64
Podstawy
E l e k t r o n i k a d l a W s z y s t k i c h
Sierpień 2002
Do Redakcji, a w szczególności do Skrzynki
porad, napływają pytania w sprawie akumu−
latorów. Oto kilka przykładów:
Kupiłem ostatnio kilka akumulatorków
znanej firmy, jednak bez jakichkolwiek ozna−
czeń dot. ładowania. (...) na dwóch akumula−
torkach (innych znanych firm) spotkałem ta−
kie czasy ładownia w trybie szybkim:
− na baterii 1600mAh: 5 godz. prądem
350mA (czyli władowano 1800mAh prądu)
− na baterii 800mAh: 5 godz. prądem
150mA (czyli władowano ledwie 750mAh
prądu). I tu moje pytanie: jaki procent po−
jemności i jakim prądem należy władować
w akumulatorek w trybie szybkiego ładowa−
nia? (...) Czy takie szybsze ładowanie ma
duży wpływ na żywotność akumulatorków
NiCd i czy jest dla nich bezpieczne (nie pla−
nuję ich przeładować − mam odpowiednie
timery w ładowarce)?
Jakie napięcie musi mieć transformator,
aby go zastosować jako prostownik do łado−
wania? Jakie diody użyć (prąd znamionowy)?
PS. Serdecznie pozdrawiam elektroników.
(...) Bardzo prosiłbym o podanie wartości
rezystora R17 dla akumulatora ołowiowego
o pojemności 34A.
Mam problem dotyczący akumulatorów
ołowiowych. A mianowicie mam takie aku−
mulatorki Pb 6V/1,2Ah, ale nie wiem, jak je
ładować. Nie jestem pewien, czy dobrze to
robiłem do tej pory, mianowicie podłączałem
akumulator do zasilacza na kilkanaście go−
dzin. Po tym czasie akumulator był już nała−
dowany. Jeżeli są jakieś parametry dotyczące
ładowania, to proszę o pomoc. Karol
Wydawałoby się, że elementy tak proste
i wykorzystywane od lat nie powinny mieć
przed użytkownikami tajemnic. Tymczasem
te jakże popularne i niby dobrze znane źródła
energii nieustannie przysparzają użytkowni−
kom wątpliwości i kłopotów. Zalecenia fir−
mowe dotyczące eksploatacji są proste i do−
tyczą sprawnych akumulatorów. Warto mieć
na uwadze, że hobbyści często mają do czy−
nienia z akumulatorami niepełnowartościo−
wymi, pochodzącymi z odzysku. Często szu−
kają oni cudownych sposobów na reanimo−
wanie uszkodzonych egzemplarzy i przy−
wrócenie im pierwotnej pojemności. Zazwy−
czaj jest to niemożliwe. Nie można także
usunąć skutków utraty pojemności nie−
których ogniw zestawu. Łańcuch jest tak sil−
ny, jak jego najsłabsze ogniwo. Dokładnie
tak samo jest z akumulatorami zawierający−
mi kilka ogniw. A ogniwa starzeją się i pod−
legają uszkodzeniom w sposób przypadko−
wy. Nie sposób zapobiec wszystkim uszko−
dzeniom, z których większość nie zależy od
sposobu ładowania, tylko wynika z innych
czynników, niezależnych od warunków eks−
ploatacji.
Aby prawidłowo wykorzystywać akumu−
latory i uzyskać maksymalną żywotność,
trzeba znać ich podstawowe właściwości
i przestrzegać kilku prostych reguł, by nie
popełnić grubych błędów. Najbardziej trzeba
unikać zarówno przeładowania, jak i zbyt
głębokiego rozładowania. Nie jest natomiast
potrzebna obszerna wiedza akademicka
o wszystkich szczegółach.
C – pojemność czy prąd?
Głównymi parametrami akumulatora są na−
pięcie nominalne oraz pojemność znamiono−
wa. Pojemność akumulatora oznacza się du−
żą literą C i wyraża w amperogodzinach
(Ah) lub miliamperogodzinach (mAh). Tak−
że przy opisie prądów ładowania i rozłado−
wania, zamiast podawać je w wartościach
bezwzględnych, czyli w amperach i miliam−
perach, wyraża się je jako ułamek... pojem−
ności nominalnej C. Okazuje się to wyjątko−
wo wygodne i praktyczne. Prąd C (1C) to tak
zwany prąd jednogodzinny – akumulator
rozładowywany takim prądem powinien pra−
cować jedną godzinę (w praktyce bywa nie−
co inaczej, ale to nieistotny szczegół). Przy−
kładowo dla akumulatora o pojemności
C=16Ah prąd 0,1C (czyli C/10) to prąd
1,6A, prąd C/4 to 4A, a C/3 to 5,33A. Dla
akumulatora o pojemności 700mAh prąd
0,1C to 70mA, C/4 to 175mA, C/3 to
233mA.
Rodzaje
Obecnie trzeba rozróżniać trzy podstawowe
grupy akumulatorów:
− kwasowo−ołowiowe (samochodowe i żelowe)
− zasadowe (NiCd i NiMH)
− litowo−jonowe (LiJon i Li−Metal).
Dawniej wykorzystywano w niektórych
zastosowaniach akumulatory żelazowo−cyn−
kowe lub srebrowo−cynkowe. Nie są one
stosowane przez hobbystów. Tabela 1 po−
zwala porównać najważniejsze właściwości
różnych typów akumulatorów.
Tabela 1
Akumulatory litowe
Najnowocześniejsze akumulatory litowo−
metalowe dopiero zdobywają popularność
i hobbysta raczej ich nie spotka. Nowoczesne
akumulatory litowo−jonowe, znane od kil−
kunastu lat, współpracują z nowoczesnymi
telefonami komórkowymi, kamerami, itp.
Akumulatory te są, na razie, dość drogie. Ma−
ją wyjątkowo korzystne właściwości. Ich na−
pięcie jest proporcjonalne do zgromadzonego
A
A
A
A
k
k
k
k
u
u
u
u
m
m
m
m
u
u
u
u
ll
ll
a
a
a
a
tt
tt
o
o
o
o
rr
rr
yy
yy
w
w
w
w
p
p
p
p
rr
rr
a
a
a
a
k
k
k
k
tt
tt
yy
yy
c
c
c
c
e
e
e
e
e
e
e
e
ll
ll
e
e
e
e
k
k
k
k
tt
tt
rr
rr
o
o
o
o
n
n
n
n
ii
ii
k
k
k
k
a
a
a
a
NiCd, NiMH, Li−Jon
Obrazek tytułowy mógłby być z D. Handlowego – akumulatory z jakiejś reklamy.
PB żelowe
Ni−Cd
NiMH
Li−Jon
Li−Metal
Napięcie nominalne
Unom [V]
2
1,2
1,25
3,6
3,0
Gęstość energii
Wh/kg
30
45
55
100
140
Względny koszt
1...2
3...6
6...12
10...14
6...12
Samorozładowanie
%/miesiąc
5...15
25...50
25...50
8...10
1...2
Prąd maksymalny
<5C
>10C
>5C
<2C
<2C
Trwałość
liczba cykli
500
1000
800
1000
1000
cc
cc
zz
zz
ęę
ęę
śś
śś
ćć
ćć
1
1
1
1
ładunku, co pozwala łatwo i precyzyjnie
określić aktualny stan akumulatora, a także
określić początek i koniec cyklu ładowania.
Rysunek 1 pokazuje zależność napięcia od
czasu rozładowania (prądem o niezmiennej
wartości). Podobna zależność obowiązuje
przy ładowaniu.
Całkowitemu rozładowaniu akumulato−
rów jonowych zapobiegają obwody umie−
szczone we współpracującym sprzęcie. Przy
ładowaniu akumulatorów litowo−jonowych
trzeba zachować precyzyjnie warunki podane
przez producenta (np. końcowe napięcie na
w pełni naładowanym akumulatorze musi
wynosić 4,2V±50mV). Zakończenie ładowa−
nia przy napięciu tylko o 2,5% niższym, czy−
li 4,1V, oznacza niedoładowanie – wykorzy−
stanie tylko 90% dostępnej pojemności.
Z kolei przeładowanie, nawet niewielkie,
o 10 czy 15% może mieć fatalne następstwa:
utratę pojemności, rozszczelnienie, a nawet
wybuch. Akumulator Li−Jon, zawierający
dwa lub więcej ogniw połączonych w szereg,
musi mieć wbudowane obwody monitorujące
napięcie każdego ogniwa, pozwalające na in−
dywidualną kontrolę, w tym przepuszczenie
prądu „obok” naładowanego już ogniwa.
Dlatego do ładowania akumulatorów litowo−
jonowych wykorzystuje się polecane, fa−
bryczne ładowarki, mające parametry dosto−
sowane ściśle do danego typu akumulatora.
Profesjonalni konstruktorzy takich ładowa−
rek wykorzystują specjalizowane układy sca−
lone i uwzględniają wskazania producentów
danego typu akumulatora. Na razie akumula−
tory takie są poza zasięgiem zainteresowania
amatorów, a samodzielna budowa wymaga−
nych dla nich precyzyjnych ładowarek była−
by ryzykowna.
Akumulatory zasadowe
Akumulatory niklowo−kadmowe (NiCd) są
wykorzystywane od prawie czterdziestu lat.
Obecnie bardzo popularne są wersje o wy−
miarach klasycznych baterii, mające godną
uwagi pojemność (R6: 600...1000mAh, R14
do 2Ah, R20 do 5Ah). Akumulator NiCd mo−
że dostarczać zadziwiająco duże prądy, rzędu
nawet 10C (co przykładowo dla akumulator−
ka wielkości „paluszka” R6 o pojemności
800mAh daje prąd 8A). Ich wadami są:
znaczne samorozładowanie, tak zwany efekt
pamięciowy (memory effect) oraz zawartość
substancji szkodliwych dla zdrowia (kadmu).
Efekt pamięciowy występuje rzadko i tyl−
ko w ogniwach, które zawsze nie są do koń−
ca rozładowywane. Bateria niejako zapamię−
tuje, ile pobiera się z niej energii w jednym
cyklu i z czasem wykazuje utratę pojemno−
ści. Aby uniknąć tego zjawiska, wystarczy
co kilka (5...6) cykli niepełnego rozładowa−
nia przeprowadzić cykl konserwujący pole−
gający na pełnym naładowaniu i pełnym
rozładowaniu kontrolnym, przy czym pełne
rozładowanie to nie rozładowanie „do zera”,
tylko do napięcia około 1V (nie mniej niż
0,8V na ogniwo). W większości przypad−
ków efekt pamięciowy jest odwracalny. Po
stwierdzeniu go trzeba przynajmniej trzy−
krotnie w pełni naładować i rozładować
akumulatorki do napięcia 0,8...0,9V.
Bardzo często występuje tu mylna kwali−
fikacja – zazwyczaj utrata pojemności jest
spowodowana innymi przyczynami, w tym
słabą jakością ogniw, a całą winę zrzuca się
na efekt pamięciowy, co jest na pewno wy−
godne dla producentów.
Akumulatorki
niklowo−wodorkowe
(NiMH), zwane potocznie wodorkami, zdo−
bywają popularność od kilkunastu lat. Ich
ważnymi zaletami są: brak substancji szkodli−
wych dla zdrowia oraz brak efektu pamięcio−
wego. Pojemność jest większa, niż akumulato−
rów NiCd o tych samych wymiarach. Zdecy−
dowanie wyższa jest ich cena, a możliwości
oddawania dużych prądów nieco mniejsze (re−
zystancja wewnętrzna jest 1,2...2 razy większa
niż analogicznych akumulatorów NiCd).
Ładowanie. Z ładowaniem popularnych
akumulatorów zasadowych (NiCd i NiMH)
sprawa jest inna niż z akumulatorami litowy−
mi. Niestety, napięcie akumulatora nie
świadczy o stanie naładowania – udowadnia
to rysunek 2, gdzie pokazana jest zależność
napięcia na akumulatorze od władowanej
energii przy różnych temperaturach (prąd ła−
dowania=0,1C). Wykresy dotyczą NiCd, ale
analogiczne charakterystyki NiMH są podob−
ne. Widać tu silną zależność od temperatury,
a przy temperaturze akumulatora +40
o
C na−
pięcie w końcowej
fazie
ładowania
praktycznie się nie
zmienia.
Co ważne, wszy−
stkie akumulatorki
NiCd oraz NiMH
można bez obawy
ładować prądem
0,1C przez czas
14...16
godzin.
Ogniwa można przy
tym łączyć w sze−
reg. Ładowarka jest
wtedy prostym ukła−
dem, który dostarcza prądu o niezmiennej
wartości, niezależnej od stopnia naładowania
(i napięcia ogniw). Jest to ładowanie standar−
dowe, stosowne do dziś w najtańszych łado−
warkach. Przy takim trybie nie ma potrzeby
sprawdzania napięcia na poszczególnych
ogniwach, zresztą jak pokazuje rysunek 2,
napięcie nie świadczy tu o stopniu naładowa−
nia. Trzeba się liczyć, że napięcie na ogniwie
pod koniec ładowania będzie rzędu 1,5V.
Rysunek 3 pokazuje przykłady najprost−
szych ładowarek ogniw NiCd i NiMH. We
wszystkich przypadkach potrzebny prąd
ustawia się, dobierając wartość Rx.
Uwaga! Ładowanie akumulatorów NiCd
prądem 0,1C przez długi czas niczym nie
grozi
i nie zmniejsza ich żywotności. Ozna−
cza to, że mając akumulatorki NiCd o nie−
wiadomym stanie rozładowania, można je
śmiało naładować według standardowej pro−
cedury (0,1C, 14...16h). Jest to cenny przy−
miot popularnych akumulatorów NiCd. Nie−
którzy producenci akumulatorków NiMH nie
zalecają przekraczania czasu ładowania 16
godzin; podają, że akumulatory NiMH mogą
być dowolnie długo ładowane, ale nie prą−
dem 0,1C, tylko prądem trzykrotnie mniej−
szym – 0,03C. Przykładowo dla pojemności
C=1500mAh dopuszczalny prąd ciągły wy−
nosiłby 45mA. Stąd nawet w niektórych pro−
stych ładowarkach z prądem 0,1C, przezna−
czonych do akumulatorków NiMH, stosowa−
ne są układy czasowe wyłączające lub
zmniejszające prąd ładowania po upływie
określonego czasu.
65
Podstawy
E l e k t r o n i k a d l a W s z y s t k i c h
Sierpień 2002
Rys. 1
Rys. 2
Rys. 3
Z podanych wiadomości wynika ważny
wniosek praktyczny: jeśli w jakimś układzie
rolę baterii rezerwowej pełnią akumulatorki
NiCd lub NiMH, a napięcie zasilacza jest
przynajmniej o 4...5V większe od napięcia
zestawu akumulatorów, można stosować pro−
sty układ pracy według rysunku 4, gdzie
wartość rezystora Rx należy dobrać stosow−
nie do pojemności akumulatora oraz różnicy
napięć akumulatora U
A
i napięcia z zasilacza
(U1). W takim układzie pracy napięcie zasi−
lacza sieciowego musi być wyższe od napię−
cia naładowanego akumulatora i cały czas
akumulator jest podładowywany niewielkim
prądem. Rezystor powinien mieć taką war−
tość, by prąd ładowania (tak zwany prąd kon−
serwujący) nie przekroczył zalecanej warto−
ści: dla NiCd 0,05C, dla NiMH 0,03C. Nie
ma tu zgodności: jedne źródła podają, że prąd
takiego konserwacyjnego ładowania powi−
nien wynosić 0,001...0,002C (1mA/1Ah...
2mA/1Ah), inne 0,03...0,05C. W razie po−
trzeby należy szukać informacji u producen−
ta konkretnego akumulatora. Bezpieczną
wartością wydaje się prąd 0,01C i Rx trzeba
tak dobrać, by ją uzyskać. Zaleca się też im−
pulsowe sposoby „konserwowania” akumu−
latorka rezerwowego, na przykład raz na do−
bę przez 30...40 minut ładować prądem
0,15...0,2C albo co godzinę 3...5 minut prą−
dem 0,1C, byle nie władować dziennie wię−
cej niż 10% pojemności nominalnej. Z zapa−
sem pokryje to straty samowyładowania i za−
pewni nieustanną gotowość do pracy.
Trzeba jednak pamiętać, że chodzi tu tyl−
ko o pokrycie strat samowyładowania. Po
wyładowaniu akumulatora w jego układzie
pracy ponowne naładowanie go tak maleń−
kim prądem konserwującym jest możliwe,
ale trwałoby bardzo długo (przy zużytych,
starych akumulatorach może być niemożli−
we). Jeśli przewiduje się możliwość głębo−
kiego rozładowania tak pracującego akumu−
latora, trzeba przewidzieć możliwość ręczne−
go lub automatycznego naładowania go
większym prądem, np. 0,1C.
Tylko nieliczne, stare źródła podają, że
akumulatory zasadowe mogą pracować
w trybie buforowym przy stałym napięciu,
podłączone do wyjścia zasilacza według
rysunku 5 (przy czym maksymalny prąd ła−
dowania z zasilacza przy pustym akumulato−
rze nie może przekroczyć wartości 0,5C).
Napięcie na akumulatorze miałoby wtedy
wynosić 1,45...1,50V na ogniwo, co ma za−
pewnić pełne naładowanie i stałą gotowość
akumulatora do pracy. Różnica w stosunku
do rysunku 4 polega na tym, że teraz napię−
cie zasilacza jest minimalnie większe od na−
pięcia w pełni naładowanego akumulatora
(o spadek napięcia na D1) i gdy napięcie aku−
mulatora się z nim zrówna, prąd ładowania
przestanie płynąć − w praktyce zmniejszy się
do znikomej wartości. Choć sposób z rysunku
5 wygląda sensownie, niektóre źródła ostrze−
gają, że akumulatory mogą się przeformować
i na pewno przy napięciu 1,4...1,45C/na
ogniwo użyteczna pojemność z czasem oka−
że się dużo niższa od pojemności znamiono−
wej. Wskazuje na to też rysunek 2. Z uwagi
na możliwe różnice między poszczególnymi
odmianami akumulatorów zasadowych zde−
cydowanie bezpieczniejszy jest sposób z ry−
sunku 4, gdzie akumulator cały czas jest
podładowywany niewielkim prądem.
Szybkie ładowanie
Podany sposób ładowania standardowego
prądem 0,1C przez 16 godzin jest bezpiecz−
ny, ale dla wielu użytkowników uciążliwy.
Chcieliby oni ładować akumulatory jak naj−
szybciej, najlepiej natychmiast, jak się tanku−
je paliwo w stacji benzynowej. Błyskawiczne
ładowanie akumulatorów zasadowych w cza−
sie 15...20 minut jest możliwe tylko w przy−
padku nielicznych akumulatorów specjalnej
konstrukcji. Natomiast praktycznie każdy
współczesny akumulator NiCd i NiMH moż−
na ładować ekspresowo w czasie 1...1,5 go−
dziny. Bardziej skrócić czasu nie można,
a ograniczeniem jest szybkość reakcji che−
micznych zachodzących podczas ładowania
wewnątrz akumulatora.
Zarówno ogniwa NiCd, jak i NiMH moż−
na też ładować w trybie przyspieszonym,
prądem 0,2C...0,35C, ale trzeba przy tym
kontrolować czas ładowania. Niekiedy na
obudowie baterii podany jest zalecany prąd
i czas ładowania w trybie standardowym oraz
przyspieszonym. Gdy ich nie ma, można
zwiększać prąd i proporcjonalnie zmniejszać
czas ładowania, by zachować tę samą liczbę
ładunku (iloczynu czasu i prądu ładowania,
potocznie – władowanych amperogodzin).
Przykładowo zamiast ładować prądem dzie−
sięciogodzinnym 0,1C przez 16 godzin, moż−
na byłoby ładować prądem 0,2C przez 8 go−
dzin albo prądem 0,4C przez 4 godziny
(ewentualnie też prądem 0,05C przez 32 go−
dziny). We wszystkich przypadkach daje to
160% pojemności akumulatora. Taka zasada
może być wykorzystana w przypadku aku−
mulatorków NiCd. Niektóre źródła podają
jednak, iż przy większych prądach wystarczy
władować 140...150% pojemności nominal−
nej (1,4...1,5C).
Sprawność energetyczna akumulatorków
NiMH jest większa od NiCd, niemniej zale−
cenia poszczególnych producentów oraz pu−
blikacji dotyczące ładowania przyspieszone−
go nieco się różnią. Dla akumulatorów
NiMH podaje się, iż przy takich prądach
(0,2...0,35C) należałoby władować około
110%...130% pojemności nominalnej. Nie−
które źródła podają, że dla NiMH władowa−
nie więcej niż 110% pojemności nominalnej
nie zwiększa, ale zmniejsza dysponowaną
pojemność.
Zawsze można władować mniej ładunku,
np. 110% − wtedy co najwyżej dostępna po−
jemność nie będzie wykorzystana w pełni.
Wątpliwości można wyjaśnić po kilku
kontrolowanych cyklach pracy, ładując ogni−
wa i rozładowując je kontrolnie.
Sposoby przyspieszonego ładowania
w czasie 3...6 godzin prądem ładowania
0,2...0,35C, z wyłącznikiem czasowym (aby
władować 110...160% pojemności C) wyglą−
dają na bezpieczne. Choć przy uwzględnieniu
różnej sprawności energetycznej mogą być
stosowane do wszystkich akumulatorów NiCd
i NiMH, są wykorzystywane stosunkowo
rzadko i, co może zaskoczyć, nie są zalecane
przez producentów akumulatorów. Chodzi
głównie o to, że ktoś może poddać cyklowi ła−
dowania akumulatorki tylko trochę rozłado−
wane, a poza tym akumulatory z czasem mo−
gą stracić pojemność, a wtedy przy większych
prądach łatwo o przeładowanie i nadmierny
wzrost temperatury. A temperatura jest zabój−
czo szkodliwa: zalecana górna granica dla
ogniw NiCd wynosi tylko +45
o
C, dla NiMH
+60
o
C. Tylko przy prądzie 0,05...0,1C w aku−
mulatory NiCd i NiMH można bez obawy
władować do 160% ich pojemności nominal−
nej, niezależnie od stanu naładowania. Przy
prądach znacznie większych niż 0,1C nawet
jednorazowe przeładowanie, np. omyłkowe
ładowanie przez całą noc, znacznie skraca ży−
wotność, a nawet może prowadzić do uszko−
dzenia ogniw. Skuteczną eliminację ryzyka
daje każdorazowe rozładowanie wszystkich
ogniw do napięcia 0,8...1V i dopiero wtedy za−
aplikowanie cyklu przyspieszonego ładowania.
Ze względu na większy prąd, konieczne jest
wtedy zastosowanie tajmera wyłączającego ła−
dowanie po ustalonym czasie. Podczas ładowa−
nia prądami większymi niż 0,1C warto co jakiś
czas kontrolować temperaturę ładowanych
66
Podstawy
E l e k t r o n i k a d l a W s z y s t k i c h
Sierpień 2002
Rys. 4
Rys. 5
ogniw. Szybszy wzrost temperatury jest sy−
gnałem, że ładowanie trzeba zakończyć. Nie
można natomiast sprawdzać stanu naładowa−
nia przez sprawdzanie wartości napięcia aku−
mulatora – taka kontrola daje dobre efekty
tylko w przypadku akumulatorów litowych
i kwasowo−ołowiowych.
Obecnie coraz częściej stosowane są eks−
presowe ładowarki, ładujące akumulatory
NiCd i NiMH jeszcze szybciej, na przykład
prądem 1C przez czas około 1...1,5 godziny.
Przy tak dużym prądzie ładowania trzeba wy−
jątkowo starannie kontrolować stan ogniw.
Teoretycznie można byłoby zastosować pro−
sty układ gwarantujący stały prąd równy
1C i wyłącznik czasowy (60...90minut). Jeśli
ktoś ma ochotę wypróbować taki prosty spo−
sób, może to zrobić. Trzeba jednak pamiętać,
żeby zawsze wstępnie rozładować akumula−
tory
oraz że z czasem mogą one stracić po−
jemność... a przy tak dużym prądzie jakiekol−
wiek niedopatrzenie i błąd mogą nie tylko
trwale zmniejszyć pojemność i trwałość, ale
nawet spowodować niebezpieczny wybuch.
Śmiertelnym wrogiem akumulatorów zasado−
wych, zwłaszcza NiMH jest temperatura −
przekroczenie dopuszczalnej granicy powo−
duje tu nieodwracalną degradację materiału,
który ma absorbować wydzielający się pod−
czas ładowania wodór. Dlatego w ekspreso−
wych ładowarkach stosowane są dość skom−
plikowane systemy kontroli stanu naładowa−
nia. Rysunek 6 pokazuje przebieg zmian na−
pięcia i temperatury akumulatorów NiCd
i NiMH podczas ekspresowego ładowania
prądem 1C. Dla obydwu typów, gdy akumu−
lator jest bliski pełnego naładowania, charak−
terystyczne są dwa zjawiska:
− następuje szybki wzrost temperatury,
− występuje spadek napięcia akumulatora.
Zjawiska te mogą być kryterium wyzna−
czającym koniec ekspresowego ładowania.
Możliwości jest naprawdę dużo. Oto niektóre:
Choć wartość napięcia akumulatora nie
jest dobrym wskaźnikiem stanu naładowa−
nia
, przy ekspresowym ładowaniu prądem
1C takim wskaźnikiem często są zmiany na−
pięcia
(dV/dt). Ponieważ dziś w ładowarkach
stosowane są mikroprocesory (z przetworni−
kami cyfrowo−analogowymi) lub specjalizo−
wane układy scalone, stosunkowo łatwo
można wykryć fakt, że napięcie akumulatora
NiCd przestaje rosnąć (dV/dt=0). Nie powin−
no to jednak kończyć ładowania, bo akumu−
lator nie jest jeszcze pełny. Po wykryciu tego
faktu można jeszcze ładować akumulator
przez ustalony, niewielki okres (np. przez 20
minut prądem 0,1C). W praktyce stosuje się
też układy wyłączające prąd po spadku na−
pięcia o 10...20mV poniżej napięcia szczyto−
wego – taka metoda ładowania akumulato−
rów NiCd bywa oznaczana –
∆
V. Niestety, ten
sposób jest trochę niebezpieczny w przypad−
ku akumulatorków NiMH − metoda –
∆
V nie
jest stosowana do ich ładowania. Ich charak−
terystyka napięciowa jest znacznie bardziej
płaska – patrz rysunek 6. Choć trochę tru−
dniejsze jest wykrycie wierzchołka (gdy
dV/dt=0), kryterium końca ładowania bywa
początek zmniejszania się napięcia.
Dla NiMH i NiCd dobrym kryterium koń−
ca ładowania jest temperatura. Można wprost
mierzyć temperaturę ogniwa i wyłączyć ła−
dowanie po przekroczeniu dopuszczalnej
temperatury
(Tmax). Lepiej byłoby mierzyć
zarówno temperaturę otoczenia, jak i akumu−
latora, a proces ładowania kończyć po osią−
gnięciu założonej różnicy temperatur (
∆
T).
W praktyce stosuje się pomiar szybkości
wzrostu temperatury
(dT/dt). Proces ładowa−
nia kończy się, gdy temperatura zaczyna
szybko wzrastać (gdy dT/dt wzrośnie do
ustalonej wartości).
We wszystkich omówionych przypadkach
próba ładowania naładowanych ogniw nie
grozi katastrofą – kryterium końca ładowania
wystąpi po prostu wcześniej i prąd zostanie
wyłączony.
Uwaga! Zależność z rysunku 3 jest praw−
dziwa tylko przy ekspresowym ładowaniu
prądem rzędu 1C. Przy małych prądach ła−
dowania zmiany napięcia i temperatury są
inne i nie mogą służyć do wyznaczenia koń−
ca procesu ładowania.
Ilustruje to rysunek 7, pokazujący zmiany
napięcia przy różnych prądach ładowania.
Z uwagi na duży prąd podczas szybkiego łado−
wania i związane z tym poważne zagrożenia,
w takich ekspresowych ładowarkach powinien
być dodatkowy obwód, który zapobiegnie
przeładowaniu w przypadku, gdyby z jakichś
powodów ładowanie nie zostało zakończone.
W ładowarkach NiCd i NiMH takie podwójne
zabezpieczenie może zapewniać wyłącznik
termiczny działający po przekroczeniu dopu−
szczalnej temperatury albo układ czasowy.
Należy mieć na względzie, że prąd ekspre−
sowego ładowania musi być dostosowany do
pojemności ładowanych akumulatorów –
zwykle jest to prąd 1C. Czujnik w każdym
przypadku musi mierzyć rzeczywistą tempe−
raturę akumulatora. Przy ekspresowym łado−
waniu kilku ogniw ze względu na nieuniknio−
ne rozrzuty parametrów nie powinno się ich
łączyć szeregowo, tylko ładować oddzielnie
i oddzielnie mierzyć temperaturę każdego.
Praktyka
W literaturze można znaleźć liczne schematy
ekspresowych ładowarek NiCd i NiMH. Ła−
two dostępne są też karty katalogowe oraz
opisane w nich specjalizowane układy scalo−
ne. W wielu z nich cykl ładowania jest znacz−
nie bardziej złożony, niż podano w artykule.
Praktyczna wartość ekspresowej ładowarki
własnej konstrukcji i jej niezawodność zależą
w ogromnej mierze od konstrukcji mechanicz−
nej i kontaktu cieplnego miedzy ładowanym
akumulatorem a czujnikiem temperatury. Z te−
go powodu nie są to projekty odpowiednie dla
początkujących, a nawet średnio zaawansowa−
nych. Samodzielnej budowy ekspresowych ła−
dowarek powinni się podejmować tylko do−
świadczeni elektronicy, dobrze rozumiejący
temat i potrafiący dostosować ładowarkę do
posiadanych akumulatorów. Pozostali do eks−
presowego ładowania powinni raczej wyko−
rzystywać urządzenia fabryczne, najlepiej re−
komendowane przez producenta akumulato−
rów. Niedopracowana ekspresowa ładowarka−
−samoróbka może radykalnie zmniejszyć
trwałość ogniw, a nawet doprowadzić do ich
wybuchu – ze wzrostem temperatury silnie
wzrasta wewnętrzne ciśnienie gazów.
Każdy akumulator NiCd i NiMH można
też ładować w czasie 3...5 godzin prądem od−
powiednio
większym,
by
władować
110...160% pojemności nominalnej akumula−
tora, stosownie do zaleceń producenta
i wskazówek z artykułu. Wystarczy do tego
prosty układ zapewniający prąd o niezmien−
nej wartości oraz wyłącznik czasowy, trzeba
jednak znać rzeczywistą pojemność ładowa−
nych akumulatorów i koniecznie rozładowy−
wać je wstępnie przed ładowaniem.
Bezpieczną, prostą i polecaną pozostaje
stara, sprawdzona, standardowa metoda łado−
wania prądem 0,1C przez 14...16 godzin,
przy czym w przypadku akumulatorów
NiMH warto zastosować wyłącznik czasowy.
Za miesiąc przedstawione zostaną infor−
macje dotyczące akumulatorów kwasowo−
−ołowiowych.
Jerzy Częstochowski
67
Podstawy
E l e k t r o n i k a d l a W s z y s t k i c h
Sierpień 2002
Rys. 6
Rys. 7
60
Podstawy
E l e k t r o n i k a d l a W s z y s t k i c h
Wrzesień 2002
Niniejszy artykuł jest kontynuacją materiału z
poprzedniego numeru EdW i dotyczy jednego
typu akumulatorów. W znanych od stu pięć−
dziesięciu lat akumulatorach kwasowo−oło−
wiowych elektrolitem zawsze jest roztwór
kwasu siarkowego, a płyty zbudowane są
z ołowiu. Napięcie nominalne ogniwa wyno−
si 2V. Starszego typu akumulatory samocho−
dowe wymagały okresowej obsługi, konkret−
nie dolewania wody i kontroli gęstości elek−
trolitu. Większość nowszych ani nie wymaga
takich zabiegów, ani ich nie umożliwia – są to
tak zwane akumulatory bezobsługowe. Stoso−
wane są powszechnie w samochodach.
Oprócz nich bardzo popularne są obecnie tak
zwane akumulatory żelowe o napięciach
6V i 12V o pojemnościach 1...100Ah, za−
mknięte w szczelnych obudowach, nie wy−
dzielające żadnych szkodliwych wyziewów,
mogące dzięki temu pracować nawet w mie−
szkaniu (np. w centralkach alarmowych).
W tych kwasowych akumulatorach elektrolit
nie wycieknie, bo albo przez dodatek odpo−
wiedniej substancji ma postać galarety – żelu
(stąd nazwa), albo też zastosowane są inne
sposoby, skutecznie eliminujące ryzyko wy−
cieku elektrolitu. Warto podkreślić, że aku−
mulatory żelowe nie są oddzielnym rodzajem
akumulatorów – to najprawdziwsze akumula−
tory kwasowo−ołowiowe o specyficznej bu−
dowie, uniemożliwiającej wylanie elektrolitu.
Gdy akumulator pracuje w samochodzie,
sprawa jest oczywista. Nominalne napięcie
w instalacji samochodu wynosi 14,4V.
O właściwe napięcie i prąd ładowania dba
w samochodzie regulator napięcia, który ste−
ruje pracą alternatora. Więcej uwagi trzeba
poświęcić ładowaniu tylko wtedy, gdy taki
akumulator pracuje poza samochodem. Daw−
niej stosowano prymitywne sposoby ładowa−
nia, a dość skutecznym wskaźnikiem nałado−
wania było tzw. gazowanie elektrolitu (roz−
kład wody na tlen i wodór w procesie elek−
trolizy). Dobrym wskaźnikiem stanu nałado−
wania był także pomiar gęstości elektrolitu
za pomocą aerometru. W nowoczesnych bez−
obsługowych akumulatorach z ciekłym elek−
trolitem dolewanie wody nie jest wymagane,
a w wielu przypadkach wręcz niemożliwe,
niemniej też nie należy dopuścić do inten−
sywnego gazowania. Nie wolno też dopu−
szczać do przeładowania akumulatorów żelo−
wych, bo może się to skończyć ich definityw−
nym uszkodzeniem.
Z kolei całkowite rozładowanie do zera
też jest bardzo szkodliwe i zazwyczaj wiąże
się z nieodwracalną utratą pojemności. Aku−
mulatory kwasowe nie powinny być rozłado−
wywane poniżej 1,35V/na ogniwo (zaleca się
rozładowanie tylko do 1,7...1,8V/ogniwo).
Gdy coś takiego się zdarzy, trzeba jak naj−
szybciej naładować akumulator.
Akumulator powinien być przechowy−
wany w możliwie niskiej temperaturze.
Mniejsze jest wtedy samorozładowanie
i znacznie dłuższa żywotność. Jest to niebaga−
telna sprawa: o ile w temperaturze pokojowej
spodziewany czas pracy akumulatora żelowe−
go (utrata 50% pojemności) wynosi około pię−
ciu lat, to przy temperaturze otoczenia +35
o
C
przypuszczalna trwałość zmniejszy się trzy−
krotnie, a przy temperaturze +60
o
C – kilkuna−
stokrotnie! Rysunek 1 pokazuje, jak akumula−
tor traci ładunek wskutek samorozładowania
w różnych temperaturach. Z drugiej strony ni−
skie temperatury zmniejszają pojemność. Ry−
sunek 2 pokazuje tę zależność przy różnych
prądach rozładowania. Wskazuje wyraźnie,
że pojemność zależy od prądu rozładowania.
Nominalna pojemność określana jest w tem−
peraturze pokojowej przy stosunkowo ma−
łym prądzie rozładowania (C/20) – patrz
punkt A na charakterystyce. Przy temperatu−
rze 0
o
C i dużym prądzie rozładowania rów−
nym 1C ten sam w pełni naładowany akumu−
lator będzie miał tylko około 35% pojemno−
ści znamionowej – wskazuje to punkt B.
„Domowe”
sposoby
ładowania
Dawniej do ładowania akumu−
latorów kwasowych często wy−
korzystywano
najróżniejsze
prostowniki własnej konstruk−
cji. Rysunek 3 pokazuje kilka
przykładów. Trzeba uprzyto−
mnić sobie, że różnego typu sa−
moróbki mają nieprzewidywal−
ne parametry i nie sposób okre−
ślić, ile energii dostarczono do akumulatora.
Prąd ładowania wyznaczony jest tu przez
wiele czynników, w tym napięcie sieci oraz
właściwości transformatora i akumulatora.
Prostowniki takie mogą łatwo doprowadzić
do przeładowania.
W przypadku akumulatorów starego typu
zdawały one jako tako egzamin, bo sygnałem
do zakończenia ładowania było intensywne
gazowanie. W nowych typach nie powinno
się dopuszczać do gazowania, dlatego opisa−
ne właśnie prostowniki domowej roboty mo−
gą poważnie zmniejszyć pojemność i skrócić
czas służby akumulatora.
A
A
A
A
k
k
k
k
u
u
u
u
m
m
m
m
u
u
u
u
ll
ll
a
a
a
a
tt
tt
o
o
o
o
rr
rr
yy
yy
w
w
w
w
p
p
p
p
rr
rr
a
a
a
a
k
k
k
k
tt
tt
yy
yy
c
c
c
c
e
e
e
e
e
e
e
e
ll
ll
e
e
e
e
k
k
k
k
tt
tt
rr
rr
o
o
o
o
n
n
n
n
ii
ii
k
k
k
k
a
a
a
a
Akumulatory kwasowo−ołowiowe
Rys. 1
Rys. 2
Rys. 3
cc
cc
zz
zz
ęę
ęę
śś
śś
ćć
ćć
2
2
2
2
Ponieważ ogromna większość nowocze−
snych akumulatorów ma szczelne obudowy,
więc stare, sprawdzone i skuteczne metody
kontroli stanu i naładowania akumulatora
przez pomiar gęstości elektrolitu są dziś cał−
kowicie bezużyteczne. Pozostaje jeden jedy−
ny sposób – pomiar napięcia na zaciskach.
Na szczęście w akumulatorach kwasowych,
w przeciwieństwie do zasadowych, napięcie
ma ścisły i przewidywalny związek ze sta−
nem naładowania, co pozwala w prosty spo−
sób kontrolować proces ładowania.
Zasilacze buforowe
Akumulatory kwasowe, zwłaszcza żelowe
o pojemności do kilkudziesięciu amperogo−
dzin, bardzo często pracują w tak zwanym
trybie buforowym (standby), jako baterie re−
zerwowe. Oznacza to, że cały czas podłączo−
ne są do źródła napięcia, do zasilacza.
Rysunek 4 pokazuje prosty układ pracy
buforowej – zasilacz stabilizowany z ograni−
czeniem i akumulator są połączone ze sobą
równolegle. Dodatkowa dioda na wyjściu za−
silacza uniemożliwa „cofanie się” prądu
z akumulatora do zasilacza, gdy zabraknie
napięcia sieci. Ogranicznik prądu w zasilaczu
trzeba tak ustawić, by maksymalny prąd ła−
dowania nie przekroczył 0,3C.
U w a g a !
Wbuforowym
trybie pracy
należy ustawić
na akumulato−
rze 12−wolto−
wym napięcie
1 3 , 5 . . . 1 3 , 8 V
(na
6−wolto−
wym 6,8...6,9V). Odpowiada to 2,25...2,3V
na ogniwo. Akumulator kwasowy cały czas
pozostaje pod takim bezpiecznym napięciem,
jest naładowany i stale gotowy do pracy. Je−
śli napięcie to byłoby nieco wyższe, nic tra−
gicznego się nie stanie, jednak żywotność
akumulatora będzie mniejsza. Z kolei napię−
cie niższe od podanego też nie grozi awarią,
ale przy niższym napięciu akumulator nie zo−
stanie w pełni naładowany.
Podanego zakresu 13,5...13,8V nie należy
traktować jako nieprzekraczalnych granic
bezpiecznej pracy. Jest to zakres optymal−
nych warunków i korzystnej zależności trwa−
łość/pojemność. W trybie buforowym należy
więc w miarę możliwości pracować przy ta−
kim napięciu, wiedząc, że zmiana napięcia
o 0,2V w jedną czy drugą stronę nie jest żad−
na tragedią.
Wcześniej wspomniane było, że podobnie
mogą pracować akumulatory zasadowe –
tamte jednak mogą w takim napięciowym
trybie przeformować się i nie zgromadzą peł−
nego ładunku. Natomiast akumulatory kwa−
sowe doskonale sprawdzają się w trybie bu−
forowym przy napięciu 2,25...2,3V/ogniwo
i można mieć pewność, że stale są gotowe do
pracy i że dysponują pełną pojemnością.
Teoretycznie w trybie buforowym akumu−
lator kwasowy mógłby też pracować nie
z ustalonym napięciem, tylko z ustalonym
prądem konserwującym, jak na rysunku 5
(porównaj rysunek 4 w EdW 8/2002). Nie−
liczne źródła podają rozmaite wartości prądu
konserwującego: 0,005C (C/200)...0,01C
(C/100), a nawet 0,02C (C/50). Należy wziąć
pod uwagę, że przy znacznym prądzie kon−
serwującym napięcie na akumulatorze na
pewno wzrośnie powyżej zalecanych granic,
co z kolei według niektórych źródeł może
niekorzystnie wpłynąć na trwałość. Dlatego
akumulatory kwasowe powinny zawsze pra−
cować w układach przy stałym napięciu.
O ile dla akumulatorów zasadowych lepiej
jest stosować sposób z ustalonym prądem
konserwującym o wartości około 0,01C,
o tyle dla akumulatorów kwasowych zdecy−
dowanie lepiej jest stosować sposób ze
stałym napięciem
2,25...2,3V/ogni−
wo według ry−
sunku 5. Akumu−
latory kwasowe
i zasadowe mają
w tym wzglę−
dzie odwrotne
właściwości.
Praca cykliczna
Praca cykliczna to taka, kiedy akumulator
jest naładowany, a następnie rozładowany,
ponownie naładowany i tak dalej. Całkowite
rozładowanie nie oznacza, że napięcie na za−
ciskach spadnie do zera, tylko do napięcia
1,5...1,8V na ogniwo, co dla akumulatora 12−
−woltowego daje 9...10,8V. Rozładowanie do
zera jest zdecydowanie szkodliwe i najczę−
ściej wiąże się ze znaczną, nieodwracalną
utratą pojemności. Bardzo duży wpływ na
żywotność akumulatora ma też głębokość
wyładowania. Rysunek 6 pokazuje utratę po−
jemności w funkcji liczby cykli ładowa−
nie/rozładowanie przy różnych głęboko−
ściach rozładowania. Interpretacja wykresu
może być niejednoznaczna, ale warto zapa−
miętać ważny wniosek praktyczny: w miarę
możliwości korzystniej jest zastosować
akumulator o pojemności większej niż wy−
magane minimum i nie rozładowywać go
do końca (zaleca się wyładowanie do napię−
cia 1,9...2,0V/ogniwo), bo wtedy znacznie
wzrośnie trwałość. Różnica ceny mniejszego
i większego akumulatora nie jest znacząca,
a trwałość, jak pokazuje rysunek 6, wzrośnie
dużo, nawet kilkakrotnie.
W materiałach firmowych proponuje się
kilka metod ładowania, a do tego szereg wy−
kresów, co często przestrasza praktyków,
którzy nie chcą wgłębiać się w szczegóły. Na
szczęście akumulatory kwasowe nie wyma−
gają ścisłych procedur ładowania. Można na−
wet powiedzieć, że są dość tolerancyjne, na−
wet w przypadku błędów. Należy tylko prze−
strzegać podstawowych zasad:
− napięcie końcowe ładowania nie powinno
przekraczać 15V,
− maksymalny prąd ładowania nie powi−
nien być większy niż 0,3C.
Minimalnego prądu ładowania się nie
określa. Przy znikomych prądach nowy
sprawny akumulator powoli się naładuje, ale
w starym, zużytym ten sam prąd nie pokryje
nawet strat samowyładowania.
W praktyce można wykorzystać prostą me−
todę ładowania prądem o niezmiennej wartości
(0,1...0,3C) przez czas potrzebny na władowa−
nie 120% pojemności znamionowej (1,2C).
Przykładowo akumulator o pojemności
10Ah można ładować:
prądem 1A przez 12 godzin,
prądem 1,2A przez 10 godzin,
prądem 2A przez 6 godzin,
prądem 3A przez 4 godziny,
prądem 4A przez 3 godziny.
Metoda wydaje się prosta i łatwa, ale
w praktyce bywa bardzo rzadko stosowana,
bo wymaga układu zapewniającego prąd
o niezmiennej wartości (źródło prądowe) oraz
wyłącznika czasowego. Nie uwzględnia także
zmian pojemności pod wpływem starzenia.
Przy prądach rzędu kilku amperów proste
źródło prądowe, na przykład według rysunku
7, wymagałoby zastosowania potężnych tran−
zystorów mocy T2 i radiatorów do nich. Na
szczęście dzięki charakterystycznym właści−
wościom akumulatorów kwasowych układy
ładowarek można znacznie uprościć. Zostanie
to omówione w następnej części artykułu.
Jerzy Częstochowski
61
Podstawy
E l e k t r o n i k a d l a W s z y s t k i c h
Wrzesień 2002
Rys. 4
Rys. 6
Rys. 7
Rys. 5
62
Podstawy
E l e k t r o n i k a d l a W s z y s t k i c h
Październik 2002
Akumulatory kwasowe można ładować
prądem o dowolnej wartości w zakresie
0,1C...0,3C, a sygnałem pełnego naładowa−
nia będzie napięcie ogniwa równe 2,4...2,5V,
co dla akumulatora 12−woltowego daje
14,4...15,0V, a dla 6−woltowego: 7,2...7,5V.
W praktyce wystarczy zastosować stabili−
zator o napięciu wyjściowym 15V (14,4....
15V) z ogranicznikiem prądowym. Ideę ilu−
struje w uproszczeniu rysunek 8. Na począt−
ku ładowania, gdy akumulator jest prawie
pusty, prąd ładowania jest maksymalny i wy−
nosi 0,25C (0,1...0,3C). Napięcie na akumu−
latorze jest niższe od ustalonego 14,7V.
Z czasem napięcie wzrasta do tej wartości
i jednocześnie prąd ładowania zmniejsza się
poniżej 0,25C, bo akumulator „nie chce” już
tyle prądu. W związku ze wzrostem napięcia
akumulatora, prąd samoczynnie stopniowo
zmaleje do znikomej wartości. Przebiegi prą−
du i napięcia przy ładowaniu prądem
0,25C będą wyglądać jak na rysunku 9. Li−
nie ciągłe dotyczą ładowania akumulatora
rozładowanego, linie przerywane – akumula−
tora, w którym pozostało jeszcze 50% ładun−
ku. Jak widać, nie można przeładować aku−
mulatora, bo napięcie szybko dochodzi do
ustawionej granicy i prąd spada do bezpiecz−
nej wartości.
Sposób jest bardzo dobry, skuteczny
i szybki, jednak wymaga stabilizatora o regu−
lowanym napięciu wyjściowym z ograniczni−
kiem prądowym. Sygnałem zakończenia ła−
dowania będzie spadek prądu poniżej warto−
ści 0,03C – wystarczy w szereg z akumulato−
rem włączyć amperomierz.
W zasadzie można byłoby wykorzystać
dowolny zasilacz regulowany o znacznej wy−
dajności prądowej bez ogranicznika prądo−
wego, a za to z rezystorem ograniczającym
prąd (na początku ładowania, przy rozłado−
wanym
akumulatorze)
do
wartości
0,25...0,3C według rysunku 10. W praktyce
wartość takiego rezystora będzie mała, nawet
rzędu ułamka oma, zależnie od pojemności
akumulatora. Jeśli rezystor Rx ograniczy
prąd do wartości 0,25C na początku ładowa−
nia, gdy napięcie akumulatora wynosi około
12V, to podczas ładowania prąd będzie syste−
matycznie malał, jak pokazuje rysunek 11.
Sposób z zasilaczem i rezystorem według ry−
sunku 11 nie jest jednak optymalny Ze
względu na stopniowe zmniejszanie prądu
czas do pełnego naładowania będzie z ko−
nieczności długi (nawet ponad 20 godzin).
Zdecydowanie lepszy jest sposób z wcze−
śniejszego rysunku 8, bo przez większość
czasu ładowania prąd ma dużą wartość i czas
ładowania jest w miarę krótki (kilka godzin).
Nie trzeba do tego wcale fabrycznego zasila−
cza z ograniczeniem prądowym – rolę ogra−
nicznika prądu może z powodzeniem pełnić
rezystor o dobranej wartości i mocy umie−
szczony „przed” stabilizatorem. Idea pokaza−
na jest na rysunku 12.
We wszystkich przypadkach z rysunków
8...12 nie ma obawy przeładowania, byle tyl−
ko stabilizator był tak ustawiony, żeby koń−
cowe napięcie akumulatora nie przekroczyło
15V. Nie są tu konieczne żadne układy czaso−
we czy sygnalizatory – dzięki obecności sta−
bilizatora układ sam kończy ładowanie, stop−
niowo zmniejszając prąd. Zmniejszenie prą−
du (do wartości poniżej 0,02...0,05C) jest też
sygnałem pełnego naładowania.
Opisaną zasadę ładowania akumulatorów
prądem o wartości do 0,2...0,3C do napięcia
2,4...2,5V/ogniwo (14,4...15V dla akumula−
tora 12−woltowego) można zrealizować sa−
modzielnie na wiele różnych sposobów.
Trzeba tylko zwrócić uwagę, żeby po zaniku
napięcia sieci akumulator nie został rozłado−
wany przez stabilizator. W każdym wypadku
trzeba zadbać, by nie przekroczyć maksymal−
nego prądu ładowania (pustego) akumulatora
wynoszącego liczbowo około 0,3 jego po−
jemności (0,3C). Trzeba uwzględnić dodat−
kowe czynniki: zależnie od prądu maksymal−
nego stabilizator i tranzystor regulacyjny na−
leży wyposażyć w stosowny radiator. Prakty−
ka pokazuje, że jednym z istotnych proble−
mów jest ochrona ładowarki przed zwarciem.
A
A
A
A
k
k
k
k
u
u
u
u
m
m
m
m
u
u
u
u
ll
ll
a
a
a
a
tt
tt
o
o
o
o
rr
rr
yy
yy
w
w
w
w
p
p
p
p
rr
rr
a
a
a
a
k
k
k
k
tt
tt
yy
yy
c
c
c
c
e
e
e
e
e
e
e
e
ll
ll
e
e
e
e
k
k
k
k
tt
tt
rr
rr
o
o
o
o
n
n
n
n
ii
ii
k
k
k
k
a
a
a
a
Akumulatory kwasowo−ołowiowe
cc
cc
zz
zz
ęę
ęę
śś
śś
ćć
ćć
3
3
3
3
Rys. 8
Rys. 9
Rys. 10
Rys. 11
Rys. 12
63
Podstawy
E l e k t r o n i k a d l a W s z y s t k i c h
Październik 2002
Przy zwarciu zacisków, w elementach łado−
warki wydzielą się nadmierne ilości ciepła.
Jeszcze groźniejsze bywa odwrotne podłą−
czenie akumulatora, powodujące przepływ
ogromnego prądu z akumulatora przez obwo−
dy wyjściowe ładowarki. Zwykle kończy się
to jej uszkodzeniem.
Warto zwrócić uwagę, że pokazane ukła−
dy ładują akumulator prądem stałym, a nie
impulsowym. Nie powinno się więc ich na−
zywać prostownikami, a raczej ładowarkami.
Problem, czy ładować prądem stałym, czy
pulsującym, od dawna zaprząta uwagę użyt−
kowników. W literaturze, zwłaszcza amator−
skiej, pojawiło się mnóstwo publikacji o „cu−
downych” sposobach ładowania impulsowe−
go różnych akumulatorów. Tymczasem nie−
którzy producenci zdecydowanie zalecają ła−
dowanie prądem stałym z zawartością tętnień
poniżej 10%! Przy prawidłowej eksploatacji
na pewno dobry jest prąd stały.
Dociekliwi eksperymentatorzy mogą
stwierdzić, że w praktyce sytuacja nie zawsze
jest aż tak klarowna, jak w przedstawionym
opisie. Jeśli ktoś chce eksperymentować ze
starymi, zasiarczonymi czy głęboko rozłado−
wanymi akumulatorami kwasowymi, może
wykorzystać sposoby impulsowe, w tym ta−
kie, że przez chwilę akumulator jest ładowany,
a później przez następną chwilę nieco rozłado−
wany. Profesjonaliści traktują takie akumula−
tory jako nieprzydatne, niespełniające warun−
ków, natomiast hobbyści często mają do czy−
nienia właśnie z takimi egzemplarzami, gdzie
właściwie każdy przypadek jest inny.
Gdy akumulator kwasowy jest rozłado−
wany całkowicie (do zera), elektrolitem jest
czysta, destylowana woda, która bardzo nie−
chętnie przewodzi prąd. Taki zupełnie rozła−
dowany akumulator podłączony do źródła
napięcia będzie się ładował znikomym prą−
dem o wartości... pojedynczych mikroampe−
rów. Nie znaczy to wcale, że akumulator jest
nieodwracalnie uszkodzony. Trzeba go po−
zostawić pod napięciem na dłuższy czas, na−
wet kilku dni. Jeśli to możliwe, warto
zwiększyć napięcie na akumulatorze nawet
dwukrotnie, włączając w szereg rezystor
ograniczający (np. 220
Ω
1W albo 47
Ω
5W).
W znacznej części akumulatorów po pew−
nym czasie prąd zacznie narastać i akumula−
tor zacznie się zachowywać normalnie, o ile
nie został wcześniej kompletnie uszkodzo−
ny. Niektóre głęboko rozładowane akumula−
tory kwasowe, pozostające całe miesiące
bez napięcia, dają się w ten najprostszy spo−
sób z powodzeniem reanimować i pomimo
zmniejszonej pojemności mogą być jeszcze
długo wykorzystane. Inne mają zwarte nie−
które cele albo odwrotnie, w ogóle nie chcą
„ruszyć” nawet przy kilkudniowym podłą−
czeniu do ładowarki. Napięcia ładowania
i rozładowania różnych tak reanimowanych
akumulatorów mogą nie do końca odpowia−
dać podanym wskazówkom. Wtedy infor−
macje z artykułu należy potraktować jako
wytyczne, a warunki ładowania i napięcia
końcowe danego egzemplarza dobrać do−
świadczalnie.
Przy wszelkich eksperymentach z akumu−
latorami kwasowymi należy przestrzegać
podstawowych reguł: Prąd ładowania nie po−
winien przekraczać 0,3C. W nowych akumu−
latorach na koniec cyklu ładowania napięcie
powinno wynosić:
dla trybu cyklicznego 14,4...15V
(2,45± 0,05V/ogniwo)
do trybu buforowego 13,5...13,8V
(2,275± 0,025V/ogniwo).
Dla dociekliwych
W publikacjach można znaleźć wskazówki,
że napięcie pracy buforowej i końcowe napię−
cie ładowania jednego ogniwa w trybie cy−
klicznym przy wzroście temperatury powinno
się
zmniejszać
ze
współczynnikiem
−3...−4 miliwoltów na stopień Celsjusza. Inne
źródła podają, że dla akumulatora 12V współ−
czynnik ten powinien wynosić –10mV/
o
C.
Materiały firmowe podają wartość −3...−
5mV/K odnoszącą się dla jednego ogniwa, co
dla akumulatora 12V da −18...−30mV/K, czyli
znacznie większą niż wspominane –10mV/K.
Jednocześnie materiały producentów aku−
mulatorów zawierają niedwuznaczne stwier−
dzenia, że przy eksploatacji akumulatora
w warunkach domowych, np. w centralce
alarmowej czy UPS−ie, nie ma potrzeby
wprowadzania obwodów kompensacji tem−
peratury. Średnia temperatura w ciągu roku
wynosi nieco ponad 20
o
C. Wystarczy usta−
wić niezmienne napięcie pracy buforowej.
Zalecana wartość to 2,275V/ogniwo, w żad−
nym wypadku nie więcej niż 2,5V/ogni−
wo (ma to być rzeczywiste napięcie akumu−
latora, a nie napięcie wyjściowe zasilacza bez
obciążenia, które może być nieco inne).
Jedynie gdyby akumulator miał pracować
w trudnych warunkach, w temperaturach wy−
kraczających poza zakres +5...+40
o
należy
uzależnić napięcie ładowania od temperatury,
stosownie do zaleceń producenta.
Jerzy Częstochowski
Document Outline