Обзор схем восстановления заряда у батареек. Самодельный простой гальванический элемент

Электропитание РЕГЕНЕРАЦИЯ ГАЛЬВАНИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ И БАТАРЕЙ И. АЛИМОВ Амурская обл.
Идея восстановления разряженных гальванических элементов подобно аккумуляторным батареям не нова. Восстанавливают элементы с помощью специальных зарядных устройств. Практически установлено, что лучше других поддаются регенерации наиболее распространенные стаканчиковые марганцево-цинковые элементы и батареи, такие, как 3336Л (КБС-Л-0,5), 3336Х (КБС-Х-0,7), 373, 336. Хуже восстанавливаются галетные марганцево-цинковые батареи "Крона ВЦ", БАСГ и другие.
Наилучший способ регенерации химических источников питания - пропускание через них асимметричного переменного тока, имеющего положительную постоянную составляющую. Простейшим источником асимметричного тока является однополупериодный выпрямитель на диоде, шунтированном резистором. Выпрямитель подключают к вторичной низковольтной (5-10 в) обмотке понижающего трансформатора, питающегося от сети переменного тока. Однако такое зарядное устройство имеет невысокий к. п. д.- приблизительно 10% и, кроме этого, заряжаемая батарея при Случайном отключении напряжения, питающего трансформатор, может разряжаться.
Лучших результатов можно добиться, если применять зарядное устройство, выполненное по схеме, представленной на рис.
1. В этом устройстве вторичная обмотка II питает два отдельных выпрямителя на диодах Д1 и Д2, к выходам которых подключены две заряжаемые батареи Б1 и Б2.

ЧТОБЫ УВЕЛИЧИТЬ (УМЕНЬШИТЬ) СХЕМУ, НАЖМИТЕ НА КАРТИНКУ

ЧТОБЫ УВЕЛИЧИТЬ (УМЕНЬШИТЬ) СХЕМУ, НАЖМИТЕ НА КАРТИНКУ

ЧТОБЫ УВЕЛИЧИТЬ (УМЕНЬШИТЬ) СХЕМУ, НАЖМИТЕ НА КАРТИНКУ

Для восстановления работоспособности аккумуляторов (многократно заряжаемых гальванических элементов, основанных на обратимом преобразовании электрической энергии в химическую и наоборот) используют специальные зарядные устройства, позволяющие «закачать» в разряженный аккумулятор очередную порцию энергии. В отличие от аккумуляторов, гальванические элементы и батареи одноразового использования изначально не предлагалось подзаряжать (иначе они и именовались бы по-иному). Однако в процессе эксплуатации некоторых гальванических элементов и батарей выявилась возможность частичного восстановления их свойств путем зарядки.

Для зарядки аккумуляторов используют несколько методов, основным из которых следует считать зарядку постоянным оком. Зачастую расчетное время полной зарядки составляет 0 час. Помимо классического, используют метод зарядки по амперажу (правилу ампер-часов), зарядки пульсирующим и (или) симметричным током, зарядки при постоянном напряжении, ассиметрующей попеременной зарядки-разрядки с регулируемым соотношением и преобладанием зарядной компоненты, экспресс-заряд, заряд ступенчатым током, «плавающий» заряд, компенсационный подзаряд и т.д.

Неплохие результаты дает зарядка аккумулятора током, изменяющимся в соответствии с так называемым «законом ампер-часов» Вудбриджа. В начале зарядки ток максимален, а затем уменьшается по закону, описываемому экспоненциальной кривой. При зарядке в соответствии с «законом ампер-часов» начальный ток может достигать 80% от емкости аккумулятора, в

результате чего время зарядки значительно сокращается.

Каждый из перечисленных способов имеет как преимущества, так и недостатки. Самым распространенным и надежным считается зарядка постоянным током. Появление микросхем стабилизаторов напряжения, позволяющих работать в режиме стабилизации тока, делает применение этого способа еще более привлекательным. Кроме того, только зарядка постоянным током обеспечивает наилучшее восстановление емкости аккумулятора в случае, когда процесс разбивают, как правило, на две ступени: заряжают номинальным током и вдвое меньшим.

Например, номинальное напряжение батареи из четырех аккумуляторов Д-0,25 емкостью 250 мА-ч - 4,8...5 6. Номинальный зарядный ток обычно выбирают равным 0,1 от емкости, т.е. 25 мА. Заряжают таким током до тех пор, пока напряжение на аккумуляторной батарее не достигнет 5,7...5,8 6 при подключенных клеммах зарядного устройства, а затем в течение двух-трех часов продолжают заряжать током около 12 /и/А.

Возможность увеличения срока службы сухих гальванических элементов (метод регенерации) была заложена патентом Эрнста Веера в 1954 г. (Патент США) . Регенерацию осуществляют пропусканием через гальванический элемент или их группу асимметричного переменного тока с соотношением полупериодов 1:10. По данным разных авторов средний срок службы гальванических элементов может быть увеличен таким образом от 4 до 20 раз.

1. регенерации поддаются элементы, напряжение которых ниже номинала не более чем на 10%;
2. напряжение для регенерации элемента не должно превышать более чем на 10% номинальное значение;
3. ток регенерации должен быть в пределах 25...30% от максимального разрядного тока для данного элемента;
4. время регенерации должно в 4,5...6 раз превышать время разрядки;
5. регенерацию следует производить непосредственно вслед за разрядкой батареи;
6. не следует производить регенерацию для элементов с поврежденным цинковым корпусом, с вытекшим электролитом.

Помимо зарядно-разрядных операций для некоторых видов аккумуляторов актуальным вопросом является регенерация (вое-

становление) по мере возможности их исходных свойств, утраченных в результате неправильного хранения и/или эксплуатации.

Приемы «реанимации» и восстановления ресурсов разряженных электрических батарей (сухих гальванических батарей и элементов) в общих чертах похожи и порой отвечают соответствующим процедурам для аккумуляторов.

Устройства для заряда, восстановления или регенерации химических источников тока обычно содержат стабилизатор тока, иногда устройство защиты от перенапряжения или перезарядки, приборы и схемы контроля и регулирования.

Так, например, на практике для никель-кадмиевых аккумуляторов получили распространение несколько типов зарядных устройств.

Зарядное устройство с фиксированным постоянным током. Зарядку аккумулятора прекращают вручную по истечении времени, достаточного для полной зарядки. Зарядный ток должен составлять 0,1 от емкости аккумулятора в течение 12... 15 ч.

Ток зарядки фиксированный. Напряжение на заряжаемом аккумуляторе контролируется пороговым устройством. При достижении заданного напряжения зарядка автоматически прекращается.

Зарядное устройство заряжает аккумулятор постоянным током в течение фиксированного времени. Зарядка автоматически прекращается по истечении, например, 15 ч. Последний вариант зарядного устройства имеет существенный недостаток. Перед зарядкой аккумулятор должен быть разряжен до напряжения 1 6, только тогда при зарядке током 0,1 от емкости аккумулятора в течение 15 ч аккумулятор зарядится до номинальной емкости. В противном случае при зарядке не полностью разряженного аккумулятора в течение указанного времени произойдет его перезарядка, что ведет к сокращению времени службы.

В первых двух вариантах устройств зарядка постоянным стабильным током не является оптимальной. Исследованиями установлено, что в самом начале цикла зарядки аккумулятор наиболее восприимчив к сообщаемому ему количеству электричества. К концу зарядки процесс накопления энергии аккумулятора замедляется.

Слаботочные зарядные устройства

Рис. 14.15 . Схема зарядного устройства для никель-кадмиевых аккумуляторов

На схеме указаны номиналы для заряда аккумуляторов ЦНК-0.45. Зарядное устройство позволяет заряжать также аккумуляторы типов Д-0.06, Д-0.125, Д-0.25, но для каждого из них необходимо установить в цепи базы транзистора резистор, обеспечивающий соответствующий начальный ток заряда.

В зарядном устройстве не предусмотрена система защиты от перегрузок. Питание устройства – от стабилизированного источника +5 В с максимальным током 2 А.

Следует заметить, что разряжать аккумуляторы ниже 1 6 не стоит, такие аккумуляторы теряют номинальную емкость, а бывает, и переполюсовываются.

Для контроля окончания зарядки можно использовать схему на рис. 14.16 .

Рис. 14.16 . Схема контроля окончания заряда

Основой ее служит компаратор DA1. На неинвертирующий вход поступает напряжение 1.35 Б с движка подстроенного резистора R1. Через контакты кнопки SB1 на инвертирующий вход подают напряжение с контролируемого аккумулятора. Если при фиксации кнопки SB1 в нажатом положении светодиод HL1 начинает светиться, то аккумулятор" зарядился до номинального напряжения 1.35 В. Далее контролируют напряжение на следующем аккумуляторе и т.д.

Автоматически отключающееся зарядное устройство на основе тиристорного ключа (рис. 14.17) состоит из выпрямителя и источника стабилизированного опорного напряжения. Источник опорного напряжения выполнен на стабилитроне VD6. Через резистивный делитель (потенциометр R2) стабилизированное напряжение подается на базу транзистора VT2. К эмиттеру этого транзистора подключен анодом диод VD7, соединенный своим катодом с заряжаемой батареей. Как только напряжение на батарее повысится сверх заданного уровня, транзисторы VT1 и VT2, а также и тиристор, через который протекает зарядный ток, отключатся, прервав процесс заряда.

Стоит обратить внимание, что тиристор питается импульсами выпрямленного напряжения от диодного моста VD1 – VD4. Конденсатор фильтра С1, транзисторная схема и стабилизатор напряжения подключены к выпрямителю через диод VD5. Лампа накаливания индицирует процесс заряда и, при необходимости, ограничивает ток короткого замыкания в аварийной ситуации.

В зарядных устройствах также может использоваться схема стабилизатора тока. На рис. 14.18 показана схема зарядного устройства на основе микросхемы LM117 с ограничением зарядного тока до 50 мА . Величину этого тока легко изменить с помощью резистора R1.

Рис. 14.17 . Схема зарядного устройства с автоматическим отключением

Рис. 14.18 . Схема зарядного устройства на основе стабилизатора тока

Рис. 14.19 . Схема зарядного устройства для заряда батареи напряжением 12В

Простое зарядное устройство для заряда батареи напряжением 12 В может быть выполнено на основе микросхемы типа LM117 (рис. 14.19). Выходное сопротивление устройства определяется величиной резистора Rs.

Схема другого зарядного устройства с ограничителем зарядного тока на уровне 600 мА (при сопротивлении резистора R3=1 Ом) для заряда 6 В батареи изображена на рис. 14.20.

Рис. 14.20 . Схема зарядного устройства с ограничением зарядного тока

Рис. 14.21 . Схема зарядного устройства для аккумуляторов ЦНК-0.45

В схеме зарядного устройства (рис. 14.21) для заряда аккумуляторов типа ЦНК-0.45 использован стабилизатор тока на микросхеме типа КР142ЕН5А . Ток заряда (50…55 мА) задано сопротивлением резистора R1: на этом сопротивлении падает вно 5 В, следовательно, ток, протекающий через последовательную цепочку из заряжаемого аккумулятора и генератора стабильного тока на основе микросхемы DA1 составляет (Б)/120 (Ом)=45+\с (мА ), где 1С=5…10 мА – ток собственного потребления микросхемы. Реально ток будет выше указанного значения еще на 3 мА, поскольку в расчетах не учтен ток через светодиодный индикатор HL1, индицирующий работу устройства.

Напряжение на конденсаторе фильтра С1 должно быть порядка 15…25 В.

При использовании стабилизаторов на большее выходное напряжение величину резистора R1 следует изменить (в сторону увеличения).

Устройство можно практически без переделок использовать на иные зарядные токи, вплоть до 1 А. Для этого потребуется подбор резистора R1 и, при необходимости, использование радиатора для микросхемы DA1.

Зарядное устройство (см. рис. 14.22) питают выпрямленным напряжением 12 В . Сопротивление токоограничительных резисторов рассчитывают по формуле: R=UCT/I , где UCT – выходное напряжение стабилизатора; I – зарядный ток. В рассматриваемом случае UCT=1.25 Б; соответственно, сопротивление резисторов таково: R1=1.25/0.025=50 О/и, R2=1.25/0.0125=100 Ом. В расчетах не учтен ток собственного потребления микросхемы (см. выше), который может составлять 5… 10 мА.

Рис. 14.22 . Схема зарядного устройства со стабилизацией тока

В устройстве можно применить микросхемы типов SD1083, SD1084, ND1083 или ND1084.

Схема зарубежного зарядного устройства "ВС-100" приведена на рис. 14.23. Устройство позволяет одновременно заряжать 3 пары Ni-Cd аккумуляторов. В процессе заряда светится светодиод HL1, затем светодиод HL1 начинает периодически вспыхивать. Постоянное свечение светодиодов HL1 и HL2 свидетельствует об окончании процесса заряда.

Зарядное устройство "ВС-100" не лишено недостатков. Заряд наиболее распространенных аккумуляторов емкостью 450 мА-ч током 160… 180 мА оказывается недопустимым. Ускоренный режим заряда выдерживают не все аккумуляторы, поэтому О. Долговым было разработано более совершенное зарядное устройство, схема которого приведена на следующем рисунке (рис. 14.24).

Сетевое напряжение, пониженное трансформатором Т1 до 10 В, выпрямляется диодами VD1 – VD4 и через токоограничивающий резистор R2 и составной транзистор VT2, VT3 поступает на заряжаемую батарею GB1. Светодиод HL1 индицирует наличие зарядного тока.

Рис. 14.23 . Схема зарядного устройства "ВС-100" для Ni-Cd аккумуляторов

Рис. 14.24 . Схема усовершенствованного зарядного устройства для Ni-Cd аккумуляторов

Значение начального тока заряда определяется напряжением вторичной обмотки трансформатора и сопротивлением резистора R2. Но напряжения на выходе устройства недостаточно для открывания стабилитрона VD5, поэтому транзистор VT1 закрыт, а составной транзистор открыт и находится в состоянии насыщения. При достижении напряжения на батарее аккумуляторов 2.7…2.8 В транзистор VT1 открывается, загорается светодиод HL2, и составной транзистор, закрываясь, уменьшает ток заряда.

Вторичная обмотка сетевого трансформатора должна быть рассчитана на напряжение 8…12 В и максимальный ток заряда с учетом всех одновременно заряжаемых аккумуляторов. Начальный ток заряда предлагаемого устройства – около 100 мА.

Налаживание устройства сводится к установке максимального тока заряда и выходного напряжения, при котором начинает светиться индикатор HL2. К выходу устройства через миллиамперметр подключают пару разряженных аккумуляторов и подбором резистора R2 устанавливают требуемый зарядный ток. Затем вывод эмиттера транзистора VT3 временно отключают от внешних цепей, подключают к выходу устройства пару полностью заряженных аккумуляторов (или другой источник напряжением 2.7…2.8 В) и подбором резисторов R5 и R6 добиваются свечения светодиода HL2. После этого восстанавливают разомкнутое соединение – и прибор готов к работе.

Для заряда никель-кадмиевых аккумуляторов В. Севастьянов использовал стабилизатор тока на основе интегральной микросхемы DA1 типа КР142ЕН1А (рис. 14.25) . Величину зарядного тока регулируют грубо и плавно при помощи резисторов R3 и R4.

Сама микросхема может обеспечить номинальный выходной ток до 50 мА и максимальный – до 150 мА. При необходимости увеличить этот ток следует подключить транзисторный усилитель на составном транзисторе. Транзистор необходимо установить на радиаторе. В том варианте, что показан на рис. 14.25, устройство обеспечивает выходной регулируемый стабильный ток в пределах 3.5…250 мА.

Заряжаемые элементы подключают к устройству через диоды VD1 – VD3.

Для заряда аккумуляторов Д-0.06 суммарный зарядный ток задают в пределах 16… 18 мА; заряд этим током производят 6 часов, затем зарядный ток снижают вдвое и продолжают заряд еще 6 часов.

Рис. 14.25 . Схема стабилизатора тока для заряда Ni-Cd аккумуляторов

Рис. 14.26 . Схема устройства для восстановления серебряно-цинковых элементов СЦ-21

Для подзаряда серебряно-цинковых элементов СЦ-21 В. Пицманом использована схема (рис. 14.26), в основе которой – задающий генератор на транзисторе и микросхеме К155ЛАЗ. К выводам 8 и 11 микросхемы DA1 подключены диодные цепочки, образованные из последовательно включенных кремниевых диодов КД102, встречно-параллельно которым подключен германиевый диод Д310.

Благодаря такому включению при попеременном появлении значений логического нуля и логической единицы на выходе микросхемы (т.е. подключении цепочки диодов к плюсовой или общей шине источника питания) происходит попеременная дозированная зарядка элементов GB1 и GB2 с последующим их разрядом. Величина зарядного тока превосходит ток разряда, что в итоге способствует восстановлению свойств элементов.

Зарядные устройства повышенной мощности

Для того чтобы длительное хранение не приводило к порче аккумуляторной батареи, ее нужно постоянно поддерживать в заряженном состоянии . Заводы изготовители рекомендуют заряжать аккумуляторы током, равным 0.1 от номинальной емкости (т.е. для 6СТ-55 ток заряда будет 5.5 А), но это годится только для быстрого заряда "посаженной" батареи. Как показывает практика, для подзарядки аккумулятора в процессе длительного хранения требуется небольшой ток, около 0.1…0.3 А (для 6СТ-55). Если хранящийся аккумулятор периодически, примерно раз в месяц, ставить на такую подзарядку на 2…3 дня, то можно быть уверенным в том, что он в любой момент будет готов к эксплуатации даже через несколько лет такого хранения.

На рис. 16.6 показана схема "подзаряжающего" устройства – бестрансформаторного источника питания, выдающего постоянное напряжение 14,4 В при токе до 0.3 А . Источник построен по схеме параметрического стабилизатора с емкостным балластным сопротивлением. Напряжение от сети поступает на мостовой выпрямитель VD1 – VD4 через конденсатор С1. На выходе выпрямителя включен стабилитрон VD5 на 14,4 В. Конденсатор С1 ограничивает ток до величины не более 0.3 А. Конденсатор С2 сглаживает пульсации выпрямленного напряжения. Аккумуляторная батарея подключается параллельно стабилитрону VD5.

Рис. 16.6 . Схема устройства для подзарядки аккумуляторных батарей

При саморазряде батареи до напряжения ниже 14,4 В начинается ее "мягкий" заряд малым током. Величина этого тока находится в обратной зависимости от напряжения на аккумуляторе, но в любом случае даже при коротком замыкании не превышает 0.3 А. При заряде батареи до напряжения 14,4 В процесс прекращается.

При эксплуатации устройства нужно соблюдать правила безопасности при работе с электроустановками.

Простое зарядное устройство для заряда автомобильных или тракторных аккумуляторов (рис. 16.7) выгодно отличается повышенной безопасностью в эксплуатации по сравнению с бестрансформаторными аналогами. Однако его трансформатор довольно сложен: для регулировки зарядного тока он имеет множество отводов.

Регулировка тока заряда производится галетным переключателем S1 за счет изменения числа витков первичной обмотки. Выпрямитель обеспечивает ток заряда 10… 15 А.

Портативное устройство, предназначенное для зарядки литиевых (ионно-литиевых) батарей пульсирующим током, показано на рис. 16.9 . Автоматизированное зарядное устройство выполнено на основе специализированной микросхемы фирмы MAXIM – MAX1679. Питание зарядное устройство получает от сетевого адаптера, способного выдавать напряжение 6 В при токе до 800 мА. Для защиты схемы от неправильного подключения предназначен диод VD1 – диод Шотки, – рассчитанный на прямой ток 1 А при максимальном обратном напряжении 30 В. Светодиод HL1 предназначен для индикации работы зарядного устройства.

Рис. 16.8 . Схема устройства для заряда 12-вольтовых аккумуляторных батарей током от 1 до 15 А

Рис. 16.9 . Схема зарядного устройства для ионно-литиевых батарей на основе микросхемы МАХ1679

Рис. 16.10 . Схема повышающего преобразователя для заряда 13.8 В аккумуляторной батареи УКВ-радиостанции от бортовой сети автомобиля

Для повышения стабильности работы устройства при изменении температуры окружающей среды в пределах от 0 до 50 °C использован термистор R2 типа NTC FENWAL 140-103LAG-RBI , имеющий сопротивление 10 кОм при температуре 25 °C.

Напряжение ионно-литиевого элемента составляет 2.5 В на элемент.

Простое зарядное устройство , предназначенное для подзарядки аккумулятора напряжением 13.8 Б от бортовой сети автомобиля (около 12 В), выполнено на основе повышающего преобразователя напряжения на основе микросхемы LT1170CT)ис. 16.10). Микросхема вырабатывает импульсы частотой 00 кГц. Эти импульсы поступают на внутренний ключевой каскад микросхемы (его выход – вывод 4). Цепочка из резистивного деятеля R2, R3 предназначена для отслеживания колебаний вы-)дного напряжения и организации следящей обратной связи по напряжению (вывод 2 микросхемы). Выходное напряжение регулируют подбором именно этих резисторов. Выпрямитель преобразователя выполнен на диоде VD2 – диоде Шотки типа MBR760 прямой ток до 5/4).

Зарядный ток аккумулятора – до 2 А, КПД преобразователя достигает 90%.

Восстановление пассивированных аккумуляторных батарей

В результате неправильной эксплуатации аккумуляторных батарей их пластины пассивируются и выходят из строя. Тем не менее, известен способ восстановления таких батарей ассиметричным током (при соотношении зарядной и разрядной составляющих этого тока 10:1 и соотношении импульсов этих составляющих 1:2). Этот способ позволяет активизировать поверхности пластин старых аккумуляторов и производить профилактику исправных [ 2 ].

Рис. 1. Зарядка аккумуляторной батареи ассиметричным током. Схема принципиальная электрическая

На Рис. 1 представлена схема заряда аккумулятора ассиметричным током рассчитанная на работу с 12 В аккумуляторной батареей и обеспечивает импульсный зарядный ток 5 А и разрядный – 0,5 А. Она представляет собой регулятор тока, собранный на транзисторах VT1…VT3. Питается устройство переменным током напряжением 22 В (амплитудное значение 30 В). При номинальном зарядном токе напряжение на заряженной аккумуляторной батарее составляет 13…15 В (среднее напряжение 14 В).

За время одного периода переменного напряжения формируется один импульс зарядного тока (угол отсечки а = 60ْ). В промежутке между зарядными импульсами формируется разрядный импульс через резистор R3, сопротивление которого подбирается по необходимой амплитуде разрядного тока. Необходимо учитывать, что суммарный ток зарядного устройства должен составлять 1,1 от тока заряда аккумулятора, так как при заряде резистор R3 подключен параллельно батарее и через него течёт ток. При использовании аналогового амперметра, он будет показывать около одной трети от амплитуды импульса зарядного тока. Схема защищена от короткого замыкания выхода.

Заряд аккумулятора ведут до тех пор, пока наступит обильное газовыделение (кипение) во всех банках, а напряжение и плотность электролита будут постоянными в течение двух часов подряд. Это является признаком окончания заряда. Затем следует произвести уравнивание плотности электролита во всех банках и продолжить заряд в течение примерно 30 минут для лучшего перемешивания электролита.

Во время заряда аккумуляторной батареи следует следить за температурой электролита и не допускать её превышения: 45ْ С в умеренных и холодных зонах и 50ْ С в тёплых и жарких влажных зонах климата.

Так как при заряде кислотных аккумуляторов выделяется водород, следует проводить заряд аккумуляторов в хорошо проветриваемых помещениях, при этом не следует курить и пользоваться источниками открытого огня. Образовавшаяся гремучая смесь обладает большой разрушительной силой.

(Выделяющийся при кипении электролита газ переносит капельки кислоты, которые, попадая в органы дыхания, на слизистую оболочку глаз, кожу, разъедают их, так что зарядку аккумуляторных батарей лучше производить на открытом воздухе вне помещения – UA 9 LAQ ).

Литература: 1. Батарейки и Аккумуляторы. Серия “Информационное издание”.

Выпуск 1. “Наука и Техника”, Киев, 1995 г, стр. 30…31.

2. Деордиев С. С. Аккумуляторы и уход за ними. Техника, Киев, 1985 г

P . S . Тема актуальна для всех, кто пользуется автономным питанием повышенной мощности, для передвижных (мобильных) радиостанций, участников радиоэкспедиций и “Полевых дней”. Транзисторы VT2 и VT3 лучше установить на теплоотводы с достаточной площадью поверхности. Мощные низкоомные резисторы лучше изготовить из медной проволоки, намотав её на каркас из негорючего тугоплавкого материала. Возможен вариант изготовления таких резисторов из провода высокого сопротивления или применение мощных низковольтных ламп накаливания. Поскольку у последних сопротивление - величина переменная, то они, с одной стороны, могут являться причиной нестабильности порога срабатывания защиты, с другой, при последовательном включении, будут являться (дополнительными) стабилизаторами тока (здесь: тока зарядки).

Для герметизированных аккумуляторов с гелевым электролитом, наряду с циклическим щадящим режимом зарядки током постоянного значения, используют режим плавающего тока зарядки при постоянном напряжении, при этом, необходимо устанавливать напряжение 2,23…2,3 В в расчёте на элемент батареи, что в пересчёте, например, на 12-вольтовую аккумуляторную батарею составит: 13,38…13,8 В. При изменении температуры от минус 30ْ С до плюс 50ْ С напряжение заряда может изменяться от 2,15 до 2,55 В на элемент. При температуре 20ْ С при использовании аккумуляторной батареи в буферном режиме, напряжение на ней должно находиться в пределах 2,3…2,35 В на элемент. Колебание напряжения (например, при изменении нагрузки на комбинированный источник питания с “буферной” батареей) не должно превышать плюс/минус 30 мВ на элемент. При зарядном напряжении более 2, 4 В на элемент следует применять меры для ограничения тока заряда до максимум 0,5 А на каждый ампер – час ёмкости.

При использовании батареи в буфере со стабилизатором напряжения, напряжение на выходе последнего следует выбирать таким образом, чтобы оно не превышало напряжения свежезаряженной батареи, например, 14,2 В для 12 – вольтовой с учётом падения напряжения на разделительном (между стабилизатором и батареей) диоде, который следует выбирать с запасом на максимальный ток нагрузки и зарядный ток аккумуляторной батареи (если не исключена возможность подключения разряженной батареи).

Диод должен иметь максимально возможное обратное и минимально возможное прямое сопротивления для обеспечения, соответственно, минимальной разрядки батареи через отключенный от сети стабилизатор и минимального падения напряжения зарядки при смене нагрузки как указано выше. Хорошо здесь подходят мощные диоды с барьером Шоттки.

Изложенные выше принципы, в большинстве своём, приемлемы и для миниатюрных некислотных аккумуляторов, но там другие напряжения и токи.

Несколько слов о регенерации гальванических элементов.

Рис. 2. Зарядка гальванических элементов ассиметричным током. Схема принципиальная электрическая.

В [ 1 ] приведена простая схема зарядки гальванических элементов ассиметричным током, когда ко вторичной обмотке понижающего трансформатора подключаются два диода по схеме однополупериодного выпрямления положительного и отрицательного напряжения. Последовательно с одним диодом включен двухваттный резистор сопротивлением 13 Ом (для прямого тока зарядки), последовательно с другим, включенным в противоположной полярности, – такой же резистор, но сопротивлением 100 Ом, для обеспечения разрядного тока. Обе цепи подключены к гальваническому элементу или батарее из них. (Рис. 2). Величиной напряжения, подаваемого на вход выпрямителей или величиной номиналов резисторов в имеющейся пропорции можно синхронно изменять ток заряда и разряда гальванических источников тока. Соотношение зарядного тока к разрядному здесь 10:1, отношение длительности импульсов 1:2. Как указано в [ 1 ] устройство позволяет активизировать батарейки от часов и старые малогабаритные аккумуляторы. Причём заряд первых должен осуществляться током не более 2 мА и длиться не более 5 часов.

Я, в своё время, применял “плавающий” способ зарядки гальванических элементов, который позволил мне эксплуатировать пару лет три 9 – вольтовых комплекта элементов 316 “Прима” и, в общей сложности 4 года, когда из трёх комплектов “дожили” элементы сведённые в один. Элементы были взяты новыми: буквально через две недели после выпуска оказались у меня, был проведён предварительный отбор на идентичность и продуман порядок эксплуатации. Выбранный мной режим зарядки обеспечивал зарядный ток в течении 12…15 часов от стабилизированного блока питания с выходным напряжением 9,6 В, т.е., 1,51 В на элемент (можно до 1,52…1,53 В). Такой режим не даёт элементам нагреваться при зарядке, а это значит, что элементы долго не высыхают. Эксплуатация батареи производилась в СВ-радиостанции с выходной мощностью до 1 Вт (ВИС-Р). Элементы в разряженном состоянии не хранились, эксплуатация проводилась в буфере (стабилизатор плюс батарея) в стационарных условиях и в походных, после возвращения из которых, батарея (внутри станции) снова возвращалась на место: к стабилизатору.

В.Васильев

Карманные аудиоплейеры, радиоприемники, проигрыватели компакт-дисков и другая портативная радиоэлектронная аппаратура массового потребления питается от гальванических или аккумуляторных элементов различных типоразмеров. Во всем мире более 500 различных фирм и дочерних предприятий занимаются их изготовлением, получая постоянную прибыль, так как потребность в этих необходимых всем источниках тока возрастает с каждым годом.

Гальванические элементы относительно недороги, имеют начальное напряжение 1,5 В и емкость от 0,6 до 8,0 А.ч. Их недостатком можно считать резкое падение напряжения по мере разрядки (до 0,7 В), тогда как большинство аппаратов допускает их разрядку только до 1,0...1,1 В. Другой недостаток - самый существенный - одноразовое использование. После израсходования примерно 70% энергии гальванические элементы требуют замены на новые. В литературе описаны разного рода зарядные устройства, которые могут продлить срок службы гальванических элементов, но при этом число циклов подзарядки исчисляется единицами, а емкость элемента снижается практически до нуля. Кроме того, на некоторых типах элементов делается надпись "Подзарядка запрещена". Это сделано с целью предупредить несчастный случай в результате разрушения оболочки элемента при зарядке.

В этом отношении аккумуляторные элементы имеют ряд существенных преимуществ. Главное - возможность многократной зарядки их на протяжении 5...10 лет. Отечественные аккумуляторные элементы имеют гарантированный срок службы не менее 500 циклов зарядки/разрядки, а зарубежные - не менее 1000. Хотя на практике может быть иначе. Например, автор статьи эксплуатирует пару аккумуляторных элементов емкостью 0,45 А.ч, перезаряжая их дважды в неделю (100 циклов в год). Они были приобретены еще в 1993 году, выдержали 700 циклов зарядки/разрядки и продолжают служить.

Другим преимуществом аккумуляторных элементов является высокая стабильность их рабочего напряжения. Свежезаряженный элемент имеет начальное напряжение 1,3...1,4 В, которое снижается по мере разрядки до 1,1 В. Практически полная разрядка элемента достигается при снижении напряжения до 1 В. Дальнейшая разрядка элемента ниже этого порогового значения снижает продолжительность работы аккумулятора и его емкость. В том случае, когда в аппаратуре используется только один элемент, например, в микроприемнике, достижение порогового значения напряжения разрядки заметно по факту прекращения работы приемника. Тогда элемент изымается и ставится на зарядку. В тех случаях, когда используется батарея из двух, четырех, либо шести элементов, может оказаться, что из-за неодинаковой емкости элементов один из них (самый слабый) раньше других понизит свое напряжение до порога и начнет разряжаться далее за счет нормальной работы других элементов. При этом громкость звучания может несколько снизиться, но сам приемник или плейер продолжит свою работу до разрядки других элементов.

Практика показывает, что самый слабый элемент будет иметь напряжение около 0,3 В обратной полярности (там, где раньше был "минус", стал "плюс"). Иными словами, произошла перезарядка элемента, что пагубно скажется на его дальнейшей работе. Исправить это положение можно путем немедленной зарядки его нормальным током в течение требуемого времени.

Аккумуляторные элементы при всей простоте своего внешнего вида обладают "злопамятливым" характером. Это заключается в том, что накопление энергии в полном объеме возможно только при зарядке током определенной величины (десятичасовому разрядному току) в течение 15...16 часов. Кроме того, напряжение разряженного элемента должно быть равно 1,0...1,1 В. О нежелательности разрядки ниже этого порога говорилось выше. Не рекомендуется также, чтобы это напряжение было больше порога, например, 1,2 В, т.е. когда накопленная ранее энергия израсходована не полностью, например, только на 50%. Если такое случится, то при последующем цикле зарядки аккумулятор накопит и отдаст в нагрузку те же 50%, не более. Поэтому для обеспечения длительной эксплуатации аккумуляторных элементов и получения от них номинального запаса энергии, необходимо перед включением их на подзарядку измерить вольтметром напряжение на них. Если оно находится в пределах 1,0.1,1 В, то их можно сразу ставить на зарядку. Если напряжение более этого значения, то требуется предварительно разрядить их. К сожалению, если зарядные устройства продаются везде и повсюду, то специальных устройств для контроля конечного напряжения элемента и разрядки его перед включением нет как в нашей стране, так и за рубежом. Существует мнение, что применение таких устройств осложняет эксплуатацию аппаратуры, особенно теми людьми, которые далеки от техники. В этом отношении специалисты и народные умельцы имеют преимущества.

Так, если использовать аккумуляторные элементы, не контролируя их состояние перед включением на зарядку, то срок службы снижается примерно вдвое. В этом случае отечественные аккумуляторы выходят из строя через 200...300 циклов зарядки/разрядки, а зарубежные - через 400...600. Для большинства потребителей это не будет особенно заметно, так как все равно речь идет о нескольких годах эксплуатации. Но если, прежде чем аккумуляторные элементы будут включены на зарядку, каждый из них пройдет проверку и дополнительно разрядится до требуемого уровня, то срок службы их увеличится по сравнению с гарантийным до 1000...1200 циклов зарядки/разрядки для отечественных и 1500...2000 циклов для зарубежных элементов. Правда, такие предварительные операции кому-то могут показаться сложными, но для тех, кто вынужден постоянно работать с портативной аппаратурой, они не являются помехой.

На отечественном рынке радиотоваров сейчас изобилие аккумуляторных элементов отечественного и зарубежного производства, и не только типоразмера 316. Имеются в продаже элементы других популярных типоразмеров -286, 343, 373.

Проще всего разбираться с отечественными элементами, имеющими стандартное обозначение - НКГЦ - означающее "Никель-Кадмиевый Герметичный Цилиндрический" аккумулятор. После этих букв идут цифры, указывающие номинальную емкость в ампер-часах. Например, самые распространенные и недорогие элементы типоразмера 316 имеют обозначение НКГЦ - 0,45. Это значит, что каждый элемент имеет номинальную емкость 0,45 А.ч, или 450 мА.ч. Аналогично расшифровываются названия НКГЦ - 1,8 и НКГЦ - 3,2: их емкость соответственно равна 1,8 А.ч для типоразмера 343 и 3,2 А.ч для типоразмера 373.

С зарубежными аккумуляторными элементами дело обстоит сложнее. Имеется несколько зарубежных и международных стандартов, принятых фирмами стран Европы, Северной Америки, Азии. Различаются они между собой типоразмерами и номинальной емкостью. В последнее время за счет совершенствования технологии производства емкость аккумуляторных элементов увеличена в 2...4 раза. Так, если 10 лет назад аккумуляторные элементы типоразмеров 316 имели номинальную емкость 0,45...0,6 А.ч, то теперь их емкость достигает 1,5...2 А-ч. Причем, некоторые из этих образцов нечувствительны к зарядке при неполной разрядке, к чему так чувствительны обычные элементы выпуска прошлых лет.

В таблице приведены условные обозначения аккумуляторных элементов, имеющих различные системы условных обозначений для каждого типоразмера. Там же указана продолжительность времени зарядки каждого элемента постоянным током определенной величины. Никель-кадмиевые аккумуляторные элементы допускают зарядку удвоенным значением тока, за счет чего вдвое сокращается время зарядки. Если под рукой нет зарядного устройства для зарядки аккумулятора данного типоразмера, а есть только зарядное устройство с меньшим током зарядки, то тогда зарядка может быть произведена меньшим током, но за большее время.

Имеющиеся в продаже зарядные устройства отечественного и зарубежного производства имеют указание на типоразмер заряжаемых элементов, величину тока зарядки и время, необходимое для нее. В литературе описано немало конструкций самодельных зарядных устройств, но все же лучше воспользоваться фирменным, хотя бы из соображения обеспечения личной электробезопасности, так как обычно зарядка осуществляется от сети переменного тока 220 В, хотя имеются зарядные устройства, работающие от бортовой сети автомобиля постоянного тока напряжением 12 В.

Рабочие характеристики аккумуляторов

Основными рабочими характеристиками аккумуляторных элементов и батарей являются время разрядки при заданном токе и реальная электрическая емкость. Обе характеристики определяются номинальной электрической емкостью и сопротивлением нагрузки, либо величиной потребляемого тока. На рис. 1 приведены результаты измерения напряжения одного аккумуляторного элемента с различным значением номинальной емкости от 180 до 1300 мА.ч при постоянном разрядном токе 100 мА. Такой ток потребляет современный аудиоплейер в режиме воспроизведения. И как видно из рисунка, время разрядки, измеряемое в процессе падения напряжения с 1,35 до 1,0 В, составляет от 1,6 до 11,2 ч. То есть, время нормальной работы аккумулятора практически прямо пропорционально его номинальной емкости.

При этом очевидно, что использование аккумуляторов с большим значением номинальной емкости выгодно вдвойне. Во-первых, резко возрастает время, в течение которого плейер или приемник работает нормально и не требует подзарядки. Во-вторых, уменьшается число циклов зарядка/разрядка, приходящееся на год, что продлевает общий срок службы аккумуля тора. Кроме того, как правило, цена аккумулятора большей емкости в пересчете на 1 А.ч меньше, чем у аккумуляторов меньшей емкости.

Здесь следует отметить, что все рабочие характеристики аккумуляторов рассчитаны наилучшим образом применительно к режиму, при котором разрядка производится десятичасовым разрядным током, т.е. током, равным номинальной емкости, деленной на 10 ч. При значительном возрастании потребляемого тока по сравнению с десятичасовым значением его реальная электрическая емкость падает. Это видно из рис. 2, где приведены результаты измерения реальной емкости аккумуляторного элемента различной номинальной емкости в зависимости от величины потребляемого тока.

Вертикальными пунктирными линиями обозначены границы возможных значений этого тока - от 100 до 300 м.А, куда попадают большинство аудиоплейров, проигрывателей компакт-дисков и портативных приемников.

Из рис. 2 видно, что только аккумуляторы на 1...1,5 А.ч эффективно используют свою энергию. При всех прочих равных условиях аккумуляторы большей емкости выгоднее аккумуляторов малой мощности при работе с большим потребляемым током.

Как заряжать и разряжать аккумуляторы

Для нормальной работы плейера или приемника необходимо, чтобы все элементы имели один и тот же номинал емкости. Как заряжать аккумуляторы, известно всем: взять отработавшие свой срок элементы, проверить их остаточное напряжение и, если необходимо, разрядить каждый из них до 1 В. После чего элементы вставляются в зарядное устройство согласно их полярности и устройство включается в сеть 220 В (или 12 В).

По истечении времени, предписанного инструкцией,зарядное устройство выключается из сети, элементы вынимают из него и вставляют в аппаратуру. Теперь аккумуляторы начнут работать - отдавать накопленную энергию по своему прямому назначению.

В тех случаях, когда вопрос о сохранении, а тем более продлении гарантированного срока службы аккумуляторов не стоит, процедура зарядки может производиться без контроля остаточного напряжения и разрядки элементов до напряжения 1 В. В противном случае операция разрядки до заданного значения может быть осуществлена с помощью простейшего разрядного устройства, принципиальная схема которого приведена на рис. 3.

Здесь аккумуляторные элементы поодиночке или группой подключены к стабилизатору напряжению, выполненному на резисторе R1, и двух соединенных последовательно кремниевых транзисторах, работающих в режиме насыщения коллекторного тока. Этот режим достигается тем, что база и коллектор каждого транзистора соединены между собой. В таком случае каждый транзистор становится стабилизатором напряжения 0,5 В при изменении тока через него в пределах от 1 до 200 мА. Использование двух последовательно соединенных транзисторов дает требуемое напряжение 1 В. При подключении к данному стабилизатору одного или нескольких элементов, даже имеющих большой разброс остаточного напряжения, в конце концов все они будут иметь один и тот же остаточный потенциал - 1 В. Процесс разрядки обычно занимает не более одного-двух часов в самом худшем случае. Убедиться в окончании процесса разрядки можно путем измерения напряжения сначала на элементах, а потом на транзисторах. Если процесс разрядки закончен, то напряжения будут равны 1 В.

Для контроля момента окончания цикла разрядки аккумуляторных элементов по схеме рис. 3 рекомендуется измерить падение напряжения на резисторе R1, которое должно быть равно нулю.

При покупке аккумуляторных элементов зарубежного производства возникают определенные лингвистические трудности с переводом на русский язык этикеток, написанных на английском, немецком и других языках. Ниже приводятся переводы наиболее важных фраз и предложений.

Nickel-Cadmium Battery 1000 mA.h 1,2 V
Никель-кадмиевый аккумулятор емкостью 1000 мА.ч и напряжением 1,2 В

Standart Charge: 15 House at 100 mA
Стандартный режим зарядки: 15 ч током 100 мА

Quick Charge: 6 Hours at mA
Быстрая зарядка: 6 ч при токе 250 мА

CAUTION: Do not dispose of in fire or short circuit
Предупреждение: не помещайте в огонь и не делайте короткое замыкание

Ni/Cd, 1.2 Accumulator, 600mA.h, 60IRS, bis 1000 aufladbar, up to 1000 times rechargeable, Normallabung: 14 Std. mit 60 mA, Standart charges: 14 h. at mA. IEC KR 15/51 (R6)
Никель-кадмиевый аккумулятор напряжением 1,2 В, емкостью 600 мА.ч. Выдерживает 1000 циклов зарядки/разрядки. Зарядка в течение 14 ч током 60 мА.

ACCU PLUS -
Аккумулятор повышенной емкости

Rechargeable Cell -
Подзаряжаемый элемент, может быть аккумуляторным или гальваническим

Р-100 AARM KR 15/51 1000 mA.h 1.2 V1000 F
Аккумуляторный элемент напряжением 1,2 В емкостью 1000 мА.ч, рассчитанный на 1000 циклов зарядки/разрядки

Литература
1. Варламов Р.Г. Современные источники питания. Справочник. М.: ДМК, 1998, 187 с.
2. В.Боравский. Зарядный "универсал" для аккумуляторных блоков питания портативных радиостанций. Ремонт&Сервис, 2000, № 2, с. 60-62.

Устройство для регенерации гальванических элементов и заряда аккумуляторных батарей асимметричным током, содержащее три конденсатора, два диода, первый конденсатор соединен одним выводом с первой входной клеммой, а другим выводом с положительной выходной клеммой устройства, первый диод соединен катодом с положительной выходной клеммой устройства, второй соединен анодом с отрицательной выходной и второй входной клеммами устройства, второй конденсатор соединен одним выводом с первой входной клеммой устройства, а другим выводом с анодом первого диода и катодом второго диода, отличающееся тем, что дополнительно содержит два светодиода, резистор, первый светодиод соединен катодом с положительной выходной клеммой устройства, а анодом соединен последовательно с третьим конденсатором и первой входной клеммой, второй светодиод соединен катодом с отрицательной выходной клеммой устройства, а анодом соединен последовательно с резистором и положительной входной клеммой. 1 ил.

Изобретение относится к электротехнической промышленности и предназначено для заряда, формовки аккумуляторных батарей (АБ) и регенерации гальванических элементов. Известно устройство для регенерации элементов и заряда АБ асимметричным током содержащее источник переменного тока, два конденсатора и два вентиля, анод одного из которых и катод другого подключены к выходным клеммам устройства, источник переменного тока образует с конденсаторами трехлучевую звезду, которая подключена одной конденсаторной ветвью к общей точке вентилей, а другими ветвями к выходным клеммам для подключения заряжаемой батареи. Недостатком этого устройства является то, что нет индикации процесса заряда АБ или регенерации химических элементов. При этом известно устройство для регенерации гальванических элементов и заряда аккумуляторных батарей асимметричным током являющееся аналогом содержащее три конденсатора, два диода, первый конденсатор соединен одним выводом с первой входной клеммой, а другим выводом с положительной выходной клеммой устройства, первый диод соединен катодом с положительной выходной клеммой устройства, первый диод соединен катодом с положительной выходной клеммой устройства, второй соединен анодом с отрицательной выходной и второй входной клеммами устройства, орой конденсатор соединен одним выводом с первой входной клеммой устройства, а другим выводом с анодом первого диода и катодом второго диода. Данное устройство обеспечивает индикацию непосредственно процесса заряда с помощью неоновой индикаторной лампы. Недостатком этого устройства является то, что для функционирования неоновой индикатоpной лампы по целевому назначению необходимо наличие двух дополнительных диодов. Предлагаемое устройство для регенерации гальванических элементов и заряда аккумуляторных батарей асимметричным током, содержащее три конденсатора, два диода, первый конденсатор соединен одним выводом с первой входной клеммой, а другим выводом с положительной выходной клеммой устройства, первый диод соединен катодом с положительной выходной клеммой устройства, второй соединен анодом с отрицательной выходной и второй входной клеммами устройства, второй конденсатор соединен одним выводом с первой входной клеммой устройства, а другим выводом с анодом первого диода и катодом второго диода, дополнительно содержит два светодиода, резистор, первый светодиод соединен катодом с положительной выходной клеммой устройства, а анодом соединен последовательно с третьим конденсатором и первой входной клеммой, второй светодиод соединен катодом с отрицательной выходной клеммой устройства, а анодом соединен последовательно с резистором и положительной выходной клеммой. На чертеже представлена схема предлагаемого устройства. Устройство для регенерации гальванических элементов и заряда аккумуляторных батарей асимметричным током, содержит три конденсатора 1, 2, 3, два диода 4, 5, конденсатор 1 соединен одним выводом с входной клеммой 6, а другим выводом с положительной выходной клеммой 7 устройства, диод 4 соединен катодом с положительной выходной клеммой 7 устройства, диод 5 соединен с анодом с отрицательной выходной клеммой 8 и входной клеммой 9 устройства, конденсатор 2 соединен одним выводом с входной клеммой 6 устройства, а другим выводом с анодом диода 4 и катодом диода 5, два светодиода 10, 11, резистор 12, светодиод 10 соединен катодом с положительной выходной клеммой 7 устройства, а анодом соединен последовательно с конденсатором 3 и входной клеммой 6, светодиод 11 соединен катодом с отрицательной выходной клеммой 8 устройства, а анодом соединен последовательно с резистором 12 и положительной выходной 7 клеммой. Устройство работает следующим образом. На протяжении той части положительного полупериода напряжения сети, когда напряжение на конденсаторе 2 больше ЭДС заряжаемой АБ или регенерируемого элемента (РЭ), через конденсатор 2, диод 4, положительная выходная клемма 7 и АБ или РЭ протекает зарядный ток, а в остальную часть периода АБ или РЭ разряжается через конденсатор 1, входная клемма 5, источник переменного тока, входная клемма 9 и выходная клемма 8. Когда напряжение положительного полупериода достигает напряжения зажигания светодиода 10, он зажигается по цепи: источник переменного тока, входная клемма 6, конденсатор 3, светодиод 10, выходная клемма 7, АБ или РЭ, выходная клемма 8, входная клемма 9, источник переменного тока. Во время отрицательного полупериода светодиод 10 не светится. В случае отсутствия зарядного тока (при разрыве цепи заряда или достаточно большом внутреннем сопротивлении АБ или РЭ) во время отрицательного полупериода напряжения сети конденсатор 1 заряжается до амплитудного значения напряжения сети и это напряжение в течение всего остального полупериода поддерживается неизменным. При этом светодиод 10 не зажигается, так как в течение положительного полупериода разность напряжений на конденсаторе 1 и мгновенным сетевым напряжением недостаточна для зажигания светодиода 10. При заряде АБ или РЭ до напряжения конца заряда зажигается светодиод 11 по цепи: положительная выходная клемма 7, резистор 12, светодиод 11, отрицательная выходная клемма 8. Зажигание светодиода 11 при подключении АБ или РЭ к выходным клеммам 7, 8 и до подключения устройства к источнику переменного тока свидетельствует о нецелесообразности заряда АБ или РЭ.

Формула изобретения

Устройство для регенерации гальванических элементов и заряда аккумуляторных батарей асимметричным током, содержащее три конденсатора, два диода, первый конденсатор соединен одним выводом с первой входной клеммой, а другим выводом с положительной выходной клеммой устройства, первый диод соединен катодом с положительной выходной клеммой устройства, второй соединен анодом с отрицательной выходной и второй входной клеммами устройства, второй конденсатор соединен одним выводом с первой входной клеммой устройства, а другим выводом с анодом первого диода и катодом второго диода, отличающееся тем, что дополнительно содержит два светодиода, резистор, первый светодиод соединен катодом с положительной выходной клеммой устройства, а анодом соединен последовательно с третьим конденсатором и первой входной клеммой, второй светодиод соединен катодом с отрицательной выходной клеммой устройства, а анодом соединен последовательно с резистором и положительной входной клеммой.