Jeffrey Cross
Jeffrey Cross

Bestandteil des Monats: Batterien

Jeden Monat in diesem Jahr untersuchen wir eine andere elektronische Komponente und untersuchen, was es ist, wie es funktioniert und wie Sie es in Projekten einsetzen. Letzten Monat haben wir uns den guten alten Wechsel angesehen. In diesem Monat ist es die Batterie, das tragbare Krafthaus, das die elektronischen Stromkreise für die Ernährung liefert, um lebendig zu werden. Wie immer beginnen wir mit einer Einführung in Batterien über einen bearbeiteten Auszug aus Charles Platts wesentlicher Enzyklopädie der elektronischen Komponenten Band 1: - Gareth Branwyn

Was genau passiert in diesen AAA-Batterien für Ihre LED-Taschenlampe? Die kurze Antwort lautet: Chemie. Chemische Reaktionen können dazu führen, dass Elektronen von einem Terminal zum anderen zurückfließen und dabei nützliche Arbeit leisten. Inzwischen wechseln positive Ionen, auch Elektronenlöcher genannt, innerhalb der Batterie ihre Plätze. Schließlich laufen die chemischen Reaktionen ab und die Batterie gibt keinen Strom mehr ab. Wenn es sich um einen wiederaufladbaren Typ handelt, können Sie die Elektronen und die positiven Ionen dazu bringen, dorthin zurückzukehren, wo sie angefangen haben, um wieder zu rennen.

Abbildung 1

Figur 2

1 zeigt einen Querschnitt einer alltäglichen Alkalibatterie, und 2 zeigt einige schematische Symbole. Die in der oberen Reihe sind funktional identisch mit denen in der unteren Reihe.

Die längere der beiden Linien in einem Batteriesymbol steht für die positive Seite. Eine Möglichkeit, sich daran zu erinnern, besteht darin, sich vorzustellen, dass die längere Linie in zwei Hälften geschnitten werden kann, sodass sich die beiden Segmente zu einem Pluszeichen kombinieren lassen. Traditionell zeigen mehrere verbundene Batteriesymbole mehrere Zellen in einer Batterie an; So könnten die mittleren Symbole in Abbildung 2 eine 3-V-Batterie anzeigen, während die Symbole auf der rechten Seite eine Spannung von mehr als 3 V anzeigen würden. In der Praxis wird diese Konvention nicht gewissenhaft befolgt.

Batterien vs. Kondensatoren

Figur 3

Warum können wir nicht einfach große Kondensatoren anstelle von Batterien verwenden? Ein Kondensator erfordert keine temperamentvollen chemischen Reaktionen und kann theoretisch unbegrenzt oft aufgeladen werden. In der Tat gibt es Superkondensatoren, die einige spezielle Anwendungen haben, aber sie kosten viel, sie halten ihre Ladung nicht über längere Zeit und sie speichern weniger Strom als eine Batterie mit gleichem Gewicht. Wie in 3 gezeigt, verliert ein Kondensator während des Entladungszyklus viel schneller an Spannung. Auf absehbare Zeit werden wir Batterien für tragbare Stromversorgung verwenden.

Einwegartikel

Warum verwenden wir in einer Welt voll entwickelter wiederaufladbarer Batterien immer noch Einwegartikel? Erstens ist ihre Energiedichte höher, und zweitens haben sie eine Haltbarkeit von 5 Jahren oder mehr, weil sie so langsam ihre Ladung verlieren (dies wird als "Selbstentladungsrate" bezeichnet). Für Anwendungen wie Rauchmelder, Handfernbedienungen oder Notlichtlampen haben Einwegbatterien keinen Ersatz. Sie haben jedoch Grenzen: Sie können nicht so viel Strom liefern wie Akkus.

Wiederaufladbare

Die gebräuchlichsten Typen sind "Blei-Säure", "Nickel-Cadmium" (abgekürzt "nicad" oder "NiCd"), "Nickel-Metallhydrid" (abgekürzt "NiMH"), "Lithium-Ion" (abgekürzt "Li-Ion"). ) und "Lithium-Ionen-Polymer".

Blei-Säure-Batterien gibt es seit mehr als einem Jahrhundert. Sie enthalten Bleiplatten, die zu einer Schwammstruktur geformt werden können, um die reaktive Oberfläche zu maximieren, obwohl diese Textur durch Tiefentladung physikalisch abgerieben werden kann. In einer Tiefzyklusbatterie sind die Platten fest. Sie halten einer Entladung fast Null stand, können aber weniger Strom liefern.

Figur 4

Eine versiegelte Blei-Säure-Batterie, die ein externes Licht antreiben soll, das von einem Bewegungsmelder aktiviert wird, ist in Abbildung 4 dargestellt. Dieses Gerät wiegt mehrere Pfund und wird tagsüber durch ein 6-Zoll-x-6-Zoll-Solarmodul durch Erhaltungsladung geladen.

Abbildung 5

Nickel-Cadmium-Batterien („NiCad“) können extrem hohen Strömen standhalten, sind jedoch in Europa wegen der Toxizität von metallischem Cadmium verboten. Sie werden durch Nickel-Metallhydrid-Typen ("NiMH") ersetzt, die frei von dem "Memory-Effekt" sind, der die vollständige Aufladung einer NiCad-Zelle verhindern kann, wenn sie über Wochen oder Monate in einem teilweise entladenen Zustand belassen wurde. Fig. 5 zeigt eine Zehnergruppe von NiMH-Zellen, wobei jede Zelle die Größe einer alkalischen D-Zelle hat. Ein solches Rudel ist genau das Richtige, um einen Roboter von mittlerer Größe zu fahren.

Abbildung 6

Einige kleine wiederaufladbare Batterien sind in Abbildung 6 dargestellt. Das NiCad-Pack oben links wurde für ein schnurloses Telefon hergestellt und ist schnell veraltet. Die 3V-Lithiumbatterie oben rechts war für eine Digitalkamera vorgesehen. Die drei Batterien in der unteren Hälfte des Fotos sind alle wiederaufladbare NiMH-Batterien für 9V-, AA- und AAA-Batterien. Die NiMH-Chemie führt dazu, dass die AA- und AAA-Einzelzellenbatterien nicht für 1,5 V, sondern für 1,2 V ausgelegt sind. Der Hersteller gibt jedoch an, dass sie 1,5 V-Alkalizellen ersetzen können, da NiMH-Einheiten ihre Nennspannung über die Zeit konstant halten. Daher kann die Ausgabe einer frischen NiMH-Batterie mit der einer Alkalibatterie vergleichbar sein, die sich teilweise im Entladezyklus befindet.

Stromstärke

Da die Ionenübertragung innerhalb der Batterie erfolgen muss, um die Schaltung abzuschließen, wird der Strom, den eine Batterie liefern kann, durch ihren begrenzt innerer Widerstand. Jede Art von wiederaufladbaren Batterien hat einen geringeren Innenwiderstand als Alkalien.

Abbildung 7

Da eine Batterie ohne Last keinen Strom liefert, muss der Strom gemessen werden, während eine Last angeschlossen ist, und kann nicht von einem Zähler allein gemessen werden. Die Sicherung im Messgerät schlägt durch, wenn das Messgerät direkt zwischen den Klemmen einer Batterie angeschlossen ist. Der Strom muss immer mit dem Zähler in Reihe mit einer Last gemessen werden. Siehe Abbildung 7.

Kapazität

Abbildung 8

Die elektrische Kapazität eines Akkus wird in Amperestunden gemessen, abgekürzt mit "Ah", "AH" oder (selten) "A / H". Kleinere Werte werden in Milliamperestunden gemessen, üblicherweise mit "mAh". Wenn dies der Fall ist Der Strom wird aus einer Batterie (in Ampere) entnommen und T ist die Zeit, für die die Batterie diesen Strom liefern kann (in Stunden). Die Amperestundenkapazität wird durch Multiplizieren von I mit T ermittelt. In der Realität gibt es große Grenzen diese Formel, weil die Chemie von Batterien ihre Fähigkeit begrenzt, hohe Ströme abzugeben. Abbildung 8 zeigt einige Zahlen, die ein Batteriehersteller für niedrige Ströme beansprucht. In der Realität sind sogar diese Zahlen optimistisch, und die Endspannung kann für Elektronikanwendungen in jedem Fall unannehmbar niedrig sein.

Stromspannung

Die Nennspannung eines vollständig aufgeladenen Akkus ist als bekannt Leerlaufspannung, abgekürzt OCV oder VOC, definiert als das Potenzial, das besteht, wenn zwischen den Terminals keine Last angelegt wird. Da der Innenwiderstand eines Voltmeters (oder eines Multimeters, wenn er zum Messen von Gleichspannungen verwendet wird) sehr hoch ist, kann er ohne andere Last direkt zwischen den Batterieklemmen angeschlossen werden und zeigt die OCV ziemlich genau an Gefahr der Beschädigung des Zählers. Eine vollständig geladene 12-Volt-Autobatterie kann eine OCV von etwa 12,6 Volt aufweisen, während eine frische 9-Volt-Alkalibatterie typischerweise eine OCV von etwa 9,5 Volt aufweist. Achten Sie besonders darauf, dass Sie ein Multimeter auf Gleichspannung einstellen, bevor Sie es mit der Batterie verbinden. Normalerweise bedeutet dies, dass der Draht von der roten Sonde in eine Steckdose gesteckt wird, die separat für die Spannungsmessung und nicht für die Stromstärke reserviert ist.

Die von einer Batterie gelieferte Spannung wird erheblich verringert, wenn eine Last an sie angelegt wird, und nimmt mit der Zeit während eines Entladezyklus weiter ab. Aus diesen Gründen ist ein Spannungsregler erforderlich, wenn eine Batterie Komponenten wie digitale Chips mit integrierter Schaltung versorgt, die keine großen Spannungsschwankungen tolerieren.

Abbildung 9

Batterien oder Zellen können in Reihe oder parallel verwendet werden. In Serie wird die Gesamtspannung der Zellkette ermittelt, indem ihre einzelnen Spannungen summiert werden, während ihre Amperestunden-Bewertung dieselbe wie für eine einzelne Zelle bleibt, vorausgesetzt, dass alle Zellen identisch sind. Parallel geschaltet, bleibt die Gesamtspannung der Zellen dieselbe wie für eine einzelne Zelle, während der kombinierte Amperestundenwert durch Summieren der einzelnen Amperestundenwerte ermittelt wird, vorausgesetzt, dass alle Batterien identisch sind. Siehe Abbildung 9.

Was nicht zu tun

Eine Batterie, die einen erheblichen Strom liefern kann, kann überhitzt werden, Feuer fangen oder sogar explodieren, wenn sie kurzgeschlossen wird. Wenn Sie einen Schraubenschlüssel über die Klemmen einer Autobatterie fallen lassen, führt dies zu einem hellen Blitz, lauten Geräuschen und etwas geschmolzenem Metall. Selbst eine 1,5-Volt-Alkaline-AA-Batterie kann zu heiß werden, wenn die Anschlüsse kurzgeschlossen werden. (Versuchen Sie niemals, dies mit einem wiederaufladbaren Akku zu tun, der einen viel geringeren Innenwiderstand hat und somit einen höheren Stromfluss ermöglicht.) Lithium-Ionen-Batterien sind besonders gefährlich und werden fast immer mit einer Strombegrenzungskomponente geliefert, die nicht deaktiviert werden sollte. Eine kurzgeschlossene Lithiumbatterie kann explodieren.

Wenn ein Akku als billige und einfache Werkbank-Gleichstromversorgung verwendet wird, sollte eine Sicherung oder ein Sicherungsautomaten mitgeliefert werden. Jedes Gerät, das viel Batteriestrom verbraucht, sollte abgesichert werden.

Weitere Informationen zu Mikroschaltern, Wippen, Schiebereglern, Umschaltern, DIPs, SIPs, Paddle-Schaltern und mehr finden Sie in der Encyclopedia of Electronic Components Volume 1 von Charles Platt. Diese informative, übersichtliche und gut organisierte Ressource ist ideal für Lehrer, Hobbyisten, Ingenieure und Studenten, die eine schnelle Einführung in die Elektronik wünschen.

Kaufe jetzt!

Aktie

Leave A Comment