Elementy

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 o elektryczności 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 1562mV, czyli 1,56V (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 do 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 × 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:

 

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 × 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).

Akumulatory produkowane są w różnych rozmiarach, które odpowiadają bateriom danego typu:

Jeśli używasz akumulatorki różnych typów, to dobrym rozwiązaniem może być zakup uniwersalnej ładowarki:

 

Akumulatory litowo-polimerowe (ang. Li-Po battery) wykorzystujące elektrolity polimerowe zostały opracowane w latach 80-tych XX w., a w urządzeniach elektronicznych pojawiły się w połowie lat 90-tych. Obecnie spotyka się je prawie w każdym sprzęcie przenośnym, np. w telefonach komórkowych, odtwarzaczach mp3, czytnikach e-booków, kamerach cyfrowych, nawigacji GPS, dronach, itp.

Ich zaletą jest mała masa w stosunku do ilości gromadzonej energii oraz duży prąd wyładowania, co umożliwia zasilanie urządzeń o stosunkowo dużym poborze prądu, np. modele latające dronów:

Podstawowa komórka akumulatora Li-po daje napięcie od 2,7...4,2V, średnio 3,7V. Akumulatorki te produkowane są na napięcia będące wielokrotnościami napięcia komórki, czyli 3,7V, 7,4V, 11,1V, 14,8V, itp. Oprócz napięcia podaje się pojemność akumulatorka oraz maksymalny prąd, który można z niego pobierać. Na przykład: 3,7V 250mAh 25C: akumulatorek Li-Po na napięcie 3,7V o pojemności 250 mAh (miliamperogodzin = 0,25 Ah) i maksymalnym prądzie rozładowania 0,25 × 25 = 6,25 A.

Z punktu widzenia elektronika amatora akumulatory Li-Po są  bardzo atrakcyjne. Zwykle wyposażane są w zabezpieczenia uniemożliwiające przeładowanie lub całkowite rozładowanie akumulatora, co jest dla niego szkodliwe. Do ładowania stosuje się gotowe układy, ponieważ są bardzo tanie i nie opłaca się ich budować samodzielnie.

Za około 1zł 50gr możesz zakupić w Banggood.com prostą ładowarkę USB TP4056:

Jest to gotowa płytka o wymiarach 25 × 19mm wyposażona w gniazdo USB 2.0 mini B. Na płytce  znajduje się mały opornik SMD (na powyższej fotografii jest on na środku po prawej stronie z brzegu płytki), który ustala prąd ładowania akumulatorka Li-Po. Opornik ten należy odpowiednio dobrać przed zastosowaniem ładowarki. Pokażę, jak to zrobić na przykładzie akumulatorka Li-Po 3,7V 250mAh.

Prąd ładowania zwykle wynosi 37% pojemności akumulatorka (jest to wartość orientacyjna, nowsze akumulatory można bez szkody ładować wyższym prądem). W naszym przypadku będzie to 250 × 0,37 = 92 mA. Producent podaje tabelkę wartości oporności opornika oraz odpowiadające im prądy ładowania:

Przyjmujemy: opornik 10k, prąd 130mA. Należy odlutować oryginalny opornik i na jego miejsce wlutować opornik 10...15k:

Obrazek pokazuje sposób dołączenia akumulatora do płytki ładowarki. Należy zwrócić uwagę na właściwą polaryzację akumulatora. Odwrotne podłączenie spali układ scalony na płytce ładowarki. Akumulatorki posiadają wyprowadzone dwa przewody. Przewód czerwony to +, przewód czarny to –. Warto o tym pamiętać.

Na płytce znajdują się dwie diody LED sygnalizujące stan ładowania. W trakcie ładowania świeci się dioda czerwona. Gdy akumulatorek zostanie naładowany, dioda czerwona gaśnie i zaświeca się dioda zielona.

Dodatkowo można z płytki pobierać sygnały danych portu USB – pola IN+ i IN-. Płytka jest bardzo mała i bez problemu zmieści się w projektowanym układzie obok akumulatorka Li-Po.

W sprzedaży znajdują się różne wskaźniki do akumulatorków Li-Po. Na przykład takie coś:

Wskaźnik można podłączyć poprzez wyłącznik, aby niepotrzebnie nie pobierał energii z akumulatora. Pokazuje on poziom naładowania akumulatora oraz sygnalizuje konieczność ponownego ładowania. Urządzenie jest nieduże (szerokość 4,5cm), koszt około 7 zł w Chinach, u nas 12 zł.