Ako sú nabíjačky batérií usporiadané a fungujú?

Akumulátory v elektrotechnike sa zvyčajne nazývajú chemické zdroje prúdu, ktoré sa môžu doplňovať, obnovujú spotrebovanú energiu v dôsledku aplikácie vonkajšieho elektrického poľa.

Zariadenia, ktoré dodávajú elektrinu do platní batérie, sa nazývajú nabíjačky: uvedú aktuálny zdroj do prevádzkyschopného stavu a nabijú ho. Na správne fungovanie batérie je potrebné uviesť zásady ich práce a nabíjačky.

Ako funguje batéria

Chemický recyklovaný zdroj prúdu počas prevádzky môže:

1. napájať pripojené zaťaženie, napríklad žiarovku, motor, mobilný telefón a ďalšie zariadenia, pričom sa spotrebúva elektrická energia;

2. spotrebovávajú externú elektrinu, ktorá je k nej pripojená, a vynakladajú ju na obnovu rezervy svojej kapacity.

V prvom prípade je batéria vybitá a v druhom nabitá. Existuje veľa dizajnov batérií, ale ich pracovné princípy sú bežné. Pozrime sa na túto otázku na príklade platní z niklu a kadmia umiestnených v roztoku elektrolytu.

Slabá batéria

Dva elektrické obvody pracujú súčasne:

1. externý, aplikovaný na výstupné svorky;

2. vnútorné.

Pri vybití na žiarovku vo vonkajšom aplikovanom obvode prúdi prúd z drôtov a vlákna tvoreného pohybom elektrónov v kovoch a anióny a katióny sa pohybujú elektrolytom vo vnútornej časti.

Oxid nikelnatý s pridaním grafitu tvorí základ kladne nabitej platne a na negatívnu elektródu sa používa kadmium z húb.

Keď je batéria vybitá, časť aktívneho kyslíka oxidov niklu sa prenesie do elektrolytu a presunie sa na platňu kadmia, kde ju oxiduje, čím sa zníži celková kapacita.

Nabíjanie batérie

Zaťaženie z výstupných terminálov na nabíjanie sa najčastejšie odstraňuje, aj keď v praxi sa tento spôsob používa, keď je záťaž pripojená, napríklad na batériu pohybujúceho sa automobilu alebo na nabitý mobilný telefón, o ktorom sa hovorí.

Svorky batérie sú napájané z externého zdroja s vyšším výkonom. Má tvar konštantnej alebo vyhladenej, pulzujúcej formy, prekračuje potenciálový rozdiel medzi elektródami, je s nimi unipolárne nasmerovaný.

Táto energia spôsobuje, že prúd prúdi vo vnútornom obvode batérie v opačnom smere, ako je výboj, keď sa častice aktívneho kyslíka „vytlačia“ von z kadmia huby a elektrolytom dorazia na svoje pôvodné miesto. Vďaka tomu sa obnoví spotrebovaná kapacita.

Počas nabíjania a vybíjania sa mení chemické zloženie dosiek a elektrolyt slúži ako prenosové médium pre priechod aniónov a katiónov. Intenzita elektrického prúdu prechádzajúceho vnútorným obvodom ovplyvňuje rýchlosť obnovenia vlastností dosiek počas nabíjania a rýchlosť vybíjania.

Zrýchlený tok procesov vedie k rýchlemu uvoľňovaniu plynov, nadmernému zahrievaniu, ktoré môže deformovať konštrukciu dosiek, narušiť ich mechanický stav.

Príliš malé prúdy počas nabíjania výrazne predlžujú dobu zotavenia spotrebovanej kapacity. Pri častom použití oneskoreného nabíjania sa zvyšuje sulfatácia doštičiek a kapacita sa znižuje. Pri vytváraní optimálneho režimu sa preto vždy prihliada na zaťaženie batérie a výkon nabíjačky.

Princípy fungovania lítium-iónových batérií sú uvedené tu:Zdroje chemického prúdu

Ako funguje nabíjačka

Súčasný sortiment batérií je rozsiahly.Pre každý model sa vyberajú optimálne technológie, ktoré nemusia byť vhodné, škodlivé pre ostatných. Výrobcovia elektronických a elektrických zariadení experimentálne študujú pracovné podmienky zdrojov chemického prúdu a pod nimi vytvárajú svoje vlastné výrobky, ktoré sa líšia vzhľadom, dizajnom a charakteristikami elektrického výstupu.

Štruktúry nabíjania mobilných elektronických zariadení

Rozmery nabíjačiek pre mobilné výrobky rôznych kapacít sa od seba výrazne líšia. Vytvárajú špeciálne pracovné podmienky pre každý model.

Aj pri rovnakých typoch batérií typu AA alebo AAA s rôznou kapacitou sa odporúča používať vlastný čas nabíjania v závislosti od kapacity a vlastností aktuálneho zdroja. Jeho hodnoty sú uvedené v sprievodnej technickej dokumentácii.

Určitá časť nabíjačiek a batérií pre mobilné telefóny je vybavená automatickou ochranou, ktorá na konci procesu vypne napájanie. Kontrola ich práce by sa však mala vykonávať vizuálne.

Nabíjacie štruktúry pre automobilové batérie

Pri používaní automobilových batérií určených na prácu v ťažkých podmienkach sa musí technológia nabíjania dodržiavať obzvlášť presne. Napríklad v zimnom období, v chladnom počasí, je potrebné pomocou pomocného elektrického motora - štartéra rozmotať studený rotor spaľovacieho motora pomocou zahusteného tuku.

Vybité alebo nesprávne pripravené batérie sa zvyčajne s touto úlohou nezaoberajú.

Empirické metódy odhalili vzťah nabíjacieho prúdu olovených kyselín a alkalických batérií. Považuje sa za optimálnu hodnotu náboja (ampéry) 0,1 hodnoty kapacity (ampérové ​​hodiny) pre prvý typ a 0,25 pre druhý typ.

Napríklad batéria má kapacitu 25 amp hodín. Ak je kyslý, musí byť nabitý prúdom 0,1 ∙ 25 = 2,5 A a pre zásadité - 0,25 ∙ 25 = 6,25 A. Na vytvorenie takýchto podmienok budete musieť použiť rôzne zariadenia alebo použiť jedno univerzálne zariadenie s veľkým množstvom funkcie.

Moderná nabíjačka pre olovené akumulátory by mala podporovať niekoľko úloh:

• riadi a stabilizuje nabíjací prúd;

• vziať do úvahy teplotu elektrolytu a zabrániť mu v zahrievaní viac ako 45 stupňov ukončením napájania.

Nevyhnutnou funkciou je možnosť vykonania kontrolného a školiaceho cyklu pre kyslú batériu automobilu pomocou nabíjačky, ktorá zahŕňa tri stupne:

1. úplné nabitie batérie na maximálnu kapacitu;

2. desaťhodinový prietok s prúdom 9 ÷ 10% menovitej kapacity (empirická závislosť);

3. Nabite vybitú batériu.

Pri vykonávaní CTC sa monitoruje zmena hustoty elektrolytu a čas dokončenia druhej fázy. Na základe svojej hodnoty posudzujú stupeň opotrebenia dosiek, trvanie zostávajúceho zdroja.

Nabíjačky pre alkalické batérie sa môžu používať v menej zložitých prevedeniach, pretože takéto súčasné zdroje nie sú tak citlivé na nedostatočné nabíjanie a nadmerné nabíjanie.

Graf optimálneho nabíjania kyslých alkalických batérií pre automobily ukazuje závislosť súpravy kapacitancií od formy zmien prúdu vo vnútornom obvode.

Na začiatku procesu nabíjania sa odporúča udržiavať prúd na maximálnej povolenej hodnote a potom znížiť jeho hodnotu na minimum pre konečné dokončenie fyzikálno-chemických reakcií, ktoré obnovujú kapacitu.

Aj v tomto prípade je potrebné regulovať teplotu elektrolytu a zavádzať zmeny a doplnenia týkajúce sa životného prostredia.

Úplné dokončenie cyklu nabíjania olovených batérií je riadené:

• obnovenie napätia na každej banke 2,5 ÷ 2,6 V;

• dosiahnutie maximálnej hustoty elektrolytu, ktorá sa prestáva meniť;

• vznik prudkého vývoja plynu, keď sa elektrolyt začne „variť“;

• dosiahnutie kapacity batérie, presahujúce 15 ÷ 20% hodnoty uvedenej pri vybíjaní.

Aktuálne formy nabíjačky batérií

Podmienkou nabíjania batérie je, že na jej platne by malo byť privedené napätie, čím by sa vo vnútornom obvode určitého smeru vytvoril prúd. Môže:

1. majú konštantnú hodnotu;

2. alebo sa môžu líšiť v čase podľa určitého zákona.

V prvom prípade fyzikálno-chemické procesy vnútorného reťazca prebiehajú nezmenené av druhom podľa navrhovaných algoritmov s cyklickým zvyšovaním a tlmením, ktoré vytvárajú oscilačné účinky na anióny a katióny. Na boj proti sulfatácii dosiek sa používa najnovšia technológia.

Časť časových závislostí nabíjacieho prúdu je ilustrovaná grafmi.

Dolný pravý obrázok ukazuje jasný rozdiel v tvare výstupného prúdu nabíjačky, ktorý pomocou tyristorového riadenia obmedzuje otvárací moment polvlny sínusoidy. Z tohto dôvodu je záťaž elektrického obvodu regulovaná.

Mnohé moderné nabíjačky samozrejme môžu vytvárať ďalšie formy prúdov, ktoré nie sú na tomto diagrame znázornené.

Zásady vytvárania obvodov pre nabíjačky

Na napájanie zariadení nabíjačiek sa zvyčajne používa jednofázová 220 voltová sieť. Toto napätie sa prevádza na bezpečné podpätie, ktoré sa privádza na vstupné svorky batérie prostredníctvom rôznych elektronických a polovodičových komponentov.

Existujú tri schémy na konverziu priemyselného sínusového napätia v nabíjačkách kvôli:

1. použitie elektromechanických transformátorov napätia pracujúcich na princípe elektromagnetickej indukcie;

2. použitie elektronických transformátorov;

3. bez použitia transformátorov založených na deličoch napätia.

Technicky je možná konverzia napätia invertora, ktorá sa bežne používa invertorové zváracie strojefrekvenčné meniče, ktoré riadia motory. Ale na nabíjanie batérií je to dosť drahé vybavenie.

Nabíjacie obvody so separáciou transformátora

Elektromagnetický princíp prenosu elektrickej energie z primárneho vinutia 220 voltov na sekundárne úplne oddeľuje potenciály napájacieho obvodu od spotrebovaného, ​​eliminuje jeho kontakt s batériou a poškodenie v prípade porúch izolácie. Táto metóda je najbezpečnejšia.

Schémy výkonových obvodov zariadení s transformátorom majú veľa rôznych vyhotovení. Na nasledujúcom obrázku sú uvedené tri princípy vytvárania rôznych prúdov výkonovej časti z nabíjačiek pomocou:

1. diódový mostík s vyhladzovacím zvlňovacím kondenzátorom;

2. diódový mostík bez vyhladenia vlnenia;

3. Jedna dióda, ktorá oddeľuje zápornú polovicu vlny.

Každá z týchto schém môže byť použitá nezávisle, ale obvykle jedna z nich je základom, základom pre vytvorenie iného, ​​pohodlnejším na ovládanie a riadenie podľa veľkosti výstupného prúdu.

Použitie súprav výkonových tranzistorov s riadiacimi reťazcami v hornej časti obrázka v diagrame umožňuje znížiť výstupné napätie na svorkách výstupného obvodu nabíjačky, čo umožňuje nastavenie hodnôt jednosmerných prúdov prechádzajúcich pripojenými batériami.

Jedna z možností pre túto konštrukciu nabíjačky s reguláciou prúdu je uvedená na obrázku nižšie.

Rovnaké pripojenia v druhom obvode umožňujú nastaviť amplitúdu zvlnenia a obmedziť ho v rôznych fázach nabíjania.

Rovnaký priemerný obvod efektívne pracuje pri nahradení dvoch protiľahlých diód v diódovom mostíku tyristormi, ktoré rovnako regulujú silu prúdu v každom striedavom pol cykle. A eliminácia negatívnych polovičných harmonických je priradená zvyšným výkonovým diódam.

Nahradenie jednej diódy na spodnom obrázku polovodičovým tyristorom so samostatným elektronickým obvodom pre riadiacu elektródu umožňuje zníženie prúdových impulzov v dôsledku ich neskoršieho otvorenia, ktoré sa používa aj na rôzne spôsoby nabíjania batérií.

Jedna z možností takejto realizácie obvodu je uvedená na obrázku nižšie.

Zostavenie vlastnými rukami nie je ťažké. Môže byť vyrobený nezávisle od dostupných častí, umožňuje nabíjať batérie prúdom až do 10 ampérov.

Priemyselná verzia obvodu nabíjačky transformátorov Electron-6 je založená na dvoch tyristoroch KU-202N. Na reguláciu otváracích cyklov polovičných harmonických má každá riadiaca elektróda vlastný obvod niekoľkých tranzistorov.

Medzi automobilovými nadšencami sú obľúbené zariadenia, ktoré umožňujú nielen nabíjanie batérií, ale aj využívanie energie 220 V elektrickej siete na jej paralelné pripojenie k naštartovaniu motora automobilu. Nazývajú sa odpaľovacie zariadenia alebo odpaľovacie zariadenia. Majú ešte zložitejší elektronický a výkonový obvod.

Obvody elektronických transformátorov

Výrobcovia vyrábajú takéto zariadenia na napájanie halogénových žiaroviek s napätím 24 alebo 12 voltov. Sú relatívne lacné. Niektorí nadšenci sa ich snažia pripojiť na nabíjanie batérií s nízkou spotrebou. Táto technológia však nie je široko rozvinutá, má značné nevýhody.

Nabíjacie obvody bez oddelenia transformátora

Ak je k zdroju prúdu zapojených niekoľko záťaží v sérii, celkové vstupné napätie sa rozdelí na časti komponentov. Vďaka tejto metóde pracujú rozdeľovače a vytvárajú na pracovnom prvku zníženie napätia na určitú hodnotu.

Na tomto princípe sa vytvára veľa nabíjačiek s odporovo-kapacitnými odpormi pre batérie s nízkou spotrebou. Vďaka malým rozmerom sú komponenty zabudované priamo do baterky.

Vnútorný elektrický obvod je úplne uzavretý v puzdre izolovanom od výroby, čo vylučuje kontakt človeka s potenciálom siete pri nabíjaní.

Mnoho experimentátorov sa snaží implementovať rovnaký princíp nabíjania autobatérií, ktorý ponúka schému pripojenia z domácej siete prostredníctvom zostavy kondenzátora alebo žiarovky s výkonom 150 wattov a výkonová diódavysielacie impulzy prúdu s rovnakou polaritou.

Podobné návrhy nájdete na webových stránkach domácich majstrov, ktorí oceňujú jednoduchosť obvodu, nízke náklady na súčiastky a schopnosť obnoviť kapacitu vybitej batérie.

Nehovorí však o tom, že:

• otvorené vedenie 220 predstavuje nebezpečenstvo pre ľudský život;

• Vlákno žiarovky pod napätím sa zahrieva, mení svoj odpor podľa zákona, ktorý je nepriaznivý pre priechod optimálnych prúdov batériou.

Pri zapnutom zaťažení prechádzajú studené nite a celá reťaz zapojená do série veľmi veľkými prúdmi. Okrem toho by sa nabíjanie malo ukončiť malými prúdmi, čo tiež nefunguje. Preto batéria, ktorá prešla niekoľkými sériami takýchto cyklov, rýchlo stráca svoju kapacitu a výkon.

Náš tip: túto metódu nepoužívajte!

Nabíjačky sú určené na prácu s určitými typmi batérií, berúc do úvahy ich vlastnosti a podmienky na obnovenie kapacity. Pri používaní univerzálnych multifunkčných zariadení by ste mali zvoliť režim nabíjania, ktorý je pre konkrétnu batériu optimálny.