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ENCICLOPÉDIA DE RÁDIO ELETRÔNICA E ENGENHARIA ELÉTRICA Funcionamento de baterias Ni-Cd seladas
Enciclopédia de eletrônica de rádio e engenharia elétrica / Carregadores, baterias, células galvânicas A ampla distribuição de baterias seladas de Ni-Cd (disco e cilíndricas) também gerou grande interesse nas questões de seu funcionamento, métodos e dispositivos para carregá-las. Muitos artigos foram publicados sobre esses temas, inclusive na revista Radio. Nos últimos anos, devido ao advento de novos eletrodomésticos alimentados por baterias recarregáveis (AB), o interesse pelo tema aumentou significativamente. No entanto, não existem muitos artigos dedicados ao funcionamento de baterias. A razão para esta situação é bastante objetiva: realizar pesquisas sobre o funcionamento do AB é uma tarefa muito demorada e trabalhosa. E, na íntegra, está além das capacidades dos rádios amadores. Isto, claro, não significa que os radioamadores não devam se envolver neste tipo de trabalho - eles simplesmente devem tratar os resultados obtidos de forma crítica e não fazer generalizações baseadas em resultados individuais. Um exemplo típico é o conhecido método de carregamento de baterias com corrente assimétrica [1, 2]. Todos estavam bem cientes de seus méritos, apenas uma pequena coisa permaneceu obscura - de onde veio, qual era a fonte original. Mas tal “ninharia” claramente não incomodou ninguém, pois depois de duas ou três publicações baseadas neste método de carregadores, pode-se escrever com segurança: “... como é sabido, carregar baterias com corrente assimétrica permite...” e mais adiante no texto. Outro exemplo é o método Woodbridge, tão frequentemente referido. Foi desenvolvido naqueles anos em que a produção em massa de baterias começou a atender às necessidades da indústria automotiva em desenvolvimento e as questões de sua operação tornaram-se tão urgentes que exigiam o envolvimento da ciência. Esta técnica foi criada para baterias específicas (ácidas), e a justificativa para expandir seu escopo de aplicação é desconhecida. Ou seja, não se justifica a utilização desta técnica para outras baterias. Como resultado, a situação hoje tornou-se tão confusa que se tornou simplesmente impossível compreendê-la. Isso é confirmado pelas revisões cuidadosas de alguns autores sobre o tema e pelas tentativas de obter conclusões práticas a partir delas - os autores nem percebem as contradições nas fontes a que se referem. Muito menos comuns são publicações verdadeiramente sérias, que incluem [3]. O artigo propõe uma tarefa mais modesta e, portanto, bastante realista - apresentar a experiência acumulada pelo autor neste tema. Lembramos mais uma vez que o artigo é dedicado apenas às baterias seladas de Ni-Cd de produção nacional, portanto, ao aplicar todas as suas disposições a outras baterias, deve-se ser crítico e cuidadoso. A principal característica das baterias elétricas é a quantidade de energia nelas armazenada, para cuja medição normalmente se utiliza uma unidade de medida fora do sistema - kWh ou seus múltiplos. Na prática, é mais conveniente usar outra característica das baterias - a carga nelas armazenada. Geralmente é chamado de capacidade. No sistema SI, a carga é medida em coulombs (1 C = 1A x 1 s), mas mais frequentemente eles também usam uma unidade de medida não pertencente ao sistema - Ah, e para baterias de pequena capacidade - mAh. As pessoas estão tão acostumadas com esse parâmetro que muitas vezes esquecem (ou nem sabem) que o principal indicador de uma bateria é a quantidade de energia armazenada, e não a capacidade. A relação entre a energia E da bateria e a capacidade C é determinada pela fórmula mais simples: E = C x Ucp, onde Ucp é a tensão média da bateria. Esta expressão fornece precisão suficiente para a prática. Mais precisamente, a energia é calculada através de uma integral. A capacidade nominal é o valor típico indicado nas características da bateria. É determinado principalmente pelo design da bateria e pela tecnologia de fabricação. É o último motivo (mais precisamente, a variação tecnológica durante a fabricação) que leva ao fato de que a capacidade das baterias, mesmo em um lote de produção, varia de até duas ou mais vezes. Na literatura, às vezes é indicado que as baterias são montadas a partir de baterias com capacidades semelhantes, mas em condições de produção em massa isso, é claro, é simplesmente irreal. Na URSS, a capacidade nominal era muitas vezes determinada de acordo com o princípio de “menos que menos”, o que fornecia uma reserva que permitia ao longo do tempo “aumentar” a capacidade da AB 7D-0,1 e de outras baterias simplesmente alterando os números no rótulo. Agora 7D-0,1 se transformou em 7D-0,125. É importante ressaltar que a capacidade é uma grandeza multifatorial, pois mesmo para uma instância específica depende de uma série de parâmetros: temperatura ambiente, modos de carga e descarga, etc. pois só mudando a metodologia não é difícil “alterar” a capacidade várias vezes. Mas geralmente é a metodologia que não é fornecida. Durante a operação, a tensão da bateria diminui do máximo para o mínimo. A tensão mínima é a tensão na qual a energia restante (carga) da bateria é insignificante e a operação posterior é impraticável, pois também reduz drasticamente a tensão (quando completamente descarregada, é zero). Para baterias de Ni-Cd, a tensão mínima é de cerca de 1 V, e este valor é um critério claro para completar a descarga. Assim, a área de trabalho da bateria é a faixa de tensão do máximo ao mínimo. Na área de trabalho, a energia restante (carga) pode ser determinada aproximadamente pela tensão da bateria. A tensão nominal é a média entre o máximo e o mínimo; Isso é o que normalmente é fornecido nos dados de referência da bateria. Para baterias Ni-Cd esta tensão é de aproximadamente 1,2 V. A tensão nominal de uma bateria, como qualquer outra célula galvânica, é determinada apenas pelo seu sistema eletroquímico, ou seja, par galvânico e eletrólito. É estrutural ou tecnologicamente impossível alterar este valor. Após a conclusão do carregamento e o desligamento do carregador, a tensão da bateria (UM3) é máxima e é de aproximadamente 1,43...1,45 V. Ela diminui rapidamente e após 10...25 minutos atinge um valor estável UMp igual a 1,37.. 1,39 V. A dispersão desses valores se deve principalmente a erros de medição, mas não é necessária maior precisão. O principal problema no funcionamento das baterias está relacionado ao seu carregamento e se deve à falta de um critério confiável para o seu término. Usar a voltagem da bateria para isso é ineficaz, pois pode ser alcançada antes de estar totalmente carregada. Este critério foi frequentemente utilizado em projetos amadores. Publicações recentes indicam que um critério não é suficiente, são necessários outros, e um deles sugere medir a temperatura da bateria. A temperatura é um parâmetro importante, pois permite determinar para onde “vai” a eletricidade - para carregar ou aquecer, ou seja, permite determinar o estado da bateria, mas não o grau de sua carga. A isto podemos acrescentar também que, em igualdade de condições, a influência da temperatura ambiente se manifestará em grande medida. Do exposto podemos tirar uma conclusão não muito reconfortante – hoje não existem critérios confiáveis para o fim da cobrança. Mais precisamente, ainda existe um tal critério, e será discutido a seguir, mas apesar de toda a sua aparente simplicidade, a sua implementação é muito problemática. A falta de critérios fiáveis de fim de carregamento é certamente decepcionante porque impede que a bateria seja totalmente carregada. Mas as baterias têm sido usadas com sucesso há décadas. E a primeira pergunta que surge é quanto é realmente necessária uma carga completa? Em condições reais, uma diferença de capacidade de até 15% é quase imperceptível, e isso é significativamente menor do que a variação de capacidade entre diferentes cópias. O projeto das baterias seladas é feito de forma que a vedação seja garantida pela pressão do gás no interior da caixa. Durante o carregamento, esta pressão aumenta e, se atingir o limite de elasticidade do material da caixa, a bateria incha. Neste caso, os contatos estão quebrados, o que leva à falha total da bateria. Para baterias de disco, às vezes é possível restaurar sua funcionalidade - elas devem ser comprimidas em uma morsa (por meio de uma junta isolante) até o tamanho anterior. Em casos mais graves, as baterias são abertas (explosão silenciosa) e não podem ser restauradas. A pressão do gás pode servir como um critério confiável para o fim da carga; em qualquer caso, permite determinar o limite além do qual a continuação da carga se torna perigosa. Mas a implementação prática deste método é problemática mesmo para baterias de alta capacidade, e para as pequenas é simplesmente irrealista. Durante o processo de descarga, a pressão cai e, se a tensão estiver abaixo do mínimo, pode cair para um nível que não proporciona vedação, o que levará ao vazamento do eletrólito. Entre outros problemas, o eletrólito vazado desvia os eletrodos da bateria, após o que a corrente de autodescarga aumenta devido a vazamentos superficiais. Armazenar uma bateria descarregada por muito tempo irá danificá-la. Sabe-se que baterias que não são utilizadas há muito tempo perdem capacidade e desempenho. Eles podem ser restaurados em vários ciclos de carga e descarga. Não importa exatamente como isso é feito - o “reavivamento” acontecerá de qualquer maneira. Com o tempo, ocorrem processos naturais de envelhecimento e o desempenho da bateria se deteriora. A vida útil das baterias é geralmente de 3 a 5 anos, mas durante o uso normal elas funcionam de forma confiável por 10 anos ou mais. Na prática, o mais comum é o chamado modo de carregamento padrão - 150% da capacidade nominal é “bombeada” na bateria, carregando-a por 15 horas com corrente de 0,1 C. A eficiência das baterias, ou seja, a relação entre a energia fornecida e a energia recebida, é muito difícil de determinar por uma série de razões, pelo que este indicador normalmente não é fornecido. Para baterias pequenas geralmente não tem importância, pois as perdas no carregador são obviamente maiores. Pode ser determinado aproximadamente com base no modo de carregamento padrão fornecido acima - 0,65 (65%). O modo padrão comprovou-se na prática e pode ser considerado o modo de referência. O carregador que o implementa pode ser extremamente simples e conter um diodo retificador e um resistor de extinção. A vantagem do método é que ele é capaz de carregar até baterias “meio descarregadas”. No entanto, também tem duas desvantagens significativas: longos tempos de carregamento e o perigo de sobrecarga. É verdade que este último não está mais relacionado ao método, mas à pessoa - muitas vezes elas simplesmente se esquecem de desligar o carregador a tempo. Este método tem apenas um ponto obscuro - de onde veio esse 0,1C? Não existe uma resposta clara e, ao longo dos anos, dificilmente é possível obtê-la, pelo que só podemos assumir que tal regime foi escolhido simplesmente por razões de compromisso. Com uma corrente de carga mais baixa, o tempo de carga aumentou inaceitavelmente (a 0.05C - 30 horas), e com uma corrente mais elevada foi necessário aumentar a potência do carregador e, consequentemente, as suas dimensões, peso e preço. Experimentos realizados pelo autor com AB 7D... mostraram que carregar com corrente igual à capacidade da bateria não causa danos. O método de carregar baterias a partir de uma fonte de tensão estável é muito interessante e promissor. Para ser mais específico, vamos chamá-lo de carregamento de tensão estável (SVC). É possível eliminar completamente a sobrecarga usando o método SSN, igual à tensão máxima da bateria. É verdade que não está totalmente claro qual deveria ser exatamente essa tensão: UM3 ou UMp, e para garantir é melhor escolher a mais baixa delas - UMp. No início do carregamento a corrente é máxima, após um curto período de tempo, na maioria dos casos, aumenta ligeiramente (aparentemente a resistência interna da bateria diminui). Então, à medida que a bateria carrega e sua tensão aumenta, a corrente diminui e no final do carregamento se aproxima assintoticamente de zero, ou mais precisamente, da corrente de autodescarga da bateria. Ao carregar uma bateria completamente descarregada, o pico inicial de corrente pode ser inaceitavelmente grande e deve ser limitado, por exemplo, incluindo uma resistência limitadora de corrente no circuito de carga. A principal desvantagem deste método é que ele fornece uma carga de 60...70% da capacidade nominal. Portanto, é aconselhável utilizá-lo para baterias de reserva, por exemplo, em relógios eletrônicos. Uma ligeira redução na capacidade da bateria para tais dispositivos não é significativa; é muito mais importante garantir uma operação confiável e de longo prazo. Este método também é aconselhável quando for necessário colocar a bateria em condições de funcionamento em 15...20 minutos. A razão pela qual este modo não carrega totalmente as baterias é bastante óbvia - é necessário aumentar a tensão de alimentação. Neste caso, a corrente de carga tende assintoticamente não a zero, mas a algum valor mínimo. Esta, essencialmente, estabilização da corrente de carga pode servir de critério para o fim da carga. Existe outro critério, mais confiável e mais fácil de implementar - reduzir a corrente de carga a um valor próximo do mínimo. Para a implementação prática do método proposto, é necessário selecionar experimentalmente o modo de carregamento para uma bateria específica: determinar a tensão de carga e o fim da corrente de carga. O circuito do carregador automático (CHD) é mostrado na Fig. 1. Permite carregar baterias com qualquer grau de descarga, inclusive as totalmente descarregadas. O tempo nominal de carga para baterias 7D-0.125, descarregadas a 1 V por bateria, é de aproximadamente 1,5 horas. Para baterias com menor grau de descarga, é correspondentemente reduzido. A capacidade de carga da bateria é de aproximadamente 0,85...0,95 da nominal. Depende do estado da bateria e da precisão da configuração da corrente na qual o dispositivo é desligado.
Trabalhar com o carregador é extremamente simples - após conectar a fonte de alimentação e a bateria a ser carregada, pressione brevemente o botão SB1. Ao mesmo tempo, o LED de sinalização HL1 acende e o carregamento começa. Quando a bateria estiver carregada, o dispositivo desligará automaticamente, o que elimina completamente o perigo de sobrecarga, e o LED de sinalização apagará. A base do carregador é o estabilizador de tensão DA1. O valor exato da tensão de saída é definido com o resistor de ajuste R9. O diodo VD1 evita que a bateria descarregue após o carregador ser desligado. Para reduzir as perdas, é utilizado um diodo Schottky, que apresenta menor queda de tensão em comparação aos diodos de silício convencionais. Um indicador - LED HL10 - é conectado à saída do carregador através de um resistor limitador de corrente R1. O capacitor C2 suaviza as ondulações de uma fonte de energia não estabilizada na entrada do estabilizador e também evita sua autoexcitação. A unidade de desligamento é um gatilho montado nos transistores VT1 e VT2 de diferentes estruturas. No estado inicial, após conectar a fonte de alimentação e carregar a bateria, o gatilho é desligado. Para ligá-lo, basta pressionar brevemente o botão SB1. Neste caso, o transistor VT1 abre e sua corrente de coletor através do resistor R2 abre o transistor VT2 - o carregador começa a funcionar. A corrente que flui através do dispositivo cria uma queda de tensão no resistor R5, que é fornecida à base do transistor VT6 através do resistor R3 e do divisor de tensão resistivo R4R1. O gatilho é ativado e o dispositivo continua funcionando mesmo depois que o botão SB1 é liberado. “Part-time”, o resistor R5 funciona como limitador de corrente máxima no início do carregamento de baterias completamente descarregadas. Durante o processo de carregamento, a tensão na bateria aumenta, o que leva a uma diminuição na corrente de carga, e quando atinge o valor mínimo definido, a queda de tensão no resistor R5 torna-se insuficiente para manter o gatilho no estado ligado - o carregador é desligado e o carregamento é interrompido. O valor exato da corrente mínima é definido com o resistor de ajuste R4. O capacitor C1 suaviza as ondulações de tensão no resistor R5 que aparecem quando o carregador é alimentado por uma fonte de alimentação não estabilizada. Na versão do autor, para alimentar o carregador é utilizada uma fonte não estabilizada de produção nacional BPN-12-1 com tensão de saída em circuito aberto de 18 V. É possível utilizar outras fontes de alimentação, inclusive estabilizadas, com tensão de saída de cerca de 15 V (para fontes de alimentação estabilizadas pode ser um pouco menos) a uma corrente de pelo menos 0,2 A. O dispositivo é montado em uma placa de circuito impresso feita de laminado de fibra de vidro revestido com folha unilateral com espessura de 1,5 mm. O desenho da placa de circuito impresso é mostrado na Fig. 2.
O dispositivo usa resistores de sintonia SPZ-19a. Resistor R5 - MLT-0,5 ou MT-0,5, R2 - MLT-0,25 ou MT-0,25; eles são instalados perpendicularmente à placa. Os demais resistores permanentes são sem fio para montagem em superfície, tamanho 1206. Eles são instalados na lateral dos condutores impressos. Capacitores - K50-35 ou similares importados. No lugar do diodo VD1, você pode usar qualquer diodo Schottky com corrente permitida de pelo menos 1 A. Qualquer LED. Botão SB1 - qualquer sem fixação. O conector para conectar a fonte de alimentação também pode ser qualquer coisa - o principal é que corresponda ao conector da fonte de alimentação. Para configurar, você precisará de um resistor variável enrolado com resistência de 560 Ohms e potência de 1 W. Ele é conectado à saída do carregador e a resistência é reduzida gradualmente até que o gatilho seja pressionado com segurança após o botão SB1 ser pressionado. lançado. Ajustando o resistor R9, a tensão de saída (medida diretamente na saída do estabilizador) é ajustada para 10,9 V. É um pouco mais difícil definir a corrente de desligamento. Como o shunt do miliamperímetro introduz um grande erro ao medir a corrente de carga, o miliamperímetro deve ser conectado na entrada do dispositivo. E embora neste caso a corrente consumida pelo próprio carregador seja adicionada à própria corrente de carga, o resultado é mais preciso. Para fazer isso, meça a corrente na entrada do carregador com o resistor trimmer R4 na posição intermediária e defina-o para aproximadamente 43 mA. Estas operações deverão ser realizadas várias vezes antes de obter o resultado desejado, pois é impossível “capturar” a corrente de desligamento de uma só vez. Um ajuste mais preciso pode ser feito trabalhando diretamente com a bateria, realizando diversos ciclos de controle de carga-descarga. O estabilizador KR142EN22 pode ser substituído por KR142EN12A ou KR142EN12B. A tensão de alimentação do carregador deve ser aumentada para 16...17 V. Literatura
Autor: A. Mezhlumyan, Moscou
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