Использованы материалы с сайтов www.jaycar.com, www.at-systems.ru, www.slt.ru. Графики и цитаты курсивом - www.at-systems.ru. Все остальное (c) klausmobile 2002. Повторение всех конструкций на страх и риск повторяющего...
1. Сначала пряники, кнуты потом…
Герметичные свинцово-кислотные аккумуляторы (SLA) – наиболее доступные по цене вторичные (перезаряжаемые) источники тока. Доступные, в нынешней экономике, означает, во-первых, наличие в продаже типовых батарей напряжением 6В и 12В, емкостью от одного до тысячи А*ч, во-вторых, то, что за 1 вечнозеленый у.е. можно купить от 1.5 до 6 Вт*ч номинальной емкости. Меньшая цифра соответствует малым батареям, большая – большим.
Что еще в плюсе? Относительно медленный саморазряд (не более 5% емкости в месяц при комнатной температуре), относительная долговечность при условии неглубоких циклов разряда. Отсутствие «памяти» (свойственной никель-кадмиевым аккумуляторам). Допускается постоянный «плавающий» подзаряд в дежурном режиме (именно так работают автомобильные аккумуляторы).
По сравнению со свинцово-кислотными аккумуляторами с жидким электролитом, герметичные аккумуляторы, естественно, выигрывают в эксплуатационной безопасности (нет вредных испарений, допустима работа в любом положении). А еще – герметичная батарея менее критична к условиям заряда, ее сложнее убить неграмотным зарядом. Дело в том, что гелевый электролит подобран так, что батарея никогда не заряжается полностью (с точки зрения химика). Стало быть, выделение газа при перезаряде не происходит, так как перезаряда просто нет. Это не значит, что о контроле режима заряда можно забыть. Нельзя. Об этом далее.
Что в минусе? Во-первых, низкая удельная емкость – 25..35 Вт*ч на килограмм массы, или 60..100 Вт*ч на литр объема. Во-вторых, существенное сокращение жизни батарей при глубоких циклах разряда, а также при систематическом разряде большими токами. В-третьих, существенная зависимость напряжения и внутреннего сопротивления от глубины цикла.
2. О преждевременной старости .
Терминология: в практике принято обозначать интенсивность разряда в виде безразмерных «единиц С». 1С (один-це) численно равен емкости батареи при разряде постоянным током в течении 20 часов. Полный разряд определяется как разряд до 1.8В на банку при комнатной температуре (т.е. до 5.4 и 10.8В для 6В и 12В батарей). Величина 1.8В установилась опытным путем как нижняя граница, при разряде ниже которой током 0.05С начинается необратимое преждевременное старение батареи.
Таким образом, если опытным путем для батареи определено, что для того, чтобы за 20 часов разрядить ее от полностью заряженного состояния (2.1-2.3В на банку) до 1.8В на банку, требуется разрядный ток 150мА, то номинальная емкость батареи устанавливается равной 3.0 А*ч (=0.15А * 20ч).
Интенсивность тока 1С для данной батареи соответствует току разряда 3А, 2С – току разряда 6А и т.п. Если ограничить разряд достижением заданного минимума напряжения, тех же 10.8В – окажется, что реальная емкость на токе 1С сократится примерно вдвое по сравнению с номинальной (cм.график). А вот порог необратимого старения при большой интенсивности разряда (1C и выше), наоборот, существенно снижается – до 8В.
Многократный разряд батареи до напряжений, находящихся ниже штриховой линии приводит к выходу батареи из строя.
На практике, SLA работают в двух режимах – буферном и циклическом. При буферном режиме работы батарея постоянно подключена к зарядному устройству. Если в электрической сети есть напряжение, то после заряда батарея в течение длительного времени находится под действием конечного напряжения заряда. Слабый ток, протекающий через батареи, компенсирует саморазряд батареи и постоянно поддерживает батарею в полностью заряженном состоянии. В случае отключения напряжения в электрической сети, батарея разряжается на подключенную к ней нагрузку. Буферный режим работы характерен для систем бесперебойного питания постоянного и переменного тока, которые широко применяются для компьютеров, коммуникаций и непрерывных производств. А также - автомобильных аккумуляторов при регулярной эксплуатации машины.
При циклическом режиме работы батарею заряжают, а затем отключают от зарядного устройства. Разряд батареи производится по мере необходимости. Циклический режим работы используется при работе различных переносных или перевозимых устройств: электрических фонарей, средств коммуникаций, измерительных приборов. Производители аккумуляторов обычно указывают в перечне технических характеристик, для какого режима работы предназначен тот или иной аккумулятор.
Стало быть, если Вы решили запитать от батарей накалы в ламповом усилителе, то это циклический режим (как приятно узнать, что всю жизнь говорил прозой…). Но значит ли это, что можно просто разряжать батарею до предельно допустимых лампами 5.7 или 11.4В? На деле, пусть этот режим заведомо безопаснее разряда до «аварийных» 5.4 или 10.8В, он при неверном выборе батареи приведет к достаточно глубоким циклам разряда, и тем самым сократит срок ее службы.
Глубина цикла разряда определяется как отношение реально отданных в нагрузку ампер-часов к ампер-часам, соответствующим разряду до порога необратимого старения. Ампер-часы в знаменателе будут совпадать с номинальной емкостью только для интенсивности разряда 0.05С. На практике, в качестве знаменателя используется именно номинальная емкость (тем более, что и постоянный ток разряда – не более, чем идеальное приближение).
Глубина цикла (если она повторяется от цикла к циклу) определяет срок службы батарей. При 100% глубине циклов срок службы SLA не превысит 200-300 циклов. Справочно, автомобильные аккумуляторы с жидким электролитом редко выдерживают более 20 глубоких циклов. При 30% глубине циклов количество их утраивается. Знаменитая Оптима гарантирует выживание при 100 циклах "в ноль" (у автора такая батарея служит четвертый год, но ни одного глубокого цикла "в ноль" так и не было...).
3. Пример из жизни
Теперь давайте считать. В каждом канале усилителя –пара ламп 6С4С (6В, 2А). Необходимо обеспечить минимальное время работы между зарядами 8 часов. При этом напряжение не должно опускаться ниже 5.7В (по ТУ лампы), глубина цикла не более 50%. Из последнего требования следует, что емкость батареи – не менее 32А*ч на канал (= 2А * 8ч / 50%) . Интенсивность разряда такой батареи 0.06С (= 32А*ч / 2). Из графика следует, что за 8 часов ее напряжение упадет всего-навсего до 12.0-12.2В. Есть запас! Но только у свежей батареи. Если Вы не забудете ее вовремя заряжать, то примерно через 500 циклов (полтора года ежедневного удовольствия) напряжение за 8 часов будет падать до тех самых 5.7В, если не хуже… Ставьте автоматику на отключение при недостаточном напряжении, обязательно ставьте! Кстати, 32А*ч подозрительно близко к значению емкости автомобильного аккумулятора (50-65 А*ч). Так что для токов 2А и выше необслуживаемый автомобильный аккумулятор – вполне обоснованная (по цене) альтернатива. Вот с экологией и безопасностью у них проблемы. С другой стороны, если большая АКБ не вписывается в конструктив, то можно совершенно без опаски запараллелить несколько меньших батарей (желательно, но не обязательно – одной серии, одного производителя, одного «возраста» с начала эксплуатации).
А может, попробовать буферный (дежурный) режим, чтоб заряжать постоянно, без какой-либо автоматики? Тумблер вверх – батарея разряжается, лампы играют, тумблер вниз – идет заряд, лампы… отключены от батарей! Нормальный режим заряда – заряд постоянным напряжением 2.4-2.5В на банку, на зажимах 6В батареи будет до 7.5В – лампы так недолго протянут (особенно если анодное питание выключено).
При буферном режиме эксплуатации ресурс батареи сильно зависит от температуры. Наиболее благоприятной температурой для батареи считается температура 15-20 градусов Цельсия. Увеличение температуры на 10 градусов уменьшает ресурс батареи вдвое. На рисунке представлена типичная зависимость ресурса от температуры для аккумуляторов с расчетным ресурсом 5 -7 лет. Резюме – не ставьте батареи в одном корпусе вместе с лампами, пентиумами и т.п. горячими объектами. Вы спросите - а как же под капотом в машине... ну, во-первых, автомобильный аккумулятор специально рассчитан на широкий диапазон температур, во-вторых, теплоемкость АКБ настолько велика, что существенно прогреть ее, даже под капотом, непросто.
В упомянутом примере, срок службы накальной батареи при ежедневных 50% циклах – полтора года. А больше можно? В реальных условиях эксплуатации стационарных аккумуляторов нужно учитывать уменьшение ресурса батареи в случае большого числа испытанных ее разрядов. Для 5-летних батарей, реальный ресурс будет не более 3-х лет, если батарея будет испытывать в среднем один 30-процентный разряд в день или один полный разряд в неделю.
4. Поподробнее о заряде
Наилучший режим заряда батареи при небольшой (не выше 75%) глубине разряда – заряд постоянным напряжением. Разные производители дают незначительно различающиеся значения, общеприемлемым является напряжение 2.4В на банку при циклическом заряде (14.4В для 12В батареи). В буферном режиме напряжение может быть меньшим, 2.3В на банку.
При заряде полностью разряженной батареи этот режим приводит к перегрузке по начальному току, поэтому используется комбинированный режим ограничения по току и напряжению. Обычно он называется режимом заряда I-U. Разряженную батарею сначала заряжают постоянным током, численно (в амперах) не превышающим 0.1-0.3 номинальной емкости батареи (в ампер-часах). Например, для батареи емкостью 100 А*час ток заряда не должен превышать 10-30 ампер. По мере заряда батареи напряжение на батарее увеличивается (при постоянном токе). После того, как напряжение на батарее достигнет конечного напряжения заряда, ток заряда начинают уменьшать, сохраняя напряжение неизменным.
Конечное напряжение заряда при температуре 20 градусов Цельсия равно 2.25-2.3 вольта на элемент батареи. Для батареи с номинальным напряжением 12 В (6 элементов) конечное напряжение заряда равно 13.5-13.8 В. Если батарея эксплуатируется при других температурах, то для увеличения ресурса батарей рекомендуется уменьшать конечное напряжение заряда до 2.2-2.25 В/эл при температуре 40 градусов и увеличивать напряжение до 2.35-2.4 В при температуре 0 градусов. Применение такой температурной компенсации зарядного напряжения позволяет увеличить ресурс батареи при 40 градусах Цельсия на 15 %.
Для полного заряда разряженной батареи рекомендуется проводить заряд в течение 24 часов. Если необходим более быстрый (в течение 8-10 часов) заряд батареи в случае циклического режима эксплуатации, конечное напряжение заряда увеличивают до 2.4-2.48 В/эл (при 20 градусах Цельсия) и обязательно ограничивают время заряда в соответствии с остаточным зарядом батареи перед зарядкой.
Зарядное устройство с постоянным напряжением тока заряда Относительно большой ток применяется на начальной стадии заряда батареи. Когда напряжение батареи достигнет установленного уровня, зарядное устройство переключается с режима постоянного тока на режим постоянного напряжения. В течение этой фазы величина зарядного тока начинает уменьшаться до уровня минимального зарядного тока, известного как поддерживающий ток.Значения, приведенные в таблице, приняты как стандартные.
Нормативные значения электрических величин для зарядного устройства с постоянным зарядным напряжением
Примечания: Для батарей, используемых в цикличном режиме, рекомендуется использовать датчик, позволяющий прервать процесс заряда по достижении предварительно заданной величины напряжения, или таймер.Температурный коэффициент необходимо принимать в расчет, если заряд батареи происходит при температурах ниже +10 0 С или выше +30 0 С
Система ускоренного заряда (только для батарей, работающих в цикличном режиме) При ускоренном заряде батареи необходимо использовать устройства, укомплектованные блоком температурной компенсации и термическим предохранителем, позволяющие предотвратить недостаточный заряд батареи при низкой температуре или ее перегрев при высокой температуре окружающей среды
Нормативные значения электрических величин для режима ускоренного заряда батареи приведены в таблице:
Примечания: На батарее должен быть установлен термостат или термический предохранитель, или необходимо использовать таймер, позволяющий вовремя прекратить процесс заряда. Максимальная величина начального зарядного тока для батарей, емкостью более 10 Ач, должна соответствовать следующему соотношению: I = C максимум
Обратите внимание на последний абзац. Он того стоит. Особенно если много батарей замурованы в плохо вентилируемом ящике – перегрев возможен даже при обычном (не ускоренном) заряде, пусть не катастрофический, но все равно сокращающий жизнь батарей.
5. Простое зарядное устройство (медленный заряд I-U)
Для заряда небольших батарей наиболее удобна типовая схема на ИС семейства LM117, LM 196, LM317 (142ЕН12, 1151ЕН1, 1157ЕН1). Источник - "Микросхемы для линейных источников питания", М, Додэка, 1998, стр.97, 122 и др.).
Порог ограничения тока задается R4 (с учетом допустимого тока и мощности рассеяния микросхемы). На практике, когда источник питания для конкретного типа батарей встраивается непосредственно в аппаратуру - регулировка предельного тока не нужна, можно вообще исключить цепь ограничения тока (Т2), передав эту функцию выходному сопротивлению фильтра источника питания.
При больших токах удобнее использовать дискретные стабилизаторы с проходными N-МДП или составными NPN транзисторами, управляемые интегральным стабилизатором. Неудобство МДП - относительно высокое пороговое напряжение - в маломощных ЗУ решается повышением напряжения основного (единственного) источника питания, в мощных (см. рисунок) - удвоителем напряжения.
Номиналы делителей стабилизатора напряжения (IC1) указаны для 6В батарей, номиналы емкостей фильтра и резисторов стабилизатора тока (Т2) - для зарядных токов не более 2.5А, что достаточно для батарей емкостью до 10-15 А*ч. Трансформатор на выходное напряжение 9В хх, ток 5А. Переключаемые шунты в цепи база-эмиттер Т2 задают предельный ток заряда. Диод D11 - диод Шоттки на ток не менее 10А - защищает от переполюсовки батарей. Настройка сводится к заданию напряжения стабилизации на эквиваленте нагрузки 10 Ом (R6) и подбору шунтов R5.
6. Источник отрицательного напряжения в автомобиле
Для питания кроссоверов и т.п. устройств на ОУ с непосредственной связью можно поставить простой импульсный источник отрицательного напряжения. А лучше - батарею. Намного лучше! Вот только батарея эта должна быть не на 12, а на 6 Вольт. Поясню. Скорее всего, батарея эта будет отдавать ток практически всегда, когда работает двигатель. А заряжаться сможет только на стоянке. Но зарядить 12В свинцовую батарею от другой 12В батареи - невозможно. Это даже не буферный режим, а голодовка. Нужен генератор, выдающий 14В, но где же его взять, на стоянке...
Для питания кроссовера с током потребления 20мА достаточно батарейки на 6В, 1.2Ач (размером чуть более пачки сигарет). Режим заряда I-U (200мА, 7.2 В). При выключенном сигнале REMOTE батарея постоянно заряжается от бортсети (минус на землю, плюс на выход стабилизатора - состояние оптронов как показано на схеме). При включении сигнала REMOTE батарея коммутируется плюсом на землю, минусом на нагрузку (шину питания ОУ). Ток заряда ограничен резистором R3 на уровне 75 мА. Полностью заряженная батарея Fiamm 10121 в таком режиме отнимает у бортсети примерно 15мА при комнатной температуре. Цепочка R7-T1 блокирует разряд батареи на делитель R5-R6 при отключении от бортсети (предполагается, конечно, что REM IN при этом снят и нагрузка от батареи отключена). Потребляемый ток по шине REMOTE 20mA. Таймер D1-C1-R1-IC1-IC2-FU1 задерживает на 2 секунды передачу сигнала REM IN на выход. Резистор R0 нужен только для разряда емкости таймера, в практических схемах его можно исключить или заменить на индикаторную цепь со светодиодом. Диоды D1-3 - любые на постоянный ток 1А.
Оптроны КР293КП9А, КР293КП3А можно заменить любыми МДП оптронами на ток не менее 200мА (293КП с литерой А). При коммутации батареи оптроном КР293КП9А с "противофазными" ключами в одном корпусе сквозного тока при коммутации я не наблюдал, при замене на другие оптроны - следует убедиться, что его нет. Предохранители FU1, FU2 - самовосстанавливающиеся на ток срабатывания 200мА. В фильтре питания на выходе источника -6В следует ограничиться минимальной емкостью, чтобы не перегрузить оптроны при коммутации они, кстати, добавляют 10 Ом к выходному сопротивлению батареи). 293 серия не для амперных токов! Это для "взрослых" реле. Это тема следующего проекта - ЦАП с полностью батарейным питанием... но об этом еще рано...
Список радиоэлементов
| Обозначение | Тип | Номинал | Количество | Примечание | Магазин | Мой блокнот | |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Простое зарядное устройство (схема 1) | |||||||
| IC1 | Линейный регулятор | LM117 | 1 | 142ЕН12 | В блокнот | ||
| T1 | Биполярный транзистор | КТ3102 | 1 | В блокнот | |||
| С1 | 1000 мкФ | 1 | В блокнот | ||||
| R1 | Резистор | 100 Ом | 1 | В блокнот | |||
| R2 | Переменный резистор | 470 Ом | 1 | В блокнот | |||
| R3 | Резистор | 1.5 кОм | 1 | В блокнот | |||
| R4 | Резистор | 1 Ом | 1 | для 600 мА | В блокнот | ||
| АКБ | 6 В | 1 | В блокнот | ||||
| Простое зарядное устройство (схема 2) | |||||||
| IC1 | ИС источника опорного напряжения | TL431 | 1 | В блокнот | |||
| T1 | MOSFET-транзистор | IRFP054 | 1 | В блокнот | |||
| T2 | Биполярный транзистор | КТ3102 | 1 | В блокнот | |||
| D1-D4 | Диод | КД213А | 4 | В блокнот | |||
| D5, D6 | Диод | 2 | В блокнот | ||||
| D7 | Стабилитрон | 20 В | 1 | В блокнот | |||
| D8 | Стабилитрон | 8 В | 1 | В блокнот | |||
| D11 | Диод Шоттки | 10 А | 1 | В блокнот | |||
| С1, С3, С6 | Электролитический конденсатор | 470 мкФ | 3 | В блокнот | |||
| С2 | Электролитический конденсатор | 10000 мкФ | 1 | В блокнот | |||
| С4 | Конденсатор | 1 мкФ | 1 | В блокнот | |||
| С5 | Электролитический конденсатор | 22000 мкФ | 1 | В блокнот | |||
| R1 | Резистор | 1 кОм | 1 | В блокнот | |||
| R2 | Резистор | 2 кОм | 1 | В блокнот | |||
| R3, R4, R8 | Резистор | 4.7 кОм | 3 | В блокнот | |||
| R5 | Резистор | 0.2 Ом | 1 | В блокнот | |||
| R6 | Переменный резистор | 100 Ом | 1 | В блокнот | |||
| R7 | Резистор | 100 Ом | 1 | В блокнот | |||
| Резистор | 1 | В блокнот | |||||
| Резистор | 1 | В блокнот | |||||
| Резистор | 1 | В блокнот | |||||
| D9, D10 | Светодиод | 2 | В блокнот | ||||
| L1 | Катушка индуктивности | 2 мГн | 1 | В блокнот | |||
| TP1 | Трансформатор | 1 | В блокнот | ||||
| GB1 | АКБ | 1 | В блокнот | ||||
| Переключатель | 1 | ||||||
В се, что написано выше, относится к зарядке свинцового аккумулятора при температуре 20 градусов Цельсия, а при других температурах нужно вводить температурную компенсацию зарядного напряжения. Зарядка свинцового аккумулятора возможна в диапазоне температур от -15 ° C до +40 ° C. При увеличении температуры, напряжение заряда должно быть меньше обычного, чтобы избежать перезарядки. А если зарядка аккумулятора производится при пониженной температуре, напряжение зарядки нужно увеличить, чтобы избежать недозарядки. Обычно рекомендуется использовать температурную компенсацию –3 мВ/° С.
4. Что будет, если не соблюдать правила зарядки свинцового аккумулятора?
О писанные выше способы зарядки свинцового аккумулятора позволяют зарядить аккумулятор быстро и безопасно. Они ориентированы на максимальное сохранение ресурса свинцового аккумулятора и замедление .
В озможна ли зарядка аккумулятора током, большим, чем максимально допустимый? Да, аккумулятор зарядится, даже если ток зарядки будет превышать установленный производителем максимум. Но, во-первых, если не уменьшить ток хотя бы в конце зарядки, то аккумулятор зарядится не полностью. А во-вторых, во время зарядки большим током перестанет быть эффективным механизм рекомбинации газов внутри , и электролит аккумулятора потеряет воду, даже, если потом, в конце зарядки, зарядный ток будет уменьшен. В результате превышения тока даже во время одной зарядки, аккумулятор не проработает весь расчетный ресурс и выйдет из строя раньше.
В озможна ли зарядка аккумулятора очень маленьким током, намного меньшим, чем максимально допустимый, скажем, током в 0.2% от емкости? Да, аккумулятор полностью зарядится даже таким током. Но зарядка аккумулятора будет продолжаться неоправданно долго - несколько недель. Кроме того, значительную часть этого времени аккумулятор будет находиться в разряженном состоянии, что почти эквивалентно хранению свинцового аккумулятора в разряженном состоянии. А это ведет к и ускоренному . Однократная зарядка очень малым током не выведет аккумулятор из строя, но такие зарядки не следует повторять часто.
Н еправильный выбор конечного напряжения зарядки также опасен для аккумулятора. Недостаточное конечное напряжение приведет к недозарядке аккумулятора, и он сделает шаг в сторону . А избыточное напряжение зарядки чревато выделением газов из аккумулятора и потерей воды электролитом. Это еще сильнее уменьшает ресурс аккумулятора, чем зарядка аккумулятора пониженным напряжением.
П ри температуре ниже -15° C зарядка аккумулятора не рекомендуется, поскольку при низкой температуре перестает работать механизм рекомбинации газов внутри , и электролит теряет воду.
5. Как определить, правильно ли проведена зарядка аккумулятора.
В полне достаточно соблюдать необходимые параметры зарядки аккумулятора: ток и напряжение (с учетом температуры), и зарядка аккумулятора будет успешной. В конце зарядки современного не должно быть никаких пузырьков, не допустимо даже небольшое выделение газа. Если вокруг предохранительных клапанов аккумулятора обнаружены следы электролита или белый налет, то аккумулятор заряжался неправильно.
П осле зарядки можно проверить аккумулятор - после зарядки должна полностью восстановиться.
Свинцовые аккумуляторы являются источником энергии в машине с двигателем внутреннего сгорания. Генераторы машин содержат реле-регулятор, который не пропускает напряжение свыше 14,4 В, т.е отключает возбуждение ротора на больших оборотах двигателя. Это означает, что аккумулятор полностью зарядиться не может. Нет, если проехать 400 км, то аккумулятор зарядится, но если в день проезжать 50 км, то аккумулятор полностью так и не зарядится. В результате, обычно зимой, втягивающее реле просто щелкнет, а мотор не заведется. Естественно, что нужно либо нести аккумулятор домой и отогревать в теплой ванне, либо ставить на зарядку. Кстатит, если на улице -20С и мотор не заводится, но можно снять аккумулятор и поставить его в ванну с теплой водой. Вода не должна полностью покрывать аккумулятор. Нагрев таким образом можно добиться, чтобы электролит стал достаточно жидким, чтобы завести машину.
Для зарядки аккумулятора нужно подать на него постоянное напряжение. Выходное напряжение блока питания считается по формуле: U=2,7 В/бн - вольты на банку. Количество банок в автомобильных аккумуляторах обычно 6 - по количеству пробок для забора электролита.
Количество банок рассчитается как общее напряжение аккумулятора разделенное на два: n=U/2. Итак, получается напряжение блока питания должно быть U=2,7*6=16,2 В. Напряжение можно брать и выше - по итогу все отрегулируется током. В качестве блока выбирается трансформатор. Ток вторичной обмотки трансформатора выбирается по формуле: I=0,2*C, где С - емкость аккумулятора. Если учесть, что стандартный аккумулятор - 60 Ач, то ток через вторичку составит I=0,2*60=12 А. После трансформатора ставится выпрямительный диод - обычно на 15 А - но можно и больше, но не меньше тока вторичной обмотки трансформатора.
Однако, если дать все напряжение блока питания аккумулятору, то пластины аккумулятора сразу высыпятся. Необходимо регулирование напряжения, а следовательно - будет регулироваться и ток. Для регулирования тока необходим либо переменный резистор с толстой спиралью, подключенный последовательно с аккумулятором, либо регулятор света (диммер), включенный перед трансформатором. Для индикации тока ставится амперметр.
Если все собрано, то вначале подключаем аккумулятор к зарядному устройству, выставляем регулятор в нулевое положение и включаем трансформатор. Отключать аккумулятор от зарядного устройства при включенном зарядном нельзя - возникнет искра и может взорваться скопившийся водород. Далее выставляем ток по амперметру. Напряжение при заряде нам нисколько не интересно. Главное ток, а напряжение будет, если ток идет. Ток выставляется таким, чтобы I=0,1*С, где С - емкость аккумулятора. Для аккумулятора емкостью 60 Ач нужен ток заряда I=0,1*60=6 А. Этим током аккумулятор должен заряжаться 10 ч. Конечно, можно поставить ток 1 А и заряжать 60 ч, если есть время. Малый ток полезен аккумуляторам при зарядке, а вот большой ток может вызвать и необратимые изменения - высыпятся пластины, аккумулятор закипит. Кипение аккумулятора - негативный процесс, его нужно избегать. Если же закипание произошло, нужно отключить аккумулятор от зарядки, охладить и выставить меньший ток заряда.
Есть так называемый "уравнительный заряд" - при нем плотность электролита во всех банках становится одинаковой. Уравнительный заряд проводится после полной зарядки аккумулятора, выставляется ток I=0,15 А/бн, что для 6-ти баночного аккумулятора означает I=0,15*6=0,9 А. Этим током нужно заряжать 12 ч.
Критерием зарядки аккумулятора служит плотность электролита в его банках. Сейчас производят необслуживаемые аккумулятора, где нельзя промерить электролит и долить в него дистиллированную воду.
Однако, встречаются и обслуживаемые аккумуляторы, где сверху установлены пробки под большую крестообразную отвертку. При заряде таких аккумуляторов пробки нужно открутить, чтобы дать водороду свободно выходить. Специальным прибором - ареометром - измеряем плотность электролита в каждой банке.
У заряженного аккумулятора плотность 1,27 - 1,30 г/см 3 .
Если получилось опрокинуть аккумулятор и электролит вытек - нельзя заливать свежий электролит. Нужно собрать хоть немного электролита старого, залить в банки дистиллированную воду и на выравнивающей заряде вытягивать банки. Это достаточно длительный процесс, но верный.
Сейчас во многие аккумуляторы встраивают датчик уровня электролита. Он выполняется в виде глазка. Если посмотреть в глазок то он имеет цвет - зеленый, тогда уровень электролита высокий и аккумулятор теоретически заряжен. Если цвет глазка красный, то аккумулято либо разряжен, либо нуждается в доливке дисциллированной водой.
Хороший аккумулятор это тот, о котором не думаешь. Многие думают не так, но соглашаются с этим утверждением, когда их собственный аккумулятор подводит в самую ответственную минуту. Здесь хочется вспомнить фильм «Берегись автомобиля», но улыбка от вспомнившихся кадров замечательного фильма ситуацию не исправит…
Так вот, это значит что перед нами стоит прямая и серьезная задача? Как же реанимировать аккумулятор, если он не «крутит» стартер? Как его зарядить? Поможет ли зарядка? Вопросов много и все они хорошие и достойные, так как не однозначные. Именно в них мы и постараемся разобраться в нашей статье.
Немного из истории кислотного аккумулятора
Если гальваническую батарею изобрел Вольт в 1799 году, то аккумулятор, нечто похожее но с возможностью восстановления цикла, был создан уже через 4 года. То есть в 1803 году Иоганном Вильгельмом Риттером. Конечно, в то время все эти элементы питания были несовершенными и со своими минусами. Ведь только слишком простое может быть совершенно изначально, а аккумулятор это ой как не просто.
Значимых вех в истории аккумуляторов внес в 1859-1860 годах Александр Беккерель. Молодой человек решил заняться улучшением вторичных элементов, чтобы сделать их надежными источниками тока для телеграфии. Сначала он заменил платиновые электроды "газового элемента" Грове свинцовыми. А после многочисленных экспериментов и поисков вообще перешел к двум тонким свинцовым пластинкам. Он их проложил суконкой и навил этот сэндвич на деревянную палочку, чтобы он влезал в круглую стеклянную банку с электролитом. Далее подключил обе пластины к батарее. Через некоторое время вторичный элемент зарядился и сам оказался способен давать достаточно ощутимый и постоянный ток. При этом, если его сразу не разряжали, способность сохранять электродвижущую силу оставалась в нем на довольно продолжительное время. Это было настоящее рождение накопителя электрической энергии, а проще аккумулятора.
Надо отметить, что и сегодня по такой схеме изготавливаются аккумуляторы фирмы OPTIMA. В этом случае удается уместить в аккумуляторе максимальную площадь электродов, при этом за счет скрутки эвольвентой пластины получаются более стойкие к обсыпанию.
Минусом такой конструкции являются его преимущества, вернее продолжение тех самых плюсов. В центре эвольвенты свернутых электродов процессы могут иметь некую инерционность, так как доступ электролита к ним будет ограничен.
Поэтому как бы ни были хороши такие аккумуляторы, но цена, простота конструкции все же диктуют нам другие условия. Когда аккумуляторы представляют собой набор банок с плоскими электродами. При этом наполнителем может служить кислота, либо гель все с той же кислотой.
Нет, бывают аккумуляторы и литий-ионные, и литий – полимерные и алюминий – ионные, но все они на автомобилях не применяются. По крайней мере обширно и массово.
Самые распространенные аккумуляторы сегодня (свинцово - кислотные или кислотно - свинцовые, что одно и тоже)
Итак, раз самые распространенные именно свинцово - кислотные аккумуляторы, то об их зарядке мы и поговорим далее.
Еще раз подытожим. Свинцово-кислотные аккумуляторы могут быть с кислотой или с гелем. С гелем аккумуляторы считаются не обслуживаемыми. Формы банок могут быть плоскими в виде кирпичиков или бочонками, как на рисунках выше. Это все не столь принципиально. Режимы зарядки от этого если и поменяются, то не принципиально оппозитно.
Перед зарядкой аккумулятора необходимо проверить…
Перед тем как начать заряжать аккумулятор, необходимо проверить то, насколько равномерно банки разряжены и каков уровень электролита в аккумуляторе.
В аккумуляторе каждая из его банок является обособленной и независимой батарейкой - аккумулятором, с чуть меньшим потенциалом. То есть если скажем аккумулятор на 12 вольт и в нем 6 банок, то не трудно посчитать 12/6 = 2, что каждая из банок рассчитана на то, чтобы выдавать свои 2 вольта. Однако очень глубокий разряд приводит к тому, что самые «слабые» банки АКБ начинают заряжаться в обратную сторону. Происходит так называемая переполюсовка. В этом случае электроды меняются местами - на минусе начинает образовываться оксид свинца, на плюсе сульфат бария, на котором отлично "растут" друзы кристаллов сульфатов свинца... Хотя все должно происходить оппозитно - наоборот, для каждого из электродов. Так вот, здесь важно не допустить появления такой банки, а если и появилась слабая банка, то желательно ее «подтянуть» отдельно, до начала зарядки всего аккумулятора.
Проверить ми выявить такие ущербные банки в аккумуляторе легко. Берем прибор и измеряем напряжение для них вначале через контакт «+» и электролит, а затем через минус и электролит. В итоге, записываем все в табличку, вроде той, что выше и делаем заключение о «слабой», «просевшей» банки. В нашем случае это крайняя правая. Именно ее вначале стоит зарядить на 2 вольта, при этом с правильными полюсами, а затем начать заряжать весь аккумулятор.
Вы спросите, почему нельзя заряжать аккумулятор сразу, так бы и переполюсованная банка стала заряжаться в нормальном направлении!? Здесь все просто. Все банки уже зарядятся в то время, когда самая «просевшая» только начнет набирать свой потенциал. В итоге, на остальных банках будет перезаряд, который тоже вреден.
На что еще следует обратить внимание, так это на уровень элоктролита в каждой банке. Это в том случае если у вас электролит – жидкость, а не гель. Доливаем дистиллированную воду. Не надо доливать кислоту, так как плотность проверяется только после полной зарядки, а не на разряженном аккумуляторе.
Теперь о рекомендуемом цикле зарядки аккумулятора.
Как зарядить кислотный аккумулятор. График идеальной зарядки аккумулятора (АКБ)
Вначале мы вашему вниманию представим график, зарядки аккумулятора по напряжению, а затем расскажем, почему следует заряжать именно так.
Точка 1-2 соответствует поднятию напряжения за счет исключения омических потерь. Далее начинается непосредственный процесс зарядки.
(2-3 точки) Как видите, начинается все с импульсного напряжения и тока. Это необходимо для того, чтобы «раскачать» все поры, трещины замазки на электродах аккумулятора. Импульсное напряжение и ток способны обеспечить ступенчатую реакцию с электродами аккумуляторов, то есть десульфатацию. В итоге, зарядка будет производиться как бы порционно. Первый плюс будет в том, что время зарядки будет несколько увеличено, а значит, будут происходить полноценные процессы восстановления. Второе, это то, что ток будет способствовать открытию пор на отложениях сульфатации, что само собой увеличит возможность реакции с электродами, а также емкость батареи. Процитируем фразу из исследований компании Battery Council International, относившимся к зарядке аккумуляторов применяемых в солнечных батареях.
Широтно-импульсная модуляция тока заряда может предотвратить образование отложений сульфатов, помогает преодолеть резистивный барьер на поверхности электродной сетки и пробить коррозию на переходах. В дополнение к улучшенному КПД заряда и увеличенной емкости, существуют убедительные доказательства того, что такой режим заряда может восстановить емкость АБ…
Таким образом, эту стадию можно назвать одну из важных при зарядке аккумулятора. Обеспечить ШИМ модуляцию можно за счет применения аналогового или цифрового генератора (мультивибратора).
Следующая стадия точки 3-4. Когда происходит основанное восстановление от сульфатации. Здесь хочется сказать о времени протекания процесса. Это довольно долго, но быстрее нельзя. Обеспечив 1/10 по току, от емкости аккумулятора, необходимо заряжать АБ. Увеличение тока, и попытка зарядить его быстрее, может привести к тому, что процессы просто не будут происходить быстрее, за счет ограничения по диффузии. В итоге, ничего хорошего из этого не получиться. Так заряжаем аккумулятор до начала точки газовыделения (точки 4-5), еще это процесс называют кипением аккумулятора.
При этом сохраняем тот же ток 1/10 от емкости и заряжаем аккумулятор еще 2-3 часа. Не допускаем интенсивного выделения газовыделения, чтобы не разрушить намазки на пластинах, не привести к осыпанию пластин. Хотя в настоящее время большинство аккумуляторов имеют защиту от осыпания пластин, за счет установки электродов в пакеты и подобные применяемые технологии. Здесь также важно ограничить напряжение подачи на аккумулятор, не подавать более того, что написано у него в инструкции. Ведь именно в этот момент можно несколько искусственно завысить напряжения аккумулятора, что скажется на его емкости. Поднимать напряжения аккумулятор необходимо не выше его номинального, а затем выдержать еще 2-3 часа, это уже точки 5-6.
После этого можно отключить аккумулятор от зарядного устройства. В этот момент произойдет снижение напряжения за счет омических потерь, которые были также и на точках 1-2. Далее, в течение нескольких часов напряжение аккумулятора упадет примерно до 12,5 – 12,7 вольт.
Это напряжение будет соответствовать приходу аккумулятора в некое собственное равновесное устойчивое положение. Именно с этого момента можно говорить о полном цикле заряда аккумулятора.
Теперь, когда аккумулятор заряжен, необходимо проверить его плотность.
Проверка плотности после зарядки кислотного аккумулятора
Плотность электролита должна быть в соответствии с приведенной в инструкции. В качестве рекомендательной информации можем привести такую таблицу.
Не стоит выбиваться из предписанной плотности, так как пониженная плотность электролита ведет к сульфатации, а повышенная к активизации коррозии пластин.
Именно из-за этих особенностей необходимо соблюдать «золотую середину». Рекомендуемая плотность после зарядки 1,24 г/см3.
Важно: для установления плотности электролит используйте лишь чистую серную кислоту или дистиллированную воду. Если вы будете использовать химические реагенты (жидкости) с примесями, то в аккумуляторе начнут протекать самопроизвольные токи между электродами, то есть аккумулятор просто будет разряжаться, не будет держать заряд. Назовите это как хотите, но эксплуатационные свойства аккумулятора существенно снизятся.
Теперь мы подходим к частным случаям, которые объяснят нам, почему нельзя аккумулятор часто разряжать, перезаряжать и недозаряжать.
Что будет если аккумулятор часто разряжать
Не смотря на то, что вроде как в аккумуляторы происходя обратимые процессы и в идеале они должны протекать туда и обратно бесконечно количество раз, но в жизни такого не бывает. Впрочем, как и других идеальных вещей и случаев.
У кислотного аккумулятор два серьезных врага, если можно так сказать. Первый, это кристаллы сернокислого свинца, то есть длительно протекающий процесс сульфатации. Второй, это растрескивание и выпадение в осадок пластин, либо составляющих от замазки на них.
Так вот, в случае с глубокими зарядами, мы имеем дело с первым «врагом», то есть возможно появление кристаллов, которые трудно будет растворить, а значит зарядить аккумулятор уже если и удастся, то емкость у него будет снижена.
Вот примерный график зависимости количества циклов зарядки – разрядки и емкости аккумулятора.
Что будет если аккумулятор недозаряжать
Мы много говорили о сульфатации, но до сих пор так и не видели ее «в живую». Что же она собой представляет? Взгляните на картинку. Светлые площади на электродах это и есть сульфатация.
Теперь вы видите насколько может сократиться полезная площадь электродов, что эквивалентно также повлечет за собой и сокращение емкости аккумулятора.
Так если мы не будем доводить процесс десульфатации до своего логического заключения, то есть если сульфаты останутся, то это приведет к их дальнейшему застыванию на том же месте и разрастанию. В итоге что!? Тоже самое что и при частом разряде. Емкость аккумулятора снизиться, способность к зарядке ухудшиться.
Что будет если аккумулятор перезаряжать
Перезарядка аккумулятора приведет к кипению аккумулятора, что соответственно может повлиять на уровень и плотность электролита, а также на осыпание и вымывание частиц из электродов. Если в первом случае восстановить электролит можно долив кислоту и дистиллированную воду, то в случае вымывания, а тем более высыпания пластин, восстановить их не получится. В этом случае упадет полнота протекания процесса, то есть та же самая емкость батареи. Во-вторых, выделившиеся, вымывшиеся частицы растворятся в электролите, что приведет к потере его «чистоты». В итоге, возникнут внутренние токи, через которые и будет происходить самопроизвольный разряд аккумулятора.
Подводя итог о том, как зарядить аккумулятор
Итак, мы много вам рассказали о том, как правильно заряжать аккумулятор, что можно и нужно с ним делать во время зарядки, а что нельзя. Объем статьи получился несколько значительный, но более кратко и не рассказать. Тем не менее, как бы это не было сложно постараемся резюмировать:
- заряжаем током 1/10 от емкости, большим током заряжать нежелательно, не будет успевать протекать химическая реакция, так как время заряда в этом случае тоже должно будет сократиться;
- использование ШИМ модуляции на первых этапах зарядки способно «раскачегарить» сульфатные отложения, тем самым восстановить первоначальные свойства»
- недозарядка и частая разрядка аккумулятора, приводит к наросту сульфатации на электродах, снижению емкости;
- перезарядка приводит к расслоению электродов и к потере чистоты электролита.
Именно так кратко можно сказать о процессах, которые мы столь долго описывали выше.
Здесь хотелось бы сказать также и о зарядном устройстве, но лепить все в одну кучу было бы неправильно. Статью о зарядном устройстве необходимо выделить в отдельную, тем более, что она подразумевается как интеллектуальная зарядное устройство, если предусматривать режим ШИМ модуляции. Если это простая зарядка, то вам необходимо будет обеспечить все процессы самому. А с учетом того, что аккумулятор заряжает 11-12 часов, это довольно муторно. Что же, чтобы совсем вас не оставить без информации о зарядных устройствах, можем порекомендовать ознакомиться со статьями «
Любой автомобильный аккумулятор имеет свойство терять свой заряд со временем. Происходит это по многим причинам, и не важно, пользуетесь ли Вы аккумулятором или нет, а заряд будет уходить.
Таким образом, зарядка свинцово кислотных аккумуляторов – это совершенно необходимое действие в процессе их эксплуатации .Конечно, в автомобиле есть бортовой генератор, который и восполняет затраченный батарее заряд. Однако автомобильный генератор не зарядит Вашу батарею полностью, обычно батарея работает в промежуточном, средней заряженности режиме. Это скорее плохо, чем хорошо. Все дело в том, что такой режим может быть хорош летом, а вот с наступлением холодов заряд батареи резко падает. И если летом при заряженности батареи 60% Вы могли без каких-либо проблем завести машину, то зимой Вы после одной-двух неудачных попыток прокрутить стартер разрядите батарею полностью.
Таким образом, автомобильную аккумуляторную батарею время от времени нужно подзаряжать стационарным зарядным устройством. Тем самым Вы доведете заряд батареи практически до 100%, и Ваша батарея будет чувствовать себя явно лучше. При желании Вы также можете прогнать аккумуляторную батарею циклами заряд-разряд несколько раз, тем самым восстановив её полную емкость – со временем при использовании батарею в этом самом промежуточном состоянии заряда её емкость падает. И если у Вас батарея на 60 Ач, то после полугода такого использования в автомобиле, без стационарной подзарядки, Вы можете уже в процессе заряда обнаружить, что емкость снизилась, скажем, до 45 Ач. В таком случае батарею нужно восстанавливать, «раскачивать» циклами заряд-разряд.
Как заряжать свинцово кислотные аккумуляторы? Для этого понадобится зарядное устройство и базовые знания по самому процессу зарядки.
Зарядные устройства бывают импульсные и трансформаторные. Первые более современные, они компактны и дешевы – хотя технически они более сложны. Трансформаторные же устройства потихоньку уходят с массового рынка из-за своего большого веса, габаритов и цены. Но, тем не менее, если у Вас есть трансформаторное зарядное устройство, то не спешите менять его на импульсное – они, как правило, надежнее, да и само их изготовление более качественно.
Зарядные устройства делятся также на автоматические и не автоматические. Первые делают все сами, Ваши участие минимально, вторые же, соответственно, требуют
Вашей серьезной вовлеченности. Перед тем, как начать процесс зарядки, Вам необходимо решить, будете ли Вы снимать батарею или зарядка будет происходить прямо в автомобиле. Сняв батарею, Вы получаете к ней больший доступ, её удобнее почистить, удобнее выкрутить пробки и так далее. Но отсоединив батарею от машины, у Вашего бортового компьютера, скорее всего, собьются все настройки.Так или иначе, зарядка свинцово кислотных аккумуляторов должна происходить в максимальной безопасности. Такие батареи имеют свойство выделять при зарядке газ, и он взрывоопасен. Вполне может случится ситуация, когда Вы слышите, что электролит начинает закипать – процесс срочно нужно прекратить. Таким образом, к батарее нужно иметь свободный доступ, будете Вы её вынимать или нет. А теперь рассмотрим сам процесс, как заряжать свинцово кислотные аккумуляторы.
Поверхность батареи нужно очистить, клеммы затереть до блеска. Откручиваем пробки, если таковые имеются, и замеряем уровень электролита. Если уровень ниже меток – восполняем электролит. Проверить нужно каждую банку. Если уровень будет ниже – будет осыпаться оголенная батарея, а это ускоренная смерть аккумулятора. К тому же, на зиму электролит нужно делать более плотным – так он лучше будет держать заряд на холоде. Если же у Вас батарея необслуживаемая, понятно, ничего Вы сделать не сможете.
Далее нужно подсоединить зарядное устройство. И выставить зарядный ток. Сила тока вычисляется из расчёта, что в амперах численно она должна быть равна одной десятой емкости батареи в Ач. Например, батарея на 60 Ач должна заряжаться током 6 А.
Процесс зарядки будет длится примерно 20 часов. Если у Вас автоматическое зарядное устройство, то оно само будет следить за процессом заряда и само его прекратит – а Вы будете проинформированы лампочкой, индикатором и тд.Если же у Вас зарядное устройство не автоматическое, то Вам придется больше контролировать процесс. После выставления зарядного тока через 20 часов его значение нужно уменьшить вдвое и так заряжать еще 2 часа. В последние часы нужно особенно внимательно следить за батареей, чтобы в ней не закипел электролит. Собственно, для этого и понижается сила тока в конце процесса – чтобы смягчить зарядку.
Герметичные необслуживаемые батареи обычно заряжают постоянным напряжением. В таком случае выставляется напряжение 14,4-14,5 В. А ток заряда в процессе будет падать – так как внутреннее сопротивление батареи будет расти.
Стоит также сказать, что очень важно соблюдать температурный режим. Батарею нужно заряжать, когда её температура около 20 градусов. Нельзя заряжать батарею на морозе. В то же время если Вы видите, что температура батареи при зарядке начинает доходить до 50 градусов, то это уже должно настораживать – может закипеть электролит.
Стационарную зарядку батареи рекомендуется делать хотя бы раз в сезон. Регулярная подзарядка продлевает срок службы аккумулятора, раскачивает его емкость. Проделав стационарную зарядку, Вы будете уверены, что сможете без проблем завестись, а Ваша батарея прослужит Вам дольше. При правильном уходе даже обычные кислотно-свинцовые батареи служат 5 лет и более.
Читайте так-же, другие обзоры
