Jak jsou nabíječky baterií navrženy a fungují » Informace pro elektrikáře

V elektrotechnice se baterie obvykle nazývají zdroje chemického proudu, které mohou doplňovat a obnovovat spotřebovanou energii aplikací vnějšího elektrického pole.

Zařízení, která dodávají elektřinu deskám baterie, se nazývají nabíječky: uvádějí zdroj proudu do funkčního stavu a nabíjejí jej. Pro správné fungování baterií musíte pochopit principy jejich fungování a nabíječky.

Obsah článku

Jak funguje baterie?
Vybití baterie
Nabíjení baterie
Jak funguje nabíječka?
Nabíjecí struktury pro mobilní elektronická zařízení
Nabíjecí konstrukce pro autobaterie
Aktuální formuláře nabíječky baterií
Principy tvorby obvodů pro nabíječky
Nabíjecí obvody s transformátorovým oddělením
Obvody s elektronickým transformátorem
Nabíjecí obvody bez oddělení transformátoru

Jak funguje baterie?

Během provozu může zdroj chemického recirkulovaného proudu:

1. napájet připojenou zátěž, např. žárovku, motor, mobilní telefon a další zařízení, spotřebovávat její zásobu elektrické energie;

2. spotřebovávat externí elektřinu k němu připojenou a vynakládat ji na obnovení kapacitní rezervy.

V prvním případě se baterie vybije a ve druhém se nabije. Existuje mnoho konstrukcí baterií, ale principy jejich fungování jsou běžné. Podívejme se na tuto problematiku na příkladu nikl-kadmiových desek umístěných v roztoku elektrolytu.

Vybití baterie

Dva elektrické obvody pracují současně:

1. externí, připojené k výstupním svorkám;

Při vybití žárovky protéká ve vnějším obvodu drátů a vlákna proud, který vzniká pohybem elektronů v kovech, a ve vnitřní části se elektrolytem pohybují anionty a kationty.

Oxidy niklu s přidaným grafitem tvoří základ kladně nabité desky a na záporné elektrodě je použita kadmiová houba.

Při vybití baterie se část aktivního kyslíku oxidů niklu přesune do elektrolytu a přesune se na desku s kadmiem, kde jej zoxiduje, čímž se sníží celková kapacita.

Nabíjení baterie

Pro nabíjení se zátěž nejčastěji odebírá z výstupních svorek, i když v praxi se tento způsob používá s připojenou zátěží, např. na baterii jedoucího auta nebo nabitého mobilního telefonu, na kterém probíhá konverzace.

Svorky baterie jsou napájeny napětím z externího zdroje vyššího výkonu. Má vzhled konstantního nebo vyhlazeného, pulzujícího tvaru, přesahuje potenciálový rozdíl mezi elektrodami a je s nimi nasměrován unipolární.

Tato energie způsobí, že vnitřním obvodem baterie protéká proud ve směru opačném k vybití, kdy jsou částice aktivního kyslíku „vytlačeny“ z kadmiové houby a přes elektrolyt se dostanou na své původní místo. Díky tomu se obnoví vyčerpaná kapacita.

Během nabíjení a vybíjení se mění chemické složení desek a elektrolyt slouží jako přenosové médium pro průchod aniontů a kationtů. Intenzita procházejícího elektrického proudu ve vnitřním obvodu ovlivňuje rychlost obnovy vlastností desek při nabíjení a rychlost vybíjení.

Zrychlené procesy vedou k rychlému uvolňování plynů a nadměrnému zahřívání, které může deformovat strukturu desek a narušit jejich mechanický stav.

Příliš nízké nabíjecí proudy výrazně prodlužují dobu obnovy využité kapacity. Při častém používání pomalého nabíjení se zvyšuje sulfatace desek a snižuje se kapacita. Pro vytvoření optimálního režimu se proto vždy bere v úvahu zatížení baterie a výkon nabíječky.

Přečtěte si více

Halucinogenní houby: účinky a důsledky užívání | Škodlivost, účinek, předávkování houbami

Jak funguje nabíječka?

Moderní řada baterií je poměrně rozsáhlá. Pro každý model jsou vybrány optimální technologie, které nemusí být vhodné nebo mohou být škodlivé pro ostatní. Výrobci elektronických a elektrických zařízení experimentálně studují provozní podmínky chemických zdrojů proudu a vytvářejí pro ně vlastní produkty, které se liší vzhledem, designem a výstupními elektrickými charakteristikami.

Nabíjecí struktury pro mobilní elektronická zařízení

Rozměry nabíječek pro mobilní produkty různého výkonu se od sebe výrazně liší. Vytvářejí speciální provozní podmínky pro každý model.

I pro baterie stejného typu AA nebo AAA velikosti různých kapacit se doporučuje použít vlastní dobu nabíjení v závislosti na kapacitě a vlastnostech zdroje proudu. Jeho hodnoty jsou uvedeny v průvodní technické dokumentaci.

Určitá část nabíječek a baterií pro mobilní telefony je vybavena automatickou ochranou, která po dokončení procesu vypne napájení. Sledování jejich práce by však mělo být stále prováděno vizuálně.

Nabíjecí konstrukce pro autobaterie

Technologie nabíjení by měla být dodržována zvláště přesně při použití autobaterií určených pro provoz ve ztížených podmínkách. Například v chladných zimách je třeba je použít k roztočení studeného rotoru spalovacího motoru se zahuštěným mazivem prostřednictvím vloženého elektromotoru – startéru.

Vybité nebo nevhodně připravené baterie tento úkol obvykle nezvládají.

Empirické metody odhalily vztah mezi nabíjecím proudem pro olověné a alkalické baterie. Obecně se uznává, že optimální hodnota nabití (ampér) je 0,1 hodnoty kapacity (ampérhodin) pro první typ a 0,25 pro druhý typ.

Baterie má například kapacitu 25 ampérhodin. Pokud je kyselý, musí být nabit proudem 0,1∙25 = 2,5 A a pro alkalický – 0,25∙25 = 6,25 A. K vytvoření takových podmínek budete muset použít různá zařízení nebo použít jedno univerzální s velké množství funkcí.

Moderní nabíječka pro olověné akumulátory musí podporovat řadu úkolů:

řídit a stabilizovat nabíjecí proud;
vzít v úvahu teplotu elektrolytu a zabránit jeho zahřátí o více než 45 stupňů zastavením napájení.

Schopnost provádět kontrolní a tréninkový cyklus pro kyselinovou baterii automobilu pomocí nabíječky je nezbytnou funkcí, která zahrnuje tři fáze:

1. plně nabijte baterii pro dosažení maximální kapacity;

2. desetihodinový výboj proudem 9÷10 % jmenovité kapacity (empirická závislost);

3. dobijte vybitou baterii.

Při provádění CTC se sleduje změna hustoty elektrolytu a doba dokončení druhého stupně. Jeho hodnota se používá k posouzení stupně opotřebení desek a doby zbývající životnosti.

Nabíječky pro alkalické baterie lze použít i v méně složitých provedeních, protože takové zdroje proudu nejsou tak citlivé na podmínky podbití a přebití.

Graf optimálního nabití acidobazických baterií pro automobily ukazuje závislost zesílení kapacity na tvaru změny proudu ve vnitřním obvodu.

Na začátku procesu nabíjení se doporučuje udržovat proud na maximální přípustné hodnotě a poté snížit jeho hodnotu na minimum pro konečné dokončení fyzikálně-chemických reakcí, které obnovují kapacitu.

Přečtěte si více

MRI sedacího nervu: co to ukazuje? Jak vypadá sedací nerv na MRI?

I v tomto případě je nutné kontrolovat teplotu elektrolytu a zavádět korekce pro okolí.

Úplné dokončení nabíjecího cyklu olověných baterií je řízeno:

obnovte napětí na každé bance na 2,5÷2,6 voltů;
dosažení maximální hustoty elektrolytu, která se přestává měnit;
tvorba prudkého vývinu plynu, když se elektrolyt začne „vařit“;
dosažení kapacity baterie přesahující o 15÷20 % hodnotu udávanou při vybíjení.

Aktuální formuláře nabíječky baterií

Podmínkou nabíjení baterie je, že na její desky musí být přivedeno napětí, které vytváří proud ve vnitřním obvodu v určitém směru. Může:

1. mít konstantní hodnotu;

2. nebo se časem mění podle určitého zákona.

V prvním případě probíhají fyzikálně-chemické procesy vnitřního okruhu beze změny a ve druhém podle navržených algoritmů s cyklickým zvyšováním a snižováním, což vytváří oscilační účinky na anionty a kationty. Nejnovější verze technologie se používá k boji proti sulfataci desek.

Některé časové závislosti nabíjecího proudu jsou znázorněny grafy.

Na pravém dolním obrázku je patrný rozdíl ve tvaru výstupního proudu nabíječe, který pomocí tyristorového řízení omezuje otevírací moment půlcyklu sinusovky. Díky tomu je regulováno zatížení elektrického obvodu.

Přirozeně, mnoho moderních nabíječek může vytvářet jiné formy proudů, které nejsou znázorněny v tomto diagramu.

Principy tvorby obvodů pro nabíječky

K napájení nabíječky se obvykle používá jednofázová 220 voltová síť. Toto napětí je přeměněno na bezpečné nízké napětí, které je přiváděno na vstupní svorky baterie prostřednictvím různých elektronických a polovodičových částí.

Existují tři schémata pro převod průmyslového sinusového napětí v nabíječkách kvůli:

1. použití elektromechanických transformátorů napětí pracujících na principu elektromagnetické indukce;

2. použití elektronických transformátorů;

3. bez použití transformátorových zařízení založených na děličích napětí.

Technicky možná je konverze napětí invertoru, která se stala široce používanou pro invertorové svařovací stroje a frekvenční měniče, které řídí elektromotory. Ale pro nabíjení baterií je to poměrně drahé zařízení.

Nabíjecí obvody s transformátorovým oddělením

Elektromagnetický princip přenosu elektrické energie z primárního vinutí 220 voltů do sekundárního zcela zajišťuje oddělení potenciálů napájecího obvodu od spotřebovaného, eliminuje jeho kontakt s baterií a poškození při poruchách izolace. Tato metoda je nejbezpečnější.

Výkonové obvody zařízení s transformátorem mají mnoho různých provedení. Níže uvedený obrázek ukazuje tři principy pro vytváření různých proudů výkonových částí z nabíječek pomocí:

1. diodový můstek s kondenzátorem vyhlazujícím zvlnění;

2. diodový můstek bez vyhlazování zvlnění;

3. jediná dioda, která odřízne zápornou půlvlnu.

Každý z těchto obvodů lze použít samostatně, ale většinou je jeden z nich základem, základem pro vytvoření jiného, z hlediska výstupního proudu pohodlnějšího pro obsluhu a ovládání.

Použití sad výkonových tranzistorů s řídicími obvody v horní části obrázku ve schématu umožňuje snížit výstupní napětí na výstupních kontaktech obvodu nabíječky, což zajišťuje regulaci velikosti stejnosměrných proudů procházejících připojenými bateriemi .

Jedna z možností takového provedení nabíječky s regulací proudu je na obrázku níže.

Přečtěte si více

Výroba sena vlastníma rukama: tipy a doporučení

Stejná zapojení ve druhém okruhu umožňují regulovat amplitudu zvlnění a omezovat ji v různých fázích nabíjení.

Stejný průměrný obvod funguje efektivně při nahrazení dvou protilehlých diod v diodovém můstku tyristory, které rovnoměrně regulují sílu proudu v každém střídavém půlcyklu. A odstranění záporných semiharmonik je přiřazeno zbývajícím výkonovým diodám.

Náhrada jediné diody na spodním obrázku za polovodičový tyristor se samostatným elektronickým obvodem pro řídící elektrodu umožňuje snížit proudové impulsy z důvodu jejich pozdějšího rozepínání, čehož se využívá i pro různé způsoby nabíjení akumulátorů.

Jedna z možností implementace takového obvodu je znázorněna na obrázku níže.

Sestavení vlastníma rukama není obtížné. Může být vyroben nezávisle na dostupných dílech a umožňuje nabíjet baterie proudy až 10 ampérů.

Průmyslová verze obvodu nabíječky transformátoru Electron-6 je vyrobena na bázi dvou tyristorů KU-202N. Pro regulaci otevíracích cyklů semiharmonických má každá řídicí elektroda svůj vlastní obvod několika tranzistorů.

Mezi automobilovými nadšenci jsou oblíbená zařízení, která umožňují nejen nabíjení baterií, ale také využití energie 220voltové napájecí sítě k paralelnímu připojení ke startování motoru automobilu. Říká se jim startovací nebo startovací-nabíjení. Mají ještě složitější elektronické a silové obvody.

Obvody s elektronickým transformátorem

Taková zařízení vyrábějí výrobci pro napájení halogenových žárovek s napětím 24 nebo 12 voltů. Jsou relativně levné. Někteří nadšenci se je pokoušejí připojit k nabíjení nízkoenergetických baterií. Tato technologie však nebyla široce testována a má značné nevýhody.

Nabíjecí obvody bez oddělení transformátoru

Když je ke zdroji proudu zapojeno několik zátěží v sérii, celkové vstupní napětí se rozdělí na dílčí části. Díky této metodě fungují děliče, které vytvářejí úbytek napětí na určitou hodnotu na pracovním prvku.

Tento princip se používá k vytvoření četných RC nabíječek pro baterie s nízkou spotřebou. Vzhledem k malým rozměrům součástek jsou zabudovány přímo uvnitř svítilny.

Vnitřní elektrický obvod je kompletně umístěn v továrně izolovaném krytu, který zabraňuje lidskému kontaktu s potenciálem sítě během nabíjení.

Mnoho experimentátorů se snaží implementovat stejný princip pro nabíjení autobaterií a navrhuje schéma připojení z domácí sítě prostřednictvím sestavy kondenzátoru nebo žárovky s výkonem 150 wattů a výkonové diody, která prochází proudovými impulsy stejné polarity.

Podobné návrhy lze nalézt na stránkách kutilů, kteří chválí jednoduchost obvodu, levnost dílů a schopnost obnovit kapacitu vybité baterie.

Ale mlčí o tom, že:

nechráněné vedení 220 představuje nebezpečí pro lidský život;
Vlákno žárovky pod napětím se zahřívá a mění svůj odpor podle zákona nepříznivého pro průchod optimálních proudů baterií.

Při zapnutí pod zátěží procházejí studeným závitem a celým sériově zapojeným řetězcem velmi velké proudy. Navíc nabíjení by mělo být dokončeno malými proudy, což se také nedělá. Proto baterie, která byla podrobena několika sériím takových cyklů, rychle ztrácí svou kapacitu a výkon.

Naše rada: tuto metodu nepoužívejte!

Přečtěte si více

Chemická analýza a mechanické zkoušky kovů dle GOST | články Centrum pro stavební kontrolu

Nabíječky jsou vytvořeny pro práci s určitými typy baterií s ohledem na jejich vlastnosti a podmínky pro obnovení kapacity. Při používání univerzálních multifunkčních zařízení byste měli zvolit režim nabíjení, který optimálně vyhovuje konkrétní baterii.