Герметичні свинцево-кислотні акумулятори в радіоаматорського практиці
1. Спочатку пряники, батоги потім ...
Герметичні свинцево-кислотні акумулятори (SLA) - найбільш доступні за ціною вторинні (акумуляторні) джерела струму. Доступні, в нинішній економіці, означає, по-перше, наявність у продажу типових батарей напругою 6В і 12В, ємністю від одного до тисячі А * год, по-друге, те, що за 1 вічнозелений у.о. можна купити від 1.5 до 6 Вт * ч номінальної ємності. Менша цифра відповідає малим батареям, велика - великим.
Що ще в плюсі? Щодо повільний саморазряд (не більше 5% ємності в місяць при кімнатній температурі), відносна довговічність за умови неглибоких циклів розряду. Відсутність «пам'яті» (властивої нікель-кадмієвих акумуляторів). Допускається постійний «плаваючий» підзаряд в черговому режимі (саме так працюють автомобільні акумулятори).
У порівнянні зі свинцево-кислотними акумуляторами з рідким електролітом, герметичні акумулятори, природно, виграють в експлуатаційної безпеки (немає шкідливих випарів, допустима робота в будь-якому положенні). А ще - герметична батарея менш критична до умов заряду, її складніше вбити неписьменним зарядом. Справа в тому, що гелевий електроліт підібраний так, що батарея ніколи не заряджається належним чином (з точки зору хіміка). Стало бути, виділення газу при перезаряді не відбувається, так як перезаряда просто немає. Це не означає, що про контроль режиму заряду можна забути. Не можна. Про це далі.
Що в мінусі? По-перше, низька питома ємність - 25..35 Вт * ч на кілограм маси, або 60..100 Вт * ч на літр об'єму. По-друге, істотне скорочення життя батарей при глибоких циклах розряду, а також при систематичному розряді великими струмами. По-третє, істотна залежність напруги і внутрішнього опору від глибини циклу.
2. Про передчасної старості.
Термінологія: в практиці прийнято позначати інтенсивність розряду у вигляді безрозмірних «одиниць С». 1С (один-це) чисельно дорівнює ємності батареї при розряді постійним струмом протягом 20 годин. Повний розряд визначається як розряд до 1.8В на банку при кімнатній температурі (тобто до 5.4 і 10.8В для 6В і 12В батарей). Величина 1.8В встановилася дослідним шляхом як нижня межа, при розряді нижче якої струмом 0.05С починається необоротне передчасне старіння батареї.
Таким чином, якщо дослідним шляхом для батареї визначено, що для того, щоб за 20 годин розрядити її від повністю зарядженого стану (2.1-2.3В на банку) до 1.8В на банку, потрібно розрядний струм 150мА, то номінальна ємність батареї встановлюється рівною 3.0 А * ч (= 0.15А * 20ч).
Інтенсивність струму 1С для даної батареї відповідає току розряду 3А, 2С - току розряду 6А і т.п. Якщо обмежити розряд досягненням заданого мінімуму напруги, тих же 10.8В - виявиться, що реальна ємність на струмі 1С скоротиться приблизно вдвічі в порівнянні з номінальною (cм.графік). А ось поріг незворотного старіння при великій інтенсивності розряду (1C і вище), навпаки, істотно знижується - до 8В.
Багаторазовий розряд батареї до напружень, що знаходяться нижче штриховий лінії призводить до виходу батареї з ладу.
На практиці, SLA працюють в двох режимах - буферном і циклічному. При буферному режимі роботи батарея постійно підключена до зарядного пристрою. Якщо в електричній мережі є напруга, то після заряду батарея протягом тривалого часу перебуває під дією кінцевого напруги заряду. Слабкий струм, що протікає через батареї, компенсує саморазряд батареї і постійно підтримує батарею в повністю зарядженому стані. У разі відключення напруги в електричній мережі, батарея розряджається на підключену до неї навантаження. Буферний режим роботи характерний для систем безперебійного живлення постійного і змінного струму, які широко застосовуються для комп'ютерів, комунікацій і безперервних виробництв. А також - автомобільних акумуляторів при регулярній експлуатації машини.
При циклічному режимі роботи батарею заряджають, а потім відключають від зарядного пристрою. Розряд батареї проводиться в міру необхідності. Циклічний режим роботи використовується при роботі різних переносних або перевозяться пристроїв: електричних ліхтарів, засобів комунікацій, вимірювальних приладів. Виробники акумуляторів зазвичай вказують в переліку технічних характеристик, для якого режиму роботи призначений той чи інший акумулятор.
Стало бути, якщо Ви вирішили живити від батарей напруженням в ламповому підсилювачі, то це циклічний режим (як приємно дізнатися, що все життя розмовляв прозою ...). Але чи означає це, що можна просто розряджати батарею до гранично допустимих лампами 5.7 або 11.4В? На ділі, нехай цей режим свідомо безпечніше розряду до «аварійних» 5.4 або 10.8В, він при неправильному виборі батареї призведе до досить глибоким циклам розряду, і тим самим скоротить термін її служби.
Глибина циклу розряду визначається як відношення реально відданих в навантаження ампер-годин до ампер-годинах, відповідним розряду до порога незворотного старіння. Ампер-години в знаменнику будуть збігатися з номінальною ємністю тільки для інтенсивності розряду 0.05С. На практиці, в якості знаменника використовується саме номінальна ємність (тим більше, що і постійний струм розряду - не більше, ніж ідеальне наближення).
Тепер давайте рахувати. У кожному каналі підсилювача -Пара ламп 6С4С (6В, 2А). Необхідно забезпечити мінімальний час роботи між зарядами 8 годин. При цьому напруга не повинна опускатися нижче 5.7В (по ТУ лампи), глибина циклу не більше 50%. З останньої вимоги слід, що ємність батареї - не менше 32А * год на канал (= 2А * 8ч / 50%). Інтенсивність розряду такої батареї 0.06С (= 32А * год / 2). З графіка випливає, що за 8 годин її напруга впаде всього-на-всього до 12.0-12.2В. Є запас! Але тільки у свіжій батареї. Якщо Ви не забудете її вчасно заряджати, то приблизно через 500 циклів (півтора роки щоденного задоволення) напруга за 8 годин буде падати до тих самих 5.7В, якщо не гірше ... Ставте автоматику на відключення при недостатньому напрузі, обов'язково ставте! До речі, 32А * год підозріло близько до значення ємності автомобільного акумулятора (50-65 А * год). Так що для струмів 2А і вище обслуговуються автомобільний акумулятор - цілком обґрунтована (за ціною) альтернатива. Ось з екологією і безпекою у них проблеми. З іншого боку, якщо велика АКБ не вписується в конструктив, то можна абсолютно без побоювання запараллелить кілька менших батарей (бажано, але не обов'язково - однієї серії, одного виробника, одного «віку» з початку експлуатації).
А може, спробувати буферний (черговий) режим, щоб заряджати постійно, без будь-якої автоматики? Тумблер вгору - батарея розряджається, лампи грають, тумблер вниз - йде заряд, лампи ... відключені від батарей! Нормальний режим заряду - заряд постійною напругою 2.4-2.5В на банку, на затискачах 6В батареї буде до 7.5В - лампи так недовго протягнуть (особливо якщо анодне живлення вимкнено).
При буферному режимі експлуатації ресурс батареї сильно залежить від температури. Найбільш сприятливою температурою для батареї вважається температура 15-20 градусів Цельсія. Збільшення температури на 10 градусів зменшує ресурс батареї вдвічі. На малюнку представлена типова залежність ресурсу від температури для акумуляторів з розрахунковим ресурсом 5 -7 років. Резюме - не ставте батареї в одному корпусі разом з лампами, пентіум і т.п. гарячими об'єктами. Ви запитаєте - а як же під капотом в машині. ну, по-перше, автомобільний акумулятор спеціально розрахований на широкий діапазон температур, по-друге, теплоємність АКБ настільки велика, що істотно прогріти її, навіть під капотом, непросто.
У згаданому прикладі, термін служби накальной батареї при щоденних 50% циклах - півтора року. А більше можна? У реальних умовах експлуатації стаціонарних акумуляторів потрібно враховувати зменшення ресурсу батареї в разі великого числа випробуваних її розрядів. Для 5-річних батарей, реальний ресурс буде не більше 3-х років, якщо батарея буде відчувати в середньому один 30-процентний розряд в день або один повний розряд в тиждень.
Найкращий режим заряду батареї при невеликій (не вище 75%) глибині розряду - заряд постійною напругою. Різні виробники дають трохи розрізняються значення, загальноприйнятних є напруга 2.4В на банку при циклічному заряді (14.4В для 12В батареї). В буферному режимі напруга може бути меншим, 2.3В на банку.
При заряді повністю розрядженої батареї цей режим призводить до перевантаження по початковому струму, тому використовується комбінований режим обмеження по струму і напрузі. Зазвичай він називається режимом заряду I-U. Виряджену батарею спочатку заряджають постійним струмом, чисельно (в амперах) не перевищує 0.1-0.3 номінальної ємності батареї (в ампер-годинах). Наприклад, для батареї ємністю 100 А * год струм заряду не повинен перевищувати 10-30 ампер. У міру заряду батареї напруга на батареї збільшується (при постійному струмі). Після того, як напруга на батареї досягне кінцевої напруги заряду, струм заряду починають зменшувати, зберігаючи напругу незмінним.
Кінцева напруга заряду при температурі 20 градусів Цельсія одно 2.25-2.3 вольта на елемент батареї. Для батареї з номінальною напругою 12 В (6 елементів) кінцева напруга заряду одно 13.5-13.8 В. Якщо батарея експлуатується при інших температурах, то для збільшення ресурсу батарей рекомендується зменшувати кінцева напруга заряду до 2.2-2.25 В / ел при температурі 40 градусів і збільшувати напруга до 2.35-2.4 В при температурі 0 градусів. Застосування такої температурної компенсації зарядного напруги дозволяє збільшити ресурс батареї при 40 градусах Цельсія на 15%.
Для повного заряду розрядженою батареї рекомендується проводити заряд протягом 24 годин. Якщо необхідний більш швидкий (протягом 8-10 годин) заряд батареї в разі циклічного режиму експлуатації, кінцева напруга заряду збільшують до 2.4-2.48 В / ел (при 20 градусах Цельсія) і обов'язково обмежують час заряду відповідно до залишковим зарядом батареї перед зарядкою .
Зарядний пристрій з постійною напругою струму заряду Щодо великий струм застосовується на початковій стадії заряду батареї. Коли напруга батареї досягне встановленого рівня, зарядний пристрій перемикається з режиму постійного струму на режим постійної напруги. Протягом цієї фази величина зарядного струму починає зменшуватися до рівня мінімального зарядного струму, відомого як підтримуючий ток.Значенія, наведені в таблиці, прийняті як стандартні.
Нормативні значення електричних величин для зарядного пристрою з постійним зарядним напругою
Для буферного режиму
Примітки: Для батарей, використовуваних в циклічному режимі, рекомендується використовувати датчик, що дозволяє перервати процес заряду після досягнення попередньо заданої величини напруги, або таймер.Температурний коефіцієнт необхідно брати до уваги, якщо заряд батареї відбувається при температурах нижче +10 0 С або вище +30 0С
Система прискореного заряду (тільки для батарей, що працюють в циклічному режимі) При прискореному заряді батареї необхідно використовувати пристрої, укомплектовані блоком температурної компенсації і термічним запобіжником, що дозволяють запобігти недостатній заряд батареї при низькій температурі або її перегрів при високій температурі навколишнього середовища
Нормативні значення електричних величин для режиму прискореного заряду батареї наведені в таблиці:
Початкове значення зарядного струму (А)
Зарядний напруга (Вольт / елемент при 20 ° С)
Час заряду (час, необхідний для повного заряду батареї, розрядженою на 50%) (годин)
Температура навколишнього середовища
Примітки: На батареї повинен бути встановлений термостат або термічний запобіжник, або необхідно використовувати таймер, що дозволяє вчасно припинити процес заряду. Максимальна величина початкового зарядного струму для батарей, ємністю понад 10 Ач, повинна відповідати наступним співвідношенням: I = C максимум
Зверніть увагу на останній абзац. Він того вартий. Особливо якщо багато батарей замуровані в погано вентильованому ящику - перегрів можливий навіть при звичайному (не прискорення) заряді, хай не катастрофічний, але все одно скорочує життя батарей.
5. Просте зарядний пристрій (повільний заряд I-U)
Поріг обмеження струму задається R4 (з урахуванням допустимого струму і потужності розсіювання мікросхеми). На практиці, коли джерело живлення для конкретного типу батарей вбудовується безпосередньо в апаратуру - регулювання граничного струму не потрібна, можна взагалі виключити ланцюг обмеження струму (Т2), передавши цю функцію вихідного опору фільтра джерела живлення.
При великих токах зручніше використовувати дискретні стабілізатори з прохідними N-МДП або складовими NPN транзисторами, керовані інтегральним стабілізатором. Незручність МДП - відносно високий порогове напруга - в малопотужних ЗУ вирішується підвищенням напруги основного (єдиного) джерела живлення, в потужних (див. Малюнок) - подвоювачем напруги.
Номінали подільників стабілізатора напруги (IC1) вказані для 6В батарей, номінали ємностей фільтра і резисторів стабілізатора струму (Т2) - для зарядних струмів не більше 2.5А, що досить для батарей ємністю до 10-15 А * ч. Трансформатор на вихідну напругу 9В хх, ток 5А. Перемикані шунти в ланцюзі база-емітер Т2 задають граничний струм заряду. Діод D11 - діод Шотткі на струм не менше 10 - захищає від переполюсовки батарей. Налаштування зводиться до завдання напруги стабілізації на еквіваленті навантаження 10 Ом (R6) і підбору шунтів R5.
6. Джерело негативного напруги в автомобілі
Для харчування кросоверів і т.п. пристроїв на ОУ з безпосереднім зв'язком можна поставити простий імпульсний джерело негативної напруги. А краще - батарею. Набагато краще! Ось тільки батарея ця повинна бути не на 12, а на 6 Вольт. Поясню. Швидше за все, батарея ця буде віддавати струм практично завжди, коли працює двигун. А заряджатися зможе тільки на стоянці. Але зарядити 12В свинцеву батарею від іншої 12В батареї - неможливо. Це навіть не буферний режим, а голодування. Потрібен генератор, який видає 14В, але де ж його взяти, на стоянці.
Для харчування кросовера з струмом споживання 20мА досить батарейки на 6В, 1.2Аг (розміром трохи більше пачки сигарет). Режим заряду I-U (200мА, 7.2 В). При вимкненому сигналі REMOTE батарея постійно заряджається від бортсети (мінус на землю, плюс на вихід стабілізатора - стан оптронов як показано на схемі). При включенні сигналу REMOTE батарея комутується плюсом на землю, мінусом на навантаження (шину живлення ОП). Струм заряду обмежений резистором R3 на рівні 75 мА. Повністю заряджена батарея Fiamm 10121 в такому режимі забирає у бортсети приблизно 15мА при кімнатній температурі. Ланцюжок R7-T1 блокує розряд батареї на дільник R5-R6 при відключенні від бортсети (передбачається, звичайно, що REM IN при цьому знятий і навантаження від батареї відключена). Струм по шині REMOTE 20mA. Таймер D1-C1-R1-IC1-IC2-FU1 затримує на 2 секунди передачу сигналу REM IN на вихід. Резистор R0 потрібен тільки для розряду ємності таймера, в практичних схемах його можна виключити або замінити на індикаторну ланцюг з світлодіодом. Діоди D1-3 - будь-які на постійний струм 1А.
Оптрони КР293КП9А, КР293КП3А можна замінити будь-якими МДП оптронами на струм не менше 200мА (293КП з літерою А). При комутації батареї Оптрон КР293КП9А з "протифазні" ключами в одному корпусі наскрізного струму при комутації я не спостерігав, при заміні на інші оптрони - слід переконатися, що його немає. Запобіжники FU1, FU2 - самовідтворюваними на струм спрацьовування 200мА. У фільтрі харчування на виході джерела -6В слід обмежитися мінімальною місткістю, щоб не перевантажити оптрони при комутації вони, до речі, додають 10 Ом до вихідного опору батареї). 293 серія не для амперних струмів! Це для "дорослих" реле. Це тема наступного проекту - ЦАП з повністю батарейках. але про це ще рано.