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라디오 전자 및 전기 공학의 백과사전 밀폐형 Ni-Cd 배터리의 작동
무선 전자 및 전기 공학 백과사전 / 충전기, 배터리, 갈바니 전지 밀폐형 Ni-Cd(디스크 및 원통형) 배터리의 광범위한 사용으로 인해 작동, 충전 방법 및 장치에 대한 관심도 높아졌습니다. Radio 잡지를 포함하여 이러한 주제에 대한 많은 기사가 게시되었습니다. 최근 몇 년 동안 충전식 배터리(AB)로 구동되는 새로운 가전제품의 등장으로 이 주제에 대한 관심이 크게 높아졌습니다. 그러나 배터리 작동에 관한 기사는 그리 많지 않습니다. 이 상황의 이유는 매우 객관적입니다. AB 운영에 대한 연구를 수행하는 것은 매우 길고 힘든 작업입니다. 그리고 라디오 아마추어에게는 참을 수 없습니다. 물론 이것은 라디오 아마추어가 이런 종류의 작업에 참여해서는 안 된다는 것을 의미하지 않습니다. 단지 얻은 결과를 비판적으로 받아들여야 하며 단일 결과를 기반으로 일반화해서는 안 됩니다. 전형적인 예는 비대칭 전류로 배터리를 충전하는 잘 알려진 방법입니다[1, 2]. 모두가 그 장점을 잘 알고 있었고, 어디에서 왔는지, 주요 출처는 무엇인지 불분명 한 사소한 일만 남았습니다. 그러나이 충전기 방법을 기반으로 한 XNUMX ~ XNUMX 개의 간행물 후에 "... 잘 알려진 바와 같이 비대칭 전류로 배터리를 충전하면 ..."이라고 안전하게 쓸 수 있기 때문에 그러한 "사소한 일"은 분명히 누구에게도 귀찮게하지 않았습니다. 그리고 더 나아가 본문에서 . 또 다른 예는 자주 언급되는 Woodbridge 방법입니다. 그것은 발전하는 자동차 산업의 요구에 따라 배터리 대량 생산이 시작되고 작동 문제가 너무 관련되어 과학의 참여가 필요했던 그 해에 개발되었습니다. 이 방법론은 특정(산성) 배터리용으로 만들어졌으며 그 범위를 확장하는 근거는 알 수 없습니다. 즉, 다른 배터리에 이 기술을 사용하는 것은 정당화되지 않습니다. 결과적으로 오늘날의 상황은 너무 혼란스러워서 그것을 이해하는 것이 단순히 비현실적이 되었습니다. 이것은 일부 저자가 주제에 대해 양심적으로 수행 한 검토와 그에 기초하여 실용적인 결론을 도출하려는 시도에 의해 확인됩니다. 저자는 그들이 참조하는 출처의 모순조차 알아 차리지 못합니다. 정말 진지한 출판물은 훨씬 더 드물며 그 중 하나가 [3]입니다. 이 기사는이 주제에 대해 저자가 축적 한 경험을 제시하기 위해 더 겸손하고 따라서 실제 작업을 설정합니다. 이 기사는 국내 생산의 밀폐형 Ni-Cd 배터리에만 적용되므로 모든 조항을 다른 배터리에 적용할 때 중요하고 주의해야 함을 다시 한 번 상기시켜 드립니다. 전기 배터리의 주요 특징은 배터리에 저장된 에너지의 양으로, 일반적으로 오프 시스템 측정 단위(kWh 또는 그 배수)가 사용되는 측정을 위해 사용됩니다. 실제로 배터리의 또 다른 특성인 배터리에 저장된 전하를 사용하는 것이 더 편리합니다. 일반적으로 용량이라고 합니다. SI 시스템에서 충전량은 쿨롱(1C = 1A x 1s) 단위로 측정되지만 더 자주 시스템 외부 측정 단위인 Ah와 소용량 배터리의 경우 mAh를 사용합니다. 그들은 이 매개변수에 너무 익숙해서 배터리의 주요 지표가 용량이 아니라 저장된 에너지의 양이라는 사실을 종종 잊거나 전혀 모릅니다. 배터리의 에너지 E와 용량 C 사이의 관계는 가장 간단한 공식인 E \uXNUMXd C x Ucp에 의해 결정됩니다. 여기서 Ucp는 평균 배터리 전압입니다. 이 표현은 연습하기에 충분한 정확도를 제공합니다. 보다 정확하게는 적분을 통해 에너지를 계산합니다. 정격 용량은 전지의 특성에 주어진 대표적인 값입니다. 주로 배터리의 설계 및 제조 기술에 의해 결정됩니다. 하나의 생산 배치에서도 배터리 용량이 두 배 이상에 이르는 변동이 있다는 사실로 이어지는 것은 후자의 이유(더 정확하게는 제조의 기술적 변동)입니다. 문헌에서 AB는 비슷한 용량의 배터리로 조립되는 것으로 표시되는 경우가 있지만 대량 생산 조건에서는 물론 비현실적입니다. 소련에서 공칭 용량은 "미만" 원칙에 따라 결정되는 경우가 많았는데, 이는 시간이 지남에 따라 단순히 라벨의 숫자. 이제 7D-0,1은 7D-0,1로 바뀌었습니다. 특정 인스턴스의 경우에도 주변 온도, 충전 및 방전 모드 등 여러 매개변수에 따라 달라지기 때문에 용량은 다중 요소 값이라는 점에 유의하는 것이 중요합니다. 따라서 배터리 용량에 관한 한 방법론은 정의, 방법론을 변경해야만 용량을 여러 번 "변경"하기 쉽습니다. 그러나 일반적으로 주어지지 않는 것은 방법론입니다. 작동 중에는 배터리 전압이 최대에서 최소로 감소합니다. 최소 전압은 배터리의 남은 에너지 (충전)가 미미하고 전압도 급격히 감소하기 때문에 추가 작동이 비실용적 인 전압입니다 (완전히 방전되면 1과 같습니다). Ni-Cd 배터리의 경우 최소 전압은 약 XNUMXV이며 이 값은 방전 완료를 위한 명확한 기준입니다. 따라서 배터리의 작업 영역은 최대에서 최소까지의 전압 범위입니다. 작업 영역에서 남은 에너지(충전)는 배터리의 전압에 의해 대략적으로 결정될 수 있습니다. 정격 전압은 최대값과 최소값 사이의 평균입니다. 일반적으로 배터리 참조 데이터에 제공된 사람은 바로 그 사람입니다. Ni-Cd 배터리의 경우 이 전압은 약 1,2V입니다. 다른 갈바닉 셀과 마찬가지로 배터리의 정격 전압은 전기화학 시스템, 즉 갈바닉 커플과 전해질에 의해서만 결정됩니다. 이 값을 변경하는 것은 구조적으로나 기술적으로 불가능합니다. 충전이 끝나고 충전기를 끄면 배터리 전압(UM3)이 최대이고 약 1,43 ~ 1,45V입니다. 빠르게 감소하고 10 ~ 25분 후에 1,37과 같은 안정적인 UMP 값에 도달합니다. .. 1,39 V. 이 값의 확산은 주로 측정 오류로 인한 것이지만 더 큰 정확도가 필요하지는 않습니다. 배터리 작동의 주요 문제는 충전과 관련이 있으며 완료에 대한 신뢰할 수 있는 기준이 없기 때문입니다. 이를 위해 배터리 전압을 사용하는 것은 완전히 충전되기 전에 도달할 수 있기 때문에 비효율적입니다. 이 기준은 종종 아마추어 디자인에 사용되었습니다. 최근 간행물에 따르면 하나의 기준으로는 충분하지 않고 추가 기준이 필요하며 그 중 하나로 배터리 온도 측정을 제안합니다. 온도는 충전 또는 가열을 위해 전기가 "가는"곳을 결정할 수 있기 때문에 중요한 매개 변수입니다. 즉, 배터리 상태를 결정할 수 있지만 결코 충전 정도는 아닙니다. 또한 다른 조건이 같다면 주변 온도의 영향이 상당 부분 나타날 것이라고 덧붙일 수 있습니다. 위의 내용에서 그다지 위안이되지 않는 결론을 내릴 수 있습니다. 오늘날에는 충전 종료에 대한 신뢰할 수있는 기준이 없습니다. 보다 정확하게는 그러한 기준이 하나 있으며 아래에서 설명하지만 모든 외적 단순성 때문에 구현이 매우 문제가 있습니다. 물론 신뢰할 수 있는 충전 종료 기준이 없다는 점은 배터리를 완전히 충전할 수 없기 때문에 실망스럽습니다. 그러나 결국 배터리는 수십 년 동안 성공적으로 사용되었습니다. 그리고 발생하는 첫 번째 질문은 실제로 얼마나 필요한지, 실제로 완전 충전이 필요한지입니다. 실제 조건에서 최대 15%의 용량 차이는 실제로 감지할 수 없으며 이는 다른 표본에 대한 용량 차이보다 훨씬 적습니다. 밀폐형 어큐뮬레이터는 케이스 내부의 가스 압력에 의해 밀폐가 보장되도록 설계되었습니다. 충전 시 이 압력이 증가하여 케이스 재질의 항복 강도에 도달하면 배터리가 부풀어 오릅니다. 이 경우 접점이 끊어져 배터리가 완전히 고장납니다. 디스크 배터리의 경우 작동 용량을 복원하는 것이 때때로 가능합니다. 바이스에서 (절연 개스킷을 통해) 이전 치수로 압축해야 합니다. 더 심한 경우에는 배터리가 개방되어(조용한 폭발) 복원이 불가능합니다. 가스 압력은 충전 종료에 대한 신뢰할 수 있는 기준이 될 수 있으며 어떤 경우에도 추가 충전이 위험해지는 한계를 결정할 수 있습니다. 그러나이 방법의 실제 구현은 고용량 배터리의 경우에도 문제가 있으며 작은 배터리의 경우 비현실적입니다. 방전시에는 압력이 떨어지며, 전압이 최저치 이하로 내려가면 조임이 되지 않는 수준까지 떨어져 전해액이 새어 나올 수 있습니다. 무엇보다도 누출된 전해액이 배터리 전극을 분로시킨 후 표면 누출로 인해 자체 방전 전류가 증가합니다. 방전된 배터리를 장기간 보관하면 손상됩니다. 오랫동안 작동하지 않은 배터리는 용량과 성능이 떨어지는 것으로 알려져 있습니다. 여러 번의 충전-방전 주기로 복원할 수 있습니다. 정확히 어떻게해야하는지는 중요하지 않습니다. 어떤 경우에도 "부흥"이 일어날 것입니다. 시간이 지남에 따라 자연적인 노화 과정이 발생하고 배터리 성능이 저하됩니다. 배터리는 일반적으로 3~5년의 서비스 수명을 갖지만 정상적인 사용에서는 10년 이상 안정적으로 작동합니다. 실제로 소위 표준 충전 모드가 가장 일반적입니다. 정격 용량의 150%가 배터리로 "펌핑"되어 15C 전류로 0,1시간 동안 충전됩니다. 배터리의 효율성, 즉 수신된 에너지에 대한 에너지 출력의 비율은 여러 가지 이유로 결정하기가 매우 어렵기 때문에 일반적으로 이 표시기는 제공되지 않습니다. 소형 배터리의 경우 충전기의 손실이 분명히 더 크기 때문에 일반적으로 중요하지 않습니다. 순전히 위의 표준 충전 모드인 0,65(65%)에 기초하여 대략적으로 결정할 수 있습니다. 표준 모드는 실제로 입증되었으며 참조로 간주할 수 있습니다. 이를 구현하는 충전기는 매우 간단할 수 있으며 정류기 다이오드와 퀀칭 저항기를 포함할 수 있습니다. 이 방법의 장점은 "반쯤 죽은" 배터리도 충전할 수 있다는 것입니다. 그러나 긴 충전 시간과 과충전의 위험이라는 두 가지 중요한 단점도 있습니다. 사실, 후자는 더 이상 방법과 연결되어 있지 않지만 사람과 연결되어 있습니다. 종종 충전기를 제 시간에 끄는 것을 잊어 버립니다. 이 방법에는 단 하나의 불확실한 점이 있습니다. 이 0,1C는 어디에서 왔습니까? 명쾌한 답이 없고, 그렇게 오랜 세월이 지나도 얻을 수 없기 때문에 단순히 타협의 이유로 그런 체제를 선택했다고 가정하는 수밖에 없다. 충전 전류가 낮을수록 충전 시간이 용납할 수 없을 정도로 증가했고(0.05C - 30시간), 더 큰 경우에는 충전기의 전력과 그에 따른 크기, 무게 및 가격을 높여야 했습니다. 저자가 AB 7D로 수행한 실험... 배터리 용량과 동일한 전류로 충전해도 배터리가 손상되지 않는 것으로 나타났습니다. 매우 흥미롭고 유망한 방법은 안정적인 전압 소스에서 배터리를 충전하는 방법입니다. 명확성을 위해 안정적인 전압 충전(ZSN)이라고 부르겠습니다. 최대 배터리 전압과 동일한 ZSN 방식을 사용하여 과충전을 완전히 제거할 수 있습니다. 사실,이 전압이 정확히 무엇인지는 완전히 명확하지 않습니다 : UM3 또는 UMP, 보험의 경우 더 작은 UMP를 사용하는 것이 좋습니다. 충전 시작시 전류는 최대이며 짧은 시간 후에 대부분의 경우 조금 더 증가합니다 (분명히 배터리의 내부 저항이 감소합니다). 그런 다음 배터리가 충전되고 전압이 증가함에 따라 전류가 감소하고 충전이 끝나면 점근적으로 배터리 자체 방전 전류에 더 정확하게 XNUMX에 접근합니다. 완전히 방전된 배터리를 충전할 때 초기 전류 서지는 허용할 수 없을 정도로 클 수 있으며 예를 들어 충전 회로에 전류 제한 저항을 포함하여 제한해야 합니다. 이 방법의 주요 단점은 공칭 용량의 60 ~ 70%를 충전한다는 것입니다. 따라서 예를 들어 전자 시계와 같은 백업 배터리에 사용하는 것이 좋습니다. 이러한 장치의 배터리 용량이 약간 감소하는 것은 중요하지 않으며 길고 안정적인 작동을 보장하는 것이 훨씬 더 중요합니다. 이 방법은 배터리를 15 ~ 20분 안에 작동 상태로 만들어야 하는 경우에도 사용하는 것이 좋습니다. 이 모드가 배터리를 완전히 충전하지 않는 이유는 매우 분명합니다. 공급 전압을 높이는 것이 필요합니다. 이 경우 충전 전류는 점근적으로 XNUMX이 아니라 최소값이 되는 경향이 있습니다. 이는 본질적으로 충전 전류의 안정화가 충전 종료의 기준이 될 수 있다. 더 안정적이고 구현하기 쉬운 또 다른 기준이 있습니다. 충전 전류를 최소값에 가까운 값으로 줄이는 것입니다. 제안된 방법의 실제 구현을 위해서는 특정 배터리에 대한 충전 모드를 실험적으로 선택해야 합니다. 충전 종료 시점의 충전 전압 및 전류를 결정합니다. 자동 충전기 (충전기)의 다이어그램이 그림에 나와 있습니다. 1. 완전히 방전된 배터리를 포함하여 방전 정도에 관계없이 배터리를 충전할 수 있습니다. 배터리당 7V로 방전되는 AB 0.125D-1의 공칭 충전 시간은 약 1,5시간이며 방전 정도가 낮은 AB의 경우 그에 따라 감소합니다. 배터리를 충전할 수 있는 용량은 대략 공칭 용량의 0,85 ... 0,95와 같습니다. 배터리 상태와 장치가 꺼지는 전류 설정의 정확도에 따라 다릅니다.
충전기로 작업하는 것은 매우 간단합니다. 전원 공급 장치와 충전 중인 배터리를 연결한 후 SB1 버튼을 짧게 누르십시오. 그러면 신호 LED HL1이 켜지고 충전이 시작됩니다. 배터리가 충전되면 장치가 자동으로 꺼지므로 과충전의 위험이 완전히 제거되고 신호 LED가 꺼집니다. 메모리의 기본은 전압 조정기 DA1입니다. 출력 전압의 정확한 값은 튜닝 저항 R9에 의해 설정됩니다. 다이오드 VD1은 충전기가 꺼진 후 배터리가 방전되는 것을 방지합니다. 손실을 줄이기 위해 기존 실리콘 다이오드에 비해 전압 강하가 낮은 쇼트키 다이오드를 사용합니다. 표시기 - LED HL10 -은 전류 제한 저항 R1을 통해 메모리 출력에 연결됩니다. 커패시터 C2는 스태빌라이저 입력에서 조정되지 않은 전원 공급 장치의 리플을 완화하고 자체 여기를 방지합니다. 셧다운 장치는 서로 다른 구조의 트랜지스터 VT1 및 VT2에 조립된 트리거입니다. 초기 상태에서 전원을 연결하고 배터리를 충전하면 트리거가 꺼집니다. 켜려면 SB1 버튼을 짧게 누르십시오. 이렇게하면 트랜지스터 VT1이 열리고 저항 R2를 통한 컬렉터 전류가 트랜지스터 VT2를 열고 메모리가 작동하기 시작합니다. 장치를 통해 흐르는 전류는 저항 R5 양단에 전압 강하를 생성하며, 이는 저항 R6과 저항 전압 분배기 R3R4를 통해 트랜지스터 VT1의 베이스로 공급됩니다. 트리거가 켜지고 SB1 버튼에서 손을 뗀 후에도 장치가 계속 작동합니다. "동시에" 저항 R5는 완전히 방전된 배터리를 충전하기 시작할 때 최대 전류 제한기의 기능을 수행합니다. 충전하는 동안 배터리의 전압이 증가하여 충전 전류가 감소하고 설정된 최소값에 도달하면 저항 R5 양단의 전압 강하가 방아쇠를 켜기에는 불충분 해집니다. 충전기가 꺼지고 충전됩니다. 중지합니다. 최소 전류의 정확한 값은 튜닝 저항 R4에 의해 설정됩니다. 커패시터 C1은 충전기가 불안정한 전원에서 전원을 공급받을 때 나타나는 저항 R5의 전압 리플을 평활화합니다. 저자 버전에서는 개방 회로 출력 전압이 12V 인 불안정한 국내 생산 BPN-1-18 소스가 메모리에 전원을 공급하는 데 사용됩니다. 안정화 된 전원을 포함한 기타 전원 공급 장치는 출력 전압이 약 15V (용 안정화 된 전원 공급 장치, 약간 적을 수 있음) 최소 0,2A의 전류에서. 이 장치는 1,5mm 두께의 단면 호일 유리 섬유로 만들어진 인쇄 회로 기판에 장착됩니다. PCB 도면은 Fig. 2.
이 장치는 튜닝 저항 SPZ-19a를 사용합니다. 저항 R5 - MLT-0,5 또는 MT-0,5, R2 - MLT-0,25 또는 MT-0,25; 그들은 보드에 수직으로 설치됩니다. 고정 저항기의 나머지 부분은 표면 장착용 무연 저항기(크기 1206)입니다. 이들은 인쇄된 도체의 측면에서 설치됩니다. 커패시터 - K50-35 또는 이와 유사한 수입품. VD1 다이오드 대신 허용 전류가 1A 이상인 Schottky 다이오드를 사용할 수 있습니다. LED - any. 버튼 SB1 - 비 래칭. 전원 공급 장치를 연결하는 커넥터는 무엇이든 될 수 있습니다. 가장 중요한 것은 전원 공급 장치의 커넥터와 일치해야 한다는 것입니다. 설정하려면 저항 560옴과 전력 1W의 권선 가변 저항이 필요합니다. 충전기의 출력에 연결되고 SB1 버튼 뒤에 트리거가 단단히 고정될 때까지 저항이 점차 감소합니다. 공개되었다. 튜닝 된 저항 R9를 사용하면 출력 전압이 10,9V로 설정됩니다 (안정기 출력에서 직접 측정됨). 끄기 전류를 설정하는 것이 다소 어렵습니다. 밀리암미터의 션트는 충전 전류를 측정할 때 큰 오차를 유발하므로 밀리암미터는 장치의 입력에 연결해야 합니다. 이 경우 충전기 자체에서 소비하는 전류가 실제 충전 전류에 더해지더라도 결과는 더 정확합니다. 이렇게하려면 트리머 저항 R4의 중간 위치에서 메모리 입력의 전류를 측정 한 다음 약 43mA로 설정하십시오. 한 번에 끄기 전류를 "잡을" 수 없기 때문에 원하는 결과를 얻을 때까지 이러한 작업을 여러 번 수행해야 합니다. 몇 번의 제어 충전-방전 주기 후 배터리로 직접 작업하는 동안 보다 정밀한 조정을 수행할 수 있습니다. KR142EN22 스태빌라이저를 KR142EN12A 또는 KR142EN12B로 교체하는 것은 허용됩니다. 이 경우 충전기의 공급 전압을 16 ... 17 V로 높여야 합니다. 문학
저자: A. Mezhlumyan, 모스크바
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