Ранее мы ранее писали, как в вынужденных обстоятельствах, не имея полупроводниковых диодов, сделать выпрямитель из двух электролитических конденсаторов, воспользовавшись свойством односторонней проводимости этих конденсаторов.
Но под рукой может не оказаться и электролитических конденсаторов, а вопрос зарядки аккумулятора - делом жизни и смерти. Предполагаем, что напряжение 220 В переменного тока (или иное, более низкое, но тоже переменное) имеется. В начале 20-го века были популярны т.н. электролитические выпрямители, и электролитические конденсаторы здесь не при чем - название эти устройства получили от слова "электролит". На подобный выпрямитель в 1895 году был получен патент М. Поллаком, вариант выпрямителя с двууглекислой (питьевой) содой называется выпрямителем В. Миткевича.
Если на поверхности алюминия создать окисную пленку, в цепи электрического тока она будет проявлять свойства односторонней проводимости. Чтобы создать контакт с поверхностью пленки, необходим электролит, а для создания контакта с массой электролита - электрод из нейтрального по отношению к электролиту вещества - угольный, свинцовый, медный, из нержавеющий стали или, на худой конец, из обычной углеродистой стали, годится консервная банка.
Итак, берем алюминиевую кастрюльку (у нас нашлась емкостью 2 л), и кружку из нержавеющей стали емкостью 800 мл, вместе с ручкой умещающуюся в кастрюльке. Будь кружка чуть покрупнее, ручкой пришлось бы пожертвовать. Дно кастрюли изолируем прокладкой или крестовиной из непроводящего материала, на которую устанавливаем и закрепляем кружку, чтобы она не касалась стенок кастрюли.
От кастрюли и кружки делаются электрические отводы (достаточно плотной скрутки), конструкция ведь собирается на одно применение в экстремальных условиях. В кастрюльку заливается раствор пищевой соды из расчета 8 г на 100 мл воды, уровнем чуть ниже верхнего края кружки. Под нашу конструкцию нам понадобился литр раствора, итого в воде растворено 80 г соды.
Уже из описания конструкции (2 электрода из разных металлов в растворе электролита) становится ясно, что мы собрали гальванический элемент. И действительно, подключенный вольтметр показывает напряжение 0,5-1,5 В, "плюс" на стали, "минус" на алюминии. Но по мощности элемент никудышный - ток короткого замыкания оказывается равным всего нескольким миллиамперам.
Поскольку из заголовка следует, что конструкция "алюминиевая кастрюля-содовый раствор-стальная кружка"представляет собой вентиль, пригодный для выпрямления переменного тока, проверим его способность к выпрямлению, для чего снимем его вольт-амперную характеристику (ВАХ).
Для начала подключим к конструкции источник постоянного тока с регулируемым напряжением, + на сталь, – на алюминий, и отметим зависимость тока через элемент от напряжения на нем. График ниже.
Типичная характеристика прямой ветви вентильного элемента, аппроксимируется двумя отрезками прямых с напряжением отсечки 3,05 В. Как видим, через данную конструкцию может протекать значительный ток в 3 А при относительно невысоком падении напряжения на вентиле порядка 5 В.
Переполюсуем напряжение, подав "+" на алюминий, а "–" на сталь. Но снять обратную ветвь ВАХ не удастся - при небольшом напряжении на элементе удается добиться тока через него в 3 А, но ток начинает быстро, на глазах, уменьшаться.
Предвидя это явление, по мере уменьшения тока начинаем увеличивать напряжение на вентиле, одновременно уменьшая предел измерения амперметра. В итоге, через час, при обратном напряжении на вентиле в 100 В, ток через него составит всего 30 мА и перестает уменьшаться.
Что же произошло? Произошла т.н. формовка алюминиевого электрода, вследствие выделения на алюминиевом электроде кислорода он окисляется, на его поверхности образуется слой окиси алюминия, обладающий полупроводниковыми свойствами. Слой относительно устойчив, если его вновь не счистить абразивным материалом или не растворить сильным электролитом.
Теперь можно снять обратную ветвь ВАХ содового выпрямителя. График ниже.
Из обратной ветви ВАХ следует, что при обратном напряжении свыше 80-90 В резко возрастает обратный ток вентиля, что ограничивает работу подобного выпрямителя на больших напряжениях. Предельное напряжение зависит от состава электролита. Для серной кислоты оно всего 22 В, для питьевой соды 120 В, а для применявшегося в промышленных выпрямителях раствора фосфорно-калиевой соли - 200 В.
Для выпрямления сетевого напряжения 220 в необходимо включать последовательно 2 выпрямительные банки типа нашей (аналогично тому, как включают последовательно полупроводниковые диоды).
Попробуем зарядить аккумулятор GS 7-12, напряжением 12 В и емкостью 7,2 Ач. Предварительно полностью заряженный аккумулятор был разряжен на нагрузку, в качестве которой выступала лампа накаливания 36 В, 60 Вт, до конечного напряжения 10 В. Ток разряда при этом был порядка 1 А.
Для заряда аккумулятора была собрана нижеприведенная схема.
Источником переменного напряжения послужил источник питания лампы кинопроектора от отработавшей киноустановки "Украина". Ток зарядки был установлен согласно регламенту аккумулятора в 10% от его емкости в ампер-часах, т.е. для данного аккумулятора 0,72 А. Ток устанавливался не показанным на схеме лабораторным автотрансформатором, поначалу напряжение на входе выпрямителя потребовалось установить равным 20,5 В.
Собранный из подручных материалов вентиль оказался далеко не идеальным, ниже осциллограмма тока зарядки (срисовано с соблюдением масштаба с экрана осциллографа).
Сказывается как однополупериодное выпрямление, так и работа на противоЭДС (аккумулятор) с отсечкой, и значительный обратный ток применяемого вентиля - через нагрузку ток течет не только в прямом направлении, но и обратном. Но в целом, среднее значение тока через аккумулятор положительное, что и обеспечивает заряд. Подобный режим зарядки далеко не самый благоприятный для аккумулятора, но мы ведь заряжаем его в условиях отсутствия альтернативы. Также, по завершению эксперимента, в другой статье обсудим, возможно ли создание более дружественной схемы.
Убедившись через пару часов зарядки, что температура электролита не превышает 35 градусов (при максимально допустимой 50 градусов), мы увеличили напряжение на входе выпрямителя, добившись тока зарядки 1 А. При этом токе температура электролита достигла 47 градусов, и более не изменялась.
Предельный ток "содового" выпрямителя составляет 5 мА на 1 кв. см площади алюминиевого электрода. В нашем варианте высота слоя электролита составляет 8 см, а внутренний диаметр кастрюли 16 см, откуда полезная площадь алюминиевого электрода 3,14*16*8=402 (кв. см), а допустимый ток 402*5=2010 (мА), или 2 А.
Такой ток можно получить от нашего выпрямителя, но лишь в течение короткого времени, поскольку электролит перегреется (ниже покажем, что в нашей конструкции электролита недостаточно). При отборе от устройства большого тока целесообразно его периодически выключать, чтобы электролит остыывал.
Впрочем, возможно помещение всего устройства в большой сосуд с холодной водой или таз для охлаждения.
Существует другое правило по рекомендуемым размерам электролитического выпрямителя – объем электролита 1,5 литра на 1 кв. дм поверхности алюминиевого электрода. При электроде в 400 кв. см = 4 кв. дм требуется 4*1,5=6 литров электролита. У нас всего 1 литр, что и вызывает перегрев электролита и необходимость время от времени выпрямитель выключать при работе его на большую нагрузку.
При изготовлении электролитического выпрямителя "стандартной" любительской конструкции, популярной в начале прошлого века, с помещением плоских электродов в бутыль, рекомендуемое соотношение между площадью электродов и объемом электролита обычно соблюдалось.
Через 2 часа заряда током 1 А мы вновь снизили ток заряда до рекомендуемого 0,72 А, вплоть до полного заряда аккумулятора. С учетом 2-часового заряда аккумулятора током 1 А, общее время заряда составило 11 часов, т.е. мы заряжали аккумулятор по количеству ампер-часов. Другой вариант заряда - следить по ходу заряда за напряжением на аккумуляторе под током зарядки, но этот метод может подвести, если в процессе эксплуатации увеличилось внутреннее сопротивление аккумулятора.
По истечении 11 часов зарядки ЭДС аккумулятора составила 14 В.
В ходе заряда для поддержания постоянства зарядного тока приходилось постоянно регулировать напряжение на входе выпрямителя, что обусловлено отсутствием в цепи заряда ограничивающего резистора. Вариант с ограничивающим резистором мы проверили, но результат оказался неудовлетворительным. Дело в том, что сопротивление ограничивающего резистора складывается с прямым сопротивлением вентиля, и характеристики вентиля, и так не самые лучшие, существенно ухудшаются (уменьшается отношение обратного сопротивления к прямому), и увеличивается доля тока, протекающего в цепи зарядки в обратном направлении. График тока при включении в цепь заряда резистора сопротивлением порядка 10 Ом приведен ниже.
Поскольку у нас количество электролита недостаточное, вряд ли стоит эксплуатировать выпрямитель в дальнейшем, да и собирался он на одно применение. В электролите по завершению зарядки плавали какие-то хлопья, на дне осел осадок/шлам гидрата окиси алюминия. По верхнему краю электролита на алюминии появилась риска, откуда понятен совет погружать электроды в электролит полностью. Но аккумулятор оказался заряженным на славу, что было проверено контрольным разрядом.
Итак, никакого не должно быть сомнения, что с кастрюлей большего размера удастся зарядить током 5 А автомобильный аккумулятор до накопления в нем количества электричества, достаточного для неоднократного проворота стартера и запуска двигателя. А если нет кастрюли, в дело можно пустить весь наличный запас алюминиевых ложок. Да и армейские котелки давно уже не медные, а алюминиевые.
В другой статье коснемся особенностей формования алюминиевого электрода на переменном токе, и некоторых других особенностей электролитического выпрямителя, а также принципов построения схем без понижающего трансформатора, позволяющих заряжать аккумулятор непосредственно от сети 220 В.
