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ENCICLOPEDIA DELLA RADIOELETTRONICA ED ELETTRICA Funzionamento di batterie Ni-Cd sigillate
Enciclopedia della radioelettronica e dell'elettrotecnica / Caricabatterie, batterie, celle galvaniche La diffusione delle batterie ermetiche al Ni-Cd (a disco e cilindriche) ha suscitato grande interesse anche per il loro funzionamento, le modalità ei dispositivi per la loro ricarica. Molti articoli sono stati pubblicati su questi argomenti, anche sulla rivista Radio. Negli ultimi anni, a causa dell'emergere di nuovi elettrodomestici alimentati da batterie ricaricabili (AB), l'interesse per questo argomento è aumentato notevolmente. Tuttavia, non ci sono così tanti articoli sul funzionamento delle batterie. La ragione di questa situazione è abbastanza oggettiva: condurre ricerche sul funzionamento di AB è un compito molto lungo e laborioso. E per intero è insopportabile per i radioamatori. Questo, ovviamente, non significa che i radioamatori non debbano impegnarsi in questo tipo di lavoro, ma solo che i risultati ottenuti dovrebbero essere presi in modo critico e non generalizzati sulla base di singoli risultati. Un tipico esempio è il noto metodo di ricarica delle batterie con una corrente asimmetrica [1, 2]. Tutti erano ben consapevoli dei suoi meriti, solo una sciocchezza rimaneva poco chiara: da dove veniva, qual era la fonte primaria. Ma una tale "sciocchezza" ovviamente non ha infastidito nessuno, perché dopo due o tre pubblicazioni basate su questo metodo di caricabatterie, si potrebbe tranquillamente scrivere: "... come è noto, caricare le batterie con una corrente asimmetrica consente ..." e oltre nel testo. Un altro esempio è il metodo Woodbridge, a cui si fa così spesso riferimento. È stato sviluppato in quegli anni in cui è iniziata la produzione in serie di batterie per le esigenze dell'industria automobilistica in via di sviluppo e le questioni relative al loro funzionamento sono diventate così rilevanti da richiedere il coinvolgimento della scienza. Questa metodologia è stata creata per batterie (acide) specifiche e la giustificazione per l'ampliamento del suo campo di applicazione è sconosciuta. In altre parole, l'uso di questa tecnica per altre batterie non è giustificato. Di conseguenza, la situazione oggi è diventata così confusa che è diventato semplicemente irrealistico capirla. Ciò è confermato da revisioni coscienziosamente condotte sull'argomento da parte di alcuni autori e dai tentativi di trarre conclusioni pratiche sulla base: gli autori non si accorgono nemmeno delle contraddizioni nelle fonti a cui si riferiscono. Le pubblicazioni veramente serie sono molto più rare, e una di queste è [3]. L'articolo pone un compito più modesto, e quindi abbastanza reale: presentare l'esperienza accumulata dall'autore su questo argomento. Ricordiamo ancora una volta che l'articolo è dedicato solo alle batterie Ni-Cd sigillate di produzione domestica, pertanto, quando si applicano tutte le sue disposizioni ad altre batterie, è necessario esercitare criticità e cautela. La caratteristica principale delle batterie elettriche è la quantità di energia in esse immagazzinata, per la cui misurazione viene solitamente utilizzata un'unità di misura fuori impianto, kWh o multipli di essa. In pratica, è più conveniente utilizzare un'altra caratteristica delle batterie: la carica immagazzinata in esse. È comunemente indicato come capacità. Nel sistema SI, la carica è misurata in coulomb (1 C = 1A x 1 s), ma più spesso usano anche un'unità di misura fuori sistema - Ah, e per batterie di piccola capacità - mAh. Sono così abituati a questo parametro che spesso dimenticano (o non sanno affatto) che l'indicatore principale di una batteria è la quantità di energia immagazzinata, non la capacità. La relazione tra l'energia E della batteria e la capacità C è determinata dalla formula più semplice: E \uXNUMXd C x Ucp, dove Ucp è la tensione media della batteria. Questa espressione fornisce una precisione sufficiente per la pratica. Più precisamente, l'energia viene calcolata attraverso l'integrale. La capacità nominale è un valore tipico dato nelle caratteristiche delle batterie. È determinato principalmente dal design della batteria e dalla tecnologia di produzione. È quest'ultimo motivo (più precisamente, la variazione tecnologica nella produzione) che porta al fatto che la capacità delle batterie, anche in un lotto di produzione, ha una variazione che raggiunge due o più volte. In letteratura, a volte viene indicato che gli AB sono assemblati da batterie con capacità simili, ma in condizioni di produzione di massa, questo, ovviamente, è semplicemente irrealistico. In URSS, la capacità nominale veniva spesso determinata sulla base del principio "less than less", che prevedeva un margine che permetteva nel tempo di "aumentare" la capacità dell'AB 7D-0,1 e di altre batterie semplicemente cambiando i numeri sull'etichetta. Ora 7D-0,1 si è trasformato in 7D-0,125. È importante notare che la capacità è un valore multifattoriale, poiché anche per un caso specifico dipende da una serie di parametri: temperatura ambiente, modalità di carica e scarica, ecc. Pertanto, quando si tratta della capacità di una batteria, è necessario fornire un metodo per determinarla, poiché non è difficile "cambiare" la capacità più volte semplicemente cambiando il metodo. Ma di solito è la metodologia che non viene data. Durante il funzionamento, la tensione della batteria diminuisce dal massimo al minimo. La tensione minima è la tensione alla quale l'energia residua (carica) della batteria è insignificante e l'ulteriore operazione non è pratica, poiché anche la tensione diminuisce bruscamente (quando è completamente scarica, è uguale a zero). Per le batterie Ni-Cd, la tensione minima è di circa 1 V, e questo valore è un chiaro criterio per il completamento di una scarica. Pertanto, l'area di lavoro per la batteria è l'intervallo di tensione dal massimo al minimo. Nell'area di lavoro, l'energia residua (carica) può essere approssimativamente determinata dalla tensione della batteria. La tensione nominale è la media tra il massimo e il minimo; è lui che di solito viene indicato nei dati di riferimento per la batteria. Per le batterie Ni-Cd, questa tensione è di circa 1,2 V. La tensione nominale della batteria, come qualsiasi altra cella galvanica, è determinata solo dal suo sistema elettrochimico, cioè una coppia galvanica e un elettrolita. È strutturalmente o tecnologicamente impossibile modificare questo valore. Al termine della carica e allo spegnimento del caricabatteria, la tensione della batteria (UM3) è massima ed è di circa 1,43...1,45 V. Diminuisce rapidamente e dopo 10...25 minuti raggiunge un valore stabile di UMP pari a 1,37...1,39 V. La dispersione di questi valori è dovuta principalmente all'errore di misura, ma non è richiesta maggiore precisione. Il problema principale nel funzionamento delle batterie è legato alla loro carica ed è dovuto alla mancanza di un criterio affidabile per il suo completamento. Utilizzare la tensione della batteria per questo è inefficace, poiché può essere raggiunta anche prima che sia completamente carica. Questo criterio è stato spesso utilizzato nei progetti amatoriali. Pubblicazioni recenti indicano che un criterio non è sufficiente, ne servono altri e come uno di questi suggeriscono di misurare la temperatura della batteria. La temperatura è un parametro importante, poiché consente di determinare dove "va" l'elettricità - per la ricarica o per il riscaldamento, ovvero consente di determinare lo stato della batteria, ma non il grado della sua carica. Si può anche aggiungere che, a parità di altre condizioni, l'influenza della temperatura ambiente si manifesterà in larga misura. Da quanto precede si può trarre una conclusione non troppo confortante: oggi non esistono criteri affidabili per la fine della ricarica. Più precisamente, esiste uno di questi criteri, e sarà discusso di seguito, ma nonostante tutta la sua semplicità esteriore, la sua attuazione è molto problematica. La mancanza di criteri di fine carica affidabili è, ovviamente, deludente, in quanto non consente una ricarica completa della batteria. Ma dopotutto, le batterie sono state utilizzate con successo per decenni. E la prima domanda che sorge spontanea è quanto serve davvero, davvero, una carica completa? In condizioni reali, la differenza di capacità fino al 15% è praticamente impercettibile, e questo è molto inferiore alla variazione di capacità per diversi esemplari. Gli accumulatori sigillati sono progettati in modo tale che la tenuta sia assicurata dalla pressione del gas all'interno dell'involucro. Durante la ricarica, questa pressione aumenta e, se raggiunge il limite di snervamento del materiale della custodia, la batteria si gonfierà. In questo caso, i contatti sono interrotti, il che porta a un guasto completo della batteria. Per le batterie a disco, a volte è possibile ripristinare la capacità di lavoro: devono essere compresse in una morsa (tramite una guarnizione isolante) alle dimensioni precedenti. Nei casi più gravi, le batterie vengono aperte (esplosione silenziosa) ed è impossibile ripristinarle. La pressione del gas può servire come criterio affidabile per la fine della ricarica, in ogni caso consente di determinare il limite oltre il quale un'ulteriore ricarica diventa pericolosa. Ma l'implementazione pratica di questo metodo è problematica anche per le batterie ad alta capacità, e per quelle piccole è semplicemente irrealistica. Durante la scarica, la pressione diminuisce e, se la tensione è inferiore al minimo, può scendere a un livello che non garantisce la tenuta, con conseguente perdita di elettrolita. Tra gli altri problemi, l'elettrolita fuoriuscito devia gli elettrodi della batteria, dopodiché, a causa di perdite superficiali, aumenta la corrente di autoscarica. Lo stoccaggio a lungo termine di una batteria scarica la danneggerà. È noto che le batterie che non funzionano da molto tempo perdono capacità e prestazioni. Puoi ripristinarli in diversi cicli di carica-scarica. Non importa come farlo esattamente: il "risveglio" avverrà comunque. Con il passare del tempo, si verificano processi naturali di invecchiamento e le prestazioni della batteria si deteriorano. Le batterie hanno in genere una durata di 3-5 anni, ma con un uso normale funzionano in modo affidabile per 10 anni o più. In pratica, la cosiddetta modalità di ricarica standard è la più comune: il 150% della capacità nominale viene "pompato" nella batteria, caricandola per 15 ore con una corrente di 0,1 C. L'efficienza delle batterie, ovvero il rapporto tra energia prodotta ed energia ricevuta, è molto difficile da determinare per una serie di motivi, quindi questo indicatore di solito non viene fornito. Per le batterie piccole, è generalmente insignificante, poiché le perdite nel caricabatterie sono ovviamente maggiori. Può essere determinato in modo puramente approssimativo in base alla modalità di ricarica standard di cui sopra - 0,65 (65%). La modalità standard si è dimostrata nella pratica e può essere considerata un riferimento. Il caricatore che lo implementa può essere estremamente semplice e contenere un diodo raddrizzatore e un resistore di spegnimento. Il vantaggio del metodo è che è in grado di caricare anche batterie "mezze scariche". Tuttavia, presenta anche due inconvenienti significativi: un lungo tempo di ricarica e il pericolo di sovraccarico. È vero, quest'ultimo non è più collegato al metodo, ma alla persona: spesso si dimenticano semplicemente di spegnere il caricabatterie in tempo. Questo metodo ha solo un punto poco chiaro: da dove viene questo 0,1C? Non c'è una risposta chiara, ed è quasi impossibile ottenerne una dopo tanti anni, quindi resta solo da supporre che un tale regime sia stato scelto semplicemente per motivi di compromesso. Con una corrente di carica inferiore, il tempo di ricarica è aumentato in modo inaccettabile (a 0.05 C - 30 ore) e con una maggiore è stato necessario aumentare la potenza del caricabatterie e, di conseguenza, le sue dimensioni, peso e prezzo. Esperimenti effettuati dall'autore con AB 7D... hanno dimostrato che la carica con una corrente pari alla capacità della batteria non la danneggia. Un metodo molto interessante e promettente è il metodo di ricarica delle batterie da una fonte di tensione stabile. Per chiarezza, chiamiamola carica a tensione stabile (ZSN). È possibile eliminare completamente il sovraccarico utilizzando il metodo ZSN pari alla tensione massima della batteria. È vero, non è del tutto chiaro quale dovrebbe essere esattamente questa tensione: UM3 o UMP, e per l'assicurazione è meglio prendere il più piccolo di essi: UMP. All'inizio della ricarica la corrente è massima, dopo poco tempo, nella maggior parte dei casi, aumenta ancora un po' (a quanto pare, la resistenza interna della batteria diminuisce). Poi, mentre la batteria si carica e la sua tensione aumenta, la corrente diminuisce e alla fine della carica si avvicina asintoticamente a zero, più precisamente alla corrente di autoscarica della batteria. Quando si carica una batteria completamente scarica, il picco di corrente iniziale può essere inaccettabilmente elevato e dovrebbe essere limitato, ad esempio, includendo un resistore limitatore di corrente nel circuito di carica. Il principale svantaggio di questo metodo è che fornisce una carica del 60 ... 70% della capacità nominale. Pertanto, è consigliabile utilizzarlo per batterie di riserva, ad esempio negli orologi elettronici. Una leggera diminuzione della capacità della batteria per tali dispositivi non è significativa, è molto più importante garantirne un funzionamento lungo e affidabile. Si consiglia inoltre di utilizzare questo metodo quando è necessario portare la batteria in condizioni di lavoro in 15 ... 20 minuti. Il motivo per cui questa modalità non carica completamente le batterie è abbastanza ovvio: è necessario aumentare la tensione di alimentazione. In questo caso, la corrente di carica tende asintoticamente non a zero, ma a un valore minimo. Questa, in sostanza, la stabilizzazione della corrente di carica può servire come criterio per la fine della carica. Esiste un altro criterio più affidabile e facile da implementare: ridurre la corrente di carica a un valore vicino al minimo. Per l'implementazione pratica del metodo proposto, è necessario selezionare sperimentalmente la modalità di ricarica per una particolare batteria: determinare la tensione di carica e la corrente di fine carica. Lo schema di un caricatore automatico (caricabatterie) è mostrato in fig. 1. Permette di caricare batterie con qualsiasi grado di scarica, anche completamente scariche. Il tempo di ricarica nominale di AB 7D-0.125, scaricato a 1 V per batteria, è di circa 1,5 ore, mentre per AB con un grado di scarica inferiore viene ridotto di conseguenza. La capacità alla quale può essere caricata la batteria è approssimativamente pari a 0,85 ... 0,95 del nominale. Dipende dallo stato della batteria e dalla precisione dell'impostazione della corrente alla quale il dispositivo è spento.
Lavorare con il caricabatterie è estremamente semplice: dopo aver collegato l'alimentatore e la batteria in carica, premere brevemente il pulsante SB1. Questo accende il LED di segnalazione HL1 e inizia la ricarica. Quando la batteria è carica, il dispositivo si spegnerà automaticamente, eliminando completamente il pericolo di sovraccarico e il LED di segnalazione si spegnerà. La base della memoria è il regolatore di tensione DA1. Il valore esatto della tensione di uscita è impostato dal resistore di sintonia R9. Il diodo VD1 impedisce alla batteria di scaricarsi dopo che il caricabatterie è stato spento. Per ridurre le perdite, viene utilizzato un diodo Schottky, che presenta una caduta di tensione inferiore rispetto ai tradizionali diodi al silicio. Un indicatore - LED HL10 - è collegato all'uscita della memoria tramite un resistore limitatore di corrente R1. Il condensatore C2 attenua l'ondulazione di un alimentatore non regolato all'ingresso dello stabilizzatore e ne impedisce anche l'autoeccitazione. L'unità di spegnimento è un trigger assemblato su transistor VT1 e VT2 di diverse strutture. Nello stato iniziale, dopo aver collegato la fonte di alimentazione e aver caricato la batteria, il grilletto è spento. Per accenderlo, basta premere brevemente il pulsante SB1. Questo apre il transistor VT1 e la sua corrente di collettore attraverso il resistore R2 apre il transistor VT2: la memoria inizia a funzionare. La corrente che scorre attraverso il dispositivo crea una caduta di tensione attraverso il resistore R5, che viene alimentato attraverso il resistore R6 e il partitore di tensione resistivo R3R4 alla base del transistor VT1. Il grilletto si accende e il dispositivo continua a funzionare anche dopo aver rilasciato il pulsante SB1. "Contemporaneamente" la resistenza R5 svolge la funzione di limitatore di corrente massima all'inizio della carica di una batteria completamente scarica. Durante la carica, la tensione sulla batteria aumenta, il che porta a una diminuzione della corrente di carica e, quando raggiunge il valore minimo impostato, la caduta di tensione attraverso il resistore R5 diventa insufficiente per mantenere il grilletto acceso: il caricabatterie si spegne e la carica si interrompe. Il valore esatto della corrente minima è impostato dal resistore di sintonia R4. Il condensatore C1 attenua l'ondulazione di tensione attraverso il resistore R5 che appare quando il caricabatterie è alimentato da una fonte di alimentazione non stabilizzata. Nella versione dell'autore, per alimentare il caricabatterie viene utilizzata una fonte non stabilizzata di produzione domestica BPN-12-1 con una tensione di uscita a circuito aperto di 18 V. Possono essere utilizzati anche altri alimentatori, compresi quelli stabilizzati, con una tensione di uscita di circa 15 V (per alimentatori stabilizzati, può essere leggermente inferiore) con una corrente di almeno 0,2 A. Il dispositivo è montato su un circuito stampato in fibra di vetro a lamina unilaterale di 1,5 mm di spessore. Il disegno del PCB è mostrato in fig. 2.
Il dispositivo utilizza resistori di sintonia SPZ-19a. Resistore R5 - MLT-0,5 o MT-0,5, R2 - MLT-0,25 o MT-0,25; sono installati perpendicolarmente alla scheda. Il resto dei resistori fissi sono senza piombo per il montaggio superficiale, dimensione 1206. Sono installati dal lato dei conduttori stampati. Condensatori - K50-35 o simili importati. Al posto del diodo VD1, è possibile utilizzare qualsiasi diodo Schottky con una corrente consentita di almeno 1 A. LED - qualsiasi. Pulsante SB1 - qualsiasi senza blocco. Anche il connettore per il collegamento dell'alimentatore può essere qualsiasi, soprattutto deve corrispondere al connettore dell'alimentatore. Per stabilire, avrai bisogno di un resistore variabile a filo avvolto con una resistenza di 560 ohm e una potenza di 1 W. È collegato all'uscita del caricabatterie e la resistenza viene gradualmente ridotta fino a quando il grilletto non viene tenuto saldamente dopo il rilascio del pulsante SB1. Con un resistore sintonizzato R9, la tensione di uscita viene impostata (viene misurata direttamente all'uscita dello stabilizzatore) pari a 10,9 V. È un po' più difficile impostare la corrente di spegnimento. Poiché lo shunt del milliamperometro introduce un grosso errore nella misurazione della corrente di carica, il milliamperometro dovrebbe essere collegato all'ingresso del dispositivo. E sebbene in questo caso la corrente consumata dal caricabatterie stesso venga aggiunta alla corrente di carica effettiva, il risultato è più accurato. Per fare ciò, misurare la corrente all'ingresso della memoria nella posizione centrale del resistore trimmer R4, quindi impostarla a circa 43 mA. Queste operazioni dovranno essere eseguite più volte fino ad ottenere il risultato desiderato, poiché è impossibile "catturare" la corrente di spegnimento alla volta. Una regolazione più precisa può essere effettuata durante il lavoro diretto con la batteria, dopo diversi cicli di carica-scarica di controllo. È consentito sostituire lo stabilizzatore KR142EN22 con KR142EN12A o KR142EN12B. In questo caso, la tensione di alimentazione del caricabatterie dovrebbe essere aumentata a 16 ... 17 V. Letteratura
Autore: A. Mezhlumyan, Mosca
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