Månedens komponent: Batterier - 💡 Fix My Ideas

Månedens komponent: Batterier

Månedens komponent: Batterier


Forfatter: Ethan Holmes, 2019

Hver måned i år udforsker vi en anden elektronisk komponent, delker i hvad det er, hvordan det virker, og hvordan du bruger det i projekter. Sidste måned så vi på den gode ol 'switch. Denne måned er det batteriet, det bærbare kraftværk, der leverer de elektroniske ernæringsledninger, skal komme til liv. Som altid begynder vi med en introduktion til batterier via et redigeret uddrag fra Charles Platt's essentielle Encyclopedia of Electronic Components Volume 1: -Gareth Branwyn

Hvad foregår præcis indenfor disse AAA-batterier, der driver din LED lommelygte? Det korte svar er: Kemi. Kemiske reaktioner kan tilskynde elektroner til at strømme ud fra en terminal og tilbage til den anden og gøre noget nyttigt arbejde undervejs. I mellemtiden ændrer positive ioner, også kendt som elektronhuller, sig i batteriet. Til sidst løber de kemiske reaktioner ned, og batteriet holder op med at levere strøm. Hvis det er en genopladelig type, kan du tvinge elektronerne og de positive ioner til at gå tilbage, hvor de startede, klar til at køre igen.

figur 1

Figur 2

Figur 1 viser et tværsnit af et daglig alkalisk batteri, og figur 2 viser nogle skematiske symboler. De i øverste række er funktionelt identiske med dem i den nederste række.

Jo længere af de to linjer i et batterisymbol repræsenterer den positive side. En måde at huske på er ved at forestille sig, at den længere linje kan snittes halvt, så de to segmenter kan kombinere til et + tegn. Traditionelt angiver flere tilsluttede batterisymboler flere celler inde i et batteri; således kunne centrets symboler i figur 2 indikere et 3V batteri, mens de til højre ville indikere en spænding større end 3V. I praksis følger denne konvention ikke samvittighedsfuldt.

Batterier versus kondensatorer

Figur 3

Hvorfor kan vi ikke bare bruge store kondensatorer i stedet for batterier? En kondensator kræver ikke temperamentlige kemiske reaktioner, og teoretisk kan genoplades et ubegrænset antal gange. Faktisk er der superkapacitorer, som har nogle specialiserede applikationer, men de koster meget, de holder ikke deres ladning over lange perioder, og de opbevarer mindre strøm end et batteri af samme vægt. Som vist i figur 3 mister en kondensator også spændingen meget hurtigere under udladningscyklussen. I overskuelig fremtid bruger vi batterier til bærbar strøm.

engangsartikler

I en verden fuld af sofistikerede genopladelige batterier, hvorfor bruger vi stadig engangsartikler? For det første er deres energitæthed højere, og for det andet har de en holdbarhed på 5 år eller mere, fordi de mister deres ladning så langsomt (dette kaldes "selvudladningshastigheden"). Til applikationer som røgdetektorer, håndholdte fjernbetjeninger eller nødlygter, kan engangsbatterier ikke erstatte. De har grænser, selvom: De kan ikke levere så meget strøm så hurtigt som genopladelige.

rechargeables

De mest almindelige typer er "bly-syre", "nikkelcadmium" (forkortet "nicad" eller "NiCd"), "nikkelmetalhydrid" (forkortet "NiMH"), "lithiumion" (forkortet "Li-ion" ) og "lithium-ion polymer".

Blybatterier har eksisteret i mere end et århundrede. De indeholder blyplader, der kan formes til en svamptekstur, for at maksimere reaktivt overfladeareal, selvom denne tekstur kan blive fysisk afskåret ved dyb udledning. I et dybcyklus batteri er pladerne solide. De er bedre i stand til at modstå en udledning næsten ned til nul, men er mindre i stand til at levere høj strømstyrke.

Figur 4

Et forseglet blybatteri beregnet til at drive eksternt lys aktiveret af en bevægelsesdetektor er vist i figur 4. Denne enhed vejer flere pund og oplades i løbet af dagen af ​​et 6 "x 6" solpanel.

Figur 5

Nikkel-cadmium-batterier ("NiCad") kan modstå ekstremt høje strømme, men er blevet forbudt i Europa på grund af toksiciteten af ​​metallisk cadmium. De udskiftes med nikkel-metalhydrid-typen ("NiMH"), som er fri for "hukommelseseffekten", der kan forhindre en NiCad-celle i fuldt opladning, hvis den har været tilbage i uger eller måneder i delvis udladet tilstand. Figur 5 viser en ti-pak NiMH-celler, idet hver celle er størrelsen af ​​en alkalisk D-celle. En pakke som dette er kun ting at køre en fair-sized robot.

Figur 6

Nogle små genopladelige batterier er vist i figur 6. NiCad-pakken øverst til venstre blev fremstillet til en trådløs telefon og bliver hurtigt forældet. 3V lithium batteriet øverst til højre var beregnet til et digitalkamera. De tre batterier i den nederste halvdel af fotografiet er alle genopladelige NiMH-erstatninger til 9V-, AA- og AAA-batterier. NiMH-kemi resulterer i AA-AAA-AA-batterier, der er klassificeret til 1,2V i stedet for 1,5V, men producenten hævder, at de kan erstatte 1,5V alkaliske celler, fordi NiMH-enheder holder deres nominelle spænding mere konsekvent over tid. Udgangen fra et nyt NiMH-batteri kan således sammenlignes med et alkalisk batteri, der er delvist gennem dets udladningscyklus.

Ampere

Da ionoverførsel skal forekomme inde i batteriet for at fuldføre kredsløbet, kan strømmen, som et batteri kan levere, begrænses af dets indre modstand. Enhver type genopladeligt batteri har en lavere indre modstand end alkalier.

Figur 7

Da et batteri ikke leverer strøm, hvis der ikke er belastning, skal strømmen måles, mens en belastning er fastgjort og ikke måles af en meter alene. Sikringen i måleren blæser, hvis måleren er tilsluttet direkte mellem et batteri. Strømmen må altid måles med måleren i serie med en belastning. Se figur 7.

Kapacitet

Figur 8

Batteriets elektriske kapacitet måles i amp-timer, forkortet "Ah", "AH" eller (sjældent) "A / H." Mindre værdier måles i milliamp-timer, normalt forkortet "mAh." Hvis jeg er strømmen er trukket fra et batteri (i ampere) og T er den tid, hvor batteriet kan levere strømmen (i timer), er amp-time kapaciteten fundet ved at gange I ved T. I virkeligheden er der store grænser for denne formel, fordi batteriernes kemi begrænser deres evne til at levere høje strømme. Figur 8 viser nogle tal, som en batteriproducent hævder for lave strømme. I virkeligheden er selv disse tal optimistiske, og den endelige spænding i hvert tilfælde kan være uacceptabelt lav for elektronikapplikationer.

Spænding

Nominel spænding på et fuldt opladet batteri er kendt som åben kredsløbspænding, forkortet OCV eller VOC, defineret som det potentiale, der eksisterer, når der ikke pålægges belastning mellem terminalerne. Fordi den interne modstand af en volt meter (eller en multimeter, når den bruges til at måle DC volt) er meget høj, kan den tilsluttes direkte mellem batteriterminalerne uden nogen anden belastning til stede og vil vise OCV ret præcist uden risiko for beskadigelse af måleren. Et fuldt opladet 12 volts bilbatteri kan have en OCV på ca. 12,6 volt, mens et nyt 9 volt alkalisk batteri typisk har en OCV på ca. 9,5 volt. Vær yderst forsigtig med at indstille et multimeter til at måle DC volt før du forbinder det over batteriet. Normalt indebærer dette at tilslutte ledningen fra den røde sonde til en stikkontakt, der er reserveret separat til måling af spænding, ikke strømstyrke.

Den spænding, der leveres af et batteri, vil blive trukket betydeligt ned, når der påføres en belastning, og vil falde yderligere i takt med at tiden går under en afladningscyklus. Af disse årsager kræves der en spændingsregulator, når et batteri driver komponenter, såsom digitale integrerede kredsløbspåner, som ikke tåler en stor spændingsændring.

Figur 9

Batterier eller celler kan anvendes i serie eller parallelt. I serie findes den samlede spænding af kæden af ​​celler ved at summere deres individuelle spændinger, mens deres amp-timers rating forbliver den samme som for en enkelt celle, idet alle cellerne er identiske. Parallelt forbliver cellernes samlede spænding den samme som for en enkelt celle, mens den kombinerede amp-time-værdi findes ved at opsummere deres individuelle amp-timers bedømmelse, idet alle antenneladere er identiske. Se figur 9.

Hvad man ikke skal gøre

Et batteri, der er i stand til at levere betydelig strøm, kan overophedes, tage i brand eller endda eksplodere, hvis den er kortsluttet. At droppe en skruenøgle over en bilbatteriets terminaler vil resultere i en klar blitz, en høj lyd og noget smeltet metal. Selv et 1,5-volts alkalisk AA-batteri kan blive for varmt til berøring, hvis dets terminaler er sammenkædet. (Prøv aldrig dette med et genopladeligt batteri, som har en meget lavere intern modstand, hvilket giver meget højere strømstrøm). Lithium-ion-batterier er særlig farlige og er næsten altid pakket med en strømbegrænsende komponent, som ikke bør deaktiveres. Et kortsluttet lithiumbatteri kan eksplodere.

Hvis en batteripakke bruges som en billig og enkel arbejdsbænk DC strømforsyning, skal en sikring eller afbryder medtages. Enhver enhed, der bruger en betydelig batteristrøm, bør smeltes.

For mere om microswitches, rockers, skydere, skifter, DIP'er, SIP'er, padleafbrydere og meget mere, kan du se Encyclopedia of Electronic Components Volume 1 af Charles Platt. Det er den informative, koncise og velorganiserede ressource, der er perfekt til lærere, hobbyister, ingeniører og studerende, der ønsker en hurtigreference til elektronik.

Køb nu!



Du Kan Være Interesseret

En fototur af maker Faire

En fototur af maker Faire


More Wheeled Wonders på producenten Faire

More Wheeled Wonders på producenten Faire


Maker Faire: Day One

Maker Faire: Day One


Ubiquity Robot Teamets "12 Opgaver af Hercules"

Ubiquity Robot Teamets "12 Opgaver af Hercules"