Внутреннее сопротивление счетчика. Как проверить основные параметры аккумулятора мультиметром. Как измерить напряжение

Контроль внутреннего сопротивления аккумулятора позволяет поддерживать источник электроэнергии в работоспособном состоянии длительное время. Показатель зависит от многих параметров, способов измерения также существует большое количество.

Аккумулятор для автомобиля.

Легче всего объяснить эту характеристику любой электрической батареи на примере. Когда берется новая АКБ для автомобиля, в полностью заряженном состоянии ее напряжение составляет 13 В. Если ее подключить к потребителю с минимальным сопротивлением 1 Ом, то при измерении окажется, что сила тока не 13 А, а примерно 12,2 А.

Это противоречит закону Ома: I=U/R. Если 13 В разделить на 1 Ом, должно получиться 13 А. Это объясняется тем фактом, что не только нагрузка, но и сам источник питания обладает сопротивлением. Реакция в нем, в результате которой появляется электроэнергия, проходит с некоторым замедлением.

Падение силы тока при подсоединении любой нагрузки к источнику питания происходит в т. ч. и в результате внутренних процессов в аккумуляторе. Существуют другие факторы, влияющие на его внутреннее сопротивление, что сказывается на действительной силе тока.

Эта величина, которую еще называют проводимостью, импедансом, условная, никогда не бывает постоянной. Она меняется в зависимости от состояния аккумулятора и многих других обстоятельств.

Как проверить внутреннее сопротивление АКБ

Давно существуют приборы, показывающие взаимосвязь емкости и внутренней проводимости. Они оценивают:

• состояние под нагрузкой по напряжению при постоянной величине тока;
• сопротивление при переменном токе;
• приборы для сравнения спектров.

Все способы позволяют получить только информацию о качественном состоянии батареи. Количественные показатели недоступны, т. е. невозможно по внутреннему сопротивлению судить о том, сколько проработает АКБ под нагрузкой. Однозначная зависимость между проводимостью и емкостью отсутствует.

Измерения рекомендуется проводить регулярно. Они позволяют оценить состояние АКБ, планировать покупку новой. Практикой доказано, что показатель с каждым годом возрастает минимум на 5%. Если увеличение превышает 8%, оценивают условия эксплуатации, нагрузку. Возможно, причина кроется в них.

От чего зависит

Показатель проводимости аккумулятора рассчитывают с учетом ЭДС, тока, нагрузки. Получают условную постоянно меняющуюся величину, зависящую от таких условий:

• физических параметров батареи: размера, формы;
• конструктивного исполнения основных элементов;
• состояния электролита;
• присутствия легирующих добавок;
• состояния контактов.

Особенное влияние на импеданс оказывает электролитическая масса: химический состав, концентрация, температурные условия эксплуатации. Зависимость внутреннего сопротивления источников питания от состава электролита:

1. Кислотно-свинцовые АКБ отличаются минимальными показателями. Они способны отдать ток силой до 2,5 кА, который необходим для запуска ДВС.
2. Среди всех аккумуляторов самый низкий импеданс у NiCd. Он сохраняется даже после 1 тыс. разрядно-зарядных циклов.
3. У NiMH импеданс вначале выше. Через 350 циклов он еще увеличивается.
4. Характеристики Li-ion батареи лучше, чем NiMH, но уступают NiCd. В процессе эксплуатации импеданс у них не увеличивается, но зато в течение 2 лет Li-ion выходят из строя, даже если не эксплуатировались.

Поддерживать низкий импеданс особенно важно для устройств с высоким импульсным током потребления, например мобильных телефонов. Если никелевые аккумуляторы не обслуживать, их проводимость резко возрастает.

Подача переменного тока

Самый простой способ, но требует до 2 часов времени. Понадобятся:

• постоянный резистор определенного номинала;
• ограничительный трансформатор;
• конденсатор;
• цифровой вольтметр.

Последний прибор может быть самым простым. Цифровая индикация необходима для большей точности измерений.

Несмотря на простоту метода, существуют факторы, которые не позволяют с уверенностью оценить внутреннее сопротивление. Значения при измерениях включают активные и реактивные параметры, учитывают частоту. Влияние оказывают химические реакции, протекающие в электролите.

Метод постоянной нагрузки

Способ, более часто используемый по сравнению с предыдущим. Применяется к батареям для автотранспорта. В течение нескольких секунд их разряжают под нагрузкой. Вольтметром фиксируют напряжение до разряда и после него. По закону Ома проводят вычисления.

Для старых АКБ метод неподходящий — он не позволяет определить их состояние. Нагрузка измеряется.

Короткоимпульсный способ

Сравнительно новаторский метод, обладающий следующими преимуществами:

1. Батарея остается на своем месте, не отключается, что избавляет от лишней работы.
2. При измерении изменение напряжения краткосрочное, что не влияет на работоспособность оборудования.
3. Из приборов нужен вольтметр.
4. Тестируют регулярно, но на состоянии АКБ это не сказывается.

Параллельно определяется емкость при сравнении новой и эксплуатируемой батарей. Учитываются сила тока, короткие замыкания. Метод позволяет сделать выводы о состоянии АКБ.

Зависимость состояния аккумулятора от внутреннего сопротивления

Провести измерения можно самостоятельно собранными устройствами, но большинство отдают предпочтение промышленным. Они позволяют оценить состояние аккумулятора, его основные характеристики. Рынок предлагает изделия с необходимыми функционалами.

Среди таких приборов:

1. Нагрузочные вилки — . Позволяют установить необходимую нагрузку.
2. Устройства, помогающие установить связь состояния батареи с импедансом.
3. Измерители спектров, позволяющие определить проводимость при переменном и постоянном токе.

Разные измерительные устройства служат для определения внутреннего сопротивления. Тестеры подают сигналы, по которым устанавливают работоспособность АКБ, емкость, время заряда и разряда. Показатели взаимосвязаны, но зависимость в одних случаях больше, в других — меньше.

Измерение внутреннего сопротивления автомобильного АКБ

Особенное влияние оказывает величина импеданса на автомобильные аккумуляторы. Если эксплуатация транспортного средства активная как в городе, так и на трассе, сельских дорогах, импеданс оказывает большое влияние на продолжительность службы батареи. Регулярное тестирование позволяет определить, когда пригодность АКБ для работы приближается к финишу.

Описание параметра

Сопротивление принято обозначать R. В автомобильном аккумуляторе это сумма сопротивлений омического и поляризации. В свою очередь, омическое R слагается из сопротивлений, которые возникают в электролите, на соединениях банок, на контактах, электродах, сепараторах.

Импеданс проявляется в отношении тока внутри батареи независимо от того, разрядный он или зарядный. Все элементы АКБ имеют свою проводимость, которая различается.

Связанные факторы

Конструкции аккумуляторов, применяемые материалы разные, поэтому показатели неодинаковые. Например, плюсовая решетка имеет R в 10 тыс. раз меньше, чем у нанесенного на нее свинца. На минусовой решетке разница неощутимая.

Технология изготовления электродов также различается, что сказывается на показателях. Сюда относятся: качество материала, контактов, конструкция, присутствие легирующих компонентов.

На R сепараторов влияют толщина и пористость материала. Сопротивление электролита зависит от его температуры, концентрации.

Измерение сопротивления

Точное измерение внутреннего сопротивления невозможно без использования графиков разрядных кривых. На него влияют заряженность АКБ, нагрузка, температура. Автолюбители пользуются более простым способом, позволяющим судить о состоянии источника питания.

Пользуются лампой из фары, например галогеновой на 60 Вт, и тестером. Светодиодную не следует применять ни в коем случае. Лампочку и мультиметр подключают к батарее последовательно. Записывают показания вольтметра. Отключают нагрузку и смотрят напряжение, которое окажется больше.

Сравнивают показания измерительного прибора. Проводят расчет: если разница не превышает 0,02 В, состояние АКБ хорошее — импеданс не больше 0,01 Ом.

Пользуются вольтметром с цифровой индикацией: на стрелочном трудно зафиксировать точные показатели.

Мультиметр является многофункциональным устройством для измерения различных параметров электрического тока, поэтому с его помощью может быть произведена и проверка заряда аккумулятора. Для выполнения данной работы можно использовать различные виды мультиметров. Стоимость изделия не имеет значения, главное чтобы цифровой или аналоговый измерительный прибор был в исправном состоянии. О том как проверить аккумулятор мультиметром будет рассказано далее.

Какие параметры можно проверить?

С помощью мультиметра можно измерить напряжение с высокой точностью. По величине электрического напряжения можно определить заряжена ли аккумуляторная батарея или элемент необходимо зарядить постоянным током.

С помощью мультиметра, можно проверить напряжение не только кислотных аккумуляторов, но и элементы питания сотовых телефонов. Чтобы проверить мобильник на величину заряда батареи, прибор переводится в режим измерения постоянного тока до 20 В. В этом режиме цифровой прибор, позволяет измерить напряжение, с точностью до сотых долей вольта.

Аккумулятор шуруповёрта, также можно легко проверить мультиметром. Номинальное напряжение прибора, в данном случае, можно узнать из документации электроинструмента, и если напряжение меньше этого значения, то батарею необходимо зарядить.

Ёмкость аккумулятора также можно проверить мультиметром. Для этой цели можно воспользоваться несколькими способами.

Проверить с помощью мультиметра можно утечку тока. Если необходимо измерить данный параметр на автомобиле, то кроме утечки тока на корпус, проверяется и утечка в бортовой сети автомобиля.

Таким образом можно предотвратить быстрый разряд АКБ и повысить её эксплуатационный ресурс.

Как измерить напряжение

Если необходимо проверить только аккумуляторного напряжения, то мультиметр переводится в режим DC. Если нужно проверить источник электроэнергии, напряжение которого не превышает 20 вольт, то в данном секторе переключатель режимов устанавливается в положение 20 В.

Затем чёрный щуп мультиметра следует присоединить к минусовой клемме, а красный — к плюсу АКБ, на дисплее устройства, в этот момент, будет показано напряжение постоянного тока.

Обычно, исправный и полностью заряженный автомобильный аккумулятор имеет напряжение 12,7 В. Если при таком напряжении плотность электролита находится в норме, то источник электроэнергии может быть использован по назначению.

Аналогичным образом измеряется напряжение литий-ионных батарей сотовых телефонов, а также щелочных или гелевых батарей, которые применяются для запуска двигателей различной мототехники, дизельных генераторов и иных устройств, для начала работы которых, необходим определённый заряд электричества.

Как измерить ёмкость

Мультиметр можно использовать и как тестер для измерения ёмкости аккумулятора. Замер ёмкости аккумулятора можно произвести с помощью контрольного разряда батареи. Чтобы проверить ёмкость потребуется вначале полностью зарядить аккумулятор. Затем необходимо убедиться что батарея максимально заряжена, сделав замер напряжения и плотности электролита.

Далее необходимо подключить нагрузку известной мощности, например лампу накаливания мощностью 24 Вт, и отметить точное время начала данного эксперимента. Когда напряжение батареи упадёт до 50% процентов от ранее установленного показания полностью заряженного аккумулятора, лампочку следует отключить.

Измерение ёмкости, которое выражается в а/ч, осуществляется путём перемножения силы тока в цепи при подключённой нагрузке, на количество часов, в течение которых осуществлялся контрольный разряд батареи. Если получится значение, максимально приближенное к номинальному показателю а/ч, то батарея находится в отличном состоянии.

Проверить внутреннее сопротивление

Чтобы проверить АКБ на исправность с помощью мультиметра, требуется измерить внутреннее сопротивление аккумулятора. Проверить работоспособность источника питания можно с применением мультиметра и мощной лампочки на 12 В. Проверить батарею необходимо в такой последовательности:

Если разница измерения не превышает значения 0,05 В, то аккумулятор находится в исправном состоянии.

В том случае, когда значение падение напряжения больше, внутреннее сопротивления источника питания будет выше, что косвенно будет обозначать значительное ухудшение технического состояния аккумулятора.

Таким образом удаётся довольно точно проверить источник электроэнергии на исправность.

Как проверить ток утечки

Аккумулятор может самостоятельно разряжаться, даже в том случае, когда его клеммы не подключены к потребителям электроэнергии. Величина саморазряда указывается в документации к аккумулятору и является естественным процессом. Особенно заметно потеря электроэнергии может наблюдаться в кислотных АКБ.

Дополнительно к естественным утечкам электрического тока, в цепи могут быть участки, которые находятся во влажном состоянии или с истончённой изоляцией. В этом случае, даже в момент, когда все потребители электроэнергии находятся в выключенном состоянии, происходит дополнительная утечка тока, которая может привести к полному разряду батареи, а в некоторых случаях, и к возгоранию повреждённого места.

Особенно, такое явление может быть опасно в бортовой сети автомобиля, у которого отрицательным проводником является весь кузов и агрегаты, на которых может находиться достаточное количество огнеопасных веществ для образования открытого пламени даже от небольшой искры или электрической дуги.

Чтобы выявить, такое «несанкционированное» расходование электричества, необходимо выключить зажигание автомобиля, а также отключить устройства работающие в «дежурном режиме», например магнитолу и сигнализацию.

Измерить силу тока на аккумуляторе с помощью мультиметра, можно только в том случае, если измерительный прибор переведён в режим измерения силы тока, обозначенный значком «10 А». Для этого круговой переключатель переводится в соответствующий режим, а красный штекер в гнездо обозначенное знаком «10 ADС».

Красный щуп мультиметра соединяется с «+» аккумулятора, а чёрный, с отсоединённой клеммой. В этот момент должны полностью отсутствовать какие-либо показания прибора. Если мультиметр покажет любое значение, то ток утечки является значительным, и необходимо произвести детальную диагностику бортовой сети автомобиля.

Подобным образом производится замер утечки в других электронных системах. При проведении диагностики следует проявлять осторожность, и при подозрении на значительную утечку электрического тока, которая проявляется искрением при отсоединении или подключении клеммы, от замера тока утечки мультиметром следует отказаться.

Если пренебречь этим правилом, то можно «спалить» прибор, который не рассчитан на проверку больших значений силы тока.

Как проверить заряд аккумулятора мультиметром и не повредить хрупкую электронную «начинку» устройства?

Чтобы для тестера проверка аккумулятора не оказалась последней, необходимо правильно выбрать диагностический режим. Если требуется проверить ампераж, то категорически запрещается это делать без дополнительной нагрузки, которая не должна превышать мощности 120 Вт.

Выбирая режим измерения постоянного тока, следует проявлять осторожность, чтобы по ошибке, не включить мультиметр в режим измерения сопротивления, который находится, в большинстве моделей мультиметров, рядом с положением переключателя для измерения постоянного тока.

Если замкнуть плюс и минус аккумулятора, то получим ток короткого замыкания Ie = U / Re , как будто внутри есть сопротивление Re . Внутреннее сопротивление зависит от электрохимических процессов внутри элемента, в том числе и от тока.

При слишком большом токе аккумулятор испортится, и даже может взорваться. Поэтому не замыкайте плюс и минус. Достаточно мысленного эксперимента.

Величину Re можно оценить косвенно по изменению тока и напряжения на нагрузке Ra . При небольшом уменьшении сопротивления нагрузки Ra до Ra‑dR ток увеличивается от Ia до Ia+dI. Напряжение на выходе элемента Ua=Ra×Ia при этом уменьшается на величину dU = Re × dI . Внутреннее сопротивление определяется по формуле Re = dU / dI

Для оценки внутреннего сопротивления аккумулятора или батарейки я добавил в схему измерителя ёмкости резистор 12ом и тумблер (ниже на схеме показана кнопка), чтобы изменять ток на величину dI = 1.2 V / 12 Ohm = 0.1 А . Одновременно нужно измерять напряжение на аккумуляторе или на резисторе R .

Можно сделать простую схему только для измерения внутреннего сопротивления по образцу, показанному на рисунке внизу. Но всё же лучше сначала немного разрядить аккумулятор, и после этого измерить внутреннее сопротивление. В середине разрядная характеристика более пологая, и измерение будет более точным. Получится "среднее" значение внутреннего сопротивления, которое остаётся стабильным достаточно большое время.

Пример определения внутреннего сопротивления

Подключаем аккумулятор и вольтметр. Вольтметр показывает 1.227V . Нажимаем кнопку: вольтметр показывает 1.200V .
dU = 1.227V - 1.200V = 0.027V
Re = dU / dI = 0.027V / 0.1A = 0.27 Ohm
Это внутреннее сопротивление элемента при токе разряда 0.5А

Тестер показывает не dU, а просто U. Чтобы не ошибиться в устном счёте, я делаю так.
(1) Нажимаю кнопку. Аккумулятор начинает разряжаться, и напряжение U начинает уменьшаться.
(2) В момент, когда напряжение U достигнет круглой величины, например 1.200V, я отжимаю кнопку, и сразу вижу величину U+dU, например 1.227V
(3) Новые цифры 0.027V - и есть нужная разница dU.

По мере старения аккумуляторов их внутреннее сопротивление увеличивается. В какой-то момент вы обнаружите, что ёмкость даже свежезаряженного аккумулятора невозможно измерить, так как при нажатии кнопки Start реле не включается и часы не запускаются. Это получается потому, что напряжение на аккумуляторе сразу снижается до 1.2V и менее. Например, при внутреннем сопротивлении 0.6 ом и токе 0.5 А падение напряжения составит 0.6×0.5=0.3 вольта. Такой аккумулятор не может работать при токе разряда 0.5А, который требуется, например, для кольцевой светодиодной лампы. Этот аккумулятор можно использовать при меньшем токе - для питания часов или беспроводной мышки. Именно по большой величине внутреннего сопротивления современные зарядные устройства, вроде MH-C9000, определяют, что аккумулятор неисправен.

Внутреннее сопротивление автомобильного аккумулятора

Для оценки внутреннего сопротивления АКБ можно использовать лампу от фары. Это должна быть лампа накаливания, например, галогеновая, но не светодиодная. Лампа 60вт потребляет ток 5А.

При токе 100А на внутреннем сопротивлении АКБ не должно теряться более 1 Вольта. Соответственно, при токе 5А не должно теряться более 0.05 Вольта (1В * 5А / 100А). То есть, внутреннее сопротивление не должно превышать 0.05В / 5А = 0.01 Ома.

Подключите параллельно аккумулятору вольтметр и лампу. Запомните величину напряжения. Отключите лампу. Обратите внимание, насколько увеличилось напряжение. Если, допустим, напряжение возросло на 0.2 Вольта (Re = 0.04 Ома), то аккумулятор испорчен, а если на 0.02 Вольта (Re = 0.004 Ома), то он исправен. При токе 100А потеря напряжения будет всего 0.02В * 100А / 5А = 0.4В

Секреты длительной работы аккумулятора

Типичная проблема: аккумулятор определенной емкости не обеспечивает заявленное для него изготовителем время непрерывной работы, особенно после того, как он некоторое время побывал в эксплуатации. В чем причина? И можно ли этого избежать?

Ниже приведены некоторые выдержки из статьи г-на Isidor Buchmann "The Secret of Battery Runtime", в которой исследуются проблемы уменьшения емкости аккумулятора и восстановления его состояния; высокое внутреннее сопротивление аккумулятора и его влияние на продолжительность работы; повышенный саморазряд и способствующие ему факторы; высокое значение порога напряжения выключения в телефоне, которое препятствует полному использованию доступной энергии аккумулятора, а также мои комментарии (выделены курсивом ), основанные на личном опыте.

Недостаточная емкость аккумулятора

Количество энергии, которое аккумулятор способен удерживать, постепенно уменьшается в процессе эксплуатации и старения, а также из-за недостаточного обслуживания для аккумуляторов некоторых электрохимических систем. Аккумулятор, в конечном счете, должен быть заменен, когда его емкость падает до 60%-70% от номинальной величины. Значение емкости в 80% обычно принимается за нижнее допустимое значение для нового аккумулятора. (Индивидуальные российские пользователи - как правило, эксплуатируют аккумуляторы до тех пор, пока их емкость не упадет до 20 - 30 % от номинального значения).

На рисунке 1 весь объем аккумулятора, предназначенный для хранения энергии, условно представлен состоящим из трех областей: пустой области, которая при очередном заряде будет снова заполнена энергией, области энергии, имеющейся в аккумуляторе на данный момент, и области, которая уже непригодна для хранения энергии по тем или иным причинам. (В новом аккумуляторе последней области - не должно быть, она появляется постепенно и увеличивается в размерах по описываемым ниже причинам в процессе эксплуатации).

Рисунок 1. Три условных области аккумулятора. В процессе эксплуатации и старения, область, непригодная для хранения энергии, увеличивается в объеме. При отсутствии регулярной проверки, пользователи, если образно выразиться, начинают носить кирпичи вместо аккумуляторов.

В аккумуляторах на основе никеля непригодная для хранения энергии область может быть вызвана кристаллическими образованиями, известными как "эффект памяти". В Li-ion аккумуляторе потеря способности принятия заряда вызывается окислением элемента и естественной коррозией, которая происходит в процессе эксплуатации и старения. У свинцово- кислотного аккумулятора деградация состояния обычно является следствием сульфатации пластин элемента. А в свинцово-кислотных аккумуляторах с регулируемым клапаном (VRLA) причиной может быть попадание воды или потеря электролита.

Емкость никелевых аккумуляторов часто может быть восстановлена путем применения глубоких циклов разряда / заряда. Типичный цикл, известный как "тренировка" аккумулятора, состоит из одного или нескольких циклов разряда до одного вольта на элемент с последующими зарядами.

Существуют более эффективные методы оживления аккумуляторов, чем циклы тренировки. После того, как аккумулятор обычным током будет разряжен до одного вольта на элемент (это напряжение обычно рассматривается, как напряжение окончания разряда), его продолжают медленно разряжать значительно меньшим током до напряжения близкого к нулю (обычно до 0.4 вольта на элемент) . Этот метод, получивший название "восстановление" аккумуляторов, разрушает кристаллические образования, восстанавливая химическую структуру элемента аккумулятора на основе никеля. В результате забракованные аккумуляторы часто могут быть восстановлены до первоначального состояния. Однако следует отметить, что некоторые из восстановленных аккумуляторов могут иметь высокий саморазряд вследствие повреждения кристаллическими образованиями материала сепаратора. Эта обычно свойственно старым аккумуляторам.

Li-ion аккумуляторы не могут быть восстановлены циклической тренировкой или какими-либо другими способами. Снижение емкости у них необратимо, так как используемые в их элементах металлы, предназначены для работы только в течение определенного времени. Это сделано, в частности, по причинам экологической безопасности, т.к. некоторые компоненты, используемые для увеличения емкости Li-ion аккумуляторов, высоко токсичны. В процессе работы уровень токсичности уменьшается до приемлемо низкого уровня.

На данный момент пока недостаточно информации по сроку эксплуатации и старения новых литиево-полимерных аккумуляторов. Известные также как "пластиковые аккумуляторы", они конструктивно подобны Li-ion, но имеют гелевый электролит. В результате становится возможной упрощение конструкции элемента, поскольку любая утечка гелеобразного электролита - невозможна.

Производители работают над улучшением процессов изготовления литиево-полимерных аккумуляторов. И после того, как их производство примет массовый характер, ожидается, что Li-pol аккумулятор будет менее дорогим, чем Li-ion. Среди других достоинств этой новой технологии - меньшие размеры и вес.

Свинцово-кислотный аккумулятор подвергается сульфатации, если хранится в разряженном состоянии или при низком напряжении. Восстановление затруднено, если не невозможно, особенно, если аккумулятор был в таком состоянии в течение длительного времени. При хранении, аккумулятор должен подзаряжаться каждые шесть месяцев или всякий раз, когда напряжение его элементов понижается до 2.10 вольта.

Высокое внутреннее сопротивление аккумулятора

Внутреннее сопротивление (импеданс) аккумулятора, является его хранителем и в большой степени определяет состояние аккумулятора и время его непрерывной работы. Высокий импеданс уменьшает поток энергии от аккумулятора к оборудованию. На рисунках 3 и 4 приведены образные иллюстрации аккумуляторов с низким и высоким импедансом. Когда большой ток требуется от аккумулятора с высоким импедансом, напряжение на оборудовании резко падает и включается индикация низкого напряжения на аккумуляторе. Хотя аккумулятор и может иметь достаточную емкость, но оборудование отключается, и остаточная энергия аккумулятора остается не поставленной.

Рисунок 3. Нормальный аккумулятор с низким внутренним сопротивлением (импедансом) обеспечивает неограниченный ток в нагрузку и способен отдать всю запасенную в нем энергию в течение короткого промежутка времени.

Рисунок 4. Аккумулятор с высоким внутренним сопротивлением (импедансом) не способен отдавать запасенную в нем энергию в течение короткого промежутка времени и оборудование в этом случае отключается.

NiCd аккумулятор имеет самый низкий импеданс из всех типов аккумуляторов, даже по истечении 1000 циклов разряда / заряда. Для сравнения, NiMH изначально имеет более высокий импеданс, который увеличивается после 300- 400 циклов. Li-ion имеет чуть лучшие характеристики импеданса, чем NiMH, но все же не столь хорош, как NiCd. Эксплуатация Li-ion аккумулятора не приводит к увеличению его импеданса, чего нельзя сказать о процессе старения. Типичная продолжительность жизни Li-ion аккумуляторов - два года, независимо работают они или нет.

Поддержание аккумулятора в состоянии с низким импедансом очень важно, особенно для цифровых сотовых телефонов и устройств, имеющих высокий импульсный ток потребления. Импеданс аккумуляторов на основе никеля может резко увеличиваться, если они не подвергаются соответствующему обслуживанию.

Например, импеданс более чем вдвое превышающий нормальный уровень у NiCd аккумуляторов, после применения цикла восстановления на анализаторе аккумуляторов Cadex C7000, стал нормальным. Считается, что восстановление очищает пластины элемента от нежелательных кристаллических образований, и восстанавливает требуемый поток тока. Импеданс Li-ion аккумуляторов не может быть уменьшен циклическим разрядом / зарядом, потому что окисление элемента, являющееся причиной высокого импеданса, является необратимым. Свинцово-кислотные аккумуляторы иногда могут быть улучшены циклическим разрядом / зарядом или верхним зарядом и/или уравнивающим зарядом, что уменьшает препятствующий току слой сульфатации.

Рисунок 5. Время непрерывной работы аккумуляторов с низким, средним и высоким импедансом одинаковой емкости при импульсной нагрузке. Пунктирной линией на рисунке показано значение напряжения, при котором оборудование (например, сотовый телефон) отключается из-за недостаточного напряжения аккумулятора, а впадины на кривой - уровень напряжения аккумулятора в момент резкого увеличения тока нагрузки (например, телефон в режиме передачи)

На рисунке 5 приведены графики зависимости напряжения и соответствующего времени непрерывной работы аккумуляторов с низким, средним и высоким импедансом одинаковой емкости при импульсной нагрузке. Подобно мягкому шару, легко деформирующемуся при сжатии, напряжение аккумулятора с высоким импедансом синхронно изменяется с колебаниями тока, подобно флагу развевающемуся на ветру. Импульсы тока подталкивают напряжение к линии окончания работы, что вызывает преждевременное отключение оборудования. При измерении напряжения аккумулятора вольтметром после того, как оборудование отключилось, и нагрузка снята, напряжение на аккумуляторе обычно восстанавливается до нормального значения. Это особенно справедливо для аккумуляторов на основе никеля и надо отметить, что степень заряженности для аккумуляторов этой электрохимической системы не может быть оценена только измерением его напряжения.

Аккумулятор с высоким импедансом может прекрасно работать с оборудованием, потребляющим небольшим постоянный ток, например с лампой вспышкой или портативным CD проигрывателем. При такой нагрузке, большинство запасенной аккумулятором энергии может быть отдано, и его высокий импеданс практически не сказывается на работе (вспомните закон Ома для источника тока с внутренним сопротивлением). Известно несколько методов измерения импеданса аккумулятора: метод переменного тока, постоянного тока, импульсный метод. Каждый из них обеспечивает слегка различные результаты.

Высокий саморазряд

Все аккумуляторы самопроизвольно разряжаются и стремятся вернуться к своему низшему энергетическому состоянию. Самый высокий саморазряд наблюдается у аккумуляторов на основе никеля. Наибольшая потеря энергии происходит в первые 24 часа после заряда. Практически, аккумулятор на основе никеля теряет 10-15% своей емкости в первые 24 часа после заряда и далее 10-15% каждый месяц. Саморазряд Li-ion аккумулятора значительно меньше. Одни из лучших аккумуляторов с точки зрения саморазряда - свинцово-кислотные; они теряют только около 5 % в месяц. Однако надо заметить, что свинцово-кислотные аккумуляторы имеют также самую низкую плотность энергии среди аккумуляторов различных электрохимических систем и потому непригодны для носимых мобильных устройств. Вместо этого, свинцово-кислотные аккумуляторы используются для оборудования типа пожарного освещения и источников бесперебойного питания, а также движущихся кресел (инвалидных, например) и тележек для игры в гольф.

Рисунок 6. Аккумулятор с высоким саморазрядом.

При более высоких температурах, саморазряд аккумуляторов любой электрохимической системы увеличивается. Как правило, он удваивается на каждые 10 градусов повышения температуры. Большие потери энергии происходят, например, вследствие саморазряда, если аккумулятор оставлен в нагретом под лучами солнца автомобиле. Проблема возникает в том случае, если энергия аккумулятора теряется через саморазряд быстрее, чем при использовании по назначению. Это обычно наблюдается у старых аккумуляторов.

Саморазряд аккумулятора увеличивается при старении и с количеством циклов заряда / разряда, прошедших с момента начала эксплуатации. Например, NiMH аккумулятор хорош при работе в течение 300-400 циклов, в то время как его NiCd собрат - при 1000 циклах и более прежде, чем высокий саморазряд сделает их непригодными к эксплуатации. Саморазряд Li-ion и свинцово-кислотных аккумуляторов не увеличивается в той пропорции как у аккумуляторов на основе никеля после того, как они отработали свойственное им максимальное количество циклов заряда / разряда.

Как только аккумулятор начинает показывать высокий саморазряд, никакими средствами нельзя полностью устранить этот эффект. Среди причин, которые ускоряют саморазряд - повреждение сепараторов, вызванные избыточными кристаллическими образованьями, повреждение аккумулятора при зарядке, большое число отработанных циклов, которое способствует разбуханию элемента. Нет простого быстрого метода для измерения саморазряда аккумулятора. Чтобы оценить саморазряд аккумулятора необходимо измерить его начальную емкость после полного заряда, а затем сделать ее измерение повторно по истечении 12 часов.

Высокое значение порога напряжения отключения.

Любое хорошо разработанное портативное устройство должно работать в широком диапазоне значений напряжения. В то время как электронные схемы могут работать при все более низких напряжениях питания, некоторые портативные устройства не способны к полному использованию диапазона напряжения своего аккумулятора. В этом случае, такие устройства отключаются прежде, чем достигнуто напряжение окончания разряда. В результате некоторая часть энергии аккумулятора остается неиспользованной. На рисунке 7 проиллюстрирован такой аккумулятор.

Рисунок 7. Некоторые портативные устройства не используют всю доступную энергию своего аккумулятора и оставляют часть ее неиспользованной после автоматического отключения при уменьшении напряжения на аккумуляторе до значения порога выключения.

Проблема высокого значения порога напряжения отключения более широко распространена, чем это обычно считается. Например, некоторые типы сотовых телефонов отключаются при напряжении 3.3 вольта на Li- ion аккумуляторе, в то время как он предназначен для работы при разряде до 3 вольт и ниже. При разряде до 3.3 вольта только около 70 % из 100 % ожидаемой емкости используется. Другой пример: сотовый телефон известного изготовителя, использующего NiMH и NiCd аккумуляторы, отключается при 5.7 вольта, в то время как он предназначен для работы при разряде до 5 вольт. При последующем разряде этих аккумуляторов до напряжения, соответствующего их порогу окончания разряда, на анализаторе аккумуляторов уже после того, как оборудование отключилось, измеренные значения невостребованной емкости могут достигать 60 %. Это явление особенно распространено на аккумуляторах с высоким импедансом или работающих при повышенной температуре.

Хотя и высокое значение напряжение отключения главным образом вызвано оборудованием, однако, в некоторых случаях, причиной может быть аккумулятор с пониженным напряжением, который имеет электрически короткозамкнутые элементы. Эффект памяти также вызывает уменьшение напряжения, однако, это явление свойственно только аккумуляторам на основе никеля, которые должным образом не обслуживались. Повышение температуры также понижают уровень напряжения аккумуляторов всех электрохимических систем. Уменьшение напряжения, вызванное высокой температурой временно, и нормализуется, как только аккумулятор остывает.

Заключение.

Время непрерывной работы от аккумулятора, указанное изготовителями оборудования, нелинейно зависит от его емкости. Это особенно справедливо, если принять во внимание процессы старения и влияние окружающей среды. Изготовители обычно проверяют свои изделия при идеальных условиях, используя совершенное оборудование, новый аккумулятор и умеренные температуры окружающей среды. Пользователь естественно задается вопросом, почему его аккумулятор - исключение из правил, и такие оптимистические спецификации времени непрерывной работы никогда не могут быть достигнуты.

Хотя и технология производства аккумуляторов улучшилась в течение последнего десятилетия, продвижения в этой области не были столь драматичными как в микроэлектронике. Достижение максимальной емкости, уменьшения массы и размеров аккумуляторов привело к побочным эффектам, таким как более высокий импеданс и увеличенный саморазряд, не говоря уже о более коротком сроке службы и более высоких эксплуатационных расходах.

В целом же, современное оборудование предлагает более длительное время непрерывной работы, чем его предшественники. И это связано не только с совершенствованием аккумуляторов, но и с улучшением электронных схемы, которые стали менее энергоемкими. Заглядывая в будущее, следует отметить, что нет немедленных решений, которые бы разрешили недостатки сегодняшних аккумуляторов. Пока наши аккумуляторы основаны на электрохимических процессах, мы будем ограничены устройствами хранения энергии, которые являются дорогими, темпераментными, непредсказуемыми, медленно заряжаемыми, большими по размерам, тяжелыми, и с коротким сроком жизни.

Источник – это устройство, которое преобразует механическую, химическую, термическую и некоторые другие формы энергии в электрическую. Другими словами, источник является активным сетевым элементом, предназначенным для генерации электроэнергии. Различные типы источников, доступных в электросети, представляют собой источники напряжения и источники тока. Эти две концепции в электронике различаются друг от друга.

Источник постоянного напряжения

Источник напряжения – устройство с двумя полюсами, напряжение его в любой момент времени является постоянным, и проходящий через него ток не оказывает влияния. Такой источник будет идеальным, имеющим нулевое внутреннее сопротивление. В практических условиях он не может быть получен.

На отрицательном полюсе источника напряжения скапливается избыток электронов, у положительного полюса – их дефицит. Состояния полюсов поддерживаются процессами внутри источника.

Батареи

Батареи хранят химическую энергию внутри и способны преобразовывать ее в электрическую. Батареи не могут быть перезаряжены, что является их недостатком.

Аккумуляторы

Аккумуляторы являются перезаряжаемыми батареями. При зарядке электрическая энергия сохраняется внутри в виде химической. Во время разгрузки химический процесс протекает в противоположном направлении, а электрическая энергия высвобождается.

Примеры:

1. Свинцово-кислотный аккумуляторный элемент. Изготавливается из свинцовых электродов и электролитической жидкости в виде разведенной дистиллированной водой серной кислоты. Напряжение на ячейку – около 2 В. В автомобильных аккумуляторах шесть ячеек обычно соединены в последовательную цепь, на клеммах выхода результирующее напряжение – 12 В;

1. Никель-кадмиевые аккумуляторы, напряжение ячейки – 1,2 В.

Важно! При небольших токах батареи и аккумуляторы можно рассматривать как хорошее приближение к идеальным источникам напряжения.

Источник переменного напряжения

Электроэнергия производится на электрических станциях с помощью генераторов и после регулирования напряжения передается к потребителю. Переменное напряжение домашней сети 220 В в блоках питания различных электронных устройств легко преобразуется в более низкий показатель при применении трансформаторов.

Источник тока

По аналогии, как идеальный источник напряжения создает постоянное напряжение на выходе, задача источника тока – выдать постоянное значение тока, автоматом контролируя требуемое напряжение. Примерами являются трансформаторы тока (вторичная обмотка), фотоэлементы, коллекторные токи транзисторов.

Расчет внутреннего сопротивления источника напряжения

Реальные источники напряжения обладают собственным электрическим сопротивлением, которое называется «внутреннее сопротивление». Присоединенная на выводы источника нагрузка обозначается под названием «внешнее сопротивление» – R.

Батарея аккумуляторов генерирует ЭДС:

ε = E/Q, где:

• Е – энергия (Дж);
• Q – заряд (Кл).

Суммарная ЭДС аккумуляторного элемента является напряжением его разомкнутой цепи при отсутствии нагрузки. Его можно проконтролировать с хорошей точностью цифровым мультиметром. Разность потенциалов, измеренная на выходных контактах батареи, когда она включена на нагрузочный резистор, составит меньшую величину, чем ее напряжение при незамкнутой цепи, по причине протекания тока через нагрузочное внешнее и через внутреннее сопротивление источника, это приводит к рассеиванию энергии в нем как теплового излучения.

Внутреннее сопротивление аккумулятора с химическим принципом действия находится между долей ома и несколькими омами и в основном связано с сопротивлением электролитических материалов, используемых при изготовлении батареи.

Если резистор сопротивлением R подсоединить к батарее, ток в цепи I = ε/(R + r).

Внутреннее сопротивление – не постоянная величина. На него влияет род батареи (щелочная, свинцово-кислотная и т. д.), оно изменяется в зависимости от нагрузочного значения, температуры и срока использования аккумулятора. К примеру, у разовых батареек внутреннее сопротивление возрастает во время использования, а напряжение в связи с этим падает до прихода в состояние, непригодное для дальнейшей эксплуатации.

Если ЭДС источника – заранее данная величина, внутреннее сопротивление источника определяется, измеряя ток, протекающий через нагрузочное сопротивление.

1. Так как внутреннее и внешнее сопротивление в приближённой схеме включены последовательно, можно использовать законы Ома и Кирхгофа для применения формулы:

1. Из этого выражения r = ε/I – R.

Пример. Аккумулятор с известной ЭДС ε = 1.5 В и соединен последовательно с лампочкой. Падение напряжения на лампочке составляет 1,2 В. Следовательно, внутреннее сопротивление элемента создает падение напряжения: 1,5 – 1,2 = 0,3 В. Сопротивление проводов в цепи считается пренебрежимо малым, сопротивление лампы не известно. Измеренный ток, проходящий через цепь: I = 0,3 А. Нужно определить внутреннее сопротивление аккумулятора.

1. По закону Ома сопротивление лампочки R = U/I = 1,2/0,3 = 4 Ом;
2. Теперь по формуле для расчета внутреннего сопротивления r = ε/I – R = 1,5/0,3 – 4 = 1 Ом.

В случае короткого замыкания внешнее сопротивление падает почти до нуля. Ток может ограничивать свое значение только маленьким сопротивлением источника. Сила тока, возникающая в такой ситуации, настолько велика, что источник напряжения может быть поврежден тепловым воздействием тока, существует опасность возгорания. Риск пожара предотвращается установкой предохранителей, например, в цепях автомобильных аккумуляторов.

Внутреннее сопротивление источника напряжения – важный фактор, когда решается вопрос, как передать наиболее эффективную мощность подсоединенному электроприбору.

Важно! Максимальная передача мощности происходит, когда внутреннее сопротивление источника равно сопротивлению нагрузки.

Однако при этом условии, помня формулу Р = I² x R, идентичное количество энергии отдается нагрузке и рассеивается в самом источнике, а его КПД составляет всего 50%.

Требования нагрузки должны быть тщательно рассмотрены для принятия решения о наилучшем использовании источника. Например, свинцово-кислотная автомобильная батарея должна обеспечивать высокие токи при сравнительно низком напряжении 12 В. Ее низкое внутреннее сопротивление позволяет ей это делать.

В некоторых случаях источники питания высокого напряжения должны иметь чрезвычайно большое внутреннее сопротивление, чтобы ограничить ток к. з.

Особенности внутреннего сопротивления источника тока

У идеального источника тока бесконечное сопротивление, а для подлинных источников можно представить приближенный вариант. Эквивалентная электросхема – это сопротивление, подключенное к источнику параллельно, и внешнее сопротивление.

Токовый выход от источника тока распределяется так: частично ток течет через наиболее высокое внутреннее сопротивление и через низкое сопротивление нагрузки.

Выходной ток будет находиться из суммы токов на внутреннем сопротивлении и нагрузочного Iо = Iн + Iвн.

Получается:

Iн = Iо – Iвн = Iо – Uн/r.

Эта зависимость показывает, что когда внутреннее сопротивление источника тока растет, тем больше снижается ток на нем, а резистор нагрузки получает большую часть тока. Интересно, что напряжение влиять не будет на токовую величину.

Выходное напряжение реального источника:

Uвых = I x (R x r)/(R +r) = I x R/(1 + R/r).

Сила тока:

Iвых = I/(1 + R/r).

Выходная мощность:

Рвых = I² x R/(1 + R/r)².

Важно! Анализируя схемы, исходят из следующих условий: при значительном превышении внутреннего сопротивления источника над внешним он является источником тока. Когда наоборот, внутреннее сопротивление значительно меньше внешнего, это источник напряжения.

Источники тока применяются при подаче электроэнергии на измерительные мосты, операционные усилители, это могут быть различные датчики.

Видео