Serwis Edukacyjny
Nauczycieli
w I-LO w Tarnowie

Do strony głównej I LO w Tarnowie

Materiały dla uczniów liceum

  Wyjście       Spis treści       Poprzedni       Następny  

©2018 mgr Jerzy Wałaszek
I LO w Tarnowie

Autor artykułu: mgr Jerzy Wałaszek
Konsultacje: Wojciech Grodowski, mgr inż. Janusz Wałaszek

 

 

Elementy

Baterie i akumulatory

Rozdziały artykułu:
Wstęp
Teoria
Warsztat
Elementy
    Przewody
    Złącza

    Baterie i akumulatory
Projekty
Zawartość:
Baterie
Akumulatorki
 

 

Baterie

Bateria (ang. battery) jest urządzeniem elektrycznym, które bezpośrednio zamienia energię chemiczną w elektryczną. Wewnątrz baterii przebiega reakcja chemiczna, która dostarcza elektronów będących źródłem prądu. Nie będziemy wnikać w wewnętrzną konstrukcję baterii, ponieważ nie jest to nam do niczego potrzebne. Ważne są parametry baterii, które powinieneś sobie przyswoić, aby stosować baterie do zasilania urządzeń elektronicznych.

Pierwsze baterie powstały już w osiemnastym wieku. Wykorzystywały ciekłe elektrolity i były niebezpieczne w użyciu. Dopiero pod koniec dziewiętnastego wieku wynaleziono bezpieczne ogniwo stałe (niezawierające żrących płynów). Od tego momentu baterie stały się powszechnie stosowanym źródłem zasilania różnych urządzeń przenośnych.

Baterie, które są obecnie w sprzedaży, zostały wynalezione w latach 50-tych ubiegłego wieku. Zatem, co powinno się wiedzieć o bateriach?

Na powyższym obrazku widzisz baterię typu LR6, którą oznacza się symbolem AA, tzw. paluszek. Jest to bateria, w której elektrolitem są związki alkaliczne – nieprzyjazne dla środowiska, nie powinieneś wyrzucać zużytych baterii, ponieważ prowadzi to do skażenia gruntu, gdy materiał elektrolityczny przeżre obudowę i wydostanie się na zewnątrz. Gdy przyjrzysz się baterii, to zauważysz, że posiada dwie końcówki oznaczone odpowiednio jako (+) i (–) (czasami końcówki ujemnej nie oznacza się specjalnie – końcówka dodatnia w paluszkach posiada wypustkę, a końcówka ujemna jest płaska). Końcówki te nazywamy biegunami baterii.

Z rozdziału oelektryczności wiesz, że napięcie elektryczne jest różnicą potencjałów. Znak (+) oznacza historycznie fakt, że biegun ten (zwany dodatnim) ma potencjał wyższy od bieguna ujemnego. Tak po prostu przyjęto. Przyjęto również, że prąd płynie zawsze od bieguna dodatniego do bieguna ujemnego (czyli od potencjału wyższego do niższego, co wydaje się logiczne), jeśli te dwa bieguny połączymy przewodnikiem (chwilowo tego nie rób, bo stracisz baterię, a w krańcowym przypadku może ona nawet eksplodować, obryzgując cię nieprzyjemną, żrącą mazią).

Później okazało się, że nie jest to do końca prawdą. Otóż, jeśli nośnikami ładunku są cząstki posiadające ładunek dodatni (np. jony), to kierunek przepływu tych cząstek jest właśnie taki: od bieguna dodatniego do ujemnego (pamiętasz to, co powiedzieliśmy o odpychaniu się ładunków? Cząstki dodatnie są odpychane od bieguna dodatniego, a przyciągane przez biegun ujemny, a to powoduje ruch tych cząstek od plusa do minusa). Jednakże w metalach nośnikami ładunku elektrycznego są elektrony o ładunku ujemnym (o tym fakcie dowiedziano się dużo później, gdy zdefiniowano już podstawowe prawa elektryczności). W ich przypadku ruch odbywa się w drugą stronę, tzn. od bieguna ujemnego do dodatniego. Ponieważ prawa elektryczności zostały już wcześniej zdefiniowane i zdołano się do nich przyzwyczaić, zapadła decyzja, aby nie wprowadzać zamieszania w fizyce i wszystko pozostawić tak jak jest. W sumie rzeczywisty kierunek przepływu ładunków dla nas nie jest specjalnie istotny. Zapamiętaj zatem: prąd elektryczny płynie umownie od bieguna dodatniego do bieguna ujemnego:

(+) → (–)

Z powodu tych biegunów nie jest obojętne, jak zasilamy układy elektroniczne. Jak zobaczysz w dalszej części kursu, układy scalone muszą być zasilane odpowiednio spolaryzowanym napięciem, tzn. biegun dodatni musi być podłączony do właściwej końcówki układu scalonego. To samo dotyczy bieguna ujemnego. Odwrócenie tych biegunów w najlepszym razie objawi się brakiem działania układu. W najgorszym... no cóż, przygotuj sobie kasę na nowe elementy elektroniczne.

Pojedyncza bateria (ogniwo) wytwarza określone napięcie zależne od jej typu. Współczesne baterie alkaliczne dają napięcie nieco ponad 1,5V. Sprawdź to swoim multimetrem:

Najpierw pokrętłem funkcji ustaw pomiar napięcia stałego (V–) do 2V (na skali pokrętła przełącznika może być napis 2000m, co oznacza 2 tysiące miliwoltów, czyli dwa wolty, 1 mV = 1/1000 V). Przy pomiarze napięć ważne jest, aby miernik był ustawiony na pomiar nieco wyższego napięcia od spodziewanego (chyba że posiadasz miernik automatyczny, który dopasuje się do mierzonej wartości napięcia). W większości naszych przypadków wystarczy pomiar napięć do 20V.

Następnie dotknij elektrodami miernika końcówek baterii: elektroda czarna COM do bieguna minus, elektroda czerwona do bieguna plus. Jeśli pomylisz bieguny, to tutaj akurat nie powinno nic się stać. Jedynie na wskazaniu miernika może pojawić się znak minus, co oznacza odwrotną biegunowość mierzonego napięcia.

U mnie pomiar dał wynik 1562 mV, czyli 1,56 V (ostatniej cyfrze raczej nie wierzę, to musiałby być miernik naprawdę wysokiej klasy, aby mierzyć napięcia z taką dokładnością).

Niektóre mierniki posiadają przycisk HOLD lub H. Naciśnięcie go powoduje ciągłe wyświetlanie ostatniego pomiaru (ang. hold = przytrzymaj, zatrzymaj, wstrzymaj, utrzymaj, itd.).

Jeśli bateria paluszkowa daje dużo niższe napięcie (np. 0,9V), to jest zużyta i nie nadaje się się zasilania układów cyfrowych. Należy zastąpić ją nową baterią. Istnieją jakieś metody regeneracji baterii, ale nie daj się na to nabrać. Lepiej kup nową baterię.

Pojedyncze baterie można łączyć szeregowo, uzyskując w ten sposób zwielokrotnione napięcie pojedynczego ogniwa, ponieważ w połączeniu szeregowym napięcia ogniw dodają się (jeśli są połączone w tym samym kierunku!):

 

Na rynku dostępne są baterie płaskie o napięciu 4,5V (mierząc takie napięcie multimetrem, ustaw zakres 20V). Wewnątrz bateria płaska zawiera trzy pojedyncze ogniwa LR12 po 1,5V, które są połączone szeregowo, co daje w sumie: 3 x 1,5V = 4,5V. Elektrody mają postać pasków z mosiądzu. Elektroda ujemna jest dłuższa od dodatniej. Tego typu baterią możesz zasilać praktycznie wszystkie układy ze współczesnymi mikrokontrolerami.

Baterie o napięciu 9V (zawierające wewnątrz 6 ogniwek po 1,5V) nie będą przydatne do naszych celów, ponieważ większość konstruowanych przez nas urządzeń pracuje pod napięciem od 3,3 do 5V.

 

Napięcie na schematach elektrycznych oznaczamy symbolem strzałki, która jest skierowana od punktu o potencjale niższym do punktu o potencjale wyższym. Jak widzisz z powyższych przykładów napięcia źródeł dodają się, jeśli są skierowane w tym samym kierunku. Napięcia skierowane przeciwnie będą się odejmowały.

Oprócz pokazanych powyżej typów baterii przemysł produkuje całą gamę innych ogniw. Np. baterie litowe CR2032 o napięciu 3V nadają się do zasilania miniaturowych urządzeń:

https://www.birando.com/assets/images/led%20submersibles/lithium-battery-cr2032.jpg

 

Akumulatorki

Akumulator jest urządzeniem podobnym w działaniu do ogniwa galwanicznego. Pod wpływem reakcji chemicznej są w nim uwalniane elektrony, które tworzą prąd elektryczny. Różnica jest taka, że w baterii reakcja chemiczna nieodwracalnie zużywa elementy składowe. W akumulatorze elementy te daje się regenerować w procesie ładowania, czyli magazynowania energii wewnątrz akumulatora. Oczywiście regeneracja nie jest stuprocentowa. Po pewnej liczbie cykli ładowania-rozładowania akumulator zużywa się i ma coraz mniejszą pojemność. Zwykle jednak liczba tych cykli wynosi od kilkuset do kilku tysięcy. Bardzo dobre parametry posiadają akumulatorki eneloop.

Pod względem budowy zewnętrznej akumulatory przypominają zwykłe baterie. Po obu końcach mamy bieguny: dodatni i ujemny. Różnicę można zauważyć na etykiecie, na której pojawia się informacja o maksymalnej pojemności akumulatora. Na przykład, akumulatorki pokazane powyżej posiadają pojemność 2000mAh. Ah to tzw. amperogodzina, czyli prąd o natężeniu jednego ampera płynący przez jedną godzinę. mAh to miliamperogodzina, czyli 1/1000 amperogodziny. Zatem po pełnym naładowaniu nasz akumulatorek może dostarczać prąd o natężeniu 2A przez 1 godzinę. Jeśli pobierany prąd będzie mniejszy, to czas się odpowiednio wydłuża. Np. przy prądzie o natężeniu 0,1A akumulatorek będzie działał przez 20 godzin.

Do ładowania akumulatorków służy specjalne urządzenie - ładowarka. W ładowarce umieszczamy rozładowane akumulatorki i podłączamy ją do sieci energetycznej. Proces ładowania trwa kilka, kilkanaście godzin. Tutaj mam drobną uwagę. Nie próbuj doładowywać baterii w ładowarce do akumulatorków. Baterie są w środku zbudowane inaczej i ładowanie nic nie da. W skrajnym przypadku taki eksperyment może doprowadzić do "wybuchu" baterii i ochlapania wszystkiego dookoła nieprzyjemną mazią. Zatem, jeśli właśnie to nie jest twoim celem, to daruj sobie oszczędności na bateriach. (Niektórzy konstruktorzy podejmują próby budowy urządzeń do regeneracji baterii alkalicznych i ponoć mają nawet sukcesy na tym polu. Jednakże taki regenerator działa inaczej od zwykłej ładowarki, a zregenerowana bateria nie ma już nigdy takiej samej pojemności jak bateria nowa, więc chyba lepiej zainwestować w normalne akumulatorki)

Akumulatorki w porównaniu z bateriami są dosyć drogie. Ich cena zależy głównie od jakości oraz od pojemności i wynosi 6...12 zł. Do tego należy doliczyć koszt ładowarki około 50zł. Jeśli jednak korzystasz często z urządzeń bateryjnych (radyjka, instrumenty muzyczne, układy elektroniczne), to koszt zakupu akumulatorków i ładowarki po pewnym czasie się zwróci.

Zmierz swoim multimetrem napięcie akumulatorka.

Dobrze naładowany akumulatorek powinien dawać napięcie około 1,2...1,35V. Ponieważ w trakcie pracy napięcie to spada pod obciążeniem, przyjmuje się, że akumulatorek paluszkowy daje zwykle napięcie 1,2V (jeśli po naładowaniu napięcie jest dużo niższe, to akumulatorek nadaje się tylko do kosza). Jest to o około 0,3V mniej od baterii. Co z tego wynika? Jeśli chcesz zasilać swoje urządzenie elektroniczne napięciem około 5V, to musisz połączyć szeregowo 4 akumulatorki, co da napięcie 4 x 1,2V = 4,8V. Trzy akumulatorki dadzą napięcie tylko 3,6V (na szczęście współczesne układy cyfrowe potrafią stabilnie pracować przy takim napięciu, a nawet niższym, od 1,8V).

 

xxx

xxx

 

xxx

xxx

 

xxx

xxx

 

xxx

xxx

 

Zespół Przedmiotowy
Chemii-Fizyki-Informatyki

w I Liceum Ogólnokształcącym
im. Kazimierza Brodzińskiego
w Tarnowie
ul. Piłsudskiego 4
©2018 mgr Jerzy Wałaszek

Materiały tylko do użytku dydaktycznego. Ich kopiowanie i powielanie jest dozwolone
pod warunkiem podania źródła oraz niepobierania za to pieniędzy.

Pytania proszę przesyłać na adres email: i-lo@eduinf.waw.pl