akumulatory ogólnie cz1..pdf

Dodatnie Sprzężenie Zwrotne

Poczynając od tego numeru, co jakiś

czas w Elektronice dla Wszystkich

pojawiać się będzie rubryka,

zatytułowana właśnie “Dodatnie

sprzężenie zwrotne”. Rubryka ta

powstała pod wpływem Waszych

listów. Okazało się, że nie wszystkie

nadsyłane problemy i pytania uda się

poruszyć w Poczcie, ponieważ

niektóre wymagają szerszego

umówienia i wyjaśnienia.

Otrzymujemy także sporo próśb

o opracowanie i zaprezentowanie na

łamach EdW różnych układów

elektronicznych.

Według naszych planów, rubryka

“Dodatnie sprzężenie zwrotne”

będzie zawierać zarówno materiał

opisowy, wyjaśniający problemy

techniczne, jak też w jej ramach

będziemy przedstawiać projekty

opracowane w redakcji, niejako na

Wasze zamówienie.

Pierwszym tematem, który

bierzemy na warsztat, jest sprawa

ładowania akumulatorów. Listy

z prośbami dotyczącymi tego

zagadnienia nadesłali ostatnio

Dariusz Stępień, Stanisław Opoka,

Bogusław Łącki, Andrzej Adamczyk,

Andrzej Hoć.

Akumulatory, część 1

W naszej codziennej praktyce spoty−

kamy się z różnymi typami akumulato−

rów.

Od dawna znamy akumulatory oło−

wiowe, stosowane powszechnie we

wszelkich pojazdach samochodowych

oraz w systemach alarmowych.

Do najróżniejszych przenośnych urzą−

dzeń elektronicznych wykorzystuje się

powszechnie akumulatory kadmowo−ni−

klowe (oznaczane w skrócie CdNi lub

NiCd). Od kilku lat na rynek pomału

wchodzą akumulatory niklowo−wodorko−

we, oznaczane w skrócie NiMH. Coraz

więcej słyszymy też o akumulatorach li−

towo−jonowych (Li−Ion), a różne firmy

prezentują kolejne rozwiązania, oparte

na coraz to innych materiałach czynnych.

Obecnie najpopularniejsze są akumu−

latory ołowiowe, dlatego zajmiemy się

nimi na początku. W dalszej kolejności

poznamy bliżej akumulatory CdNi

i NiMH.

Akumulatory ołowiowe

Przed laty dostępne były jedynie aku−

mulatory ołowiowe przeznaczone do po−

jazdów samochodowych. Po zakupieniu

takiego akumulatora należało zalać go

przygotowanym samodzielnie elektroli−

tem o odpowiedniej gęstości i przepro−

wadzić pierwsze ładowanie. Od tego

pierwszego ładowania, zwanego formo−

waniem, zależały późniejsze parametry,

między innymi pojemność. Elektrolitem

był roztwór kwasu siarkowego w wodzie

destylowanej − stąd potocznie akumula−

tory takie nazywa się kwasowymi.

Na stacjach benzynowych można było

kupić aerometry − szklane przyrządy, któ−

re pozwalały sprawdzać gęstość elektro−

litu (powinna wynosić 1,26...1,28 g/cm 3 ).

Przygotowanie elektrolitu wymagało

sporo ostrożności ze względu na żrące

właściwości kwasu siarkowego. Praw−

dopodobnie pamiętasz jeszcze z podsta−

wówki starą chemiczną rymowankę: jeś−

li nie chcesz zrobić szkody, zapamiętaj:

kwas do wody. Próba wlewania wody do

dużo gęściejszego kwasu może się

skończyć rozpryskiem kwasu i poparze−

niem.

Obsługa takich akumulatorów była

uciążliwa, bowiem należało kontrolować

poziom elektrolitu w poszczególnych ce−

lach akumulatora i co jakiś czas dolewać

wody destylowanej. Jedyną zaletą ta−

kich starych akumulatorów był fakt, że

można było w prosty sposób sprawdzać

stan naładowania akumulatora, mierząc

aerometrem gęstość elektrolitu.

Spektakularnym objawem pełnego

naładowania akumulatora kwasowego

jest tak zwane gazowanie elektrolitu

(elektroliza wody). Właśnie ono jest zna−

kiem, że akumulator jest pełny i ładowa−

nie należy przerwać.

Nie musisz znać i rozumieć reakcji

chemicznych, jakie zachodzą w akumu−

latorze, musisz jednak pamiętać o pew−

nej podstawowej zasadzie: w pełni nała−

dowany akumulator ma maksymalną

(nominalną) gęstość elektrolitu. Podczas

rozładowania gęstość elektrolitu maleje.

Można powiedzieć, że w akumulatorze

rozładowanym do granic możliwości,

elektrolitem jest... woda. Powinieneś to

zrozumieć i zapamiętać raz na zawsze.

Mówiąc w dużym uproszczeniu, pod−

czas rozładowania siarka z kwasu prze−

chodzi na płyty, a podczas ładowania

wraca z powrotem do elektrolitu. Można

to ująć nieco dokładniej − w czasie rozła−

dowania na płytach tworzy się siarczan

ołowiu, słabo przewodzący prąd. Pod−

czas ładowania siarczan w wyniku reak−

cji chemicznych zamienia się w kwas

siarkowy. Gdy “cała siarka” przejdzie do

elektrolitu, akumulator jest w pełni nała−

dowany i dalsze przepuszczanie przez

E LEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 10/96

odatnie Sprzężenie Zwrotne

Dodatnie Sprzężenie Zwrotne

niego prądu powoduje już tylko elektroli−

zę wody (gazowanie akumulatora).

W zasadzie proces tworzenia siarcza−

nu ołowiu jest odwracalny, ale wyobraź

sobie, że przy totalnym wyładowaniu

“elektrolit” to w rzeczywistości woda

destylowana, a płyty pokryte są siarcza−

nem ołowiu. Co się stanie przy próbie

naładowania takiego zupełnie rozładowa−

nego akumulatora? Dołączysz napięcie,

nawet znacznie wyższe od nominalnego

napięcia akumulatora, a prąd przez aku−

mulator (czytaj: wodę destylowaną) wca−

le nie chce płynąć − praktycy mówią, że

głęboko wyładowany akumulator nie

chce ruszyć. Prąd płynący przez głęboko

rozładowany akumulator z początku

rzeczywiście ma znikomą wartość, rzędu

mikroamperów, ale z czasem zacznie się

pomału zwiększać i niekiedy dopiero po

kilku godzinach,

czy nawet dniach,

uzyska sensowną

wartość. Nie zna−

czy to jednak, że

po takim nietypo−

wym, długim łado−

waniu, akumulator

odzyska pierwotną

pojemność. Na

pewno słyszałeś,

że płyty ulegają za−

siarczeniu, przez

co akumulator

przestaje spełniać

swoją rolę. Rzeczywiście, część siarcza−

nu ołowiu, o krystalicznej, zwartej budo−

wie, po prostu nie da się w czasie łado−

wania “wyrwać” z płyt i w konsekwen−

cji następuje stopniowe pogorszanie

właściwości akumulatora. Musisz wie−

dzieć, że proces zasiarczania zachodzi

we wszystkich akumulatorach kwaso−

wych, a jego szybkość zależy od warun−

ków pracy i ładowania: między innymi od

temperatury, stopnia rozładowywania

itd. Szczegóły w dalszej części artykułu.

Teraz już znasz podstawy działania

akumulatora ołowiowego.

Powróćmy do historii. Kolejnym kro−

kiem w rozwoju było wyprodukowanie

tzw. akumulatorów suchoładowanych,

których po wlaniu elektrolitu nie trzeba

było specjalnie formować. Ale dopiero

pojawienie się tzw. akumulatorów bez−

obsługowych oznaczało duży postęp.

W sumie ich bezobsługowość polega na

tym, że w przepisanych warunkach pra−

cy, ubytek wody wskutek gazowania

jest na tyle niewielki, iż nie trzeba usta−

wicznie kontrolować poziomu elektrolitu

i dolewać wody.

Z czasem okazało się, iż stosunkowo

tanie akumulatory ołowiowe można by−

łoby stosować o wiele szerzej, gdyby nie

istniała groźba wylania żrącego elektroli−

tu. Powstały więc nowe konstrukcje,

w których płynny elektrolit niejako uwię−

ziono, wypełniając wnętrze akumulatora

odpowiednim materiałem włóknistym.

Innym sposobem było dodanie do płyn−

nego elektrolitu pewnych substancji,

które zamieniły go w swego rodzaju ga−

laretę − żel. Tak oto doszliśmy do akumu−

latorów żelowych.

Obie ostatnie grupy to akumulatory

szczelne (ang. sealed), nie grożące wyla−

niem elektrolitu. Niektóre mogą praco−

wać w dowolnej pozycji. Takie akumula−

tory powszechnie stosuje się w rezer−

wowych źródłach zasilania, na przykład

w systemach alarmowych czy kompute−

rowych UPS−ach.

A teraz przechodzimy do analizy para−

metrów akumulatorów kwasowych.

Na początek dwie uwagi. Po pierw−

sze, podane dalej informacje bazują na

materiałach firmo−

wych dostarczo−

nych przez zagra−

niczne firmy, i do−

tyczą akumulato−

rów nowoczes−

nych, szczelnych.

Niestety, nie udało

mi się zdobyć sen−

sownych informa−

cji od krajowych pro−

ducentów, a dzwo−

niłem tak do Pias−

towa, jak i Pozna−

nia − po prostu tra−

fiłem na osoby niekompetentne, nie

umiejące odpowiedzieć na zadane pyta−

nia techniczne, zalecające mi lekturę sta−

rych książek; odsyłano mnie od Annasza

do Kajfasza, a jeden rozmówca twierdził

nawet, że nie może mi udzielić żadnych

informacji bez zgody dyrektora naczelne−

go. Przy takim podejściu do odbiorcy i ta−

kich kwalifikacjach personelu czarno wi−

dzę przyszłość rodzimego przemysłu.

Po drugie, z podanych informacji nale−

ży wyciągnąć ogólne wnioski i zrozu−

mieć istotę problemu, a nie oczekiwać

szczegółowych odpowiedzi typu: “jaką

maksymalną temperaturę może osiąg−

nąć elektrolit?”.

A teraz parę słów o najważniejszych

parametrach.

Definicje

Najważniejszy parametr to pojem−

ność akumulatora, oznaczana literą C.

Otrzymujemy ją mnożąc prąd rozładowa−

nia I przez czas rozładowania t:

C = I rozł x t rozł

Prąd wyraża się w amperach, czas

w godzinach (ang. hour), stąd pojem−

ność podawana jest w amperogodzi−

nach (Ah) lub miliamperogodzinach

(mAh).

Jak się za chwilę okaże, pojemność

akumulatora nie jest stała (!), zależy bo−

wiem od prądu rozładowania. Żeby łat−

wo porównać różne akumulatory, przyję−

to określać pojemność nominalną przy

rozładowywaniu takim prądem, aby peł−

ne rozładowanie trwało 10 godzin (aku−

mulatory samochodowe), lub 20 godzin

(mniejsze akumulatory). Można więc po−

wiedzieć, że podawana w katalogach no−

minalna pojemność akumulatora C jest

pojemnością dziesięciogodzinną (albo

dwudziestogodzinną).

Dla ułatwienia, prądy ładowania i roz−

ładowania podawane są nie wprost

w amperach, tylko w odniesieniu do po−

jemności nominalnej C. Na przykład na−

potykamy zdanie: ładować przez 14 go−

dzin prądem 0,1C. Nie wiemy jaką war−

tość ma mieć prąd ładowania, dopóki nie

dowiemy się, jaka jest pojemność nomi−

nalna C takiego akumulatora. Gdy po−

jemność nominalna C wynosi, powiedz−

my, 20Ah, prąd 0,1C wynosi 0,1 x 20

= 2A.

Rys. 1. Charakterystyki rozładowania.

E LEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 10/96

odatnie Sprzężenie Zwrotne

Informacje na temat

akumulatorów ołowiowych nie

są użyteczne dla użytkowników

innych typów akumulatorów.

Popularne akumulatory

kadmowo−niklowe pracują na

zupełnie innej zasadzie, mają

inne charakterystyki

i wymagają odmiennych

sposobów ładowania.

Dodatnie Sprzężenie Zwrotne

Rys. 3. Krzywe samorozładowania.

Rys. 2. Zależność pojemności od temperatury.

rozładowania od temperatury. W wy−

ższej temperaturze akumulator szybko

traci swoją energię − po sześciu miesią−

cach przechowywania w temperaturze

+40°C w pełni naładowanego akumula−

tora, pozostanie w nim jedynie 45%

pierwotnej energii.

Ale to nie jest najgorsze, bo przecież

rozładowany akumulator można zawsze

podładować. Popatrz na rysunek 4

rysunek 4. Po−

kazuje on przybliżoną zależność czasu

pracy od temperatury. O ile akumulator

mógłby pracować w temperaturze

+20°C kilka lat, o tyle w temperaturze

+60°C straci pojemność już po kilku mie−

siącach! Nie pytaj więc drobiazgowo

o szczegóły − zapamiętaj, że wysokie

temperatury pracy są dla akumulatora

ołowiowego wręcz zabójcze.

Masz więc częściową odpowiedź na

pytanie, jaka może być maksymalna

temperatura elektrolitu: w miarę możli−

wości należy unikać wysokiej tempera−

tury, a także dużych prądów ładowania,

które powodowałyby znaczny wzrost

temperatury akumulatora.

I oto doszliśmy do metod ładowania.

Tematem tym zajmiemy się szczegóło–

wo za miesiąc.

rysunek 4

Charakterystyki

Wszystkie zamieszczone dalej rysunki

dotyczą nowoczesnych akumulatorów

ołowiowych brytyjskiej firmy Yuasa, któ−

re sprzedawane są w sieci firmowej

AVT. Bardzo podobne parametry mają

akumulatory ołowiowe innych dobrych

firm. Natomiast podane wiadomości są

zupełnie nieprzydatne użytkownikom

akumulatorów kadmowo−niklowych.

Na pewno wiesz, że nominalne napię−

cie jednego ogniwa, lub jak częściej mó−

wimy − jednej celi − wynosi 2V. Akumula−

tor 12−woltowy składa się z sześciu cel.

Na rysunku 1

rysunek 2,

przedstawiający zależność pojemności

akumulatora od temperatury pracy.

W wyższej temperaturze reakcje che−

miczne przebiegają szybciej i powoduje

to wzrost pojemności akumulatora.

W niższych temperaturach pojemność

radykalnie maleje − znajdź na rysunku

2 punkt Y. Przy rozładowaniu prądem 1C

w temperaturze 0°C rzeczywista pojem−

ność wyniesie tylko 35% pojemności

nominalnej! Teraz rozumiesz kłopoty

z rozruchem samochodu zimą, gdy

w temperaturze −20°C pobieramy z aku−

mulatora prąd rzędu 5...10C.

Przed chwilą cieszyliśmy się, że

w wyższych temperaturach akumulator

ma większą pojemność. Nie ma się

z czego cieszyć − popatrz na rysunek 3

rysunek 2

rysunku 1 przedstawiono charak−

terystyki rozładowania. Z rysunku można

odczytać szereg cennych informacji. Po

pierwsze zauważ, że nominalną pojem−

ność uzyskuje się przy rozładowaniu prą−

dem dwudziestogodzinnym (0,05C) do

napięcia końcowego 10,5V, czyli 1,75V/

ogniwo. Ale przy większych prądach roz−

ładowania użyteczna pojemność jest

zdecydowanie mniejsza. Znajdź na ry−

sunku 1 punkt X; przy prądzie 2C pojem−

ność wynosi tylko 2C x 12minut = 2C

x 0,2h = 0,4C, czyli rzeczywista pojem−

ność wynosi w tych warunkach tylko

40% pojemności nominalnej, i to przy

rozładowaniu do napięcia 1,36V/ogniwo!

Po drugie, z rysunku 1 można odczy−

tać, do jakiego napięcia końcowego

można rozładowywać akumulator − gra−

nicę tę zaznaczono czerwoną linią prze−

rywaną. Przy mniejszych prądach jest to

napięcie 1,75V/ogniwo, przy większych

prądach może być mniejsze, nawet do

1,3V/ogniwo.

Po trzecie z charakterystyk można się

dowiedzieć, jak w czasie rozładowania

obniża się napięcie akumulatora. Jest to

istotne, gdyby akumulator miał współ−

pracować ze stabilizatorem lub bezpo−

średnio zasilać układ czuły na zmiany na−

pięcia zasilającego.

rysunku 1

rysunek 3.

Pokazuje on zależność szybkości samo−

rysunek 3

(red)

Rys. 4. Zależność trwałości od temperatury.

E LEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 10/96

odatnie Sprzężenie Zwrotne

A teraz przeanalizujmy rysunek 2

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: