В наше время у каждой семьи в пользовании находится большое количество электронных устройств. Телефоны, смартфоны, фонарики, планшеты, игрушки для детей всех возрастов и многие другие бытовые приборы нуждаются в питании от переносных источников тока: батареек или аккумуляторов.

Источники питания создаются для длительной эксплуатации, но могут быстро выйти из строя по неосторожности. Чтобы максимально использовать заложенный в них ресурс производителя рекомендуем ознакомиться с особенностями работы аккумуляторов различных конструкций, правилами их зарядки и безопасного обращения.

Самым нетерпеливым читателям можно сразу перейти к правилам зарядки, рекомендуемым заводом. Они приведены в конце. Однако, последовательное прочтение материала позволит лучше понять их особенности и правильно применять на практике.

Как устроен и работает аккумулятор

Весь широкий ассортимент аккумуляторной продукции работает по единому принципу преобразования энергии химических процессов в электрическую. Для ее протекания создана специальная конструкция.

Принципы устройства аккумулятора

Герметичный сосуд, который называют банкой, заполняют электролитом. В него помещают две отделенные друг от друга пластины из разных металлов, именуемых электродами. На них образуется разность электрических потенциалов, которая способна совершать полезную работу.

Для повышения мощности энергии банки с пластинами делают увеличенных размеров или подключают параллельными цепочками. Чтобы поднять выходное напряжение их соединяют последовательно. Такие конструкции называют аккумуляторными батареями.

Классификация

По видам электролита аккумуляторы делят на:

• жидкостные;
• гелевые.

По конструктивным особенностям жидкостные аккумуляторы разделяют на:

• кислотные;
• щелочные;
• солевые.

Конструкции кислотных аккумуляторов используются относительно редко. Они могут встретиться в бюджетных моделях фонариков, где работают совместно с зарядным устройством.

Аккумуляторы щелочного типа, как правило, имеют повышенные габариты. Раньше их применяли для освещения в переносных фонарях, но сейчас подобные конструкции не удобны для работы и перестали применяться.

В мобильных устройствах для домашнего применения популярны модели аккумуляторов:

• свинцово-кислотных (Pb+H 2 SO 4);
• никель-кадмиевых (Ni-Cd);
• никель-цинковых (Ni-Zn);
• никель-металл-гидридных (Ni-Mh);
• литий-ионных (Li-ion);
• литий-полимерных (Li-Pol)

Конструктивные особенности различных моделей

Типовое устройство батареи аккумуляторов, состоящей из отдельных банок с набором вставленных в них положительных и отрицательных пластин, последовательность их расположения можно наблюдать на примере кислотной аккумуляторной батареи.

Конструкции цилиндрических или «пальчиковых» моделей представлены разрезанным видом для литий-ионного аккумулятора с поясняющими надписями для каждого слоя.

Внешний вид аккумуляторов

Габариты и форма источников тока создаются для удобного их расположения в гнездах мобильных устройств, надежного питания потребителей, возможности быстрой зарядки.

Аккумуляторы могут иметь форму цилиндра или таблетки, как показано на фотографии для распространенных никель-кадмиевых устройств, которые собираются в блоки специальными перемычками.

Когда по условиям эксплуатации предпочтительнее получать питание от единого блока, то создают общий корпус. В него встраивают отдельные пальчиковые элементы, которыми за счет их параллельного и последовательного подключения, обеспечивают выходные характеристики по току и напряжению.

Такой принцип заложен в создание батареи аккумуляторов для ноутбука.

Для малогабаритных мобильных устройств создаются аккумуляторы в форме небольшого параллепипеда с закругленными краями. На одной из торцевых сторон у него смонтированы латунные площадки, обеспечивающие создание электрического контакта для источника и потребителей тока.

Принцип преобразования химической энергии в интересующую нас электрическую поясняет картинка.

Между двумя рядом расположенными веществами с подобранными свойствами протекает окислительно-восстановительная химическая реакция. Она сопровождается выделением электронов и ионов, которые при движении, как известно, образуют электрический ток.

Чтобы движущиеся заряды создавали электрические потенциалы, а не просто выделяли тепло в окружающую среду при смешивании окислителя с восстановителем, необходимо создать для этого условия.

Этим целям служат:

• анод (положительный заряд), осуществляющий окислительную реакцию;
• катод, восстанавливающий вещество;
• электролит, проводящий ток во время диссоциации рабочей среды на катионы и анионы.

Анод с катодом размещают в отдалённых сосудах, которые соединяются солевым мостиком. По нему движутся анионы и катионы, создавая внутреннюю цепь аккумулятора. Внешняя же цепочка образуется подключением потребителя ко входу, например, вольтметра или другой нагрузки.

На аноде и катоде постоянно происходит переход электронов и ионов в электролит и обратно. Во внутренней цепочке идет движение зарядов через солевой мостик, а во внешней протекает ток с анода к катоду.

Этот принцип является базовым для заряда и разряда всех моделей химических источников тока.

Как работает никель кадмиевый аккумулятор

Существует всего два вида работы:

1. разряд;
2. заряд.

Можно выделить еще режим хранения, но правильнее его отнести к разряду, который стараются максимально ограничить, хотя полностью избежать его не получается.

Цикл разряда

Накопленная на электродах энергия при подключении к ним нагрузки создает электрический ток во внешней цепи.

Анодом в никель-кадмиевом аккумуляторе работают окислы никеля с включениями частичек графита, снижающими общее электрическое сопротивление. В качестве катода используют губчатый кадмий.

Во время разряда происходит выделение молекул активного кислорода из состава окислов никеля, которые поступают в электролит и дальше на кадмий, окисляя его.

Цикл заряда

Его принято проводить при снятой нагрузке. Тогда можно использовать меньшую мощность зарядного устройства.

Полярность клемм у зарядного и аккумулятора должно совпадать, а внешняя мощность превосходить внутреннюю. Тогда под действием постороннего источника внутри аккумуляторной банки формируется ток с направлением, обратным разряду.

Он переориентирует ход химических процессов в емкости банки, обогащает анод кислородом и восстанавливает кадмий на катоде.

Как работает литий-ионный аккумулятор

Углеродный анод и катод из оксидов металла, содержащих литий, например, состава LiMn 2 O 4 , погружены в органический электролит.

В нем движутся положительно заряженные ионы Li+. Сам литий при этом не переходит в металлическое состояние, а создается обмен его ионов между электродными пластинами. По этой причине аккумуляторы называют литий-ионными.

Цикл заряда

Ионы лития изымаются (процесс деинтеркаляции) из содержащего литий катода и внедряются в анод (интеркаляция).

Цикл разряда

Перемещение ионов идет в обратном заряду направлении, а электроны от анода движутся к катоду и образуют электрический ток.

Если сравнить принципы работы аккумулятора любой конструкции, то можно наблюдать общую закономерность перемещения ионов между электродами по внутренней цепи и электронов по внешней при создании схем заряда и разряда.

Эксплуатационные характеристики аккумулятора

Рабочее напряжение

Его величину определяют на разомкнутых клеммах вольтметром при оптимальном заряде. В процессе работы оно постепенно снижается.

Емкость АКБ

Характеристика, показывающая количество тока в миллиамперах или амперах, которое способен выдать аккумулятор за промежуток времени, выраженный в часах.

Мощность

Параметр, учитывающий способность АКБ совершить работу в единицу времени.

Как работает зарядное устройство аккумуляторов мобильных устройств

Сейчас все дорогие электронные устройства снабжаются собственными приборами питания и зарядки.

Для восстановления рабочих характеристик аккумуляторов, используемых индивидуально, выпускаются отдельные зарядные устройства. К ним прилагаются инструкции и таблицы с указанием рекомендованной продолжительности технологического цикла.

Такие модели обычно выдают стабилизированное напряжение на клеммы аккумулятора, у которого при зарядке постепенно меняется электрическое сопротивление, влияющее на величину протекающего тока. Поэтому подобные рекомендации носят усредненный характер.

Формы токов, создаваемые зарядными устройствами

Для зарядки аккумуляторов могут использоваться не только постоянные токи, но и многих других видов, которые решают специфические задачи.

Чтобы обеспечить их протекание создают различные электронные схемы, которые выдают на клеммы аккумулятора напряжение соответствующего вида.

Принципиальные схемы зарядных устройств

Ввиду их разнообразия приведем для примера некоторые типовые решения.

Схема создания постоянных токов

За счет трансформатора понижается напряжение. Его гармоника выпрямляется диодным мостом и пульсации сглаживаются конденсатором высокой емкости.

На выход в аккумулятор поступают токи постоянной величины.

Схема создания пульсирующих токов

Удалив из предыдущей цепочки конденсатор получаем пульсации напряжения на клеммах аккумулятора, которые формируют токи аналогичной формы.

Схема создания пульсирующих токов с промежутком

Заменив диодный мост единичным диодом получаем пульсации токов повышенной частоты в два раза.

Сервисные зарядные устройства

За счет усложнения внутренней электрической схемы создаются различные дополнительные функции для зарядных устройств.

Во всех расчетах величины зарядного тока Iз в амперах за базовое значение принимается эмпирическое соотношение, отсчитываемое в процентах от значения емкости С, выраженной ампер-часами.

Однако для определенных моделей производитель может указать ток зарядки сразу в числовом выражении амперами, которое не соответствует этому правилу. Понятно, что у него есть для этого серьёзные основания.

Свинцово кислотные АКБ

Принято для зарядки использовать токи, составляющие 10% или 0,1 от емкости С. Их записывают 1С.

Для этих аккумуляторов напряжение на единичной банки не должно превышать 2,3 V, что следует учитывать при зарядке батареи, чтобы не превышать критическую величину.

Набор емкости кислотных аккумуляторов после достижения 90% номинальной величины идет по экспоненте. Поэтому дальнейшую зарядку выполняют уменьшенными токами с контролем напряжения на банках, что увеличивает продолжительность процесса.

Свинцово кислотные АКБ нуждаются в периодическом проведении контрольного тренировочного цикла с полным разрядом и зарядом.

Щелочные АКБ

Для них принято ток заряда поддерживать на уровне 25% от емкости или 0,25С.

Никель-кадмиевые модели аккумуляторов

Оптимальная температура для зарядки, как и для работы, в пределах +10÷30 О С. При ней лучше происходит поглощение кислорода на катоде.

Аккумуляторы цилиндрической формы смонтированы плотной намоткой электродов в рулон. Это позволяет эффективно заряжать их токами в широких пределах 0,1÷1С. Стандартный режим предусматривает токи 0,1С и время 16 часов. На каждом элементе напряжение поднимается с одного до 1,35 V.

Если в зарядное устройство вмонтирована система контроля перезаряда, то применяют повышенные токи постоянной формы величиной 0,2÷0,3С. Это позволяет снижать время зарядки до 6 или 3-х часов. Даже допустим перезаряд в пределах 120÷140%.

Характерный недостаток никель-кадмиевых АКБ - эффект «памяти» или обратимая утеря емкости, которая проявляется при нарушениях технологии заряда, а точнее после начала подзарядки аккумулятора с не полностью израсходованной емкостью.

Аккумулятор «запоминает» границу оставшегося резерва и при последующем разряде на нагрузку сокращает свой ресурс при ее достижении. Эту особенность учитывают при эксплуатации, а для хранения Ni-Cd АКБ их переводят в режим полного разряда.

Никель-металл-гидридные модели аккумуляторов

Они создавались для замены никель-кадмиевых АКБ, лишены эффекта памяти, обладают повышенной емкостью. Но, при подготовке к работе после месячного или более срока хранения, требуется проведения цикла полного разряда с последующей зарядкой. Выполнив 3÷5 таких циклов можно увеличить рабочую емкость.

Для хранения этих аккумуляторов осуществляют перевод их емкости в 40% от номинальной величины.

Зарядка производится по технологии 0,1С для никель-кадмиевых АКБ, но с контролем температуры. Ее превышение более 50 О С недопустимо. Сильный нагрев возникает в конце цикла, когда протекание химических реакций замедляется.

По этим причинам для никель-металл-гидридных аккумуляторов создаются специализированные устройства зарядки с встроенными датчиками температуры.

Никель-цинковые модели аккумуляторов

Напряжение одной банки равно 1,6 V. Сила зарядного тока 0,25С. Время заряда 12 часов. Эффект памяти отсутствует. Рекомендуемый предел достижения емкости при заряде - 90% от номинальной.

Нельзя нагревать более 40 О С. Ограниченный ресурс - в три раза короче, чем у никель-кадмиевых АКБ.

Литий-ионные модели аккумуляторов

Оптимальная зарядка выполняется постоянным током в два этапа с величиной:

1. 0,2÷1С с напряжением 4÷4,2 V в первые 40 минут;
2. поддержанием постоянного напряжения на банке 4,2 V до окончания цикла.

Допустима зарядка током 1С за время 2÷3 часа.

Ресурс литий-ионных аккумуляторов снижают:

• зарядное напряжение, большее 4,2 V;
• перезаряд, сопровождающий скопление лития на катоде и выделение кислорода на аноде.

В результате происходит бурный выброс тепловой энергии, повышение давления в корпусе, разгерметизация.

В целях повышения безопасности при эксплуатации производители этих АКБ применяют одно или несколько мер защиты при заряде:

• схему отключения зарядного тока при достижении температуры в корпусе 90 О С;
• датчик превышения давления;
• систему контроля напряжения при заряде.

Поскольку литий-ионный аккумулятор работает и заряжается внутри дорогих электронных устройств, то к его зарядке следует относиться аккуратно, применять только специализированные зарядные устройства.

Особенности зарядки по глубине разряда

Особенности зарядки по температуре

Правильный выбор этих параметров позволяет значительно продлить ресурс эксплуатации литий-ионных АКБ.

Литий-полимерные модели аккумуляторов

К ним подходят все правила эксплуатации, разработанные для литий-ионных моделей. Но, поскольку в них отсутствует жидкий электролит, а используется гелеобразный, то при перезарядке либо перегреве исключается взрыв корпуса, который может только раздуться.

Понимание принципов того, как работает аккумулятор и зарядка для мобильных устройств поможет продлить ресурс ваших гаджетов, эксплуатировать их надежно и безопасно.

Для закрепления материала предлагаем посмотреть видеоролик владельца Admiral134 «Как правильно использовать литий-ионные аккумуляторы».

Вам сейчас удобно задать вопрос в комментариях и переслать этот материал друзьям в соц сети.

Сегодня редко встретишь устройство, работающее от механической энергии, – подавляющее большинство гаджетов питается электричеством. Аккумуляторы стали неотъемлемой частью электронных девайсов. Как устроена батарейка? Попробуем разобраться.

Существует много разновидностей аккумуляторов, но в бытовой электронике чаще всего применяются никель-кадмиевые (NiCd), никель-металл-гидридные (NiMh) и литий-ионные (Li-Ion) батареи.

Дольше всего используются NiCd-аккумуляторы благодаря своей простоте в изготовлении, эксплуатации и хранении. До сих пор NiCd-аккумуляторы остаются наиболее популярными для питания радиостанций, медицинского оборудования, профессиональных видеокамер и мощных инструментов.

NiMH-аккумулятор, по сравнению с NiCd, выделяет значительно большее количество тепла во время заряда. Ему также требуется более сложный алгоритм определения момента полного заряда. Поэтому большинство NiMH-аккумуляторов оборудовано внутренним температурным датчиком. Кроме того, NiMH-аккумулятор не может заряжаться быстро – время заряда обычно вдвое больше, чем у NiCd. Но зато их емкость больше, чем у NiCd.

Характеристики Li-Ion-аккумуляторов вдвое превышают показатели NiCd- аккумуляторов в пересчете на один килограмм веса. Именно поэтому Li-Ion-батареи используются во всех ноутбуках и телефонах, где важен вес и время автономной работы.

Как работает аккумулятор?

Аккумуляторы и батарейки работают благодаря разности напряжения между двумя металлическими пластинами, погруженными в раствор электролита. Впервые источник тока, работающий по такому принципу, был создан в XIX веке. Одна пластина в нем была медной, вторая – цинковой, которая очень быстро растворялась.

Разность напряжений можно объяснить на примере аналогии с двумя емкостями с жидкостью, которые соединены трубкой. Чтобы вода в трубке начала двигаться, нужно создать разность уровней, например, поднять одну емкость выше другой. Постепенно вода перетечет из левой бутылки в правую. Когда уровни сравняются, ток воды прекращается. Для аккумулятора это значит полный разряд.

Чтобы его перезарядить, надо вернуть воду в первоначальную емкость. Например, с помощью черпачка или чашки. Если вычерпывать воду из правой бутылки и выливать ее в левую, аккумулятор будет заряжаться. Конечно, вычерпывать нужно с такой же скоростью, с какой вода вытекает по шлангу. Иначе опять аккумулятор разрядится.

Конструктивно же сам аккумулятор – предельно простое устройство. Это два длинных листка из графита и из оксида лития с кобальтом. Они смазываются электролитом и сворачиваются в рулон. Литий-ионный аккумулятор готов.

Мифы об аккумуляторах

Распространено мнение, что сразу после покупки Li-Ion-аккумулятор нужно «раскачать» – провести несколько циклов полного заряда-разряда. Обычно – от трех до пяти. Этот миф не очень вредный для аккумуляторов, но, тем не менее, тратит его циклы работы.

Свойство Li-Ion-аккумуляторов заключается в том, что они не имеют эффекта памяти, как это было с NiCd-батареями. Этот эффект заключался в том, что если зарядить не до конца разряженный NiCd-аккумулятор, его емкость падала. Li-Ion такой особенности не имеет. Более того, производитель гарантирует, что емкость аккумулятора не снизится за 300 циклов разряда-заряда.

Еще раз: плеер, телефон, рацию, кпк, планшет, часы или любой другой мобильный девайс с Li-Ion «тренировать» бесполезно.

Аккумуляторы Li-Ion вообще не любят слишком большого заряда и разряда. Производитель гарантирует 300 циклов, но это не значит, что на 301 цикл батарею можно выбрасывать. Все будет зависеть от условий эксплуатации. «Тепличными» условиями для Li-Ion является максимальный заряд до 80%, а минимальный разряд – до 40%. Некоторые модели ноутбуков позволяют выставить эти параметры в сервисном ПО, продлевая «жизнь» батарее. Также аккумуляторы безвозвратно теряют емкость при температуре ниже нуля градусов и при нагреве выше +40 градусов. Поэтому гаджеты лучше беречь от мороза и высокого нагрева.

if (window.ab == true) { document.write("
Вы мо­же­те при­об­рес­ти на­род­ный ри­дер DIGMA всего за 4290 рублей. "); }

Вот как выглядит плата контроллера заряда, извлеченная из аккумулятора NOKIA BL-6Q и ее электрическая схема.

Давайте разберемся как это работает. Аккумулятор подключается к двум контактным площадкам, расположенным по бокам контроллера (B- и B+). На печатной плате расположены две микросхемы - TPCS8210 и HY2110CB.

Задачей контроллера является поддержание напряжения на аккумуляторной батарее в пределах 4,3 - 2,4 вольт для ее защиты от перезаряда и переразряда. В режиме нормального разряда (или заряда) микросхема HY2110CB выдает на выводы OD и OS напряжение высокого уровня, которое немного меньше напряжения на батарее.

Это напряжение держит постоянно открытыми полевые транзисторы микросхемы TPCS8210, через которые батарея подсоединяется к нагрузке (Вашему устройству).

При разряде аккумулятора, как только напряжение на аккумуляторе станет меньше 2,4 вольта, сработает детектор переразряда микросхемы HY2110CB и на выход OD перестанет выдаваться напряжение. Верхний (по схеме) транзистор микросхемы TPCS8210 закроется и таким образом батарея отключится от нагрузки.

При зарядке аккумулятора, как только напряжение на аккумуляторе достигнет 4,3 вольта, сработает детектор перезаряда микросхемы HY2110CB и на выход OС перестанет выдаваться напряжение. Нижний (по схеме) транзистор микросхемы TPCS8210 закроется и батарея также отключится от нагрузки.

Альтернативный способ замены

Как видно из схемы ни у одной из микросхем нет никакого вывода для передачи информации о состоянии батареи в Ваше устройство. Выход контроллера "К" просто подсоединен через резистор определенного номинала к отрицательному выводу батареи. Следовательно никакой "секретной" информации от контроллера батареи не поступает. В некоторых моделях контроллеров вместо постоянного резистора устанавливают терморезистор для контроля температуры батареи.

По номиналу этого резистора Ваше устройство может определить тип аккумулятора, или выключиться при несоответствии этого номинала нужным значениям.

Значит для замены такого аккумулятора на аккумулятор другого производителя не обязательно менять контроллер заряда, достаточно просто замерить резистор, стоящий между выводами "-" и "К" и подключить вывод "К" устройства к минусу батареи через внешний резистор того же номинала.

Документацию на используемую в контроллере микросхему HY2110CB можно скачать , а на микросхему TPCS8210 - .

Рассмотрим, на примере электронной книги LBOOK V5, как наиболее точно сделать аналог батареи с использованием знаний об устройстве контроллера заряда. Все работы проводим в следующей последовательности:

• Находим аккумулятор от сотового телефона, ближайший к родному по габаритам и емкости. В нашем случае это NOKIA BL-4U. (Справа на рисунке)
• Откусываем провод от родного аккумулятора с таким расчетом, чтобы оставшейся части на разъеме хватило для припайки нового аккумулятора, а оставшейся части на старой батарее хватило для зачистки проводников и измерения тестером.
• Берем любой цифровой тестер и устанавливаем на нем режим измерения сопротивления, предел измерения - 200 Ком. Подключаем его к отрицательному выводу и выводу контроллера родной батареи. Измеряем сопротивление.
• Отключаем прибор. Ищем ближайший по номиналу резистор. В нашем случае - это 62 Ком.
• Припаиваем резистор между отрицательным выводом новой батареи и проводом выхода контроллера на разъеме. (Желтый провод на рисунке).
• Припаиваем выводы разъема "+" и "-" соответственно к плюсовому и минусовому выводу новой батареи. (Красный и черный провода на рисунке).

if (window.ab == true) { document.write("

Зачем аккумулятору на цифровой технике 3 контакта, если он может заряжаться и от двух?

Третий контакт используется для передачи данных по протоколу 1-Wire (на аккумуляторах с 4 и более контактами, например, в ноутбуках, используется i2c протокол).
В аккумуляторе встроен датчик температуры и контроллер контроля заряда, который сообщает заряд в процентах и способен отключать аккумулятор в случае переразряда или перезаряда. Есть и более тупые аккумуляторы, где третий пин заведён на термистор и служит только для измерения температуры.
На аккумулятор также может возлагаться и более крутая функциональность. В фотоапаратах Sony аккумулятор рулил подсветкой дисплея, в PSP аккумулятор управлял сервисным режимом запуска приставки, в последней ревизии туда засунули даже AES шифрование и обмен ключами. Да, всё это на третьем контакте.

И что происходит с аккумулятором, когда он зарядился до максимума и его оставили заряжаться дальше, включенным в сеть? У зарядного устройства есть какой-нибудь предохранительный режим после полной зарядки аккумулятора?

заряд литиевого аккумулятора происходит по схеме CC-CV (Constant Current - Constant Voltage). На начальном этапе зарядки, зарядное устройство следит, чтобы зарядный ток не выходил за пределы допустимого (обычно порядка 1C, то есть примерно равному емкости аккумулятора в mAh). Как только напряжение аккумулятора подходит к максимально допустимому (4.2 В для обычных, иногда 4.35 В для аккумов повышенной емкости, 3.6 В для высокотоковых LiFePO4), зарядка ограничивает ток, чтобы напряжение не превышало эту планку. То есть сама зарядка следит, чтобы перезаряда никогда не случилось. Можно сравнить с наполнением ведра сначала быстрым потоком воды, насколько позволяет шланг, потом всё уменьшая поток воды, чтобы плещущаяся вода не переливалась через край, в конце аккуратно по капельке добавляют чтоб полностью наполнить и не пролить....

И скорость зарядки аккумулятора зависит от диаметра проводов в трансформаторе зарядки?
Их же там соотношение 230 на первичной и 6 на вторичной?

В современных зарядниках стоят импульсные преобразователи, никаких трансформаторов. Скорость зарядки ограничена 1) максимальным током, что может выдать зарядка, 2) максимальным током, что может принять телефон, 3) проводами, через которые идёт зарядка. Обычный USB может пропустить не более 2 ампера, дальше пойдёт перегреваться и небезопасно. Вместо повышения зарядного тока, производители пошли по пути повышения напряжения. Зарядка выдаёт 12 вольт, телефон внутри преобразует в меньшее напряжение, с большим током. В итоге и провод не греется, и потерь меньше. А ещё чем больше емкость аккума телефона, тем большим током его можно заряжать, больше энергии накопится на начальном этапе заряда....
Черт, что-то много написал. Позадавайте уточняющих вопросов, чтоб всё подряд не описывать.

Аккумуляторы для мобильных устройств

Устройство и основные параметры

Сотовые телефоны и переносные компьютеры, радиостанции и радиотелефоны, источники бесперебойного питания, кинокамеры и фотоаппараты, ручные мощные инструменты, медицинские приборы, разнообразное производственное оборудование — вот далеко не полный перечень устройств, нормальная работоспособность которых напрямую зависит от состояния аккумуляторов. В связи с этим, знание характеристик, особенностей и условий эксплуатации различных типов аккумуляторов приобретает особое значение и является залогом безотказной работы мобильных устройств и портативного оборудования.

Если Вы любопытны и обладаете некоторыми навыками по порче игрушек, приобретенными еще в детстве, то уже наверняка познакомились с внутренним устройством своего бывшего в эксплуатации аккумулятора. Что же там внутри? (Не советую разбирать, это связано с риском получения физических повреждений). Вообще то ничего особенного. Круглые или призматические «батарейки», каких навалом в ближайшем магазине, причем по гораздо более низкой цене. Однако первое впечатление — обманчиво. Перед Вами не просто батарейки, а аккумуляторы. И отличаются они от батареек тем, что допускают (в силу обратимости протекающих в них реакций) многократные циклы разряда — заряда. В этом их преимущество перед батарейками, но с другой стороны и «головная боль», которую они приносят в случае потери работоспособности. И если с первыми все просто: купил, вставил, истощились, выбросил и купил новые, то с аккумуляторами дело обстоит сложнее. Для них последовательность действий иная: купил; подготовил к работе; пользуешься, соблюдая правила эксплуатации; и только когда уже совсем невмоготу — покупаешь новый.

Итак, чтобы не было мучительно больно за бесцельно потраченные деньги, ниже информация для любопытных и любознательных на тему: что нужно знать об аккумуляторах для мобильных телефонов и портативных компьютеров.

Устройство

Любой аккумулятор, как правило, состоит из нескольких единичных элементов, соединенных последовательно для увеличения значения вырабатываемого напряжения и упакованных в общий корпус. С конструкцией единичного элемента аккумулятора, например никель-металлгидридного, с электрохимическими реакциями, проходящими внутри него, и другими полезными сведениями (на английском языке) можно познакомиться на сайте фирмы Panasonic , загрузив файл в формате pdf Overview information on NiMH Batteries in PDF Format — 137KB .

Кроме единичных элементов аккумуляторы на основе никеля содержат внутри тепловой предохранитель и датчик температуры (последний в NiCd аккумуляторах может отсутствовать). Тепловой предохранитель обеспечивает безопасность при больших токах заряда, а выходной сигнал датчика температуры обрабатывается зарядным устройством. В зависимости от значения температуры «грамотное» зарядное устройство обеспечивает различные режимы заряда аккумулятора: быстрый, медленный и переключение от одного к другому.

Литий-ионные аккумуляторы помимо теплового предохранителя и датчика температуры содержат специальную управляющую интегральную схему и управляющие ключи. Все это в совокупности призвано защитить потребителя от физических повреждений в случае нарушения электрических режимов эксплуатации аккумулятора.

ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ АККУМУЛЯТОРОВ

Да будет Вам известно, что аккумулятор, как электрический прибор, характеризуется следующими основными параметрами: типом электрохимической системы, напряжением, электрической емкостью, внутренним сопротивлением, током саморазряда и сроком службы. Причем, в зависимости от сферы применения на первый план выступают то одни параметры, то другие. Например, аккумулятор для сотовых телефонов должен оцениваться по совокупности значений трех его основных характеристик: реальной емкости, внутреннему сопротивлению и току саморазряда, а аккумулятор домашнего радиотелефона с радиусом действия до 100 метров достаточно оценить только по емкости и саморазряду. При недооценке или игнорировании какого-либо параметра или преувеличении важности одного из них (как правило, емкости) можно оказаться в ситуации «у разбитого корыта».

Напряжение . Напряжение аккумулятора определяется тем устройством, для питания которого он предназначен. Если требуемое значение напряжения не обеспечивается одним элементом, то аккумулятор собирается из нескольких элементов, соединенных последовательно. Например, в сотовых телефонах различных моделей используются аккумуляторы напряжением 3,6 В (1 Li-ion элемент или 3 NiCd, или 3 NiMH элемента), 4,8 В (только 3 NiCd или 3 NiMH элемента), 6 В (только 5 NiCd или 5 NiMH элементов), 7,2 В (2 Li-ion элемента). Таким образом, если в телефоне используются 4 NiMH аккумулятора общим напряжением 4,8 В (как, например, в некоторых последних моделях фирмы Ericsson), то использование в нем Li-ion аккумуляторов невозможно. Напряжение аккумулятора в процессе работы не постоянно. Оно максимально сразу после окончания заряда, а затем в процессе работы или хранения уменьшается. В конце концов, оно уменьшается до такой величины, что сотовый телефон не включается или автоматически выключается. При оценке состояния аккумулятора измерение его напряжения необходимо производить под нагрузкой, на которую он рассчитан.

Электрическая емкость . Номинальная электрическая емкость — это то количество энергии, которым аккумулятор теоретически должен обладать в заряженном состоянии. Данный параметр аналогичен емкости какого-либо сосуда, например, стакана. Так в стандартный граненый стакан можно налить 200 мл воды (по ободок), в конкретный аккумулятор можно закачать также лишь вполне определенное количество энергии. Но определяется это количество энергии (емкость) не в момент закачивания (заливания), а при обратном процессе — разряде (выливании энергии) аккумулятора постоянным током в течение измеряемого промежутка времени до момента достижения заданного порогового напряжения. Измеряется емкость соответственно в ампер-часах (А·час) или миллиампер-часах (мА·час) и обозначается буквой «С». Значение емкости указывается на этикетке аккумулятора или зашифровано в обозначении его типа. Реальное значение емкости нового аккумулятора на момент ввода его в эксплуатацию колеблется от 80 до 110% от номинального значения и зависит: от фирмы-изготовителя, условий и срока хранения и технологии ввода в эксплуатацию. Теоретически аккумулятор, например, номинальной емкостью 1000 мА*час может отдавать ток 1000 мА в течение одного часа, 100 мА в течение 10 часов, или 10 мА в течение 100 часов. Практически же, при высоком значении тока разряда номинальная емкость не достигается, а при низком токе — превышается.

В процессе эксплуатации емкость аккумулятора уменьшается. Скорость уменьшения зависит от типа электрохимической системы, технологии обслуживания в процессе работы, используемых зарядных устройств, условий и срока эксплуатации. Используя ту же аналогию со стаканом, можно сказать, что количество наливаемой в стакан воды будет уменьшаться, если будете наливать воду с большим количеством механических примесей, а сливать — отстоявшуюся. Тогда в стакане постепенно будет накапливаться осадок, уменьшающий его полезную емкость. В аккумуляторе подобный «осадок» образуется в процессе циклов заряда / разряда.

Внутреннее сопротивление . Внутреннее сопротивление аккумулятора (сопротивление источника тока) определяет его способность отдавать в нагрузку большой ток. Эта зависимость подчиняется закону Ома (вспомните курс школьной физики). При низком значении внутреннего сопротивления, аккумулятор способен отдать в нагрузку больший пиковый ток (без существенного уменьшения напряжения на его выводах), а значит и большую пиковую мощность. В то время как высокое значение сопротивления приводит к резкому уменьшению напряжения на выводах аккумулятора при резком увеличении тока нагрузки. Такой коллапс (уменьшение) напряжения характеризует «слабость» внешне хорошего аккумулятора, потому что запасенная энергия не может быть полностью выдана в нагрузку.

Другими словами, все вышесказанное о внутреннем сопротивлении аккумулятора может быть проиллюстрировано следующим образом. Представим себе, что Вам необходимо за час полить садовый участок из бака (аккумулятор), который Вы ранее заполнили водой. При нормальном положении вещей Вы подключаете к сливному крану шланг, полностью открываете кран и поливаете участок в течение часа до тех пор, пока вода в баке не закончится. А теперь предположим, что сливной кран у вашего бака заклинило, открыть его можно только чуть-чуть и вода сочится из него лишь тоненькой струйкой. Вроде бы и вода в баке есть (аккумулятор заряжен), а нормально поливать невозможно. Кран в данном случае играет роль внутреннего сопротивления для бака. Если струя из крана большая, то внутреннее сопротивление бака мало, если — маленькая — внутреннее сопротивление бака большое.

Что имеем практически? Сотовый телефон в режиме ожидания потребляет от аккумулятора небольшой ток и пропускной способности крана его аккумулятора вполне хватает для питания телефона. Как только поступает входящий звонок или Вы начинаете делать исходящий, телефону требуется в десятки раз больше энергии для нормальной работы в режиме передачи, поэтому требуется увеличить пропускную способность крана. Если кран — нормальный, то он пропустит через себя этот увеличенный поток энергии, если его — заклинило, то — нет, и телефон отключается. Это особенно характерно для сотовых телефонов стандартов NMT, AMPS, транковых и обычных радиостанций, портативных компьютеров.

Внутреннее сопротивление аккумулятора зависит от типа его электрохимической системы, емкости, числа элементов в аккумуляторе, соединенных последовательно, и возрастает к концу срока эксплуатации.

Саморазряд . Явление саморазряда в большей или меньшей степени характерно для всех типов аккумуляторов и заключается в потере ими своей емкости после того, как они были полностью заряжены. Для количественной оценки саморазряда удобно использовать величину потерянной ими за определенное время емкости, выраженную в процентах от значения, полученного сразу после заряда. За промежуток времени, как правило, принимается интервал времени, равный одним суткам и одному месяцу. Так, например, для исправных NiCd аккумуляторов считается допустимым саморазряд до 10% в течение первых 24 часов после окончании заряда, для NiMH — немного больше, а для Li-ion пренебрежимо мал и оценивается за месяц. Следует отметить, что саморазряд аккумуляторов максимален именно в первые 24 часа после заряда, а затем значительно уменьшается.

Саморазряд аккумуляторов зависит от качества использованных материалов, технологического процесса изготовления, типа и конструкции аккумулятора. Он резко возрастает при повышении окружающей температуры, повреждении внутреннего сепаратора аккумулятора из-за неправильного обслуживания и вследствие процесса старения.

Срок службы (срок эксплуатации) аккумулятора . Его принято оценивать по количеству циклов заряда / разряда, которое аккумулятор выдерживает в процессе эксплуатации без значительного ухудшения своих основных параметров: емкости, саморазряда и внутреннего сопротивления. Срок службы зависит от многих факторов: методов заряда, глубины разряда, процедуры обслуживания или его отсутствия, температуры и электрохимической природы аккумулятора. Кроме того, он определяется временем, прошедшим со дня изготовления, особенно для Li-ion аккумуляторов. Аккумулятор, как правило, считается вышедшим из строя после уменьшения его емкости ниже 80% от номинального значения.

Для более подробного и профессионального ознакомления с аккумуляторами можно порекомендовать сайт фирмы Panasonic , где приведены подробнейшие справочные данные и аналитические материалы о NiCd, NiMH, Li-ion аккумуляторах, производимых этой фирмой (на английском языке). К сожалению, фирма не дала разрешения на перевод и публикацию этой информации на русском языке, сославшись на отсутствие ее представительства в России в этой области и невозможности оценки переведенных материалов. Но размещенные там сведения представляют определенный интерес как для разработчиков аппаратуры с питанием от аккумуляторов, так и для пользователей, поэтому ниже приведен краткий перечень освещаемых там вопросов:

• внешний вид;
• внутреннее устройство;
• электрохимические реакции, происходящие внутри аккумулятора;
• особенности;
• пять основных характеристик: зарядные, разрядные, число циклов заряда / разряда, хранение (саморазряд), безопасность с графиками и пояснениями;
• методы заряда;
• упаковка элементов в аккумуляторы;
• предосторожности при разработке устройств с аккумуляторами.

При написании статьи использованы материалы, любезно предоставленные г-ном Isidor Buchmann, основателем и главой Канадской компании Cadex Electronics Inc. .

Более подробная информация на русском языке об аккумуляторах для мобильной техники связи, компьютеров и других портативных приборов, советы по эксплуатации и обслуживанию приведены в

ССЫЛКИ

1. Cadex Electronics Inc. , Vancouver, BC , Canada — разработчик и производитель зарядных устройств, анализаторов и систем обслуживания аккумуляторов (на английском языке).
2. Аккумуляторы для мобильных устройств и портативных компьютеров . Анализаторы аккумуляторов (на русском языке).
3. , производимых фирмой Panasonic (на английском языке).