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ENCICLOPEDIA DE RADIOELECTRÓNICA E INGENIERÍA ELÉCTRICA Baterías selladas de plomo-ácido en la práctica de radioaficionados. Enciclopedia de radioelectrónica e ingeniería eléctrica.
Enciclopedia de radioelectrónica e ingeniería eléctrica. / Cargadores, baterías, celdas galvánicas 1. Primero pan de jengibre, luego látigos ... Las baterías selladas de plomo-ácido (SLA) son las fuentes de energía secundaria (recargables) más asequibles. Asequible, en la economía actual, significa, en primer lugar, la disponibilidad para la venta de baterías estándar con un voltaje de 6 V y 12 V, con una capacidad de uno a mil Ah, y en segundo lugar, la de 1 cu de hoja perenne. Puedes comprar de 1.5 a 6 Wh de capacidad nominal. El número menor corresponde a baterías pequeñas, el número mayor a las grandes. ¿Qué más hay de bueno? Autodescarga relativamente lenta (no más del 5% de la capacidad por mes a temperatura ambiente), durabilidad relativa sujeta a ciclos de descarga superficiales. Falta de “memoria” (típica de las baterías de níquel-cadmio). Se permite una recarga constante “flotante” en modo de espera (así funcionan las baterías de los automóviles). En comparación con las baterías de plomo-ácido con electrolito líquido, las baterías selladas se benefician naturalmente de la seguridad operativa (sin humos nocivos, el funcionamiento en cualquier posición es aceptable). Y también: una batería sellada es menos crítica para las condiciones de carga, es más difícil apagarla con una carga mal ajustada. El hecho es que el electrolito en gel se selecciona de tal manera que la batería nunca esté completamente cargada (desde el punto de vista del químico). Por lo tanto, durante la recarga no se produce desprendimiento de gas, ya que simplemente no hay recarga. Esto no significa que puedas olvidarte de controlar el modo de carga. Está prohibido. Más sobre esto más adelante. ¿Cuál es la desventaja? En primer lugar, la baja capacidad específica: 25...35 Wh por kilogramo de masa o 60...100 Wh por litro de volumen. En segundo lugar, una reducción significativa de la vida útil de la batería durante ciclos de descarga profunda, así como durante descargas sistemáticas con corrientes elevadas. En tercer lugar, existe una dependencia significativa del voltaje y la resistencia interna de la profundidad del ciclo. 2. Sobre la vejez prematura Terminología: en la práctica se acostumbra designar intensidad de descarga en forma de "unidades C" adimensionales. 1C (one-tse) es numéricamente igual a la capacidad de la batería cuando se descarga con corriente continua durante 20 horas. Una descarga completa se define como una descarga de hasta 1.8 V por celda a temperatura ambiente (es decir, hasta 5.4 y 10.8 V para baterías de 6 V y 12 V). El valor de 1.8 V se estableció empíricamente como límite inferior; cuando se descarga por debajo de él con una corriente de 0.05 C, comienza el envejecimiento prematuro irreversible de la batería. Por lo tanto, si se determina experimentalmente para una batería que para descargarla desde un estado completamente cargado (20-2.1 V por celda) a 2.3 V por celda en 1.8 horas, se requiere una corriente de descarga de 150 mA, entonces la corriente nominal La capacidad de la batería se establece en 3.0 A*h (=0.15A * 20h). La intensidad de corriente 1C para una batería determinada corresponde a una corriente de descarga de 3A, 2C corresponde a una corriente de descarga de 6A, etc. Si limita la descarga alcanzando un voltaje mínimo determinado, los mismos 10.8 V, resulta que la capacidad real a una corriente de 1 C se reducirá aproximadamente a la mitad en comparación con la nominal (ver gráfico). Pero el umbral de envejecimiento irreversible con una alta intensidad de descarga (1C y superior), por el contrario, se reduce significativamente a 8V.
La descarga repetida de la batería a voltajes por debajo de la línea discontinua provoca una falla de la batería En la práctica, los SLA funcionan en dos modos: buffer y cíclico. En modo buffer, la batería está constantemente conectada al cargador. Si hay voltaje en la red eléctrica, después de cargar la batería queda expuesta al voltaje de carga final durante mucho tiempo. La baja corriente que fluye a través de las baterías compensa la autodescarga de la batería y la mantiene completamente cargada en todo momento. En caso de un corte de energía, la batería se descarga en la carga conectada a ella. El modo de funcionamiento de búfer es típico de los sistemas de suministro de energía ininterrumpida de corriente continua y alterna, que se utilizan ampliamente para computadoras, comunicaciones y producción continua. Y también: baterías de automóvil durante el uso habitual del automóvil. En funcionamiento cíclico, la batería se carga y luego se desconecta del cargador. La batería se descarga según sea necesario. El modo de funcionamiento cíclico se utiliza cuando se utilizan varios dispositivos portátiles o transportables: luces eléctricas, equipos de comunicaciones, instrumentos de medición. Los fabricantes de baterías suelen indicar en la lista de características técnicas para qué modo de funcionamiento está destinada una batería en particular. Por lo tanto, si decides alimentar las baterías de filamento de un amplificador de válvulas, entonces este es un modo cíclico (qué lindo es saber que has estado hablando en prosa toda tu vida...). ¿Pero significa esto que simplemente puede descargar la batería al máximo permitido? lamparas ¿5.7 o 11.4 V? De hecho, aunque este modo es obviamente más seguro que descargar a “emergencia” 5.4 o 10.8 V, si se elige incorrectamente la batería, se producirán ciclos de descarga bastante profundos y, por tanto, se acortará su vida útil.. Profundidad del ciclo La descarga se define como la relación entre los amperios-hora realmente entregados a la carga y los amperios-hora correspondientes a la descarga hasta el umbral de envejecimiento irreversible. Los amperios hora en el denominador coincidirán con la capacidad nominal solo para una intensidad de descarga de 0.05C. En la práctica, es la capacidad nominal la que se utiliza como denominador (especialmente porque la corriente de descarga constante no es más que una aproximación ideal).
La profundidad del ciclo (si se repite de ciclo en ciclo) determina la vida útil de las baterías. Con una profundidad de ciclo del 100 %, la vida útil del SLA no excederá los 200-300 ciclos. Como referencia, las baterías de automóvil con electrolito líquido rara vez resisten más de 20 ciclos profundos. Con una profundidad de ciclo del 30%, su número se triplica. El famoso Optima garantiza la supervivencia durante 100 ciclos de ciclo cero (el autor tiene una batería de este tipo desde hace cuatro años, pero no ha habido ni un solo ciclo de ciclo cero profundo...). 3. Ejemplo de la vida real Ahora contemos. Cada canal del amplificador contiene un par de lámparas 6C4C (6V, 2A). Se debe asegurar un tiempo mínimo de funcionamiento entre cargas de 8 horas. En este caso, el voltaje no debe caer por debajo de 5.7 V (según las especificaciones de la lámpara), la profundidad del ciclo no debe exceder el 50%. Del último requisito se deduce que la capacidad de la batería es de al menos 32 Ah por canal (= 2A * 8h / 50%). La tasa de descarga de dicha batería es 0.06C (= 32A*h / 2). Del gráfico se deduce que en 8 horas su voltaje caerá a solo 12.0-12.2 V. ¡Hay existencias! Pero sólo con una batería nueva. Si no olvida cargarlo a tiempo, después de unos 500 ciclos (un año y medio de placer diario), el voltaje en 8 horas bajará a los mismos 5.7 V, o peor... Asegúrese de configurar el ¡Automático para apagar cuando no hay suficiente voltaje! Por cierto, 32 A*h se acerca sospechosamente a la capacidad de una batería de coche (50-65 A*h). Por lo tanto, para corrientes de 2 A y superiores, una batería de automóvil sin mantenimiento es una alternativa completamente razonable (en términos de precio). Tienen problemas con el medio ambiente y la seguridad. Por otro lado, si una batería grande no encaja en el diseño, entonces puede paralelizar con total seguridad varias baterías más pequeñas (preferiblemente, pero no necesariamente, de la misma serie, el mismo fabricante, la misma “edad” desde el inicio de la operación) . ¿O tal vez probar el modo buffer (en espera) para cargar constantemente, sin ninguna automatización? Interruptor hacia arriba - la batería se está descargando, las lámparas están encendidas, interruptor hacia abajo - la carga está en curso, las lámparas... ¡están desconectadas de las baterías! Modo de carga normal: cargue con un voltaje constante de 2.4-2.5 V por frasco, en los terminales de la batería de 6 V habrá hasta 7.5 V; las lámparas no durarán mucho (especialmente si se apaga la alimentación del ánodo). En el modo de búfer, la duración de la batería depende en gran medida de la temperatura. Se considera que la temperatura más favorable para la batería es de 15 a 20 grados centígrados. Un aumento de temperatura de 10 grados reduce la duración de la batería a la mitad. La figura muestra una dependencia típica de la vida útil de la temperatura para baterías con una vida útil estimada de 5 a 7 años. Resumen: no coloque las baterías en el mismo estuche que las lámparas, Pentium, etc. objetos calientes. Quizás se pregunte: ¿qué pasa debajo del capó de un automóvil? Bueno, en primer lugar, la batería de un automóvil está especialmente diseñada para una amplia gama de temperaturas y, en segundo lugar, la capacidad calorífica de la batería es tan alta que no es fácil caliéntalo significativamente, incluso debajo del capó.
En el ejemplo anterior, la vida útil de una batería incandescente con ciclos diarios del 50 % es de un año y medio. ¿Es posible hacer más? En condiciones reales de funcionamiento de las baterías estacionarias, es necesario tener en cuenta la reducción de la vida útil de la batería en el caso de un gran número de descargas probadas. Para baterías de 5 años, la vida útil real no será superior a 3 años si la batería experimenta un promedio de una descarga del 30 % por día o una descarga completa por semana. 4. Más información sobre el cargo El mejor modo de carga de batería para una profundidad de descarga pequeña (no superior al 75%) es la carga constante Voltaje. Diferentes fabricantes dan valores ligeramente diferentes, pero un voltaje generalmente aceptado es 2.4 V por celda durante el ciclo (14.4 V para una batería de 12 V). En modo buffer, el voltaje puede ser menor, 2.3 V por celda. Al cargar una batería completamente descargada, este modo provoca una sobrecarga de corriente inicial, por lo que se utiliza un modo combinado de limitación de corriente y voltaje. Generalmente se le llama modo de carga IU. Una batería descargada se carga primero con corriente continua, que numéricamente (en amperios) no supera el 0.1-0.3 de la capacidad nominal de la batería (en amperios-hora). Por ejemplo, para una batería con una capacidad de 100 A*hora, la corriente de carga no debe exceder los 10-30 amperios. A medida que la batería se carga, el voltaje en la batería aumenta (a corriente constante). Una vez que el voltaje de la batería alcanza el voltaje de carga final, la corriente de carga comienza a disminuir, manteniendo el voltaje constante. El voltaje de carga final a una temperatura de 20 grados Celsius es de 2.25 a 2.3 voltios por celda de batería. Para una batería con un voltaje nominal de 12 V (6 celdas), el voltaje de carga final es de 13.5-13.8 V. Si la batería se utiliza a otras temperaturas, para aumentar la vida útil de la batería se recomienda reducir el voltaje de carga final a 2.2-2.25 V/celda a una temperatura de 40 grados y aumentar el voltaje hasta 2.35-2.4 V a una temperatura de 0 grados. El uso de dicha compensación de temperatura del voltaje de carga permite aumentar la vida útil de la batería a 40 grados Celsius en un 15%. Para cargar completamente una batería agotada, se recomienda cargarla durante 24 horas. Si se requiere una carga de batería más rápida (entre 8 y 10 horas) en el caso de funcionamiento cíclico, la tensión de carga final se aumenta a 2.4-2.48 V/el (a 20 grados Celsius) y el tiempo de carga debe limitarse de acuerdo con la carga restante de la batería antes de cargarla. Aquí hay un ejemplo de instrucciones similares para una batería Fiamm GS (fuente - slt.ru): Cargador de voltaje constante Durante la fase de carga inicial de la batería se aplica una corriente relativamente grande. Cuando el voltaje de la batería alcanza el nivel establecido, el cargador cambia del modo de corriente constante al modo de voltaje constante. Durante esta fase, la corriente de carga comienza a disminuir hasta un nivel mínimo de corriente de carga, conocido como corriente de flotación, los valores indicados en la tabla se toman como estándar. Valores estándar de cantidades eléctricas para un cargador con voltaje de carga constante
Notas: Para baterías utilizadas en modo cíclico, se recomienda utilizar un sensor que permita interrumpir el proceso de carga cuando se alcanza un valor de voltaje preestablecido, o un temporizador. Se debe tener en cuenta el coeficiente de temperatura si la batería se carga a temperaturas inferiores. +100Desde o superior +300С Sistema de carga rápida (sólo para baterías que funcionan en modo cíclico)Al acelerar la carga de la batería, es necesario utilizar dispositivos equipados con una unidad de compensación de temperatura y un fusible térmico para evitar que la batería se sobrecargue a bajas temperaturas o se sobrecaliente a altas temperaturas ambiente. Los valores estándar de cantidades eléctricas para el modo de carga acelerada de la batería se dan en la tabla:
Notas: La batería debe tener instalado un termostato o fusible térmico, o se debe utilizar un temporizador para detener el proceso de carga a tiempo. La corriente máxima de carga inicial para baterías con una capacidad superior a 10 Ah debe corresponder a la siguiente relación: I = C máximo Presta atención al último párrafo. Él lo vale. Especialmente si muchas baterías están guardadas en una caja mal ventilada, es posible que se sobrecaliente incluso con una carga normal (no acelerada), aunque no es catastrófico, pero sí acorta la vida útil de las baterías. 5. Cargador simple (IU de carga lenta) Para cargar baterías pequeñas, el circuito estándar más conveniente se basa en la familia de circuitos integrados LM117, LM 196, LM317 (142EN12, 1151EN1, 1157EN1). Fuente - "Microcircuitos para fuentes de alimentación lineales", M, Dodeka, 1998, págs. 97, 122, etc.).
El umbral límite de corriente lo establece R4 (teniendo en cuenta la corriente permitida y la disipación de potencia del microcircuito). En la práctica, cuando la fuente de alimentación para un tipo específico de batería está integrada directamente en el equipo, no es necesario ajustar el límite de corriente, se puede eliminar por completo el circuito limitador de corriente (T2), transfiriendo esta función a la resistencia de salida de la fuente de alimentación. filtrar. A corrientes elevadas, es más conveniente utilizar estabilizadores discretos con N-MDS de paso o transistores npn compuestos controlados por un estabilizador integrado. El inconveniente del MIS (un voltaje umbral relativamente alto) en los cargadores de baja potencia se resuelve aumentando el voltaje de la fuente de alimentación principal (única), en los potentes (ver figura), duplicando el voltaje.
Los valores nominales de los divisores estabilizadores de voltaje (IC1) están indicados para baterías de 6 V, los valores nominales de las capacitancias del filtro y las resistencias estabilizadoras de corriente (T2) son para corrientes de carga de no más de 2.5 A, lo cual es suficiente para baterías con una capacidad de hasta a 10-15 A*h. Transformador para voltaje de salida 9V xx, corriente 5A. Las derivaciones conmutables en el circuito emisor base T2 establecen la corriente de carga máxima. El diodo D11, un diodo Schottky con una corriente de al menos 10 A, protege contra la polaridad inversa de la batería. La configuración se reduce a configurar el voltaje de estabilización en una carga equivalente a 10 ohmios (R6) y seleccionar las derivaciones R5. 6. Fuente de voltaje negativo en el automóvil. Para alimentar crossovers, etc. dispositivos en un amplificador operacional con acoplamiento directo, puede suministrar una fuente de voltaje negativo pulsado simple. O mejor aún, una batería. ¡Mucho mejor! Pero esta batería no debería ser de 12, sino de 6 voltios. Dejame explicar. Lo más probable es que esta batería suministre corriente casi siempre cuando el motor esté en marcha. Y sólo puede cargar mientras está estacionado. Pero es imposible cargar una batería de plomo de 12 V con otra batería de 12 V. Ni siquiera se trata de un régimen amortiguador, sino de una huelga de hambre. Necesitas un generador que produzca 14V, pero dónde puedes conseguirlo, en el aparcamiento...
Para alimentar un crossover con un consumo de corriente de 20 mA, es suficiente una batería de 6 V y 1.2 Ah (del tamaño de un poco más que un paquete de cigarrillos). Modo de carga UI (200mA, 7.2 V). Cuando se apaga la señal REMOTA, la batería se carga constantemente desde la red de a bordo (menos a tierra, más a la salida del estabilizador; el estado de los optoacopladores se muestra en el diagrama). Cuando se enciende la señal REMOTA, la batería cambia de positivo a tierra y negativo a la carga (bus de alimentación del amplificador operacional). La corriente de carga está limitada por la resistencia R3 a 75 mA. Una batería Fiamm 10121 completamente cargada en este modo consume aproximadamente 15 mA de la red de a bordo a temperatura ambiente. La cadena R7-T1 bloquea la descarga de la batería al divisor R5-R6 cuando se desconecta de la red de a bordo (suponiendo, por supuesto, que se retira REM IN y se desconecta la carga de la batería). Consumo de corriente vía bus REMOTO 20mA. El temporizador D1-C1-R1-IC1-IC2-FU1 retrasa 2 segundos la transmisión de la señal REM IN a la salida. La resistencia R0 solo es necesaria para descargar la capacitancia del temporizador, en circuitos prácticos se puede eliminar o reemplazar con un circuito indicador con un LED. Diodos D1-3: cualquiera para corriente continua 1A. Los optoacopladores KR293KP9A, KR293KP3A se pueden reemplazar con cualquier optoacoplador MIS con una corriente de al menos 200 mA (293KP con la letra A). Al cambiar la batería con un optoacoplador KR293KP9A con interruptores "antifase" en un caso, no observé ninguna corriente pasante durante el cambio, al reemplazarlo con otros optoacopladores, debe asegurarse de que no haya ninguno. Los fusibles FU1, FU2 son fusibles autorregenerables con una corriente de funcionamiento de 200 mA. En el filtro de potencia a la salida de la fuente de -6V, conviene limitarse a una capacitancia mínima para no sobrecargar los optoacopladores durante la conmutación; por cierto, añaden 10 ohmios a la resistencia de salida de la batería). ¡La serie 293 no es para corrientes en amperios! Esto es para relevos "adultos". Este es el tema del próximo proyecto: un DAC totalmente alimentado por batería... pero es demasiado pronto para eso... Publicación: klausmobile.narod.ru
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