Автоматическое разрядное устройство для аккумуляторов АА. Подбор элементов для аккумуляторной батареи Принцип работы устройства

Началось все с того, что моя фотомыльница наотрез отказалась работать со свежевынутыми из зарядного устройства аккумуляторами - четырьмя NiMH размера АА. Их бы взять, как обычно, да выбросить. Но почему-то в этот раз любопытство возобладало над здравым смыслом (или это может жаба подала голос), и захотелось понять - а нельзя ли из этих батарей выдавить еще хоть чего-нибудь. Фотоаппарат весьма охоч до энергии, но ведь есть и более скромные потребители - мышки беспроводные или клавиатуры, например.

Собственно параметров, интересных потребителю, два - емкость батареи и ее внутреннее сопротивление. Возможных манипуляций тоже немного - разрядить да зарядить. Измеряя в процессе разряда ток и время можно оценить емкость аккумулятора. По разнице напряжения аккумулятора на холостом ходу и под нагрузкой можно оценить внутреннее сопротивление. Повторив цикл разряд-заряд (т. е. выполнив «тренировку») несколько раз, можно понять имеет ли вообще это действо смысл.

Соответственно сформировался такой план - делаем управляемые разрядник и зарядник с возможностью непрерывного измерения параметров процесса, производим над измеренными величинами простые арифметические действия, повторяем процесс нужное число раз. Сравниваем, делаем выводы, выбрасываем наконец аккумуляторы.

Измерительный стенд

Сплошной сборник велосипедов. Состоит из аналоговой части (на схеме ниже) и микроконтроллера. В моем случае интеллектуальной частью был ардуино, хотя это совершенно не принципиально - лишь бы был необходимый набор входов/выходов.

Сделан стенд был из того, что нашлось в радиусе трех метров. Если кому-то захочется повторить, то вовсе не обязательно в точности следовать схеме. Выбор параметров элементов может быть весьма широким, далее я это немного прокомментирую.

Блок разряда представляет собой управляемый стабилизатор тока на ОУ IC1B (LM324N) и полевом транзисторе Q1. Транзистор практически любой, лишь бы хватило допустимых напряжений, токов и рассеиваемой мощности. А они тут все небольшие. Резистор обратной связи и одновременно часть нагрузки (вместе с Q1 и R20) для аккумулятора - R1. Его максимальная величина должна быть такой, чтобы обеспечить требуемый максимальный ток разряда. Если исходить из того, что разряжать аккумулятор можно до 1 В, то для обеспечения тока разряда, например, в 500 мА резистор R1 не должен быть больше 2 Ом. Управляется стабилизатор трехбитным резистивным ЦАП (R12-R17). Тут расчет такой - напряжение на прямом входе ОУ равно напряжению на R1 (которое пропорционально току разряда). Меняем напряжение на прямом входе - меняется ток разряда. Для масштабирования выхода ЦАП к нужному диапазону имеется подстроечный резистор R3. Лучше, чтобы он был многооборотный. Номиналы R12-R17 могут быть любыми (в районе десятков килоом), главное, чтобы выполнялось соотношение их величин 1/2. Особой точности от ЦАП не требуется, поскольку ток разряда (напряжение на R1) в процессе измеряется непосредственно инструментальным усилителем IC1D. Его коэффициент усиления равен K=R11/R10=R9/R8. Выход подается на АЦП микроконтроллера (А1). Изменением номиналов R8-R11 усиление можно подогнать к желаемому. Напряжение на батарее измеряется вторым усилителем IC1C, K=R5/R4=R7/R6. Зачем управление током разряда? Дело тут в основном вот в чем. Если разряжать постоянным большим током, то ввиду большого внутреннего сопротивления у изношенных батарей минимально допустимое напряжение 1 В (а другого ориентира для прекращения разряда нет) будет достигнуто раньше, чем аккумулятор на самом деле разрядится. Если разряжать постоянным малым током, то процесс растянется слишком надолго. Поэтому разряд ведется ступенчато. Восьми ступеней мне показалось достаточно. Если охота больше/меньше, то можно изменить разрядность ЦАП. Кроме того, включая-выключая нагрузку, можно прикинуть внутреннее сопротивление аккумулятора. Думаю, что дальнейших пояснений алгоритм работы контроллера при разряде не требует. По окончании процесса Q1 оказывается заперт, батарея полностью отключается от нагрузки, а контроллер включает блок заряда.

Блок заряда. Тоже стабилизатор тока, только неуправляемый, зато отключаемый. Ток задается источником опорного напряжения на IC2 (2.5 В, точность 1% согласно даташиту) и резистором R21. В моем случае ток заряда был классическим - 1/10 от номинальной емкости аккумулятора. Резистор обратной связи - R20. Источник опорного напряжения можно использовать любой другой - на ваш вкус и наличие деталей. Транзистор Q2 работает в более жестком режиме, чем Q1. Ввиду заметной разницы между напряжением Vcc и напряжением батареи на нем рассеивается заметная мощность. Это плата за простоту схемы. Но радиатор спасает положение. Транзистор Q3 служит для принудительного запирания Q2, т. е. для отключения блока заряда. Управляется сигналом 12 микроконтроллера. Еще один источник опорного напряжения (IC3) нужен для работы АЦП контроллера. От его параметров зависит точность измерений нашего стенда. Светодиод LED1 - для индикации состояния процесса. В моем случае он не горит в процессе разряда, горит при заряде и мигает, когда цикл закончен.
Напряжение питания выбирается таким, чтобы обеспечить открытие транзисторов и работу их в нужных диапазонах. В данном случае у обоих транзисторов напряжение отпирания затвора довольно велико - порядка 2-4 В. Кроме того, Q2 «подперт» напряжением батареи и R20, поэтому отпирающее напряжение на затворе стартует примерно от 3,5-5,5 В. В свою очередь LM323 не может поднять напряжение на выходе выше Vcc минус 1,5 В. Поэтому Vcc должно быть достаточно велико и в моем случае равно 9 В.

Алгоритм управления зарядом ориентировался на классический вариант контроля момента начала падения напряжения на батарее. Однако на деле оказалось все не совсем так, но об этом позже.
Все измеряемые величины в процессе «исследований» писались в файл, потом производились расчеты и строились графики.

Думаю, что с измерительным стендом все ясно, поэтому перейдем к результатам.

Результаты измерений

Итак, имеем заряженные (но неработающие) батареи, которые разряжаем и измеряем запасенную емкость, а заодно и внутреннее сопротивление. Выглядит это примерно так.

Графики в осях время, часы (X) и мощность, Вт (Y) для лучшей и худшей из батарей. Видно, что запасенная энергия (площадь под графиками) существенно разная. В числовом выражении измеренная емкость аккумуляторов составила 1196, 739, 1237 и 1007 мА*ч. Не густо, учитывая, что номинальная емкость (которая указана на корпусе) - 2700 мА*ч. И разброс весьма велик. А что же внутреннее сопротивление? Оно составило 0.39, 0.43, 0.32 и 0.64 Ом соответственно. Ужасно. Понятно почему мыльница отказывалась работать - батареи просто не в состоянии отдать большой ток. Ну что ж, приступим к тренировке.

Цикл первый. Опять отдаваемые мощности лучшей и худшей батареи.

Прогресс виден невооруженным глазом! Числа это подтверждают: 1715, 1444, 1762 и 1634 мА*ч. Внутреннему сопротивлению тоже похорошело, но очень неравномерно - 0.23, 0.40, 0.1, 0.43 Ом. Казалось бы есть шанс. Но увы - дальнейшие циклы разряда/заряда ничего не дали. Значения емкости, как и внутреннего сопротивления, изменялись от цикла к циклу в пределах около 10%. Что лежит где-то недалеко от пределов точности измерений. Т.е. длительная тренировка, во всяком случае для моих аккумуляторов, ничего на дала. Но зато стало ясно, что батареи сохранили больше половины емкости и вполне еще поработают на малом токе. Хоть какая-то экономия в хозяйстве.

Теперь хочу немножко остановиться на процессе заряда. Возможно мои наблюдения будут полезны кому-то, кто соберется конструировать интеллектуальное зарядное устройство.
Вот типичный график заряда (слева шкала напряжения на аккумуляторе в вольтах).

После начала заряда наблюдается провал напряжения. В разных циклах он может быть больше или меньше по глубине, немного разной длительности, иногда отсутствует. Далее в течение примерно 10 часов идет равномерный рост и затем выход почти на горизонтальное плато. Теория гласит, что при малом токе заряда не наблюдается падение напряжения в конце заряда. Я набрался терпения и все-таки дождался этого падения. Оно мало (на графике на глаз почти и не заметно), ждать его нужно очень долго, но оно всегда есть. После десяти часов заряда и до спада напряжение на батарее хоть и растет, но крайне незначительно. На итоговом заряде это почти не сказывается, каких-то неприятных явлений типа нагрева батареи не наблюдается. Таким образом при конструировании слаботочных зарядных устройств снабжать их интеллектом никакого смысла нет. Достаточно таймера на 10-12 часов, причем никакой особой точности при этом не требуется.

Однако такая идиллия была нарушена одним из элементов. Примерно через 5-6 часов заряда возникали весьма заметные колебания напряжения.

Сначала я было списал это на конструктивный недостаток моего стенда. На фото видно, что собрано все было навесным монтажом, а контроллер подключен довольно длинными проводами. Однако повторные эксперименты показали, что такая ерунда стабильно возникает с одним и тем же аккумулятором и никогда не возникает с другими. К своему стыду причину такого поведения я не нашел. Тем не менее (и на графике это хорошо видно) среднее значение напряжение растет так, как надо.

Эпилог

В итоге имеем четыре аккумулятора, которым точными научными методами найдена экологическая ниша. Имеем разочарование в возможностях процесса тренировки. И имеем один необъясненный эффект, возникающий при заряде.
На очереди батарейка побольше - автомобильный аккумулятор. Но там нагрузочные резисторы на пару порядков мощнее надо. Где-то едут по просторам Евразии.

На этом все. Спасибо за внимание.

Этой статьёй мы открываем новое для нашего сайта направление: тестирование аккумуляторов и гальванических элементов (или, выражаясь простым языком, батареек).

Несмотря на то, что всё большую популярность приобретают литий-ионные аккумуляторы, специфичные для каждой конкретной модели устройства, рынок стандартных элементов питания общего назначения до сих пор очень велик – от них питается масса различных изделий, начиная от детских игрушек и заканчивая недорогими фотоаппаратами и профессиональными фотовспышками. Велик и ассортимент этих элементов – батарейки и аккумуляторы разных типов, емкостей, размеров, торговых марок, качества изготовления...

На первых порах мы не ставим перед собой цель объять всё богатство элементов питания – мы ограничимся лишь наиболее стандартными и распространёнными из них: цилиндрическими батарейками и никелевыми аккумуляторами.

Данная же статья призвана познакомить вас с некоторыми базовыми понятиями, касающимися исследуемых нами элементов питания, а также с методикой тестирования и используемым нами оборудованием. Впрочем, многие теоретические и практические вопросы мы будем обсуждать и в последующих статьях, посвящённых уже конкретным элементам питания – тем более, что делать это на "живых примерах" много удобнее и нагляднее.

Типы аккумуляторов и гальванических элементов

Батарейки с солевым электролитом

Батарейки с солевым электролитом, они же цинк-углеродные (впрочем, в отличие от щелочных батареек, на упаковках солевых производители обычно просто не указывают их химию) – самые дешёвые химические источники тока из имеющихся в продаже: стоимость одной батарейки колеблется от четырёх-пяти до восьми-десяти рублей, в зависимости от марки.

Представляет собой такая батарейка цинковый цилиндрический контейнер (служащий одновременно и корпусом, и "минусом" батарейки), в центре которого находится угольный электрод ("плюс"). Вокруг анода размещён слой диоксида марганца, а оставшееся пространство между ним и стенками контейнера заполнено пастой из хлорида аммония и хлорида цинка, разведённых в воде. Состав этой пасты может варьироваться: в маломощных батарейках в ней доминирует хлорид аммония, а в более ёмких (обычно обозначаемых производителями как "Heavy Duty") – хлорид цинка.

При работе батарейки цинк, из которого сделан её корпус, постепенно окисляется, в результате чего в нём могут появиться прорехи – тогда электролит из батарейки вытечет, что может привести к порче устройства, в которое она установлена. Впрочем, такие проблемы были характерны в основном для отечественных батареек времён существования СССР, современные же надёжно упаковываются в дополнительную внешнюю оболочку и "текут" очень редко. Тем не менее, надолго оставлять в устройстве севшие батарейки не стоит.

Как уже упоминалось выше, химический состав электролита солевых батареек может немного варьироваться – в "мощной" версии используется электролит с преобладанием хлорида цинка. Впрочем, слово "мощный" применительно к ним можно писать разве что в кавычках – ни одна из разновидностей солевых батареек на сколь-нибудь серьёзную нагрузку не рассчитана: в фонаре их хватит на четверть часа, а в фотоаппарате может не хватить даже на выдвижение объектива. Удел солевых батареек – пульты дистанционного управления, часы да электронные термометры, то есть устройства, энергопотребление которых укладывается в единицы, в крайнем случае в десятки миллиампер.

Батарейки с щелочным электролитом

Следующий тип батареек – щелочные, или марганцевые батарейки. Некоторые не слишком грамотные продавцы и даже производители называют их "алкалиновыми" – это слегка искажённая калька с английского "alkaline", то есть "щёлочь".

Цены на щелочные батарейки варьируются от десяти до сорока-пятидесяти рублей (впрочем, большинство их типов укладываются в диапазон до 25 рублей, выделяются только отдельные модели повышенной мощности), а отличить от солевых их можно по обычно присутствующей в том или ином виде надписи "Alkaline" на упаковке (а иногда – и прямо в названии, например, "GP Super Alkaline" или "TDK Power Alkaline").

Отрицательный полюс щелочной батарейки состоит из цинкового порошка – по сравнению с цинковым корпусом солевых элементов, использование порошка позволяет увеличить скорость протекания химических реакций, а значит, и отдаваемый батарейкой ток. Положительный полюс – из диоксида марганца. Основным же отличием от солевых батареек является тип электролита: в щелочных в его качестве используется гидроксид калия.

Щелочные батарейки хорошо подходят для устройств с энергопотреблением от десятков до нескольких сотен миллиампер – при ёмкости порядка 2...3 А*ч они обеспечивают вполне разумное время работы. К сожалению, есть у них и существенный минус: большое внутреннее сопротивление. Если нагрузить батарейку действительно большим током, её напряжение сильно просядет, а значительная часть энергии будет расходоваться на нагрев самой батарейки – в результате эффективная ёмкость щелочных батареек сильно зависит от нагрузки. Скажем, если при разряде током 0,025 А нам удастся получить от батарейки 3 А*ч, то при токе 0,25 А реальная ёмкость упадёт уже до 2 А*ч, а при токе 1 А – и вовсе ниже 1 А*ч.

Тем не менее, какое-то время щелочная батарейка может работать и при большой нагрузке, просто это время сравнительно невелико. Скажем, если на солевых батарейках современный цифровой фотоаппарат может даже не включиться, то одного комплекта щелочных ему хватит на полчаса работы.

Кстати, если уж вы вынуждены использовать в фотоаппарате щелочные батарейки – купите сразу два комплекта и периодически меняйте их местами, это позволит немного продлить их жизнь: если разряженной большим током батарейке дать немного "отлежаться", она частично восстановит заряд и сможет проработать ещё немного. Минут пять.

Литиевые батарейки

Последний из широко распространённых типов батареек – литиевые. Как правило, они рассчитаны на напряжение, кратное 3 В, поэтому большинство типов литиевых батареек с полуторавольтовыми солевыми и щелочными не взаимозаменяемы. Такие батарейки широко используются в часах, а также – реже – в фототехнике.

Впрочем, существуют и литиевые батарейки на напряжение 1,5 В, выполненные в стандартных форм-факторах АА и ААА – их можно использовать в любой технике, рассчитанной на обычные солевые или щелочные батарейки. Основное преимущество литиевых батареек заключается в меньшем внутреннем сопротивлении по сравнению со щелочными: их ёмкость мало зависит от тока нагрузки. Поэтому, хотя при малом токе что щелочная, что литиевая батарейки имеют одинаковую ёмкость 3 А*ч, если поставить их в цифровой фотоаппарат, потребляющий 1 А, то щелочные "умрут" минут через тридцать, а вот литиевые проживут почти три часа.

Минусом литиевых батареек является высокая стоимость: мало того, что дорог сам литий, так ещё и в связи с опасностью его воспламенения при попадании воды конструкция батарейки оказывается заметно сложнее по сравнению с щелочными. В результате одна литиевая батарейка стоит 100-150 рублей, то есть в три-пять раз дороже очень хорошей щелочной. Примерно столько же стоит Ni-MH аккумулятор, обладающий сходными с литиевыми батарейками разрядными характеристиками, но способный пережить несколько сотен циклов заряд-разряд – поэтому покупка литиевых батареек оправдана лишь в том случае, когда вам негде, некогда или нечем зарядить обычные аккумуляторы.

Да, раз уж зашла речь о циклах заряда, необходимо сказать, что пытаться заряжать литиевые батарейки категорически нельзя! Если обычная щелочная или солевая батарейка при попытке её зарядить может, как максимум, просто вытечь, то герметичные литиевые батарейки при заряде взрываются.

Также, помимо хороших разрядных характеристик, у литиевых батареек есть ещё два преимущества, как правило, не очень существенных: долговечность (допустимый срок хранения достигает 15 лет, при этом батарейка потеряет всего 10 % ёмкости) и способность работать при отрицательных температурах, когда у солевых и щелочных батареек попросту замерзает электролит.

Никель-кадмиевые (Ni-Cd) аккумуляторы

Основной же альтернативой батарейкам являются аккумуляторы – источники тока, химические процессы в которых обратимы: при подключении аккумулятора к нагрузке они идут в одном направлении, а при приложении к нему напряжения – в обратном. Таким образом, если батарейку после использования приходится выбрасывать и приобретать новую, то аккумулятор можно зарядить до его полной (или почти полной) исходной ёмкости.

Рассматривать мы будем аккумуляторы, используемые в лёгкой бытовой электронной аппаратуре – поэтому тяжёлые (и в прямом, и в переносном смысле) свинцово-кислотные аккумуляторы, встречающиеся в автомобилях, блоках бесперебойного питания и других устройствах с большим энергопотреблением и без особых ограничений на вес и габариты, сразу остаются за бортом нашей сегодняшней статьи. А вот различным типам никелевых аккумуляторов внимания мы уделим много больше...

Первые никелевые – точнее говоря, никель-кадмиевые – аккумуляторы были созданы шведским учёным Вальдемаром Юнгером (Waldmar Jungner) аж в 1899 году, однако на тот момент были относительно дороги, да к тому же не являлись герметичными: при зарядке аккумулятор выделял газ. Лишь в середине прошлого века удалось создать никель-кадмиевую батарею с замкнутым циклом: выделяющиеся при зарядке газы поглощались самим же аккумулятором.

Никель-кадмиевые аккумуляторы надёжны и долговечны (их можно хранить до пяти лет, а заряжать – при правильном использовании – до 1000 раз), хорошо работают при низких температурах и легко выдерживают большие токи разряда, могут заряжаться как малыми, так и большими токами.

Минусов у них, впрочем, тоже немало. Во-первых, относительно маленькая плотность энергии (то есть отношение ёмкости элемента к его объёму), во-вторых, заметный ток саморазряда (после нескольких месяцев хранения аккумулятор перед использованием потребуется заново зарядить), в-третьих, использование в конструкции ядовитого кадмия, и, в-четвёртых, эффект памяти.

На последнем стоит остановиться подробнее, так как при разговоре об аккумуляторах мы его ещё не раз вспомним. Эффект памяти является следствием нарушения внутренней структуры аккумулятора: в нём начинают расти кристаллы, уменьшающие эффективную поверхность и, соответственно, ёмкость аккумулятора. Своё название эффект получил из-за того, что особенно быстро кристаллы растут при неполной разрядке аккумулятора: он как бы помнит, до какого уровня его разряжали в прошлый раз – если аккумулятор был разряжен, скажем, только на 25 %, то очередная зарядка восстановит его ёмкость не до 100 %, а меньше. Для борьбы с эффектом памяти аккумулятор рекомендуется перед зарядкой разряжать полностью – это разрушает образующиеся кристаллы и восстанавливает ёмкость аккумулятора. Среди доступных типов аккумуляторов именно никель-кадмиевые наиболее подвержены эффекту памяти.

Тем не менее, в некоторых случаях использование никель-кадмиевых аккумуляторов оправдано и сейчас – благодаря низкой стоимости, долговечности и возможности зарядки при низких температурах без отрицательных последствий для аккумулятора.

Никель-металлгидридные (Ni-MH) аккумуляторы

Несмотря на близкое соседство на полках магазинах, в историческом плане между Ni-Cd и Ni-MH аккумуляторами лежит пропасть: последние были разработаны лишь в 1980-х годах. Интересно, что изначально исследовалась возможность хранения водорода для никель-водородных батарей, применяемых в космической технике, но в результате мы получили и один из самых распространённых в быту типов аккумуляторов.

В отличие от никель-кадмиевых батарей, никель-металлгидридные не содержат тяжёлых металлов, а значит, безвредны для окружающей среды и не требуют специальной переработки при утилизации. Впрочем, это далеко не единственный их плюс: с точки зрения потребителей, то есть нас с вами, куда важнее, что при тех же размерах Ni-MH аккумуляторы имеют в два-три раза большую ёмкость – для наиболее распространённых аккумуляторов формата AA она доходит уже до 2500-2700 мА*ч против 800-1000 мА*ч у никель-кадмиевых.

Более того, Ni-MH аккумуляторы ещё и практически не страдают от эффекта памяти. Точнее говоря, производители год за годом уменьшают его влияние – и поэтому, хотя теоретически эффект присутствуют и в Ni-MH аккумуляторах, на практике у современных моделей он незначителен. Впрочем, мы не будем полагаться во всём на производителей и в одной из наших следующих статей попробуем сами оценить влияние эффекта памяти.

К сожалению, у Ni-MH аккумуляторов есть и свои проблемы. Во-первых, они имеют больший ток саморазряда (впрочем, об этом мы ещё раз поговорим чуть ниже) по сравнению с Ni-Cd, во-вторых, хотя число циклов перезарядки также может достигать 1000, падение ёмкости аккумулятора может наблюдаться уже после 200-300 циклов, в-третьих, слишком большие разрядные токи и зарядка при низких температурах заметно сокращают жизнь аккумулятора.

Тем не менее, по совокупности характеристик – стоимости, надёжности, ёмкости, простоте обслуживания – на данный момент Ni-MH аккумуляторы являются одними из лучших, что и обусловило их применение в огромной массе бытовых устройств.

В последнее время в продаже появились также так называемые "Ready To Use" ("готовы к использованию") Ni-MH аккумуляторы. От обычных они отличаются малым током саморазряда – производитель уверяет, что за полгода аккумулятор потеряет не более 10 % ёмкости, а за год – не более 15 % (для сравнения, обычный Ni-MH аккумулятор за месяц сядет на 20...30 %, а за год – в ноль). Отсюда и название: будучи заряженными ещё производителем, эти аккумуляторы не успеют полностью разрядиться до того, как вы купите их в магазине, а значит, их можно будет использовать без предварительной зарядки, сразу после покупки. Минусом таких аккумуляторов является меньшая ёмкость – элемент формата AA имеет ёмкость 2000...2100 мА*ч против 2600...2700 мА*ч для обычных Ni-MH аккумуляторов.

Зарядные устройства для Ni-Cd и Ni-MH аккумуляторов

Принципы заряда Ni-Cd и Ni-MH аккумуляторов во многом схожи – по этой причине современные зарядные устройства, как правило, поддерживают сразу оба типа. Методы же заряда и, соответственно, типы зарядных устройств можно разделить на четыре группы. При этом во всех случаях мы будем указывать зарядный ток через ёмкость аккумулятора: например, рекомендация заряжать током величиной "0,1С" означает, что аккумулятору ёмкостью 2700 мА*ч в такой схеме соответствует ток 270 мА (0,1*2700 = 270), а аккумулятору ёмкостью 1400 мА*ч – 140 мА.

Медленный заряд током 0,1C

Этот метод основан на том, что современные аккумуляторы легко выдерживают перезаряд (то есть попытку "залить" в них больше энергии, чем аккумулятор может хранить), если зарядный ток не превышает величины 0,1C. Если ток превышает эту величину, аккумулятор при перезаряде может выйти из строя.

Соответственно, слаботочное зарядное устройство не нуждается в каком-либо контроле окончания заряда: ничего страшного в избыточной его продолжительности нет, аккумулятор просто рассеет лишнюю энергию в виде тепла. Соответствующие зарядные устройства дёшевы и весьма широко распространены. Для зарядки аккумулятора достаточно оставить его в таком ЗУ на время не менее 1,6*C/I, где C – ёмкость аккумулятора, I – зарядный ток. Скажем, если мы берём ЗУ с током 200 мА, то аккумулятор ёмкостью 2700 мА*ч гарантированно зарядится за 1,6*2700/200 = 21 час 36 минут. Почти сутки... в общем, главный недостаток таких ЗУ очевиден – время зарядки зачастую превышает разумные величины.

Тем не менее, если вы никуда не торопитесь, такое зарядное устройство вполне имеет право на жизнь. Главное – если вы используете аккумуляторы малой ёмкости в паре с современным ЗУ, проверьте, чтобы ток зарядки (а он обязательно должен быть указан в характеристиках ЗУ) не превышал 0,1C. Также стоит учесть, что медленный заряд способствует проявлению у аккумуляторов эффекта памяти.

Заряд током 0,2...0,5С без контроля окончания заряда

Подобные зарядные устройства хоть и редко, но всё же встречаются – в основном среди дешёвой китайской продукции. При токе 0,2...0,5С они либо не имеют контроля окончания заряда вообще, либо имеют только встроенный таймер, выключающий аккумуляторы через заданное время.

Использовать подобные ЗУ категорически не рекомендуется : так как контроля окончания заряда нет, то в большинстве случаев аккумулятор окажется недо- или перезаряжен, что существенно сократит срок его жизни. Сэкономив на зарядном устройстве, вы потеряете деньги на аккумуляторах.

Заряд током до 1C с контролем окончания заряда

Этот класс зарядных устройств – наиболее универсален для повседневного применения: с одной стороны, они обеспечивают зарядку аккумуляторов за разумное время (от полутора до четырёх-шести часов, в зависимости от конкретного ЗУ и аккумуляторов), с другой, чётко контролируют окончание заряда в автоматическом режиме.

Наиболее часто встречающийся метод контроля окончания заряда – по спаду напряжения, обычно он называется "метод dV/dt", "метод отрицательной дельты" или "метод -ΔV". Заключается он в том, что в течение всей зарядки напряжение на аккумуляторе медленно растёт – но когда аккумулятор достигает полной ёмкости, оно кратковременно снижается. Это изменение очень небольшое, однако его вполне можно обнаружить – и, обнаружив, прекратить заряд.

Многие производители зарядных устройств также указывают в их характеристиках "микропроцессорный контроль" – но, по сути, это то же самое, что и контроль по отрицательной дельте: если он есть, то он осуществляется специализированным микропроцессором.

Впрочем, контроль по напряжению – не единственный доступный: в момент накопления аккумулятором полной ёмкости в нём резко возрастает давление и температура корпуса, что также можно контролировать. На практике, впрочем, технически проще всего измерять напряжение, поэтому другие методы контроля окончания заряда встречаются редко.

Также многие качественные зарядные устройства имеют два защитных механизма: контроль температуры аккумуляторов и встроенный таймер. Первый останавливает зарядку, если температура превысит допустимый предел, второй – если за разумное время остановка заряда по отрицательной дельте не сработала. И то, и другое может случиться, если мы используем старые или попросту некачественные аккумуляторы.

Закончив зарядку аккумуляторов большим током, наиболее "разумные" зарядные устройства ещё некоторое время дозаряжают их малым током (менее 0,1C) – это позволяет получить от аккумуляторов максимальную возможную ёмкость. Индикатор заряда на устройстве при этом обычно гаснет, показывая, что основная стадия зарядки закончена.

Проблем с подобными устройствами бывает две. Во-первых, не все из них способны с достаточной точностью "поймать" момент спада напряжения – но, увы, это проверить можно только опытным путём. Во-вторых, хотя такие устройства обычно рассчитаны на 2 или 4 аккумулятора, большинство из них не умеют заряжать эти аккумуляторы независимо друг от друга.

Например, если в инструкции к ЗУ указано, что оно может заряжать только 2 или 4 аккумулятора одновременно (но не 1 и не 3) – это значит, что оно имеет лишь два независимых канала заряда. Каждый из каналов обеспечивает напряжение около 3 В, а аккумуляторы включаются в них попарно-последовательно. Следствия из этого два. Очевидное заключается в том, что вы не сможете зарядить в подобном ЗУ одиночный аккумулятор (а, скажем, ваш покорный слуга ежедневно пользуется mp3-плеером, работающим именно от одного AAA-аккумулятора). Менее очевидное – в том, что контроль окончания заряда также осуществляется только для пары аккумуляторов. Если вы используете не слишком новые аккумуляторы, то просто из-за технологического разброса одни из них состарятся немного раньше других – и если в паре попались два аккумулятора с разной степенью старения, то такое ЗУ либо недозарядит один из них, либо перезарядит второй. Разумеется, это будет только усугублять темпы старения худшего из пары.

"Правильное" зарядное устройство должно позволять заряжать произвольное количество аккумуляторов – один, два, три или четыре – а в идеале, ещё и иметь для каждого из них отдельный индикатор окончания зарядки (в противном случае индикатор гаснет, когда зарядится последний из аккумуляторов). Только в таком случае у вас будут некоторые гарантии того, что каждый из аккумуляторов будет заряжен до полной ёмкости независимо от состояния остальных аккумуляторов. Отдельные индикаторы заряда позволяют также отлавливать преждевременно вышедшие из строя аккумуляторы: если из четырёх элементов, использовавшихся вместе, один заряжается значительно дольше или значительно быстрее остальных, значит, именно он и будет слабым звеном всей батареи.

Многоканальные зарядные устройства имеют и ещё одну приятную особенность: во многих из них при зарядке половинного количества аккумуляторов можно выбирать скорость заряда. Скажем, ЗУ Sanyo NC-MQR02, рассчитанное на четыре аккумулятора формата AA, при зарядке одного или двух аккумуляторов позволяет выбирать зарядный ток между 1275 мА (при установке аккумуляторов в крайние слоты) и 565 мА (при установке их в центральные слоты). При установке трёх или четырёх аккумуляторов они заряжаются током 565 мА.

Кроме удобства в эксплуатации, ЗУ данного типа являются и наиболее "полезными" для аккумуляторов: заряд током средней величины с контролем окончания заряда по отрицательной дельте является оптимальным с точки зрения увеличения срока жизни аккумуляторов.

Отдельный подкласс быстрых зарядных устройств – ЗУ с предварительным разрядом аккумуляторов. Сделано это для борьбы с эффектом памяти и может быть весьма полезно для Ni-Cd аккумуляторов: ЗУ проследит, чтобы сначала они были полностью разряжены, и только после этого начнёт заряд. Для современных Ni-MH такая тренировка уже не является обязательной.

Заряд током более 1C с контролем окончания заряда

И, наконец, последний метод – сверхбыстрый заряд, продолжительностью от 15 минут до часа, с контролем заряда опять же по отрицательной дельте напряжения. Достоинств у таких ЗУ два: во-первых, вы почти моментально получаете заряженные аккумуляторы, во-вторых, сверхбыстрый заряд позволяет в большой степени избежать эффекта памяти.

Есть, впрочем, и минусы. Во-первых, не все аккумуляторы хорошо выдерживают быстрый заряд: недостаточно качественные модели, имеющие большое внутреннее сопротивление, могут в таком режиме перегреваться вплоть до выхода из строя. Во-вторых, очень быстрый (15-минутный) заряд может негативно влиять на срок жизни аккумуляторов – опять же, из-за их избыточного нагрева при заряде. В-третьих, такой заряд "наполняет" аккумулятор лишь до 90...95 % ёмкости – после чего для достижения 100 % ёмкости требуется дополнительный дозаряд малым током (впрочем, большинство быстрых ЗУ его осуществляют).

Тем не менее, если вы нуждаетесь в сверхбыстрой зарядке аккумуляторов, приобретение "15-минутного" или "получасового" ЗУ будет хорошим выходом. Разумеется, использовать с ним надо только качественные аккумуляторы крупных производителей, а также своевременно исключать из батарей отслужившие своё экземпляры.

Если же вас устраивает продолжительность заряда в несколько часов, то оптимальными по-прежнему остаются описанные в предыдущем разделе ЗУ с зарядным током менее 1C и контролем окончания заряда по отрицательной дельте напряжения.

Отдельный вопрос – совместимость зарядных устройств с разными типами аккумуляторов. ЗУ для Ni-MH и Ni-Cd, как правило, универсальны: любое из них может заряжать аккумуляторы каждого из этих двух типов. ЗУ для Ni-MH аккумуляторов с окончанием заряда по отрицательной дельте напряжения, даже если для них это не заявлено прямо, могут работать и с Ni-Cd аккумуляторами, а вот наоборот – увы. Дело здесь в том, что скачок напряжения, та самая отрицательная дельта, у Ni-MH заметно меньше, чем у Ni-Cd, поэтому не всякое ЗУ, настроенное на работу с Ni-Cd, сможет "почувствовать" этот скачок на Ni-MH.

Для других же типов аккумуляторов, включая литий-ионные и свинцово-кислотные, эти ЗУ непригодны в принципе – такие аккумуляторы имеют совершенно другую схему заряда.

Методика тестирования

В процессе тестирования аккумуляторов и гальванических элементов в нашей лаборатории мы измеряем следующие их параметры, наиболее важные для определения как качества элементов (то есть их соответствия обещаниям производителя), так и разумной области использования:

ёмкость при различных режимах разряда;
величина внутреннего сопротивления;
величина саморазряда (только для аккумуляторов);
наличие эффекта памяти (только для аккумуляторов).

Основная часть испытательного стенда – это, разумеется, регулируемая нагрузка, позволяющая разряжать заданным током до четырёх аккумуляторов или батареек одновременно.

Для контроля напряжения всех четырёх элементов используется цифровой самописец Velleman PCS10, подключаемый к компьютеру по USB-интерфейсу. Погрешность измерения составляет не более 1 % (собственная погрешность самописца – 3 %, но мы дополнительно калибруем каждый из его каналов, внося соответствующие поправки в итоговые данные), дискретность измерения напряжений – 12 мВ, периодичность измерений – 250 мс.

Схема установки достаточно проста: это четыре отдельных стабилизатора тока, выполненных на операционном усилителе LM324 (эта микросхема как раз состоит из четырёх ОУ в одном корпусе) и полевых транзисторах IRL3502. Управляются все стабилизаторы одним многооборотным переменным резистором, поэтому ток на них выставляется одновременно – это упрощает настройку установки на конкретный тест и сводит к минимуму погрешность ручной установки тока. Возможные пределы изменения нагрузки – от 0 до 3 А на каждый элемент питания.

Для измерения напряжения на ещё одной микросхеме LM324 собраны четыре дифференциальных усилителя, входы которых подключены непосредственно к контактам колодки, в которую устанавливаются аккумуляторы – это полностью исключает погрешность, вносимую потерями на соединительных проводах. С выходов дифференциальных усилителей сигнал поступает на самописец.

Кроме того, в схеме присутствует не показанный на рисунке выше генератор прямоугольных импульсов, периодически то включающий, то полностью отключающий нагрузку. Длительность "нуля" на выходе генератора равна 6,0 с, длительность "единицы" – 2,25 с. Генератор позволяет протестировать элементы питания в режиме работы с импульсной нагрузкой и, в частности, определить их внутреннее сопротивление.

Также на рисунке выше не показана схема питания установки: она подключается к блоку питания компьютера, его выходное напряжение (+12 В) понижается до +9 В стабилизатором на микросхеме 78L09, а необходимое для двуполярного питания ОУ напряжение -9 В формируется емкостным конвертером на микросхеме ICL7660. Впрочем, это уже малосущественные нюансы, которые мы обсуждаем лишь затем, чтобы заранее предупредить вопросы о корректности проведения измерений, могущие возникнуть у сведущих в электронике читателей.

Для охлаждения силовых транзисторов, шунтов обратной связи и собственно тестируемых элементов питания вся установка обдувается стандартным 12-вольтовым вентилятором типоразмера 80x80x20 мм.

Для получения и автоматической обработки данных с самописца была написана специальная программа – к счастью, компания Velleman для многих своих приборов поставляет весьма простые в использовании SDK и наборы библиотек. Программа позволяет в реальном времени строить графики напряжения на элементах питания в зависимости от прошедшего с начала теста времени, а также рассчитывать – по окончании теста – их ёмкость. Последняя, очевидно, равна произведению разрядного тока и времени, за которое элемент достиг нижней границы напряжения.

Граница же выбирается в зависимости от типа элемента и условий разряда. Для аккумуляторов при малых токах это 1,0 В – ниже разряжать их просто нельзя, так как это может привести к необратимой порче элемента; на больших токах нижняя граница снижается до 0,9 В, чтобы должным образом учесть внутреннее сопротивление аккумулятора.

Для батареек практический смысл имеют две границы разряда. С одной стороны, элемент считается полностью опустошённым, если напряжение на нём упало до 0,7 В – поэтому логично измерять ёмкость именно по факту достижения этого уровня. С другой стороны, не все питающиеся от батареек устройства способны работать при напряжениях ниже 0,9 В, поэтому практическое значение имеет и то, когда аккумулятор разрядился до данного уровня. В наших тестах мы будем приводить оба этих значения – хотя многие элементы, достигнув уровня 1,0 В, дальше разряжаются очень быстро, есть и такие, которые сравнительно долго держатся между 0,7 В и 0,9 В.

Итак, установив элементы питания, выставив нужный ток и включив самописец, мы начинаем тестирование. Для каждого типа элементов питания были выбраны несколько режимов разрядки – с целью получить наиболее интересные и характерные результаты.

Для батареек это:

разрядка малым постоянным током: 250 мА для элементов формата АА, 100 мА – формата ААА;
разрядка большим постоянным током: 750 мА для элементов формата АА, 300 мА – формата ААА;

Для Ni-MH аккумуляторов это:

разрядка малым постоянным током: 500 мА для элементов формата АА, 200 мА – формата ААА;
разрядка большим постоянным током: 2500 мА для элементов формата АА, 1000 мА – формата ААА;
разрядка импульсным током: длительность импульса 2,25 с, длительность паузы 6,0 с, амплитуда тока 2500 мА для элементов формата АА и 1000 мА – формата ААА.

Для Ni-Cd аккумуляторов формата AA разрядные режимы выбраны такими же, как и для Ni-MH аккумуляторов формата AAA – с учётом схожей паспортной ёмкости первых и вторых.

Если при тестировании батареек всё просто – распечатал упаковку, вставил батарейку в установку, запустил тест – то аккумуляторы надо предварительно готовить, ибо все они, кроме упоминавшейся выше серии "Ready To Use", на момент покупки полностью разряжены. Поэтому тестирование аккумуляторов проводилось строго по следующей схеме;

измерение остаточной ёмкости на малом токе (только для "Ready To Use" моделей);
зарядка;
разрядка большим током без измерения ёмкости (тренировка);
зарядка;
разрядка большим током с измерением ёмкости;
зарядка;
разрядка импульсным током с измерением ёмкости;
зарядка;
разрядка малым током с измерением ёмкости;
зарядка;
выдержка в течение 7 суток;
разрядка малым током с измерением ёмкости – далее результат сравнивается с полученным на предыдущем шаге и рассчитывается процент потери ёмкости за счёт саморазряда за 1 неделю;

В тестах батареек мы используем на каждом этапе по одному элементу каждой марки. В тестах аккумуляторов – минимум по два элемента каждой марки.

Для зарядки аккумуляторов мы используем зарядное устройство Sanyo NC-MQR02.

Это ЗУ быстрой зарядки с контролем отрицательной дельты напряжения и температуры аккумуляторов, позволяющее заряжать от одного до четырёх (в произвольных комбинациях) аккумуляторов формата AA, а также один или два аккумулятора формата AAA. Первые можно заряжать как током 565 мА, так и 1275 мА (если аккумуляторов не более двух), вторые – током по 310 мА на элемент. За несколько лет регулярного использования это ЗУ убедительно доказало свою высокую эффективность и совместимость с любыми аккумуляторами, что и обусловило его выбор для проведения тестирования. Чтобы избежать потери ёмкости за счёт саморазряда, во всех тестах, кроме собственно теста на саморазряд, аккумуляторы заряжаются непосредственно перед началом измерений.

Измерения на постоянном токе дают логичную картину (пример представлен на графике выше): напряжение на элементах быстро снижается в первые минуты теста, потом выходит на более-менее постоянный уровень, а в самом конце теста, на последних процентах заряда, снова быстро падает.

Несколько менее банальны измерения на импульсном токе. На рисунке выше представлен сильно увеличенный участок графика, полученного в таком тесте: провалы напряжения на нём соответствуют включению нагрузки, подъёмы – отключению. Из этого графика легко подсчитать внутреннее сопротивление аккумулятора: как вы видите, при амплитуде тока 2,5 А напряжение проседает на 0,1 В – соответственно, внутреннее сопротивление равно 0,1/2,5 = 0,04 Ом = 40 мОм. Важность этого параметра станет более ясна из наших последующих статей, в которых мы сравним друг с другом различные типы батареек и аккумуляторов – а пока отметим лишь, что большое внутреннее сопротивление вызывает не только "просадку" напряжения под нагрузкой, но и потери накопленной в аккумуляторах энергии на нагрев самих себя.

В полном же масштабе импульсы сливаются друг с другом в сплошную полосу, верхняя граница которой соответствует напряжению на элементе питания без нагрузки, нижняя – с нагрузкой. По форме этой полосы можно оценить не только время работы элемента под тяжёлой импульсной нагрузкой, но и зависимость его внутреннего сопротивления от глубины разряда: например, как вы видите, у Ni-MH аккумулятора компании Sony сопротивление почти постоянно и начинает расти только при полном его разряде. Хороший результат.

Как наверняка заметят многие наши читатели, мы выбрали очень жёсткие режимы разряда: ток 2,5 А весьма велик, а 6-секундная пауза между импульсами не даёт элементу как следует "отдохнуть" (как мы уже упоминали выше, батарейки, немного "отлежавшись", могут частично восстановить свою ёмкость). Тем не менее, сделано это нарочно, чтобы максимально ярко и наглядно показать различия между элементами питания разных типов и разного качества. Для того же, чтобы приблизиться к более мягким реальным условиям эксплуатации, а также к условиям, в которых производители аккумуляторов измеряют их ёмкость, мы добавили в тестирование режимы разряда с относительно небольшим постоянным током.

К слову, сами производители обычно указывают разрядные режимы так же, как и зарядные – пропорционально ёмкости элемента. Скажем, штатные измерения ёмкости аккумуляторов положено проводить при токе 0,2C – то есть 540 мА для аккумулятора на 2700 мА*ч, 500 мА для аккумулятора на 2500 мА*ч, и так далее. Однако, так как аккумуляторы одного форм-фактора в наших тестах достаточно близки по характеристикам, мы решили тестировать их при фиксированных токах, не зависящих от паспортной ёмкости конкретного экземпляра – это сильно упрощает представление и сопоставление результатов.

И раз уж речь зашла о ёмкости, стоит упомянуть о некоторой обманчивости такой общепринятой единицы, как ампер-час. Дело в том, что запасённая в элементе питания энергия определяется не только тем, сколько времени он держал заданный ток, но и тем, какое на нём было при этом напряжение – так, совершенно очевидно, что литиевая батарея ёмкостью 3 А*ч и напряжением 3 В способна запасти вдвое больше энергии, чем батарея ёмкостью те же 3 А*ч, но напряжением 1,5 В. Поэтому правильнее указывать ёмкость не в ампер-часах, а в ватт-часах, получая их через интеграл зависимости напряжения на аккумуляторе от времени разряда при его постоянном токе. Кроме естественного учёта разного рабочего напряжения разных элементов, такая методика позволяет ещё и учесть, насколько хорошо данный конкретный элемент держал напряжение под нагрузкой. Скажем, если две батарейки разрядились до уровня 0,7 В за 60 минут, но первая большую часть этого времени держалась на уровне 1,1 В, а вторая – на уровне 0,9 В, совершенно очевидно, что первая имеет большую реальную ёмкость – несмотря на то, что итоговое время их разряда одинаково. Особенно это важно в свете того, что большинство современных электронных устройств потребляют не постоянный ток , а постоянную мощность – и элементы с большим напряжением в них будут работать в более выгодных режимах.

Ближе к практике: примеры энергопотребления

Разумеется, помимо абстрактного тестирования батареек на управляемой нагрузке, нам было интересно, как же потребляют ток реальные устройства. Для прояснения этого вопроса мы, оглядев окружающее пространство, случайным образом выбрали набор предметов, питающихся от различных батареек.

Только часть этого набора

В случае, если устройство потребляло более-менее постоянный ток, измерения проводились обычным цифровым мультиметром Uni-Trend UT70D в режиме амперметра. Если же ток потребления сильно менялся, то измеряли мы его, включив между устройством и питающими его батарейками низкоомный шунт, падение напряжения на котором фиксировалось осциллографом Velleman PCSU1000.

Результаты представлены ниже в таблице:

Что же, среди наших устройств встретились и довольно "прожорливые" – фотовспышка, фотоаппарат и фонарь с лампой накаливания. Если последний потреблял положенные ему 700 мА постоянно и непрерывно, то у первых двух характер энергопотребления оказался более интересным.

Цена вертикального деления на осциллограммах ниже равна 200 мА, нуль соответствует первому делению снизу.

Фотоаппарат
Цена деления осциллограммы – 200 мА

В обычном режиме Canon PowerShot A510, питающийся от двух элементов типа АА, потреблял около 800 мА – немало, но и не рекордно много. Однако при включении (первая группа узких пиков на осциллограмме), движение объектива (вторая группа пиков) и фокусировке (третья группа) ток мог вырастать более чем в полтора раза, до 1,2...1,4 А. Что интересно, сразу после нажатия на "спуск" энергопотребление фотоаппарата упало – при записи только что снятого кадра на флэшку он автоматически выключает экран. Впрочем, как только кадр был записан, потребление поднялось обратно до 800 мА.

Фотовспышка
Цена деления осциллограммы – 100 мА

Фотовспышка Pentax AF-500FTZ (четыре элемента формата АА) потребляла ток ещё интереснее: он был почти равен нулю в периоды между срабатываниями, мгновенно вырастал до 700 мА сразу после срабатывания (такой момент и запечатлён на осциллограмме выше), после чего в течение 10...15 секунд плавно снижался обратно к нулю (рваная линия осциллограммы получилась из-за того, что вспышка потребляет ток с частотой около 6 кГц). При этом вспышка демонстрировала чёткую зависимость между временем спада тока и напряжением питающих её элементов: так как ей надо было каждый раз накопить определённую энергию, то чем сильнее проседало под нагрузкой напряжение питания, тем больше времени требовалось для накопления нужного запаса. Это, кстати, хорошо иллюстрирует одну из ролей внутреннего сопротивления элементов питания – чем оно меньше, тем меньше при прочих равных просядет напряжение и тем быстрее вы сможете сделать следующий кадр со вспышкой.

В следующих же наших статьях, где мы будем рассматривать уже конкретные типы и экземпляры батареек и аккумуляторов, примерное представление об энергетических потребностях разных устройств поможет нам определить, какие из элементов питания для них подходят.

Введение

@@ Время от времени, перед любым моделистом, занимающимся RC-моделями, возникает задача ремонта старой, бывшей в эксплантации батареи, или подбора элементов для новой.

@@ Сразу должен предупредить: дело это не простое, не быстрое, и требует наличия не только измерительных приборов, или специализированного зарядника, но и достаточного количества новых однотипных аккумуляторных элементов, из которых и производится селектирование (отбор) нужного количества банок для новой батареи.

@@ Фирмы производители производят отбор элементов для батарей на специальных стендах, способных измерять параметры сразу очень большого количества банок - это диктуется условиями массового производства. На таких стендах обычно контролируются сразу все необходимые параметры каждого элемента: напряжение, зарядный и разрядный ток, время заряда-разряда, электрическая емкость, токоотдача, температура в процессе заряда, и ряд других.

@@ Естественно, в домашних условиях воссоздать подобный стенд не реально, поэтому попробуем обойтись минимумом оборудования, и будем контролировать только самые важные параметры аккумуляторов. Это потребует определенных ограничений и в режимах испытаний, в первую очередь, для исключения перегрева элементов.

@@ В идеале, нам понадобится "интеллектуальный" импортный зарядник, типа Infinity-II от robbe-Futaba, или любой другой аналогичный, предназначенный для зарядки от 1-го до 8-10-ти элементов (лучше - больше), и способный отслеживать и фиксировать зарядный и разрядный токи в диапазоне 0.1-5.0 ампер, напряжение на батарее или отдельном элементе с точностью не хуже 0.01 вольт (лучше - 0.001 вольт), время заряда и разряда (с точностью не хуже 1минуты), и самое главное - величину закачиваемой в аккумулятор энергии а миллиампер-часах. Последний параметр обязателен для зарядных устройств, осуществляющих заряд повышенными и импульсными токами различной величины в дельта-пиковом режиме. Кроме такого зарядника будет нужен еще и цифровой мультиметр или вольтметр со шкалой от 2-х вольт. Стрелочные приборы однозначно не гарантируют требуемой точности измерений.

@@ В крайнем случае, можно обойтись и самодельным зарядником, способным заряжать батарею стабильным током величиной до 0.2-0.5С (С - величина, равная номинальной емкости аккумулятора, и выраженная в мА). В ряде случаев такой зарядник оказывается даже предпочтительнее, но время селекции, при его использовании, существенно возрастает. Кроме того, обязательно потребуется, как минимум, 2 цифровых мультиметра, способных измерять постоянное напряжение от 2 до 20 вольт и ток до 2-5 ампер с указанной выше точностью, и электронный секундомер. Для "тренировочных" циклов потребуются еще и различные разрядные цепи, о которых я подробно расскажу ниже.

@@ Перед началом работы по отбору аккумуляторов, желательно изготовить и кое-какое вспомогательное оборудование. Прежде всего - это лотки для укладки элементов. Они нужны только для того, чтобы исключить случайные КЗ между элементами в процессе работы. Я делал такие лотки из сантехнических полиэтиленовых труб подходящего диаметра. Труба нужной длины распиливается вдоль на две половинки (можно просто сделать один разрез, и, слегка надрезав противоположную стенку, развернуть трубу в два параллельных лотка) и в них укладываются проверяемые аккумуляторные элементы. Все элементы перед отбором следует пронумеровать маркером, или как-нибудь иначе!

@@ С торцов каждой банки припаиваются выводы из изолированного провода сечением не менее 0.35 кв. мм. Пайка осуществляется легкоплавким припоем, быстро и без значительного прогрева корпуса элемента. Выводы от каждого элемента пропускаются сквозь отверстия в стенке лотка, а все коммутации осуществляются снаружи. Такой способ коммутации зафиксирует в лотке элементы от перемещения, предотвратит всю конструкцию от "высыпания" при неаккуратном обращении, и позволит легко подключать к любой банке измерительные приборы.

@@ Стоит, также, заранее вырубить изоляционные шайбы толщиной 1.0-1.5 мм по диаметру элемента аккумулятора, и с центральным отверстием, равным диаметру его положительного вывода. Эти шайбы в дальнейшем пригодятся при окончательной сборке батареи. И последнее, что вам наверняка потребуется в процессе селекции аккумуляторов - это тетрадь, в которую вы должны будете заносить результаты всех измерений, и несколько листов бумаги-миллиметровки, на которой вам придется вручную рисовать графики циклов заряд-разряд, по данным, накопленным в этой тетради.

@@ Если у вас нет фирменного зарядника, стоит сделать самодельный генератор стабильного тока, наподобие того, что описан в моей статье "Простое зарядное устройство для NiCd аккумуляторов" . Правда придется применить более мощный транзистор, например - КТ818, установить его на радиатор достаточной площади, и пересчитать (или - подобрать) токозадающие цепи (диод D1 и сопротивление R2) на выходной ток 0.25-2.0 ампера. Лучше всего сразу предусмотреть переключатель, которым можно будет вручную дискретно задавать выходной ток устройства в заданном диапазоне (допустим - 0.25, 0.5, 1.0, 1.5 и 2.0 ампера). Вместо первичного источника следует использовать не сеть ~220 вольт, а свежезаряжанный 12-вольтовый автомобильный аккумулятор емкостью не менее 55 А/час. Конечно, если вы будете подбирать батарею больше, чем из 6-7 банок, вам потребуется соединить последовательно уже два таких аккумулятора (или использовать один 24-вольтовый), т.к. напряжения одного уже не будет хватать для нормальной зарядки батареи, состоящей больше, чем из 7-ми элементов. Входную цепь зарядника стоит защитить диодом Шоттки, на ток не менее 5 ампер, включив его последовательно в плюсовой или минусовой провод схемы, а выпрямительный мост D2-D5 и конденсатор С1 устанавливать не потребуется.

@@ Такой простой зарядник гарантирует стабильный выходной ток, что очень важно при подсчете количества электричества, "закачанного" в вашу батарею.

Методика селекции элементов

@@ Отбор элементов следует производить по нескольким параметрам.

@@ Давайте определим их (думаю, что небольшой "ликбез" здесь не помешает).

@@ Электрическая емкость (С), параметр, определяющий способность аккумулятора "запасти", или "накопить" определенное количество электрической энергии. Электрическая емкость (С) выражается в ампер-часах (А/час) или в миллиампер-часах (мА/час), и показывает, какое время он способен отдавать в нагрузку ток определенной величины. Обычно величина емкости аккумулятора указывается при токе разряда (I раз), равном 1/10-1/5 численного значения собственной емкости. Это значит, что аккумулятор, паспортная емкость которого равна, допустим, С=1000 мА/час, сможет непрерывно отдавать в нагрузку ток 100 мА в течение 10 часов, или 200 мА в течение 5 часов (при больших величинах разрядного тока величина емкости снижается, и уже не будет равна 1000 мА/час).

@@ Напряжение аккумулятора (или его ЭДС) - неоднозначный параметр, зависящий от его мгновенного внутреннего электрохимического состояния. Различают напряжение полностью заряженного аккумулятора (назовем его Uмах), рабочее напряжение (Uраб), и напряжение в конце цикла разряда (Uмин).

@@ Это три основных параметра, описывающих внутреннее электрохимическое состояние аккумулятора. Выражаются они в вольтах.

@@ Для стандартного NiCd аккумуляторов эти величины примерно равны:

Uмах = 1.4-1.45 В, Uраб=1.2-1.3 В, Uмин=1.0 В

@@ Последний параметр у акку разных типов и разных производителей может иметь значение до Uмин=0.6 В, и меньше.

@@ Напряжение свежезаряженного аккумулятора при подключении нагрузки довольно быстро снижается от Uмах почти до Uраб, на этом уровне напряжение остается довольно стабильным в течение всего времени разряда, а при израсходовании всей запасенной в аккумуляторе энергии, напряжение начинает очень быстро падать до величины Uмин.

@@ Далее мы будем использовать еще один параметр - ЭДС (электродвижущая сила) батареи. В электротехнике его принято обозначать буквой Е, но мы, для единообразия формул и простоты понимания, применим следующее обозначение: Uэдс.

@@ Зарядный и разрядный ток показывают, при каких значениях этих параметров аккумулятор способен накопить и отдать нормированное количество электричества.

@@ Как уже отмечено, для обычных (не силовых) аккумуляторов, номинальная величина Iраз близка к 1/10-1/5 С (в мА). Разумеется, аккумулятор способен отдать в нагрузку и существенно большие токи (до 1.0-2.0 С), но при этом его емкость будет меньше. Силовые аккумуляторы, предназначенные для питания ходовых двигателей, способны отдавать в нагрузку ток до 20 С, и больше.

@@ Оптимальным зарядным током (Iзар) для обычного аккумулятора также считается Iзар=1/10 С. Время заряда при этом равно 14 часам ("лишние" 4 часа компенсируют довольно низкий электрохимический КПД NiCd аккумуляторов). При заряде меньшими токами время заряда пропорционально увеличивается, и при этом несколько возрастает величина С. Заряд подобных элементов повышенными токами (больше, чем Iзар=1/4 С, даже с соответствующим уменьшением времени заряда) не допускается, т.к. это может привести в к резкому увеличению давления газов внутри аккумулятора, и к его взрыву. Современные быстрозарядные ("рапидные") силовые аккумуляторы, за счет улучшенной технологии изготовления способны заряжаться повышенными токами (Iзар=>5 C) за гораздо меньшее время.

@@ Внутреннее сопротивление (Rвн) аккумулятора характеризует величину электрических потерь на самом аккумуляторе в процессе разряда. Чем меньше Rвн, тем лучше аккумулятор, тем больший ток и энергию он способен отдать в нагрузку. Следует учитывать, что Rвн - величина динамическая, она может сильно изменяется в зависимости Iраз.

@@ Сравнение и анализ перечисленных параметров отдельных элементов, позволят собрать аккумуляторную батарею, которая будет работать долго и надежно.

Подготовка к тестированию и селекции

@@ Прежде, чем начать собственно тестирование и отбор элементов для будущей батареи, необходимо запастись достаточным количеством элементов одной и той же марки, одного и того же производителя, и, что очень желательно, из одной партии. Большинство фирм, выпускающих аккумуляторы, маркируют элементы цифровым или цифробуквенным кодом, содержащим информацию о производителе, дате изготовления элемента, номера партии, а часто - и порядкового номера элемента в этой партии. Например: RSE1,7-129592. или RCE1,7-232102 (это реальные данные с двух элементов батареи фирменной сборки Robbe-Futaba). Но, к сожалению, не всегда удается достоверно расшифровать эту информацию, поэтому, если возможно, при покупке просто отбирайте элементы, помеченные близкими цифрами.

@@ Для каждого элемента (и для каждой собранной батареи) отведите в рабочей тетради по несколько страниц, на которых вы будете фиксировать всю "историю" элемента (батареи). Все записи в тетради должны быть последовательны и датированы.

Алгоритм предварительного тестирования

@@ Отбор элементов для обычной (не ходовой) бортовой батареи, или для батареи передатчика, можно провести по упрощенному варианту, сравнивая только кривые заряд/разряд отдельных элементов в режиме "стандартных" токов, когда Iзар<=0.1-0.2 С, Iраз<=0.5-1.0 С (А), (здесь, и далее С - емкость элемента в А/час).

@@ Элементы для силовой батареи следует отбирать более серьезно.

@@ Рассмотрим порядок "обычного" отбора.

@@ Любое тестирование новых (да и старых тоже) элементов, следует начинать с тренировочных циклов, которые "раскачают" элементы, не эксплуатировавшиеся какое-то время, и при этом в некоторой степени уровняют их внутренние параметры.

@@ Тренировать можно как отдельные элементы (это бывает необходимым в случае замены одного-двух элементов в старой батарее), или собранную "на живую" батарею, из заведомо большего количества элементов, чем то, которое потребуется вам для бортового или силового аккумулятора. Оптимальным, на мой взгляд, будет полутора-двухкратный запас по числу элементов, т.е. если вам нужен бортовой источник на 4.8 вольта (4 элемента), тренировать и тестировать нужно не меньше, чем 6-8 элементов. Далее будем говорить об одиночных элементах, а в необходимых случаях делать "количественную" поправку для собранной батареи.

@@ Перед тренировкой следует провести "глубокий" разряд элемента для того, чтобы "выкачать" из него максимальное количество ранее запасенной энергии. Для этого к элементу подключается последовательная цепочка, состоящая из кремниевого диода, рассчитанного на максимальный ток ~ 1 А, и сопротивления ~10 Ом, мощностью 1.0-2.0 Вт. Время разряда зависит от состояния элемента, поэтому необходимо каждые 5-10 минут измерять напряжение на его выводах. Разряд прекращается при Uраз<=0.6 В. Считается, что прямое падение напряжения на кремниевом диоде равно 0.7 В, но при малых токах эта величина снижается, и может равняться 0.5-0.4 В. В принципе, можно разряжать элементы и до такого уровня, важно лишь "не передержать" их в таком состоянии. Именно по этому, если собрана батарея, "глубокий" разряд следует проводить одновременно на всех ее элементах, а сразу же после окончания "глубокого" разряда начать первый тренировочный заряд.

@@ Тренировка элемента начинается с первого зарядного цикла постоянным током. Величину тока устанавливаем равной Iзар=0.1-0.2С (А). Каждые 15 минут контролируем напряжение на элементе с точностью не хуже, чем 0.01 В. В случае зарядки батареи, напряжение контролируется на каждом элементе в отдельности. Все данные записываем в тетрадь.

@@ Заряд ведем до напряжения на элементе Uмах=1.40 В. Если заряжается батарея, останавливаем заряд в тот момент, когда на каком-либо элементе значение Uмах превысит величину 1.45 В.

@@ После окончания цикла заряда начинаем разряжать элемент (батарею). Разряд также желательно проводить неизменным током. Если вы используете самодельный зарядник по моей схеме, то его можно применить и для разряда батареи, состоящей, как минимум, из 2-3 элементов (при меньшем количестве элементов схема зарядника просто не обеспечит нужного режима работы). Для этого батарея включается вместо первичного источника тока, а выходные клеммы зарядника просто "закорачиваются". В качестве нагрузочного элемента будет выступать транзистор зарядника, установленный на радиаторе. Разряд ведется током, равным Iраз~=0.5С (А).

@@ Если вы разряжаете отдельный элемент, обеспечить стабильный разрядный ток сложнее. В этом случае целесообразнее использовать в качестве нагрузки любое сопротивление мощностью не менее 2 Вт, и номиналом, рассчитанным по формуле Rнаг~=2,75/С (Ом). Для разряда батареи подобной пассивной цепью Rнаг~=К*2,75/С (Ом), где К - количество элементов в батарее (мощность сопротивления также придется увеличить кратно количеству элементов в батарее). Нагрузка, рассчитанная по этой формуле, обеспечит разрядные токи, близкие к оптимальным для элементов любой мощности.

@@ Разряд ведется до Uмин=0.8 В на элементе. В течение разряда, каждые 15 минут (в конце разряда - каждые 5 минут) контролируется напряжение на всех элементах., без отключения нагрузки. Если на каком-то элементе батареи напряжение падает значительно быстрее, чем на остальных, этот элемент отбраковывается. Все данные заносятся в тетрадь.

@@ Таких тренировочных циклов заряд/разряд желательно провести не менее трех-пяти. Для экономии времени, каждый последующий цикл можно проводить на несколько больших токах заряда и разряда, каждый раз увеличивая их на 20-25% от первоначального значения.

@@ В случае использования "интеллектуальных" зарядников, следует просто задать необходимое количество циклов заряд/разряд, предоставив устройству автоматически выбрать оптимальные токи заряда и разряда, или проводить заряд/разряд заданными токами.. Вам останется только считывать с дисплея текущие значение напряжения на батарее, но напряжение на каждом элементе придется все же измерять вручную, цифровым вольтметром.

@@ После выполнения тренировочных циклов, используя полученные табличные данные последнего цикла заряд/разряд, строим для каждого элемента графики кривых заряда и разряда. Это лучше делать на миллиметровой бумаге.

@@ По оси Х будем откладывать время в масштабе 1 мм = 2 минутам (для 10 часового интервала потребуется лист бумаги шириной 30 см), но можно выбрать и другой масштаб.

@@ По оси Y будем откладывать значения мгновенных напряжений на элементе. Нас интересует не весь диапазон напряжений, а только участок от 0.8 до 1.5 вольт. Поэтому в точке пересечения координатных осей значение оси Y будет равно 0.8 В. Для построения максимально точных графиков применим масштаб 1 мм = 0.005 В (если, конечно, ваш измерительный прибор обеспечивал такую точность измерений). При построении графиков округляем табличные данные с заданной точностью по правилам арифметики.

@@ Графики кривых заряда и разряда строим на разных листах.

@@ После построения на одном графике кривых всех элементов батареи, выбираем элементы с самыми близкими параметрами. Отличия в любой момент времени, как в цикле заряда, так и цикле разряда, должны быть не более 0.05-0.1 В, в этом случае можете быть уверенными, что эта батарея будет стабильно работать довольно долго без частого "поэлементного" контроля в ходе эксплуатации.

@@ Разумеется, батарея будет нормально работать и при больших разбросов параметров отдельных элементов, но тогда вам придется не реже 1 раза в месяц проводить тренинг этой батареи с контролем параметров каждого элемента.

@@ В любом случае, перед каждой зарядкой следует проводить "доразряд" батареи до уровня Uмин=0.8-1.0 вольт на элемент (для батареи из 4 элементов Uмин=3.2-4.0 В). Это можно делать специальной разрядной цепью, состоящей из 6-ти последовательно включенных кремниевых диодов и балластного сопротивления номиналом 39-56 Ом, и мощностью не менее 2-5 Вт. Такой "разрядник" можно смело оставлять подключенным к батарее на несколько часов, без опасений вывести ее из строя.

Разрядная цепь. "Силовой" разрядник для 1-го элемента

Разрядная цепь. "Доразрядник" для батареи из 4-х элементов

Селекция элементов для ходовой батареи

@@ Батарея для питания ходового двигателя обычно собирается из элементов, имеющих электрическую емкость не менее 1.5-2.0 А/час. Разумеется, речь идет не о моделях типа slow-fly ("медленный полет"), оснащаемых самыми маломощными двигателями класса 200-300, которые потребляют токи не более 5-7 А, и вполне нормально могут работать от батареи существенно меньшей емкости (300-600 мА/час). Но даже для таких батарей следует очень тщательно подбирать элементы по методике, описанной ниже.

@@ Отбор элементов для ходовой батареи производится также, как описано выше, но последние 1-2 тренировочных цикла проводятся на повышенных токах заряда и разряда (Iзар~= 2-3C, Iраз~= 5-10C). Это вызвано тем, что ходовые батареи собираются из так называемых сильноточных и быстрозаряжаемых (рапидных) элементов, рассчитанных для работы на повышенных токах.

@@ Именно поэтому к тренировочным циклам добавляется еще один тест - измерение внутреннего сопротивления (Rвн) элементов, т.к. от этого параметра и зависит, какой максимальный ток может отдать в нагрузку батарея.

Эквивалентная схема элемента питания

@@ Эквивалентная схема одного элемента состоит из последовательной цепи, состоящей из генератора (источника) ЭДС, внутреннего сопротивления Rвн и внутренней индуктивности Lвн (об этом параметре чуть позже). Если закоротить выводы этой цепи, то в ней возникнет постоянный электрический ток короткого замыкания, величина которого, в соответствии с законом Ома, будет равна: Iкз=Uэдс/Rвн. Очевидно, что при неизменной ЭДС, величина тока будет зависеть только от Rвн, и чем меньше будет эта величина, тем больший ток потечет в цепи.

Работа источника тока в режиме короткого замыкания

@@ Простой расчет показывает, что для элемента с Uэдс=1.2В, и внутренним сопротивлением (допустим) Rвн=0.1Ом, максимальный ток короткого замыкания не может превышать Iкз<=12А. При этом вся энергия будет расходоваться на внутренний разогрев источника тока. Такой "самоэлектронагреватель" будет отдавать/потреблять мощность

Pвн = Uэдс * Iкз = 1.2 * 12 = 14,4 Вт

Работа источника тока на активную нагрузку

@@ Если же такую батарею нагрузить на внешнюю нагрузку, с Rнагр=0,2 Ом, то в цепи потечет ток, величина которого будет равна:

Iнагр = Uэдс / (Rвн + Rнагр) = 1,2 / (0,1 + 0,2) = 4 А,

@@ напряжение на нагрузке будет равно:

Uнагр = Iнагр * Rнагр = 4 * 0.2 = 0,8 В,

@@ а КПД "по току" этой цепи будет равен всего лишь 66,6%, т.е. треть энергии, расходуемой элементом, будет заведомо теряться на разогрев самой батареи и окружающего воздуха.

@@ У реальной нагрузки (ходовой электродвигатель среднего класса), рассчитанной на потребление Iнагр=10-15 А от семибаночной батареи с Uраб = 8,4 В, сопротивление будет равно Rнагр = 0,82-0,55 Ом. Эта величина очень близка к внутреннему сопротивлению батареи, состоящей из 7-ми "пробных" элементов (Rбат=0.7 Ом), которые мы взяли в качестве примера. Разумеется, что подобная батарея не только не обеспечит требуемый для нагрузки ток, но и не позволит нормально работать другим, даже маломощным потребителям, включенным в эту же цепь параллельно основной нагрузке (Rдоп << Rнагр, за его малостью в расчет не принимаем), т.к. напряжение на нагрузке (Uнагр) не превысит величины ~Uэдс/2.

@@ Именно поэтому для ходовых батарей следует использовать только элементы, имеющие Rвн<

@@ К сожалению, Rвн не может быть равно нулю. У любой батареи этот параметр имеет определенную величину, зависящую от многих причин, прежде всего - технологических. Кроме того, по мере старения батареи происходит увеличение ее Rвн.

@@ Как же определить, какой должна быть величина Rвн для конкретного применения (мощности двигателя), и каким образом измерить внутреннее сопротивление реальной батареи?

@@ Начнем с измерения Rвн отдельного элемента. Достаточно просто это можно сделать, зная две величины - Uэдс элемента, и Rнагр. Оба этих параметра должны быть измерены с точностью до третьего знака после запятой. Измерение Uэдс следует провести непосредственно перед тестированием его Rвн. Элемент должен быть предварительно полностью заряжен, и после зарядки пролежать (отдохнуть) без нагрузки минут 15-20.

@@ Допустим, что проверяемый элемент имеет в данный момент имеет Uэдс = 1,325 В, а тестовая нагрузка (резистор) имеет сопротивление, равное 0,127 Ом. Тестовый резистор должен иметь достаточную мощность рассеяния, и желательно быть керамическим. Можно просто спаять параллельно несколько сопротивлений типа МЛТ (ОМЛТ), номиналом 1 - 1,5 Ома. Выводы этой нагрузки следует сделать толстым медным многожильным проводом сечением не менее 3-5 кв. мм. При дальнейших измерениях сопротивление выводных проводников также является нагрузкой, поэтому измерение сопротивления этого тестового резистора следует производить на концах проводников, а не в месте их припайки к "магазину" параллельных сопротивлений. Боюсь, что обычным "цифровиком" точно измерить такое маленькое сопротивление не удастся, поэтому вам придется для его тарирования обратиться в какую-нибудь производственную электролабораторию, имеющую специальный мост для измерения миллиомных сопротивлений.

@@ Заранее присоединяем к выводам нагрузочного резистора цифровой вольтметр, установив его в режим измерения напряжения до 2 вольт (2000 мВ). подключаем резистор к элементу питания, и через 5-10 секунд, необходимых для выхода элемента в рабочий режим, фиксируем показания прибора.

@@ Предположим, что прибор показал величину напряжения на нагрузочном резисторе Uнагр = 1,146 В.

@@ Расчет Rвн элемента производим по формуле:

Rвн = ((Uэдс / Uнагр) - 1) * Rнагр,

@@ тогда для нашего случая:

Rвн = ((1,325 / 1,146) - 1) * 0.127 = 0,0198 Ом.

@@ Полученная в нашем примере величина Rвн=0,0198 Ом близка к реальной, и батарея, собранная, допустим, из 7-ми подобных элементов будет иметь Rвн(бат)=0,0198*7=0,1386 Ом, что при реальной Rнагр=0,6 Ом (мотор класса 400) обеспечит максимальный ток в нагрузке:

Iнагр = 7 * 1,325 / (0.1386 + 0,6) = 12,56 А,

@@ при достаточно приемлемом КПД энергоустановки.

@@ Тем не менее, для более мощных, спортивных двигателей, рассчитанных на потребляемые токи 30-40 А эта батарея будет уже не очень хороша, и вам придется собрать новую батарею, с элементами, имеющими еще меньшие Rвн.

Динамические параметры ходовой батареи

@@ Все вышеописанные параметры батареи были справедливы только для так называемого установившегося режима, т.е. для случая, когда нагрузкой батареи является активное сопротивление, величина которого неизменна во времени.

@@ Существует ошибочное мнение, что чем больше емкость батареи, тем больший ток эта батарея может отдать в нагрузку. Это далеко не так, к сожалению. Величина С показывает какую энергию батарея может отдать в нагрузку в принципе, а от Rвн, как мы уже выяснили раньше, зависит максимальный ток, который может выдать батарея в нагрузку, или время, в течение которого батарея может полностью отдать запасенную в ней энергию. Параметры С и Rвн прямо не взаимосвязаны, и хотя некоторая зависимость между ними все же имеется, эта зависимость обычно конструктивно-технологическая, а не электрическая. Простейшее сравнение NiCd и Li батарей подтверждает эти рассуждения - любая NiCd батарея даже небольшой мощности, способна отдать в нагрузку гораздо больший ток, чем Li батарея, имеющая в два-три раза большую емкость.

@@ Это обусловлено тем, что Rвн у литиевых батарей в несколько раз больше, чем у аналогичных NiCd.

@@ На практике, величина нагрузки элементов питания, как правило, изменяется со временем: периодически подключается то один активный потребитель, то другой, или сразу, допустим, оба. В этом случае переходные процессы в цепях питания длятся очень незначительное время (порядка десятков микросекунд - единиц миллисекунд - это время выхода элемента в стационарный режим работы), и тоже не сильно влияют на стабильность работы источника питания, и все рассуждения и рекомендации, приведенные выше, остаются в силе. Гораздо более сложные процесс протекают в самом источнике тока и в цепях питания, когда нагрузка имеет реактивный характер, т.е. наряду с активным омическим сопротивлением в цепях нагрузки присутствуют реактивности - катушки индуктивности или емкости. В этом случае время выхода элемента питания в стационарный режим работы сильно увеличивается, и может достигать уже сотен миллисекунд. Но самые большие отклонения в режим работы батареи вносят периодические потребители (всевозможные коммутаторы), с периодом переключения, соизмеримым со временем релаксации (восстановления) элемента питания. К таким устройствам относятся высокооборотные коллекторные электродвигатели, ШИМ-контроллеры для регулировки мощности, отдаваемой в нагрузку, электронные регуляторы оборотов коллекторных электродвигателей, и контроллеры-преобразователи для управления бесколлекторными многофазными электромоторами. Ток, отдаваемый источником питания таким потребителям уже нельзя назвать постоянным - он становится пульсирующим, т.е. переменным по величине, а порой (при индуктивном характере нагрузки) и по направлению. И чем больший средний ток потребляет в этом случае конечный потребитель, тем сложнее процессы, протекающие в источнике питания. В электрической схеме возникают многоконтурные связи, в которых участвуют уже несколько звеньев: источник питания - цепи питания - преобразователь напряжения (контроллер) - узел коммутации самого двигателя (коллектор-щетки) - обмотки электродвигателя (электрические параметры которых так же сильно изменяются при изменении величины протекающего в них тока).

@@ Разумеется, описать процессы, происходящие в таких цепях, используя лишь закон Ома или Кирхгофа уже не удастся. Тем не менее, попробую "на пальцах" объяснить суть основного динамического параметра батареи - ее внутреннего динамического сопротивления, и его влияния на режим работы потребителя тока.

@@ Вернемся к моменту замыкания электрической цепи "батарея - потребитель". Как уже отмечалось, при включении потребителя, ток в нем не возникает мгновенно, а нарастает с какой-то конечной скоростью, определяемой, прежде всего, внутренними электрохимическими процессами, происходящими в самом источнике тока, а также реактивной составляющей сопротивления потребителя (нагрузки). Можно условно сказать, что батарея в момент подключения нагрузки имеет бесконечно большое Rвн, и начинает работать в режиме короткого замыкания. При этом величина тока в нагрузке определяется не столько его собственным Rнагр, сколько Rвн батареи, которое в пусковые моменты гораздо превышает сопротивление нагрузки. Затем батарея как бы "разогревается", и постепенно выходит из режима КЗ на рабочий режим. Если во время этого процесса измерять напряжение на клеммах аккумулятора, то окажется, что оно сначала падает почти до нуля, а затем по экспоненте достигает величины Uнагр = Uэдс * Rнагр / (Rвн + Rнагр). Если проанализировать составляющие этой формулы, то можно понять, что единственным параметром, который определяет скорость нарастания тока в нагрузке, может быть только Rвн, которое в "холодном" состоянии батареи существенно больше, чем Rвн в рабочем режиме. Далее будем называть этот переменный параметр внутренним динамическим (переменным) сопротивлением батареи, и обозначим его как Rдин. Математически точно описать этот параметр я не берусь - для этого потребуется не только применение высшей математики, но и технологические данные разработчиков и производителей элементов питания, которыми я, к сожалению, не располагаю.

@@ Из последней формулы очевидно, что чем меньше Rвн батареи, тем большее напряжение будет приложено к потребителю в установившемся рабочем режиме, и тем большие ток, мощность и энергию он будет потреблять от источника, соответственно, преобразовывая ее в механическую энергию. Для различных типов батарей (даже одной номинальной мощности) характер "пусковой" кривой будет разный, более того - даже у одинаковых элементов из одной технологической партии эта кривая может существенно отличаться.

@@ Для простоты рассуждений далее предположим, что время выхода батареи на рабочий режим будет, к примеру, равно 1 миллисекунде (Тв =1 мсек).

@@ После отключения нагрузки в батарее продолжают протекать электрохимические процессы, но их характер существенно меняется. Начинается период релаксации (восстановления). Uэдс постепенно возрастает, так же, как и Rвн. Но скорость (Тр - период релаксации) изменения этих параметров разная, обычно при релаксации Rвн растет гораздо быстрее Uэдс.

@@ Теперь подключим к батарее электронный коммутатор, нагрузив его, для простоты рассуждений, не обмотками электродвигателя, имеющими значительную индуктивность, а обычным активным сопротивлением.

@@ Большинство ШИМ-регуляторов, лежащих в основе модельных контроллеров, работает на частотах в диапазоне 1,5-2,5 кГц. Это значит, что коммутатор подключает к батарее нагрузку 1,5-2,5 тысячи раз в секунду, и каждое такое подключение в среднем длится не более 0,2-0,33 мсек.

@@ Если теперь вспомнить, что Тв = 1 мсек, становится ясно, что за время одного такого подключения батарея даже не успевает выйти на рабочий режим! Более того, во время паузы между последователь

Из опыта эксплуатации

NiMH элементы широко рекламируются, как элементы с высокой энергоемкостью, не боящиеся холода и не имеющие памяти. Купив цифровую фотокамеру Canon PowerShot A 610 , я естественно снабдил ее емкой памятью на 500 снимков высшего качества, а для увеличения продолжительности съемок купил 4 NiMH элемента емкостью 2500 ма* час фирмы Duracell .

Сравним характеристики выпускаемых промышленностью элементов:

Параметры		Ионно-литиевые Li-ion	Никель-кадмиевые NiCd	Никель- металл-гидридные NiMH	Свинцово-кислотные Pb
Длительность службы, циклов зарядки/разрядки		1-1,5 года	500-1000		3 00-5000
Энергетическая емкость, Вт*ч/кг
Ток разряда, мA*емкость аккумулятора
Напряжение одного элемента, В
Скорость саморазряда		2-5% в месяц	10% за первые сутки, 10% за каждый последующий месяц	в 2 раз выше NiCd	40% в год
Диапазон допустимых температур, градусы Цельсия	зарядки
	разрядки		-20... +65
Диапазон допустимых напряжений, В		2,5-4,3 (коксовые) , 3,0-4,3 (графитовые)			5,25-6,85 (для батарей 6 В), 10,5-13,7 (для батарей 12 В)

Таблица 1.

Из таблицы видим NiMH элементы обладают высокой энергетической емкостью, что делает их предпочтительными при выборе.

Для ихзарядки было куплено интеллектуальное зарядное устройство DESAY Full-Power Harger обеспечивающее зарядку NiMH элементов с их тренировкой. Элементы оно заряжались качественно, но... Однако на шестой зарядке оно приказало долго жить. Выгорела электроника.

После замены зарядного устройства и нескольких циклов заряд-разряд, аккумуляторы стали садиться на втором - третьем десятке снимков.

Оказалось, что не смотря на заверения, NiMH элементы тоже обладают памятью.

А большинство современных портативных устройств их использующих, имеют встроенную защиту, отключающую питание при достижении некоторого минимального напряжения. Это не позволяет выполнить полную разрядку аккумулятора. Тут и начинает играть свою роль память элементов. Не полностью разряженные элементы получают неполный заряд и их емкость падает с каждой перезарядкой.

Качественные зарядные устройства позволяют выполнять зарядку без потери емкости. Но что-то я не смог найти в продаже такого для элементов емкостью 2500маh . Остается периодически проводить их тренировку.

Тренировка NiMH элементов

Все написанное ниже не относится к элементам аккумуляторной батареи имеющим сильный саморазряд . Их можно только выбросить, опыт показывает, тренировке они не поддаются.

Тренировка NiMH элементов заключается в нескольких (1-3) циклах разрядки - зарядки.

Разрядка выполняется до снижения напряжения на аккумуляторном элементе до 1В. Желательно разряжать элементы индивидуально. Причина в том, что способность принимать заряд может быть различна. И она усиливается при зарядке без тренировки. Поэтому происходит к преждевременное срабатывание защиты по напряжению вашего устройства (плеера, фотоаппарата, ...) и последующей зарядке неразряженного элемента. Результат этого нарастающая потеря емкости.

Разрядку необходимо выполнять в специальном устройстве (Рис.3), которое позволяет выполнять ее индивидуально для каждого элемента. Если нет контроля напряжения, то разрядка выполнялась до заметного снижения яркости лампочки.

А если Вы засечете время горения лампочки вы сможете определить емкость аккумулятора, она вычисляется по формуле:

Емкость = Ток разрядки х Время разрядки = I х t (А * час)

Аккумулятор емкостью 2500 ма час способен отдавать в нагрузку ток 0,75 А в течении 3,3 часа, если полученное в результате разрядки время меньше, соответственно и меньше остаточная емкость. И при уменьшении емкости Вам необходимой надо продолжить тренировку аккумулятора.

Сейчас для разрядки элементов аккумуляторов я применяю устройство изготовленное по схеме показанной на рис.3.

Оно изготовлено из старого зарядного устройства и выглядит так:

Только теперь лампочек 4 штуки, как в рис.3. О лампочках надо сказать отдельно. Если лампочка имеет ток разрядки равный номинальному для данного аккумулятора или несколько меньший ее можно использовать как нагрузку и индикатор, иначе лампочка только индикатор. Тогда резистор должен иметь такую величину, чтобы суммарное сопротивление El 1-4 и параллельного ей резистора R 1-4 было порядка 1,6 Ом.Замена лампочки на светодиод недопустима.

Пример лампочки которая может быть использована в качестве нагрузки - это криптоновая лампочка для карманного фонаря на 2,4 В.

Особый случай.

Внимание! Производители не гарантируют нормальную работу аккумуляторов при зарядных токах превышающих ток ускоренной зарядки I зар должен быть меньше емкости аккумулятора. Так для аккумуляторов емкостью 2500ма*час он должен быть ниже 2,5А.

Бывает, что NiMH элементы после разрядки имеют напряжение менее 1,1 В. В этом случае необходимо применить прием описанный в приведенной выше статье в журнале МИР ПК. Элемент или последовательная группа элементов подключается к источнику питания через автомобильную лампочку 21 Вт.

Еще раз обращаю Ваше внимание! У таких элементов обязательно надо проверить саморазряд! В большинстве случаев именно элементы с пониженным напряжением имеют повышенный саморазряд. Эти элементы проще выкинуть.

Зарядка предпочтительна индивидуальная для каждого элемента.

Для двух элементов напряжением 1,2 В зарядное напряжение не должно превышать 5-6В. При форсированной зарядке лампочка одновременно является индикатором. При снижении яркости лампочки можно проверить напряжение на NiMH элементе. Оно будет больше 1,1 В. Обычно, эта начальная, форсированная зарядка занимает от 1 до 10 минут.

Если NiMH элемент, при форсированной зарядке в течении нескольких минут не увеличивает напряжение, греется - это повод снять его с зарядки и отбраковать.

Рекомендую применять зарядные устройства только с возможностью тренировки (регенерации) элементов при перезарядке. Если нет таких, то через 5-6 рабочих циклов в аппаратуре, не дожидаясь полной потери емкости, производить их тренировку и отбраковывать элементы имеющие сильный саморазряд.

И они Вас не подведут.

В одном из форумов прокомментировали эту статью " написано тупо, но больше ничего нет ". Так Вот это не"тупо", а просто и доступно для выполнения на кухне каждому кто нуждается в помощи. Т.е. максимально просто. Продвинутые могут поставить контроллер, подключить компьютер, ...... , но это уже другая история.

Чтобы не казалось тупо

Существуют "умные" зарядники для NiMH элементов.

Такой зарядник работает с каждым аккумулятор отдельно.

Он умеет:

1. индивидуально работать с каждым аккумулятором в разных режимах,
2. заряжать аккумуляторы в быстром и медленном режиме,
3. индивидуальный ЖК дисплей для каздого аккумуляторного отсека,
4. независимо заряжать каждый из аккумуляторов,
5. заряжать от одного до четырех аккумуляторов разной емкости и типоразмера (АА или ААА),
6. защищать аккумулятор от перегрева,
7. защищать каждый аккумулятор от перезарядки,
8. определение окончание зарядки по падению напряжения,
9. определять неисправные аккумуляторы,
10. предварительно разряжать аккумулятор до остаточного напряжения,
11. восстанавливать старые аккумуляторы (тренировка заряд-разряд),
12. проверять емкость аккумуляторов,
13. отображать на ЖК дисплее: - ток заряда, напряжение, отражать текущую емкость.

Самое главное, ПОДЧЕРКИВАЮ , данного типа устройства позволяют работать индивидуально с каждым аккумулятором.

По отзывам пользователей такое зарядное устройство позволяет восстановить большинство запущенных аккумуляторов, а исправные эксплуатировать весь гарантированный срок эксплуатации.

К сожалению я таким зарядником не пользовался, поскольку в провинции его купить просто невозможно, но в форумах Вы можете найти много отзывов.

Главное не заряжайте на больших токах, не смотря на заявленный режим с токами 0,7 - 1А, это все же малогабаритное устройство и может рассеять мощность 2-5 Вт.

Заключение

Любое восстановление NiMh аккумуляторов строго индивидуальная (с каждым отдельным элементом) работа. С постоянным контролем и отбраковкой элементов не принимающих зарядку.

И лучше всего заниматься их восстановлением с помощью интеллектуальных зарядных устройств, которые позволяют индивидуально выполнять отбраковку и цикл заряд - разряд с каждым элементом. А поскольку таких устройств автоматически работающих с аккумуляторами любой емкости не существует, то они предназначены для элементов строго определенной емкости или должны иметь управляемые токи зарядки, разрядки!

Уже более 4-х лет верой и правдой мне служит самодельное зарядное устройство для заряда аккумуляторов «аа» и «ааа» (Ni-Mh, Ni-Ca) с функцией разряда акб до фиксированного значения напряжения (1 Вольт). Блок разряда аккумуляторов создавался для возможности проведения КТЦ (Контрольно-тренировочный цикл), говоря проще: для восстановления емкости аккумуляторов потрепанных неправильными китайскими зарядниками с формулой последовательного заряда 2-х или 4-х акб. Как известно, такой способ заряда укорачивает жизнь аккумуляторам, если вовремя их не реставрировать.

Технические характеристики зарядного устройства:

• Количество независимых каналов заряда: 4
• Количество независимых каналов разряда: 4
• Ток заряда: 250 (мА)
• Ток разряда 140 (мА)
• Напряжение отключения разряда 1 (В)
• Индикация: светодиодная

Собиралось зарядное не на выставку, а что называется из подручных средств, то есть утилизировалось окружающее добро, которое и выкинуть жалко и хранить особо не зачем.

Из чего можно самому сделать зарядку для «АА» и «ААА» аккумуляторов:

• Корпус от CD-Rom
• Силовой трансформатор от магнитолы (перемотанный)
• Полевые транзисторы с материнских плат и плат HDD
• Прочие компоненты или покупались или выкусывались:)

Как уже отмечалось, зарядка состоит из нескольких узлов, которые могут жить абсолютно автономно друг от друга. То есть, одновременно можно работать с 8 аккумуляторами: от 1 до 4 заряжать + от 1 до 4 разряжать. На фото видно, что кассеты для аккумуляторов, установлены под форм-фактор «АА» в простонародье «пальчиковых аккумуляторов», если необходимо работать с «мини-пальчиковыми акб» «ААА» достаточно подложить под минусовую клему гайку небольшого калибра. При желании можно продублировать держателями под размер «ааа». Наличие акб в держателе индицируется светодиодом (отслеживается прохождение тока).

Блок заряда

Заряд осуществляется стабилизированным током , у каждого канала свой стабилизатор тока. Для того, что бы ток заряда был неизменным при подключении как 1 так и 2,3,4 аккумуляторов, перед стабилизаторами тока установлен параметрический стабилизатор напряжения. Естественно, кпд этого стабилизатора не на высоте и потребуется установить все транзисторы на теплоотвод. Заранее планируйте вентиляцию корпуса и размеры радиатора, учитывая то что в закрытом корпусе температура на радиаторе будет выше чем в разобранном состоянии. Можно модернизировать схему, введя возможность выбора тока заряда. Для этого схему необходимо дополнить одним переключателем и одним резистором на каждый канал, который будет увеличивать ток базы транзистора и соответственно повышать ток заряда проходящий через транзистор в аккумулятор. В моем случае блок заряда собран навесным монтажом.

Блок разряда акб

Блок разряда более сложен и требует точности в подборе компонентов. В основе лежит компаратор типа lm393, lm339 или lp239 функцией которого является подача сигнала «логической единицы», либо «ноля» на затвор полевого транзистора. При открытии полевого транзистора он подключает к аккумулятору нагрузку в виде резистора значение которого определяет ток разряда. При снижении напряжения на аккумуляторе до установленного порога отключения 1 (Вольт). Компаратор захлопывается и устанавливает на своем выходе логический ноль. Транзистор выходит из насыщения и отключает нагрузку от аккумулятора. Компаратор имеет гистерезис, который обуславливает повторное подключение нагрузки не при напряжении 1,01 (В) а при 1,1-1,15 (В). Смоделировать действие компаратора вы сможете скачав . Подобрав значения резисторов вы сможете перестроить устройство на нужное вам напряжение. Например: подняв порог отключения до 3 Вольт можно сделать разрядное для li-on и Li-Po аккумуляторов.
Вы можете она проектировалась для применения компаратора lm393 в DIP-корпусе. Питание компараторов должно осуществляться от стабилизированного источника напряжением 5 вольт, его роль выполняет TL-431 усиленный транзистором.