per un'intensità di scarica di 0.05°C. In pratica, è la capacità nominale che viene utilizzata come denominatore (soprattutto perché la corrente di scarica costante non è altro che un'approssimazione ideale).

La profondità del ciclo (se ripetuto da un ciclo all'altro) determina la durata delle batterie. Alla profondità del ciclo del 100%, la durata di servizio dello SLA non supererà i 200-300 cicli. Per riferimento, le batterie per auto con elettrolita liquido raramente resistono a più di 20 cicli profondi. Alla profondità del ciclo del 30%, il loro numero triplica. La famosa Optima garantisce la sopravvivenza per 100 cicli a ciclo zero (l'autore ha una batteria del genere da quattro anni, ma non c'è stato un solo ciclo a ciclo zero profondo...).

3. Esempio di vita reale

Ora contiamo. Ciascun canale dell'amplificatore contiene una coppia di lampade 6C4C (6V, 2A). Deve essere garantito un tempo di funzionamento minimo tra una ricarica e l'altra di 8 ore. In questo caso la tensione non deve scendere sotto i 5.7 V (secondo le specifiche della lampada), la profondità del ciclo non deve superare il 50%. Dall'ultimo requisito ne consegue che la capacità della batteria è di almeno 32A*h per canale (= 2A * 8h / 50%). La velocità di scarica di una batteria di questo tipo è di 0.06 C (= 32 A*h / 2). Dal grafico ne consegue che in 8 ore la sua tensione scenderà a soli 12.0-12.2 V. C'è scorta! Ma solo con una batteria nuova. Se non dimentichi di caricarlo in tempo, dopo circa 500 cicli (un anno e mezzo di divertimento quotidiano), la tensione in 8 ore scenderà agli stessi 5.7 V, o peggio... Assicurati di impostare l'automatico si spegne quando la tensione è insufficiente! A proposito, 32 A*h sono sospettosamente vicini alla capacità di una batteria per auto (50-65 A*h). Quindi per correnti di 2 A e superiori, una batteria per auto esente da manutenzione è un'alternativa del tutto ragionevole (in termini di prezzo). Hanno problemi con l'ambiente e la sicurezza. D'altra parte, se una batteria di grandi dimensioni non si adatta al design, è possibile parallelizzare in tutta sicurezza diverse batterie più piccole (preferibilmente, ma non necessariamente, della stessa serie, dello stesso produttore, della stessa "età" dall'inizio del funzionamento) .

O magari provare la modalità buffer (standby) per caricare costantemente, senza alcuna automazione? Interruttore verso l'alto: la batteria si sta scaricando, le lampade sono in funzione, interruttore verso il basso: la ricarica è in corso, le lampade... sono scollegate dalle batterie! Modalità di ricarica normale - carica con una tensione costante di 2.4-2.5 V per vaso, ai terminali della batteria da 6 V ci saranno fino a 7.5 V - le lampade non dureranno a lungo (soprattutto se l'alimentazione dell'anodo è spenta).

In modalità buffer, la durata della batteria dipende fortemente dalla temperatura. La temperatura più favorevole per la batteria è considerata 15-20 gradi Celsius. Un aumento della temperatura di 10 gradi riduce della metà la durata della batteria. La figura mostra una tipica dipendenza della durata dalla temperatura per batterie con una durata stimata di 5 -7 anni. Riepilogo: non inserire le batterie nella stessa custodia con lampade, Pentium, ecc. oggetti caldi. Potresti chiederti: che ne dici di sotto il cofano di un'auto... beh, in primo luogo, la batteria di un'auto è progettata appositamente per un'ampia gamma di temperature e, in secondo luogo, la capacità termica della batteria è così elevata che non è facile da riscaldarlo in modo significativo, anche sotto il cofano.

Nell'esempio sopra, la durata della batteria a incandescenza con cicli giornalieri del 50% è di un anno e mezzo. È possibile fare di più? Nelle condizioni operative reali delle batterie stazionarie, è necessario tenere conto della riduzione della durata della batteria in caso di un numero elevato di scariche testate. Per le batterie da 5 anni, la durata effettiva non sarà superiore a 3 anni se la batteria subisce in media una scarica del 30% al giorno o una scarica completa a settimana.

4. Ulteriori informazioni sull'addebito

La migliore modalità di ricarica della batteria per una profondità di scarica ridotta (non superiore al 75%) è la carica costante voltaggio. Diversi produttori forniscono valori leggermente diversi, ma una tensione generalmente accettata è 2.4 V per cella durante la pedalata (14.4 V per una batteria da 12 V). In modalità buffer, la tensione può essere inferiore, 2.3 V per cella.

Quando si carica una batteria completamente scarica, questa modalità porta ad un sovraccarico di corrente iniziale, quindi viene utilizzata una modalità combinata di limitazione di corrente e tensione. Di solito è chiamata modalità di carica IU. Una batteria scarica viene prima caricata con una corrente continua, numericamente (in ampere) non superiore a 0.1-0.3 della capacità nominale della batteria (in ampere-ora). Ad esempio, per una batteria con una capacità di 100 A*ora, la corrente di carica non deve superare i 10-30 A. Man mano che la batteria si carica, la tensione ai suoi capi aumenta (a corrente costante). Dopo che la tensione della batteria raggiunge la tensione di carica finale, la corrente di carica inizia a diminuire, mantenendo la tensione costante.

La tensione di carica finale ad una temperatura di 20 gradi Celsius è di 2.25-2.3 volt per cella della batteria. Per una batteria con una tensione nominale di 12 V (6 celle), la tensione di carica finale è 13.5-13.8 V. Se la batteria viene utilizzata a temperature diverse, per aumentare la durata della batteria si consiglia di ridurre la tensione di carica finale a 2.2-2.25 V/cella ad una temperatura di 40 gradi e aumentare la tensione fino a 2.35-2.4 V ad una temperatura di 0 gradi. L'uso di tale compensazione della temperatura della tensione di carica consente di aumentare la durata della batteria a 40 gradi Celsius del 15%.

Per caricare completamente una batteria scarica, si consiglia di caricarla per 24 ore. Se in caso di funzionamento ciclico è necessaria una carica della batteria più rapida (entro 8-10 ore), la tensione di carica finale viene aumentata a 2.4-2.48 V/el (a 20 gradi Celsius) e il tempo di carica deve essere limitato secondo la carica rimanente della batteria prima della ricarica.

Ecco un esempio di istruzioni simili per una batteria Fiamm GS (fonte - slt.ru):

Caricabatterie a tensione costante Durante la fase di carica iniziale della batteria viene applicata una corrente relativamente elevata. Quando la tensione della batteria raggiunge il livello impostato, il caricabatterie passa dalla modalità a corrente costante alla modalità a tensione costante. Durante questa fase la corrente di carica inizia a diminuire fino ad un livello minimo di corrente di carica, denominato corrente di mantenimento, i valori riportati nella tabella sono presi come standard.

Valori standard delle quantità elettriche per un caricabatterie con tensione di carica costante

 Osservazioni: Per le batterie utilizzate in modalità ciclica si consiglia l'utilizzo di un sensore che permetta di interrompere il processo di carica al raggiungimento di un valore di tensione preimpostato, oppure di un timer.Il coefficiente di temperatura deve essere tenuto in considerazione se la batteria viene caricata a temperature inferiori +10⁰Da o superiore a +30⁰С

Sistema di ricarica rapida (solo per batterie funzionanti in modalità ciclica)Quando si accelera la carica della batteria, è necessario utilizzare dispositivi dotati di un'unità di compensazione della temperatura e di un fusibile termico per evitare che la batteria si scarichi a basse temperature o si surriscaldi a temperature ambiente elevate.

I valori standard delle quantità elettriche per la modalità di ricarica accelerata della batteria sono riportati nella tabella:

Osservazioni: La batteria deve avere un termostato o un fusibile termico installato oppure deve essere utilizzato un timer per interrompere in tempo il processo di ricarica. La corrente massima di carica iniziale per batterie con capacità superiore a 10 Ah deve corrispondere al seguente rapporto: I = C massima

Presta attenzione all'ultimo paragrafo. Ne vale la pena. Soprattutto se molte batterie sono murate in una scatola poco ventilata, anche con una carica normale (non accelerata) è possibile un surriscaldamento, anche se non catastrofico, ma che riduce comunque la vita delle batterie.

5. Caricabatterie semplice (UI a carica lenta)

Per caricare piccole batterie, il circuito standard più conveniente si basa sulla famiglia di circuiti integrati LM117, LM 196, LM317 (142EN12, 1151EN1, 1157EN1). Fonte - "Microcircuiti per alimentatori lineari", M, Dodeka, 1998, pp. 97, 122, ecc.).

La soglia di limitazione della corrente è impostata da R4 (tenendo conto della corrente consentita e della dissipazione di potenza del microcircuito). In pratica, quando l'alimentazione per un determinato tipo di batteria è integrata direttamente nell'apparecchiatura, non è necessaria alcuna regolazione del limite di corrente, è possibile eliminare completamente il circuito di limitazione della corrente (T2), trasferendo questa funzione alla resistenza di uscita dell'alimentatore. filtro.

A correnti elevate, è più conveniente utilizzare stabilizzatori discreti con transistor N-MDS passante o compositi npn controllati da uno stabilizzatore integrato. L'inconveniente del MIS - una tensione di soglia relativamente alta - nei caricabatterie a bassa potenza viene risolto aumentando la tensione della fonte di alimentazione principale (singola), in quelli potenti (vedi figura) - raddoppiando la tensione.

(clicca per ingrandire)

I valori dei partitori stabilizzatori di tensione (IC1) sono indicati per batterie da 6 V, i valori delle capacità del filtro e dei resistori stabilizzatori di corrente (T2) sono per correnti di carica non superiori a 2.5 A, che è sufficiente per batterie con una capacità fino a alle 10-15 A*h. Trasformatore per tensione di uscita 9V xx, corrente 5A. Gli shunt commutabili nel circuito base-emettitore T2 impostano la corrente di carica massima. Il diodo D11 - un diodo Schottky con una corrente di almeno 10 A - protegge dall'inversione di polarità della batteria. La configurazione si riduce all'impostazione della tensione di stabilizzazione su un carico equivalente di 10 Ohm (R6) e alla selezione degli shunt R5.

6. Sorgente di tensione negativa nell'auto

Per alimentare crossover, ecc. dispositivi su un amplificatore operazionale con accoppiamento diretto, è possibile fornire una semplice sorgente di tensione negativa pulsata. O meglio ancora, una batteria. Molto meglio! Ma questa batteria non dovrebbe essere da 12, ma da 6 Volt. Lasciatemi spiegare. Molto probabilmente, questa batteria fornirà corrente quasi sempre quando il motore è in funzione. E può caricarsi solo mentre è parcheggiato. Ma è impossibile caricare una batteria al piombo da 12 V da un'altra batteria da 12 V. Questo non è nemmeno un regime cuscinetto, ma uno sciopero della fame. Serve un generatore che produca 14V, ma dove trovarlo, nel parcheggio...

Per alimentare un crossover con un assorbimento di 20mA è sufficiente una batteria da 6V, 1.2Ah (le dimensioni di poco più di un pacchetto di sigarette). Modalità di ricarica IU (200 mA, 7.2 V). Quando il segnale REMOTE è spento, la batteria viene costantemente caricata dalla rete di bordo (meno a terra, più all'uscita dello stabilizzatore - lo stato degli accoppiatori ottici è come mostrato nel diagramma). Quando il segnale REMOTE è attivato, la batteria viene commutata positivamente a terra e negativa al carico (bus di alimentazione dell'amplificatore operazionale). La corrente di carica è limitata dal resistore R3 a 75 mA. Una batteria Fiamm 10121 completamente carica in questa modalità assorbe circa 15 mA dalla rete di bordo a temperatura ambiente. La catena R7-T1 blocca la scarica della batteria al divisore R5-R6 quando disconnesso dalla rete di bordo (assumendo, ovviamente, che REM IN venga rimosso e che il carico della batteria sia scollegato). Consumo di corrente tramite bus REMOTO 20mA. Il timer D1-C1-R1-IC1-IC2-FU1 ritarda di 2 secondi la trasmissione del segnale REM IN all'uscita. Il resistore R0 serve solo per scaricare la capacità del timer, nei circuiti pratici può essere eliminato o sostituito con un circuito indicatore con LED. Diodi D1-3 - qualsiasi per corrente continua 1A.

I fotoaccoppiatori KR293KP9A, KR293KP3A possono essere sostituiti con qualsiasi fotoaccoppiatore MIS con una corrente di almeno 200 mA (293KP con la lettera A). Quando si cambia la batteria con un fotoaccoppiatore KR293KP9A con interruttori "antifase" in un caso, non ho osservato alcuna corrente passante durante la commutazione; quando la si sostituisce con altri fotoaccoppiatori, è necessario assicurarsi che non ce ne sia. I fusibili FU1, FU2 sono fusibili autoripristinanti con una corrente operativa di 200 mA. Nel filtro di potenza all'uscita della sorgente -6V, dovresti limitarti a una capacità minima per non sovraccaricare i fotoaccoppiatori durante la commutazione; a proposito, aggiungono 10 Ohm alla resistenza di uscita della batteria). La serie 293 non è per correnti di ampere! Questo è per i relè "adulti". Questo è l'argomento del prossimo progetto: un DAC completamente alimentato a batteria... ma è troppo presto per quello...

Pubblicazione: klausmobile.narod.ru

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