Поскольку разноплановой информации по различным аспектам автономного питания радиолюбительского оборудования набралось достаточно много, я решил эту разбросанную по различным страницам сайта информацию собрать на одной страничке. Информация как собранная мной лично, так и надерганная из различных источников и интернете (иногда, к сожалению, без ссылок на первоисточники)
- Использованы материалы с сайтов www.jaycar.com, www.at-systems.ru, www.slt.ru. Графики и цитаты курсивом - www.at-systems.ru. Все остальное (c) klausmobile 2002. Повторение всех конструкций на страх и риск повторяющего...
1. Сначала пряники, кнуты потом…
Герметичные свинцово-кислотные аккумуляторы (SLA)– наиболее доступные по цене вторичные (перезаряжаемые) источники тока. Доступные, в нынешней экономике, означает, во-первых, наличие в продаже типовых батарей напряжением 6В и 12В, емкостью от одного до тысячи А*ч, во-вторых, то, что за 1 вечнозеленый у.е. можно купить от 1.5 до 6 Вт*ч номинальной емкости. Меньшая цифра соответствует малым батареям, большая – большим.
Что еще в плюсе? Относительно медленный саморазряд (не более 5% емкости в месяц при комнатной температуре), относительная долговечность при условии неглубоких циклов разряда. Отсутствие «памяти» (свойственной никель-кадмиевым аккумуляторам). Допускается постоянный «плавающий» подзаряд в дежурном режиме (именно так работают автомобильные аккумуляторы).
По сравнению со свинцово-кислотными аккумуляторами с жидким электролитом, герметичные аккумуляторы, естественно, выигрывают в эксплуатационной безопасности (нет вредных испарений, допустима работа в любом положении). А еще – герметичная батарея менее критична к условиям заряда, ее сложнее убить неграмотным зарядом. Дело в том, что гелевый электролит подобран так, что батарея никогда не заряжается полностью (с точки зрения химика). Стало быть, выделение газа при перезаряде не происходит, так как перезаряда просто нет. Это не значит, что о контроле режима заряда можно забыть. Нельзя. Об этом далее.
Что в минусе? Во-первых, низкая удельная емкость – 25..35 Вт*ч на килограмм массы, или 60..100 Вт*ч на литр объема. Во-вторых, существенное сокращение жизни батарей при глубоких циклах разряда, а также при систематическом разряде большими токами. В-третьих, существенная зависимость напряжения и внутреннего сопротивления от глубины цикла.
2. О преждевременной старости.
Терминология: в практике принято обозначать интенсивность разряда в виде безразмерных «единиц С». 1С (один-це) численно равен емкости батареи при разряде постоянным током в течении 20 часов. Полный разряд определяется как разряд до 1.8В на банку при комнатной температуре (т.е. до 5.4 и 10.8В для 6В и 12В батарей). Величина 1.8В установилась опытным путем как нижняя граница, при разряде ниже которой током 0.05С начинается необратимое преждевременное старение батареи.
Таким образом, если опытным путем для батареи определено, что для того, чтобы за 20 часов разрядить ее от полностью заряженного состояния (2.1-2.3В на банку) до 1.8В на банку, требуется разрядный ток 150мА, то номинальная емкость батареи устанавливается равной 3.0 А*ч (=0.15А * 20ч).
Интенсивность тока 1С для данной батареи соответствует току разряда 3А, 2С – току разряда 6А и т.п. Если ограничить разряд достижением заданного минимума напряжения, тех же 10.8В – окажется, что реальная емкость на токе 1С сократится примерно вдвое по сравнению с номинальной (cм.график). А вот порог необратимого старения при большой интенсивности разряда (1C и выше), наоборот, существенно снижается – до 8В.
Многократный разряд батареи до напряжений, находящихся ниже штриховой линии приводит к выходу батареи из строя.
На практике, SLA работают в двух режимах – буферном и циклическом. При буферном режиме работы батарея постоянно подключена к зарядному устройству. Если в электрической сети есть напряжение, то после заряда батарея в течение длительного времени находится под действием конечного напряжения заряда. Слабый ток, протекающий через батареи, компенсирует саморазряд батареи и постоянно поддерживает батарею в полностью заряженном состоянии. В случае отключения напряжения в электрической сети, батарея разряжается на подключенную к ней нагрузку. Буферный режим работы характерен для систем бесперебойного питания постоянного и переменного тока, которые широко применяются для компьютеров, коммуникаций и непрерывных производств. А также - автомобильных аккумуляторов при регулярной эксплуатации машины.
При циклическом режиме работы батарею заряжают, а затем отключают от зарядного устройства. Разряд батареи производится по мере необходимости. Циклический режим работы используется при работе различных переносных или перевозимых устройств: электрических фонарей, средств коммуникаций, измерительных приборов. Производители аккумуляторов обычно указывают в перечне технических характеристик, для какого режима работы предназначен тот или иной аккумулятор.
Стало быть, если Вы решили запитать от батарей накалы в ламповом усилителе, то это циклический режим (как приятно узнать, что всю жизнь говорил прозой…). Но значит ли это, что можно просто разряжать батарею до предельно допустимых лампами 5.7 или 11.4В? На деле, пусть этот режим заведомо безопаснее разряда до «аварийных» 5.4 или 10.8В, он при неверном выборе батареи приведет к достаточно глубоким циклам разряда, и тем самым сократит срок ее службы.
Глубина цикла разряда определяется как отношение реально отданных в нагрузку ампер-часов к ампер-часам, соответствующим разряду до порога необратимого старения. Ампер-часы в знаменателе будут совпадать с номинальной емкостью только для интенсивности разряда 0.05С. На практике, в качестве знаменателя используется именно номинальная емкость (тем более, что и постоянный ток разряда – не более, чем идеальное приближение).
Глубина цикла (если она повторяется от цикла к циклу) определяет срок службы батарей. При 100% глубине циклов срок службы SLA не превысит 200-300 циклов. Справочно, автомобильные аккумуляторы с жидким электролитом редко выдерживают более 20 глубоких циклов. При 30% глубине циклов количество их утраивается. Знаменитая Оптима гарантирует выживание при 100 циклах "в ноль" (у автора такая батарея служит четвертый год, но ни одного глубокого цикла "в ноль" так и не было...).
3. Пример из жизни
Теперь давайте считать. В каждом канале усилителя –пара ламп 6С4С (6В, 2А). Необходимо обеспечить минимальное время работы между зарядами 8 часов. При этом напряжение не должно опускаться ниже 5.7В (по ТУ лампы), глубина цикла не более 50%. Из последнего требования следует, что емкость батареи – не менее 32А*ч на канал (= 2А * 8ч / 50%) . Интенсивность разряда такой батареи 0.06С (= 32А*ч / 2). Из графика следует, что за 8 часов ее напряжение упадет всего-навсего до 12.0-12.2В. Есть запас! Но только у свежей батареи. Если Вы не забудете ее вовремя заряжать, то примерно через 500 циклов (полтора года ежедневного удовольствия) напряжение за 8 часов будет падать до тех самых 5.7В, если не хуже… Ставьте автоматику на отключение при недостаточном напряжении, обязательно ставьте! Кстати, 32А*ч подозрительно близко к значению емкости автомобильного аккумулятора (50-65 А*ч). Так что для токов 2А и выше необслуживаемый автомобильный аккумулятор – вполне обоснованная (по цене) альтернатива. Вот с экологией и безопасностью у них проблемы. С другой стороны, если большая АКБ не вписывается в конструктив, то можно совершенно без опаски запараллелить несколько меньших батарей (желательно, но не обязательно – одной серии, одного производителя, одного «возраста» с начала эксплуатации).
А может, попробовать буферный (дежурный) режим, чтоб заряжать постоянно, без какой-либо автоматики? Тумблер вверх – батарея разряжается, лампы играют, тумблер вниз – идет заряд, лампы… отключены от батарей! Нормальный режим заряда – заряд постоянным напряжением 2.4-2.5В на банку, на зажимах 6В батареи будет до 7.5В – лампы так недолго протянут (особенно если анодное питание выключено).
При буферном режиме эксплуатации ресурс батареи сильно зависит от температуры. Наиболее благоприятной температурой для батареи считается температура 15-20 градусов Цельсия. Увеличение температуры на 10 градусов уменьшает ресурс батареи вдвое. На рисунке представлена типичная зависимость ресурса от температуры для аккумуляторов с расчетным ресурсом 5 -7 лет. Резюме – не ставьте батареи в одном корпусе вместе с лампами, пентиумами и т.п. горячими объектами. Вы спросите - а как же под капотом в машине... ну, во-первых, автомобильный аккумулятор специально рассчитан на широкий диапазон температур, во-вторых, теплоемкость АКБ настолько велика, что существенно прогреть ее, даже под капотом, непросто.
В упомянутом примере, срок службы накальной батареи при ежедневных 50% циклах – полтора года. А больше можно? В реальных условиях эксплуатации стационарных аккумуляторов нужно учитывать уменьшение ресурса батареи в случае большого числа испытанных ее разрядов. Для 5-летних батарей, реальный ресурс будет не более 3-х лет, если батарея будет испытывать в среднем один 30-процентный разряд в день или один полный разряд в неделю.
4. Поподробнее о заряде
Наилучший режим заряда батареи при небольшой (не выше 75%) глубине разряда – заряд постоянным напряжением. Разные производители дают незначительно различающиеся значения, общеприемлемым является напряжение 2.4В на банку при циклическом заряде (14.4В для 12В батареи). В буферном режиме напряжение может быть меньшим, 2.3В на банку.
При заряде полностью разряженной батареи этот режим приводит к перегрузке по начальному току, поэтому используется комбинированный режим ограничения по току и напряжению. Обычно он называется режимом заряда I-U. Разряженную батарею сначала заряжают постоянным током, численно (в амперах) не превышающим 0.1-0.3 номинальной емкости батареи (в ампер-часах). Например, для батареи емкостью 100 А*час ток заряда не должен превышать 10-30 ампер. По мере заряда батареи напряжение на батарее увеличивается (при постоянном токе). После того, как напряжение на батарее достигнет конечного напряжения заряда, ток заряда начинают уменьшать, сохраняя напряжение неизменным.
Конечное напряжение заряда при температуре 20 градусов Цельсия равно 2.25-2.3 вольта на элемент батареи. Для батареи с номинальным напряжением 12 В (6 элементов) конечное напряжение заряда равно 13.5-13.8 В. Если батарея эксплуатируется при других температурах, то для увеличения ресурса батарей рекомендуется уменьшать конечное напряжение заряда до 2.2-2.25 В/эл при температуре 40 градусов и увеличивать напряжение до 2.35-2.4 В при температуре 0 градусов. Применение такой температурной компенсации зарядного напряжения позволяет увеличить ресурс батареи при 40 градусах Цельсия на 15 %.
Для полного заряда разряженной батареи рекомендуется проводить заряд в течение 24 часов. Если необходим более быстрый (в течение 8-10 часов) заряд батареи в случае циклического режима эксплуатации, конечное напряжение заряда увеличивают до 2.4-2.48 В/эл (при 20 градусах Цельсия) и обязательно ограничивают время заряда в соответствии с остаточным зарядом батареи перед зарядкой.
Зарядное устройство с постоянным напряжением тока зарядаОтносительно большой ток применяется на начальной стадии заряда батареи. Когда напряжение батареи достигнет установленного уровня, зарядное устройство переключается с режима постоянного тока на режим постоянного напряжения. В течение этой фазы величина зарядного тока начинает уменьшаться до уровня минимального зарядного тока, известного как поддерживающий ток.Значения, приведенные в таблице, приняты как стандартные.
Нормативные значения электрических величин для зарядного устройства с постоянным зарядным напряжением
Для буферного режима Для цикличного режима Напряжение на одном элементе (В) 2,25 - 2,302,40 - 2,45 Начальный зарядный ток (А) 1/4 С или менее 1/4 С или менее Требуемое время заряда (час.) 24 или более 10 или более Температурный коэффициент -3mВ/0С/элемент -5mВ/0С/элемент Температура окружающей среды (0С) 0 ... + 400 Примечания: Для батарей, используемых в цикличном режиме, рекомендуется использовать датчик, позволяющий прервать процесс заряда по достижении предварительно заданной величины напряжения, или таймер.Температурный коэффициент необходимо принимать в расчет, если заряд батареи происходит при температурах ниже +100С или выше +300С
Система ускоренного заряда (только для батарей, работающих в цикличном режиме)При ускоренном заряде батареи необходимо использовать устройства, укомплектованные блоком температурной компенсации и термическим предохранителем, позволяющие предотвратить недостаточный заряд батареи при низкой температуре или ее перегрев при высокой температуре окружающей среды
Нормативные значения электрических величин для режима ускоренного заряда батареи приведены в таблице:
Начальное значение зарядного тока (А) 1 - 1,5С Зарядное напряжение (Вольт/элемент при 20°С) 2,45 - 2,50 Температурный коэффициент -5mВ/0 C/элемент Время заряда (время, необходимое для полного заряда батареи, разряженной на 50%) (часов) 1 - 3 Температура окружающей среды 0 ... +300С Примечания: На батарее должен быть установлен термостат или термический предохранитель, или необходимо использовать таймер, позволяющий вовремя прекратить процесс заряда. Максимальная величина начального зарядного тока для батарей, емкостью более 10 Ач, должна соответствовать следующему соотношению: I = C максимум
Обратите внимание на последний абзац. Он того стоит. Особенно если много батарей замурованы в плохо вентилируемом ящике – перегрев возможен даже при обычном (не ускоренном) заряде, пусть не катастрофический, но все равно сокращающий жизнь батарей.
- Немного о зарядно-разрядных характеристиках свинцово-кислотных АКБ
Электрические характеристики АКБ существенно зависят от температуры окружающей среды. Однако в практической эксплуатации вряд ли кто-то будет создавать для АКБ оптимальный температурный режим, поэтому все характеристики будем рассматривать для комнатных условий при температуре от 18°С до 22°С и относительной влажности воздуха до 85%.
Для выбора правильного режима эксплуатации АКБ необходимо представлять в какой зависимости находятся электрические характеристики АКБ от различных режимов эксплуатации.
При одинаковой разрядной емкости АКБ, при малых токах разряда активные материалы в аккумуляторе работают эффективнее, поэтому конечное напряжение разряда остается выше, чем при больших токах разряда. Эта зависимость приведена на графике 1 для "двенадцативольтовой" АКБ.
Рекомендуемый ток разряда, при котором не происходит необратимых изменений в характеристиках АКБ, лежит в пределах от 1/20С до 3С. Величина разрядной емкости АКБ зависит от тока разряда. Оптимальный ток разряда составляет 1/20С и при его увеличении разрядная емкость уменьшается, как показано на графике 2 для "двенадцативольтовой" АКБ.
При хранении АКБ происходит явление саморазряда. Рекомендуется ставить АКБ на хранение полностью заряженной. В течении 12 месяцев хранения, за счет саморазряда, разрядная емкость АКБ падает до 50% от первоначальной, поэтому с этой же периодичностью рекомендуется производить перезаряд АКБ.
Необходимо помнить, что со временем характеристики АКБ безвозвратно ухудшаются, даже если АКБ не эксплуатируется, а находиться на хранении. Остаточную емкость АКБ можно грубо оценить измерением напряжения на выводах АКБ при отключенной нагрузке. Эта зависимость приведена на графике 3 для "двенадцативольтовой" АКБ. Не рекомендуется разряжать АКБ до напряжения ниже 1,75В на аккумулятор.
Данные характеристики и зависимости справедливы для АКБ, произведенных известными фирмами, где используются качественные материалы и строго соблюдается технологический процесс. Дешевые аналоги этих АКБ могут иметь характеристики, которые существенно отличаются в худшую сторону.
Существуют два основных режима применения свинцово-кислотных АКБ.
- АКБ – это основной источник питания, работающий в циклическом режиме заряда и разряда. Данный режим, в силу своих особенностей, практически не нашел применения в РИП установок пожарной автоматики.
- Буферный режим, когда АКБ отдает питание на нагрузку только при отключении основного источника переменного тока. Этот режим получил наибольшее распространение.
В зависимости от режима применения АКБ существует несколько способов заряда АКБ.
При циклическом режиме используются следующие способы заряда:
- поддержание постоянного напряжения заряда. Это наиболее предпочтительный способ, так как позволяет АКБ достичь максимальной отдачи. При этом на АКБ в течении всего времени заряда подается напряжение из расчета 2,45В на аккумулятор и завершается, когда зарядный ток имеет постоянное минимальное значение в течении 3 часов. При этом способе необходимо точно контролировать значение напряжения и времени заряда, так как перезаряд может отрицательно сказаться на рабочих характеристиках АКБ. Как правило, время заряда при таком способе находиться в пределах 6-12 часов.
- поддержание постоянного напряжения заряда при ограничении начального тока заряда. При этом на АКБ подается напряжение заряда из расчета 2,45В на аккумулятор и начальный ток ограничивается 0,4С. Если АКБ достаточно глубоко разряжена то на начальном этапе заряда вряд ли удастся обеспечить требуемое напряжение заряда, но в последующем величину этого напряжения и времени заряда необходимо строго контролировать. Это более щадящий способ заряда АКБ, однако, требует чуть больше времени.
- для быстрого заряда может применяться способ с двумя значениями постоянного напряжения. На начальной стадии заряда на АКБ подается зарядное напряжение из расчета 2,45В на аккумулятор и зарядный ток до 0,8С. Когда величина зарядного тока уменьшиться до 0,15-0,2С необходимо уменьшить зарядное напряжение до 2,3В на аккумулятор и контролировать постоянство минимального значения зарядного тока аналогично пункту "а". При этом способе время заряда сокращается примерно в 1,5 раза. Этим способом не рекомендуется пользоваться часто.
При работе АКБ в буферном режиме ей необходим компенсирующий подзаряд. Конечно, если источник длительное время работал от АКБ и она разрядилась необходимо применить один из вышеперечисленных способов заряда. В источнике питания АКБ может быть включена двумя вариантами:
- АКБ отсоединена от нагрузки и заряжается от источника малым током только для компенсации саморазряда. Подключения АКБ к нагрузке происходит автоматически только при пропадании основного питания.
- АКБ и нагрузка соединены постоянно параллельно с выходом выпрямителя. При этом ток с выхода выпрямителя распределяется между нагрузкой и АКБ.
Поскольку ток нагрузки постоянно изменяется в процессе работы установки пожарной автоматики, то в режиме постоянного подзаряда следует контролировать величину напряжения и тока подзаряда. Стандартное напряжение подзаряда рассчитывается по 2,3В на аккумулятор и тока не более 0,15С. Однако, в ряде РИП с целью уменьшения их стоимости такие цепи контроля не применяются, что в свою очередь может приводить к перезаряду АКБ и уменьшению срока ее эксплуатации.
Ведущие фирмы выпускают АКБ различных типов для применения в различных режимах. Это, как правило, отражено в маркировке моделей.
Исходя из выше изложенного можно сформулировать несколько практических рекомендаций по выбору и эксплуатации свинцово-кислотных АКБ:
- Перед приобретением АКБ надо определиться в каком из режимов она будет использоваться. Исходя из этого, выбрать конкретную модель АКБ. Определить ее параметры заряда и разряда.
- При приобретении источника питания отдавать предпочтение тому, где существуют схемы заряда и разряда, подходящие для выбранной модели АКБ.
- Не рекомендуется приобретать АКБ, которые были выпущены более года назад.
- Перед установкой в источник питания полностью зарядить АКБ.
- При расчете требуемой электрической емкости АКБ необходимо учитывать, что стандартная АКБ на 4-м году, даже при правильной эксплуатации, безвозвратно теряет от 10% до 40% электрической емкости, поэтому для обеспечения требуемого времени работы установки пожарной автоматики от резервного источника питания на 4-5 году ее эксплуатации эти потери надо закладывать в расчеты.
- В процессе эксплуатации необходимо избегать глубоких или быстрых разрядов АКБ, а равно как и избыточного заряда, так как эти критические режимы при многократном повторении сокращают срок эксплуатации АКБ.
- В процессе эксплуатации необходимо следить за остаточной емкостью АКБ и при уменьшении ее ниже критической, то есть более чем на 50%, производить замену АКБ.
- При необходимости обеспечить большую электрическую емкость рекомендуется применять одну АКБ большой емкости, чем соединять параллельно несколько АКБ меньшей емкости.
- Следить за чистотой корпуса и выводов АКБ, не допускать ее падения, попадания на корпус агрессивных жидкостей, солнечных лучей. Не рекомендуется использовать АКБ при температуре воздуха ниже -15°С или выше +60°С, а также высокой влажности воздуха. Утилизацию АКБ необходимо производить в специализированных организациях.