Versiegelte Blei-Säure-Batterien in der Amateurfunkpraxis. Enzyklopädie der Funkelektronik und Elektrotechnik

Lexikon der Funkelektronik und Elektrotechnik / Ladegeräte, Batterien, galvanische Zellen

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1. Erst Lebkuchen, dann Peitschen ...

Versiegelte Blei-Säure-Batterien (SLA) sind die kostengünstigste sekundäre (wiederaufladbare) Energiequelle. Erschwinglich bedeutet in der aktuellen Wirtschaft erstens die Verfügbarkeit von Standardbatterien mit einer Spannung von 6V und 12V, mit einer Kapazität von einem bis tausend Ah, und zweitens, dass für 1 Evergreen-C.E. Sie können zwischen 1.5 und 6 Wh Nennkapazität kaufen. Die kleinere Zahl entspricht kleinen Batterien, die größere Zahl großen.

Was ist sonst noch positiv? Relativ langsame Selbstentladung (nicht mehr als 5 % Kapazität pro Monat bei Raumtemperatur), relative Haltbarkeit unter der Bedingung flacher Entladezyklen. Mangel an „Speicher“ (charakteristisch für Nickel-Cadmium-Batterien). Eine ständige „Erhaltungsladung“ im Standby-Modus ist erlaubt (so funktionieren Autobatterien).

Im Vergleich zu nassen Blei-Säure-Batterien profitieren versiegelte Batterien natürlich von der Betriebssicherheit (keine schädlichen Dämpfe, Betrieb in jeder Lage ist akzeptabel). Und doch ist eine versiegelte Batterie für die Ladebedingungen weniger kritisch, es ist schwieriger, sie mit einer ungebildeten Ladung zu zerstören. Tatsache ist, dass der Gelelektrolyt so gewählt ist, dass die Batterie (aus Sicht eines Chemikers) nie vollständig aufgeladen ist. Daher kommt es beim Aufladen nicht zu einer Gasfreisetzung, da einfach kein Nachladen stattfindet. Dies bedeutet nicht, dass Sie die Steuerung des Lademodus vergessen können. Es ist verboten. Mehr dazu später.

Was ist negativ? Erstens niedrige spezifische Kapazität – 25..35 Wh pro Kilogramm Masse oder 60..100 Wh pro Liter Volumen. Zweitens eine deutliche Verkürzung der Batterielebensdauer bei Tiefentladezyklen sowie bei systematischer Entladung mit hohen Strömen. Drittens die erhebliche Abhängigkeit von Spannung und Innenwiderstand von der Zyklustiefe.

2. Über vorzeitiges Alter

Terminologie: In der Praxis ist die Bezeichnung üblich Entladungsintensität in Form dimensionsloser „C-Einheiten“. 1C (one-tse) entspricht numerisch der Batteriekapazität bei 20-stündiger Entladung durch Gleichstrom. Eine vollständige Entladung ist definiert als eine Entladung auf 1.8 V pro Zelle bei Raumtemperatur (d. h. bis zu 5.4 und 10.8 V für 6-V- und 12-V-Batterien). Als untere Grenze wurde empirisch der Wert von 1.8V ermittelt, bei dessen Unterschreitung durch einen Strom von 0.05C eine irreversible vorzeitige Alterung der Batterie einsetzt.

Wenn also für eine Batterie experimentell ermittelt wird, dass zum Entladen von einem vollständig geladenen Zustand (20–2.1 V pro Zelle) auf 2.3 V pro Zelle in 1.8 Stunden ein Entladestrom von 150 mA erforderlich ist, dann ist dies die Nennkapazität Der Akku ist auf 3.0 Ah (=0.15A * 20h) eingestellt.

Die Stromstärke von 1C entspricht bei dieser Batterie einem Entladestrom von 3A, 2C - einem Entladestrom von 6A usw. Wenn die Entladung auf das Erreichen einer vorgegebenen Mindestspannung von 10.8 V begrenzt wird, stellt sich heraus, dass die tatsächliche Kapazität bei einem Strom von 1 C im Vergleich zur Nennkapazität etwa halbiert wird (siehe Grafik). Die irreversible Alterungsschwelle bei hoher Entladungsintensität (1 °C und mehr) wird dagegen deutlich reduziert – bis zu 8 V.

Wiederholtes Entladen der Batterie auf Spannungen unterhalb der gestrichelten Linie führt zum Batterieausfall.

In der Praxis arbeiten SLAs in zwei Modi – Puffer und zyklisch. Im Pufferbetrieb ist der Akku permanent mit dem Ladegerät verbunden. Wenn im Stromnetz Spannung anliegt, steht die Batterie nach dem Laden für längere Zeit unter dem Einfluss der Ladeschlussspannung. Der geringe Strom, der durch die Batterien fließt, gleicht die Selbstentladung der Batterie aus und hält die Batterie jederzeit voll aufgeladen. Bei einem Stromausfall im Stromnetz wird die Batterie an die angeschlossene Last entladen. Die Pufferbetriebsart ist typisch für unterbrechungsfreie Stromversorgungssysteme für Gleich- und Wechselstrom, die häufig für Computer, Kommunikation und kontinuierliche Produktion eingesetzt werden. Und auch - Autobatterien während des regulären Betriebs des Autos.

Beim Radfahren wird der Akku geladen und anschließend vom Ladegerät getrennt. Der Akku wird bei Bedarf entladen. Der zyklische Betriebsmodus wird beim Betrieb verschiedener tragbarer oder transportabler Geräte verwendet: elektrische Lampen, Kommunikationsgeräte, Messgeräte. Batteriehersteller geben in der Spezifikationsliste üblicherweise an, für welche Betriebsart eine bestimmte Batterie vorgesehen ist.

Wenn Sie sich also dafür entscheiden, die Filamente in einem Röhrenverstärker mit Batterien zu versorgen, dann ist dies ein zyklischer Modus (wie schön zu wissen, dass Sie Ihr ganzes Leben lang Prosa gesprochen haben ...). Bedeutet das aber, dass man den Akku einfach bis zum maximal zulässigen Wert entladen kann? Lampen 5.7 oder 11.4V? Auch wenn dieser Modus offensichtlich sicherer ist als das Entladen auf „Notfall“ 5.4 oder 10.8 V, führt eine falsche Wahl des Akkus zu ausreichend tiefen Entladezyklen und verkürzt dadurch seine Lebensdauer..

Zyklustiefe Die Entladung ist definiert als das Verhältnis der der Last tatsächlich zugeführten Amperestunden zu den Amperestunden, die der Entladung bis zur Schwelle der irreversiblen Alterung entsprechen. Die Amperestunden im Nenner stimmen nur bei einer Entladungsintensität von 0.05 °C mit der Nennkapazität überein. In der Praxis wird als Nenner die Nennkapazität verwendet (zumal der konstante Entladestrom lediglich eine ideale Näherung darstellt).

Die Tiefe des Zyklus (wenn er von Zyklus zu Zyklus wiederholt wird) bestimmt die Lebensdauer der Batterien. Bei einer Zyklentiefe von 100 % wird die SLA-Lebensdauer 200–300 Zyklen nicht überschreiten. Als Referenz: Autobatterien mit flüssigem Elektrolyt überstehen selten mehr als 20 Tiefenzyklen. Bei einer Zyklentiefe von 30 % verdreifacht sich ihre Anzahl. Der berühmte Optima garantiert das Überleben mit 100 „Null“-Zyklen (der Autor besitzt eine solche Batterie seit dem vierten Jahr, aber es gab noch nie einen einzigen tiefen „Null“-Zyklus ...).

3. Beispiel aus dem wirklichen Leben

Jetzt lasst uns zählen. Jeder Verstärkerkanal verfügt über ein Paar 6S4S-Lampen (6 V, 2 A). Es muss eine Mindestbetriebszeit von 8 Stunden zwischen den Ladevorgängen gewährleistet sein. In diesem Fall sollte die Spannung nicht unter 5.7 V fallen (gemäß den Spezifikationen der Lampe), die Zyklentiefe beträgt nicht mehr als 50 %. Aus der letzten Anforderung folgt, dass die Batteriekapazität mindestens 32A * h pro Kanal beträgt (= 2A * 8 h / 50 %). Die Entladeintensität einer solchen Batterie beträgt 0.06C (= 32A * h / 2). Aus der Grafik geht hervor, dass die Spannung in 8 Stunden auf nur 12.0-12.2 V sinkt. Es gibt Vorrat! Aber nur mit einer frischen Batterie. Wenn Sie nicht vergessen, es rechtzeitig aufzuladen, sinkt die Spannung nach etwa 500 Zyklen (eineinhalb Jahre täglicher Freude) in 8 Stunden auf die gleichen 5.7 V, wenn nicht noch schlimmer ... Stellen Sie die Automatisierung auf Bei unzureichender Spannung ausschalten, unbedingt einstellen! 32A*h liegen übrigens verdächtig nahe am Wert der Kapazität einer Autobatterie (50-65 A*h). Ab einer Stromstärke von 2A ist eine wartungsfreie Autobatterie also eine für den Preis durchaus sinnvolle Alternative. Sie haben Probleme mit der Umwelt und der Sicherheit. Wenn andererseits eine große Batterie nicht in das Design passt, ist es völlig sicher, mehrere kleinere Batterien parallel zu schalten (vorzugsweise, aber nicht notwendig – derselben Serie, eines Herstellers, eines „Alters“ ab Betriebsbeginn). ).

Oder versuchen Sie es vielleicht mit dem Puffermodus (Standby-Modus), um das Gerät kontinuierlich und ohne Automatisierung aufzuladen? Kippschalter nach oben – die Batterie ist entladen, die Lampen leuchten, der Kippschalter ist nach unten – es liegt Ladung an, die Lampen ... sind von den Batterien getrennt! Der normale Lademodus ist ein Laden mit einer konstanten Spannung von 2.4–2.5 V pro Glas, an den 6-V-Batterieklemmen liegen bis zu 7.5 V an – die Lampen halten nicht lange (insbesondere, wenn die Anodenstromversorgung ausgeschaltet ist).

Im Pufferbetrieb ist die Batterielebensdauer stark von der Temperatur abhängig. Als günstigste Temperatur für die Batterie gilt eine Temperatur von 15-20 Grad Celsius. Eine Temperaturerhöhung um 10 Grad verkürzt die Batterielebensdauer um die Hälfte. Die Abbildung zeigt eine typische Abhängigkeit der Ressource von der Temperatur für Batterien mit einer geschätzten Lebensdauer von 5–7 Jahren. Zusammenfassung: Legen Sie Batterien nicht in das gleiche Gehäuse wie Lampen, Pentiums usw. heiße Gegenstände. Sie fragen sich – wie sieht es unter der Motorhaube eines Autos aus? Nun ja, erstens ist eine Autobatterie speziell für einen weiten Temperaturbereich ausgelegt, und zweitens ist die Wärmekapazität der Batterie so hoch, dass es nicht einfach ist, sie zu erwärmen sogar unter der Haube.

Im genannten Beispiel beträgt die Lebensdauer einer Filamentbatterie bei 50 % Tageszyklen eineinhalb Jahre. Und es geht noch mehr? Unter realen Betriebsbedingungen stationärer Batterien muss bei einer großen Anzahl getesteter Entladungen mit einer Verkürzung der Batterielebensdauer gerechnet werden. Bei 5-Jahres-Batterien beträgt die tatsächliche Lebensdauer nicht mehr als 3 Jahre, wenn die Batterie durchschnittlich eine 30-prozentige Entladung pro Tag oder eine vollständige Entladung pro Woche erfährt.

4. Erfahren Sie mehr über die Gebühr

Der beste Batterielademodus mit geringer Entladetiefe (nicht mehr als 75 %) ist die konstante Ladung Stromspannung. Verschiedene Hersteller geben leicht unterschiedliche Werte an, die allgemein akzeptierte Spannung beträgt 2.4 V pro Zelle bei zyklischer Ladung (14.4 V für eine 12-V-Batterie). Im Puffermodus kann die Spannung niedriger sein, nämlich 2.3 V pro Zelle.

Beim Laden einer vollständig entladenen Batterie führt dieser Modus zu einer anfänglichen Stromüberlastung, sodass ein kombinierter Strom- und Spannungsbegrenzungsmodus verwendet wird. Es wird allgemein als IU-Lademodus bezeichnet. Eine entladene Batterie wird zunächst mit Gleichstrom aufgeladen, der rechnerisch (in Ampere) 0.1–0.3 der Nennkapazität der Batterie (in Amperestunden) nicht überschreitet. Beispielsweise sollte bei einer Batterie mit einer Kapazität von 100 A * h der Ladestrom 10-30 Ampere nicht überschreiten. Wenn die Batterie aufgeladen wird, steigt die Spannung an der Batterie (bei konstantem Strom). Nachdem die Spannung an der Batterie die endgültige Ladespannung erreicht hat, beginnt der Ladestrom zu sinken, sodass die Spannung unverändert bleibt.

Die Ladeschlussspannung beträgt bei einer Temperatur von 20 Grad Celsius 2.25-2.3 Volt pro Batteriezelle. Bei einer Batterie mit einer Nennspannung von 12 V (6 Zellen) beträgt die endgültige Ladespannung 13.5–13.8 V. Spannung bis zu 2.2–2.25 V bei einer Temperatur von 40 Grad. Durch den Einsatz einer solchen Temperaturkompensation der Ladespannung lässt sich die Batterielebensdauer bei 2.35 Grad Celsius um 2.4 % verlängern.

Um einen entladenen Akku vollständig aufzuladen, wird empfohlen, ihn innerhalb von 24 Stunden aufzuladen. Ist bei zyklischem Betrieb eine schnellere (innerhalb von 8-10 Stunden) Akkuladung erforderlich, wird die Ladeschlussspannung auf 2.4-2.48 V/Zelle (bei 20 Grad Celsius) erhöht und die Ladezeit entsprechend begrenzt Überprüfen Sie vor dem Laden die verbleibende Ladung des Akkus.

Hier ist ein Beispiel einer ähnlichen Anleitung für eine Fiamm GS-Batterie (Quelle - slt.ru):

Ladegerät mit konstanter Ladespannung In der Anfangsphase des Batterieladens wird ein relativ großer Strom angelegt. Wenn die Batteriespannung den eingestellten Wert erreicht, schaltet das Ladegerät vom Konstantstrommodus in den Konstantspannungsmodus um. Während dieser Phase beginnt der Ladestrom auf das Niveau des minimalen Ladestroms, des sogenannten Float-Stroms, abzusinken. Die in der Tabelle angegebenen Werte gelten als Standard.

Elektrische Richtwerte für das Ladegerät mit konstanter Ladespannung

 Notes: Bei Akkus, die im zyklischen Betrieb betrieben werden, empfiehlt sich die Verwendung eines Sensors, der den Ladevorgang bei Erreichen eines voreingestellten Spannungswertes unterbricht, oder eines Timers. Der Temperaturkoeffizient muss berücksichtigt werden, wenn der Akku mit geladen wird Temperaturen unter +10⁰C oder über +30⁰С

Boost-Ladesystem (nur Fahrradbatterien)Beim Schnellladen der Batterie müssen Geräte verwendet werden, die mit einer Temperaturkompensationseinheit und einer Thermosicherung ausgestattet sind, um eine Unterladung der Batterie bei niedrigen Temperaturen oder eine Überhitzung der Batterie bei hohen Umgebungstemperaturen zu verhindern.

Die Richtwerte elektrischer Größen für den Modus der beschleunigten Batterieladung sind in der Tabelle angegeben:

Notes: Die Batterie muss mit einem Thermostat oder einer Thermosicherung ausgestattet sein oder es muss eine Zeitschaltuhr verwendet werden, um den Ladevorgang rechtzeitig zu stoppen. Der maximale Wert des Anfangsladestroms für Batterien mit einer Kapazität von mehr als 10 Ah muss der folgenden Beziehung entsprechen: I = C maximal

Beachten Sie den letzten Absatz. Er ist es wert. Vor allem, wenn viele Akkus in einem schlecht belüfteten Kasten eingemauert sind – auch bei normalem (nicht beschleunigtem) Laden ist eine Überhitzung möglich, zwar nicht katastrophal, verkürzt aber dennoch die Lebensdauer der Akkus.

5. Einfaches Ladegerät (langsames Laden IU)

Zum Laden kleiner Batterien ist eine typische Schaltung auf dem IC der Familien LM117, LM 196, LM317 (142EN12, 1151EN1, 1157EN1) am bequemsten. Quelle – „Mikroschaltungen für lineare Stromversorgungen“, M, Dodeka, 1998, S. 97, 122 usw.).

Die Strombegrenzungsschwelle wird durch R4 eingestellt (unter Berücksichtigung des zulässigen Stroms und der Verlustleistung der Mikroschaltung). Wenn in der Praxis eine Stromversorgung für einen bestimmten Batterietyp direkt in das Gerät eingebaut ist – eine Einstellung der Strombegrenzung ist nicht erforderlich – ist es möglich, die Strombegrenzungsschaltung (T2) vollständig zu eliminieren, indem diese Funktion auf den Ausgangswiderstand des Geräts übertragen wird Netzteilfilter.

Bei hohen Strömen ist es bequemer, diskrete Stabilisatoren mit Durchgangs-N-MIS oder zusammengesetzte NPN-Transistoren zu verwenden, die von einem integrierten Stabilisator gesteuert werden. Die Unannehmlichkeiten von MIS – einer relativ hohen Schwellenspannung – bei Speichergeräten mit geringem Stromverbrauch werden durch Erhöhen der Spannung der Hauptstromquelle (einzeln) gelöst, bei leistungsstarken Geräten (siehe Abbildung) – durch einen Spannungsverdoppler.

(zum Vergrößern klicken)

Die Nennwerte der Spannungsreglerteiler (IC1) gelten für 6-V-Batterien, die Nennwerte der Filterkapazitäten und Stromreglerwiderstände (T2) gelten für Ladeströme von maximal 2.5 A, was für Batterien mit einer Kapazität von bis zu ausreichend ist 10-15 A*h. Transformator für Ausgangsspannung 9V xx, Strom 5A. Schaltbare Shunts im T2-Basis-Emitter-Kreis legen die Ladestrombegrenzung fest. Diode D11 – eine Schottky-Diode für einen Strom von mindestens 10 A – schützt vor Batterieumpolung. Bei der Einstellung geht es darum, die Stabilisierungsspannung auf ein Lastäquivalent von 10 Ohm (R6) einzustellen und R5-Shunts auszuwählen.

6. Negative Spannungsquelle im Auto

Zur Stromversorgung von Frequenzweichen usw. Geräte an einen Operationsverstärker mit Direktanschluss anschließen, können Sie eine einfache gepulste negative Spannungsquelle anschließen. Oder noch besser: eine Batterie. Viel besser! Aber diese Batterie sollte nicht 12, sondern 6 Volt haben. Lassen Sie mich erklären. Höchstwahrscheinlich liefert diese Batterie fast immer Strom, wenn der Motor läuft. Und es kann nur auf dem Parkplatz aufgeladen werden. Es ist jedoch nicht möglich, einen 12-V-Bleiakku über einen anderen 12-V-Akku aufzuladen. Dabei handelt es sich nicht einmal um ein Pufferregime, sondern um einen Hungerstreik. Wir brauchen einen Generator, der 14 V erzeugt, aber wo bekomme ich den her, auf dem Parkplatz ...

Um eine Frequenzweiche mit einem Stromverbrauch von 20 mA zu betreiben, reicht ein 6-V-Akku mit 1.2 Ah (etwas größer als eine Zigarettenschachtel). Lademodus IU (200 mA, 7.2 V). Bei ausgeschaltetem REMOTE-Signal wird die Batterie ständig über das Bordnetz geladen (Minus gegen Masse, Plus gegen den Stabilisatorausgang – der Zustand der Optokoppler wie im Diagramm dargestellt). Wenn das REMOTE-Signal eingeschaltet ist, wird die Batterie durch Plus auf Masse und Minus auf die Last (Op-Amp-Leistungsbus) geschaltet. Der Ladestrom wird durch den Widerstand R3 auf 75 mA begrenzt. Ein vollständig geladener Fiamm 10121-Akku in diesem Modus verbraucht bei Raumtemperatur etwa 15 mA aus dem elektrischen System. Die R7-T1-Kette blockiert die Batterieentladung zum R5-R6-Teiler, wenn sie vom Bordnetz getrennt ist (es wird natürlich davon ausgegangen, dass REM IN entfernt und die Batterielast getrennt ist). Stromaufnahme am REMOTE-Bus 20mA. Der Timer D1-C1-R1-IC1-IC2-FU1 verzögert die Übertragung des REM IN-Signals an den Ausgang um 2 Sekunden. Der Widerstand R0 wird nur zum Entladen der Kapazität des Timers benötigt, in praktischen Schaltungen kann er weggelassen oder durch eine Anzeigeschaltung mit LED ersetzt werden. Dioden D1-3 - beliebig für Gleichstrom 1A.

Die Optokoppler KR293KP9A, KR293KP3A können durch beliebige MIS-Optokoppler für einen Strom von mindestens 200 mA (293KP mit dem Buchstaben A) ersetzt werden. Beim Wechseln der Batterie mit dem Optokoppler KR293KP9A mit „gegenphasigen“ Tasten in einem Gehäuse habe ich den Durchgangsstrom beim Umschalten nicht beobachtet, beim Austausch mit anderen Optokopplern sollte man darauf achten, dass dieser nicht vorhanden ist. Sicherungen FU1, FU2 – selbstrückstellend für einen Auslösestrom von 200 mA. Beim Leistungsfilter am Ausgang der -6V-Quelle sollte man sich auf die minimale Kapazität beschränken, um die Optokoppler beim Schalten nicht zu überlasten; sie addieren übrigens 10 Ohm zum Ausgangswiderstand der Batterie). Die Serie 293 ist nicht für Ampere-Ströme geeignet! Dies ist für „Erwachsenen“-Staffeln. Das ist das Thema des nächsten Projekts – ein vollständig batteriebetriebener DAC … aber es ist noch zu früh …

Veröffentlichung: klausmobile.narod.ru

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