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