Info Guide #09 31 июля 2006

Железо

Ликбез - Аккумуляторы. Практическое применение различных типов.

        Практическое применение

   Огромное количество сотиков в последнее
время  и их прогресс  "выбросили" на рынок
множество аккумуляторов Ni-MH и Li-ion ти─
пов.Цена на них колеблется и немного пада─
ет, особенно  на те модели, сотики которых
вышли  из  моды. Лично я использовал Ni-MH
аккумуляторы  формата  "AAA" для бритвы, в
которой сдохла пара нестандартно-корпусных
Ni-Cd. Пришлось  слегка  переделать схему,
чтобы  их  уместить. А ёмкость (взял самые
дешёвые) была раза в два больше оригиналь─
ных.Тянут хорошо (а нагрузка порядка поря─
дка  1 А - максимум), но  время покажет их
надёжность, я пока  не могу ничего сказать
(бритва у дяди).У меня в плеере SONY давно
стоят два GP "АА" на 1500 мА·часов и хоро─
шо работают, но плоховато  тянут последнее
время.Отчасти из-за случайного к.з. одного
аккумулятора, а отчасти  из-за долгой экс─
плуатации (хотя я сравнительно редко поль─
зуюсь плеером и заряжал аккумуляторы менее
30 раз). Я отметил погрешность в изменении
КПД при разряде, это свойственно таким ак─
кумуляторам, но  в начале эксплуатации они
просаживались больше, работая эффективней.
Видимо,производители характеристики немно─
го завышают...
   Как известно,для устранения эффекта па─
мяти  следует  периодически проводить цикл
полного разряда перед зарядом, и в сотиках
даже бывают соответствующие режимы в меню.
Но если аккумулятор изношен,это не поможет
(его и разрядить нормально не удастся, из-
за повышенного внутреннего сопротивления).
Вообще, судя по рынку, NiMH аккумуляторы и
подделываются, и бракуются в больших коли─
чествах,трудно сказать,сколько он протянет
(даже если сразу работает хорошо).Хотя ро─
дные  аккумуляторы (в комплекте телефона с
"родной" сборкой) редко подводят.
   Если  аккумуляторы "круглого" стандарта
выдерживают  большие  токи, то 9-вольтовые
(это  нормально) рассчитаны на слабую наг─
рузку, хорошо  подходят к тестерам, а не к
приёмникам. Я использую MINAMOTO и невысо─
кого мнения о них. Аккумулятор заметно по─
терял ёмкость,едва себя окупив.Я продолжаю
его  использовать (всё же не батарейки по─
купать),но теперь он напоминает батарейку,
которую подзарядили.Работает,конечно,доль─
ше, чем подобная батарейка,и не сдыхает,но
ёмкость мала.
   Про  наши - дисковые - разговор особый.
Они  действительно  надёжны  и  хороши для
слабых  токов (если  их уже не забраковали
технологически). Поделите  ёмкость на 10 и
не превышайте этот ток - всё будет O.K., и
никаких  эффектов  памяти (слабое проявле─
ние). Максимум - удвойте ток,но его замет─
ное превышение вызовет износ аккумулятора.
Тот позор,который творится у нас с исполь─
зованием Д 0,26 в заряжаемых фонариках ти─
па "ФоДиК" говорит о безграмотности общес─
тва и отсталости страны от прогресса в це─
лом. Также  можно  упомянуть  производимые
фирмой  ДиК зарядные устройства (пальчико─
вых аккумуляторов "AA"),которые быстро вы─
ходят из строя, а иногда убивают аккумуля─
торы (сдыхают от перегрева маломощные ста─
билитроны, иногда замыкая цепь - аккумуля─
тор). Ведь ясно, что перегрузка,но специа─
льно схему такую делают. Достаточно поста─
вить  вместо стабилитронов наши стабисторы
2С119, чтобы не было проблем.
   У сотовых  аккумуляторов, по идее, мощ─
ность  должна  быть хорошей, но не следует
рассчитывать на ток  более 0.5 - 1 ампера.
Причём ошибка заряжать аккумулятор (не Li)
большим током - это его изнашивает вследс─
твие  больших  потерь. Да  и Li следует от
большого  тока  беречь... Купив по дешёвке
исправный  аккумулятор  (я имею в виду, не
для  использования в сотике), следует рас─
считывать  на "мягкую" эксплуатацию и токи
в несколько  сотен мА (не более). Конечно,
надо беречь аккумулятор от перезаряда,хотя
бы  простым ограничением его ЭДС. Если ак─
кумулятор  с хорошей ЭДС просаживается под
нормальной нагрузкой (200 мА) более чем на
0.2 вольта, то  вряд ли  он будет работать
хорошо  и скорее всего изношен, либо брак.
Такой  даже  на  слабом токе может не дать
свою ёмкость.
   Хотите  большой  ток? Берите  несколько
аккумуляторов и соединяйте параллельно, но
предварительно  разрядите  до  одинакового
напряжения (разница максимум - сотые воль-
та).Не используйте очень тонкие провода,во
избежание блуждающих токов и повышения по─
терь. При этом вы выиграете и по мощности,
и  по  ёмкости, и  по надёжности питания в
целом,за счёт "дублирования" параллельного
включения.
   Брать  аккумуляторы  без  гарантий - на
рынке, по дешёвке - можно  лишь  с большой
осторожностью. Следует расспросить о прош─
лом  и не рассчитывать на лучшее. Конечно,
надо сразу проверить, как аккумулятор дер─
жит нагрузку (тестер и резистор с собой?).
Брать дохлые Li аккумуляторы по цене более
чем за 10 рублей сомнительно. Кто-то берёт
из-за оригинального корпуса - переставить,
- но  практическую  ценность  представляет
ключ,а он сам может быть повреждён. Конеч─
но, надо сразу проверять - есть напряжение
(исправен или пробит ключ) или нет (испра─
вен, в обрыве, сдох  аккумулятор). Но, как
правило,ключ исправен,а сам аккумулятор не
держит  ёмкость и/или большую нагрузку. 10
рублей - неплохая  цена  за ключ, учитывая
его хорошие характеристики и компактность,
да и на подпитку  памяти  аккумулятор пой─
дёт, ёмкость наверняка осталась значитель─
ная, а  сам аккумулятор  весьма компактен.
Пригодится и терморезистор,но он не всегда
бывает.

              Используем Li

   Допустим,вы решили запитать что-либо от
такого - исправного! - аккумулятора.
   Во-первых, если  нагрузка  не превышает
сотни мА, и расчётное время работы/ёмкость
вас устраивает, нет смысла разбирать акку─
мулятор  и выдирать из него схему управле─
ния (если,конечно,она сама вам не нужна) -
ведь это готовая защита,контролирующая по─
роги  заряда  и  разряда. Но при этом надо
помнить об отключении данной схемы при за─
ряде.При этом напряжение источника заряжа─
ющего тока будет расти до холостого значе─
ния, а это может повредить  питаемую схему
или ключ самого аккумулятора (если, к при─
меру, зарядка от сети,через резюк и диод).
Заряд слабым током можно ограничить стаби─
литроном (соответствующей мощности  на 4.7
В),подключив его параллельно аккумулятору,
но надо помнить  о нагреве и отводе тепла.
При мощном заряде надо модернизировать са─
мо  зарядное  устройство - ограничивая его
холостое напряжение,даже если рассеиванием
тепла (предполагается,что это будет проис─
ходить далеко от самого аккумулятора).Либо
придётся городить свой - внешний - ключ, с
триггером.Конечно,в последнем случае проще
залезть в аккумулятор и подключиться непо─
средственно  к нему (схема защиты сама ог─
раничит  заряд через внешние контакты), но
любое  неосторожное замыкание станет фата─
льным,к тому же,схемы отключения в аккуму─
ляторах  бывают с общим плюсом, а это неу─
добно и в ряде случаев не подойдёт к ситу─
ации.
   Если  нагрузка  низковольтная  (3 - 3.6
В), придётся собирать маленький стабилиза─
тор, который  и будет защищать нагрузку. А
само холостое напряжение заряда надо огра─
ничить для защиты аккумулятора (защиты его
схемы защиты), хотя, возможно,сам стабили─
затор не допустит превышения внешнего нап─
ряжения, действуя  отчасти как нагрузка. В
зависимости от требований стабилизатор мо─
жет быть и импульсным,а обычный надо эффе─
ктивно охлаждать - ради аккумулятора.
   Если  требуется  большая ёмкость и мощ─
ность, придётся  использовать параллельное
включение.Сперва разрядите все соединяемые
аккумуляторы. Для  этого к каждому подклю─
чите нагрузку часового тока,до отключения,
затем дайте импульс тока зарядки и подклю─
чите нагрузку 10-часового тока - до отклю─
чения, снова  дайте импульс тока зарядки и
соедините все аккумуляторы вместе, но каж─
дый через резистор 1 Ом. Спустя час, когда
напряжение практически не будет отличаться
и дифференциальные  токи  не будут опасны,
разберите  все аккумуляторы. Аккуратно (не
замыкая, хотя для севших аккумуляторов это
не столь опасно,но всё равно очень вредно)
спаяйте все аккумуляторы параллельно (само
собой,соблюдая полярность) и толстыми про─
водами.Аккумуляторы должны быть (очень же─
лательно)  на  одно номинальное напряжение
(3.6, 3.7, 3.8 В) и лучше,чтобы одной фир─
мы (проследите, чтобы  схемы защиты у всех
аккумуляторов  подключались  одинаково - с
общим  плюсом либо минусом). Теперь тонким
проводом  соедините  все затворы, не путая
между  собой  затворы входного и выходного
транзисторов (должны получиться две разные
цепи),кроме тех случаев,где они запаралле─
лены.А теперь уберите все управляющие схе─
мы (отпаяйте/отключите от ключей,кроме са─
мих ключей, конечно), но одну оставьте - у
одного  любого  аккумулятора - она и будет
управлять всеми ключами одновременно, пос─
кольку  они  образуют  единый полевой ключ
для единого аккумулятора.Возросшая ёмкость
затвора не проблема - ведь коммутация про─
исходит редко, а ток утечки всё равно нич─
тожно мал.Теперь закройте,заизолируйте по─
лученую  параллельную батарею, делайте это
максимально надёжно,чтобы соединённые про─
вода трудно было повредить и замкнуть.Под─
ключив небольшую нагрузку,дождитесь выклю─
чения  мультиаккумулятора. Теперь толстыми
проводами параллельно соедините позолочен─
ные клеммы. Вот вы и получили мощный и ём─
кий аккумулятор со схемой защиты.
   Почему бы просто не соединить аккумуля─
торы  на внешних клеммах? Зачем разбирать?
   Даже если взять аккумуляторы одного ти─
па и разрядить до одного напряжения, полу─
ченная "параллель" будет работать нестаби─
льно  и может  неожиданно  выйти  из строя
(полетят ключи, износятся сами аккумулято─
ры).Допустим,мы стали заряжать нашу "упро─
щённую"  батарею. Достигнув предела отклю─
чения,схемы сработают почти синхронно. Из-
за  разбаланса характеристик сработает од─
на,нагрузка заряда уменьшится - напряжение
подпрыгнет,и отключатся все остальные. За─
ряд  будет  почти идеален и ЭДС отличаться
почти не будет. Даже если представить, что
аккумуляторы сели немного по-разному и все
повыключались, то с появлением тока заряда
они все успешно подключатся,и даже с небо─
льшой  разницей  ЭДС дифференциальные токи
не  будут критическими (сопротивление сев─
шего аккумулятора заметно выше и демпфиру─
ет  броски тока, хотя это не проходит бес─
следно  и в целом  нежелательно). Но после
заряда  ЭДС начинает спадать из-за утечек,
а они могут отличаться.Соответственно,поя─
вится  некоторая разница (всего сотые доли
вольта). Теперь,допустим,мы подключили на─
грузку (при  этом, после  снятия заряда, к
выходу  окажутся подключены не все аккуму─
ляторы,а кто раньше "определил" падение во
внешней цепи. Остальные "подумают" по под─
ключившемуся, что режим заряда не окончен,
и будут  ждать падения. Ток нагрузки может
быть небольшим, и подключившиеся аккумуля─
торы будут медленно разряжаться,снижая ЭДС
и повышая разбаланс со "спящими" аккумуля─
торами. Но как только напряжение опустится
до порога подключения остальных,произойдёт
почти к.з.! Из-за  заметной (пусть и мале─
нькой) разницы ЭДС, ничтожного сопротивле─
ния  ключа (обусловлено  и почти полностью
заряжемным  аккумулятором) ток, вытекающий
из "проснувшегося" аккумулятора в работаю─
щий,будет очень большим. И тут уже вариан─
ты: ключ сдохнет от перегрева; ключ выдер─
жит, "подточив  своё  здоровье"; или будут
"бороться" аккумуляторы,причём маловероят─
но,что они сдохнут,но ухудшение их свойств
- износ - произойдёт. И  со  временем  или
ключи, или  аккумуляторы  от таких бросков
тока  выйдут из строя. Более благоприятный
момент - если нагрузка сразу окажется зна─
чительной и вызовет срабатывание всех клю─
чей  и подключения всех аккумуляторов сра─
зу.ЭДС при этом почти одинакова - и диффе─
ренциальные токи не столь опасны,но лишняя
силовая пульсация всё равно не к чему.
   Поэтому  лучше один раз повозиться, чем
выбрасывать сдохшие аккумуляторы и деньги.
Вообще, для  слабой нагрузки возможен ком─
промисс. Если вам нужна ёмкость, а не мощ─
ность,то можно соединить параллельно акку─
муляторы, каждый через резистор 0.2 - 1 Ом
0.25 Вт. Коммутационные  броски тока будут
ограничены  резисторами  и  не повредят ни
ключам, ни аккумуляторам. Ток нагрузки бу─
дет ограничен сотнями мА, а ёмкость неско─
лько  ниже  суммарной - часть  тока съедят
коммутационне потери.
   А на мощную нагрузку, работающую от ак─
кумуляторов, желательно собрать импульсный
преобразователь.Это заметно сэкономит эне─
ргию и сбережёт ёмкость.
  Допустим,вам надо более высокое напряже─
ние. Тогда соединяйте два аккумулятора по─
следовательно (они,конечно,должны быть ра─
вны  по ёмкости - очень желательно для эф─
фективного  использования). Можно и три...
Потом  сами  будете схему городить - пони─
жать. В идеале надо бы параллельно,и с по─
вышающим  импульсником, но последовательно
тоже  используют, например, в  современных
цифровых  видеокамерах формата miniDV, по─
лучая номинально/минимальные - 7.2 В. Но в
нашем случае каждый аккумулятор имеет свою
схему защиты, и при зарядке один,отключив─
шись  раньше, отключит  и другой, разорвав
общую цепь.За многократные циклы использо─
вания это накопит разбаланс заряда и пони─
зит общую ёмкость.Проще обойти это,исполь─
зуя нашего старого знакомого - стабилитрон
на 4.7 В - и запас по холостому напряжению
в источнике  заряда. Если мы подключим па─
раллельно аккумулятору стабилитрон,то пос─
ле отключения аккумулятора (по перезаряду)
по общей цепи  ток будет течь через стаби─
литрон, в обход отключенного аккумулятора,
и  другой (другие) аккумуляторы  продолжат
заряжаться.
   Но если мы заряжаем большим током,то на
стабилитроне будет рассеиваться много теп─
ла. А он ведь  рядом  с аккумулятором. Для
такого случая последовательно со стабилит─
роном ставят резистор (сотни Ом) - и ток с
мощностью  ограничиваются. Всё равно акку─
муляторы  почти  зарядились, и большой ток
оставшимся не нужен.Постепенно они дозаря─
дятся и выключатся, и при этом они зарядя─
тся лучше,чем первый аккумулятор, т.к. нет
потерь на бОльший ток, а защита отключится
при большем ЭДС. А в следующий раз такие -
чуть  перезаряженные - аккумуляторы отклю─
чатся первыми,а недозаряженный,в свою оче─
редь,перезарядится. И мы получаем стабиль─
ность  баланса  заряда. Конечно, суммарные
потери  при последовательном включении бо─
льше, как  и  во всех подобных случаях, но
схема использования  гораздо проще и удоб─
ней.

        Светлой памяти посвящается

   "Эх, меня бы в то время, да с современ─
ными технологиями!" - мысли многих...
   Возьмём старый 48-ой (Ленинград 5 В 0.6
А) и два одинаковых, самых дешёвых, но,ко─
нечно,хороших Li аккумулятора на 600 мА·ч.
Внутри (или  где-то  рядом) отыщем  БП, на
КРЕНке. Соединим аккумуляторы последовате─
льно, параллельно  каждому  припаяв КС147,
(обратно включенный!). Минус на общий,плюс
через  параллельно включенные диод КД212 и
резистор  100 Ом 0.5 Вт. Вот  и вся  схема
бесперебойного  питания. Правда, выключать
компьютер  теперь надо по цепи +5В, или до
КРЕНки, и работать он будет не час,а минут
40  (падение  напряжения  аккумуляторов на
ток нагрузки велико, и КРЕНка занизит нап─
ряжение компа ещё до того,как аккумуляторы
сядут).
   Но можно поставить современный интегра─
льный  трёхлапый чип с малым падением или,
пошевелив мозгами, собрать нормальный дис─
кретный стабилизатор.Тогда час работы обе─
спечен. На таких аккумуляторах всегда пол─
ная  ёмкость  больше номинальной - с запа─
сом.Ну,а если импульсник собрать - часа...
на полтора хватит (потери на падение вдвое
меньше, согластно меньшему току). Конечно,
надо  обеспечить  охлаждение аккумуляторов
(рядом радиатор с КРЕНкой).Да и не следует
с такими токами ставить одну батарею акку─
муляторов. Для  надёжной работы надо наби─
рать  более  мощные аккумуляторы и ставить
их параллельно.

                 Прогресс

   В то  время, как NiCd потехоньку вытес─
няют свинцовые на рынке большой ёмкости (в
автомобилях и бесперебойниках), а литиевые
вытесняют NiMH в переносной технике,предел
ёмкости стандарта AA уже достигнут для ти─
пичных - солевых и щелочных - представите─
лей.Теперь скорее идёт удешевление продук─
ции, скрытое  под  маркой появления новых,
более дорогих, элементов, не превосходящих
заметно имеющиеся. Кажется,небольшое улуч─
шение  на  рынке  гидридных  аккумуляторов
есть, по эксплуатационным характеристикам,
хотя очевидно "насыщение" максимальной ём─
кости. Пора рассчитывать на другие химиче─
ские разработки и технологии.
   Литиевые давно используют в мощной тех─
нике за рубежом. А у нас, в бытовой,их на─
чинают заменять полимерные, ещё более ком─
пактные (более ёмкие  при том же размере).
Скорее всего,используется более тонкая те─
хнология  изготовления - причём буквально,
делающая аккумулятор более тонким,плоским.
Ведь  в ионных  аккумуляторах лишний объём
не нужен, достаточно слоя,в котором содер─
жится заряд ионов. А слой может быть очень
тонок! Соответственно  и  пластины - лента
токосъёмника - может быть тонкА.Единствен─
ное - корпус банки аккумулятора,его тоньше
уже не сделаешь, он  должен быть прочным и
при этом нехрупким.Вследствие тонкости мо─
жно предположить, что полимерные аккумуля─
торы более чувствительны к ударам и проче─
му  внешнему воздействию. А ещё можно ска─
зать, что  их ёмкость возросла, а мощность
почти не изменилась. Поскольку их внутрен─
нее сопротивление осталось таким же (боль─
ше  более  тонких слоёв - как параллельное
увеличение проводимости,но слои пропорцио─
нально тоньше - увеличение сопротивления).
Теперь  дефекты  технологии  и  брак могут
проявляться чаще.

KSA-7G