Проблема повторного использования гальванических элементов питания давно волнует любителей электроники. В технической литературе неоднократно публиковались различные методы "оживления" элементов, но, как правило, они помогали только один раз, да и ожидаемой емкости не давали.
В результате экспериментов удалось определить оптимальные токовые режимы регенерации и разработать зарядные устройства, пригодные для большинства элементов. При этом они обретали первоначальную емкость, а иногда и несколько превосходящую ее.
Восстанавливать нужно элементы, а не батареи из них, поскольку даже один из последовательно соединенных элементов батареи, пришедший в негодность (разряженный ниже допустимого уровня) делает невозможным восстановление батареи.
Что касается процесса зарядки, то она должна проводиться асимметричным током с напряжением 2,4. 2,45 В. При меньшем напряжении регенерация весьма затягивается и элементы после 8. 10 часов не набирают и половинной емкости. При большем же напряжении нередки случаи вскипания элементов, и они приходят в негодность.
Перед началом зарядки элемента необходимо провести его диагностику, смысл которой состоит в определении способности элемента выдерживать определенную нагрузку. Для этого к элементу подключают вначале вольтметр и измеряют остаточное напряжение, которое не должно быть ниже 1 В. (Элемент с меньшим напряжением непригоден к регенерации.) Затем нагружают элемент на 1. 2 секунды резистором 10 Ом, и, если напряжение элемента упадет не более чем на 0,2 В, он пригоден к регенерации.
Электрическая схема зарядного устройства, приведенная на рис. 1 (предложил Б. И. Богомолов), рассчитана на зарядку одновременно шести элементов (G1. G6 типа 373, 316, 332, 343 и других аналогичных им).
Рис. 1
Самой ответственной деталью схемы является трансформатор Т1, так как напряжение во вторичной обмотке у него должно быть строго в пределах 2,4. 2,45 В независимо от количества подключенных к нему в качестве нагрузки регенерируемых элементов.
Если готового трансформатора с таким выходным напряжением найти не удастся, то можно приспособить уже имеющийся трансформатор мощностью не менее 3 Вт, намотав на нем дополнительно вторичную обмотку на нужное напряжение проводом марки ПЭЛ или ПЭВ диаметром 0,8. 1,2 мм. Соединительные провода между трансформатором и зарядными цепями должны быть возможно большего сечения.
Продолжительность регенерации 4. 5, а иногда и 8 часов. Периодически тот или иной элемент надо вынимать из блока и проверять его по методике, приведенной выше для диагностики элементов, а можно следить с помощью вольтметра за напряжением на заряжаемых элементах и, как только оно достигнет 1,8. 1,9 В, регенерацию прекратить, иначе элемент может перезарядиться и выйти из строя. Аналогично поступают в случае нагрева какого-либо элемента.
Лучше всего восстанавливаются элементы, работающие в детских игрушках, если ставить их на регенерацию сразу же после разряда. Причем такие элементы, особенно с цинковыми стаканами, допускают многоразовую регенерацию. Несколько хуже ведут себя современные элементы в металлическом корпусе.
В любом случае, главное для регенерации не допускать глубокого разряда элемента и вовремя ставить его на подзарядку, так что не спешите выбрасывать отработанные гальванические элементы.
Вторая схема (рис. 2) использует тот же принцип подзарядки элементов пульсирующим ассимметричным электрическим током. Она предложена С. Глазовым и проще в изготовлении, так как позволяет использовать любой трансформатор с обмоткой, имеющей напряжение 6,3 В. Лампа накаливания HL1 (6,3 В; 0,22 А) выполняет не только сигнальные функции, но и ограничивает зарядный ток элемента, а также предохраняет трансформатор в случае коротких замыканий в цепи зарядки.
Рис. 2
Стабилитрон VD1 типа КС119А ограничивает напряжение заряда элемента. Он может быть заменен набором из последовательно включенных диодов — двух кремниевых и одного германиевого — с допустимым током не менее 100 мА. Диоды VD2 и VD3 — любые кремниевые с тем же допустимым средним током, например КД102А, КД212А.
Емкость конденсатора С1 — от 3 до 5 мкФ на рабочее напряжение не менее 16В. Цепь из переключателя SA1 и контрольных гнезд Х1, Х2 для подключения вольтметра. Резистор R1 — 10 Ом и кнопка SB1 служат для диагностики элемента G1 и контроля его состояния до и после регенерации.
Нормальному состоянию соответствует напряжение не менее 1,4 В и его уменьшение при подключении нагрузки не более чем на 0,2 В.
О степени заряженности элемента можно также судить по яркости свечения лампы HL1. До подключения элемента она светится примерно в полнакала. При подключении разряженного элемента яркость свечения заметно увеличивается, а в конце цикла зарядки подключение и отключение элемента почти не вызывает изменения яркости.
При подзарядке элементов типа СЦ-30, СЦ-21 и других (для наручных часов) необходимо последовательно с элементом включать резистор на 300. 500 Ом. Элементы батареи типа 336 и других заряжаются поочередно. Для доступа к каждому из них нужно вскрыть картонное донышко батареи.
Рис.3
Если требуется восстановить заряд только у элементов питания серии СЦ, схему для регенерации можно упростить, исключив трансформатор (рис. 3).
Работает схема аналогично вышеприведенным. Зарядный ток (1зар) элемента G1 протекает через элементы VD1, R1 в момент положительной полуволны сетевого напряжения. Величина Iзар зависит от величины R1. В момент отрицательной полуволны диод VD1 закрыт и разряд идет по цепи VD2, R2. Соотношение Iзар и Iразр выбрано 10:1. У каждого типа элемента серии СЦ своя емкость, но известно, что величина зарядного тока должна составлять примерно десятую часть от электрической емкости элемента питания. Например, для СЦ-21 — емкость 38 мА-ч (Iзар=3,8 мА, Iразр=0,38 мА), для СЦ-59 — емкость 30 мА-ч (Iзар=3 мА, Iразр=0,3 мА). На схеме указаны номиналы резисторов для регенерации элементов СЦ-59 и СЦ-21, а для других типов их легко определить, воспользовавшись соотношениями: R1=220/2·lзap, R2=0,1·R1.
Установленный в схеме стабилитрон VD3 в работе зарядного устройства участия не принимает, но выполняет функцию защитного устройства от поражения электрическим током — при отключенном элементе G1 на контактах Х2, ХЗ напряжение не сможет возрасти больше, чем уровень стабилизации. Стабилитрон КС175 подойдет с любой последней буквой в обозначении или же может быть заменен двумя стабилитронами типа Д814А, включенными последовательно навстречу друг другу ("плюс" к "плюсу"). В качестве диодов VD1, VD2 подойдут любые с рабочим обратным напряжением не менее 400 В.
Рис. 4
Время регенерации элементов составляет 6. 10 часов. Сразу после регенерации напряжение на элементе будет немного превышать паспортную величину, но через несколько часов установится номинальное — 1,5 В.
Восстанавливать таким образом элементы СЦ удается три-четыре раза, если их ставить вовремя на подзарядку, не допуская полного разряда (ниже 1В).
Аналогичный принцип работы имеет схема, показанная на рис. 4. Она в особых пояснениях не нуждается.
Зарядное устройство для алкалиновых батареек
"Сели" батарейки, и как всегда ─ не вовремя :- (, скорее всего, у каждого, имеющего дело с мобильными устройствами, возникала такая проблема. Что многие в таком случае делают: выбрасывают отработанный источник питания, покупают новый, и история повторяется.
Наверное, многие слышали о таком процессе, как регенерация батареек, т. е, восстановление, повторная зарядка. Давайте рассмотрим устройство для зарядки алкалиновых батареек и разберемся каккие батарейки стоит заряжать, а какие, все-таки, можно выбросить.
Схема довольно тривиальна. Стабилизатор напряжения снижает напряжение питания (которое может быть взято от автомобильного аккумулятора) до 5 В. Дополнительный регулируемый стабилизатор напряжения на транзисторах снижает напряжение до значения напряжения регенерации 1,95 В. Причина использования двух уровней напряжения -распределить выделение тепла более равномерно, и получение более стабильного напряжения. Но если ваш блок питания выдает стабильные 4 ─ 6 В, стабилизатор на 7805 можно не использовать.
Рис. 1 Устройство для зарядки батареек
Симметричный мультивибратор на транзисторах VT1, VT2 генерирует импульсы частотой 10 Гц. Этот сигнал подается на транзисторные ключи. Т. о, батарейки в данной схеме заряжаются импульсным током. В некоторых публикациях рекомендуется заряд чередовать с разрядом батарейки на нагрузку. Но практика показывает, что достаточно дать батарейке просто "расслабиться" после импульса заряда, это и делает данная схема.
Так что же делать, регенерировать или выбросить?
Не перезаряжайте батарейки, если:
- батарея глубоко разряжается ниже 0,8 В
- батарейке более 3 лет
- присутствуют следы утечки электролита или контакты сильно проржавели
- крышка в сторону минуса вздута, что указывая на внутреннее давление
- батарея длиннее, чем прежде (предполагается, что вы измерили её)))
Восстанавливайте батарейку, если:
- уровень напряжения составляет от 1,0 до 1,4 В
- батарейке меньше, чем 1-2 года
- это высококачественная батарейка, как правило, известного производителя и имеет высокую цену
- минусовая сторона не имеет ни малейшего следа протечки электролита
Использовать или нет перезаряженные батарейки, личный выбор каждого, но повторно я их использую в недорогих устройствах: фонарике, радиоприемнике, зарядке для мобильника, в настенных часах.
Обзор напряжений
- 1,5 В -Номинальный напряжение для цинковых и алкалиновых элементов
- 1,56 В — Типичное напряжение для новой батарейки
- 1,6 В — Буферизация батарейки начинается, но регенерация еще не началась
- 1,65 В — Типичное напряжение буферизации, начало регенерации
- 1,70 В — Восстановление происходит, но батарейка заряжена не полностью
- 1,75 В — Правильный уровень напряжения для восстановленных батареек.
- 1,80 В- Очень высокое напряжение, высоким риском утечки.
- 1,85 В- Скорее всего батарейка повреждена
Сколько длится регенерация?
Это зависит от состояния батареи и её возраста . Вот почему мы не можем так легко определить критерии остановки заряда, как это, к примеру, с NiMH элементами.
Все определяется экспериментально: восстановление может продолжается 6 часов до повышения напряжения до 1,7 В, а может за 3 часа, и за это время напряжение поднимется до 1,75 В, все индивидуально.
После нескольких экспериментов, чтобы автоматизировать процесс, вы можете использовать самодельное или покупное реле времени.
Только что восстановленные батарейки имеют повышенное напряжение, поэтому их необходимо немного разрядить, подключив на несколько минут лампочку. Когда напряжение снизится до 1,65 В, батарейка отправляется на карантин, т. е. они должны полежать. Автор хранит их на салфетке в пластиковом лотке. Это делается на случай возможной утечки электролита из батарейки.
Как часто я могу восстановить батарейки?
Обычно батарейку заряжают 5 раз. Чем старше батарея, и чем чаще она была регенерирована, тем меньше она может отдать энергии нагрузке.
Можно ли батарейка взорвать?
Нет. Хуже, что может произойти в случае перезаряда, это то, что поверхность минусового электрода вздуется, и электролит начнет выливаться.
Профилактические мероприятия против возможной утечки
Можно обернуть батарейку в районе отрицательного полюса отрезком туалетной бумаги или ткани, силиконовая смазка контактов и дополнительная ткань в батарейном отсеке зарядного устройства.
Использование обыкновенных батареек невыгодно, так как их ресурс работы очень сильно ограничен. Поэтому практичнее воспользоваться аккумуляторами. Их достоинство в неоднократном применении при условии правильного обращения с ними. Прежде всего, это связано с условиями их подзарядки. Аккумуляторы, отдавая накопленную энергию устройствам, периодически сами нуждаются в зарядке. Для этого и служат зарядные устройства для батареек.
История возникновения зарядных приборов
Открытие гальванического электричества привело к созданию первого прототипа аккумуляторных батарей. В 1798 году итальянский физик Алессандро Вольта провёл эксперимент, заключающийся в помещении последовательно подключённых пластин из меди и цинка в кислотный раствор. Он обнаружил, что при пропускании тока по пластинам после его прерывания на них сохранялся остаточный заряд. В последующее время этими экспериментами заинтересовались Готеро, Марианини, Беккерель. Но только в 1859 году Планте создал по-настоящему первый аккумулятор.
В основе его опыта использовались полоски из свинца с проложенным между ними кусочком материи. Затем он скатывал полоски и погружал их подкисленную воду. Подавая и снимая ток, он получал на них разность потенциалов, то есть накопление элементом ёмкости. Дальнейшее развитие привело к тому, что при покрытии пластин окислами свинца улучшилось формирование активного слоя.
В 1896 году американская компания National Carbon Company (NCC) первая в мире начинает выпуск батарей. Сегодня она известна под именем Energizer. Вначале 1901 года учёный Томас Эдисон запатентовал никель-кадмиевый тип батарей. В то же время Вальдмар Юнгнер разрабатывает никель-железный тип, называемый щелочным аккумулятором. Щелочные батареи находят применение в транспорте и на электростанциях. Параллельно с развитием аккумуляторов развиваются и технологии восстановления заряда.
Типы аккумуляторов и их особенности
В зависимости от технологии изготовления аккумуляторных батарей (АКБ) применяются и различные методы заряда. В первую очередь это зависит от химических процессов, проходящих внутри элементов батареек. Используя одинаковый принцип работы, аккумуляторы разделяются по материалам изготовления и химическим процессам, проходящим в них.
При этом важно для многих типов не допускать перезаряда или доводить их до состояния глубокого разряда.
Какие батарейки можно заряжать в зарядном устройстве, определить несложно по маркировке. На предназначенных для перезарядов указывается их ёмкость в Ah и номинальное напряжение. Главное отличие заключается в химической реакции: для аккумуляторов она обратима, а для обычных батареек, таких как «таблетка», нет. Аккумуляторы разделяются по следующим типам:
Никель-кадмиевые (Ni-Cd). Были разработаны в 1899 году. Их технология производства была далеко не идеальна, пока в 1947 году не создали элемент с возможностью аннигиляции газов, появляющихся в процессе подзаряда. Такие аккумуляторы не испытывают проблем при заряде в ускоренном режиме. Батарейки обладают высокой нагрузочной способностью, невысокой ценой, надёжностью и морозостойкостью. Хранить АКБ возможно при любой степени заряда. Из недостатков этого типа выделяют: наличие эффекта памяти, токсичность, низкую плотность энергии, скорость саморазряда. В настоящее время в бытовых целях практически не используются из-за своей токсичности.- Литий-ионный (Li-Ion). Первый такого типа аккумулятор был выпущен в начале 90-х годов корпорацией Sony. Характеризуются высокой энергетической ёмкостью, низким значением саморазряда. Количество циклов заряд-разряд превышает тысячу раз. Первого поколения аккумуляторы из-за применения в качестве анода металлического лития обладали способностью к воспламенению или взрыву в условиях перезаряда и не выдерживали многократные циклы подзаряда. Замена анода на графит полностью устранила проблему. Такие аккумуляторы не любят перегрева и глубокого разряда.
- Никель-металл-гидридные (Ni-Mh). В 1984 году использование химического соединения La-Ni-Co позволило поглощать водород на протяжении более 100 циклов, что привело к возможности увеличения циклов заряд разряд до 1 тыс. раз. Устройство для восстановления энергии такого типа контролирует окончание заряда и обеспечивает плавность подзарядки.
- Литий-полимерный (LiPol). Такого типа аккумулятор разрабатывался для замены Li-Ion первого поколения. В основе работы используется принцип перехода полимеров в полупроводниковое состояние при взаимодействии с ионами. Современные LiPol батареи выполняются произвольной формы с толщиной начиная от одного миллиметра. Эффект памяти отсутствует, поэтому не требуют предварительной разрядки перед зарядом. Для устранения перегрева при зарядке в состав элемента питания входит контроллер, контролирующий все процессы, происходящие при восстановлении ёмкости.
- Гелиевые батареи. Имеющие малое количества циклов заряд-разряд, характеризуются низким саморазрядом. Выпускаются по технологии AMG и GEL с электролитом, находящимся в связанном виде. При восстановлении энергии требуют 10% от номинальной ёмкости АКБ. При заряде, как и для Li-Ion элементов, первостепенное значение имеет контроль нагрева. Для гелиевых батарей нагрев связан с переходом гелия в жидкое состояние и полная неработоспособность устройства, поэтому без контроля их заряжать нельзя.
- Свинцово-кислотное устройство накопления энергии было разработано в 1859 году. Элемент энергии представляет собой решётчатую пластину из свинца, покрытую активным материалом и погруженной в электролит. Батарея практически не имеет саморазряда, но её характеристики сильно зависят от окружающей температуры. Обладает эффектом памяти, поэтому ЗУ должно перед зарядом разрядить элемент питания до минимально возможного уровня, а после зарядить. Сами батареи не любят глубокого разряда и при нём очень быстро деградируют.
Хотя на самом деле при ответе на вопрос можно ли заряжать алкалиновые батарейки, следует формально сказать, что да. Это связано с тем, что и в них тоже происходят химические процессы, пусть даже необратимые, но позволяющие накапливать ёмкость. Тут учитывается то, что заряд, накапливаясь, с большой скоростью приводит к быстрому нагреванию батарейки. Поэтому не следует их заряжать более 10−15 минут, при этом желательно контролировать поверхность на нагрев, а приложенное напряжение не должно превышать номинальное.
Таким образом, используемые зарядные устройства должны не допускать перезаряда батареек, контролировать температуру и иметь возможность бороться с так называемым эффектом памяти. Производители предлагают как универсальные приборы, подходящие для всех типов батарей, так и индивидуальные. Основное требование, предъявляемое к устройству — обеспечение безопасного и правильного процесса зарядки.
Методы зарядки
Перед тем как зарядить батарейку пальчиковую в домашних условиях, желательно знать, какой тип контроля зарядного прибора понадобится использовать. Применяют два метода контроля заряда:
Первый способ применяется для NiCd и NiMh аккумуляторных батарей, а второй для свинцово-кислотных, LiIon и LiPol батарей. Автоматические ЗУ для аккумуляторов, использующие специализированные микроконтроллеры, позволяют правильно подзарядить любой тип элементов энергии, и контролируют этапы восстановления энергии.
ЗУ с контролем тока
Такие устройства называют гальваностатическими. Главным параметром ЗУ является значение тока батареи. Правильно перезарядить аккумулятор и не ухудшить его характеристики получится при подборе величины тока и скорости заряда. Для того чтоб определить значения тока, используется равенство I= 0,1C, где C- ёмкость батарейки. Почему не рекомендуется использовать большее значение, нетрудно понять, представляя химические процессы, проходящие в гальванических устройствах. Кроме этого, во-первых, это повышенный нагрев, а во-вторых, присутствующий эффект памяти.
Для избегания саморазряда обычно ЗУ в конце заряда переключаются на режим подзаряда малым током.
Но для щелочных аккумуляторов такой способ неприемлем, поэтому перезаряжать их в таком режиме нельзя. Для таких типов применяется способ прекращения заряда, когда ток не меняется в течение нескольких часов.
Способ контролирования напряжения
Вид работы основан на потенциостатическом режиме отключающий процесс заряда при достижении определённого напряжения. Для такого типа ЗУ используются различные скорости заряда. Для никель-кадмиевых и никель-металл-гидридных используют три скорости заряда: долгий (0,1С), быстрый (0,3С) и сверхбыстрый (1С). В процессе заряда сила тока уменьшается, а напряжение на выводах батарейки приближается к напряжению ЗУ. Считается, что таким методом невозможно полностью зарядить батарею.
Характеристики зарядных устройств
В магазинах встречаются разнообразные устройства, применяемые для заряда в различной ценовой категории. Они бывают простыми, настроенными на определённый ток заряда, или что предпочтительнее, интеллектуальными. К выбору ЗУ стоит отнестись серьёзно, так как от этого напрямую зависит срок эксплуатации аккумуляторов. Некачественные приборы заряда приводят к быстрому снижению ёмкости. При выборе зарядного устройства для пальчиковых батареек обращается внимание на следующие параметры:
Каналы заряда. Характеризуют возможность заряжать одновременно несколько батареек. При этом существуют устройства, позволяющие управлять процессом заряда каждой батарейки независимо.- Ток заряда. Хорошее зарядное позволяет регулировать ток заряда. Это может быть как в автоматическом, так и ручном режиме. При этом для уменьшения саморазряда по завершении этапов восстановления ёмкости, используется режим импульсного заряда. Такой режим ещё называется капельным.
- Интеллектуальность устройства. Минимально, что должно выполнять ЗУ, это прекращать зарядку при достижении батарейкой своего номинального значения ёмкости. При этом для устранения эффекта памяти, присущий Ni-Cd аккумуляторам, прибор заряда должен иметь функцию разряда, перед началом цикла зарядки. Некоторые устройства, использующие сложные микропроцессоры, определяют автоматически параметры заряда и восстанавливают ёмкость путём последовательности циклов разряд/заряд.
- Типоразмер. Приборы заряда могут быть предназначенные только для одного размера батареек, например, ААА или «Крона», или совмещать несколько размеров сразу.
- Защита. При заряде важно контролировать весь процесс. Зарядное устройство снабжается защитой от короткого замыкания и всплесков напряжения на входе и выходе, а также датчиком контроля от перегрева аккумулятора.
- Время заряда. В самых несложных зарядных устройствах применяются стандартные настройки, устанавливающие выключение заряда через десять часов. Но это в корне неправильно, так как время зарядки аккумуляторных батареек в первую очередь зависит от тока заряда. Например, для того чтоб рассчитать самостоятельно как долго понадобится заряжать батарейку с ёмкостью 1600 мА/ч, при токе заряда 400 мА, можно воспользоваться формулой C/Iзар. Для рассматриваемого случая время составит четыре часа.
- Индикация. Наиболее удобными будут устройства, имеющие в своём составе графические индикаторы, отображающие наглядно все этапы работы. Но наряду с ними в устройствах используется и светодиодная индикация.
При выборе часто путается автоматическая зарядка с интеллектуальной. Разница заключается в том, что первого типа отключает процесс заряда после достижения на клеммах аккумулятора требуемого значения напряжения. А второго типа предназначена не только для непосредственного заряда, но и для восстановления ёмкости аккумуляторов. Такие устройства при включении измеряют ёмкость батарейки и пытаются, проводя циклы тренировки, привести их характеристики к начальным параметрам.
Наиболее популярные из них следующие
- Panasonic Eneloop BQ-CC17;
- Technoline BC 700;
- La-Crosse BC-1000;
- Opus BT C3100.
Эти устройства являются универсальными, позволяя заряжаться различным типам батареек, и имеют несколько независимых каналов. Весь процесс сводится к установке аккумулятора в зарядное приспособление и его включения.