Як працює акумулятор і зарядка для мобільних пристроїв

1. Як влаштований і працює акумулятор
2. Принципи пристрою акумулятора
3. Класифікація
4. Конструктивні особливості різних моделей
5. Зовнішній вигляд акумуляторів
6. Як працює акумулятор
7. Як працює нікель кадмієвий акумулятор
8. цикл розряду
9. цикл заряду
10. Як працює літій-іонний акумулятор
11. цикл заряду
12. цикл розряду
13. Експлуатаційні характеристики акумулятора
14. ємність АКБ
15. потужність
16. Як працює зарядний пристрій акумуляторів мобільних пристроїв
17. Форми струмів, що створюються зарядними пристроями
18. Принципові схеми зарядних пристроїв
19. Схема створення постійних струмів
20. Схема створення пульсуючих струмів
21. Схема створення пульсуючих струмів з проміжком
22. Сервісні зарядні пристрої
23. Рекомендації виробників із зарядки акумуляторів
24. Свинцево кислотні АКБ
25. лужні АКБ
26. Нікель-кадмієві моделі акумуляторів
27. Нікель-метал-гидридні моделі акумуляторів
28. Нікель-цинкові моделі акумуляторів
29. Літій-іонні моделі акумуляторів
30. Особливості зарядки по глибині розряду
31. Особливості зарядки по температурі
32. Літій-полімерні моделі акумуляторів

Наша сеть партнеров Banwar

У наш час у кожної сім'ї в користуванні знаходиться велика кількість електронних пристроїв. Телефони, смартфони, ліхтарики, планшети, іграшки для дітей різного віку та ряд інших видів обладнань мають потребу в харчуванні від переносних джерел струму: батарейок або акумуляторів.

Джерела живлення створюються для тривалої експлуатації, але можуть швидко вийти з ладу через необережність. Щоб максимально використовувати закладений в них ресурс виробника рекомендуємо ознайомитися з особливостями роботи акумуляторів різних конструкцій, правилами їх зарядки і безпечного поводження.

Самим нетерплячим читачам можна відразу перейти до правил зарядки, рекомендованим заводом. Вони наведені в кінці. Однак, послідовне прочитання матеріалу дозволить краще зрозуміти їх особливості і правильно застосовувати на практиці.

Зміст статті

Як влаштований і працює акумулятор

Весь широкий асортимент акумуляторної продукції працює за єдиним принципом перетворення енергії хімічних процесів в електричну. Для її протікання створена спеціальна конструкція.

Принципи пристрою акумулятора

Герметичний посудину, який називають банкою, заповнюють електролітом. У нього поміщають дві відокремлені один від одного пластини з різних металів, іменованих електродами. На них утворюється різниця електричних потенціалів, яка здатна робити корисну роботу.

Для підвищення потужності енергії банки з пластинами роблять збільшених розмірів або підключають паралельними ланцюжками. Щоб підняти вихідна напруга їх з'єднують послідовно. Такі конструкції називають акумуляторними батареями.

Класифікація

За видами електроліту акумулятори ділять на:

• рідинні;
• гелеві.

За конструктивними особливостями рідинні акумулятори поділяють на:

• кислотні;
• лужні;
• сольові.

Конструкції кислотних акумуляторів використовуються відносно рідко. Вони можуть зустрітися в бюджетних моделях ліхтариків, де працюють спільно із зарядним пристроєм.

Акумулятори лужного типу, як правило, мають підвищені габарити. Раніше їх застосовували для освітлення в переносних ліхтарях, але зараз подібні конструкції не зручні для роботи і перестали застосовуватися.

У мобільних пристроях для домашнього застосування популярні моделі акумуляторів:

• свинцево-кислотних (Pb + H2SO4);
• нікель-кадмієвих (Ni-Cd);
• нікель-цинкових (Ni-Zn);
• нікель-метал-гідридних (Ni-Mh);
• літій-іонних (Li-ion);
• літій-полімерних (Li-Pol)

Конструктивні особливості різних моделей

Типове пристрій батареї акумуляторів, що складається з окремих банок з набором вставлених в них позитивних і негативних пластин, послідовність їх розташування можна спостерігати на прикладі кислотної акумуляторної батареї.

Конструкції циліндричних або «пальчикових» моделей представлені розрізаним видом для літій-іонного акумулятора з пояснювальними написами для кожного шару.

Зовнішній вигляд акумуляторів

Габарити і форма джерел струму створюються для зручного їх розташування в гніздах мобільних пристроїв, надійного живлення споживачів, можливості швидкої зарядки.

Акумулятори можуть мати форму циліндра або таблетки, як показано на фотографії для поширених нікель-кадмієвих пристроїв, які збираються в блоки спеціальними перемичками.

Коли за умовами експлуатації краще отримувати живлення від єдиного блоку, то створюють загальний корпус. У нього вбудовують окремі пальчикові елементи, якими за рахунок їх паралельного і послідовного підключення, забезпечують вихідні характеристики по струму і напрузі.

Такий принцип закладений в створення батареї акумуляторів для ноутбука.

Для малогабаритних мобільних пристроїв створюються акумулятори в формі невеликого параллепіпед із закругленими краями. На одній з торцевих сторін у нього змонтовані латунні майданчики, що забезпечують створення електричного контакту для джерела і споживачів струму.

Як працює акумулятор

Принцип перетворення хімічної енергії в цікаву для нас електричну пояснює картинка.

Між двома поруч розташованими речовинами з підібраними властивостями протікає окислювально-відновна хімічна реакція. Вона супроводжується виділенням електронів та іонів, які при русі, як відомо, утворюють електричний струм.

Щоб рухомі заряди створювали електричні потенціали, а не просто виділяли тепло в навколишнє середовище при змішуванні окислювача з відновником, необхідно створити для цього умови.

Цим цілям служать:

• анод (позитивний заряд), який здійснює окислительную реакцію;
• катод, який відновлює речовина;
• електроліт, який проводить струм під час дисоціації робочого середовища на катіони і аніони.

Анод з катодом розміщують у віддалених судинах, які з'єднуються сольовим містком. По ньому рухаються аніони і катіони, створюючи внутрішню ланцюг акумулятора. Зовнішня ж ланцюжок утворюється підключенням споживача до входу, наприклад, вольтметра або інший навантаження.

На анод і катод постійно відбувається перехід електронів та іонів в електроліт і назад. У внутрішній ланцюжку йде рух зарядів через сольовий місток, а у зовнішній протікає струм з анода до катода.

Цей принцип є базовим для заряду і розряду всіх моделей хімічних джерел струму.

Як працює нікель кадмієвий акумулятор

Існує всього два види роботи:

1. розряд;
2. заряд.

Можна виділити ще режим зберігання, але правильніше його віднести до розряду, який намагаються максимально обмежити, хоча повністю уникнути його не виходить.

цикл розряду

Накопичена на електродах енергія при підключенні до них навантаження створює електричний струм у зовнішній ланцюга.

Анодом в нікель-кадмиевом акумуляторі працюють оксиди нікелю з включеннями частинок графіту, що знижують загальний електричний опір. В якості катода використовують губчастий кадмій.

Під час розряду відбувається виділення молекул активного кисню зі складу окислів нікелю, які надходять в електроліт і далі на кадмій, окислюючи його.

цикл заряду

Його прийнято проводити при знятій навантаженні. Тоді можна використовувати меншу потужність зарядного пристрою.

Полярність клем у зарядного і акумулятора повинно збігатися, а зовнішня потужність перевершувати внутрішню. Тоді під дією стороннього джерела всередині акумуляторної банки формується струм з напрямком, зворотним розряду.

Він переорієнтує хід хімічних процесів в ємності банки, збагачує анод киснем і відновлює кадмій на катоді.

Як працює літій-іонний акумулятор

Вуглецевий анод і катод з оксидів металу, що містять літій, наприклад, складу LiMn2O4, занурені в органічний електроліт.

У ньому рухаються позитивно заряджені іони Li +. Сам літій при цьому не переходить в металевий стан, а створюється обмін його іонів між електродними пластинами. З цієї причини акумулятори називають літій-іонними.

цикл заряду

Іони літію вилучаються (процес деінтеркаляції) з містить літій катода і впроваджуються в анод (Інтеркаляція).

цикл розряду

Переміщення іонів йде в зворотному заряду напрямку, а електрони від анода рухаються до катода і утворюють електричний струм.

Якщо порівняти принципи роботи акумулятора будь-якої конструкції, то можна спостерігати загальну закономірність переміщення іонів між електродами по внутрішньої ланцюга і електронів по зовнішньої при створенні схем заряду і розряду.

Експлуатаційні характеристики акумулятора

робоча напруга

Його величину визначають на розімкнутих клемах вольтметром при оптимальному заряді. В процесі роботи воно поступово знижується.

ємність АКБ

Характеристика, що показує кількість струму в міліампер або амперах, яке здатний видати акумулятор за проміжок часу, виражений в годинах.

потужність

Параметр, що враховує здатність АКБ зробити роботу в одиницю часу.

Як працює зарядний пристрій акумуляторів мобільних пристроїв

Зараз все дорогі електронні пристрої забезпечуються власними приладами харчування і зарядки.

Для відновлення робочих характеристик акумуляторів, що використовуються індивідуально, випускаються окремі зарядні пристрої. До них додаються інструкції і таблиці із зазначенням рекомендованої тривалості технологічного циклу.

Такі моделі зазвичай видають стабілізовану напругу на клеми акумулятора, у якого при зарядці поступово змінюється електричний опір, що впливає на величину струму, що протікає. Тому подібні рекомендації носять усереднений характер.

Форми струмів, що створюються зарядними пристроями

Для зарядки акумуляторів можуть використовуватися не тільки постійні струми, а й багатьох інших видів, які вирішують специфічні завдання.

Щоб забезпечити їх протікання створюють різні електронні схеми, які видають на клеми акумулятора напруга відповідного виду.

Принципові схеми зарядних пристроїв

З огляду на їх різноманіття наведемо для прикладу деякі типові рішення.

Схема створення постійних струмів

За рахунок трансформатора знижується напруга. Його гармоніка випрямляється доданими мостом і пульсації згладжуються конденсатором великої ємності.

На вихід в акумулятор надходять струми постійної величини.

Схема створення пульсуючих струмів

Видаливши з попередньої ланцюжка конденсатор отримуємо пульсації напруги на клемах акумулятора, які формують струми аналогічної форми.

Схема створення пульсуючих струмів з проміжком

Замінивши діодний міст одиничним діодом отримуємо пульсації струмів підвищеної частоти в два рази.

Сервісні зарядні пристрої

За рахунок ускладнення внутрішньої електричної схеми створюються різні додаткові функції для зарядних пристроїв.

Рекомендації виробників із зарядки акумуляторів

У всіх розрахунках величини зарядного струму Iз в амперах за базове значення приймається емпіричне співвідношення, що відраховується в процентах від значення ємності С, вираженою ампер-годинами.

Однак для певних моделей виробник може вказати струм зарядки відразу в числовому вираженні амперами, яке не відповідає цьому правилу. Зрозуміло, що у нього є для цього серйозні підстави.

Свинцево кислотні АКБ

Прийнято для зарядки використовувати струми, що становлять 10% або 0,1 від ємності С. Їх записують 1С.

Для цих акумуляторів напруга на одиничному банки не повинно перевищувати 2,3 V, що слід враховувати при зарядці батареї, щоб не перевищувати критичну величину.

Набір ємності кислотних акумуляторів після досягнення 90% номінальної величини йде по експоненті. Тому подальшу зарядку виконують зменшеними струмами з контролем напруги на банках, що збільшує тривалість процесу.

Свинцево кислотні АКБ потребують періодичного проведення контрольного тренувального циклу з повним розрядом і зарядом.

лужні АКБ

Для них прийнято струм заряду підтримувати на рівні 25% від ємності або 0,25 с.

Нікель-кадмієві моделі акумуляторів

Оптимальна температура для зарядки, як і для роботи, в межах + 10 ÷ 30оС. При ній краще відбувається поглинання кисню на катоді.

Акумулятори циліндричної форми змонтовані щільною намотуванням електродів в рулон. Це дозволяє ефективно заряджати їх струмами в широких межах 0,1 ÷ 1С. Стандартний режим передбачає струми 0,1 і час 16 годин. На кожному елементі напруга піднімається з одного до 1,35 V.

Якщо в зарядний пристрій вмонтована система контролю перезарядження, то застосовують підвищені струми постійної форми величиною 0,2 ÷ 0,3С. Це дозволяє знижувати час зарядки до 6 або 3-х годин. Навіть припустимо перезаряд в межах 120 ÷ 140%.

Характерний недолік нікель-кадмієвих АКБ - ефект «пам'яті» або оборотна втрата ємності, яка проявляється при порушеннях технології заряду, а точніше після початку підзарядки акумулятора з не повністю витраченої ємністю.

Акумулятор «запам'ятовує» кордон залишився резерву і при подальшому розряді на навантаження скорочує свій ресурс при її досягненні. Цю особливість враховують при експлуатації, а для зберігання Ni-Cd АКБ їх переводять в режим повного розряду.

Нікель-метал-гидридні моделі акумуляторів

Вони створювалися для заміни нікель-кадмієвих АКБ, позбавлені ефекту пам'яті, мають підвищену ємністю. Але, при підготовці до роботи після місячного або більше терміну зберігання, потрібно проведення циклу повного розряду з подальшою зарядкою. Виконавши 3 ÷ 5 таких циклів можна збільшити робочу ємність.

Для зберігання цих акумуляторів здійснюють переклад їх ємності в 40% від номінальної величини.

Зарядка проводиться за технологією 0,1 для нікель-кадмієвих АКБ, але з контролем температури. Її перевищення більш 50ОС неприпустимо. Сильне нагрівання виникає в кінці циклу, коли протікання хімічних реакцій сповільнюється.

З цих причин для нікель-метал-гідридних акумуляторів створюються спеціалізовані пристрої зарядки з вбудованими датчиками температури.

Нікель-цинкові моделі акумуляторів

Напруга однієї банки одно 1,6 V. Сила зарядного струму 0,25 с. Час заряду 12 годин. Ефект пам'яті відсутній. Рекомендована межа досягнення ємності при заряді - 90% від номінальної.

Не можна нагрівати більше 40ОС. Обмежений ресурс - в три рази коротше, ніж у нікель-кадмієвих АКБ.

Літій-іонні моделі акумуляторів

Оптимальна зарядка виконується постійним струмом в два етапи з величиною:

1. 0,2 ÷ 1С з напругою 4 ÷ 4,2 V в перші 40 хвилин;
2. підтриманням постійної напруги на банку 4,2 V до закінчення циклу.

Допустима зарядка струмом 1С за час 2 ÷ 3 години.

Ресурс літій-іонних акумуляторів знижують:

• зарядна напруга, більше 4,2 V;
• перезаряд, який супроводжує скупчення літію на катоді і виділення кисню на аноді.

В результаті відбувається бурхливий викид теплової енергії, підвищення тиску в корпусі, розгерметизація.

З метою підвищення безпеки при експлуатації виробники цих АКБ застосовують одне або кілька заходів захисту при заряді:

• схему відключення зарядного струму при досягненні температури в корпусі 90оС;
• датчик перевищення тиску;
• систему контролю напруги при заряді.

Оскільки літій-іонний акумулятор працює і заряджається всередині дорогих електронних пристроїв, то до його зарядці слід ставитися акуратно, застосовувати тільки спеціалізовані зарядні пристрої.

Особливості зарядки по глибині розряду

Вплив глибини розряду ємності Li-ion акумуляторів на ресурс роботи Ступінь розряду акумулятора від заводської ємності Орієнтовна кількість циклів роботи 0,1 4700 0,25 с 2500 0,5С 1500 1С 500

Особливості зарядки по температурі

Вплив температури на втрату ємності Li-ion акумуляторів Температура акумулятора в градусах Цельсія Втрата ємності в рік при середньому рівні заряду 40 ÷ 80% (рекомендовані випадки) Втрата ємності в рік при середньому рівні заряду 100% (типові випадки) 60 25% 40% ( за квартал) 40 16% 35% 25 5% 20% 0 2% 6%

Правильний вибір цих параметрів дозволяє значно продовжити ресурс експлуатації літій-іонних АКБ.

Літій-полімерні моделі акумуляторів

До них підходять всі правила експлуатації, розроблені для літій-іонних моделей. Але, оскільки в них відсутній рідкий електроліт, а використовується гелеобразний, то при перезарядці або перегрів виключається вибух корпусу, який може тільки роздутися.

Розуміння принципів того, як працює акумулятор і зарядка для мобільних пристроїв допоможе продовжити ресурс ваших гаджетів, експлуатувати їх надійно і безпечно.

Для закріплення матеріалу пропонуємо подивитися відеоролик власника Admiral134 «Як правильно використовувати літій-іонні акумулятори».

Вам зараз зручно задати питання в коментарях і переслати цей матеріал друзям в соц мережі.