10 15, PDFy
[ Pobierz całość w formacie 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
66
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
67
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.
68
E
LEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 10/96
odatnie Sprzężenie Zwrotne
A teraz przeanalizujmy rysunek 2
[ Pobierz całość w formacie PDF ]