Dodatnie Sprzężenie Zwrotne
Dodatnie Sprzężenie Zwrotne
Dodatnie Sprzężenie Zwrotne
Dodatnie Sprzężenie Zwrotne
Dodatnie Sprzężenie Zwrotne
Poczynając od tego numeru, co jakiś
czas w Elektronice dla Wszystkich
pojawiać się będzie rubryka,
zatytułowana właśnie  Dodatnie
sprzężenie zwrotne . Rubryka ta
powstała pod wpływem Waszych
listów. Okazało się, że nie wszystkie
nadsyłane problemy i pytania uda się
poruszyć w Poczcie, ponieważ
niektóre wymagają szerszego
umówienia i wyjaśnienia.
Otrzymujemy także sporo próśb
o opracowanie i zaprezentowanie na
łamach EdW różnych układów
elektronicznych.
Akumulatory, część 1
Według naszych planów, rubryka
 Dodatnie sprzężenie zwrotne
będzie zawierać zarówno materiał
W naszej codziennej praktyce spoty- dopodobnie pamiętasz jeszcze z podsta-
opisowy, wyjaśniający problemy
kamy się z różnymi typami akumulato- wówki starą chemiczną rymowankę: jeś-
techniczne, jak też w jej ramach
rów. li nie chcesz zrobić szkody, zapamiętaj:
Od dawna znamy akumulatory oło- kwas do wody. Próba wlewania wody do
będziemy przedstawiać projekty
wiowe, stosowane powszechnie we dużo gęściejszego kwasu może się
opracowane w redakcji, niejako na
wszelkich pojazdach samochodowych skończyć rozpryskiem kwasu i poparze-
Wasze zamówienie.
oraz w systemach alarmowych. niem.
Pierwszym tematem, który
Do najróżniejszych przenośnych urzą- Obsługa takich akumulatorów była
dzeń elektronicznych wykorzystuje się uciążliwa, bowiem należało kontrolować
bierzemy na warsztat, jest sprawa
powszechnie akumulatory kadmowo-ni- poziom elektrolitu w poszczególnych ce-
ładowania akumulatorów. Listy
klowe (oznaczane w skrócie CdNi lub lach akumulatora i co jakiś czas dolewać
z prośbami dotyczącymi tego
NiCd). Od kilku lat na rynek pomału wody destylowanej. Jedyną zaletą ta-
zagadnienia nadesłali ostatnio
wchodzą akumulatory niklowo-wodorko- kich starych akumulatorów był fakt, że
we, oznaczane w skrócie NiMH. Coraz można było w prosty sposób sprawdzać
Dariusz Stępień, Stanisław Opoka,
więcej słyszymy też o akumulatorach li- stan naładowania akumulatora, mierząc
Bogusław A
ącki, Andrzej Adamczyk,
towo-jonowych (Li-Ion), a różne firmy aerometrem gęstość elektrolitu.
Andrzej Hoć.
prezentują kolejne rozwiązania, oparte Spektakularnym objawem pełnego
na coraz to innych materiałach czynnych. naładowania akumulatora kwasowego
Obecnie najpopularniejsze są akumu- jest tak zwane gazowanie elektrolitu
latory ołowiowe, dlatego zajmiemy się (elektroliza wody). Właśnie ono jest zna-
nimi na początku. W dalszej kolejności kiem, że akumulator jest pełny i ładowa-
poznamy bliżej akumulatory CdNi nie należy przerwać.
i NiMH. Nie musisz znać i rozumieć reakcji
chemicznych, jakie zachodzą w akumu-
Akumulatory ołowiowe
latorze, musisz jednak pamiętać o pew-
Przed laty dostępne były jedynie aku- nej podstawowej zasadzie: w pełni nała-
mulatory ołowiowe przeznaczone do po- dowany akumulator ma maksymalną
jazdów samochodowych. Po zakupieniu (nominalną) gęstość elektrolitu. Podczas
takiego akumulatora należało zalać go rozładowania gęstość elektrolitu maleje.
przygotowanym samodzielnie elektroli- Można powiedzieć, że w akumulatorze
tem o odpowiedniej gęstości i przepro- rozładowanym do granic możliwości,
wadzić pierwsze ładowanie. Od tego elektrolitem jest... woda. Powinieneś to
pierwszego ładowania, zwanego formo- zrozumieć i zapamiętać raz na zawsze.
waniem, zależały póz
niejsze parametry, Mówiąc w dużym uproszczeniu, pod-
między innymi pojemność. Elektrolitem czas rozładowania siarka z kwasu prze-
był roztwór kwasu siarkowego w wodzie chodzi na płyty, a podczas ładowania
destylowanej - stąd potocznie akumula- wraca z powrotem do elektrolitu. Można
tory takie nazywa się kwasowymi. to ująć nieco dokładniej - w czasie rozła-
Na stacjach benzynowych można było dowania na płytach tworzy się siarczan
kupić aerometry - szklane przyrządy, któ- ołowiu, słabo przewodzący prąd. Pod-
re pozwalały sprawdzać gęstość elektro- czas ładowania siarczan w wyniku reak-
litu (powinna wynosić 1,26...1,28 g/cm3). cji chemicznych zamienia się w kwas
Przygotowanie elektrolitu wymagało siarkowy. Gdy  cała siarka przejdzie do
sporo ostrożności ze względu na żrące elektrolitu, akumulator jest w pełni nała-
właściwości kwasu siarkowego. Praw- dowany i dalsze przepuszczanie przez
66 ELEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 10/96
Dodatnie Sprzężenie Zwrotne
Dodatnie Sprzężenie Zwrotne
Dodatnie Sprzężenie Zwrotne
Dodatnie Sprzężenie Zwrotne
Dodatnie Sprzężenie Zwrotne
niego prądu powoduje już tylko elektroli- w których płynny elektrolit niejako uwię- Po drugie, z podanych informacji nale-
zę wody (gazowanie akumulatora). ziono, wypełniając wnętrze akumulatora ży wyciągnąć ogólne wnioski i zrozu-
W zasadzie proces tworzenia siarcza- odpowiednim materiałem włóknistym. mieć istotę problemu, a nie oczekiwać
nu ołowiu jest odwracalny, ale wyobraz
Innym sposobem było dodanie do płyn- szczegółowych odpowiedzi typu:  jaką
sobie, że przy totalnym wyładowaniu nego elektrolitu pewnych substancji, maksymalną temperaturę może osiąg-
 elektrolit to w rzeczywistości woda które zamieniły go w swego rodzaju ga- nąć elektrolit? .
destylowana, a płyty pokryte są siarcza- laretę - żel. Tak oto doszliśmy do akumu- A teraz parę słów o najważniejszych
nem ołowiu. Co się stanie przy próbie latorów żelowych. parametrach.
naładowania takiego zupełnie rozładowa- Obie ostatnie grupy to akumulatory
Definicje
nego akumulatora? Dołączysz napięcie, szczelne (ang. sealed), nie grożące wyla-
nawet znacznie wyższe od nominalnego niem elektrolitu. Niektóre mogą praco- Najważniejszy parametr to pojem-
napięcia akumulatora, a prąd przez aku- wać w dowolnej pozycji. Takie akumula- ność akumulatora, oznaczana literą C.
mulator (czytaj: wodę destylowaną) wca- tory powszechnie stosuje się w rezer- Otrzymujemy ją mnożąc prąd rozładowa-
le nie chce płynąć - praktycy mówią, że wowych z
ródłach zasilania, na przykład nia I przez czas rozładowania t:
głęboko wyładowany akumulator nie w systemach alarmowych czy kompute- C = I x t
rozł rozł
chce ruszyć. Prąd płynący przez głęboko rowych UPS-ach. Prąd wyraża się w amperach, czas
rozładowany akumulator z początku A teraz przechodzimy do analizy para- w godzinach (ang. hour), stąd pojem-
rzeczywiście ma znikomą wartość, rzędu metrów akumulatorów kwasowych. ność podawana jest w amperogodzi-
mikroamperów, ale z czasem zacznie się Na początek dwie uwagi. Po pierw- nach (Ah) lub miliamperogodzinach
pomału zwiększać i niekiedy dopiero po sze, podane dalej informacje bazują na (mAh).
kilku godzinach, materiałach firmo- Jak się za chwilę okaże, pojemność
czy nawet dniach, Informacje na temat wych dostarczo- akumulatora nie jest stała (!), zależy bo-
uzyska sensowną nych przez zagra- wiem od prądu rozładowania. Żeby łat-
akumulatorów ołowiowych nie
wartość. Nie zna- niczne firmy, i do- wo porównać różne akumulatory, przyję-
są użyteczne dla użytkowników
czy to jednak, że tyczą akumulato- to określać pojemność nominalną przy
po takim nietypo- innych typów akumulatorów.
rów nowoczes- rozładowywaniu takim prądem, aby peł-
wym, długim łado- nych, szczelnych. ne rozładowanie trwało 10 godzin (aku-
Popularne akumulatory
waniu, akumulator Niestety, nie udało mulatory samochodowe), lub 20 godzin
kadmowo-niklowe pracują na
odzyska pierwotną mi się zdobyć sen- (mniejsze akumulatory). Można więc po-
zupełnie innej zasadzie, mają
pojemność. Na sownych informa- wiedzieć, że podawana w katalogach no-
pewno słyszałeś, cji od krajowych pro- minalna pojemność akumulatora C jest
inne charakterystyki
że płyty ulegają za- ducentów, a dzwo- pojemnością dziesięciogodzinną (albo
i wymagają odmiennych
siarczeniu, przez niłem tak do Pias- dwudziestogodzinną).
sposobów ładowania.
co akumulator towa, jak i Pozna- Dla ułatwienia, prądy ładowania i roz-
przestaje spełniać nia - po prostu tra- ładowania podawane są nie wprost
swoją rolę. Rzeczywiście, część siarcza- fiłem na osoby niekompetentne, nie w amperach, tylko w odniesieniu do po-
nu ołowiu, o krystalicznej, zwartej budo- umiejące odpowiedzieć na zadane pyta- jemności nominalnej C. Na przykład na-
wie, po prostu nie da się w czasie łado- nia techniczne, zalecające mi lekturę sta- potykamy zdanie: ładować przez 14 go-
wania  wyrwać z płyt i w konsekwen- rych książek; odsyłano mnie od Annasza dzin prądem 0,1C. Nie wiemy jaką war-
cji następuje stopniowe pogorszanie do Kajfasza, a jeden rozmówca twierdził tość ma mieć prąd ładowania, dopóki nie
właściwości akumulatora. Musisz wie- nawet, że nie może mi udzielić żadnych dowiemy się, jaka jest pojemność nomi-
dzieć, że proces zasiarczania zachodzi informacji bez zgody dyrektora naczelne- nalna C takiego akumulatora. Gdy po-
we wszystkich akumulatorach kwaso- go. Przy takim podejściu do odbiorcy i ta- jemność nominalna C wynosi, powiedz-
wych, a jego szybkość zależy od warun- kich kwalifikacjach personelu czarno wi- my, 20Ah, prąd 0,1C wynosi 0,1 x 20
ków pracy i ładowania: między innymi od dzę przyszłość rodzimego przemysłu. = 2A.
temperatury, stopnia rozładowywania
itd. Szczegóły w dalszej części artykułu.
Teraz już znasz podstawy działania
akumulatora ołowiowego.
Powróćmy do historii. Kolejnym kro-
kiem w rozwoju było wyprodukowanie
tzw. akumulatorów suchoładowanych,
których po wlaniu elektrolitu nie trzeba
było specjalnie formować. Ale dopiero
pojawienie się tzw. akumulatorów bez-
obsługowych oznaczało duży postęp.
W sumie ich bezobsługowość polega na
tym, że w przepisanych warunkach pra-
cy, ubytek wody wskutek gazowania
jest na tyle niewielki, iż nie trzeba usta-
wicznie kontrolować poziomu elektrolitu
i dolewać wody.
Z czasem okazało się, iż stosunkowo
tanie akumulatory ołowiowe można by-
łoby stosować o wiele szerzej, gdyby nie
istniała groz
ba wylania żrącego elektroli-
Rys. 1. Charakterystyki rozładowania.
tu. Powstały więc nowe konstrukcje,
ELEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 10/96 67
Dodatnie Sprzężenie Zwrotne
Dodatnie Sprzężenie Zwrotne
Dodatnie Sprzężenie Zwrotne
Dodatnie Sprzężenie Zwrotne
Dodatnie Sprzężenie Zwrotne
Rys. 3. Krzywe samorozładowania.
rozładowania od temperatury. W wy-
ższej temperaturze akumulator szybko
traci swoją energię - po sześciu miesią-
cach przechowywania w temperaturze
+40�C w pełni naładowanego akumula-
tora, pozostanie w nim jedynie 45%
pierwotnej energii.
Ale to nie jest najgorsze, bo przecież
Rys. 2. Zależność pojemności od temperatury.
rozładowany akumulator można zawsze
rysunek 4
podładować. Popatrz na rysunek 4 Po-
rysunek 4
rysunek 4
rysunek 4.
kazuje on przybliżoną zależność czasu
rysunek 2
A teraz przeanalizujmy rysunek 2
rysunek 2,
rysunek 2
rysunek 2
Charakterystyki
pracy od temperatury. O ile akumulator
przedstawiający zależność pojemności
Wszystkie zamieszczone dalej rysunki
mógłby pracować w temperaturze
akumulatora od temperatury pracy.
dotyczą nowoczesnych akumulatorów
W wyższej temperaturze reakcje che- +20�C kilka lat, o tyle w temperaturze
ołowiowych brytyjskiej firmy Yuasa, któ-
+60�C straci pojemność już po kilku mie-
miczne przebiegają szybciej i powoduje
re sprzedawane są w sieci firmowej
siącach! Nie pytaj więc drobiazgowo
to wzrost pojemności akumulatora.
AVT. Bardzo podobne parametry mają
o szczegóły - zapamiętaj, że wysokie
W niższych temperaturach pojemność
akumulatory ołowiowe innych dobrych
temperatury pracy są dla akumulatora
radykalnie maleje - znajdz
na rysunku
firm. Natomiast podane wiadomości są
ołowiowego wręcz zabójcze.
2 punkt Y. Przy rozładowaniu prądem 1C
zupełnie nieprzydatne użytkownikom
w temperaturze 0�C rzeczywista pojem- Masz więc częściową odpowiedz
na
akumulatorów kadmowo-niklowych.
pytanie, jaka może być maksymalna
ność wyniesie tylko 35% pojemności
Na pewno wiesz, że nominalne napię-
temperatura elektrolitu: w miarę możli-
nominalnej! Teraz rozumiesz kłopoty
cie jednego ogniwa, lub jak częściej mó-
wości należy unikać wysokiej tempera-
z rozruchem samochodu zimą, gdy
wimy - jednej celi - wynosi 2V. Akumula-
w temperaturze -20�C pobieramy z aku- tury, a także dużych prądów ładowania,
tor 12-woltowy składa się z sześciu cel.
które powodowałyby znaczny wzrost
mulatora prąd rzędu 5...10C.
rysunku 1
Na rysunku 1
rysunku 1 przedstawiono charak-
rysunku 1
rysunku 1
temperatury akumulatora.
Przed chwilą cieszyliśmy się, że
terystyki rozładowania. Z rysunku można
I oto doszliśmy do metod ładowania.
w wyższych temperaturach akumulator
odczytać szereg cennych informacji. Po
Tematem tym zajmiemy się szczegóło
ma większą pojemność. Nie ma się
pierwsze zauważ, że nominalną pojem-
wo za miesiąc.
rysunek 3.
z czego cieszyć - popatrz na rysunek 3
rysunek 3
rysunek 3
rysunek 3
ność uzyskuje się przy rozładowaniu prą-
Pokazuje on zależność szybkości samo- (red)
(red)
(red)
(red)
(red)
dem dwudziestogodzinnym (0,05C) do
napięcia końcowego 10,5V, czyli 1,75V/
ogniwo. Ale przy większych prądach roz-
ładowania użyteczna pojemność jest
zdecydowanie mniejsza. Znajdz
na ry-
sunku 1 punkt X; przy prądzie 2C pojem-
ność wynosi tylko 2C x 12minut = 2C
x 0,2h = 0,4C, czyli rzeczywista pojem-
ność wynosi w tych warunkach tylko
40% pojemności nominalnej, i to przy
rozładowaniu do napięcia 1,36V/ogniwo!
Po drugie, z rysunku 1 można odczy-
tać, do jakiego napięcia końcowego
można rozładowywać akumulator - gra-
nicę tę zaznaczono czerwoną linią prze-
rywaną. Przy mniejszych prądach jest to
napięcie 1,75V/ogniwo, przy większych
prądach może być mniejsze, nawet do
1,3V/ogniwo.
Po trzecie z charakterystyk można się
dowiedzieć, jak w czasie rozładowania
obniża się napięcie akumulatora. Jest to
istotne, gdyby akumulator miał współ-
pracować ze stabilizatorem lub bezpo-
średnio zasilać układ czuły na zmiany na-
Rys. 4. Zależność trwałości od temperatury.
pięcia zasilającego.
68 ELEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 10/96
Dodatnie Sprzężenie Zwrotne
Dodatnie Sprzężenie Zwrotne
Dodatnie Sprzężenie Zwrotne
Dodatnie Sprzężenie Zwrotne
Dodatnie Sprzężenie Zwrotne
czeniu napięcia do rozładowanego aku- dla małych, szczelnych akumulatorów
mulatora, w pierwszych chwilach łado- zaleca się, żeby tętnienia prądu ładowa-
wania prąd może osiągnąć dużo większą nia nie przekraczały wartości 0,1C! Jeśli
wartość. Mogłoby to spowodować prze- ktoś z Was ma praktyczne doświadcze-
grzanie i uszkodzenie akumulatora. nia w tym zakresie, prosimy o listy -
W przypadku wyrobów wspomnianej fir- chętnie je opublikujemy na łamach Fo-
my, przy napięciu 2,3V/ogniwo, uszko- rum.
Rys. 5.
dzenie nie powinno nastąpić, bowiem Można jeszcze zadać sobie pytanie:
konstrukcja akumulatora ogranicza mak- dlaczego obecnie dąży się do skrócenia
symalny prąd do wartości około 2C. Prąd czasu ładowania? Przyczyną jest wyłącz-
Wykorzystanie
ten maleje zresztą dość szybko do war- nie nasza niecierpliwość - w dzisiejszym
prostownika
rysunku
tości około 1C. Pokazano to na rysunku zwariowanym świecie każdy chciałby na-
rysunku
rysunku
rysunku
6 ładować akumulator jak najszybciej, naj-
6
6.
6
6
Najczęstszym sposobem ładowania
Należy jednak zauważyć, że wykres lepiej w ciągu kilku minut czy nawet se-
akumulatorów kwasowych jest użycie
z rysunku 6 dotyczy sytuacji, gdy dołą- kund. Dlatego współczesne akumulatory
transformatora i prostownika w układzie
czono napięcie ładowania o stałej war- są tak konstruowane, żeby można je by-
rysunku 5
z rysunku 5 Akumulator jest ładowany
rysunku 5.
rysunku 5
rysunku 5
tości 2,3V/ogniwo. W praktyce napięcie ło ładować względnie szybko. Póki co,
prądem tętniącym. Prąd ładowania
to może być większe, i wtedy istnieje nawet ekspresowe ładowanie trwa oko-
i zmiany prądu ładowania takiego pros-
groz
ba uszkodzenia lub przynajmniej ło godziny, zresztą nie wszystkie akumu-
townika są trudne do określenia, zależą
zmniejszenia trwałości akumulatora. Od- latory je wytrzymują. Generalnie akumu-
głównie od wydajności prądowej użyte-
notuj więc ważny wniosek: warto kont- latory nie lubią dużych prądów ładowa-
go transformatora. W przypadku akumu-
rolować prąd w pierwszych chwilach ła- nia i jeśli to możliwe należy je ładować
latorów rozruchowych o pojemnościach
dowania i stosować niewielkie prądy ła- prądami rzędu 0,1C - niewątpliwie wy-
rzędu kilkudziesięciu amperogodzin
dowania. jdzie im to na zdrowie.
i prądzie ładowania rzędu kilku ampe-
Ogólnie rzecz biorąc, korzystniejsze Dlatego do ładowania akumulatorów
rów, taki prosty sposób może być uza-
jest ładowanie dłuższe, prądem rzędu można z powodzeniem stosować prosty
sadniony z uwagi na koszty. Ale w przy-
rysunku 7
0,1C. Wniosek taki znajduje potwierdze- układ z rysunku 7
rysunku 7. Dobre wyniki uzysku-
rysunku 7
rysunku 7
padku małych akumulatorów o pojem-
nie w praktyce - często słyszy się zalece- je się, stosując tu transformator bezpie-
ności do kilku amperogodzin, takiej me-
nia, żeby reanimować całkowicie rozła- czeństwa 220V/24V. Żarówka umiesz-
tody nie powinno się stosować. General-
dowane i zasiarczone akumulatory ładu- czona w obwodzie uzwojenia pierwotne-
nie należy wtedy stowować rodzaj stabi-
jąc je kilkadziesiąt godzin niewielkim prą- go transformatora ogranicza prąd łado-
lizowanych zasilaczy, dostarczających
dem. Po przeprowadzeniu kilku cykli po- wania do pewnej wartości, nie większej
prądu o małych tętnieniach.
wolnego ładowania i rozładowania, aku- niż 0,1C. Parametry transformatora
Nie mam dokładniejszych danych do-
mulator odzyska znaczną część swej no- i moc żarówki decydują, jaka to będzie
tyczących akumulatorów rozruchowych,
minalnej pojemności. Oczywiście nie wartość, i jak zmieniać się będzie prąd
ale zobacz, jak wygląda to w przypadku
uda się uzyskać pojemności nominalnej - ładowania w zależności od napięcia aku-
szczelnych akumulatorów firmy YUASA.
całkowite rozładowanie zawsze nieko- mulatora.
Firma zaleca, aby ciągły prąd ładowania
rysunku 8
rzystnie odbija się na właściwościach Na rysunku 8
rysunku 8 pokazano przykładowy
rysunku 8
rysunku 8
nie przekraczał 0,25C. Jednak po dołą-
akumulatora. przebieg zmian w czasie prądu ładowa-
Sprawa reanimowania zasiarczonych nia i napięcia akumulatora. Wykres ten
 trupów to oddzielny temat. Niektórzy nie niesie istotnych informacji, pokazuje
zalecają wtedy tzw. ładowanie pulsacyj- tylko, że wskutek istnienia rezystancji
ne. Z grubsza biorąc, wykorzystuje się tu wewnętrznej prostownika, prąd ładowa-
prostownik jednopołówkowy. W jednym nia maleje ze wzrostem napięcia akumu-
półokresie akumulator jest ładowany, latora, czyli prąd ten zależy od stanu na-
w drugim - rozładowywany, ale nieco ładowania akumulatora.
mniejszym prądem. W ten sposób przez Przy takim sposobie, należy kontrolo-
akumulator płyną znaczne prądy ładowa- wać czas ładowania (ewentualnie stan
nia i rozładowania, a średni prąd ładowa- naładowania akumulatora), aby uniknąć
nia jest niewielki. Jest to sposób znany przeładowania.
i zalecany w literaturze amatorskiej, ale
jak dotąd nie znamy żadnego producen-
Rys. 6.
ta, który zalecałby taki sposób ładowania
swoich wyrobów. Wprost przeciwnie -
Rys. 7.
Rys. 9.
Rys. 8.
ELEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 10/96 69
Dodatnie Sprzężenie Zwrotne
Dodatnie Sprzężenie Zwrotne
Dodatnie Sprzężenie Zwrotne
Dodatnie Sprzężenie Zwrotne
Dodatnie Sprzężenie Zwrotne
sunku 10. Liniami przerywanymi zazna-
sunku 10
sunku 10
sunku 10
sunku 10
czono charakterystyki przy ładowaniu
akumulatora rozładowanego tylko częś-
ciowo. Warto zauważyć, że przy takiej
metodzie nie występuje problem przeła-
dowania - po naładowaniu do określone-
go napięcia, prąd ładowania sam zmniej-
sza się do bezpiecznej, małej wartości.
Do jakiej wartości zmniejszy się prąd
ładowania, gdy akumalator stale dołączo-
ny będzie do urządzenia ładującego?
Zależy to od napięcia nastawionego
w urządzeniu ładującym. Przykładowo
rysunek 10 przedstawia charakterystykę
ładowania przy nastawionym napięciu
2,4V/ogniwo i prądzie maksymalnym
0,1C. Z rysunku widać, że po długim cza-
sie prąd ładowania ustabilizuje się na
wartości około 0,015C. Porównaj teraz
rysunek 11
rysunek 11
rysunek 11
rysunek 11
rysunek 11, dotyczący sytuacji, gdy na-
Rys. 10.
pięcie końcowe zostało zwiększone do
2,5V/ogniwo. Jak widać akumulator nała-
ku 6, przy stałym napięciu, na początku duje się w tych warunkach nieco szyb-
A
adowanie prądem
ładowania prąd mógłby znacznie prze- ciej, ale prąd ładowania po długim czasie
kroczyć zalecaną wartość 0,25C. Dlate- ustabilizuje się na znacznej wartości rzę-
o stałej wartości
go przy ładowaniu akumulatorów du 0,04C!
Wydawałoby się, że dla uniknięcia
o mniejszych pojemnościach zaleca się Czy to ma jakieś znaczenie? Tak, i to
przeładowania, najlepszym sposobem
ładowanie z ograniczeniem prądu do duże!
jest ładowanie prądem o ustalonej war-
wartości 0,1...0,25C. W przypadku aku- Pamiętaj bowiem, że akumulatory
tości (powiedzmy 0,1C), przez ściśle
mulatorów o pojemnościach rzędu kilku- pracują generalnie albo w sposób cyk-
określony czas (np. 12...15 godzin).
dziesięciu Ah, problem ograniczenia prą- liczny (ładowanie i rozładowanie), albo
Rzeczywiście, można skonstruować nie-
du zwykle nie jest tak ostry, ponieważ jako akumulatory rezerwowe w układzie
zbyt skomplikowany układ elektroniczny
sam transformator zasilający ma ograni- z ciągłym doładowywaniem (tzw. praca
z tranzystorami czy tyrystorami, który
czoną wydajność, co skutecznie zapo- buforowa ang. float mode lub standby
niezależnie od napięcia akumulatora do-
biega nadmiernemu wzrostowi prądu mode).
starczałby prądu o określonej wartości.
(np. przy 40Ah prąd 0,25C to 10A). Przy pracy cyklicznej zależy nam na
Bez większego kłopotu można też skon-
Zastosowanie ograniczenia prądowe- pełnym i szybkim naładowaniu akumula-
struować układ czasowy odmierzający
go powoduje, że na początku ładowania, tora. W takim wypadku można stosować
potrzebny czas ładowania. Zmiany prądu
nie jest to ładowanie przy stałym napię- prąd ładowania w zakresie 0,1...0,25C,
i napięcia przy takiej metodzie pokazane
ciu, a raczej przy stałym prądzie. Ale po i należy ustawić nieco wyższe napięcie
rysunku 9
są na rysunku 9
rysunku 9.
rysunku 9
rysunku 9
częściowym naładowaniu napięcie aku- ładowania - 2,4...2,5V/ogniwo.
Taka metoda władowania określonej
mulatora wzrasta do nastawionego na- Kiedy jednak akumulator ma praco-
ilości amperogodzin jest może i dobra,
pięcia ładowania i potem prąd zaczyna wać w urządzeniu, gdzie będzie ciągle
ale tylko wtedy, gdy akumulator jest roz-
się zmniejszać. Przebiegi napięć i prą- doładowywany, nie wolno ustawiać tak
ładowywany w kontrolowany sposób.
ry-
dów podczas ładowania pokazano na ry- dużego napięcia ładowania. Przy pracy
ry-
ry-
ry-
W przypadku częściowego rozładowania
- zbyt duża dawka ładowania może nie-
korzystnie wpłynąć na jego parametry.
Przy głębokim, całkowitym rozładowa-
niu, porcja ładunku okaże się za mała dla
pełnego naładowania.
Dlatego sposób ładowania prądem
o niezmiennej wartości nie jest polecany
przez producentów.
A
adowanie przy stałym
napięciu
Okazuje się, że pewniejszym i bez-
pieczniejszym sposobem jest ładowanie
przy stałym napięciu akumulatora. Elekt-
roniczny regulator troszczy się, by napię-
cie na akumulatorze stale miało jednako-
wą, ściśle określoną wartość. Urządze-
nie ładujące powinno mieć możliwość
regulacji tego napięcia w zakresie
2,25...2,5V/ogniwo.
Jak wskazano przy omawianiu rysun-
Rys. 11.
70 ELEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 10/96
Dodatnie Sprzężenie Zwrotne
Dodatnie Sprzężenie Zwrotne
Dodatnie Sprzężenie Zwrotne
Dodatnie Sprzężenie Zwrotne
Dodatnie Sprzężenie Zwrotne
nalnym, trwałość wyniesie tylko nieco około -3...-3,5mV/�C. A
atwiej to zrozu-
ponad 100 cykli. Tu widać, że z uwagi na mieć, analizując rusunek 15. Niektóre
trwałość, warto stosować akumulatory urządzenia ładujące mają obwody takiej
rysunku 15
o pojemności większej, niż wymagana kompensacji termicznej. Na rysunku 15
rysunku 15
rysunku 15
rysunku 15
pojemność minimalna. podano temperaturę otoczenia. Przy pra-
Z rysunków 4, 12...14 można wyciąg- cy buforowej można przyjąć, że tempe-
nąć ważne wnioski: czas życia akumula- ratura elektrolitu jest praktycznie równa
tora ściśle zależy od temperatury pracy, temperaturze otoczenia. Ale przy dużych
ilości cykli i głębokości rozładowania, prądach ładowania należałoby wziąć pod
a także od napięcia ładowania. uwagę temperaturę elektrolitu.
Na zakończenie rozważań jeszcze sło- Producenci akumulatorów podają, iż
wo o napięciach. w zakresie temperatur +5...+40�C kom-
Jak wiadomo, że wzrostem tempera- pensacja temperaturowa nie jest ko-
Rys. 12.
tury rośnie szybkość reakcji chemicz- nieczna. Dlatego w praktyce należy
nych. Dlatego przy znacznych zmianach określić średnią temperaturę pracy i na
buforowej należy ustawić napięcie rzędu temperatury otoczenia, a ściślej biorąc, podstawie rysunku 15 ustawić odpo-
2,25...2,30V/ogniwo (nominalnie temperatury elektrolitu, należałoby od- wiednie napięcie ładowania.
2,275V). Przy takim napięciu ciągły prąd powiednio zmieniać napięcie ładowania.
A
adowanie dwustopniowe
doładowujący będzie miał wartość rzędu Można tu mówić o współczynniku zmia-
0,0005...0,004C, co całkowicie wystar- ny napięcia ładowania pod wpływem A co zrobić, gdy akumulator pracuje
czy do uzupełnienia strat wynikających temperatury. Dla małych akumulatorów buforowo, i po rozładowaniu trzeba go
z samorozładowania. Przy tak małym ołowiowych pracujących w sposób cyk- szybko naładować?
prądzie, gazy powstające przy pełnym liczny wymagane napięcie 2,4...2,5V/og- Jak zauważyłeś z rysunków 6, 10 i 11,
naładowaniu na bieżąco rekombinują na niwo należałoby zmieniać -4...-5mV/�C. aby przy ładowaniu ze stałym napięciem
ujemnej elektrodzie zamieniając się Dla akumulatorów stale będących pod szybko uzyskać pełną pojemność, nale-
w wodę - akumulator nie traci pojem- napięciem, współczynnik ten wynosi żałoby ładować znacznym prądem, rzędu
ności wskutek wysychania. Gdyby jed-
nak akumulator pozostawał stale pod na-
pięciem 2,4...2,5V/ogniwo, prąd dołado-
wania byłby dużo większy (porównaj rys.
10 i 11), co wydatnie skróciłoby czas pra-
cy akumulatora. Nie jest to błahostka -
rysunek 12
upewnia o tym rysunek 12
rysunek 12
rysunek 12
rysunek 12. Jak widać,
utrzymywanie na akumulatorze napięcia
2,5V/ogniwo skróci kilkakrotnie czas je-
go służby. A w optymalnych warunkach
(T=20...22�C, U=2,23....2,33V/ogniwo)
przeciętny czas życia akumulatora przy
pracy buforowej wyniesie około 5 lat. Is-
totne informacje o utracie pojemności
w funkcji czasu przy pracy buforowej po-
rysunek 13
kazuje rysunek 13
rysunek 13.
rysunek 13
rysunek 13
Natomiast przy pracy cyklicznej miarą
trwałości jest nie czas tylko liczba cykli
ładowania/rozładowania. Bardzo istotne
rysunek 14
informacje pokazuje rysunek 14
rysunek 14. Jak wi-
rysunek 14
rysunek 14
Rys. 14.
dać, trwałość ogromnie zależy od stop-
nia rozładowania. Jeśli mądry użytkow-
nik będzie ładował akumulator po jego
częściowym rozładowaniu, to trwałość
wyniesie ponad 1000 cykli. Przy rozłado-
waniu i ładowaniu, powiedzmy - nomi-
Rys. 15.
Rys. 13.
ELEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 10/96 71
Dodatnie Sprzężenie Zwrotne
Dodatnie Sprzężenie Zwrotne
Dodatnie Sprzężenie Zwrotne
Dodatnie Sprzężenie Zwrotne
Dodatnie Sprzężenie Zwrotne
nalnej (20-godzinnej) równej 6Ah. Jak wi-
dać rezystancja wewnętrzna z początko-
wej wartości 40m<234> rośnie do około
200m<234>. Przy akumulatorach o innej
pojemności wartość rezystancji zmienia
się odwrotnie proporcjonalnie do pojem-
ności.
Należy jednak mieć na uwadze, że ta
podawana często w katalogach rezys-
tancja wewnętrzna dotyczy prądu zmien-
nego. Dlatego nie ma sensu obliczanie
maksymalnego prądu stałego przez po-
dzielenie napięcia akumulatora (np. 12V)
przez tę rezystancję. A w ogóle wartość
prądu zwarciowego nie niesie jasnej in-
formacji o możliwościach akumulatora.
Przy określaniu pojemności, jaką musiał-
by mieć akumulator do konkretnego za-
stosowania, należy raczej skorzystać
Rys. 16.
z rysunku 1. Dodatkowe informacje po-
trzebne do dobrania właściwego akumu-
latora typu NP firmy YUASA zawarte są
rysunku 19
0,25C i ustawić napięcie 2,5V/ogniwo. na rysunku 19 - wystarczy znać pobór
rysunku 19
rysunku 19
rysunku 19
Jednak przy tak wysokim napięciu bufo- Inne ważne
prądu i czas, przez jaki ma on być pobie-
rowym, akumulator szybko straci pojem- rany. Na przykład jeśli komputerowy
charakterystyki
ność. UPS przez 10 minut pobierałby prąd
rysunku 17
Na rysunku 17 pokazano wykres
rysunku 17
rysunku 17
rysunku 17
Rozwiązaniem jest ładowanie dwu- o wartości 25A, należy zastosować aku-
umożliwiający orientacyjne ustalenie
stopniowe: Najpierw akumulator jest ła- mulator o pojemności 15Ah lub więk-
stopnia naładowania, przez pomiar na-
dowany prądem 0,25C. Gdy napięcie na szej. Na rysunku 19 pokazuje to punkt
pięcia akumulatora (bez obciążenia).
nim wzrośnie do wartości około oznaczony U. Należy zwrócić uwagę, że
Wykres powstał na podstawie licz-
2,45...2,5V/ogniwo, elektroniczny układ dla akumulatora o pojemności C = 15Ah
nych pomiarów i doświadczeń. W prak-
sterujący zmniejszy napięcie pracy urzą- jest to prąd 1,66C, i że dane z rysunku
tyce nie pozwala on do dokładne okreś-
dzenia ładującego do ok. 2,3V/ogniwo. 19 zgadzają się z rysunkiem 1. W prak-
lenie dostępnej pojemności, ponieważ
Po przełączeniu zasilacza na niższe na- tycznym zastosowaniu należy jeszcze
rozrzut napięć między poszczególnymi
pięcie, prąd gwałtownie spadnie do zera, uwzględnić minimalne napięcie, do jakie-
egzemplarzami jest dość znaczny i błąd
a potem po okresowym wzroście, ustali go można rozładować akumulator. W za-
oszacowania sięga 30%. Jednak po
się na bezpiecznej wartości rzędu 0,02C. stosowaniach, gdzie wymagany prąd
przeprowadzeniu kilku pomiarów z kon-
Przebieg napięcia i prądu ładowania po- jest większy niż 1C, warto stosować
kretnym egzemplarzem akumulatora,
rysunku 16
kazano na rysunku 16 akumulatory wersji NPH przeznaczone
rysunku 16.
rysunku 16
rysunku 16
można z dość dużą dokładnością ustalić
Do momentu przełączenia napięcia, do takich właśnie celów.
zależność napięcia (bez obciążenia) od
w akumulatorze zdąży się zgromadzić Podane informacje oparte są na mate-
stopnia rozładowania. Istotne informacje
około 80...90% pojemności nominalnej. riałach japońsko-brytyjskiej firmy YUA-
rysunek 18
zawiera również rysunek 18
rysunek 18, pokazujący
rysunek 18
rysunek 18
Jest to więc bardzo efektywny, szybki SA. Akumulatory tej firmy sprzedawane
zależność napięcia i rezystancji wewnęt-
i bezpieczny sposób ładowania akumula- są również w sieci handlowej AVT. Dane
rznej (mierzonej przy prądzie zmiennym
torów ołowiowych. Nie jest jednak popu- z wykresów są prawdziwe dla podob-
1kHz) od stopnia rozładowania akumula-
larny ze względu na większą złożoność nych szczelnych akumulatorów ołowio-
tora 12-woltowego o pojemności nomi-
aparatury ładującej, która musi zawierać wych innych wiodących firm.
układ progowy, zmieniający poziomy na-
pięcia ładowania. Ponadto nie powinien
być używany w systemach, gdzie aku-
mulator podczas ładowania jest połączo-
ny bezpośrednio z obciążeniem.
Rys. 18.
Rys. 17.
72 ELEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 10/96
Dodatnie Sprzężenie Zwrotne
Dodatnie Sprzężenie Zwrotne
Dodatnie Sprzężenie Zwrotne
Dodatnie Sprzężenie Zwrotne
Dodatnie Sprzężenie Zwrotne
Rys. 19.
Należy jednak pamiętać, że wszystkie obecności dzielnika R3, R4, P1 całkowity Układ przedstawiony na rysunku 20
podane informacje dotyczą akumulato- współczynnik cieplny napięcia wyjścio- zawiera 3-amperowy stabilizator LM350.
rów kwasowych. Inne rodzaje akumula- wego wynosi około -8mV/�C. Jest to tro- W układzie można zastosować dużo tań-
torów (w tym popularne kadmowo-niklo- chę więcej niż podawane wcześniej -3...- szą, popularną 1,5-amperową kostkę
we) mają zupełnie inne charakterystyki 5mV/�C - jak widać inne firmy podają nie- LM317. Oczywiście w każdym wypadku
i muszą być ładowane innymi metodami. co odmienne parametry ładowania. stabilizator powinien być umieszczony
O tym za miesiąc. Za pomocą potencjometru P1 należy na odpowiednim radiatorze. Również
rysunku 20
A na rysunku 20 możesz jeszcze zo- ustawić napięcie ładowania odpowied- tranzystor pomiarowy T1 dobrze byłoby
rysunku 20
rysunku 20
rysunku 20
baczyć prosty układ ładowarki akumula- nio do podanych wcześniej wskazówek: przykręcić do niewielkiej aluminiowej
torów ołowiowych 12V, proponowany przy pracy buforowej 13,5...13,8V, przy blaszki i umieścić jak najbliżej akumula-
przez firmę Linear Technology. Zapew- pracy cyklicznej 14,4...15,0V. Być może tora - jego zadaniem jest przecież dosto-
nia on ładowanie metodą stałego napię- dla uzyskania takiego zakresu regulacji sowanie napięcia ładowania do tempera-
cia, co jest rozwiązaniem lepszym, niż za pomocą potencjometru P1, trzeba bę- tury akumulatora.
układ progowy opisany w EP11/95. dzie skorygować wartość rezystora R4. Układ z rysunku 20 został zaczerpnię-
Dioda D2 zabezpiecza układ scalony
przed uszkodzeniem w wypadku zaniku
napięcia zasilającego. Podobnie tranzys-
tor T2 zabezpiecza przed rozładowaniem
akumulatora w obwodzie R1, R2, T1,
D1, T2. Przy braku napięcia na wejściu,
nie płynie przez rezystor R5 prąd bazy
tranzystora T2. Tranzystor T2 jest więc
zatkany; nie świeci także kontrolka łado-
wania - LED D1.
Napięcie ładowania jest wyznaczone
przez elementy R1, R2, T1, R3, R4 i P1.
W układzie zastosowano dość rozbudo-
wany układ regulacyjny z tranzystorem
T1, ale dzięki temu wartość napięcia wy-
jściowego jest zależna od temperatury
(porównaj rysunek 15). Napięcie złącza
baza-emiter tranzystora zmniejsza się
z temperaturą o około 2mV/�C. Wskutek Rys. 20.
ELEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 10/96 73
Dodatnie Sprzężenie Zwrotne
Dodatnie Sprzężenie Zwrotne
Dodatnie Sprzężenie Zwrotne
Dodatnie Sprzężenie Zwrotne
Dodatnie Sprzężenie Zwrotne
ty z literatury i nie był testowany w re-
dakcyjnym laboratorium. Jeśli Czytelnicy
EdW byliby zainteresowani ładowarką
akumulatorów ołowiowych, chętnie op-
racujemy i opublikujemy stosowny pro-
jekt. Czekamy także na listy z praktycz-
nymi doświadczeniami i opiniami na te-
mat akumulatorów ołowiowych.
(red)
(red)
(red)
(red)
(red)
* Napis na akumulatorach kadmowo-
niklowych 15HRS 70mA oznacza, że za-
leca się ładowanie ich prądem o wartoś-
ci 70mA przez 15 godzin (ang. hours).
74 ELEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 10/96