Regeneracja baterii

Garść informacji o ładowaniu, a właściwie o regeneracji zwykłych baterii. Opiszę tutaj kilka ogólnych zasad, oraz własne doświadczenia z regeneracją zużytych baterii. Znajdziesz również schemat prostego lecz sprawdzonego układu ładowarki.

Przedstawię pokrótce zapoznawanie się z procesem przywracania energii zużytym bateriom. Dawno, dawno temu za górami, za lasami, pomyślałem, że można by podładować płaską baterię 3R12. W tym celu podłączyłem ją pod dynamo od roweru (jako "+" przyjąłem kabelek przykręcany do dynama) i pedałowałem rowerem obróconym do góry kołami jak kolarz wyścigowiec. O dziwo wyczerpana bateria nieco działała. Był to dowód, że ładowanie baterii pomaga. Trzeba tylko wiedzieć czym i jak.

Po kilku latach, lecz również dawno, dawno temu natknąłem się na opis w jakiejś książce z różnymi układami elektronicznymi na artykuł o regeneracji baterii. Ogólne reguły opisane przez niektórych producentów baterii (np. Varta, Telefunken) opisywały że:

- Ogniwo nadmiernie zużyte nie nadaje się do regeneracji. Pierwsze dziury w kubku cynkowym powstają w ogniwie rozładowanym tak, że napięcie jest mniejsze niż 1,3V.

- Napięcie ogniwa podczas ładowania nie powinno być większe niż 1,7V

- Prąd ładowania powinien wynosić 1/4 do 1/3 wartości prądu wyładowania dopuszczalnego dla danego typu ogniwa.

- Czas regeneracji powinien być 4,5 ÷ 6 razy dłuższy niż czas wyładowania, ze względu na niewielką sprawność ładowania.

- Regenerowanie należy przeprowadzać zaraz po wyładowaniu, od tego zależy w dużym stopniu skuteczność regeneracji.

- Podczas wyładowania nie należy wykorzystywać więcej niż 10% nominalnej pojemności ogniwa.

- Ładowanie regeneracyjne zwiększa sumaryczną pojemność ogniwa trzykrotnie, czterokrotnie, według innych źródeł nawet dziesięciokrotnie czy dwudziestokrotnie.

- Lepsze skutki przynosi ładowanie asymetrycznym prądem zmiennym.

- Najważniejsze, że wszyscy autorzy są zgodni co do tego, że regenerowanie zwiększa żywotność ogniw.

No i jako uświadomiony człowiek ze schematem prostej ładowarki postanowiłem naładować bateryjki od zegarka elektronicznego. Po naładowaniu którejś z kolei zauważyłem, że jest ona jakaś grubsza niż przed ładowaniem. Więc wziąłem ją do ręki by się jej dokładnie przyjrzeć, ona pewnie też poczuła chęć bliskości i otwarcia się na świat. Bum i zawartość bateryjki wylądowała w oku, szybkie przepłukiwanie oka wodą na szczęście pomogło. Bateryjka wybuchła jakieś pięć minut po wyjęciu z ładowarki. Przeleżała te pięć minut na stole i nic, dopiero po położeniu na dłoni i zbliżeniu do oka eksplodowała. Wniosek jest taki. Przy niebezpiecznych eksperymentach na których się za bardzo nie znasz trzeba zachować szczególną ostrożność. W tym miejscu dodam, że wlutowanie zwykłego kondensatora elektrolitycznego w płytkę drukowaną odwrotnie z jego biegunowością, także może skończyć się wybuchem w najmniej oczekiwanym momencie podczas uruchamiania układu. Z pozoru prosta czynność, a jakże może mieć niebezpieczne skutki.

Mój kuzyn miał swego czasu ręczną ruską gierkę, w której rozładowały się baterie. Więc zrobiłem mu ładowarkę na kawałku laminatu z przykręconymi bolcami aluminiowymi, tak że można ją było włożyć bezpośrednio do gniazdka sieciowego. Był to układ zasilany bezpośrednio na 220V. Kilkakrotnie ładował on baterię i starczało to na kilka dni. Jednak pewnej niedzieli przed obiadem podczas wkładania ładowarki do gniazdka sieciowego bateria wybuchła i wylądowała w częściach na suficie. Ślady na suficie były okazałe. Kuzyn nie miał ochoty więcej ładować baterii.

Wnioski:

- Baterii rozładowanych nie ma sensu ładować bo i tak nie przyniesie to żadnego skutku.

- Baterii która starcza na bardzo długo też nie warto ładować bo po odliczeniu kosztów wykonania ładowarki zysk będzie znikomy lub poniesiemy stratę, lepiej kupić nową baterię do zegarka co rok za złotówkę czy dwie.

- Baterię należy ładować zanim wyciągniemy z niej 1/3 jej pojemności nominalnej.

- Baterię należy ładować jak najszybciej po rozładowaniu.

- Maksymalny prąd ładowania ogniwa lub baterii nie powinien być większy niż 1/10 jej pojemności nominalnej, czym mniejszy tym lepszy, ale nie ma sensu obliczać prądu do ładowania dłuższego niż 100 godzin.

- Należy władować nieco więcej niż się pobrało z baterii, podobnie jak w przypadku akumulatorków zasadowych.

- Opłaca się ładować drogie baterie np. 6F22 (popularna 9V w zegaro-budzikach) lub takie które się szybko rozładowuje i przez to często kupuje nowe.

No dobrze ale skąd się dowiedzieć jakie pojemności mają określone typy baterii, na żadnej baterii nie jest nic napisane o jej pojemności. Jest to ważne, bo z pojemności bierzemy wartość prądu ładowania regeneracyjnego. W przybliżeniu wartości pojemności popularnych baterii są podane w tabeli 1 poniżej oraz przybliżone prądy ładowania. Pojemności te są prawdziwe przy podanym prądzie rozładowania do napięcia końcowego 1V na ogniwo. Przy rozładowaniu do napięcia 1,2V i większym prądem pojemność może być znacznie mniejsza, lecz wartości prądu ładowania są nadal aktualne. Paluszki zwykłe zasilające latarkę i przy pracy przerywanej mogą mieć pojemność nawet czterokrotnie mniejszą, a przy pracy ciągłej jeszcze mniejszą. Jest to również zależne od producenta, ogólnie lepszy producent to i bateria lepszej jakości i bardziej trwała. Oczywiście do pracy w latarce należy stosować baterię alkaliczną. Podczas eksploatacji okaże się ona bardziej ekonomiczna nawet bez ładowania.

Ładowarka baterii

top

Opis układu

Na rysunku 1 znajduje się schemat tej prościutkiej ładowarki.

Wbrew pozorom dokładne obliczenie wartości rezystora R1 byłoby dość skomplikowane, ponieważ podczas ładowania prąd płynie przez baterię w sposób impulsowy, tylko przez część dodatniego półokresu. Kąt odcięcia prądu jest uzależniony od napięcia zasilającego prostownik, napięcia baterii i od średniej wartości prądu ładowania Io.

Nic nie stoi na przeszkodzie, aby ładowaniu regeneracyjnemu poddawać ogniwa połączone szeregowo w baterie, a więc, np. zestawy o napięciu 6V czy 9V, używane do zasilania odbiorników, magnetofonów, podsłuchów, latarek czy innych urządzeń. Jeżeli odbiornik bateryjny ma wbudowany zasilacz sieciowy, to można próbować wykorzystać ten zasilacz do regenerowania baterii, trzeba jednak pamiętać, aby dostarczał on właściwego napięcia i prądu.

Wartość rezystora R1 można obliczyć posługując się przybliżonym wzorem:

R1 = U2 − Uo / 2,2 ×× Io

W razie potrzeby można go skorygować, jeśli zmierzona wartość prądu ładowania znacznie by się różniła od założonej. Wartość rezystora R2 dobiera się 10 razy większą niż wartość rezystora R1, zapewniając tym samym asymetryczny przebieg prądu ładowania.

Ze względu na niezbędny margines bezpieczeństwa dopuszczalne napięcie wsteczne diody powinno być przynajmniej 2 razy większe niż napięcie wtórne U2 transformatora.

Napięcie wtórne transformatora powinno być z kolei przynajmniej dwukrotnie wyższe niż napięcie regenerowanej baterii; w takim bowiem przypadku, prąd ładowania w niewielkim stopniu tylko będzie zależał od stanu naładowania baterii. Łatwiej ustalić czas ładowania baterii, jeśli prąd ładowania ma stałą wartość. Układ można by dla uproszczenia zasilać wprost z sieci 220V z pominięciem transformatora. Naturalnie rezystor R1 musiałby mieć wtedy odpowiednio dużą wartość i obciążalność, a dioda D duże napięcie wsteczne, ok. 400V. Układ taki nie jest zalecany ze względu na niebezpieczeństwo porażenia osoby obsługującej. Wszystkie elementy układu, łącznie z baterią, mogą się znajdować na potencjale równym napięciu sieci.

Wartość elementów układu przedstawionego na rysunku 1 dobrano do regeneracji baterii złożonej z 6 ogniw typu R6, przyjmując natężenie prądu ładowania ok. 12 mA. Wykorzystano typowy transformatorek, tzw. dzwonkowy typ TD - 22/24V. Ten sam zasilacz można wykorzystać do ładowania zestawu zawierającego 7 akumulatorków Ni-Cd o pojemności 100 ÷ 200 mAh.

Można kupić gotowy zasilacz prądu zmiennego o napięciu 15 ÷ 30 V, lub zbudować go samemu. W tym celu kupujemy transformatorek najlepiej 4 W o napięciu wtórnym 15 ÷ 24 V, pod odpowiednim obciążeniem. Montujemy go w również kupionej obudowie wtyczkowej (jak popularne zasilacze) oraz metr czy dwa cienkiego przewodu dwużyłowego do głośników. Transformator od strony pierwotnej czyli tam gdzie podłącza się napięcie 220 V jest nawinięty cieńszym drutem. Uzwojenie wyjściowe zawiera mniej zwojów ale są one wykonane grubszym przewodem. Jest to widoczne gołym okiem. Należy zwrócić szczególną uwagę gdzie się podłącza wysokie napięcie sieci! Do uzwojenia wtórnego lutujemy nasz przewód, skręcamy obudowę i mamy już bezpieczny zasilacz. No chyba że jesteś mistrzem specjalistą i udało Ci się go wykonać w sposób zagrażający porażeniem podczas eksploatacji. Ten zasilacz można wykorzystać do ładowania nawet kilku zestawów jednocześnie, poprzez dołączone odpowiednie ładowarki.

Opisany układ można udoskonalić, włączając w szereg z diodą prostowniczą D diodę świecącą, która będzie przypominać, że zasilacz jest włączony. Dopuszczalny prąd przewodzenia wynosi w zależności od typu diody 20 ÷ 40 mA. Zasilacz dostarcza prądu ok. 12 mA, nie ma zatem niebezpieczeństwa przeciążenia diody. Zasilacz można, naturalnie, zaprojektować na większy prąd. Aby mieć sygnalizację procesu ładowania przy większym prądzie np. 50 mA należy diodę podłączyć według rysunku 2.

Nieco bardziej rozbudowany schemat zasilacza przedstawiono na rysunku 3. Układ ten w porównaniu z poprzednim zawiera dwie dodatkowe diody. Dioda Zenera D2 ogranicza napięcie ładowania baterii, natomiast dioda świecąca D3 sygnalizuje zakończenie procesu ładowania baterii. Gdy do zasilacza przyłączy się nienaładowaną baterię, napięcie na jej zaciskach jest mniejsze niż napięcie umożliwiające przewodzenie diod D2 i D3. W czasie ładowania napięcie baterii rośnie. Po osiągnięciu maksymalnej wartości napięcia, diody D2 i D3 zaczynają przewodzić, napięcie baterii przestaje wzrastać, większa część prądu Io płynie teraz przez diody D2 i D3. Nie ma zatem niebezpieczeństwa nadmiernego ładowania baterii, jeśli zapomni się ją odłączyć. Zaprojektowanie układu nie jest skomplikowane. Jako przykład mogą posłużyć obliczenia prostownika nadającego się do regenerowania baterii złożonych z 6 ogniw R14, R20 lub dwu płaskich baterii typu 3R12. Przyjęto następujące dane prostownika:

U2 = 24 V,

Io = 30 mA,

Uo = 9 V.

R1=24−9/2,2×0,03=220Ω R2=10×220=2200Ω

Maksymalne napięcie ładowania baterii złożonej z 6 ogniw wynosi: Uo = 6 × 1,7 = 10,2 V. Napięcie przewodzenia diody świecącej czerwono UD3 = 1,65 V, wobec tego napięcie robocze diody Zenera będzie

UD2 = Uo - UD3 = 10,2 − 1,65 = 8,55 V

Taką wartość napięcia diody Zenera mogą mieć diody typu C8V2 lub C9V1; trzeba wybrać odpowiedni egzemplarz.

W układzie należy zastosować diodę świecącą czerwono, ponieważ jej napięcie przewodzenia w minimalnym stopniu zależy od prądu przewodzenia.

W praktyce okaże się jednak, że to zabezpieczenie działa tylko w pierwszym czy drugim procesie regeneracji, gdyż później napięcie baterii spadnie i nie wzrośnie już do poziomu 1,7 V na ogniwo. Poza tym napięcie baterii jest zależne od temperatury otoczenia, w wyższej temperaturze jest wyższe napięcie. Koszt (dioda Zenera plus dioda LED) przekracza koszt pozostałych elementów. Kiedyś stosowałem taki układ, lecz stwierdziłem, że jest on mało przydatny i już go nie stosuję.

W obecnej chwili stosuję układy z rysunku 2. Dioda LED jest przydatna, bo sygnalizuje proces ładowania. Gdy świeci mamy pewność, że prąd przepływa przez ładowane ogniwo lub ich zestaw. Bez diody świecącej może się zdarzyć, że coś nie łączy, i bateria nie jest ładowana, a później jest zdziwienie, że ładowanie nie dało żadnego rezultatu.

Zasilacz możemy urozmaicić w przekaźnik, który będzie odłączał napięcie wyjściowe z zasilacza od ładowarki (ładowarek) i podłączonej do niego baterii. Przykładowe podłączenia przekaźnika ilustruje rysunek 4. Zapobiegnie to rozładowaniu baterii poprzez uzwojenie wtórne transformatora w razie zaniku napięcia w sieci. Wówczas można podłączać taki zasilacz pod wyłącznik czasowy, który po upływie np. 15 godzin przypadających o 3 w nocy wyłączy zasilanie transformatora, a przekaźnik w transformatorze odłączy baterie od zasilacza. Zamiast kupować wyłącznik czasowy (55 ÷ 200 zł) można zbudować i wykorzystać opisywany również w dziale "Elektronika/Inne" wyłącznik zwłoczny. Bardziej doświadczony elektronik może umieścić wyłącznik zwłoczny w listwie od przedłużacza lub bezpośrednio w obudowie zasilacza wtyczkowego. Można zamontować przełącznik wielopozycyjny by zmieniać czas po którym układ się wyłączy, maksymalnie do ok. 24 godzin. Jeszcze powrócę do obliczeń rezystorów. Aby trafniej obliczyć prąd, trzeba znać napięcie zasilacza. A napięcie to jest zależne od obciążenia transformatora. Mierzymy w tym celu napięcie wyjściowe transformatora. Obliczamy wartość rezystora który będzie symulował pobór prądu z zasilacza przez ładowane baterie i go podłączamy pod ten zasilacz. Następnie mierzymy napięcie zmienne na końcówkach rezystora. Zmierzone napięcie przyjmujemy jako napięcie do obliczeń naszego rezystora w ładowarce. Przykładowo obciążenie niektórych transformatorów prądem 100 mA może obniżyć ich napięcie nawet o 5 woltów lub jeszcze więcej. Obliczenia wykonane w takim przypadku na podstawie napięcia z nieobciążonego transformatora fałszują prąd ładowania. Może to być spora różnica pomiędzy wartością obliczoną, a tą rzeczywistą.

Przykład: Posiadam transformator bez żadnych oznaczeń. Po jego wielkości zakładam, że jest to transformator 4 watowy. Jego napięcie bez obciążenia wynosi 18 woltów. Po obliczeniu rezystorów do ładowarki na prąd 100 mA i napięcie zestawu baterii wynoszące 9 woltów, napięcie na transformatorze spadło do napięcia 13 woltów. W rezultacie czego prąd ładowania wyniósł zaledwie ok. 45 mA zamiast obliczonych 100 mA. Tak duża różnica wynikła również poprzez małą różnicę między napięciem zasilającym, a napięciem baterii. Dlatego napięcie transformatora powinno być przynajmniej dwukrotnie wyższe od napięcia ładowanych baterii. Optymalne napięcie zasilacza to 20 ÷ 24 V. Wykorzystanie bezpośrednio napięcia 220 V pozbawiło by nas tych problemów (ale przysporzyło innych o czym za chwilę). Wtedy przy obliczeniu rezystorów na prąd 10 mA, można by ładować taką ładowarką np. jedno ogniwo R6 jak również zestaw ośmiu połączonych szeregowo, czyli w sumie o napięciu 12 V. Prąd praktycznie nie uległ by większym zmianom i w zaokrągleniu dalej wynosił 10 mA. Przy wykorzystaniu bezpośrednio napięcia 220 V i prądzie ładowania 50 mA moc jaka się wytworzy na oporniku R1 to ponad 5 watów. Będzie się on grzał jak cholera, pobór prądu będzie nawet większy niż z wykorzystaniem transformatora. Ale co najważniejsze i najgorsze zarazem to, że układ bez transformatora jest niebezpieczny i może śmiertelnie porazić.

Niedawno natknąłem się na schemat (Rys. 5) też równie prosty. Zakłada on także ładowanie prądem zmiennym asymetrycznym (dużo plusa, mało minusa). Niemniej inaczej został rozwiązany przebieg prądu do baterii. Został tutaj rozdzielony prąd ładowania, od prądu rozładowania. Za pomocą jednego opornika ustalamy prąd ładowania, a za pomocą drugiego mniejszy prąd rozładowania. Jeżeli nie wspomniałem tego jeszcze, to warto nadmienić, że ten prąd rozładowujący pobudza nieco baterię. W rezultacie takie ładowanie jest bardziej sprawne niż ładowanie bez tego prądu. Osobiście testowałem ten układ połączeń, jednak jak już wspomniałem pozostaje przy układzie z rysunku 2.