Как выбрать источник питания

Когда плеер начинает работать как во сне или пульт дистанционного управления отказывается переключать телевизионные каналы, приходит время подумать о замене, на первый взгляд, несущественной детали - батареек.

Как показывает практика, большинство людей плохо себе представляет различия между типами батареек и при выборе опирается только на геометрические размеры и цену. При этом часть из них (довольно малочисленная) считает, что за качество надо платить и покупает дорогие раскрученные марки, чья репутация не всегда соответствует действительности. Некоторые приобретают батарейки по-дешевле в первом попавшемся ларьке и совершенно не обращают внимание на фирму-производителя.

Кроме того, часто встречается ситуация, когда две разные батарейки одинаково долго работают в одном устройстве и совершенно по-разному - в другом. Ведь не случайно источники питания делятся на типы. Каждый из них предназначен для определенного класса устройств. И при покупке батареек это необходимо учитывать.

Термины

Конструктивно все батарейки состоят из трех основных элементов: катода, анода и электролита. В процессе многоступенчатой химической реакции происходит образование свободного заряда в материале анода, что приводит к возникновению разности потенциалов между катодом и анодом и появлению тока в цепи.

Для описания качества работы и технических характеристик элементов пользуются определенным набором терминов. Основными параметрами источников тока считаются номинальное напряжение, емкость, ток вспышки, кривая разряда и т.п.

Номинальным напряжением называется напряжение полностью разряженной батареи при ее разряде с очень низкой скоростью. Различные элементы питания имеют разное номинальное напряжение, что связано с различиями в химическом составе и химических реакциях, протекающих в элементе в процессе разряда.

Емкость элемента означает в буквальном смысле количество заряда, которое способен отдать источник питания при разряде при определенных условиях. Под такими условиями подразумевается, например, температура окружающей среды, поскольку емкость может заметно меняться при изменении температуры. Емкость элемента также может зависеть от режима разряда батарейки, в частности, от сопротивления нагрузки изменяется емкость в ампер-часах (то есть, батарейка емкостью 1 Ач может питать устройство с током потребления 1А в течение 1 часа, или 0,5А в течение 2 часов и т.п.).

Током вспышки называется начальный стабильный ток, который может кратковременно давать батарея. Эта характеристика важна для выяснения области применения той или иной батарейки в различных электронных устройствах. Если, например, в мощной фотовспышке применять элементы питания с низким значением тока вспышки, то она попросту будет работать не на всю свою мощность.

Чрезвычайно важными характеристиками, по которым можно многое узнать о качестве работы элемента, являются кривые разряда элемента, т.е. зависимость напряжения, тока или мощности от времени непрерывной работы элемента при определенной нагрузке. По этим характеристикам можно определить время работы элемента в разных электронных устройствах при разных режимах потребления энергии.

Зависимости плотности энергии от температуры для разных типов элементов
(Для батареек одинаковых типоразмеров плотность энергии характеризует их емкость)

Классификация

Чтобы потребитель легко ориентировался в мире батареек, необходимо придумать удобную универсальную систему обозначений для разных типов элементов. В ней должны фигурировать два основных параметра, описывающиих размер и форму батарейки, а также электрохимическую систему, на которой построен элемент. До недавнего времени существовало огромное количество стандартов обозначений. Сейчас из этой группы выделились два.

Один из них пришел из США, где принято классифицировать батарейки по физическим размерам, не указывая химический состав элемента. Эти обозначения для цилиндрических батареек следующие: D, C, AA, AAA. Такой порядок соответствует уменьшению размеров. Сейчас получил широкое распространение другой, международный стандарт обозначений: LR20, LR14, LR6, LR03, 6F22.

Первая буква в обозначении содержит информацию о химическом строении элемента. Если это буква "L", то перед вами щелочная батарейка, если "S" - то серебряно-цинковая, если "С" - то литиевая, если этой буквы нет - то солевая. "R" - обозначает цилиндрическую форму элемента, "F" - плоскую. Если перед буквенным обозначением стоит цифра, то она обозначает количество параллельно соединенных элементов в батарее. Например, 6F22 обозначает солевую батарейку типа "крона", состоящую их шести 1,5-вольтовых элементов. Число в конце строки обозначает размеры элемента по определенной таблице соответствия.

Батареи и аккумуляторы

В зависимости от характера протекания токообразующей реакции можно выделить две основные группы элементов питания - первичные и вторичные, или попросту - аккумуляторы. Работа первичных элементов основана на необратимых токообразующих реакциях, и поэтому они рассчитаны на однократное использование. Первичные элементы, в свою очередь, тоже можно разделить на несколько классов. В основе этой классификации уже лежат используемые в конструкции элемента химические материалы и, соответственно, различные химические реакции, вырабатывающие ток.

В настоящее время наиболее распространенными батарейками являются солевые и щелочные. В солевых элементах, или элементах Ле Кланше, в качестве электролита используется раствор хлористого аммония, отрицательный электрод выполнен из цинка, а положительный - из двуокиси марганца. Номинальное напряжение у этих элементов составляет 1,55 В.

Они характеризуются невысокими энергетическими показателями, не любят холод, имеют заметный саморазряд и невысокую герметичность, что сказывается на относительно небольших сроках хранения батареек от 1,5 до 3 лет. Зато их отличает чрезвычайно низкая цена. Еще есть один тип батареек, который часто относят к солевым. Это так называетмые хлоридные или цинк-хлоридные элементы. От обычных солевых они отличаются только тем, что в состав их электролита добавлен хлористый цинк. Такие элементы обладают чуть большим напряжением - 1,6 В. Их энергетические показатели примерно в 1,5 раза выше, они имеют более широкий температурный диапазон нормальной работы, меньший саморазряд и лучшую герметичность. Кроме того, они способны работать при больших токах саморазряда. Солевые батарейки имеют одну интересную особенность: при перерыве в работе они способны отчасти восстанавливать энергетические характеристики. Это связано с тем, что при отдыхе происходит выравнивание локальных неоднородностей в электролите, возникающих в процессе разряда за счет улучшенной технологии цинк-хлоридные стоят чуть дороже своих "солевых" собратьев. Солевые батарейки (как элементы Ле Кланше, так и цинк-хлоридные) прекрасно подойдут для работы в устройствах с низким и средним потреблением тока. Это связано с высокой экономической эффективностью работы, т.е. длительностью работы элемента, поделенной на его цену. А поскольку при низком потреблении тока менять комплекты часто не придется, то и мороки с ними не будет. Для примера их можно использовать в часах, пультах дистанционного управления, сигнализациях, детских игрушках, радиоприемниках. Бесспорным лидером в секторе солевых батареек является компания Sanyo. Причем батарейки этой фирмы лидируют как по продолжительности работы, так и по экономической эффективности. Дальше следуют GP, Toshiba и Maxell.

Щелочные элементы отличаются от солевых использованием в качестве электролита щелочи в виде водного раствора гидроокиси калия. Это один из наиболее энергоемких классов батареек. По энергетическим характеристикам они в 3-4 раза эффективнее солевых батареек, но при этом значительно дороже в производстве. Номинальное напряжение составляет 1,5 В. Они могут эксплуатироваться в широком диапазоне температур, обладают лучшей герметизацией, меньшим током саморазряда и большим сроком эксплуатации - вплоть до 7 лет. Их главное достоинство - способность качественно работать при высоких токах разряда. Самое интересное, что они способны к перезарядке, правда при строгом соблюдении токового режима и стабилизации напряжения заряда. Число циклов заряд-разряд может доходить до 50. При этом энергетическая эффективность перезаряженных элементов уменьшается в 3-4 раза. Так как емкость щелочных элементов питания существенно превышает емкость солевых, то их необходимо использовать в устройстваъ со средним и высоким потреблением энергии, в частности, в состав которых входит электродвигатель. Это электробритвы, плееры, диктофоры, а также фотовспышки и мощные фонари. Рынок щелочных элементов наиболее динамично развивается. Каждая компания пытается внедрить свою технологию. Но большинство фирм идет вровень. По длительности работы впереди стоят такие батарейки, как Duracell и Energizer, а по экономической эффективности - Sony, Toshiba, TDK.

Литиевые элементы - это относительно новый тип элементов питания. В них применяются литиевые аноды, органический электролит и катоды из различных материалов. Они обладают высоким значением плотности энергии. Поэтому могут выпускаться в миниатюрных размерах. В зависимости от типа катода могут иметь различные значения номинального напряжения: 1,5 и 3В. Они очень герметичны и обладают большими сроками хранения - вплоть до 10 лет. Кроме того, ток разряда значительно меньше, чем у солевых и щелочных аналогов. Литиевые элементы питания работоспособны в большом диапазоне температур. Но за такие достоинства надо платить. Поэтому цены на литиевые батарейки весьма велики. Их типичная емкость находится где-то посередине между солевыми и щелочными. В основном они выпускаются в виде "таблеток" и применяются в часах, калькуляторах, компьютерах (для BIOS-памяти). Также литиевые батарейки лучше всего подходят для фотооборудования. В этом случае предусмотрены специальные типоразмеры: CR123, CR2 и т.д. Литиевые элементы производят практически все фирмы: Vatra, Sanyo, Panasonic, Sony и другие.

Остался еще один малораспространенный тип элементов - воздушно-цинковый. Токообразующая реакция происходит с активным участием воздуха, который попадает в элемент прямо из окружающей среды. Поэтому в корпусе присутствуют соответствующие отверстия. Основная область применения таких батареек - слуховые аппараты, поэтому они не получили большого распространения. Среди достоинств можно отметить малые габариты, незначительный ток саморазряда, среднее значение емкости. Номинальное напряжение таких источников питания - 1,4 В.

Теперь стоит перейти к другому, весьма важному классу источников питания - аккумуляторам. Их принцип работы такой же, как и у обычных батареек, за одним исключением: токообразующая реакция является обратимой, и поэтому в процессе заряда возможно частичное восстановление электрических свойств элемента. Производимые аккумуляторы условно можно разделить на две группы - бытовые и промышленные. К первой группе относятся элементы. заменяющие обычные батарейки. Вторые используются для производства источников питания для радио- и сотовых телефонов, видеокамер, компьютеров, также чисто промышленных объектов. По объему производства продукции вторая группа - безусловный лидер, но бытовые аккумуляторы тоже динамично развиваются. В настоящее время применяются три технологии для производства бытовых аккумуляторов: никель-кадмиевая, никель-металлгидридная и литий-йонная.

Кривые заряда аккумуляторов

Поданный заряд (в % от емкости)

Напряжение (В)

Самая распространенная серия - никель-кадмиевая. Это объясняется прежде всего низкой ценой. Однако, по всей видимости, это технология себя уже изжила, и сейчас происходит активный переход на другие типы аккумуляторов. Сразу после зарядки никель-кадмиевые аккумуляторы могут иметь напряжение вплоть до 1,4 В, но довольно быстро оно падает и доходит до стационарных 1,2 В. Такие элементы питания способны выдерживать 1000 циклов заряд-разряд, но только при правильном режиме заряда.

Никель-кадмиевые аккумуляторы работоспособны в широком диапазоне температур: примерно от -20 до 50 градусов Цельсия. Главным недостатком, присущим этой группе элементов, является так называемый "эффект памяти". Дело в том, что такие аккумуляторы следует заряжать только после полной разрядки. В противном случае, их емкость может сильно упасть, причем этот процесс необратим. Это связано с тем, что при неправильной зарядке аккумулятора, в нем могут выделяться нежелательные продукты химических реакций, которые мешают дальнейшей разрядке и уже не в состоянии обратно восстановиться. И хотя в последнее время в этой области удалось продвинуться, все равно этот эффект полностью искоренить не удалось. Кроме всего прочего, такие аккумуляторы экологически опасны, поскольку содержат кадмий. Как видно из рисунка, кривая заряда никель-кадмиевых аккумуляторов имеет ярко выраженный максимум. Поэтому, чтобы наиболее эффективно осуществить процесс зарядки, необходимо иметь специальное зарядное устройство, которое будет отслеживать температурный режим и положение этого максимума с целью в нужный момент выключить подачу заряда. Никель-кадмиевые аккумуляторы рекомендуется заряжать в режиме постоянного тока. Спектр их применения достаточно широк - начиная от банального фонаря или плеера и кончая фотоаппаратами, видеокамерами и сотовыми телефонами. Лидером по производству никель-кадмиевых аккумуляторов всегда была и остается компания Sanyo, выпускающая свою продукцию по маркой Cadnica. Также высокие позиции занимают компании GP и Vatra.

Другой бурно развивающийся спектр аккумуляторных батарей - никель-металлгидридные аккумуляторы. Это совсем новая технология, позволившая избавиться от "эффекта памяти". Кроме того, емкость таких аккумуляторов приблизительно наполовину выше, чем у никель-кадмиевых того же типоразмера. Вместе с тем циклов перезарядки меньше - около 500. Никель-металлгидридные аккумуляторы в меньшей степени приспособлены для работы в холоде: их минимальная рабочая температура составляет -10 градусов Цельсия. Но самое главное, что надо знать российскому потребителю об этих аккумуляторах - это то, что их ни в коем случае нельзя заряжать при помощи кустарных зарядных устройств (в отличие от никель-кадмиевых), поскольку в процессе зарядки необходимо соблюдать температурный режим и следить за напряжением зарядки. Существует несколько способов контроля процесса зарядки: по зависимости напряжения, температуры или градиента температуры элемента от времени зарядки (см. рис.). Производителями рекомендуется трехступенчатая система зарядки.

Сначала происходит заряд обычным током - так, как будто вы хотите за определенное время зарядить обычный никель-кадмиевый аккумулятор. Это процесс надо продолжать, пока градиент температуры не достигнет определенного значения, после чего силу тока уменьшают в 10 раз и полчаса заряжают элемент, затем силу тока уменьшают еще в 30 раз и доводят емкость до кондиции. Естественно, что человеку подобную процедуру совершить трудно, поэтому ему на помощь приходят специальные зарядные устройства. Этот класс элементов питания отлично подойдет для использования в видеокамерах, сотовых телефонах, калькуляторах. На российском рынке наиболе распространены никель-металлгидридные аккумуляторы Panasonic, GP Batteries, Varta, Sanyo, Sony.

Литий-йонные аккумуляторы - наиболее перспективны. Они обладают значительно лучшими характеристиками. По сравнению со своими аналогами у них больше емкость, они способны совершать более тысячи циклов заряд-разряд. Кроме того, они не обладают "эффектом памяти" и способны работать в широком диапазоне температур. Также литиевые акумуляторы экологически безопасны. В силу своей высокой емкости они применяются в устройствах со средним и высоким энергопотреблением: в цифровых видеокамерах, мощных фотовспышках, сотовых телефонах, ноутбуках. В России литиевые аккумуляторы представляют такие фирмы, как Sony и Sanyo.

При выборе источников питания для конкретной аппаратуры необходимо сначала узнать ее характеристики: мощность, потребляемый ток, динамику работы (непрерывная работа или импульсная). Также необходимо принимать во внимание условия, в которых будет проходить эксплуатация. На основе полученных данных можно уже приступать к выбору конкретных батареек.