Самодельный простой гальванический элемент. Зарядка мобильного телефона без электросети

О низкой эффективности заряда уже говорилось ранее. Однако если в силу тех или иных обстоятельств такой заряд желателен, то его надо проводить импульсами разнополярного тока. Вслед за импульсом тока заряда должен следовать меньший по амплитуде импульс разрядного тока противоположной полярности. Такой режим легко создать с помощью зарядного устройства, схема которого представлена на рисунке.

Асимметрия импульсов тока заряда/разряда достигается за счет различия номиналов резисторов, включенных последовательно с диодами, имеющими встречное включение. Разумеется, в зависимости от типа заряжаемых элементов (батарей) может варьироваться величина напряжения на вторичной обмотке трансформатора и номиналы резисторов. В среднем зарядный ток должен быть заметно меньше, чем ток разряда при эксплуатации элементов. Время заряда должно составлять не менее 15-20 часов, причем заряд должен обеспечивать энергию на 50 % большую, чем энергия разряда.

Ни в коем случае нельзя заряжать гальванические элементы, срок хранения которых истек. Это чревато ускоренным нарушением герметичности корпуса и вытеканием едкого электролита. Вообще сторонникам заряда гальванических элементов стоит прислушаться к печально известной поговорке - скупой платит дважды! Притом во второй раз куда больше, чем в первый, ибо, скорее всего, ему придется покупать заново уже не комплект элементов, а новый КПК взамен загубленного.

Дополнительные материалы:

• Портативное зарядное устройство является одним из лучших аксессуаров для мобильного телефона, на который вы можете потратить свои деньги. В этом руководстве, мы поможем вам выбрать Power Bank, который станет идеальным…
• Многие привыкли называть iPhone культовым телефоном, которому все нипочем. Идеальный экран, идеальный дизайн, идеальный корпус - этот гаджет разве что будущее не предсказывает.Однако ремонт Айфона все же порой требуется, что…
• Если у вас есть несколько устройств, таких как смартфон и планшет, может быть достаточно трудно отслеживать определенные аспекты их работы. Например уровень заряда аккумуляторов. Существуют методы, позволяющие привязать ваш Android…
• Повербанки становятся популярными, поскольку наши гаджеты становятся более умными и универсальными инструментами в повседневной жизни. Созданные специально для различных типов коммуникаций, таких как звонки, СМС, электронные письма и другие задачи,…
• Вы потратили приличную сумму денег на смарт-часы, а затем столкнулись с проблемой быстрого разряда батареи на устройстве? Это проблема, с которой сталкиваются многие из нас с этими гаджетами. Мы все…

Проблема повторного использования гальванических элементов питания давно волнует любителей электроники. В технической литературе неоднократно публиковались различные методы "оживления" элементов, но, как правило, они помогали только один раз, да и ожидаемой емкости не давали.

В результате экспериментов удалось определить оптимальные токовые режимы регенерации и разработать зарядные устройства, пригодные для большинства элементов. При этом они обретали первоначальную емкость, а иногда и несколько превосходящую ее.

Восстанавливать нужно элементы, а не батареи из них, поскольку даже один из последовательно соединенных элементов батареи, пришедший в негодность (разряженный ниже допустимого уровня) делает невозможным восстановление батареи.

Что касается процесса зарядки, то она должна проводиться асимметричным током с напряжением 2,4...2,45 В . При меньшем напряжении регенерация весьма затягивается и элементы после 8...10 часов не набирают и половинной емкости. При большем же напряжении нередки случаи вскипания элементов, и они приходят в негодность.

Перед началом зарядки элемента необходимо провести его диагностику, смысл которой состоит в определении способности элемента выдерживать определенную нагрузку. Для этого к элементу подключают вначале вольтметр и измеряют остаточное напряжение, которое не должно быть ниже 1 В . (Элемент с меньшим напряжением непригоден к регенерации.) Затем нагружают элемент на 1...2 секунды резистором 10 Ом , и, если напряжение элемента упадет не более чем на 0,2 В , он пригоден к регенерации.

Rnrnrn rnrnrn rnrnrn

Электрическая схема зарядного устройства, приведенная на рис. 1 (предложил Б. И. Богомолов), рассчитана на зарядку одновременно шести элементов (G1...G6 типа 373, 316, 332, 343 и других аналогичных им).

Рис. 1. Электрическая схема зарядного устройства асимметричным током.

Самой ответственной деталью схемы является трансформатор Т1 , так как напряжение во вторичной обмотке у него должно быть строго в пределах 2,4...2,45 В независимо от количества подключенных к нему в качестве нагрузки регенерируемых элементов.

Если готового трансформатора с таким выходным напряжением найти не удастся, то можно приспособить уже имеющийся трансформатор мощностью не менее 3 Вт , намотав на нем дополнительно вторичную обмотку на нужное напряжение проводом марки ПЭЛ или ПЭВ диаметром 0,8.,.1,2 мм . Соединительные провода между трансформатором и зарядными цепями должны быть возможно большего сечения.

Продолжительность регенерации 4...5 , а иногда и 8 часов . Периодически тот или иной элемент надо вынимать из блока и проверять его по методике, приведенной выше для диагностики элементов, а можно следить с помощью вольтметра за напряжением на заряжаемых элементах и, как только оно достигнет 1,8...1,9 В , регенерацию прекратить, иначе элемент может перезарядиться и выйти из строя. Аналогично поступают в случае нагрева какого-либо элемента.

Лучше всего восстанавливаются элементы, работающие в детских игрушках, если ставить их на регенерацию сразу же после разряда. Причем такие элементы, особенно с цинковыми стаканами, допускают многоразовую регенерацию. Несколько хуже ведут себя современные элементы в металлическом корпусе.

В любом случае, главное для регенерации не допускать глубокого разряда элемента и вовремя ставить его на подзарядку, так что не спешите выбрасывать отработанные гальванические элементы.

Вторая схема (рис. 2 ) использует тот же принцип подзарядки элементов пульсирующим ассимметричным электрическим током. Она предложена С. Глазовым и проще в изготовлении, так как позволяет использовать любой трансформатор с обмоткой, имеющей напряжение 6,3 В . Лампа накаливания HL1 (6,3 В; 0,22 А) выполняет не только сигнальные функции, но и ограничивает зарядный ток элемента, а также предохраняет трансформатор в случае коротких замыканий в цепи зарядки.

Rnrnrn rnrnrn rnrnrn

Рис. 2. Электрическая схема зарядного устройства пульсирующим ассимметричным электрическим током.

Стабилитрон VD1 типа КС119А ограничивает напряжение заряда элемента. Он может быть заменен набором из последовательно включенных диодов - двух кремниевых и одного германиевого - с допустимым током не менее 100 мА . Диоды VD2 и VD3 — любые кремниевые с тем же допустимым средним током, например КД102А, КД212А .

Емкость конденсатора С1 — от 3 до 5 мкФ на рабочее напряжение не менее 16В . Цепь из переключателя SA1 и контрольных гнезд Х1, Х2 для подключения вольтметра. Резистор R1 — 10 Ом и кнопка SB1 служат для диагностики элемента G1 и контроля его состояния до и после регенерации.

Нормальному состоянию соответствует напряжение не менее 1,4 В и его уменьшение при подключении нагрузки не более чем на 0,2 В .

О степени заряженности элемента можно также судить по яркости свечения лампы HL1 . До подключения элемента она светится примерно в полнакала. При подключении разряженного элемента яркость свечения заметно увеличивается, а в конце цикла зарядки подключение и отключение элемента почти не вызывает изменения яркости.

При подзарядке элементов типа СЦ-30, СЦ-21 и других (для наручных часов) необходимо последовательно с элементом включать резистор на 300...500 Ом . Элементы батареи типа 336 и других заряжаются поочередно. Для доступа к каждому из них нужно вскрыть картонное донышко батареи.

Рис. 3. Электрическая схема зарядного устройства для регенерации элементов питания.

Если требуется восстановить заряд только у элементов питания серии СЦ , схему для регенерации можно упростить, исключив трансформатор (рис. 3 ).

Работает схема аналогично вышеприведенным. Зарядный ток (I зар ) элемента G1 протекает через элементы VD1, R1 в момент положительной полуволны сетевого напряжения. Величина I зар зависит от величины R1 . В момент отрицательной полуволны диод VD1 закрыт и разряд идет по цепи VD2 , R2 . Соотношение I зар и I разр выбрано 10:1 . У каждого типа элемента серии СЦ своя емкость, но известно, что величина зарядного тока должна составлять примерно десятую часть от электрической емкости элемента питания. Например, для СЦ-21 — емкость 38 мА-ч (Iзар=3,8 мА, Iразр=0,38 мА) , для СЦ-59 — емкость 30 мА-ч (Iзар=3 мА, Iразр=0,3 мА) . На схеме указаны номиналы резисторов для регенерации элементов СЦ-59 и СЦ-21 , а для других типов их легко определить, воспользовавшись соотношениями: R1=220/2·lзap, R2=0,1·R1 .

Установленный в схеме стабилитрон VD3 в работе зарядного устройства участия не принимает, но выполняет функцию защитного устройства от поражения электрическим током — при отключенном элементе G1 на контактах Х2, ХЗ напряжение не сможет возрасти больше, чем уровень стабилизации. Стабилитрон КС175 подойдет с любой последней буквой в обозначении или же может быть заменен двумя стабилитронами типа Д814А , включенными последовательно навстречу друг другу ("плюс" к "плюсу"). В качестве диодов VD1, VD2 подойдут любые с рабочим обратным напряжением не менее 400 В .

Рис. 4. Электрическая схема устройства для регенерации элементов питания СЦ

Время регенерации элементов составляет 6...10 часов . Сразу после регенерации напряжение на элементе будет немного превышать паспортную величину, но через несколько часов установится номинальное — 1,5 В .

Восстанавливать таким образом элементы СЦ удается три-четыре раза, если их ставить вовремя на подзарядку, не допуская полного разряда (ниже 1В ).

Rnrnrn rnrnrn rnrnrn

Аналогичный принцип работы имеет схема, показанная на рис. 4 . Она в особых пояснениях не нуждается.

Использование обыкновенных батареек невыгодно, так как их ресурс работы очень сильно ограничен. Поэтому практичнее воспользоваться аккумуляторами. Их достоинство в неоднократном применении при условии правильного обращения с ними. Прежде всего, это связано с условиями их подзарядки. Аккумуляторы, отдавая накопленную энергию устройствам, периодически сами нуждаются в зарядке. Для этого и служат зарядные устройства для батареек.

История возникновения зарядных приборов

Открытие гальванического электричества привело к созданию первого прототипа аккумуляторных батарей. В 1798 году итальянский физик Алессандро Вольта провёл эксперимент, заключающийся в помещении последовательно подключённых пластин из меди и цинка в кислотный раствор. Он обнаружил, что при пропускании тока по пластинам после его прерывания на них сохранялся остаточный заряд. В последующее время этими экспериментами заинтересовались Готеро, Марианини, Беккерель. Но только в 1859 году Планте создал по-настоящему первый аккумулятор .

В основе его опыта использовались полоски из свинца с проложенным между ними кусочком материи. Затем он скатывал полоски и погружал их подкисленную воду. Подавая и снимая ток, он получал на них разность потенциалов, то есть накопление элементом ёмкости. Дальнейшее развитие привело к тому, что при покрытии пластин окислами свинца улучшилось формирование активного слоя.

В 1896 году американская компания National Carbon Company (NCC) первая в мире начинает выпуск батарей. Сегодня она известна под именем Energizer. Вначале 1901 года учёный Томас Эдисон запатентовал никель-кадмиевый тип батарей. В то же время Вальдмар Юнгнер разрабатывает никель-железный тип, называемый щелочным аккумулятором. Щелочные батареи находят применение в транспорте и на электростанциях. Параллельно с развитием аккумуляторов развиваются и технологии восстановления заряда.

Типы аккумуляторов и их особенности

В зависимости от технологии изготовления аккумуляторных батарей (АКБ) применяются и различные методы заряда. В первую очередь это зависит от химических процессов, проходящих внутри элементов батареек. Используя одинаковый принцип работы, аккумуляторы разделяются по материалам изготовления и химическим процессам, проходящим в них.

При этом важно для многих типов не допускать перезаряда или доводить их до состояния глубокого разряда.

Какие батарейки можно заряжать в зарядном устройстве, определить несложно по маркировке. На предназначенных для перезарядов указывается их ёмкость в Ah и номинальное напряжение. Главное отличие заключается в химической реакции: для аккумуляторов она обратима, а для обычных батареек, таких как «таблетка», нет. Аккумуляторы разделяются по следующим типам:

Хотя на самом деле при ответе на вопрос можно ли заряжать алкалиновые батарейки, следует формально сказать, что да. Это связано с тем, что и в них тоже происходят химические процессы, пусть даже необратимые, но позволяющие накапливать ёмкость. Тут учитывается то, что заряд, накапливаясь, с большой скоростью приводит к быстрому нагреванию батарейки. Поэтому не следует их заряжать более 10−15 минут, при этом желательно контролировать поверхность на нагрев, а приложенное напряжение не должно превышать номинальное.

Таким образом, используемые зарядные устройства должны не допускать перезаряда батареек, контролировать температуру и иметь возможность бороться с так называемым эффектом памяти. Производители предлагают как универсальные приборы, подходящие для всех типов батарей, так и индивидуальные. Основное требование, предъявляемое к устройству - обеспечение безопасного и правильного процесса зарядки.

Методы зарядки

Перед тем как зарядить батарейку пальчиковую в домашних условиях, желательно знать, какой тип контроля зарядного прибора понадобится использовать. Применяют два метода контроля заряда:

• по току;
• по напряжению.

Первый способ применяется для NiCd и NiMh аккумуляторных батарей, а второй для свинцово-кислотных, LiIon и LiPol батарей. Автоматические ЗУ для аккумуляторов, использующие специализированные микроконтроллеры, позволяют правильно подзарядить любой тип элементов энергии, и контролируют этапы восстановления энергии.

ЗУ с контролем тока

Такие устройства называют гальваностатическими. Главным параметром ЗУ является значение тока батареи. Правильно перезарядить аккумулятор и не ухудшить его характеристики получится при подборе величины тока и скорости заряда. Для того чтоб определить значения тока, используется равенство I= 0,1C, где C- ёмкость батарейки. Почему не рекомендуется использовать большее значение, нетрудно понять, представляя химические процессы, проходящие в гальванических устройствах. Кроме этого, во-первых, это повышенный нагрев, а во-вторых, присутствующий эффект памяти.

Для избегания саморазряда обычно ЗУ в конце заряда переключаются на режим подзаряда малым током.

Но для щелочных аккумуляторов такой способ неприемлем, поэтому перезаряжать их в таком режиме нельзя. Для таких типов применяется способ прекращения заряда, когда ток не меняется в течение нескольких часов.

Способ контролирования напряжения

Вид работы основан на потенциостатическом режиме отключающий процесс заряда при достижении определённого напряжения. Для такого типа ЗУ используются различные скорости заряда. Для никель-кадмиевых и никель-металл-гидридных используют три скорости заряда: долгий (0,1С), быстрый (0,3С) и сверхбыстрый (1С). В процессе заряда сила тока уменьшается, а напряжение на выводах батарейки приближается к напряжению ЗУ. Считается, что таким методом невозможно полностью зарядить батарею.

Характеристики зарядных устройств

В магазинах встречаются разнообразные устройства, применяемые для заряда в различной ценовой категории. Они бывают простыми, настроенными на определённый ток заряда, или что предпочтительнее, интеллектуальными. К выбору ЗУ стоит отнестись серьёзно, так как от этого напрямую зависит срок эксплуатации аккумуляторов. Некачественные приборы заряда приводят к быстрому снижению ёмкости. При выборе зарядного устройства для пальчиковых батареек обращается внимание на следующие параметры:

При выборе часто путается автоматическая зарядка с интеллектуальной. Разница заключается в том, что первого типа отключает процесс заряда после достижения на клеммах аккумулятора требуемого значения напряжения. А второго типа предназначена не только для непосредственного заряда, но и для восстановления ёмкости аккумуляторов. Такие устройства при включении измеряют ёмкость батарейки и пытаются, проводя циклы тренировки, привести их характеристики к начальным параметрам.

Наиболее популярные из них следующие

• Panasonic Eneloop BQ-CC17;
• Technoline BC 700;
• La-Crosse BC-1000;
• Opus BT C3100.

Эти устройства являются универсальными, позволяя заряжаться различным типам батареек, и имеют несколько независимых каналов. Весь процесс сводится к установке аккумулятора в зарядное приспособление и его включения.

Для восстановления работоспособности аккумуляторов (многократно заряжаемых гальванических элементов, основанных на обратимом преобразовании электрической энергии в химическую и наоборот) используют специальные зарядные устройства, позволяющие «закачать» в разряженный аккумулятор очередную порцию энергии. В отличие от аккумуляторов, гальванические элементы и батареи одноразового использования изначально не предлагалось подзаряжать (иначе они и именовались бы по-иному). Однако в процессе эксплуатации некоторых гальванических элементов и батарей выявилась возможность частичного восстановления их свойств путем зарядки.

Для зарядки аккумуляторов используют несколько методов, основным из которых следует считать зарядку постоянным оком. Зачастую расчетное время полной зарядки составляет 0 час. Помимо классического, используют метод зарядки по амперажу (правилу ампер-часов), зарядки пульсирующим и (или) симметричным током, зарядки при постоянном напряжении, ассиметрующей попеременной зарядки-разрядки с регулируемым соотношением и преобладанием зарядной компоненты, экспресс-заряд, заряд ступенчатым током, «плавающий» заряд, компенсационный подзаряд и т.д.

Неплохие результаты дает зарядка аккумулятора током, изменяющимся в соответствии с так называемым «законом ампер-часов» Вудбриджа. В начале зарядки ток максимален, а затем уменьшается по закону, описываемому экспоненциальной кривой. При зарядке в соответствии с «законом ампер-часов» начальный ток может достигать 80% от емкости аккумулятора, в

результате чего время зарядки значительно сокращается.

Каждый из перечисленных способов имеет как преимущества, так и недостатки. Самым распространенным и надежным считается зарядка постоянным током. Появление микросхем стабилизаторов напряжения, позволяющих работать в режиме стабилизации тока, делает применение этого способа еще более привлекательным. Кроме того, только зарядка постоянным током обеспечивает наилучшее восстановление емкости аккумулятора в случае, когда процесс разбивают, как правило, на две ступени: заряжают номинальным током и вдвое меньшим.

Например, номинальное напряжение батареи из четырех аккумуляторов Д-0,25 емкостью 250 мА-ч - 4,8...5 6. Номинальный зарядный ток обычно выбирают равным 0,1 от емкости, т.е. 25 мА. Заряжают таким током до тех пор, пока напряжение на аккумуляторной батарее не достигнет 5,7...5,8 6 при подключенных клеммах зарядного устройства, а затем в течение двух-трех часов продолжают заряжать током около 12 /и/А.

Возможность увеличения срока службы сухих гальванических элементов (метод регенерации) была заложена патентом Эрнста Веера в 1954 г. (Патент США) . Регенерацию осуществляют пропусканием через гальванический элемент или их группу асимметричного переменного тока с соотношением полупериодов 1:10. По данным разных авторов средний срок службы гальванических элементов может быть увеличен таким образом от 4 до 20 раз.

1. регенерации поддаются элементы, напряжение которых ниже номинала не более чем на 10%;
2. напряжение для регенерации элемента не должно превышать более чем на 10% номинальное значение;
3. ток регенерации должен быть в пределах 25...30% от максимального разрядного тока для данного элемента;
4. время регенерации должно в 4,5...6 раз превышать время разрядки;
5. регенерацию следует производить непосредственно вслед за разрядкой батареи;
6. не следует производить регенерацию для элементов с поврежденным цинковым корпусом, с вытекшим электролитом.

Помимо зарядно-разрядных операций для некоторых видов аккумуляторов актуальным вопросом является регенерация (вое-

становление) по мере возможности их исходных свойств, утраченных в результате неправильного хранения и/или эксплуатации.

Приемы «реанимации» и восстановления ресурсов разряженных электрических батарей (сухих гальванических батарей и элементов) в общих чертах похожи и порой отвечают соответствующим процедурам для аккумуляторов.

Устройства для заряда, восстановления или регенерации химических источников тока обычно содержат стабилизатор тока, иногда устройство защиты от перенапряжения или перезарядки, приборы и схемы контроля и регулирования.

Так, например, на практике для никель-кадмиевых аккумуляторов получили распространение несколько типов зарядных устройств.

Зарядное устройство с фиксированным постоянным током. Зарядку аккумулятора прекращают вручную по истечении времени, достаточного для полной зарядки. Зарядный ток должен составлять 0,1 от емкости аккумулятора в течение 12... 15 ч.

Ток зарядки фиксированный. Напряжение на заряжаемом аккумуляторе контролируется пороговым устройством. При достижении заданного напряжения зарядка автоматически прекращается.

Зарядное устройство заряжает аккумулятор постоянным током в течение фиксированного времени. Зарядка автоматически прекращается по истечении, например, 15 ч. Последний вариант зарядного устройства имеет существенный недостаток. Перед зарядкой аккумулятор должен быть разряжен до напряжения 1 6, только тогда при зарядке током 0,1 от емкости аккумулятора в течение 15 ч аккумулятор зарядится до номинальной емкости. В противном случае при зарядке не полностью разряженного аккумулятора в течение указанного времени произойдет его перезарядка, что ведет к сокращению времени службы.

В первых двух вариантах устройств зарядка постоянным стабильным током не является оптимальной. Исследованиями установлено, что в самом начале цикла зарядки аккумулятор наиболее восприимчив к сообщаемому ему количеству электричества. К концу зарядки процесс накопления энергии аккумулятора замедляется.