Пристрій і основні параметри
Стільникові телефони і портативні комп'ютери, радіостанції та радіотелефони, джерела безперебійного живлення, кінокамери і фотоапарати, ручні потужні інструменти, медичні прилади, різноманітне виробниче обладнання - ось далеко не повний перелік пристроїв, нормальна працездатність яких безпосередньо залежить від стану акумуляторів. У зв'язку з цим, знання характеристик, особливостей і умов експлуатації різних типів акумуляторів набуває особливого значення і є запорукою безвідмовної роботи мобільних пристроїв і портативного обладнання.
Якщо Ви цікаві і володієте деякими навичками по псування іграшок, придбаними ще в дитинстві, то вже напевно познайомилися з внутрішнім пристроєм свого колишнього в експлуатації акумулятора. Що ж там усередині? (Не раджу розбирати, це пов'язано з ризиком отримання фізичних ушкоджень). Взагалі то нічого особливого. Круглі або призматичні «батарейки», яких навалом в найближчому магазині, причому за значно нижчою ціною. Однак перше враження - оманливе. Перед Вами не просто батарейки, а акумулятори. І відрізняються вони від батарейок тим, що допускають (в силу оборотності протікають в них реакцій) багаторазові цикли розряду - заряду. У цьому їх перевага перед батарейками, але з іншого боку і «головний біль», яку вони приносять в разі втрати працездатності. І якщо з першими все просто: купив, вставив, виснажилися, викинув і купив нові, то з акумуляторами справа йде складніше. Для них послідовність дій інша: купив; підготував до роботи; користуєшся, дотримуючись правил експлуатації; і тільки коли вже зовсім не під силу - купуєш новий.
Отже, щоб не було нестерпно боляче за безцільно витрачені гроші, нижче інформація для цікавих і допитливих на тему: що потрібно знати про акумулятор для мобільних телефонів і портативних комп'ютерів.
Пристрій
Тут і далі мова піде про нікель-кадмієвих (NiCd), нікель-металгідридних (NiMH) і літій-іонних (Li-ion) акумуляторах.
Будь-акумулятор, як правило, складається з декількох одиничних елементів, з'єднаних послідовно для збільшення значення виробляється напруги і упакованих в загальний корпус. З конструкцією одиничного елемента акумулятора, наприклад нікель-металгідридних, з електрохімічними реакціями, що проходять всередині нього, і іншими корисними відомостями (англійською мовою) можна познайомитися на сайті фірми Panasonic , Завантаживши файл у форматі pdf Overview information on NiMH Batteries in PDF Format - 137KB .
Крім одиничних елементів акумулятори на основі нікелю містять всередині теплової запобіжник і датчик температури (останній в NiCd акумулятори може бути відсутнім). Тепловий запобіжник забезпечує безпеку при великих токах заряду, а вихідний сигнал датчика температури обробляється зарядним пристроєм. Залежно від значення температури «грамотне» зарядний пристрій забезпечує різні режими заряду акумулятора: швидкий, повільний і перемикання від одного до іншого.
Літій-іонні акумулятори крім теплового запобіжника і датчика температури містять спеціальну керуючу інтегральну схему і керуючі ключі. Все це в сукупності покликане захистити споживача від фізичних ушкоджень у разі порушення електричних режимів експлуатації акумулятора.
Основні параметри акумуляторів
Хай буде Вам відомо, що акумулятор, як електричний прилад, характеризується наступними основними параметрами: типом електрохімічної системи, напругою, електричною ємністю, внутрішнім опором, струмом саморозряду і терміном служби. Причому, в залежності від сфери застосування на перший план виступають то одні параметри, то інші. Наприклад, акумулятор для стільникових телефонів повинен оцінюватися за сукупністю значень трьох його основних характеристик: реальної ємності, внутрішнього опору і струму саморозряду, а акумулятор домашнього радіотелефону з радіусом дії до 100 метрів досить оцінити тільки по ємності і саморазряду. При недооцінці або ігноруванні будь-якого параметра або перебільшенні важливості одного з них (як правило, ємності) можна опинитися в ситуації «біля розбитого корита».
Напруга. Напруга акумулятора визначається тим пристроєм, для живлення якого він призначений. Якщо необхідне значення напруги не забезпечується одним елементом, то акумулятор збирається з декількох елементів, з'єднаних послідовно. Наприклад, в стільникових телефонах різних моделей використовуються акумулятори напругою 3,6 В (1 Li-ion елемент або 3 NiCd, або 3 NiMH елемента), 4,8 В (тільки 3 NiCd або 3 NiMH елемента), 6 В (тільки 5 NiCd або 5 NiMH елементів), 7,2 В (2 Li-ion елемента). Таким чином, якщо в телефоні можна використовувати 4 NiMH акумулятора загальним напругою 4,8 В (як, наприклад, в деяких останніх моделях фірми Ericsson), то використання в ньому Li-ion акумуляторів неможливо. Напруга акумулятора в процесі роботи не завжди. Воно максимально відразу після закінчення заряду, а потім в процесі роботи або зберігання зменшується. Зрештою, воно зменшується до такої величини, що стільниковий телефон не вмикається або автоматично вимикається. При оцінці стану акумулятора вимір його напруги необхідно проводити під навантаженням, на яку він розрахований.
Електрична ємність. Номінальна електрична ємність - це кількість енергії, яким акумулятор теоретично повинен володіти в зарядженому стані. Даний параметр аналогічний ємності будь-якого судини, наприклад, склянки. Так в стандартний гранований стакан можна налити 200 мл води (по ободок), в конкретний акумулятор можна закачати також лише цілком певну кількість енергії. Але визначається ця кількість енергії (ємність) не в момент закачування (заливання), а при зворотному процесі - розряді (виливання енергії) акумулятора постійним струмом протягом вимірюваного проміжку часу до моменту досягнення заданого порогового напруги. Вимірюється ємність відповідно в ампер-годинах (А • год) або міліампер-годинах (мА · год) і позначається буквою «С». Значення ємності вказується на етикетці акумулятора або зашифровано в позначенні його типу. Реальне значення ємності нового акумулятора на момент введення його в експлуатацію коливається від 80 до 110% від номінального значення і залежить: від фірми-виробника, умов і терміну зберігання та технології введення в експлуатацію. Теоретично акумулятор, наприклад, номінальною ємністю 1000 мА * год може віддавати ток 1000 мА протягом однієї години, 100 мА протягом 10 годин, або 10 мА протягом 100 годин. Практично ж, при високому значенні струму розряду номінальна ємність не досягається, а при низькому струмі - перевищується.
В процесі експлуатації ємність акумулятора зменшується. Швидкість зменшення залежить від типу електрохімічної системи, технології обслуговування в процесі роботи, використовуваних зарядних пристроїв, умов і терміну експлуатації. Використовуючи ту ж аналогію зі склянкою, можна сказати, що кількість наливається в стакан води буде зменшуватися, якщо будете наливати воду з великою кількістю механічних домішок, а зливати - відстояну. Тоді в склянці поступово буде накопичуватися осад, що зменшує його корисну ємність. В акумуляторі подібний «осад» утворюється в процесі циклів заряду / розряду.
Внутрішній опір. Внутрішній опір акумулятора (опір джерела струму) визначає його здатність віддавати в навантаження великий струм. Ця залежність підпорядковується закону Ома (згадайте курс шкільної фізики). При низькому значенні внутрішнього опору, акумулятор здатний віддати в навантаження більший піковий струм (без істотного зменшення напруги на його висновках), а значить і велику пікову потужність. У той час як високе значення опору призводить до різкого зменшення напруги на висновках акумулятора при різкому збільшенні струму навантаження. Такий колапс (зменшення) напруги характеризує «слабкість» зовні хорошого акумулятора, тому що запасена енергія не може бути повністю видана в навантаження.
Іншими словами, все вищесказане про внутрішній опір акумулятора може бути проілюстровано наступним чином. Уявімо собі, що Вам необхідно за годину полити садову ділянку з бака (акумулятор), який Ви раніше заповнили водою. При нормальному стані речей Ви підключаєте до зливного крана шланг, повністю відкриваєте кран і поливаєте ділянку протягом години до тих пір, поки вода в баку не закінчиться. А тепер припустимо, що зливний кран у вашого бака заклинило, відкрити його можна тільки чуть-чуть і вода сочиться з нього лише тоненькою цівкою. Начебто і вода в баку є (акумулятор заряджений), а нормально поливати неможливо. Кран в даному випадку грає роль внутрішнього опору для бака. Якщо струмінь з крана велика, то внутрішній опір бака мало, якщо - маленька - внутрішній опір бака велике.
Що маємо практично? Стільниковий телефон в режимі очікування споживає від акумулятора невеликий струм і пропускної здатності крана його акумулятора цілком вистачає для живлення телефону. Як тільки надходить вхідний дзвінок або Ви починаєте робити вихідний, телефону потрібно в десятки разів більше енергії для нормальної роботи в режимі передачі, тому потрібно збільшити пропускну здатність крана. Якщо кран - нормальний, то він пропустить через себе цей збільшений потік енергії, якщо його - заклинило, то - ні, і телефон відключається. Це особливо характерно для стільникових телефонів стандартів NMT, AMPS, транкових і звичайних радіостанцій, портативних комп'ютерів.
Внутрішній опір акумулятора залежить від типу його електрохімічної системи, ємності, числа елементів в акумуляторі, з'єднаних послідовно, і зростає до кінця терміну експлуатації.
Саморозряд. Явище саморазряда в більшій чи меншій мірі характерно для всіх типів акумуляторів і полягає у втраті ними своєї ємності після того, як вони були повністю заряджені. Для кількісної оцінки саморазряда зручно використовувати величину втраченої ними за певний час ємності, виражену у відсотках від значення, отриманого відразу після заряду. За проміжок часу, як правило, приймається інтервал часу, рівний однієї доби і одного місяця. Так, наприклад, для справних NiCd акумуляторів вважається допустимим саморозряд до 10% протягом перших 24 годин після закінчення заряду, для NiMH - трохи більше, а для Li-ion дуже малий і оцінюється за місяць. Слід зазначити, що саморазряд акумуляторів максимальний саме в перші 24 години після заряду, а потім значно зменшується.
Саморозряд акумуляторів залежить від якості використаних матеріалів, технологічного процесу виготовлення, типу і конструкції акумулятора. Він різко зростає при підвищенні навколишньої температури, пошкодженні внутрішнього сепаратора акумулятора через неправильне обслуговування і внаслідок процесу старіння.
Термін служби (термін експлуатації) акумулятора. Його прийнято оцінювати за кількістю циклів заряду / розряду, яке акумулятор витримує в процесі експлуатації без значного погіршення своїх основних параметрів: ємності, саморазряда і внутрішнього опору. Термін служби залежить від багатьох чинників: методів заряду, глибини розряду, процедури обслуговування або його відсутності, температури і електрохімічної природи акумулятора. Крім того, він визначається часом, що пройшов з дня виготовлення, особливо для Li-ion акумуляторів. Акумулятор, як правило, вважається що з ладу після зменшення його ємності нижче 80% від номінального значення.
Для більш детального і професійного ознайомлення з акумуляторами можна порекомендувати сайт фірми Panasonic [3], де наведені докладні довідкові дані та аналітичні матеріали про NiCd, NiMH, Li-ion акумулятор, вироблюваних цією фірмою (англійською мовою). На жаль, фірма не дала дозволу на переклад і публікацію цієї інформації російською мовою, пославшись на відсутність її представництва в Росії в цій області і неможливості оцінки переведених матеріалів. Але розміщені там відомості представляють певний інтерес як для розробників апаратури з живленням від акумуляторів, так і для користувачів, тому нижче наведено короткий перелік освітлюваних там питань:
- зовнішній вигляд;
- внутрішній пристрій;
- електрохімічні реакції, що відбуваються всередині акумулятора;
- особливості;
- п'ять основних характеристик: зарядні, розрядні, число циклів заряду / розряду, зберігання (саморазряд), безпеку з графіками і поясненнями;
- методи заряду;
- упаковка елементів в акумулятори;
- обережності при розробці пристроїв з акумуляторами.
При написанні статті використані матеріали, люб'язно надані паном Isidor Buchmann, засновником і главою Канадської компанії Cadex Electronics Inc. [1].
Більш детальна інформація російською мовою про акумулятор для мобільної техніки зв'язку, комп'ютерів та інших портативних приладів, поради по експлуатації та обслуговуванню приведені в [2]
ПОСИЛАННЯ
- Cadex Electronics Inc. , Vancouver, BC [British Columbia], Canada - розробник і виробник зарядних пристроїв, аналізаторів і систем обслуговування акумуляторів (англійською мовою).
- Акумулятори для мобільних пристроїв і портативних комп'ютерів . Аналізатори акумуляторів (російською мовою).
- Найдокладніші відомості про NiCd, NiMH і Li-ion акумулятори , Вироблених фірмою Panasonic (англійською мовою).
Що ж там усередині?
Що маємо практично?
