В электротехнике аккумулятором принято называть химический источник тока, способный возобновлять и восстанавливать затраченную энергию путем приложения внешнего электрического поля. Устройство, подводящее электрический ток к пластинам аккумулятора, называется зарядным устройством, которое приводит в движение и заряжает источник тока; для правильной эксплуатации АКБ необходимо ознакомиться с его работой и принципом действия зарядного устройства.
Как работают аккумуляторы? При включении химически перерабатываемого источника тока в работу 1. питает подключенные нагрузки, лампочки, двигатели, мобильные телефоны и другие электроприборы, потребляя ресурсы электрической энергии 2. он потребляет подключенную к нему внешнюю энергию для восстановления резервной емкости. В первом случае аккумулятор разряжается, во втором - заряжается. Существует множество конструкций аккумуляторов, но все они имеют один и тот же принцип работы. Рассмотрим эту проблему на примере никель-кадмиевой пластины, помещенной в электролит.
Разряд аккумулятора. Одновременно действуют две электрические цепи: 1. внешние цепи, приложенные к выходным клеммам; 2. внутренние. При разряде лампы ток течет по проволоке и нити накала, образующейся за счет переноса электронов в металле, во внешнюю цепь, а во внутренней цепи происходит перемещение анионов и катионов через электролит. Основу положительного электрода составляет оксид никеля плюс графит, а для отрицательного электрода используется губчатый кадмий.
При разряде батареи часть активного кислорода, содержащегося в оксиде никеля, переходит в электролит и кадмиевые пластины, где окисляется и снижает емкость. Зарядка аккумулятора В большинстве случаев зарядка нагрузки осуществляется путем ее отключения от выходных клемм, однако на практике такие нагрузки, как аккумулятор автомобиля во время движения или мобильный телефон во время зарядки, используются подключенными. На клеммы аккумулятора подается напряжение от внешнего источника большой мощности. Это напряжение имеет постоянный или сглаженный пульсирующий ток, превышает разность потенциалов между электродами и является однополярным по отношению к электродам. Под действием этой энергии ток во внутренней цепи аккумулятора протекает в направлении, противоположном разряду, "выдавливая" активные частицы кислорода из губчатого кадмия через электролит в исходное положение.
При этом происходит восстановление использованной емкости. В процессе зарядки и разрядки изменяется химический состав пластин, а электролит выступает в качестве среды для прохождения анионов и катионов. Сила тока, протекающего по внутренней цепи, влияет на скорость восстановления свойств пластин при заряде и скорость разряда. Ускоренное протекание процесса может привести к быстрому выделению газов, перегреву, деформации структуры пластины и ухудшению механического состояния. Если ток во время зарядки слишком мал, то время восстановления использованной емкости значительно увеличивается. Частое использование медленной зарядки увеличивает сульфатацию пластин и снижает их емкость.
Поэтому для создания оптимального режима всегда следует учитывать нагрузку на аккумулятор и мощность зарядного устройства. Как работает зарядное устройство? Существует очень широкий спектр типов аккумуляторов. Каждая модель имеет ряд технологий, которые несовместимы с другими или вредны. Производители электроники и электрооборудования экспериментируют с условиями работы химических источников тока и создают под них свои изделия, которые отличаются по внешнему виду, конструкции и выходным электрическим характеристикам. Конструкции зарядных устройств для мобильных электронных устройств Габаритные размеры зарядных устройств для мобильных изделий различной мощности существенно отличаются друг от друга. Это создает особые условия эксплуатации для каждой модели. В зависимости от емкости и характеристик источника тока рекомендуется использовать соответствующее время зарядки для разных емкостей одних и тех же аккумуляторов AA или AAA. Значения указаны в прилагаемой технической документации. Некоторые зарядные устройства для мобильных телефонов и аккумуляторов оснащены функцией автоматической защиты, которая отключает их по завершении процесса. Однако процесс все равно следует проверять визуально. Структура зарядки автомобильных аккумуляторов Особое внимание технологии зарядки следует уделять при использовании автомобильных аккумуляторов, рассчитанных на эксплуатацию в сложных условиях. Например, в зимние морозы их следует использовать для вращения роторов холодного двигателя внутреннего сгорания с загустевшим смазочным маслом через промежуточный электродвигатель - стартер. Разряженные или неправильно подготовленные аккумуляторы с этой задачей, как правило, не справляются. Эмпирическими методами показано, что существует зависимость между зарядными токами свинцово-кислотных и щелочных аккумуляторов. В общем случае оптимальное значение заряда (ампер-час) в 0,1 раза превышает значение емкости (ампер-час) для первых и в 0,25 раза для вторых. Например, предположим, что емкость аккумулятора составляет 25 ампер-часов. Его необходимо заряжать током 0,1,25 = 2,5 А для кислотных аккумуляторов и 0,25,25 = 6,25 А для щелочных. Для создания этих условий необходимо использовать различные устройства или применять универсальные приборы с большим количеством функций. Современные зарядные устройства для кислотно-свинцовых аккумуляторов должны решать целый ряд задач: Контроль и стабилизация зарядного тока; Предотвращение нагрева выше 45°С с учетом температуры электролита и отключение источника питания. Возможность контроля и проведения тренировочных циклов на автомобильной кислотной батарее с помощью зарядного устройства является необходимой функцией, включающей три этапа: 1. полная зарядка батареи до достижения ею максимальной емкости; 2. разрядка батареи в течение 10 часов током, составляющим 9-10% от номинальной емкости (эмпирическая зависимость); 3. подзарядка разряженной батареи. В процессе КТК контролируется изменение плотности электролита и время завершения второго этапа. По этим значениям определяется степень износа пластин и остаточный ресурс. Зарядные устройства для щелочных аккумуляторов не очень сложны по конструкции, так как они менее чувствительны к перезаряду и недозаряду. График оптимального заряда кислотно-щелочных аккумуляторов для автомобильного применения показывает зависимость прироста емкости от формы изменения тока во внутренней цепи. В начале процесса технического заряда рекомендуется поддерживать ток на максимально допустимом значении, а затем снижать его до минимального значения для окончательного завершения физико-химических реакций, восстанавливающих емкость. При этом еще необходимо контролировать температуру электролита и применять компенсацию окружающей среды. Полное завершение цикла заряда свинцово-кислотной батареи контролируется следующим образом: Восстановление напряжения в каждой банке до 2,5-2,6 вольт; Достижение плотности электролита до максимального значения и прекращение обмена; Быстрое газовыделение, когда электролит начинает "кипеть"; Емкость батареи должна превышать значение при разряде на 15-20%. Характер тока зарядного устройства Необходимыми условиями для заряда батареи являются подача напряжения на ее пластины и протекание тока в постоянном направлении по внутренним цепям. Это. 1. имеет постоянную величину; 2. или изменяется во времени по определенным законам. В первом случае физико-химические процессы внутренней цепи инвариантны; во втором - оказывают колебательное воздействие на анионы и катионы с периодическими увеличениями и уменьшениями по предложенному алгоритму. Последний прием используется для борьбы с сульфатацией пластин. Принципы построения схемы зарядного устройства Для питания зарядного оборудования обычно используется однофазная сеть напряжением 220 вольт. Это напряжение преобразуется в безопасное низкое напряжение и через различные электронные и полупроводниковые компоненты подается на входные клеммы аккумулятора. Схемы компонентов блока питания для трансформаторного оборудования включают в себя различные варианты исполнения. Приведенная ниже схема иллюстрирует три принципа формирования различных токов компонентов источника питания от зарядного устройства: 1. Диодный мост со сглаживающим пульсации конденсатором; 2. диодный мост без сглаживания пульсаций; и 3. одиночный диод, блокирующий отрицательную полуволну. Каждая из этих схем может быть использована самостоятельно, но одна из них обычно служит основой для другой схемы, более подходящей для работы и управления величиной выходного тока. С помощью набора силовых транзисторов с управляющей цепочкой в верхней части схематического рисунка можно уменьшать выходное напряжение на контактах выхода зарядной цепи и регулировать величину постоянного тока, проходящего через подключенную батарею. Промышленный вариант схемы трансформаторно-зарядного устройства "Электрон-6" выполнен на базе двух тиристоров КУ-202Н.
Для регулирования полугармонических циклов открытия каждого управляющего электрода создана отдельная схема, состоящая из нескольких транзисторов. Популярностью среди накопителей пользуются устройства, которые могут не только заряжать аккумулятор, но и подключаться параллельно к сети 220 вольт и запускать двигатель автомобиля. Такие устройства называются стартерными. Они оснащены более сложной электроникой и схемами питания. Электронные трансформаторы. Такие устройства выпускаются производителями для подачи напряжения 24 или 12 вольт на галогенные лампы. Они относительно недороги. Отдельные энтузиасты пытаются подключать их для зарядки маломощных аккумуляторов. Однако эта технология не получила широкого развития и имеет существенные недостатки. Зарядные устройства разрабатываются для конкретных типов аккумуляторов с учетом их характеристик и требований к восстановлению емкости. При использовании универсального оборудования следует выбирать соответствующий режим зарядки для конкретной батареи.
