Автономные источники питания – аккумуляторные батареи, видятся в современных технологиях неотъемлемым элементом практически любых проектов. Для автомобильной техники аккумулятор тоже конструктивная часть, без которой немыслима полноценная эксплуатация транспорта. Всеобщая полезность аккумуляторов очевидна. Но технологически эти приборы всё-таки до конца не совершенны. Например, явное несовершенство отмечается частым зарядом аккумуляторов. Конечно же, здесь актуален вопрос, каким напряжением заряжать аккумулятор, чтобы сократить частоту подзарядки и сохранить все его рабочие свойства на длительный срок эксплуатации?
Досконально вникнуть в тонкости процессов заряда / разряда свинцово-кислотных аккумуляторных батарей (автомобильных ) помогут определения базовых параметров аккумуляторов:
- ёмкость,
- концентрация электролита,
- сила тока разряда,
- температура электролита,
- эффект саморазряда.
Под ёмкостью батареи аккумуляторов принимается электричество, отдаваемое каждой отдельной аккумуляторной банкой в процессе её разряда. Как правило, значение ёмкости выражается ампер-часами (А/ч).
На корпусе аккумуляторной батареи для автомобиля указывается не только номинальная ёмкость, но также стартерный ток при пуске автомобиля на холодную. Пример маркировки — аккумулятор производства Тюменского завода
Ёмкость разряда аккумулятора, обозначенная на технической бирке производителем, считается номинальным параметром. Помимо этой цифры, значимым для эксплуатации является также параметр ёмкости заряда. Необходимое значение заряда вычисляется формулой:
Сз = Iз * Тз
где: Iз – зарядный ток; Тз – время заряда.
Цифра, указывающая разрядную ёмкость батареи аккумуляторов, напрямую связана с другими технологическими и конструктивными параметрами и зависима от условий эксплуатации. Из конструктивно-технологичных свойств аккумулятора влияние на ёмкость разряда оказывают:
- активная масса,
- применяемый электролит,
- толщина электродов,
- геометрические размеры электродов.
Среди технологических параметров значимой для ёмкости батареи аккумуляторов также является степень пористости активных материалов и рецептура их приготовления.
Внутренняя структура свинцово-кислого автомобильного аккумулятора, куда входят так называемые активные материалы — пластины минусового и плюсового полей, а также иные компоненты
Не остаются в стороне и эксплуатационные факторы. Как показывает практика, сила разрядного тока в паре с электролита также способны оказывать влияние на параметр ёмкости аккумулятора.
Влияние концентрации электролита
Завышенный уровень концентрации электролита способствует сокращению срока службы аккумулятора. Условия работы батареи с высокой концентрацией электролита приводят к активизации реакции, результатом которой становится образование коррозии на плюсовом электроде аккумуляторной батареи.
Поэтому важно оптимизировать значение , учитывая те условия, в которых эксплуатируется аккумулятор и требования, предъявляемые производителем по отношению к таким условиям.
Оптимизация концентрации электролита аккумуляторной батареи видится одним из важных моментов эксплуатации прибора. Контроль уровня концентрации необходим обязательно
К примеру, для условий с умеренным климатом, рекомендованный уровень концентрации электролита для большей части автомобильных аккумуляторов доводят под плотность 1,25 – 1,28 г/см 2 .
А когда актуальна эксплуатация приборов применительно к жаркому климату, концентрация электролита должна соответствовать плотности 1,22 – 1,24 г/см 2 .
Аккумуляторы — сила тока разряда
Процесс разряда АКБ логично разделить условно на два режима:
- Длительный.
- Короткий.
Для первого события характерным видится разряд при малых токах на протяжении относительно длительного временного периода (от 5 до 24 часов).
Для второго события (короткий разряд, стартерный разряд), напротив, характерными являются большие токи в коротком промежутке времени (секунды, минуты).
Увеличение разрядного тока провоцирует снижение ёмкости батареи аккумуляторов.
Зарядное устройство Телетрон, которое успешно применяется для работы с кислотно-свинцовыми автомобильными батареями. Несложная электронная схема, но высокая эффективность действия
Пример:
Есть АКБ с ёмкостью 55 А/ч с рабочим током на клеммах 2,75А. При нормальных условиях окружающей среды (плюс 25-26ºС) ёмкость АКБ находится в пределах 55-60 А/ч.
Если разрядить батарею кратковременным током величиной 255 А, что эквивалентно увеличению номинальной ёмкости в 4,6 раза, номинальная ёмкость снизится до 22 А/ч. То есть, практически вдвое.
Температура электролита и саморазряд аккумулятора
Разрядная ёмкость аккумуляторных батарей естественным образом снижается, если падает температура электролита. Падение температуры электролита влечёт за собой увеличение степени вязкости жидкой составляющей. Как следствие, увеличивается электрическое сопротивление активного вещества.
Отключенная от потребителя, полностью бездействующая , имеет свойства терять ёмкость. Объясняется такое явление химическими реакциями внутри прибора, проходящими даже в условиях полного отключения от нагрузки.
Под влияние окислительно-восстановительных реакций попадают оба электрода – минусовой и плюсовой. Но в большей степени процессом саморазряда охвачен электрод отрицательной полярности.
Реакция сопровождается образованием водорода в газообразном виде. При увеличении концентрации в растворе электролита серной кислоты, отмечается увеличение плотности электролита от значения 1,27 г/см 3 до 1,32 г/см 3 .
Это соразмерно с 40%-ым увеличением скорости эффекта саморазряда на минусовом электроде. Прирост скорости саморазряда дают также и примеси металлов, входящие в структуру электрода отрицательной полярности.
Саморазряд автомобильного аккумулятора после продолжительного хранения. При полном бездействии, при отсутствии нагрузки батарея утратила значительную часть ёмкости
Нужно отметить: любые металлы, присутствующие в составе электролита и других компонентов аккумуляторов, способствуют усилению эффекта саморазряда.
Соприкасаясь с поверхностью отрицательного электрода, эти металлы вызывают реакцию, в результате которой начинается выделение водорода.
Некоторая часть существующих примесей исполняет роль переносчика зарядов от плюсового электрода к минусовому. При этом имеют место реакции восстановления и окисления ионов металлов (то есть опять же процесс саморазряда).
Бывают и такие случаи, когда АКБ утрачивает заряд от загрязнений на корпусе. За счёт загрязнений создаётся проводящий слой, замыкающий плюсовой и минусовой электроды
Помимо внутреннего саморазряда, не исключается внешний саморазряд аккумулятора автомобиля. Причиной такого явления может стать высокая степень загрязнённости поверхности корпуса АКБ.
Например, пролитый на корпус электролит, вода или иные технические жидкости. Но в этом случае эффект саморазряда легко устраняется. Достаточно лишь очистить корпус батареи и содержать его всегда в чистоте.
Заряд автомобильных аккумуляторов
Начнём от ситуации бездействия прибора (в отключенном состоянии). Каким напряжением или током заряжать аккумулятор автомобиля, когда прибор находится на хранении?
В условиях хранения АКБ основная цель зарядки направлена на компенсацию саморазряда. В этом случае зарядка обычно выполняется малыми токами.
Диапазон значений заряда, как правило, от 25 до 100 мА. При этом напряжение заряда необходимо поддерживать в границах 2,18 – 2,25 вольт по отношению к единичной аккумуляторной банке.
Выбор условий заряда аккумулятора
Зарядный ток аккумулятора обычно настраивается на определённую величину в зависимости от заданного времени подзаряда.
Подготовка автомобильной батареи аккумуляторов для подзарядки в режиме, который требуется определить с учётом технологических свойств и технических параметров при эксплуатации АКБ
Так, если предполагается заряжать аккумулятор в течение 20 часов, оптимальным параметром тока заряда считается величина, равная 0,05С (то есть 5% от номинальной ёмкости аккумулятора).
Соответственно, значения будут пропорционально увеличиваться, если менять один из параметров. К примеру, при 10-и часовой зарядке, сила тока уже составит 0,1С.
Заряд двухступенчатым циклом
При таком режиме изначально (первая ступень) осуществляется заряд током 1,5С до состояния, когда напряжение на отдельной банке достигнет значения 2,4 вольта.
После этого переводят зарядное устройство на режим по току заряда величиной 0,1С и продолжают заряжать до полного набора ёмкости 2 – 2,5 часа (вторая ступень).
Напряжение заряда в режиме второй ступени варьируется в пределах 2,5 – 2,7 вольта для одной банки.
Форсированный режим заряда
Принцип форсированного заряда предполагает установку значения зарядного тока на уровне 95% от номинальной ёмкости батареи – 0,95С.
Способ достаточно агрессивный, но позволяет всего за 2,5-3 часа зарядить аккумулятор практически полностью (на практике 90%). До 100% ёмкости зарядка форсированным режимом отнимет 4 – 5 часов времени.
Контрольно-тренировочный цикл
Практика эксплуатации автомобильных АКБ отмечает положительный результат, когда контрольно-тренировочный цикл применяется к новым аккумуляторным батареям, ещё не побывавшим в работе
Для этого варианта оптимальным является зарядка с параметрами, вычисленными простой формулой:
I = 0.1 * С20;
Заряжают до момента, когда напряжение на отдельно взятой банке составит 2,4 вольта, после чего уменьшают величину зарядного тока до значения:
I = 0.05 * C20;
При таких параметрах продолжают процесс до полного заряда.
Контрольно-тренировочный цикл охватывает также практику разряда, когда АКБ разряжается небольшим током 0,1С до уровня общего напряжения 10,4 вольта.
При этом степень плотности электролита поддерживается на уровне 1,24 г/см 3 . После разряда прибор заряжают по стандартной методике.
Общие принципы зарядки свинцово-кислотных АКБ
На практике применяют несколько способов, каждый из которых имеет свои сложности и сопровождается разным объёмом финансовых издержек.
Определиться, каким способом заряжать аккумуляторную батарею, несложно. Другой вопрос — какой результат будет получен от применения того или иного способа
Самым доступным и простым методом считается заряд постоянным током при напряжении 2,4 – 2,45 вольт/банка.
Процесс заряда продолжается до тех пор, когда величина тока будет оставаться постоянной в течение 2,5-3 часов. При таких условиях аккумулятор считается полностью заряженным.
Между тем большее признание среди автомобилистов получила методика комбинированного заряда. В этом варианте действует принцип ограничения начального тока (0,1С) до момента достижения заданного напряжения.
Затем процесс продолжается при постоянном напряжении (2,4В). Для этой схемы допустимо повышение первоначального тока заряда до 0,3С, но не более того.
Аккумуляторы, работающие в буферном режиме, рекомендуется заряжать при низких напряжениях. Оптимальные значения заряда: 2,23 – 2,27 вольта.
Глубокий разряд — устранение последствий
Прежде всего, следует подчеркнуть: восстановление АКБ до номинальной ёмкости возможно, но при условии, когда имели место не более 2-3 глубоких разрядов.
Заряд в таких случаях выполняется постоянным напряжением величиной равной 2,45 вольта на банку. Также допускается заряжать током (постоянным) величиной 0,05С.
Процесс восстановления АКБ может потребовать двух-трёх отдельных циклов заряда. Чаще всего для достижения полной ёмкости зарядку проводят именно в 2-3 цикла
Если заряд проводится напряжением 2,25 – 2,27 вольта, рекомендуется выполнить процесс дважды или трижды. Так как при малых напряжениях достичь номинала ёмкости в большинстве случаев не удаётся.
Конечно же, следует учитывать влияние окружающей температуры в процессе выполнения восстановления. Если температура окружающей среды находится в границах 5 – 35ºС, напряжения заряда изменять не требуется. В иных условиях потребуется корректировка заряда.
Видео по контрольно-тренировочному циклу АКБ
Метки:
Использованы материалы с сайтов www.jaycar.com, www.at-systems.ru, www.slt.ru. Графики и цитаты курсивом - www.at-systems.ru. Все остальное (c) klausmobile 2002. Повторение всех конструкций на страх и риск повторяющего...
1. Сначала пряники, кнуты потом…
Герметичные свинцово-кислотные аккумуляторы (SLA) – наиболее доступные по цене вторичные (перезаряжаемые) источники тока. Доступные, в нынешней экономике, означает, во-первых, наличие в продаже типовых батарей напряжением 6В и 12В, емкостью от одного до тысячи А*ч, во-вторых, то, что за 1 вечнозеленый у.е. можно купить от 1.5 до 6 Вт*ч номинальной емкости. Меньшая цифра соответствует малым батареям, большая – большим.
Что еще в плюсе? Относительно медленный саморазряд (не более 5% емкости в месяц при комнатной температуре), относительная долговечность при условии неглубоких циклов разряда. Отсутствие «памяти» (свойственной никель-кадмиевым аккумуляторам). Допускается постоянный «плавающий» подзаряд в дежурном режиме (именно так работают автомобильные аккумуляторы).
По сравнению со свинцово-кислотными аккумуляторами с жидким электролитом, герметичные аккумуляторы, естественно, выигрывают в эксплуатационной безопасности (нет вредных испарений, допустима работа в любом положении). А еще – герметичная батарея менее критична к условиям заряда, ее сложнее убить неграмотным зарядом. Дело в том, что гелевый электролит подобран так, что батарея никогда не заряжается полностью (с точки зрения химика). Стало быть, выделение газа при перезаряде не происходит, так как перезаряда просто нет. Это не значит, что о контроле режима заряда можно забыть. Нельзя. Об этом далее.
Что в минусе? Во-первых, низкая удельная емкость – 25..35 Вт*ч на килограмм массы, или 60..100 Вт*ч на литр объема. Во-вторых, существенное сокращение жизни батарей при глубоких циклах разряда, а также при систематическом разряде большими токами. В-третьих, существенная зависимость напряжения и внутреннего сопротивления от глубины цикла.
2. О преждевременной старости .
Терминология: в практике принято обозначать интенсивность разряда в виде безразмерных «единиц С». 1С (один-це) численно равен емкости батареи при разряде постоянным током в течении 20 часов. Полный разряд определяется как разряд до 1.8В на банку при комнатной температуре (т.е. до 5.4 и 10.8В для 6В и 12В батарей). Величина 1.8В установилась опытным путем как нижняя граница, при разряде ниже которой током 0.05С начинается необратимое преждевременное старение батареи.
Таким образом, если опытным путем для батареи определено, что для того, чтобы за 20 часов разрядить ее от полностью заряженного состояния (2.1-2.3В на банку) до 1.8В на банку, требуется разрядный ток 150мА, то номинальная емкость батареи устанавливается равной 3.0 А*ч (=0.15А * 20ч).
Интенсивность тока 1С для данной батареи соответствует току разряда 3А, 2С – току разряда 6А и т.п. Если ограничить разряд достижением заданного минимума напряжения, тех же 10.8В – окажется, что реальная емкость на токе 1С сократится примерно вдвое по сравнению с номинальной (cм.график). А вот порог необратимого старения при большой интенсивности разряда (1C и выше), наоборот, существенно снижается – до 8В.
Многократный разряд батареи до напряжений, находящихся ниже штриховой линии приводит к выходу батареи из строя.
На практике, SLA работают в двух режимах – буферном и циклическом. При буферном режиме работы батарея постоянно подключена к зарядному устройству. Если в электрической сети есть напряжение, то после заряда батарея в течение длительного времени находится под действием конечного напряжения заряда. Слабый ток, протекающий через батареи, компенсирует саморазряд батареи и постоянно поддерживает батарею в полностью заряженном состоянии. В случае отключения напряжения в электрической сети, батарея разряжается на подключенную к ней нагрузку. Буферный режим работы характерен для систем бесперебойного питания постоянного и переменного тока, которые широко применяются для компьютеров, коммуникаций и непрерывных производств. А также - автомобильных аккумуляторов при регулярной эксплуатации машины.
При циклическом режиме работы батарею заряжают, а затем отключают от зарядного устройства. Разряд батареи производится по мере необходимости. Циклический режим работы используется при работе различных переносных или перевозимых устройств: электрических фонарей, средств коммуникаций, измерительных приборов. Производители аккумуляторов обычно указывают в перечне технических характеристик, для какого режима работы предназначен тот или иной аккумулятор.
Стало быть, если Вы решили запитать от батарей накалы в ламповом усилителе, то это циклический режим (как приятно узнать, что всю жизнь говорил прозой…). Но значит ли это, что можно просто разряжать батарею до предельно допустимых лампами 5.7 или 11.4В? На деле, пусть этот режим заведомо безопаснее разряда до «аварийных» 5.4 или 10.8В, он при неверном выборе батареи приведет к достаточно глубоким циклам разряда, и тем самым сократит срок ее службы.
Глубина цикла разряда определяется как отношение реально отданных в нагрузку ампер-часов к ампер-часам, соответствующим разряду до порога необратимого старения. Ампер-часы в знаменателе будут совпадать с номинальной емкостью только для интенсивности разряда 0.05С. На практике, в качестве знаменателя используется именно номинальная емкость (тем более, что и постоянный ток разряда – не более, чем идеальное приближение).
Глубина цикла (если она повторяется от цикла к циклу) определяет срок службы батарей. При 100% глубине циклов срок службы SLA не превысит 200-300 циклов. Справочно, автомобильные аккумуляторы с жидким электролитом редко выдерживают более 20 глубоких циклов. При 30% глубине циклов количество их утраивается. Знаменитая Оптима гарантирует выживание при 100 циклах "в ноль" (у автора такая батарея служит четвертый год, но ни одного глубокого цикла "в ноль" так и не было...).
3. Пример из жизни
Теперь давайте считать. В каждом канале усилителя –пара ламп 6С4С (6В, 2А). Необходимо обеспечить минимальное время работы между зарядами 8 часов. При этом напряжение не должно опускаться ниже 5.7В (по ТУ лампы), глубина цикла не более 50%. Из последнего требования следует, что емкость батареи – не менее 32А*ч на канал (= 2А * 8ч / 50%) . Интенсивность разряда такой батареи 0.06С (= 32А*ч / 2). Из графика следует, что за 8 часов ее напряжение упадет всего-навсего до 12.0-12.2В. Есть запас! Но только у свежей батареи. Если Вы не забудете ее вовремя заряжать, то примерно через 500 циклов (полтора года ежедневного удовольствия) напряжение за 8 часов будет падать до тех самых 5.7В, если не хуже… Ставьте автоматику на отключение при недостаточном напряжении, обязательно ставьте! Кстати, 32А*ч подозрительно близко к значению емкости автомобильного аккумулятора (50-65 А*ч). Так что для токов 2А и выше необслуживаемый автомобильный аккумулятор – вполне обоснованная (по цене) альтернатива. Вот с экологией и безопасностью у них проблемы. С другой стороны, если большая АКБ не вписывается в конструктив, то можно совершенно без опаски запараллелить несколько меньших батарей (желательно, но не обязательно – одной серии, одного производителя, одного «возраста» с начала эксплуатации).
А может, попробовать буферный (дежурный) режим, чтоб заряжать постоянно, без какой-либо автоматики? Тумблер вверх – батарея разряжается, лампы играют, тумблер вниз – идет заряд, лампы… отключены от батарей! Нормальный режим заряда – заряд постоянным напряжением 2.4-2.5В на банку, на зажимах 6В батареи будет до 7.5В – лампы так недолго протянут (особенно если анодное питание выключено).
При буферном режиме эксплуатации ресурс батареи сильно зависит от температуры. Наиболее благоприятной температурой для батареи считается температура 15-20 градусов Цельсия. Увеличение температуры на 10 градусов уменьшает ресурс батареи вдвое. На рисунке представлена типичная зависимость ресурса от температуры для аккумуляторов с расчетным ресурсом 5 -7 лет. Резюме – не ставьте батареи в одном корпусе вместе с лампами, пентиумами и т.п. горячими объектами. Вы спросите - а как же под капотом в машине... ну, во-первых, автомобильный аккумулятор специально рассчитан на широкий диапазон температур, во-вторых, теплоемкость АКБ настолько велика, что существенно прогреть ее, даже под капотом, непросто.
В упомянутом примере, срок службы накальной батареи при ежедневных 50% циклах – полтора года. А больше можно? В реальных условиях эксплуатации стационарных аккумуляторов нужно учитывать уменьшение ресурса батареи в случае большого числа испытанных ее разрядов. Для 5-летних батарей, реальный ресурс будет не более 3-х лет, если батарея будет испытывать в среднем один 30-процентный разряд в день или один полный разряд в неделю.
4. Поподробнее о заряде
Наилучший режим заряда батареи при небольшой (не выше 75%) глубине разряда – заряд постоянным напряжением. Разные производители дают незначительно различающиеся значения, общеприемлемым является напряжение 2.4В на банку при циклическом заряде (14.4В для 12В батареи). В буферном режиме напряжение может быть меньшим, 2.3В на банку.
При заряде полностью разряженной батареи этот режим приводит к перегрузке по начальному току, поэтому используется комбинированный режим ограничения по току и напряжению. Обычно он называется режимом заряда I-U. Разряженную батарею сначала заряжают постоянным током, численно (в амперах) не превышающим 0.1-0.3 номинальной емкости батареи (в ампер-часах). Например, для батареи емкостью 100 А*час ток заряда не должен превышать 10-30 ампер. По мере заряда батареи напряжение на батарее увеличивается (при постоянном токе). После того, как напряжение на батарее достигнет конечного напряжения заряда, ток заряда начинают уменьшать, сохраняя напряжение неизменным.
Конечное напряжение заряда при температуре 20 градусов Цельсия равно 2.25-2.3 вольта на элемент батареи. Для батареи с номинальным напряжением 12 В (6 элементов) конечное напряжение заряда равно 13.5-13.8 В. Если батарея эксплуатируется при других температурах, то для увеличения ресурса батарей рекомендуется уменьшать конечное напряжение заряда до 2.2-2.25 В/эл при температуре 40 градусов и увеличивать напряжение до 2.35-2.4 В при температуре 0 градусов. Применение такой температурной компенсации зарядного напряжения позволяет увеличить ресурс батареи при 40 градусах Цельсия на 15 %.
Для полного заряда разряженной батареи рекомендуется проводить заряд в течение 24 часов. Если необходим более быстрый (в течение 8-10 часов) заряд батареи в случае циклического режима эксплуатации, конечное напряжение заряда увеличивают до 2.4-2.48 В/эл (при 20 градусах Цельсия) и обязательно ограничивают время заряда в соответствии с остаточным зарядом батареи перед зарядкой.
Зарядное устройство с постоянным напряжением тока заряда Относительно большой ток применяется на начальной стадии заряда батареи. Когда напряжение батареи достигнет установленного уровня, зарядное устройство переключается с режима постоянного тока на режим постоянного напряжения. В течение этой фазы величина зарядного тока начинает уменьшаться до уровня минимального зарядного тока, известного как поддерживающий ток.Значения, приведенные в таблице, приняты как стандартные.
Нормативные значения электрических величин для зарядного устройства с постоянным зарядным напряжением
Примечания: Для батарей, используемых в цикличном режиме, рекомендуется использовать датчик, позволяющий прервать процесс заряда по достижении предварительно заданной величины напряжения, или таймер.Температурный коэффициент необходимо принимать в расчет, если заряд батареи происходит при температурах ниже +10 0 С или выше +30 0 С
Система ускоренного заряда (только для батарей, работающих в цикличном режиме) При ускоренном заряде батареи необходимо использовать устройства, укомплектованные блоком температурной компенсации и термическим предохранителем, позволяющие предотвратить недостаточный заряд батареи при низкой температуре или ее перегрев при высокой температуре окружающей среды
Нормативные значения электрических величин для режима ускоренного заряда батареи приведены в таблице:
Примечания: На батарее должен быть установлен термостат или термический предохранитель, или необходимо использовать таймер, позволяющий вовремя прекратить процесс заряда. Максимальная величина начального зарядного тока для батарей, емкостью более 10 Ач, должна соответствовать следующему соотношению: I = C максимум
Обратите внимание на последний абзац. Он того стоит. Особенно если много батарей замурованы в плохо вентилируемом ящике – перегрев возможен даже при обычном (не ускоренном) заряде, пусть не катастрофический, но все равно сокращающий жизнь батарей.
5. Простое зарядное устройство (медленный заряд I-U)
Для заряда небольших батарей наиболее удобна типовая схема на ИС семейства LM117, LM 196, LM317 (142ЕН12, 1151ЕН1, 1157ЕН1). Источник - "Микросхемы для линейных источников питания", М, Додэка, 1998, стр.97, 122 и др.).
Порог ограничения тока задается R4 (с учетом допустимого тока и мощности рассеяния микросхемы). На практике, когда источник питания для конкретного типа батарей встраивается непосредственно в аппаратуру - регулировка предельного тока не нужна, можно вообще исключить цепь ограничения тока (Т2), передав эту функцию выходному сопротивлению фильтра источника питания.
При больших токах удобнее использовать дискретные стабилизаторы с проходными N-МДП или составными NPN транзисторами, управляемые интегральным стабилизатором. Неудобство МДП - относительно высокое пороговое напряжение - в маломощных ЗУ решается повышением напряжения основного (единственного) источника питания, в мощных (см. рисунок) - удвоителем напряжения.
Номиналы делителей стабилизатора напряжения (IC1) указаны для 6В батарей, номиналы емкостей фильтра и резисторов стабилизатора тока (Т2) - для зарядных токов не более 2.5А, что достаточно для батарей емкостью до 10-15 А*ч. Трансформатор на выходное напряжение 9В хх, ток 5А. Переключаемые шунты в цепи база-эмиттер Т2 задают предельный ток заряда. Диод D11 - диод Шоттки на ток не менее 10А - защищает от переполюсовки батарей. Настройка сводится к заданию напряжения стабилизации на эквиваленте нагрузки 10 Ом (R6) и подбору шунтов R5.
6. Источник отрицательного напряжения в автомобиле
Для питания кроссоверов и т.п. устройств на ОУ с непосредственной связью можно поставить простой импульсный источник отрицательного напряжения. А лучше - батарею. Намного лучше! Вот только батарея эта должна быть не на 12, а на 6 Вольт. Поясню. Скорее всего, батарея эта будет отдавать ток практически всегда, когда работает двигатель. А заряжаться сможет только на стоянке. Но зарядить 12В свинцовую батарею от другой 12В батареи - невозможно. Это даже не буферный режим, а голодовка. Нужен генератор, выдающий 14В, но где же его взять, на стоянке...
Для питания кроссовера с током потребления 20мА достаточно батарейки на 6В, 1.2Ач (размером чуть более пачки сигарет). Режим заряда I-U (200мА, 7.2 В). При выключенном сигнале REMOTE батарея постоянно заряжается от бортсети (минус на землю, плюс на выход стабилизатора - состояние оптронов как показано на схеме). При включении сигнала REMOTE батарея коммутируется плюсом на землю, минусом на нагрузку (шину питания ОУ). Ток заряда ограничен резистором R3 на уровне 75 мА. Полностью заряженная батарея Fiamm 10121 в таком режиме отнимает у бортсети примерно 15мА при комнатной температуре. Цепочка R7-T1 блокирует разряд батареи на делитель R5-R6 при отключении от бортсети (предполагается, конечно, что REM IN при этом снят и нагрузка от батареи отключена). Потребляемый ток по шине REMOTE 20mA. Таймер D1-C1-R1-IC1-IC2-FU1 задерживает на 2 секунды передачу сигнала REM IN на выход. Резистор R0 нужен только для разряда емкости таймера, в практических схемах его можно исключить или заменить на индикаторную цепь со светодиодом. Диоды D1-3 - любые на постоянный ток 1А.
Оптроны КР293КП9А, КР293КП3А можно заменить любыми МДП оптронами на ток не менее 200мА (293КП с литерой А). При коммутации батареи оптроном КР293КП9А с "противофазными" ключами в одном корпусе сквозного тока при коммутации я не наблюдал, при замене на другие оптроны - следует убедиться, что его нет. Предохранители FU1, FU2 - самовосстанавливающиеся на ток срабатывания 200мА. В фильтре питания на выходе источника -6В следует ограничиться минимальной емкостью, чтобы не перегрузить оптроны при коммутации они, кстати, добавляют 10 Ом к выходному сопротивлению батареи). 293 серия не для амперных токов! Это для "взрослых" реле. Это тема следующего проекта - ЦАП с полностью батарейным питанием... но об этом еще рано...
Список радиоэлементов
| Обозначение | Тип | Номинал | Количество | Примечание | Магазин | Мой блокнот | |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Простое зарядное устройство (схема 1) | |||||||
| IC1 | Линейный регулятор | LM117 | 1 | 142ЕН12 | В блокнот | ||
| T1 | Биполярный транзистор | КТ3102 | 1 | В блокнот | |||
| С1 | 1000 мкФ | 1 | В блокнот | ||||
| R1 | Резистор | 100 Ом | 1 | В блокнот | |||
| R2 | Переменный резистор | 470 Ом | 1 | В блокнот | |||
| R3 | Резистор | 1.5 кОм | 1 | В блокнот | |||
| R4 | Резистор | 1 Ом | 1 | для 600 мА | В блокнот | ||
| АКБ | 6 В | 1 | В блокнот | ||||
| Простое зарядное устройство (схема 2) | |||||||
| IC1 | ИС источника опорного напряжения | TL431 | 1 | В блокнот | |||
| T1 | MOSFET-транзистор | IRFP054 | 1 | В блокнот | |||
| T2 | Биполярный транзистор | КТ3102 | 1 | В блокнот | |||
| D1-D4 | Диод | КД213А | 4 | В блокнот | |||
| D5, D6 | Диод | 2 | В блокнот | ||||
| D7 | Стабилитрон | 20 В | 1 | В блокнот | |||
| D8 | Стабилитрон | 8 В | 1 | В блокнот | |||
| D11 | Диод Шоттки | 10 А | 1 | В блокнот | |||
| С1, С3, С6 | Электролитический конденсатор | 470 мкФ | 3 | В блокнот | |||
| С2 | Электролитический конденсатор | 10000 мкФ | 1 | В блокнот | |||
| С4 | Конденсатор | 1 мкФ | 1 | В блокнот | |||
| С5 | Электролитический конденсатор | 22000 мкФ | 1 | В блокнот | |||
| R1 | Резистор | 1 кОм | 1 | В блокнот | |||
| R2 | Резистор | 2 кОм | 1 | В блокнот | |||
| R3, R4, R8 | Резистор | 4.7 кОм | 3 | В блокнот | |||
| R5 | Резистор | 0.2 Ом | 1 | В блокнот | |||
| R6 | Переменный резистор | 100 Ом | 1 | В блокнот | |||
| R7 | Резистор | 100 Ом | 1 | В блокнот | |||
| Резистор | 1 | В блокнот | |||||
| Резистор | 1 | В блокнот | |||||
| Резистор | 1 | В блокнот | |||||
| D9, D10 | Светодиод | 2 | В блокнот | ||||
| L1 | Катушка индуктивности | 2 мГн | 1 | В блокнот | |||
| TP1 | Трансформатор | 1 | В блокнот | ||||
| GB1 | АКБ | 1 | В блокнот | ||||
| Переключатель | 1 | ||||||
В се, что написано выше, относится к зарядке свинцового аккумулятора при температуре 20 градусов Цельсия, а при других температурах нужно вводить температурную компенсацию зарядного напряжения. Зарядка свинцового аккумулятора возможна в диапазоне температур от -15 ° C до +40 ° C. При увеличении температуры, напряжение заряда должно быть меньше обычного, чтобы избежать перезарядки. А если зарядка аккумулятора производится при пониженной температуре, напряжение зарядки нужно увеличить, чтобы избежать недозарядки. Обычно рекомендуется использовать температурную компенсацию –3 мВ/° С.
4. Что будет, если не соблюдать правила зарядки свинцового аккумулятора?
О писанные выше способы зарядки свинцового аккумулятора позволяют зарядить аккумулятор быстро и безопасно. Они ориентированы на максимальное сохранение ресурса свинцового аккумулятора и замедление .
В озможна ли зарядка аккумулятора током, большим, чем максимально допустимый? Да, аккумулятор зарядится, даже если ток зарядки будет превышать установленный производителем максимум. Но, во-первых, если не уменьшить ток хотя бы в конце зарядки, то аккумулятор зарядится не полностью. А во-вторых, во время зарядки большим током перестанет быть эффективным механизм рекомбинации газов внутри , и электролит аккумулятора потеряет воду, даже, если потом, в конце зарядки, зарядный ток будет уменьшен. В результате превышения тока даже во время одной зарядки, аккумулятор не проработает весь расчетный ресурс и выйдет из строя раньше.
В озможна ли зарядка аккумулятора очень маленьким током, намного меньшим, чем максимально допустимый, скажем, током в 0.2% от емкости? Да, аккумулятор полностью зарядится даже таким током. Но зарядка аккумулятора будет продолжаться неоправданно долго - несколько недель. Кроме того, значительную часть этого времени аккумулятор будет находиться в разряженном состоянии, что почти эквивалентно хранению свинцового аккумулятора в разряженном состоянии. А это ведет к и ускоренному . Однократная зарядка очень малым током не выведет аккумулятор из строя, но такие зарядки не следует повторять часто.
Н еправильный выбор конечного напряжения зарядки также опасен для аккумулятора. Недостаточное конечное напряжение приведет к недозарядке аккумулятора, и он сделает шаг в сторону . А избыточное напряжение зарядки чревато выделением газов из аккумулятора и потерей воды электролитом. Это еще сильнее уменьшает ресурс аккумулятора, чем зарядка аккумулятора пониженным напряжением.
П ри температуре ниже -15° C зарядка аккумулятора не рекомендуется, поскольку при низкой температуре перестает работать механизм рекомбинации газов внутри , и электролит теряет воду.
5. Как определить, правильно ли проведена зарядка аккумулятора.
В полне достаточно соблюдать необходимые параметры зарядки аккумулятора: ток и напряжение (с учетом температуры), и зарядка аккумулятора будет успешной. В конце зарядки современного не должно быть никаких пузырьков, не допустимо даже небольшое выделение газа. Если вокруг предохранительных клапанов аккумулятора обнаружены следы электролита или белый налет, то аккумулятор заряжался неправильно.
П осле зарядки можно проверить аккумулятор - после зарядки должна полностью восстановиться.
Автомобильный аккумулятор имеет свойство со временем разряжаться. Причем разряжается он вне зависимости от того, пользуетесь вы им или нет. Генератор заряжает аккумулятор примерно до 60 % зарядки, а для полной зарядки батареи понадобится стационарное зарядное устройство. С наступлением холодного времени года необходимо полностью заряжать аккумулятор. Поэтому давайте разберемся, как зарядить свинцово-кислотный аккумулятор.
Какое зарядное устройство выбрать
Зарядные устройства для автомобильных аккумуляторов делятся на несколько типов. Некоторые типы зарядных устройств рассчитаны на конкретные аккумуляторы, но они не пользуются популярностью. В основном самые популярные зарядные устройства импульсные или трансформаторные. Трансформаторные зарядные устройства давно ушли в прошлое и почти пропали даже с рынков. Импульсные же достаточно современны и наиболее распространены за счет того, что они проще в эксплуатации, дешевле и обладают компактными размерами. Самое простое зарядное устройство можно найти в любом магазине автомобильных запчастей.
Зарядное устройство автомобильного аккумулятора может быть автоматическое или неавтоматическое. Отличаются они тем, что в процессе зарядки автоматическое зарядное устройство само понижает силу тока и перестает заряжать батарею. По окончании зарядки загорится лампочка на панели управления зарядным устройством, оповещающая о конце зарядки. А при зарядке неавтоматическим зарядным устройством человек сам должен выставлять заряжаемый ток.
Рассчитывают ток таким образом: батарею на 55 Ач заряжают током силой 5.5 А в течение 20 часов. После этого ток понижают вдвое (2.75 А) и продолжают зарядку еще 2 часа. Это обусловлено тем, что в процессе зарядки у батареи повышается сопротивление и для дальнейшей зарядки требуется уменьшать силу тока.
Во время зарядки неавтоматическим зарядным устройством следует периодически проверять аккумулятор. При повышении температуры следует прекратить зарядку батареи во избежание закипания электролита.
Обслуживание автомобильного аккумулятора сводится к ежегодной зарядке. Это довольно несложно и не займет много времени. Можно подзаряжать аккумулятор чаще, например, раз в полгода. В таком случае срок эксплуатации аккумулятора увеличивается.
Какие бывают аккумуляторные батареи
Для начала подзарядки необходимо определить тип аккумулятора. Аккумуляторные батареи бывают обслуживаемые или необслуживаемые. Обслуживаемые аккумуляторы можно зарядить вручную, а необслуживаемые только с помощью зарядного устройства. К необслуживаемым батареям относятся и герметичные аккумуляторы. Их отличие в том, что в них не жидкий, а гелеобразный электролит. Благодаря таким свойствам герметичные аккумуляторы можно использовать в любом положении, не боясь утечки электролита.
Как заряжать
Зарядка необслуживаемого аккумулятора. Для того чтобы зарядить необслуживаемую аккумуляторную батарею, нужно снять батарею с автомобиля и поставить на зарядку автоматическим или неавтоматическим зарядным устройством. Другим способом ее зарядить нельзя.
Зарядка обслуживаемого аккумулятора. Для того чтобы зарядить обслуживаемую аккумуляторную батарею, снимите ее с автомобиля. Зачистите выводы до блеска, если есть признаки окиси на металле. Теперь нужно пополнить уровень электролита.
Если зарядка происходит перед зимой в аккумулятор необходимо залить электролит для повышения плотности. Если зарядка происходит перед теплым временем года необходимо заливать дистиллированную воду, потому что в теплое время года повышенная плотность может разрушить аккумулятор.
Теперь нужно поставить аккумулятор на зарядку автоматическим зарядным устройством.
Видео
В этом видеоматериале показано, как собрать самодельное зарядное устройство:
Одним из самых востребованных аккумуляторов в мире до сих пор остается свинцово-кислотный. Несмотря на то, что этот тип батарей был изобретен еще в 19 веке, когда и началось его производство, благодаря высокой эффективности он остается популярным до сих пор. Сейчас можно встретить несколько разновидностей таких батарей.
Содрежание
Что такое свинцово кислотный аккумулятор
В классическом исполнении АКБ состоит из свинцовых пластин-электродов, которые перемежаются пористым диэлектриком. Такая компоновка позволяет избежать замыкания. Пористое вещество называют сепаратором. Вся конструкция помещена в электролит.
В современном исполнении электроды делаются в виде плоских решеток из свинца. Причем в эти решетки запрессовывают порошок, сделанный из диоксида свинца. Подобный подход значительно увеличивает полезную площадь взаимодействия электродов с электролитом, так удается увеличивать емкость АКБ.
Электролит представляет собой водный раствор серной кислоты. В растворе используют только дистиллированную воду, в ней отсутствуют соли и механические частицы, которые могут оказать влияние на работу батареи.
Важным параметром является электрическая проводимость электролита. Этот параметр зависит от процентного содержания кислоты в растворе, а также от температуры. Проводимость соответствует плотности, поэтому на практике обычно используют измерение плотности. При комнатной температуре оптимальной плотность электролита считается 1,26 г/см 3 , для этого достаточно получить раствор кислоты в 35%.
Сейчас можно встретить аккумуляторы, которые имеют вместо пластин сеть из переплетенных углеродных нитей, покрытых свинцовым напылением. Это позволяет снизить массу батареи, но при этом увеличить емкость. Эта технология недешевая, что снижает ее распространенность.
Иногда вместо жидкого электролита используют гель. Для этого электролит загущают щелочным раствором силикатов натрия. Такая технология значительно продлевает срок эксплуатации батареи.
Вместо обычного сепаратора, могут использоваться пористые варианты, сделанные из стеклоткани. Они маркируются – AGM. Допускают жесткие режимы заряда/разряда.
Разновидности и особенности свинцово кислотных АКБ
На практике сейчас можно встретить самые разные батареи. Это позволяет решать самые разные задачи по энергообеспечению самых разных устройств. Разберем наиболее популярные виды аккумуляторов.
- Lead-Acid. Требуют обслуживания. Считаются классическими автомобильными стартерными батареями. Сюда входят сурьмянистые, малосурьмянистые, и аккумуляторы. Обычно используют для двигателей внутреннего сгорания, но это не единственный вариант использования. Бывают варианты на 6v и 12v. Основной недостаток – высокий уровень саморазряда.
- AGM VRLA. Современные необслуживаемые батареи. Могут иметь вольтаж – 2v, 4v, 6v и 12v. Основная отличительная особенность – сепараторы выполнены из стекловолокна. Также обычно используется абсорбированный электролит. Это позволяет увеличить срок эксплуатации АКБ в полтора раза. Использование технологии сепараторов из стекловолокна сделало возможным увеличивать зарядный ток, что ускоряет зарядку. Обычно допускается заряжать током в 25-30% от емкости. Разработано несколько разновидностей, подходящих для разных буферных и циклических режимов.
- VRLA. Необслуживаемые АКБ с герметичным корпусом (необслуживаемые кальциевые и ). Могут иметь вольтаж – 2V, 4V, 6V и 12V. Предназначены для эксплуатации в буферном режиме. Не требуют дополнительной вентиляции при использовании в помещениях.
- GEL VLRA. Одна из самых современных модификаций. Тут применяется гелеобразный электролит. Однообразная консистенция, позволяет добиваться наиболее эффективного контакта электролита с электродом, что увеличивает емкость. Также гель позволяет продлить срок службы батареи. Является необслуживаемой батареей. Требует периодической зарядки, для продления срока эксплуатации нужно использовать только высокоточное зарядное устройство, оно должно обеспечивать точный уровень силы тока. Существует несколько разновидностей, отличающихся особенностями электродов. Обозначение каждого из них позволяет определить возможность использования АКБ в определенных условиях. Есть батареи 2v, 4v, 6v, 12v, 24v, 36v и 48v.
- OPzV. Это необслуживаемые АКБ 2V. Имеют трубчатые пластины электродов. Отличаются устойчивостью к глубокому разряду и продолжительностью службы до 22 лет.
Даже базовых разновидностей свинцово-кислотных АКБ достаточно много, также существуют и подвиды. Это позволяет подобрать батарею, идеально подходящую под ваши потребности.
Где применяются свинцово кислотные аккумуляторы
Используются такие АКБ достаточно широко. В первую очередь речь идет об автомобильной промышленности, где все стартерные батареи являются свинцово-кислотными. Такое использование обусловлено мощным током, который они могут воспроизводить, а также устойчивостью к большому уровню разряда.
Также часто именно такие батареи обеспечивают стационарные аварийные источники. Емкости бывает достаточно, чтобы закончить работу и перевести оборудование в отключенный режим. Примером такого являются бесперебойный источники питания для компьютерной техники.
Могут применяться в ИБП в этом случае, используют батареи с возможностью отдавать энергию небольшими порциями, но продолжительное время. Такие же требования к аккумуляторам предъявляют резервные источники питания. Оптимальным вариантом для решения подобной задачи станут AGM VRLA.
Такими АКБ могут комплектоваться электровелосипеды, гироскутеры, лодочные электромоторы и другая техника. Тут применяются тяговые аккумуляторы, позволяющие оптимально и экономно расходовать энергию и легко выдерживая частые глубокие разряды.
