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ENCICLOPEDIA DE RADIOELECTRÓNICA E INGENIERÍA ELÉCTRICA Funcionamiento de baterías Ni-Cd selladas
Enciclopedia de radioelectrónica e ingeniería eléctrica. / Cargadores, baterías, celdas galvánicas El uso generalizado de baterías selladas de Ni-Cd (de disco y cilíndricas) también ha suscitado un gran interés por su funcionamiento, métodos y dispositivos para cargarlas. Se han publicado muchos artículos sobre estos temas, incluso en la revista Radio. En los últimos años, debido a la aparición de nuevos electrodomésticos que funcionan con baterías recargables (AB), el interés por este tema ha aumentado significativamente. Sin embargo, no hay tantos artículos sobre el funcionamiento de las baterías. La razón de esta situación es bastante objetiva: realizar investigaciones sobre el funcionamiento de AB es una tarea muy larga y laboriosa. Y en su totalidad es insoportable para los radioaficionados. Esto, por supuesto, no significa que los radioaficionados no deban participar en este tipo de trabajo, solo que los resultados obtenidos deben tomarse de manera crítica y no generalizarse en función de resultados únicos. Un ejemplo típico es el conocido método de carga de baterías con una corriente asimétrica [1, 2]. Todos eran muy conscientes de sus méritos, solo una bagatela no estaba clara: de dónde venía, cuál era la fuente principal. Pero tal "bagatela" obviamente no molestó a nadie, porque después de dos o tres publicaciones basadas en este método de cargadores, uno podría escribir con seguridad: "... como es bien sabido, cargar baterías con una corriente asimétrica permite ..." y más adelante en el texto. Otro ejemplo es el método de Woodbridge, al que se hace referencia con tanta frecuencia. Fue desarrollado en aquellos años cuando comenzó la producción en masa de baterías para las necesidades de la industria automotriz en desarrollo y los problemas de su operación se volvieron tan relevantes que requirieron la participación de la ciencia. Esta metodología fue creada para baterías (ácidas) específicas, y se desconoce la justificación para ampliar su alcance. En otras palabras, no se justifica el uso de esta técnica para otras baterías. Como resultado, la situación actual se ha vuelto tan confusa que se ha vuelto simplemente poco realista entenderla. Esto se confirma mediante revisiones concienzudas sobre el tema por parte de algunos autores e intentos de sacar conclusiones prácticas sobre esta base: los autores ni siquiera notan las contradicciones en las fuentes a las que se refieren. Las publicaciones realmente serias son mucho más raras, y una de ellas es [3]. El artículo establece una tarea más modesta y, por lo tanto, bastante real: presentar la experiencia acumulada por el autor sobre este tema. Le recordamos una vez más que el artículo está dedicado únicamente a las baterías selladas de Ni-Cd de producción nacional, por lo tanto, al aplicar todas sus disposiciones a otras baterías, se debe tener criticidad y precaución. La principal característica de las baterías eléctricas es la cantidad de energía almacenada en ellas, para cuya medición se suele utilizar una unidad de medida fuera del sistema - kWh o múltiplos de la misma. En la práctica, es más conveniente utilizar otra característica de las baterías: la carga almacenada en ellas. Se le conoce comúnmente como capacidad. En el sistema SI, la carga se mide en coulombs (1 C = 1A x 1 s), pero con mayor frecuencia también usan una unidad de medida fuera del sistema: Ah, y para baterías de pequeña capacidad: mAh. Están tan acostumbrados a este parámetro que a menudo olvidan (o no saben nada) que el indicador principal de una batería es la cantidad de energía almacenada, no la capacidad. La relación entre la energía E de la batería y la capacidad C está determinada por la fórmula más simple: E \uXNUMXd C x Ucp, donde Ucp es el voltaje promedio de la batería. Esta expresión proporciona suficiente precisión para la práctica. Más precisamente, la energía se calcula a través de la integral. La capacidad nominal es un valor típico dado en las características de las baterías. Está determinada principalmente por el diseño de la batería y la tecnología de fabricación. Es esta última razón (más precisamente, la variación tecnológica en la fabricación) la que lleva a que la capacidad de las baterías, incluso en un lote de producción, tenga una variación que llega a dos o más veces. En la literatura, a veces se indica que los AB se ensamblan a partir de baterías con capacidades similares, pero en condiciones de producción en masa, esto, por supuesto, simplemente no es realista. En la URSS, la capacidad nominal a menudo se determinaba sobre la base del principio de "menos que menos", que proporcionaba un margen que hacía posible con el tiempo "aumentar" la capacidad de las baterías AB 7D-0,1 y otras simplemente cambiando la números en la etiqueta. Ahora 7D-0,1 se ha convertido en 7D-0,125. Es importante señalar que la capacidad es un valor multifactorial, ya que incluso para una instancia específica depende de una serie de parámetros: temperatura ambiente, modos de carga y descarga, etc. Por lo tanto, cuando se trata de la capacidad de la batería, una metodología para su definiciones, ya que solo cambiando la metodología es fácil "cambiar" la capacidad varias veces. Pero normalmente es la metodología lo que no se da. Durante el funcionamiento, el voltaje de la batería disminuye de máximo a mínimo. El voltaje mínimo es el voltaje en el que la energía restante (carga) de la batería es insignificante y la operación posterior no es práctica, ya que el voltaje también disminuye bruscamente (cuando está completamente descargado, es igual a cero). Para las baterías de Ni-Cd, el voltaje mínimo es de aproximadamente 1 V, y este valor es un criterio claro para completar una descarga. Por lo tanto, el área de trabajo de la batería es el rango de voltaje de máximo a mínimo. En el área de trabajo, la energía restante (carga) puede determinarse aproximadamente por el voltaje de la batería. La tensión nominal es la media entre el máximo y el mínimo; es él quien generalmente se da en los datos de referencia de la batería. Para las baterías de Ni-Cd, este voltaje es de aproximadamente 1,2 V. La tensión nominal de la batería, como cualquier otra celda galvánica, está determinada únicamente por su sistema electroquímico, es decir, un par galvánico y un electrolito. Es estructural o tecnológicamente imposible cambiar este valor. Al final de la carga y apagado del cargador, el voltaje de la batería (UM3) es máximo y es de aproximadamente 1,43 ... 1,45 V. Disminuye rápidamente y después de 10 ... 25 minutos alcanza un valor estable de UMP igual a 1,37 . .. 1,39 V. La dispersión de estos valores se debe principalmente al error de medición, pero no se requiere una mayor precisión. El principal problema en el funcionamiento de las baterías está relacionado con su carga y se debe a la falta de un criterio fiable para su finalización. Usar el voltaje de la batería para esto no es efectivo, ya que se puede alcanzar incluso antes de que esté completamente cargada. Este criterio se ha utilizado a menudo en diseños de aficionados. Publicaciones recientes indican que un criterio no es suficiente, se necesitan más, y como uno de ellos sugieren medir la temperatura de la batería. La temperatura es un parámetro importante, ya que le permite determinar a dónde "va" la electricidad, para cargar o calentar, es decir, le permite determinar el estado de la batería, pero de ninguna manera el grado de su carga. También se puede añadir que, en igualdad de condiciones, la influencia de la temperatura ambiente se manifestará en gran medida. De lo anterior, se puede sacar una conclusión no demasiado reconfortante: hoy en día no existen criterios confiables para el final de la carga. Más precisamente, existe un criterio de este tipo, y se discutirá a continuación, pero a pesar de su simplicidad exterior, su implementación es muy problemática. La falta de criterios fiables de fin de carga es, por supuesto, decepcionante, ya que no permite una carga completa de la batería. Pero después de todo, las baterías se han utilizado con éxito durante décadas. Y la primera pregunta que surge es ¿cuánto se necesita realmente, realmente, una carga completa? En condiciones reales, la diferencia de capacidad hasta un 15% es prácticamente imperceptible, y es mucho menor que la variación de capacidad para diferentes probetas. Los acumuladores sellados están diseñados de tal manera que el sellado está asegurado por la presión del gas dentro de la caja. Al cargar, esta presión aumenta y, si alcanza el límite elástico del material de la carcasa, la batería se hinchará. En este caso, los contactos están rotos, lo que provoca una falla completa de la batería. Para las baterías de disco, a veces es posible restaurar la capacidad de trabajo: deben comprimirse en un tornillo de banco (a través de una junta aislante) a sus dimensiones anteriores. En casos más severos, las baterías se abren (explosión silenciosa) y es imposible restaurarlas. La presión del gas puede servir como un criterio confiable para el final de la carga; en cualquier caso, le permite determinar el límite más allá del cual la carga adicional se vuelve peligrosa. Pero la implementación práctica de este método es problemática incluso para baterías de alta capacidad, y para una pequeña es simplemente poco realista. Durante la descarga, la presión cae, y si el voltaje está por debajo del mínimo, puede caer a un nivel que no proporciona estanqueidad, lo que resulta en una fuga de electrolito. Entre otros problemas, el electrolito filtrado desvía los electrodos de la batería, después de lo cual, debido a las fugas superficiales, aumenta la corriente de autodescarga. El almacenamiento a largo plazo de una batería descargada la dañará. Se sabe que las baterías que no han funcionado durante mucho tiempo pierden capacidad y rendimiento. Puede restaurarlos en varios ciclos de carga y descarga. No importa cómo hacerlo exactamente: el "avivamiento" ocurrirá en cualquier caso. A medida que pasa el tiempo, se producen procesos naturales de envejecimiento y el rendimiento de la batería se deteriora. Las baterías suelen tener una vida útil de 3 a 5 años, pero con un uso normal funcionan de forma fiable durante 10 años o más. En la práctica, el llamado modo de carga estándar es el más común: el 150% de la capacidad nominal se "bombea" en la batería, cargándola durante 15 horas con una corriente de 0,1 C. La eficiencia de las baterías, es decir, la relación entre la energía emitida y la energía recibida, es muy difícil de determinar por varias razones, por lo que este indicador generalmente no se proporciona. Para baterías pequeñas, generalmente es insignificante, ya que las pérdidas en el cargador son obviamente mayores. Se puede determinar de forma puramente aproximada en función del modo de carga estándar anterior: 0,65 (65%). El modo estándar ha demostrado su eficacia en la práctica y puede considerarse una referencia. El cargador que lo implementa puede ser extremadamente simple y contener un diodo rectificador y una resistencia de extinción. La ventaja del método es que es capaz de cargar incluso baterías "medio agotadas". Sin embargo, también tiene dos inconvenientes importantes: un tiempo de carga prolongado y el peligro de sobrecarga. Es cierto que este último ya no está conectado con el método, sino con la persona; a menudo, simplemente se olvidan de apagar el cargador a tiempo. Este método solo tiene un punto poco claro: ¿de dónde vino este 0,1C? No hay una respuesta clara, y es casi imposible obtener una después de tantos años, por lo que solo queda suponer que tal régimen fue elegido simplemente por razones de compromiso. Con una corriente de carga menor, el tiempo de carga aumentó inaceptablemente (a 0.05C - 30 horas), y con una mayor, fue necesario aumentar la potencia del cargador y, en consecuencia, sus dimensiones, peso y precio. Los experimentos realizados por el autor con AB 7D... demostraron que cargar con una corriente igual a la capacidad de la batería no la daña. Un método muy interesante y prometedor es el método de cargar baterías desde una fuente de voltaje estable. Para mayor precisión, llamémoslo carga de voltaje estable (ZSN). Es posible eliminar por completo la sobrecarga utilizando el método ZSN igual al voltaje máximo de la batería. Es cierto que no está del todo claro cuál debería ser exactamente este voltaje: UM3 o UMP, y para el seguro es mejor tomar el más pequeño de ellos: UMP. Al comienzo de la carga, la corriente es máxima, después de un corto tiempo en la mayoría de los casos aumenta un poco más (aparentemente, la resistencia interna de la batería disminuye). Luego, a medida que la batería se carga y su voltaje aumenta, la corriente disminuye y al final de la carga se acerca asintóticamente a cero, más precisamente, a la corriente de autodescarga de la batería. Al cargar una batería completamente descargada, la corriente de irrupción inicial puede ser inaceptablemente grande y debe limitarse, por ejemplo, al incluir una resistencia limitadora de corriente en el circuito de carga. La principal desventaja de este método es que proporciona una carga del 60 ... 70% de la capacidad nominal. Por ello, es recomendable utilizarlo para baterías de respaldo, por ejemplo, en relojes electrónicos. Una ligera disminución en la capacidad de la batería para tales dispositivos no es significativa, es mucho más importante garantizar su funcionamiento prolongado y confiable. También se recomienda usar este método cuando se requiere que la batería esté en condiciones de funcionamiento en 15 ... 20 minutos. La razón por la cual este modo no carga completamente las baterías es bastante obvia: es necesario aumentar el voltaje de suministro. En este caso, la corriente de carga tiende asintóticamente no a cero, sino a algún valor mínimo. Esta, en esencia, la estabilización de la corriente de carga puede servir como criterio para el final de la carga. Existe otro criterio más confiable y fácil de implementar: reducir la corriente de carga a un valor cercano al mínimo. Para la implementación práctica del método propuesto, es necesario seleccionar experimentalmente el modo de carga para una batería en particular: determinar el voltaje de carga y la corriente del final de la carga. El diagrama de un cargador automático (cargador) se muestra en la fig. 1. Le permite cargar baterías con cualquier grado de descarga, incluidas las completamente descargadas. El tiempo de carga nominal de AB 7D-0.125, descargado a 1 V por batería, es de aproximadamente 1,5 horas. Para AB con un menor grado de descarga, se reduce en consecuencia. La capacidad a la que se puede cargar la batería es aproximadamente igual a 0,85 ... 0,95 de la nominal. Depende del estado de la batería y de la precisión de la configuración de la corriente a la que se apaga el dispositivo.
Trabajar con el cargador es extremadamente simple: después de conectar la fuente de alimentación y cargar la batería, presione brevemente el botón SB1. Esto enciende la señal LED HL1 y comienza a cargar. Cuando la batería esté cargada, el dispositivo se apagará automáticamente, lo que elimina por completo el peligro de sobrecarga, y el LED de señal se apagará. La base de la memoria es el regulador de voltaje DA1. El valor exacto del voltaje de salida lo establece la resistencia de sintonización R9. El diodo VD1 evita que la batería se descargue después de apagar el cargador. Para reducir las pérdidas se utiliza un diodo Schottky, que tiene una caída de tensión menor en comparación con los diodos de silicio convencionales. Un indicador, el LED HL10, está conectado a la salida de la memoria a través de una resistencia limitadora de corriente R1. El condensador C2 suaviza la ondulación de una fuente de alimentación no regulada en la entrada del estabilizador y también evita que se autoexcite. La unidad de apagado es un disparador ensamblado en transistores VT1 y VT2 de diferentes estructuras. En el estado inicial, después de conectar la fuente de alimentación y cargar la batería, el gatillo está apagado. Para encenderlo, simplemente presione brevemente el botón SB1. Esto abre el transistor VT1 y su corriente de colector a través de la resistencia R2 abre el transistor VT2: la memoria comienza a funcionar. La corriente que fluye a través del dispositivo crea una caída de voltaje a través de la resistencia R5, que se alimenta a través de la resistencia R6 y el divisor de voltaje resistivo R3R4 a la base del transistor VT1. El gatillo se enciende y el dispositivo sigue funcionando incluso después de soltar el botón SB1. "Al mismo tiempo", la resistencia R5 realiza la función de un limitador de corriente máxima al comienzo de la carga de una batería completamente descargada. Durante la carga, el voltaje de la batería aumenta, lo que conduce a una disminución de la corriente de carga, y cuando alcanza el valor mínimo establecido, la caída de voltaje en la resistencia R5 se vuelve insuficiente para mantener el gatillo activado: el cargador se apaga y se carga. se detiene El valor exacto de la corriente mínima lo establece la resistencia de sintonización R4. El condensador C1 suaviza la ondulación de voltaje a través de la resistencia R5 que aparece cuando el cargador se alimenta desde una fuente de alimentación no estabilizada. En la versión del autor, para alimentar la memoria se utiliza una fuente no estabilizada de producción nacional BPN-12-1 con un voltaje de salida de circuito abierto de 18 V. Otras fuentes de alimentación, incluidas las estabilizadas, con un voltaje de salida de aproximadamente 15 V (para fuentes de alimentación estabilizadas, puede ser un poco menos) a una corriente de al menos 0,2 A. El dispositivo está montado en una placa de circuito impreso hecha de lámina de fibra de vidrio de un lado de 1,5 mm de espesor. El dibujo de la PCB se muestra en la fig. 2.
El dispositivo utiliza resistencias de sintonización SPZ-19a. Resistencia R5 - MLT-0,5 o MT-0,5, R2 - MLT-0,25 o MT-0,25; se instalan perpendiculares al tablero. El resto de resistencias fijas son sin plomo para montaje en superficie, tamaño 1206. Se instalan desde el lado de los conductores impresos. Condensadores - K50-35 o similares importados. En lugar del diodo VD1, puede usar cualquier diodo Schottky con una corriente permitida de al menos 1 A. LED: cualquiera. Botón SB1: cualquiera sin enclavamiento. El conector para conectar la fuente de alimentación también puede ser cualquiera; lo más importante, debe coincidir con el conector de la fuente de alimentación. Para establecerlo, necesitará una resistencia variable de alambre bobinado con una resistencia de 560 ohmios y una potencia de 1 W. Se conecta a la salida del cargador y la resistencia se reduce gradualmente hasta que el gatillo esté bien sujeto después del botón SB1 en lanzamiento. Con una resistencia sintonizada R9, el voltaje de salida se establece (se mide directamente en la salida del estabilizador) igual a 10,9 V. Es algo más difícil establecer la corriente de apagado. Dado que la derivación del miliamperímetro introduce un gran error en la medición de la corriente de carga, el miliamperímetro debe conectarse a la entrada del dispositivo. Y aunque en este caso se suma la corriente consumida por el propio cargador a la corriente de carga real, el resultado es más preciso. Para hacer esto, mida la corriente en la entrada de la memoria en la posición media de la resistencia de corte R4 y luego configúrela en aproximadamente 43 mA. Estas operaciones deberán realizarse varias veces hasta obtener el resultado deseado, ya que es imposible "atrapar" la corriente de apagado a la vez. Se puede realizar un ajuste más preciso durante el trabajo directo con la batería, después de varios ciclos de control de carga y descarga. Está permitido reemplazar el estabilizador KR142EN22 con KR142EN12A o KR142EN12B. En este caso, la tensión de alimentación del cargador debe aumentarse a 16 ... 17 V. Literatura
Autor: A. Mezhlumyan, Moscú
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