ИСТОЧНИКИ ПИТАНИЯ

14.02. Типы батарей

Обширное руководство по батареям ( фирмы Duracell дает перечень из 133 батарей с описаниями таких их типов, как цинкоугольные, щелочно-марганцевые, литиевые, ртутные, серебряные, воздушноцинковые и никель-кадмиевые. Включены даже их подклассы, как, например, и «литиевые полупроводниковые». Другие фирмы-изготовители предлагают герметизированные свинцово-кислотные батареи и батареи гельного типа. Для действительно экзотической прикладной задачи вы могли бы даже принять во внимание топливные элементы или радиоактивные термальные формирователи. Что представляют собой все эти батареи? Как вам выбрать оптимальную для вашей портативной штуковины?

Предлагаемый перечень делится на так называемые гальванические элементы и аккумуляторы. Гальванические элементы спроектированы только для единственного цикла разряда, т. е. они неперезаряжаемые. Аккумуляторы , свинцовокислотные и гельного типа в вышеприведенном перечне) сконструированы так, чтобы быть подзаряжаемыми, в типовом случае от 200 до 1000 раз. Выбор гальванических элементов вы обычно делаете исходя из их химического состава и компромисса между такими параметрами, как цена, плотность энергии, долговечность при хранении, постоянство напряжения в течение разряда, производительность по пиковому току, температурный диапазон и популярность. Поскольку вы уже выбрали правильно батарею по химическому составу, то теперь надо вычислить какая батарея (или последовательное включение батарей) содержит достаточное количество энергии для вашего прибора.

К счастью, достаточно легко исключить из рассмотрения большинство из приведенных в этом каталоге батарей, если придерживаться нашего первого правила, а именно исключить дефицитные батареи. Кроме того, что их трудно достать, они обычно не свежие. Итак, как правило, лучше придерживаться того ассортимента элементов, которые имеются в продаже в любом аптекарском магазине (торгующем лекарствами, косметикой, журналами, мороженным и др.) или, возможно, универсальном магазине фотопринадлежностей даже, если в результате этого получите несколько худшие характеристики, чем при оптимальном выборе. Мы практически рекомендуем использовать широко употребимые батареи при проектировании любого потребительского электронного прибора; к тому же как потребители мы сами стараемся избегать тех недорогих чудес, в которых используются экзотические или дорогие батареи. (Вспоминаете те ранние детекторы задымления, для которых требовалась ртутная батарея с напряжением 11,2 В?)

Гальванические элементы.

Теперь подробности. В табл. 14.1 сравниваются характеристики различных гальванических элементов, а в табл. 14.2 и на рис. 14.1 даны реальные параметры наиболее популярных элементов.

Старомодный «сухой гальванический элемент» с эмблемой в виде кошки - это элемент . Внутренняя его конструкция, как это можно предположить, является достаточно примитивной, а именно состоит из угольного стержня, вставленного в катодную смесь из двуокиси марганца, угля, аммония и хлористо-цинкового электролита. Имеется цилиндрическая прокладка, сделанная из пасты на основе порошкового крахмала, затем цинковый анод, отдаленный от жестяной банки.

Таблица 14.1. Гальванические элементы

Верхняя его часть замазана парафином и битумным уплотнителем и сконструирована таким образом, чтобы давать выход газам, если слишком повышается их давление. Эти элементы являются наиболее дешевыми из тех, которые можно купить, но вы не сможете получить многого за ваши деньги. В частности, их напряжение падает, а полное сопротивление постоянно возрастает по мере использования батареи; кроме того, емкость батареи резко снижается, если необходимо обеспечить высокие токи.

«Мощные» сухие элементы построены аналогичным образом, но при более высоком процентном содержании хлористого цинка и соответственно различными механическими приспособлениями для еще большего выделения газа.

Таблица 14.2. Характеристики батарей

Хотя у них общее содержание энергии лишь немного меньше, чем у элементов , эти элементы значительно лучше по номинальной производительности даже при работе с высокими токами. Например, -элемент вырабатывает 4,2 ампер-часа () на нагрузке 150 Ом, 1,2 Ач - на нагрузке 15 Ом и 0,15 Ач-на нагрузке 1,5 Ом; аналогичный хлористоцинковый элемент вырабатывает соответственно 5,6, 5,4 и . Сам хлористоцинковый элемент также демонстрирует меньшее падение емкости при низких температурах.

Щелочно-марганцевый элемент, как правило именуемый как просто «щелочной», при высоких токах разряда и на низких температурах работает еще лучше. Вывернутый наизнанку, для сравнения с угольно-цинковым элементом, он имеет в середине отрицательный анод из порошкового цинка и электролит из гидроокиси калия, окруженные отдаленным положительным катодом из двуокиси марганца и угля.

Для сравнения с вышеприведенными параметрами можно указать, что щелочной -элемент вырабатывает 10 на нагрузке 150 Ом, 8 нагрузке 15 Ом и 4 нагрузке 1,5 Ом. Вследствие своего особого химического состава, щелочные батареи при разряде обеспечивают малое и медленно увеличивающееся внутреннее сопротивление по сравнению с быстро возрастающим внутренним сопротивлением обоих типов цинко-угольных элементов. Они также лучше работают при низких температурах. Щелочные батареи имеют большую долговечность при хранении, чем элементы или хлористо-цинковые. Как следует из рис. 14.1, кривая зависимости напряжения от степени разряда для всех трех типов батарей дает вам их простую сравнительную оценку. На рис. 14.2 представлены в сравнении рабочие характеристики этих трех типов «сухих гальванических элементов».

Рис. 14.1. Кривые разряда гальванических элементов. (Эти и последующие рисунки в этой главе взяты из технической литературы по электрическим батареям следующих фирм: Агсо Solar, Duracell, Electrochem Industries, Evercady, Gates, Kodak. , Solavolt и Yuasa.)

Ртутные, окись-серебряные, литиевые - это пользующиеся подлинно большим спросом элементы с особенно высококачественными параметрами по сравнению с щелочными и цинко-угольными. В ртутном элементе используются амальгамированный цинковый анод, катод, состоящий из окиси двухвалентной ртути плюс уголь, и электролит из гидроокиси натрия или калия. Он превосходен с точки зрения стабильности напряжения холостого хода (1,35 В, стабильность порядка ), а также постоянства напряжения в процессе разряда («плоская кривая ); см. рис. 14.1. Он хорошо работает при температуре вплоть до , но его рабочие параметры серьезно ухудшаются при температуре ниже .

Элемент на окиси серебра аналогичен ртутному элементу, но при замене окиси двухвалентной ртути на окись серебра. Он также обладает очень плоской кривой разряда, но обеспечивает более высокое напряжение холостого хода (1,6 В) и обладает улучшенными рабочими характеристиками на низких температурах (до — ).

Литиевые элементы представляют собой новейшую разработку в ряду имеющихся на рынке гальванических элементов, но с несколько отличным химическим составом. Они обладают наивысшей плотностью энергии на единицу веса.

(см. оригинал)

Рис. 14.2. Сравнение рабочих характеристик цинковых «сухих гальванических элементов», а - зависимость емкости D - элемента от тока нагрузки; б - изменение напряжения и внутреннего сопротивления D - элемента в процессе разряда; e - зависимость емкости D - элемента от параметров рабочего цикла; г - зависимость емкости от температуры; д - зависимость длительности хранения (10% потери емкости) от температуры.

Рис. 14.3. Зависимость плотности энергии гальванических элементов от температуры.

Они имеют лучшее исполнение с точки зрения работы на высоких и низких температурах, а также обладают исключительной долговечностью при хранении при всех температурах. Например, гальванический элемент -типа с составом литийтионил-хлорид вырабатывает почти в три раза больше энергии при напряжении на зажимах 3,5 В), чем щелочной -элемент сравнимых размеров и веса. Литиевые батареи могут работать на температурах, достигающих — (см. рис. 14.3), при температуре они сохраняют 50% своих возможностей при нормальной температуре, а это температура, при которой другие гальванические батареи вообще прекращают работать. Литиевые батареи имеют время сохраняемости от 5 до 20 лет при комнатной температуре и могут храниться на складе в течение 1-2 лет при температуре , что приводит к высыханию всех других батарей. Они обладают плоской монотонной кривой разряда. Их продолжительное время хранения и напряжение делают литиевые батареи идеальным элементом для батарейной поддержки (резервный элемент питания), расположенной на плате КМОП-памяти.

Каждый химический состав литиевой батареи имеет свои собственные специфические особенности. Например, батареи с составом типа литийтрионилхлорид имеют тенденцию развивать пассивацию электрода, которая чрезвычайно поднимает их внутреннее сопротивление, что может привести к «перегоранию» батареи при большом броске тока. Литиевый сернистый ангидрид был причиной взрывов некоторых батарей.

Предупреждение: были инциденты, причиной которых были взрывы литиевых батарей, в некоторых случаях они причинили серьезный персональный ущерб. Предупредив вас об этом, мы не будем отвечать теперь за любые бедствия, которые вам могут принести литиевые батареи.

Аккумуляторы.

Для электронного оборудования рекомендуем применять следующие типы аккумуляторов: а) никель-кадмиевые или б) герметизированные свинцово-кислотные. Оба типа аккумуляторов имеют меньшее содержание энергии, чем гальванические элементы (табл. 14.2), но они являются перезаряжаемыми. Никель-кадмиевые элементы выдают напряжение 1,2 В и, как правило, имеют емкость в диапазоне от до 5 и работают при температурах до (и вплоть до ); свинцовокислотные батареи вырабатывают напряжение 2 В на элемент и, как правило, созданы для обеспечения от 1 до 20 и могут работать при температурах до

(и вплоть до ). Оба типа батарей обладают относительно плоскими характеристиками разряда. Свинцовокислотные батареи имеют низкие скорости саморазряда и претендуют на сохранение двух третей от начального заряда после годичного хранения при комнатной температуре (хотя наш опыт позволяет быть более скептически настроенными); никель-кадмиевые батареи имеют относительно плохие характеристики по сохранению заряда, в типовом случае теряя половину имеющегося заряда за . (вот в это мы верим!) (см. рис. 14.4). Никель-кадмиевый -элемент обеспечивает 5 (при напряжении 1,2 В), в то время как свинцово-кислотный -элемент дает 2,5 (при напряжении 2 В); сравнимый щелочной элемент дает 10 при 1,5 В.

Как никель-кадмиевые, так и герметизированные свинцово-кислотные батареи претендуют быть хорошими при 250-1000 циклах заряд/разряд (большее значение, если они каждый раз разряжены только частично; и меньшее при полном разряде или быстром проведении цикла заряд/ разряд).

Рис. 14.4. Сохранение заряда в батарее аккумулятора.

Никель-кадмиевые батареи имеют общую ожидаемую долговечность хранения 2-4 года, если хранить их при постоянном капельном токе заряда (смотри ниже); долговечность герметизированных свинцово-кислотных батарей поддерживается при постоянном «подзаряживающем» напряжении и составляет 5-10 лет.

Стоит подчеркнуть, что эти перезаряжаемые батареи действительно являются герметичными; они не будут капать или таинственно подтекать ужасными химикалиями. Хотя, как правило, наименование «свинцово-кислотные» вызывает в воображении картины шершавых автомобильных аккумуляторов с разъеденными зажимами и подтекающей кислотой, герметизированные же их разновидности в действительности являются чистыми батареями: вы можете ставить их в любом положении, они не капают и не подтекают и, как правило, ведут себя хорошо. На практике на их основе можно разработать реальные электронные приборы без опасения, что ваша печатная плата превратится в «белую чуму» или дно корпуса, вашего дорогого корпуса, будет покрыто отвратительно пахнущей жидкостью.

Аккумуляторы умирают молодыми, если их не заряжать надлежащим образом. Эти процедуры отличны для никель-кадмиевых и кислотно-свинцовых аккумуляторов. Традиционно определяют скорости заряда через емкость самой батареи в ампер-часах; например, заряд при означает подачу тока заряда, равного одной десятой емкости полно заряженной батареи в ампер-часах. Для вышеупомянутого никель-кадмиевого -элемента он составит .

Никель-кадмиевые элементы спроектированы таким образом, что они заряжаются при постоянном токе и выдерживают длительную подзарядку при . Вследствие неэффективностей в цикле заряд/разряд вы должны заряжать при этой скорости в течение , с тем чтобы гарантировать полную зарядку; вы можете подумать об этом как о подзарядке самой батареи на 140%.

Хотя это и хорошо перезаряжать никель-кадмиевые батареи бесконечно при токе , но лучше переключиться на «капельный» заряд в типовом случае при токе от до . Однако никель-кадмиевые аккумуляторы являются «забавными», а именно обладают эффектом «памяти», так что капельной скорости заряда может и не хватить для восстановления полностью разряженного аккумулятора; в этом случае рекомендуется ток .

Имеются прикладные задачи, когда вы не можете ждать целый день, пока это никель-кадмиевые аккумуляторы подзарядятся. В литературе по таким аккумуляторам дается разрешение заряжать нормальные элементы с более «высокой скоростью» от до , если вы не делаете это слишком долго. При токе этим пределом является срок приблизительно в три дня. При таких условиях заряда нужно предусмотреть некоторый отвод газов в отличие от «нормального» режима подзарядки при токе , когда выделяющийся кислород рекомбинирует внутри самого элемента. Существуют специальные «быстро заряжаемые» никель-кадмиевые элементы, спроектированные для заряда при токах от до в специальных зарядных устройствах, которые чувствуют условия полного заряда, используя текущий контроль температуры элемента (они имеют такой внутренний химический состав, что при достижении требуемого заряда быстро нагреваются).

Рис. 14.5. «Глубокий разряд» восстанавливает «хорошее здоровье» никель-кадмиевой батареи.

В отличие от ситуации со свинцово-кислотными батареями вы не можете надежно определить, когда никель-кадмиевый аккумулятор полностью зарядится, используя текущий контроль за напряжением на зажимах, поскольку оно меняется при бесконечно повторяемых циклах, температуре и скорости. Никель-кадмиевые аккумуляторы не должны заряжаться при постоянном напряжении, ни сохраняться «подзаряжаемыми» при фиксированном напряжении.

Вы можете приобрести удобные маленькие зарядные устройства никель-кадмиевых аккумуляторов у нескольких компаний, включая также и самих производителей батарей. Они, как правило, используются для заряда аккумуляторов всех популярных типов (D, С, А А и 9 В).

Все никель-кадмиевые аккумуляторы имеют свои собственные патологии. Если вы похожи на нас, то, вероятно, возьмете с собой зарядное устройство для подстраховки от того, что ваш подзаряжаемый калькулятор неожиданно умрет при проведении, скажем, ревизии уплаты налогов. Как показывают графики (рис. 14.5), никель-кадмиевые аккумуляторы имеют эффекты «памяти», так что первый разряд после длительного периода подзарядки может быть плохим. Они являются критичными к подаче напряжения обратной полярности; таким образом, первый элемент, который заряжается, страшно страдает, если их последовательность полностью разряжена. Также никель-кадмиевые аккумуляторы не должны соединяться параллельно. Вы должны найти людей, помогающих различными «змеиными снадобьями», такими, как периодический «глубокий разряд» или ударная терапия в виде электролитического конденсатора большой емкости, разряжающегося через умирающий никель-кадмиевый аккумулятор. Хотя мы и скептически относимся к последнему средству, но периодический глубокий разряд полезен для здоровья никель-кадмиевого аккумулятора.

Свинцово-кислотные. Эти многоцелевые батареи могут быть заряжены при приложении постоянного напряжения, при условии ограничения тока, постоянным током или используя что-нибудь среднее. При подзарядке ограниченным током и при постоянном напряжении вы подаете фиксированное напряжение (в типовом случае от 2,3 до 2,6 В на элемент); сама батарея первоначально получает высокий ток (вплоть до ), который затем падает, по мере того как она заряжается, окончательно достигая значения капельного тока, который и поддерживает саму батарею в полностью заряженном состоянии. Более высокое приложенное напряжение дает вам более быстрый заряд, но ценой большего зарядного тока и уменьшения общего времени жизни батареи. В наиболее простой реализации этого процесса можно использовать -контактный стабилизатор, такой, как 317, который обеспечивает питание ограниченным током при фиксированном напряжении. Заряд батареи можно поддерживать бесконечно при сохранении фиксированного «подзаряжающего» напряжения между 2,3 и 2,4 В на элемент (что соответствует капельному току от до ). На рис. 14.6 показаны характеристики этих режимов. Эти заряжающие и подзаряжающие напряжения имеют мягкую температурную зависимость, которая должна быть отрегулирована на значение - при работе на краях температурного диапазона.

При подзарядке постоянным током (который не так часто используется) вы подаете фиксированный ток, как правило, от до напряжение на батарее по мере ее заряда постепенно возрастает, затем при достижении полного заряда наблюдается резкий его рост.

Рис. 14.6. Избыточное подзаряжающее напряжение уменьшает срок службы батарей свинцово-кислотных аккумуляторов.

Рис. 14.7. Рекомендуемый цикл подзарядки батареи свинцово-кислотного аккумулятора («двухшаговый»).

В этой точке (соответствующей напряжению на зажимах 2,5 В/элемент) необходимо уменьшить ток, в типовом случае до фиксированного значения , при котором будет поддерживаться полный заряд батареи бесконечно долго. Герметизированные свинцово-кислотные батареи будут иметь срок службы в течение 8-10 лет, когда их заряд производится при скорости .

Прекрасный метод подзарядки свинцово-кислотных аккумуляторов предлагает так называемая двухшаговая процедура (рис. 14.7). После предварительного «капельного» заряда вы начинаете при высоком токе фазу «объемного заряда», при этом подавая высокий фиксированный ток до тех пор, пока напряжение на батарее не достигнет «избыточного» значения, . Затем это напряжение поддерживается на постоянном уровне при проведении текущего контроля (падающего) тока, до тех пор пока этот ток не достигнет значения «избыточного переходного тока» . После этого вы поддерживаете постоянным «подзаряжающее напряжение» , которое меньше, чем напряжение . Для -вольтовой свинцово-кислотной батареи с емкостью типовые значения составляют: перех . Хотя смысл этой процедуры не очевиден, она приводит к быстрому и без повреждения подзаряду батареи. Фирма Unitrode изготавливает прекрасную ИС, а именно , которая имеет как раз все то, что необходимо для реализации этого процесса. Она даже включает в себя внутренний источник эталонного напряжения, который следит за температурными характеристиками. свинцово-кислотных элементов и требуется только внешний проходной р-п-р-транзистор и четыре устанавливающих параметры резистора.

Перспективность батарей и основные рекомендации.

Как мы и утверждали вначале, это действительно хорошая идея проектировать прибор, используя популярную и легко доступную батарею.

Рис. 14.8. Способ формирования с помощью единственной батареи источника питания с биполярным напряжением.

В верхней части перечня располагаются -вольтовые «транзисторные» батареи, известные под общим обозначением NEDA -мощные; -щелочные; -ртутные; -литиевые; -никель-кадмиевые). Во всем мире вы можете купить -вольтовые щелочные батареи даже в любом отделе продуктового магазина (или открытого рынка). Операционные усилители хорошо работают при напряжении питания В; вы можете даже использовать В, если применить резистивный делитель и повторитель для формирования потенциала взвешенной «земли» (рис. 14.8; рассматривается дальше в разд. 14.08). Существуют чудесные маленькие пластмассовые корпуса для приборов, которые заканчиваются внизу отделением для батареи на 9 В, поставку которых осуществляют многие фирмы-изготовители и по очень привлекательным ценам. Мы рекомендуем все-таки использовать щелочные элементы, а не цинко-угольные, поскольку они обладают улучшенными электрическими характеристиками, как это было показано ранее.

Рис. 14.9. Кривые разряда -вольт батареи: «литиевая» - -элементная батарея фирмы Kodak.

Новая литиевая батарея фирмы Kodak с напряжением 9 В, которая выглядит как реальный победитель, имеет емкость , большую долговечность при хранении (сохраняя 80% энергии после 10 лет хранения) и плоскую характеристику разряда (рис. 14.9). Разработчики в ней мудро используют 3 элемента, а не 2, так что напряжение на зажимах близко к 9 В, т. е. так же, как и у щелочной батареи. Наши предварительные измерения на ранних выборках показали, однако, в некоторой степени высокое внутреннее полное сопротивление.

Семейство щелочных элементов типов АА, С и D имеет большую энергетическую емкость (и соответственно меньшее внутреннее полное сопротивление), чем батареи (в 3, 9 и 20 раз соответственно) и к тому же их легко получить. Но они отчасти менее удобны из-за проблем с хранением и с надежностью соединения при последовательном включении элементов. Каждый из нас замечал, что если потрясти тусклый карманный фонарь, то он обычно начинает светить ярче. Эта проблема связана с тенденцией некоторых разновидностей батарей (щелочных, ртутных) выращивать белый налет на своих зажимах (официально это называется «засаливание»).

Никель-кадмиевые батареи также продаются (хотя и не в каждой аптеке) в стандартных конфигурациях (АА, С, D и 9 В) для тех применений, где с точки здравого смысла обосновано использование аккумуляторов. Но при этом вы получите только около 25-50% энергетической емкости и уменьшенное напряжение батареи (1,2 В против 1,5 В на элемент у щелочных).

Литиевые батареи имеются в наличии в тех же самых стандартных модификациях, хотя они обеспечивают 3 или более вольта на элемент. Большинство фирм-изготовителей также снабжает их залуженными выводами с целью обеспечения более надежного соединения; это имеет смысл, учитывая их продолжительный срок службы. Литиевые элементы также выпускаются в виде плоской «таблетки» с лужеными выводами, для использования в качестве батарейной поддержки КМОП-памяти или для питания календаря часов.

Рис. 14.10. «Устанавливаемый сзади» термостат.

Литиевая батарея на напряжение 9 В имеет прекрасную особенность, а именно позолоченные защелкивающиеся выводы, обеспечивающие более надежное соединение. Посмотрите наши предостережения о склонности литиевой батареи к взрывам.

В большинстве магазинов фототоваров даже маленьких городов вы можете найти широкий подбор ртутных, серебряных и литиевых элементов. Они используются в фотокамерах (и калькуляторах, и часах) и отличаются, как правило, разнообразием «таблеток». В качестве примера можно привести популярный ртутный элемент типа 625, едва ли больше, чем пуговица на куртке, при этом свежий элемент имеет емкость . Еще меньший по размеру элемент 76 на окиси серебра (а энергетически он эквивалентен ртутному элементу типа 675) имеет интересную особенность, а именно - это аналог литиевого -вольтового элемента (NEDA ) того же диаметра и удвоенного веса, предназначенный для замены пары -вольтовых элементов. При этом напряжении можно непосредственно обеспечить работу КМОП логических схем, а также питать низковольтовые операционные усилители, такие, как , серии и многофункциональные серии «Линейных КМОП» операционных усилителей фирмы TI (серии ) и компараторы .

Если же для вашей прикладной задачи требуется подзаряжаемость и высокий пиковый ток герметизированных свинцово-кислотных батарей или какой-либо экзотический вид гальванического элемента, вы должны, как правило, связаться с фирмами-изготовителями этих батарей или их дистрибьюторами. Что касается названий, то такие фирмы, как Gates, Power sonic и Yuasa специализируются по свинцово-кислотным аккумуляторам. Фирмы Duracell и Everyday доминируют на рынке гальванических элементов. Все эти компании предлагают полезные и обширные руководства по применению батарей.

В следующих разделах мы рассмотрим альтернативные источники питания маломощного оборудования, а именно, включаемые в розетку блоки питания, солнечные элементы и сигнальные токи. Важно напомнить, что каждый из этих источников питания можно использовать для зарядки аккумуляторов. Например, популярные «установленные сзади» термостаты, которые на ночь выключают свой нагреватель, используют высокоимпедансный сигнальный переменный ток через реле на напряжение 24 В для зарядки никель-кадмиевых батарей, которые поддерживают работу тактового генератора в течение того периода, когда реле включено (рис. 14.10).

Таблица 14.3. Свойства гальванических элементов

В табл. 14.3 подытоживается наша информация по сравнению параметров различных типов батарей гальванических элементов.