Силовая электроника для любителей и профессионалов
Силовая Электроника
Теория
Практика
Моделирование
Технологии
Энергия из окружающего пространства
Разное
Хобби
Не электроникой единой...
FAQ - ответы на вопросы

Альтернативная энергетика  >>  Восстановление щелочных элементов

Эта статья, может быть, не совсем отвечает задачам альтернативной энергетики, но позволяет повторно использовать отработавшие щелочные элементы питания как альтернативу их выбрасывания с последующим загрязнением окружающей среды. В то же время, сэкономленные на приобретение элементов питания средства также могут найти альтернативное применение.

Восстановление щелочных элементов питания асимметричным током.

О восстановлении солевых элементов питания написано много ещё в прошлом веке. Но схемы, которые предлагаются в Интернете, в основном построены на комплектации того же прошлого века.
Большую работу по изучению этого вопроса провёл Б. Богомолов (http://www.qrx.narod.ru/bp/vg_e.htm). 
Появилась новая элементная база и новые элементы питания, которые, как выяснилось, старыми способами вообще никак не восстанавливаются.
Пока у меня не было большой потребности в элементах питания, не было и желания заниматься их восстановлением. Но с появлением цифровых фотоаппаратов, внуков и современных игрушек, проблема их питания стала бить по карману.
Последней каплей стал вертолёт с шестью элементами в пульте. Пять – шесть заправок с полётами по 5 – 10 минут, и элементы надо выбрасывать. Как и в реальной жизни, полётное время игрушечного вертолёта тоже стоит дорого.
После вертолёта я и задался вопросом: - А нельзя ли эти элементы восстановить?
Для экспериментов было разработано специальное зарядное устройство, с возможностью изменения режимов зарядки, на шесть элементов. Как раз потому, что в вертолёте их ровно шесть.
Основной упор был сделан на восстановление щелочных (alkaline) элементов, как наиболее прогрессивных по параметрам. Хотя для солевых элементов и аккумуляторов тоже была проведена проверка правильности рекомендаций по их восстановлению из прошлого века.
Сразу отмечу, что рекомендации правильные. Ключевые моменты: 

  • 1). Зарядка асимметричным током, с отношением тока разряда к току заряда как 1 : 10.
  • 2). Аккумуляторы перед зарядкой необходимо разрядить до напряжения немного ниже 1 В.
  • 3). Солевые элементы, разряженные до напряжения ниже 1 В, чаще всего не поддаются зарядке.
  • 4). Возрастание на заряжаемом элементе напряжения выше, чем 1,8 – 1,9 В, приводит к его деградации, вздутию и даже взрыву. 
  • 5). Все другие рекомендации по приведённой ссылке.

 1. Исходная схема зарядного устройства.

 Первая схема зарядного устройства (ЗУ) была разработана с учётом рекомендаций для солевых элементов.

 Схема модели первой схемы ЗУ в LTSpice IV приведена на рисунке 1.1. Функционально она соответствует принципиальной схеме, но удобнее для описания её работы.

 

Рис. 1.1. Схема модели ЗУ в LTSpice IV.

1.1. Состав и работа схемы.

Схема содержит:

- три источника переменного напряжения: V1 – 12,6 В, V2 и V3 – оба по 6,3 В. На самом деле это три обмотки одного силового трансформатора. Удобно использовать унифицированные трансформаторы ТН с четырьмя накальными обмотками по 6,3 В. Обмотка на 12,6 В получается последовательным соединением двух обмоток по 6,3 В;

- два источника тока. Источник тока заряда выполнен на микросхеме U1, резисторах R12 – R14, диоде VD7 (защита) и контактах S1.1, S1.2 переключателя S1. Источник тока разряда – на микросхеме U2, резисторах R27 – R29, диоде VD11 и контактах S1.3, S1.4 переключателя S1;  

- шесть посадочных мест для установки заряжаемых элементов E1 – E6, включённых последовательно. Параллельно каждому посадочному месту подключена схема ограничителя напряжения, выполненная на регулируемом стабилитроне TL432 (Uоп = 1,25 В). Напряжение ограничения задаётся отношением резисторов делителя в цепи управляющего вывода TL432. При указанных номиналах резисторов напряжение ограничения равно 2,0 В:

- повторитель напряжения на заряжаемых элементах. Схема повторителя включает в себя:

  • 1) мостовой выпрямитель напряжения источника V1 на диодах VD1 – VD4 с конденсатором фильтра C3;
  • 2) составной повторитель напряжения на транзисторах VT1, VT2 и резисторах R3, R5;
  • 3) выходной конденсатор C1 и шунтирующий его резистор R1, для разряда конденсатора при выключенном питании.
    К выходу повторителя подключён один вывод источника V3, а второй вывод через диод VD6 соединён со входом источника тока заряда.
    Напряжение на конденсаторе C1 с большой точностью равно напряжению на базе транзистора VT2, которая через резистор R5 соединена с выходом батареи, образованной заряжаемыми элементами.
    Схема служит для смещения напряжения источника V3 на величину напряжения заряжаемой батареи элементов. Это гарантирует работу источника заряда во всё время действия положительной полуволны напряжения V3, что обеспечивает стабильность тока заряда и отношения его к току разряда при любом напряжении батареи заряжаемых элементов в диапазоне от 0 до 12 В;

 - выпрямитель отрицательной полуволны источника V2 с конденсатором фильтра C2 и шунтирующим его резистором R4.
К выходу выпрямителя подключён исток транзистора VT3, затвор которого через резистор R2 соединён с общим проводом, а сток соединён с выходом источника тока разряда. Таким образом, при выключенном питании, когда напряжение на конденсаторе C2 равно нулю, транзистор VT3 закрыт и отключает источник тока разряда от батареи заряжаемых элементов, предотвращая их несанкционированный разряд. 
Заметим, что после выключения ЗУ, пока резистор R4 не разрядит конденсатор C2 до напряжения менее порога открывания транзистора VT3, через заряжаемые элементы будет протекать ток разряда. 
При включении питания на отрицательном выводе конденсатора C2 и соединённом с ним истоке транзистора VT3 появляется отрицательное относительно затвора напряжение, транзистор VT3 открывается и подключает источник тока разряда к батарее заряжаемых элементов.

Здесь же отмечу, что для предотвращения разряда элементов при выключенном питании, транзистор VT2 должен иметь напряжение пробоя обратно смещённого перехода база-эмиттер не менее 12 В. Это требование выполняется в транзисторах КТ209 с буквами Ж – М в обозначении (20 В).

Осциллограмма тока, протекающего через заряжаемые элементы, приведена на рисунке 1.2. 

 Рис. 1.2. Осциллограмма тока, протекающего через заряжаемые элементы.

На осциллограмме видно, что в каждом периоде время заряда немного меньше времени разряда, несмотря на то, что источник напряжения U3 смещён на величину напряжения батареи. Это следствие упрощения схемы разряда, которая включена всегда – и при заряде, и при разряде.

Переключатель S1 служит для установки различных величин токов заряда и разряда. Десять основных режимов из 16 возможных комбинаций описаны в таблице 1.1. Эти режимы использовались на практике. 

Таблица 1.1. Режимы зарядки.

Режим номер

Положение переключателя S1

Ток
заряда,

Iз, мА

Ток
разряда,

Iр, мА

Iр / Iз,

%

Средний ток,

Iср, мА

Среднеквадра-
тичный ток

IRMS, мА

S1.1

S1.2

S1.3

S1.4

1

0

0

0

0

112

12,5

11

44

75

2

0

0

1

0

100

25

25

31

69

3

1

0

1

0

225

25

11

89

151

4

1

0

0

1

212

38

18

74

143

5

1

0

1

1

197

53

27

64

136

6

0

1

0

0

358

12,5

3,5

154

236

7

0

1

0

1

332

38

11

130

222

8

0

1

1

1

317

53

18

117

214

9

1

1

0

0

483

12,5

2,6

200

309

10

1

1

1

1

442

53

12

164

287

 Цифры, указанные в таблице, взяты из модели и очень близки к реальным.

 Первая же зарядка щелочных элементов с ограничением напряжения на уровне 2,0 В привела к их вздутию и протеканию.
Пришлось учесть рекомендации Б. Богомолова и установить напряжения ограничения на уровне 1,8 В. Для этого номиналы резисторов R6, R8, R10, R18, R20 и R22 были изменены с 12 КОм на 8,8 КОм путём припаивания параллельно им резисторов с номиналом 33 КОм.
Схема правильно отработала напряжения ограничения, несмотря на то, что напряжение на выходах стабилитронов TL432, равное разности напряжения ограничения и падения напряжения на переходе эмиттер-база выходного транзистора стало немного меньше положенных 1,25 В.
Зарядка солевых элементов, при выполнении рекомендаций Б. Богомолова не приводила к разрушению элементов, а щелочные элементы по-прежнему вздувались и протекали, если напряжение на них в процессе зарядки возрастало до 1,8 В.
Пришлось учесть рекомендации учебников химии, которые говорят о том, что потенциал разложения воды равен 1,7 В. И, как показал опыт, 1,8 В достаточно для её разложения.
Резисторы R6, R8, R10, R18, R20 и R22 были заменены на резисторы с номиналом 6,8 КОм. При этом расчётное напряжение ограничения должно стать равным 1,675 В - немного ниже потенциала разложения воды.
Однако при этом напряжение на стабилитроне падает до величины, при которой стабилитрон не работает и схема ограничения не отрабатывает заданного напряжения. Замена выходного транзистора схемы ограничения на германиевый транзистор достаточной мощности затруднена не столько трудностями их приобретения, сколько измеренными падениями напряжения на их переходах. Оно находилось в пределах 0,4 – 0,5 В, в то время как у маломощных германиевых транзисторов на переходе эмиттер-база падает всего 0,25 – 0,3 В.

 2. Упрощённая схема ЗУ.

Для продолжения исследований, резисторы R15 – R17 и R24 – R26 были закорочены, в результате чего схема была приведена к виду, показанному на рисунке 2.1.

 

Рис. 2.1. Упрощённая схема ЗУ.

В упрощённой схеме весь ток в режиме ограничения принимает на себя стабилитрон. Максимально допустимый ток для него равен 100 мА. Опытным путём установлено, что на самом деле стабилитрон нормально выдерживает ток заряда в импульсе до 250 мА. И в результате схема пригодна для работы в режимах 1 – 5. В этих режимах и были продолжены исследования процессов зарядки и восстановления элементов.
В результате оказалось, что для зарядки щелочных элементов этих режимов вполне достаточно.

 3. Доработанная схема ЗУ.

С учётом изложенного в предыдущем пункте, схема была доработана и приведена к виду, показанному на рисунке 3.1.

 

Рис. 3.1. Доработанная схема ЗУ.

В схеме были опробованы транзисторы ГТ308, ГТ310 и ГТ322А. Все они работают. Транзистор ГТ322А выбран  из-за небольших размеров, наличия у него приличного, не хлипкого корпуса и большого количества в тумбочке.

Переключатели SA2 – SA7 (типа П2К без фиксации - кнопки) сначала были установлены исключительно как пружины для прижатия элементов, но потом оказалось, что они могут выполнять серьёзные функции. Если элемент не установлен, посадочное место для элемента закорочено, при установке элемента, оно автоматически подключается к ЗУ и подключает заряжаемый элемент к соответствующим контактам XT1 – XT6. Практика показала, что эти контакты очень удобно использовать для контроля за процессом зарядки и для подключения к ним нагрузочных резисторов при разрядке элементов и аккумуляторов.

В доработанной схеме устранены все обнаруженные недостатки предыдущей:

  • - Устранена зависимость тока заряда от тока разряда. Для этого из цепи истока транзистора VT3 убран конденсатор и в цепи затвора установлен стабилитрон на микросхеме DA4 и резисторах R8, R16. Напряжение на стабилитроне равно сумме порога открывания транзистора VT3 и падения напряжения на диоде VD6. Теперь транзистор VT3 открывается сразу после перехода питающего напряжения через ноль. Но появилось требоавание к синфазности напряжений обмоток U1 и U3 трансформатора TV1. 

  • - Введением стабилитрона DA1 в цепь базы транзистора VT2 смещение источника тока заряда увеличено на величину падения напряжения на микросхеме источника тока D2. Зто привело к симметрированию полупериодов заряда и разряда. Осциллограма тока в заряжаемом элементе после доработки приведена на рисунке 3.2.

Рис. 3.2. Осциллограмма тока в элементе при зарядке в доработанной схеме.

  • - Вместо четырёхсекционного переключателя S1 установлен восьмисекционный.
    Три первых секции предназначены для установки тока заряда в диапазоне от 60 до 480 мА с шагом 60 мА. Три следующих секции - для установки тока разряда в диапазоне от 6 до 48 мА с шагом 6 мА. Две последние секции добавляют к току разряда 125, 250 или 375 мА. Точные величины токов заряда и разряда для некоторых сочетаний положений переключателей приведены в таблице 5.1.
  • - Оставлена возможность непрерывного включения источника тока разряда. Для этого предусмотрена возможность подключения к контактам на плате C- и C+ того самого конденсатора ёмкостью 1000 мкФ, который был удалён из схемы. Таким образом, теперь ЗУ позволяет не только заряжать, но и разряжать элементы питания ассимметричным или непрерывным током.
  •  - Добавлен светодиод индикации включения ЗУ.
  • - Пороги напряжений ограничения на заряжаемых элементах установлены на уровне 1,6 В. При достижения напряжения на заряжаемом элементе уровня 1,6 В ток, протекающий в цикле разряда становится равен току в цикле заряда, остальной ток уходит через схему ограничения. Таким образом, зарядка элемента автоматически прекращается.
    Тем не менее, элемент всё время находится под напряжением 1,6 В и при длительном воздействии этого напряжения на полностью заряженный элемент, начинается его деградация. То есть, после полной зарядки элемент необходимо извлечь из ЗУ. Признаком полной зарядки служит начало падения напряжения на элементе при выключенном ЗУ.

 Описание конструкции будет приведено в конце статьи. А пока вернёмся к процессу.

  4. Особенности щелочных элементов и рекомендации по их восстановлению.

Перед зарядкой, в процессе и после неё элементы тестировались по напряжению без нагрузки (ЭДС) и внутреннему сопротивлению. Для определения внутреннего сопротивления проще всего ЭДС элемента разделить на ток короткого замыкания. Но ток короткого замыкания у хороших элементов достигает величины порядка 10 А. Весьма сомнительно, что такая встряска может быть для элемента полезна. Поэтому для определения внутреннего сопротивления измерялся ток Iн в высокоточном сопротивлении нагрузки Rн = 0,51 Ом. А внутреннее сопротивление Rn элемента номер n рассчитывалось исходя из формулы:

Rn + Rн = Un / Iнn,

откуда:

Rn = (Un / Iнn) – Rн.

Порядок величины сопротивления нагрузки 0,5 Ом выбран из соображения, чтобы оно было близко к реальному внутреннему сопротивлению заряжаемого элемента. Это обеспечивает максимальную точность измерений. С другой стороны, такая величина сопротивления нагрузки гораздо больше сопротивления включенного последовательно с ним амперметра, и им можно пренебречь.

Не буду излагать здесь весь процесс исследования, а приведу только его результаты. 

1. Рекомендованный для солевых элементов режим зарядки с отношением тока разряда к току заряда 1 : 10 для щелочных элементов работает плохо.
В проведённых экспериментах щелочные элементы устойчиво заряжались только в режимах 2 и 4. В этих режимах ток разряда составляет 25 % и 18 % от тока заряда соответственно. Причём в режиме 4 конечные показатели были лучше, а время зарядки меньше. Зарядка с долей тока разряда 27 % от тока заряда даёт худшие результаты.
Пока можно рекомендовать следующее: для зарядки щелочных элементов необходимо использовать режимы с током разряда порядка 20 % от тока заряда. В приведённых схемах лучше всех работает режим 4.
Режимы с большими токами показали худшие результаты.

2. На мой взгляд, самое главное. В отличие от солевых элементов, щелочные элементы могут быть восстановлены, если напряжение на них гораздо меньше 1 В.
Более того, элементы, которые деградировали в результате экспериментов, успешно зарядились после их полного разряда.
Лучше всего перед зарядкой просто закоротить элементы сопротивлением порядка 20 Ом и оставить их в таком виде на неделю.

В качестве иллюстрации приведу таблицу 4.1 зарядки сильно разряженных щелочных элементов, с комментариями. Зарядка проводилась при напряжении ограничения 1,8 В, элемент 6 после 9 часов протёк и был снят с зарядки, элемент 3 с большим напряжением тоже был снят с зарядки, для предотвращения протекания, а через час зарядка прекращена вовсе.

 Таблица 4.1. Зарядка сильно разряженных щелочных элементов в режиме 4.

п/п

Тип

элемента

Исходные

Напряжение Ui через

Результат*1 (ч/з 12 ч)

Uн,

В

Iн,

А

Rн,

Ом

1

час

9

часов

10

часов

R,

Ом

Uз,

В

U,

В

Iн,

А

R,

Ом

1

Pleomax

0,75

0,04

18,3

1,45

1,57

1,59

1,18

-

1,52

1,03

0,96

2

Pleomax

0,33

0,02

16,0

1,48

1,59

1,61

0,98

-

1,53

1,15

0,82

3

Ergolux

0,24

0,02

11,5

0,95

1,71

прекр

0,69

-

1,58

1,52

0,53

4

Ergolux

0,25

0,02

12,0

0,95

1,53

1,64

0,58

-

1,57

1,54

0,51

5

Ergolux

0,33

0,02

16,0

1,02

1,65

1,69

0,77

-

1,41

1,41

0,49

6

Ergolux

0,36

0,02

17,5

0,96

1,68

прекр

0,64

-

1,62

1,53

0,55

 *1) Зарядка прошла успешно. Все элементы имели начальное напряжение гораздо ниже 1 В, то есть, были на выброс. И все зарядились до нормального состояния. Через 12 часов после зарядки напряжение на элементах немного упало, но и внутреннее сопротивление элементов стало меньше.
При среднем токе зарядки 74 мА в режиме 4 за 10 часов элементы получили более 700 мА*ч энергии. Возможно, можно было дать и больше, но зарядку пришлось прекратить из-за протекания одного элемента. 

3. Щелочные элементы имеют определённый запас по энергии восстановления, превышение которого ведёт к их деградации. Другими словами, процесс зарядки необходимо контролировать и прекращать зарядку при достижении признаков полной зарядки. 

4. Признаком полной зарядки щелочного элемента является снижение на нём напряжения в стадии разряда или покоя.
Можно просто периодически выключать ЗУ и измерять напряжение на элементах. Как только напряжение на элементе начинает падать, его зарядку следует прекращать.
Это означает, что имеется возможность автоматизировать процесс зарядки путём применения контроллера.

5. Элементы, работавшие при сильных нагрузках, следует заряжать сразу после их разрядки, независимо от того, какое на них напряжение, тогда вероятность успеха приближается к единице.

6. Если перед зарядкой напряжение на элементе лежит в пределах 0,9 – 1,2 В, а ток в нагрузке 0,5 Ом превышает 0,3 А, скорее всего элемент зарядится недостаточно хорошо.
Лучше сразу разрядить его так, чтобы ток в нагрузке 0,5 Ом не превышал 0,05 А.

 5. Конструкция ЗУ

5.1. Внешний вид ЗУ, собранного по первому варианту схемы, показан на рисунке 5.1.

Рис. 5.1. Внешний вид ЗУ.

 5.2. Ниже описана конструкция ЗУ по последнему варианту схемы. Печатная плата была переработана. Понятно, что на печатной плате этого варианта может быть изготовлено ЗУ по любому из трёх вариантов схемы.

ЗУ собрано на печатной плате с размерами 125 х 150 мм.

Вид печатной платы со стороны пайки, но в зеркальном отображении, поскольку чертёж предназначен для изготовления по лазерно - утюжной технологии (ЛУТ), показан на рисунке 5.2.

Рис.5.2. Печатная пллата.

 На рисунке 5.3 приведён сборочный чертёж.

 Рис. 5.3. Сборочный чертёж ЗУ.

Печатная плата допускает применение микросхем LM317 как в пластмассовом корпусе ТО220, так и в корпусе D2PAK для поверхностного монтажа. Во втором случае микросхемы устанавливаются со стороны пайки, на тех же местах, что микросхемы в корпусе ТО220. На сборочном чертеже этот вариант показан контурами.
Отверстия в верхней части печатной платы предназначены для крепления радиаторов для микросхем DA2 и DA3 LM317, и транзистора VT1 КТ817Г и для крепления жгута проводов. Два отверстия слева во втором ряду, вместе с верхними отверстиями, - для крепления радиаторов под платой, если применены микросхемы в корпусе D2PAK.
Моделирование показало, что максимальная мощность рассеивания тепла в самых тяжёлых условиях для микросжемы DA2 не превышает 1,2  Вт, для микросжемы DA3 - 2,5 Вт в импульсном режиме и 5,1 Вт в режиме постоянного тока разряда. Для транзистора VT1 - 1,8 Вт. Исходя из этих величин и надо подбирать для них радиаторы.
Вся схема в самом тяжёлом режиме потребляет от сети около 10 Вт. Но трансформатор надо выбирать с большей мощностью. В маломощных обмотки имеют большое сопротивление. Из унифицированных подходят трансформаторы ТН30 - ТН51. Они имеют по четыре обмотки. ТН меньшей мощности имеют только три обмотки на 6,3 В.

Упоры X11 - X16 для положительных выводов заряжаемых элементов питания B1 - B6 сделаны из медного посеребрённого уголка, который "совершенно случайно" нашёлся в хламе. Упоры приклёпаны к плате трубчатыми латунными заклёпками и пропаяны с двух сторон.
На штоки переключателей SA2 - SA7 надеты оцинкованные железные резьбовые втулки - уж какие нашлись. К втулкам припаяны гибкие провода, которые другими концами впаяны в отверстия в плате, обозначенные X12 - X62. И если к медным упорам претензий нет, то к железным втулкам их много. При первом же протекании элемента они покрылись шубой и теперь их надо зачищать каждый раз при установке элементов. Втулки должны быть медными.
Как выгдядят упоры и втулки, хорошо видно на рисунке 6.1.
Посадочные места для элементов сделаны из монтажных коробов для прокладки проводов, размером 15 х 15 мм. Сегодня они есть в каждом строительном магазине. Но для того, чтобы элементы входили не слишком туго, пришлось срезать кромки, которые удерживают крышку. Только не надо срезать их целиком. а укоротить в верхней плоскости, чтобы загибы остались. Тогда элементы не выпадают даже при переворачивании ЗУ.
Посадочные места прикклеены к плате силиконом. После высыхания просверлены отверстия X12 - X62 и в них впаяны провода от втулок. 
Перед приклеиванием необходимо вставить в посадочные места все элементы и отцентрировать коробки так, чтобы все элементы находились в центре ячеек. Для этого мне пришлось вставлять между коробками наборы из полосок стеклотекстолита толщиной 0,2 мм.

 Схемы и сборочный чертёж в высоком разрешении, а также два файла в формате .pdf с чертежами одной и двух печатных плат для ЛУТ можно скачать одним архивом по ссылке.

Четырнадцать основных режимов в новом ЗУ(2) из 256 возможных комбинаций описаны в таблице 5.1.

 Таблица 5.1. Режимы заряда и разряда в ЗУ2.

Режим номер

Положение переключателя S1

Ток заряда Iз, мА

Ток разряда,

Iр, мА

Iр / Iз,

%

Средний ток,

Iср, мА

I

RMS

мА

S1.1

S1.2

S1.3

S1.4

S1.5

S1.6

S1.7

S1.8

1

0

0

0

0

0

0

0

0

63

6,3

10

25

42

2

0

0

0

1

0

0

0

0

63

12,5

20

22

42

3

1

0

0

1

0

0

0

0

125

12,5

10

50

84

4

1

0

0

1

1

0

0

0

125

25,0

20

43

85

5

0

1

0

0

1

0

0

0

188

18,8

10

75

125

6

0

1

0

1

0

1

0

0

188

37,5

20

66

127

7

1

1

0

1

1

0

0

0

250

25

10

101

167

8

1

1

0

1

1

1

0

0

250

50

20

89

169

9

0

0

1

0

0

1

0

0

330

31

9,4

132

218

10

0

0

1

1

1

1

0

0

330

53

16

123

219

11

1

0

1

1

0

1

0

0

393

37,5

9,5

151

254

12

0

1

1

0

1

1

0

0

455

43,5

9,5

168

289

13

1

1

1

1

1

1

0

0

518

53

10

185

323

14

1

1

1

0

0

0

1

0

518

131

25

142

332

15

Z

Z

Z

R

R

R

1

0

Z1

R1 + 125

Х

Х

Х

16

Z

Z

Z

R

R

R

0

1

Z2

R2 + 266

Х

Х

Х

17

Z

Z

Z

R

R

R

1

1

Z3

R3 + 391

Х

Х

Х

 Для зарядки щелочных элементов подходят режимы 2, 4, 6, и 8 с отношением тока разряда к току заряда 20 %. Если очень хочется быстрее, можно попробовать режим 10. Оптимально после зарядки 12 часов в режиме 8 переключить ЗУ в режим 4 и продолжать заряжать ещё 10 часов и больше.

Точно измерить средний ток заряда или разряда можно стрелочным прибором, подключив его к контрольным штырям XT1 - XT6 (напротив любого элемента в самом низу платы), предварительно вставив изолирующую тонкую прокладку между плюсовым выводом соответствующего элемента и положительной ламелью платы. (Если этого не сделать, амперметр подключится непосредственно к выводам соответствующего заряжаемого или разряжаемого элемента).

 6. Испытания ЗУ

На этом конструкцию зарядного устройства считаю завершённой Осталось проверить его способность восстанавливать щелочные элементы из любого исходного состояния. Проведём контрольную зарядку сильно разряженных, не до конца разряженных и вовсе не разряженных щелочных элементов, чтобы оценить эффективность их восстановления. Результаты экспериментов отразим в таблицах 6.1 - 6.3 соответственно.   

Таблица 6.1. Зарядка сильно разряженных элементов в режиме 4 (Таблица 1.1.).

п/п

Тип

элемента

Исходные

Тз = 3 ч

Тз = 5 ч

Тз = 20 ч

Через 24 ч

Uн,

В

Iн,

А

U1,

В

Iн1,

А

U2,

В

Iн2,

А

U3,

В

Iн3,

А

Uк,

В

Iнк,

А

Rвн,

Ом

1

GPSuper

0,83

0,26

1,48

1,50

1,58

1,48

1,56

1,58

1,44

1,48

0,46

2

GPSuper

0,83

0,26

1,47

1,49

1,57

1,48

1,57

1,46

1,39

1,54

0,39

3

GPSuper

0,93

0,30

1,56

1,40

1,58

1,40

1,56

1,42

1,45

1,48

0,47

4

Pleomax

1,18

0,09

1,48

0,88

1,54

0,93

1,56

0,99

1,49

0,97

1,03

5

Maxell

0,98

0,34

1,31

0,87

1,45

1,16

1,51

1,30

1,41

1,23

0,64

6

Maxell

1,17

0,72

1,39

1,00

1,47

1,08

1,46

0,69

1,32

0,95

0,88

 Напряжения на некоторых элементах начали снижаться, а это признак полной зарядки. Зарядка прекращена. 
Все элементы нормально зарядились. Только последний элемент явно деградировал в конце зарядки, хотя всё равно стал лучше, чем до зарядки. Остальные улучшили или не изменили свои показатели за последние 12 часов зарядки. Через 10 часов после окончания зарядки напряжение на всех элементах упало, а отдача тока в нагрузку у некоторых немного возросла, а у некоторых немного упала.

Таблица 6.2. Зарядка не сильно разряженных элементов в режиме 4 (Таблица 1.1.).

п/п

Тип

элемента

Исходные

Тз = 3 ч

Тз = 8 ч

Через 24 ч

Uн,

В

Iн,

А

Rн,

Ом

U1,

В

Iн1,

А

U2,

В

Iн2,

А

Uк,

В

Iнк,

А

Rвн,

Ом

1

Ergolux

1,37

1,28

0,56

1,58

1,48

1,58

1,42

1,52

1,50

0,50

2

GPUltra

1,43

1,05

0,85

1,58

1,12

1,57

1,12

1,54

1,15

0,83

3

GPUltra

1,47

0,78

1,37

1,58

0,84

1,58

0,83

1,54

0,84

1,32

4

GPSuper

1,45

0,88

1,14

1,58

0,98

1,54

0,98

1,54

0,99

1,05

5

GPSuper

1,36

0,92

0,97

1,58

1,10

1,45

1,10

1,51

1,05

0,92

6

GPSuper

1,48

1,31

0,62

1,59

1,44

1,47

1,40

1,55

1,48

0,54

 Напряжения на некоторых элементах начали снижаться, а это признак полной зарядки. Зарядка прекращена.  У всех элементов выросло напряжение и отдача тока в нагрузку.

 Таблица 6.3. Освежение долго хранившихся элементов в режиме 4 (Таблица 1.1.).

п/п

Тип

элемента

Исходные

Тз = 3 ч

Через 14 часов

Uн,

В

Iн,

А

Rн,

Ом

Uз1,

В

U1,

В

Iн1,

А

R1,

Ом

Uз2,

В

U2,

В

Iн2,

А

R2,

Ом

1

GPUltra

1,47

1,40

0,54

1,59

1,57

1,70

0,41

1,60

1,54

1,60

0,45

2

GPUltra

1,48

1,33

0,60

1,60

1,58

1,81

0,36

1,60

1,54

1,76

0,37

3

GPUltra

1,49

1,53

0,46

1,55

1,53

1,55

0,48

1,59

1,52

1,51

0,48

4

GPUltra

1,48

1,53

0,46

1,60

1,58

1,80

0,37

1,60

1,55

1,76

0,37

5

GPUltra

1,43

1,43

0,49

1,60

1,57

1,72

0,40

1,60

1,50

1,62

0,42

6

GPUltra

1,51

1,79

0,33

1,60

1,59

1,82

0,36

1,60

1,58

1,75

0,39

          Зарядка проводилась в течение 3 часов.  Измерения проводились через 14 часов. В результате у всех элементов увеличилось напряжение. И у всех элементов, кроме последнего, самого хорошего, увеличилась отдача тока в нагрузку.
Последний, самый хороший элемент немного деградировал. Можно констатировать, что зарядка для не разряженных элементов не идёт им на пользу.

Как для себя, считаю поставленную задачу выполненной. Но я не стану давать это устройство родственникам и хорошим знакомым. Устройство не готово для широкого применения. Люди не будут производить контроль окончания зарядки, будут портить свои батарейки и пенять на зарядное устройство. Для широкого применения не хватает микроконтроллера, отслеживающего уровень напряжения на элементах и исполнительных устройств для подключения - отключения заряжаемых элементов.
 

  В заключение хочу выразить благдарность тем порядочным людям, которые давали мне использованные элементы питания, чтобы я выбрасывал их в контейнер для утилизации батареек, установленный в нашем магазине. Без них было бы трудно проделать такую работу.

  2 - 10 ноября 2016 г.

Post scriptum.

За время, прошедшее после публикации статьи, было собрано два устройства по последнему варианту. Внешний вид устройства со стороны монтажа показан на рисунке 5.4, вид со стороны пайки - на рисунке 5.5.

 

 Рис. 5.4. ЗУ со стороны монтажа.

 

Рис. 5.5. ЗУ со стороны пайки.

В ЗУ применены микросхемы LM317 в корпусе D2PAK, поэтому охладитель для них расположен со стороны пайки.

В результате продолжения работы по усовершенствованию режимов зарядки различных элементов, сопротивления резисторов R18, R22, R26, R30, R34, R38 были уменьшены до номинала 5,1 КОм. В результате напряжения ограничения снизились примерно до 1,56 В и деградации заряжаемых элементов при длительной зарядке практически не происходит.
Использование германиевого транзистора в схеме ограничения позволяет устанавливать ограничение напряжения вплоть до 1,4 В. Это и было сделано во втором ЗУ. Теперь оно используется для зарядки аккумуляторов. Ограничение напряжения на уровне 1,4 В не допускает их деградации от перезаряда.

Для тех, кто собирает эту схему, хочу сообщить, что транзисторы ГТ322А выбирались из большого количества по минимальному обратному току коллектора. При этом обнаружено много транзисторов, у которых плавает коэффициент усиления и обратный ток коллектора при комнатной температуре составляют десятки микроампер. Такие транзисторы были просто выброшены.

23 декабря 2016 г.

*   *   *

 

Силовая Электроника  |  Теория  |  Практика  |  Моделирование  |  Технологии  |  Альтернативная энергетика  |   Энергия из окружающего пространства  |  Разное  |  Хобби  |  Не электроникой единой...  |  FAQ - ответы на вопросы