Сходинка дев’ята. Вторинні джерела живлення. Частина перша. (продовження)


Статью просмотрели: 21 человек

 

Початок статті за посиланням.

 

 

Мал. 21

Після увімкнення БЖ виставляю 3.5 В напруги (ручка регулятора струму повинна бути при цьому у будь-якому положенні яке б не викликало спалахування червоного світлодіода «!»). Викручую регулятор струму ліворуч у крайнє положення (мінімум), повинен спалахнути червоний світлодіод «!». Приєдную елемент живлення: + до +, і відповідно – до – . Виставляю струм 450 мА, через деякий час (хвилин 30) зменшую струм до 350 мА, а через годину-півтори до 250 мА (Мал.  21). Періодично перевіряйте температуру елемента, обов’язково, при її зростанні до 50оС струм заряду зробіть меншим. Таким чином годин за 4-6 (в залежності від міри його розряду) отримую цілком робочий, реанімований відсотків на 70 елемент живлення.

 

Ємність лужного елемента живлення типорозміру АА становить близько 2500 мАг, тож і робочий зарядний струм повинен бути – 200-250 мА, але в такому разі час реанімації збільшується. Можна ще більш прискорити реанімацію елемента живлення подавши більший струм, але слід контролювати його температуру та цілість. При порушенні герметичності почне витікати електроліт – луг! А до цього може призвести перегрів внаслідок великого зарядного струму, який викликає прискорене виділення газу (водню) під час хімічних реакцій, і як наслідок – неконтрольоване підвищення внутрішнього тиску у контейнері – елемент втрачає герметичність. Інколи таке відбувається неначе постріл із пістолета.

Мал. 22

Ще одне. Оперативно, за потреби, поодинокі елементи живлення, NіМH акумулятори, акумулятори 18650 приєдную до БЖ за допомогою неодимових магнітів (Мал. 22).

Не буду казати скільки разів можна таким чином реанімувати елемент, бо не знаю, це не може продовжуватися безкінечно, адже лужний елемент не акумулятор і його хімічні складові за декілька разів мабуть просто вичерпаються.

Фактом підтвердження здатності лужних елементів до відновлення заряду може бути те, що деякі виробники виробляють так звані RAM елементи. Це елементи, які можна перезаряджати. Виробник навіть дає рекомендації щодо режиму їхнього заряду.

По суті вони є копією лужних і відрізняється лише застосуванням у якості негативного електроду спеціального пористого цинкового гелю, який здатен поглинати водень у процесі заряджання та ламінованим сепаратором.

Такі елементи втрачають 50% своєї ємності усього лише після восьми циклів перезаряджання.

Вони не потребують формування, на мають ефекту "пам'яті", але у той же час – не здатні віддавати великі струми, тому сфера їхнього застосування обмежена.

Заряджаються такі елементи лише пульсуючим струмом у спеціальних зарядних пристроях якщо їх заряджати у стандартному зарядному пристрої – вони можуть вибухати (саме через надмірне виділення газу під час неконтрольованого процесу заряджання).

Дуже схоже на поведінку лужного елемента живлення, правда-ж. Який, до речі, теж більш зручніше заряджати саме пульсуючим струмом.

 

Перейдемо до використання БЖ для заряджання акумуляторів.

На сьогодні основних типів акумуляторів, які широко застосовуються у приладах, іграшках, різноманітних автономних пристроях, існує три – лужні, кислотні та літієві.

Отже, тип перший. Нікель-метал-гідридні акумулятори. Я не буду розповідати про них, це ми вже розглядали раніше. Стосовно їхнього заряджання, то ви теж повинні пам’ятати, що лужні акумулятори, до різновиду яких і належать NіМH, заряджаються фіксованим струмом. Послідовна логіка дій абсолютно ідентична реанімації лужних елементів живлення, тому повторюватися не буду.

Єдине, що можу додати – встановлювана напруга повинна забезпечити струм заряджання, а він, як відомо, складає 10% від ємності акумулятора. Тобто, якщо акумулятор має ємність 2700 мАг то струм його заряджання фіксований – 270 мА з самого початку і до кінця заряджання. Час заряджання становить близько 14-16 годин, температура акумулятора під час заряджання на повинна перевищувати 45оС, якщо вона має тенденцію до зростання – слід зменшити струм заряду. Пам'ятайте!: Чим менший струм заряду – тим довший сам процес заряджання, але і тим повніше акумулятор накопичуватиме енергію.

Іще одне, щоб не провокувати ефект "пам’яті", перед заряджанням акумулятора перевірте його напругу, вона повинна бути близько 1.0 В. Якщо це не так, доведіть напругу до цього значення додатково розрядивши акумулятор струмом десь приблизно 500-700 мА. Для цього потрібен резистор опором близько 2.0 Ом.

Розробники допускають форсований режим заряду акумулятора струмом не більшим за його ємність. Я цього ніколи не робив, це на ваш розсуд. При такому струмі швидкість заряду суттєво зростає. Але це впливає на життєздатність акумулятора. Не забувайте контролювати температуру!

Періодично акумулятори не завадить піддавати формуванню. Це 2-3 рази повторені цикли повного заряду (стандартним струмом) та повного розряду (струмом 500-700 мА) до напруги 1.0 В. Під час такого розряду ви можете підрахувати реальну ємність яку здатен віддавати акумулятор. Час розряду(години) х струм розряду(міліампери) = ємність акумулятора(міліампер-годин).

Тип другий. Кислотні або свинцеві акумулятори. Як відомо такі акумулятори заряджаються фіксованою напругою, АЛЕ! Нормалізований струм заряду свинцевого акумулятора не повинен перевищувати 10% його ємності. І взагалі, чим менший струм заряду свинцевого акумулятора, тим для нього краще. Маленькі струми заряду сприяють розчиненню проміжних сполук сульфатних нашарувань, попереджають найстрашнішу болячку свинцевого акумулятора – сульфатування. Отже, якщо вам не горить, робіть обмеження струму меншим за 10%, скажімо – 2-3%. Так, заряджатися він буде довше.

Для прискореного заряджання виробник допускає заряд великими струмами. Знову ж таки – не більшими за ємність акумулятора, та я не радив би таким захоплюватися. Принаймні, після застосування таких режимів у нагальних випадках, зробіть двійко циклів формовки-відновлення. Повний заряд струмом меншим за стандартний зарядний, розряд струмом 10% ємності до напруги 1.7 В на банку.

Часті заряди великим струмом, надто глибокі розряди, тривале зберігання у розрядженому стані, мала насиченість електролітом ("низький його рівень") – це причини передчасного сульфатування.

Стосовно реанімації, відновлення («ремонту») акумуляторів, не бучу у цьому сенсу. Запаковані стійкими нашаруваннями сульфатів пластини полікувати практично нічим неможливо. Можна за допомогою великих струмів «пробити» канали, акумулятор неначебто оживе, але реальної ємності відновити не вдасться, та й саморозряд такого акумулятора буде прискореним.

Єдине, що можна зробити у випадку помітної втрати ємності акумулятором (НЕ ГЕЛЕВОГО) – долити у банки дистильованої води і провести декілька циклів тренування. І якщо це зробити вчасно – результат може бути досить непоганим. Я не даремно наголосив стосовно гелю. Існують акумулятори заповнені електролітом у вигляді гелю, тому випаровування вологи там, на мою думку – малоймовірне. Але у переважної більшості свинцево-кислотних акумуляторів, як сепаратор, застосовується пористий матеріал просочений рідким електролітом. І хоч такі акумулятори вважаються герметичними – насправді вони умовно-герметичні, бо мають вентиляційні отвори через які виходять надлишки газу під час режиму заряду (і які відновлюють герметичність банки при падінні тиску), тож падіння рівня насиченості пластин сепаратора електролітом (зволоженості) – досить розповсюджена болячка. Як відомо із практики, таке відбувається саме за рахунок поступового випаровування води. Завдяки тому, що електроліт абсорбується пластинами сепаратора, а не бовтається у вільному вигляді, такі акумулятори допускають експлуатацію у будь-якому положенні.

Свинцеві акумулятори не люблять "самотності", вони не люблять забудькуватих. Зберігання такого акумулятора у стані глибокого розряду для нього вбивче. Його експлуатація лише з метою отримання кінцевого результату – не найкращий варіант. Такі акумулятори не мають ефекту "пам'яті", тож їх можна під заряджати коли завгодно. Періодично, десь раз на півроку, варто робити формовку постійно працюючого джерела. Не забувайте приділяти йому увагу і матимете надійного, перевіреного, живучого помічника.

Ну і врешті-решт я розкажу, як я заряджаю акумулятори допоміжним джерелом живлення.

Перш за все слід виставити напругу для заряду.

Зарядна напруга однієї банки свинцевого акумулятора становить 2.4 В. Кількість банок в акумуляторі визначаємо в залежності від його робочої напруги: 4.0 В – 2 банки, 6.0 В – 3 банки, 12.0 В – 6 банок. Це найбільш поширений ряд напруг. Розміри таких акумуляторів не повинні вас вводити в оману, вони можуть бути різними і це залежить він ємності первинного джерела живлення. Заряджання відбувається напругою 2.4 В помноженою на кількість його банок: 2*2.4 = 4.8 В; 3*2.4=7.2 В; 6*2.4=14.4 В. Отже, потрібну напругу виставили, слід лише звертати увагу, щоб наш допоміжний блок живлення не знаходився у режимі обмеження струму. Гнізда приєднання споживача не задіяні, вічко індикатора режиму обмеження струму не світиться.

Наступний крок – слід виставити струм обмеження заряду акумулятора.

Канал обмеження струму модуля, основою якого є мікросхема XL4015, блокує її роботу при перевищенні струмом певної встановленої межі. Але не слід забувати, що основа модуля – імпульсна регуляція. Основним елементом накопичення енергії є дросель. Він накопичує енергію і у миті відсутності підживлення з боку мікросхеми-регулятора розряджається через діод (більш детальніше ми розберемо роботу цього DC-DC модуля далі). Так от, на певних режимах напруги та встановленого режиму обмеження струму, до вмикання внутрішньої системи обмеження струму КЗ інтегрального регулятора (а це 7.0 А, до речі, мої піддослідні інтегральні регулятори утримували без спрацювання внутрішнього захисту струм навіть до 9.0 А), дросель встигає накопичити величезну кількість енергії. Регулятор припиняє подавати імпульси живлення на дросель і він починає розряджатися через діод. Максимальний струм діода – 5.0 А, цього інколи замало, діод виходить з ладу і розряд дроселя продовжується через вихідні кола інтегрального регулятора – ВСЕ. На цьому функціонування модуля припиняється.

Вище я описав можливу картину виходу з ладу модуля на базі якого реалізовано додатковий блок живлення, при створенні на його виходах режиму КЗ. Для чого я це зробив? В Інтернеті можна побачити безліч роликів де аматори радять встановлювати режим обмеження струму саме через режим КЗ на виході такого DC-DC перетворювача. Ну що ж, такий варіант мабуть можливий, але на страх і ризик користувача. Основна порада: перед замиканням виходів виведіть регулятор струму у початкове крайнє положення до спалахування світлодіода "Робота в режимі обмеження струму", якщо є бажання – робіть КЗ і поступово регулятором додавайте струм.

 

Мал. 23

Я не люблю випробовувати "долю" свого обладнання на форс-мажорних режимах, тому роблю інакше. У мене під рукою завжди є потужні 5-ти ватні резистори, поєднуючи які, я можу отримати ряд навантажень для встановлення потрібного мені струму обмеження. Скажімо три резистори (Мал. 23) номіналом 4.7 Ом дають ряд значень в омах: 1.57; 2.35; 4.7; 7.05; 9.4; 14.1. Ще не розучилися користуватися "чарівним колом"? Коли мені потрібно виставити певне обмеження струму на якійсь напрузі я обираю необхідне значення опору і навантажую ним блок живлення. Якщо немає потужних дротяних резисторів – можна використати звичайний ніхромовий дріт.

 

Отже, навантаживши БЖ виставляю потрібний максимальний струм. І лише після цього приєдную акумулятор для заряджання. Ви повинні знати, що глибоко розряджений акумулятор, без виставленого обмеження, може взяти на себе струм, який буде у декілька разів перевищувати дозволений! А це не дуже корисно для його життєздатності.

В міру заряджання струм буде поступово зменшуватися. Врешті-решт настане мить коли такий струм становитиме приблизно 10% від встановленого обмеження – саме тоді спалахне світлодіод "Зд" (заряджена). Втім, наш БЖ обмежує напругу, а тому свинцевий акумулятор більше ніж йому потрібно струму не візьме, перезаряд неможливий.

Тип третій. Літій-іонні та літій-полімерні акумулятори. Ці акумулятори останнім часом набрали досить широкої популярності завдяки своїм характеристикам. Застосовуються для живлення ліхтариків, радіоприймачів, електроінструменту, різноманітного мобільного обладнання. Отримали визнання і популярність при використанні для живлення конструкцій аматорів.

У таких акумуляторів теж відсутній ефект "пам'яті", але певні тонкощі при їхньому обслуговуванні потрібно знати і розуміти.

Літій – найлегший з усіх металів і має найвищий електрохімічний потенціал, що дає можливість отримати елементи із дуже високою щільністю енергії. Але цей метал має високу реакційну здатність. Хоч це і не є проблемою для звичайних елементів, втім, створює певний ризик вибуху під час заряджання акумуляторів. Щоб цього не було розробили літій-іонну технологію, яка використовує іони літію з його сполук замість самого металу. Типові літій-іонні елементи мають негативний алюмінієвий електрод вкритий сполуками (діоксидами літію-кобальту, літію-нікелю, літію-марганцю). Позитивний електрод зазвичай мідний, вкритий вуглецем (графіт або кокс). Електролітом є розчин літієвої солі у органічних розчинниках.

Літій-іонні акумулятори мають удвічі більшу щільність енергії за NiCd, позбавлені ефекту "пам'яті" і менший за NiCd рівень саморозряду при зберіганні (близько 6-10% на рік). Вони здатні віддавати великі струми (велико-струмові різновиди) при розряді.

З іншого боку, вони бояться пере- розряду як і пере- заряду. Вони дорожчі за інші акумулятори. Це також пов'язано і з тим, що батареї для живлення деякої техніки, складаються із окремих літій-іонних елементів, та виготовляються із вмонтованими "розумними" системами захисту та розподілення енергії.

Літій-іонні акумулятори на жаль – старіють! Навіть якщо ними не користуватися, коли вони просто лежать, вони – старіють, тобто, втрачають свою первинну ємність.

Такі акумулятори використовуються там, де слід запастися як можна більшою кількістю енергії з мінімально можливим розміром і вагою – у ноутбуках, планшетах, відеокамерах, мобільних телефонах, гіробордах, квадрокоптерах та ін.

Ці акумулятори потребують для свого заряджання спеціалізованих зарядних пристроїв. Такі зарядні пристрої контролюють зарядний струм елемента, рівень напруги на ньому, професійні, до того ж, слідкують за температурою елемента та здатні відображати набуту ним ємність.

Типова верхня межа напруги заряду 4.2 В. Рекомендована напруга розряду – 2.9 В. Найменша допустима напруга розрядженого елементу – 2.7-2.5 В. Критична напруга – 2.0 В, при такому рівні розряду акумулятор практично помирає, суттєво втрачає свою ємність, хоч інколи оживити його ще можна, звісно, із певними втратами

У деяких видах літій-іонних акумуляторів вмонтовано плату захисту від глибокого розряду. Майже усі види акумуляторів обладнані захисними мембранами, які розривають коло струму заряду при перевищенні внутрішнього тиску, захищаючи споживача.

Час швидкого заряду акумулятора при заряджанні його струмом, який дорівнює його ємності – 2-3 години. При цьому акумулятор не повинен надто сильно нагріватися. Кінець заряду визначається поточним струмом – 3% від встановленої межі максимального струму, при досягненні верхньої межі напруги заряду. Акумулятор вважається "мертвим", якщо він не набирає більше 70% своєї первинної ємності. 

 

Мал. 24

Літій-полімерні акумулятори є версією літій-іонних. Їхній хімічний склад такий самий як і у літій-іонних за винятком того, що у них використовується сухий твердий полімерний електроліт. Такий електроліт нагадує пластикову плівку, яка не проводить струм, зате забезпечує обмін іонами. Сухий полімер більш технологічніший при виготовленні, а конструкція акумуляторного елементу виходить міцною, безпечною і тонкою. При товщині елементу менше 1 мм, його можна використати у надкомпактних пристроях, можна скрутити дудочкою, вшити у який-небудь елемент одягу. На жаль сухий Li-полімер має високий внутрішній опір, а тому не здатен забезпечувати сучасні пристрої великими струмами. Щоб виправити це, слід додати до сухого Li-полімеру трохи електроліту у вигляді гелю, що й роблять виробники. Саме тому ті, так-звані, Li-полімерні акумулятори, які ми бачимо на прилавка магазинів,  не що інше, як – гібриди (Мал. 24). Такі  гібриди, майже усі, мають персональну плату BMS (Battery Management System). Зазвичай плата BMS має досить широкий функціонал. Можливості ж плати якими оснащені Li-полімерний елементи, обмежені лише контролем напруги заряду та розряду і здатні відмикати його від споживача при падінні напруги елементу нижче норми розряду, стані КЗ, чи то від зарядної системи при досягненні встановлених меж максимальної напруги заряду.

 

У своїй поведінці, характеристиках, вимогах експлуатації, обмеженнях процесу заряджання літій-полімерні акумулятори, як і гібриди (літій-полімерні акумулятори з електролітом у вигляді гелю) абсолютно тотожні літій-іонним.

 

Тепер поділюся із вами тією методикою, за допомогою якої я заряджаю описані вище Li-іонні акумулятори.

 

Мал. 25

Я не буду оглядати різноманітні контролери чи якісь системи заряджання таких акумуляторів, це не тепер. Лише методика заряджання за допомогою додаткового джерела живлення. Єдиний додатковий пристрій, який я використовую і рекомендував би аматорам – USB тестер KWS (Мал. 25). Для його використання я виготовив простий перехід (Мал. 26).

 

 

 

Мал. 26

До речі, такий вимірювач є досить зручним контрольним пристроєм для роботи із різноманітними акумуляторами, бо має цікаві, на мій погляд, параметри. Напруга, яку він вимірює від 3.5 до 20.0 В; струм від 0 до 3.3 А; ємність від 0 до 9999 мАг; час фіксації роботи трохи більше 4-х діб – від 0 до 99 годин.

 

Отже, ним можна користуватися не лише для контролю напруги, струму та ємності, яку набирає, під час заряджання, не лише літій-іонний, а навіть свинцево-кислотний акумулятор з напругою до 14.4 В.

Продовжу. Надзвичайно зручно заряджати подібні акумулятори нашим допоміжним джерелом живлення.

В технічній документації, в Інтернеті можна зустріти рекомендації для заряджання літій-іонних акумуляторів в декілька етапів, таку ж саму особливість можна помітити і в логіці роботи автоматичних зарядних пристроїв.

Наше джерело живлення дозволяє виставити одночасно і максимально дозволену напругу зарядки, і максимальний струм процесу заряджання. Як це робити, досить детально описано вище.

Виставляємо напругу 4.2 В і обмеження струму 0.2С. Символом С у технічній літературі позначають задекларовану виробником ємність акумулятора. Отже, величину зарядного струму я завжди вибираю – чверть ємності акумулятора. Наприклад:

ємність 2800 мАг        –      зарядний струм 550-600 мА;

ємність 300 мАг          –      зарядний струм 60 мА.

Чому так?

По-перше (вкотре повторю) – чим менший струм заряду будь-якого акумулятора, тим більше він накопичує енергії.

По-друге – якщо ви зацікавитесь цим питанням і звернете увагу на технічну документацію, то дізнаєтесь, що кількість життєвих циклів літій-іонних акумуляторів визначається виробником саме при операціях зі струмом 0.2-0.25С. Підвищені струми заряджання можливі, але призводять до істотного зменшення кількості життєвих циклів, втрати первинної ємності.

Для прикладу. Акумулятор смартфона (а там використовуються Li-полімерні гібриди), за рік заряджання "швидкою зарядкою" (365 циклів, за умови щоденного заряджання), може втратити до 15% своєї ємності. Гадаю, що вам знайомий термін "швидка зарядка". Це зарядний пристрій, який здатен забезпечувати телефон підвищеним зарядним струмом (за умови підтримання телефоном). Дуже зручно для користувача – заряджає за годину-дві. А чи варто? У смартфоні акумулятор просто так не поміняєш.

Я обираю довге життя акумулятора.

Отже, виставили граничну напругу – 4.25 В, обмеження зарядного струму – приєднуємо акумулятор і все. Чекаємо спалахування світлодіода "Зд", а він спалахує на рівні 5% від встановленого струму обмеження.

При заряджанні смартфона чи планшета напругу встановлюємо на рівні 5.2 В (емуляція напруги зарядного пристрою) і обмеження струму на рівні 0.2С. Для заряджання використовуємо перехід з Мал. 26 і штатний дріт USB–MiсroUSB.

В залежності від рівня розряду акумулятора встановлена напруга може зменшитися, а індикатор роботи в режимі обмеження струму – спалахнути, але по мірі його заряду струм буде поступово зменшуватися, а напруга – наближатиметься до встановленої.

Ще одне. Термін "формування" до літій-іонних акумуляторів не має жодного стосунку. Там нічого формувати.

 

До наступної зустрічі. Хай вам щастить.

 

Наступний допис – продовження огляду вторинних джерел живлення.

У практичній частині обговоримо концепцію основного лабораторного джерела живлення аматора.

Комментарии к статье

Отсутствуют
  • Вы, клиент нашего интернет-магазина? Войдите чтобы оставить комментарий
    Войдите
    Впервые в интернет-магазине? Чтобы продолжить вам нужно зарегистрироваться, это займет несколько минут
    Зарегистрируйтесь