Электронное пропитание

Эта музыка будет вечной,
если я заменю батарейки.
© Нау.

За последние годы “мобилизация” населения достигла невероятных масштабов. Почти у каждого из нас в кармане или сумке, лежит мобильный телефон, или флеш-плеер. Уже давно вышли из разряда экзотики карманные компьютеры и цифровые фотокамеры. И даже компьютерные мыши потеряли “хвосты”… Не секрет, что весь этот “зоопарк” нуждается в хорошей кормежке. Согласитесь, обидно бывает, когда, собираясь сделать интересный кадр, мы обнаруживаем, что камера выключается с сообщением о разряде батареи; или не успеваем закончить важный разговор по мобильному телефону…

Таким образом, для владельцев мобильных устройств остро встает проблема элементов питания. В этой статье я кратко расскажу о том, что нужно знать и помнить про восполняемые источники питания, проще говоря — аккумуляторные батареи (далее по тексту – аккумуляторы) для различных гаджетов.

Введение
Само слово “аккумулятор” происходит от латинского “Accumulate” – накапливать. Работоспособность таких элементов питания можно восстанавливать путем зарядки (в отличие от обычных батареек). Хотя аккумуляторы стоят в несколько раз дороже, нежели батарейки, при интенсивной эксплуатации они окупаются за 3-4 цикла использования. За более чем 100-летнюю историю развития аккумуляторы превратились в очень высокотехнологичные продукты.

Некоторые термины и понятия
* Емкость аккумулятора. Измеряется в миллиампер-часах (мАч, mAh); показывает сколько часов проработает аккумулятор при конкретном токе, пока не разрядится.
* Внутреннее сопротивление. Чем оно ниже, тем лучше нагрузочные характеристики аккумулятора. То есть при одинаковой емкости аккумулятор с низким внутренним сопротивлением способен обеспечивать питанием мощное устройство дольше, чем аккумулятор с высоким внутренним сопротивлением.
* Плотность энергии заряженного аккумулятора. Измеряется в ватт-часах на килограмм массы элемента.
* Минимальное время заряда. Важно для аккумуляторов, применяемых в мобильных устройствах. Согласитесь, 16 часов зарядки для мобильного телефона — многовато.
* Эффект памяти. Под этим термином понимается укрупнение кристаллических образований рабочего вещества аккумулятора и, как следствие, уменьшение площади активной поверхности и реальной емкости аккумулятора (см. рис. 1). Для обычных пользователей этот факт неприятен тем, что с каждой последующей перезарядкой уменьшается реальная емкость батареи. В самом запущенном случае аккумулятор совсем перестанет держать заряд. Чтобы компенсировать это явление, применяется так называемая тренировка – периодический разряд аккумуляторов до напряжения 1 вольт на элемент и последующий полный заряд. И так 2-3 раза. От таких действий происходит разрушение кристаллических образований и увеличение реальной емкости аккумулятора.
* Срок службы. При расчете срока службы аккумулятора учитывают общее число рабочих циклов “заряд-разряд” и общее время эксплуатации.

Типы аккумуляторов
Прежде всего, аккумуляторы различают по типу используемых физико-химических процессов и применяемых в них материалов. Наибольшее распространение получили следующие типы:
* Герметизированные свинцово-кислотные (Sealed Lead Acid — SLA). Их весьма внушительные размеры не позволяют использовать их в мобильных устройствах. Зато они имеют огромную емкость (до 10 Ач) и прекрасно чувствуют себя в источниках бесперебойного питания (UPS). А низкая стоимость таких элементов положительно сказывается на цене устройств.
* Никель-кадмиевые (Ni-Cd). Такие батареи хорошо отдают в нагрузку большой ток. Срок их службы при соблюдении условий эксплуатации достаточно велик, а чувствительность к неправильной эксплуатации – низка. В случае понижения емкости при длительном хранении Ni-Cd аккумуляторы легко восстановить. Еще один плюс такого рода элементов – низкая цена. Однако, такие элемент подвержены “эффекту памяти”, для устранения которого их необходимо периодически обслуживать, то есть проводить циклы разрядки-зарядки. К минусам никель-кадмиевых батарей можно отнести и высокий саморазряд (до 10% в течение первых 24-х часов и до 20% в первый месяц после заряда).
* Никель-металлогидридные (Ni-MH). Плотность электрической энергии примерно на 30-50% больше, чем у Ni-Cd аккумуляторов, вдвое большее время заряда и меньшая склонность к «эффекту памяти». Но, к сожалению, у них большее внутреннее сопротивление, высокий саморазряд (до 30% в месяц), и они выдерживают меньшее число циклов заряда/разряда.
* Литий-ионные (Li-Ion) и литий-полимерные (Li-Pol). Обладают высокой плотностью электрической энергии, малыми габаритами и весом. Низкий саморазряд (примерно 3-5% в первый месяц, затем уменьшение до 1-3% в месяц). Свободны от «эффекта памяти». В конструкцию этих аккумуляторов введена схема управления и защиты, ограничивающая напряжение каждого элемента во время заряда и предотвращающая понижение напряжения элемента при разряде ниже допустимого уровня. Кроме того, контролируется температура элемента. При несоблюдении этих условий элемент во время зарядки может “закипеть” и «взорваться». Батареям на основе таких элементов можно придать практически любой форм-фактор, что важно для гаджетов. К сожалению, их стоимость довольно высока. Хранить их следует в заряженном состоянии. Имеют ограниченный срок хранения и использования – около двух лет.
* Топливные элементы. Последний писк моды. Никогда не изнашиваются, имеют конструкцию анода и катода, как у обычных батареек. Но, в отличие от них, во время химических реакций масса электродов топливного элемента не меняется: вместо этого топливо служит в источником свободных электронов и электрических полей, а электроды выполняют функции катализатора. Прохождение реакции не влияет на электроды, так как между ними находится ионопроводящая мембрана. Эти элементы намного эффективнее, чем любые другие. Специалисты считают, что именно за ними “светлое будущее”.

Для удобства основные характеристики различных типов аккумуляторов были сведены в таблицу 1.

В таблице 2 представлены типоразмеры некоторых элементов питания.

Зарядные устройства
Какой бы емкостью ни обладали аккумуляторы вашего гаджета — рано или поздно их придется заряжать. Для этого предназначены зарядные устройства (ЗУ). Они могут быть как внешними, так и вмонтированными в само мобильное устройство. Для Ni-Cd, Ni-MH и Li-Ion аккумуляторов необходимы разные типы ЗУ, отвечающие их конструктивным особенностям. Так, например, для продления срока эксплуатации Ni-Cd аккумуляторов рекомендуются импульсные ЗУ, которые уменьшают «эффект памяти».
Существуют так называемые “интеллектуальные” ЗУ, которые анализируют параметры заряжаемых аккумуляторов и в зависимости от полученных данных применяют различные методы зарядки.
Также зарядные устройства различают по времени зарядки — медленные и быстрые. Первые заряжают аккумулятор малым током (время заряда при этом составляет 12-15 часов); вторые — большим током (в течение 1-3 часов). Быстрая зарядка не сказывается на сроке эксплуатации батарей. Ni-Cd и Ni-MH аккумуляторы не следует оставлять в ЗУ после окончания зарядки, поскольку это приводит к ухудшению их параметров. Все вышесказанное не относится к Li-Ion аккумуляторам: их зарядные устройства постепенно уменьшают зарядный ток до нуля, и поэтому такие аккумуляторы можно оставлять в ЗУ после окончания зарядки.

Итоги
Как это ни странно, несмотря на обилие различных аккумуляторов их выбор ограничивается конкретным типом вашего мобильного устройства. Все современные сотовые телефоны и КПК комплектуются своими уникальными аккумуляторами (как правило, Li-Ion), а зарядные устройства, входящие в их комплект, обеспечивают оптимальные параметры зарядки. Если же ваши фотокамера или плеер питаются от стандартных элементов типа АА, то, несомненно, лучше взять Ni-MH аккумуляторы, как имеющие наиболее высокую энергетическую плотность. Однако, следует помнить об одной особенности таких элементов: их номинальное напряжение (даже в полностью заряженном состоянии) не превышает 1.3 В., в то время как у традиционных одноразовых батареек оно равно 1.5 В. Убедитесь, что ваш гаджет способен нормально функционировать на таком напряжении.
Li-Ion и Li-Pol аккумуляторы очень боятся холода, так как под воздействием низких температур разрушается их химическая структура. Поэтому в зимнее время держите устройства, работающие на таких элементах, ближе к телу.

При написании статьи использованы материалы из книги Айсидора Бахманна “Батареи в мобильном мире. Настольный справочник по перезаряжаемым батареям для не инженеров” (“Batteries in a Portable World. A handbook on rechargeable batteries for non-engineers”), а также материалы с сайта www.ixbt.com

Рекомендуем почитать: