Zasilanie urządzeń elektronicznych z baterii - poradnik

Rys. 1. Napięcie baterii alkalicznej rozładowywanej stałym prądem 0,1A w funkcji czasu

Wybór optymalnego rozwiązania wymaga rozważenia szeregu czynników, takich jak: nominalne napięcie, pojemność, gęstość energii, utrata pojemności w funkcji czasu czy możliwość pracy z układami zasilanych prądem impulsowym. Napięcie nominalne, mierzone między zaciskami baterii, jest istotnym kryterium pozwalającym na właściwą pracę urządzenia.

Nie można również zapominać, że rozładowanie ogniwa pociąga za sobą spadek napięcia. Może ono spowodować, że urządzenie nie będzie w stanie prawidłowo funkcjonować pomimo pozostałej w baterii energii. Skróci to czas eksploatacji układu, co z punktu widzenia konsumentów nie jest zjawiskiem korzystnym.

Bateria wytwarza energię elektryczną dzięki przemianom chemicznym zachodzącym w jej wnętrzu. Niektóre z tych reakcji są bardziej efektywne od innych i wpływają na gęstość energii (stosunek zgromadzonej energii do masy ogniwa), co znajduje przełożenie w rozmiarach i masie. Nietrudno zauważyć, że zwiększanie gęstości energii pozwala produkować mniejsze i lżejsze baterie, ale najczęściej pociąga to za sobą wzrost kosztów.

Konieczne staje się znalezienie kompromisu pomiędzy ceną a wymiarami i masą. Nawet w nieużywanych bateriach zachodzą reakcje chemiczne powodujące stopniową utratę pojemności, która jest zależna od wykorzystanej technologii i użytych materiałów.

Przykładowo ogniwa alkaliczne zachowują swoją przydatność do pracy przez około 10 lat, podczas gdy dla baterii litowych okres ten wynosi nawet 15 lat. Jeszcze lepsze pod tym względem okazują się ogniwa litowo- chlorkowo-tionylowe zdolne przechować energię elektryczną nawet przez 20 lat.

Okres ten jest uzależniony również od warunków użytkowania, na które składa się temperatura otoczenia oraz charakter dołączonego obciążenia - impulsowy pobór prądu skraca żywotność ogniwa. Czynniki te również muszą zostać uwzględnione, aby dobrać baterię, która najlepiej poradzi sobie w docelowej aplikacji.

Rys. 2. Napięcie baterii cynkowo-węglowej obciążonej impedancją 39Ω w funkcji czasu

Kolejnym, znaczącym czynnikiem jest impedancja wewnętrzna mająca szczególne znaczenie, gdy pobór prądu przez urządzenie jest duży lub ma charakter impulsowy. Przykład stanowią choćby inteligentne liczniki mediów pozostające przez większość czasu w trybie uśpienia lub o obniżonej aktywności i pobierające znikomy prąd.

Podczas komunikacji drogą radiową, będącą następstwem zdalnego odczytu, pobór prądu wzrasta. Ogniwa o wysokiej impedancji nie będą w stanie prawidłowo zasilać tego typu urządzeń. Problem można rozwiązać poprzez zastosowanie równolegle dołączonego kondensatora gromadzącego energię, gdy nadajnik jest wyłączony i oddającego ją podczas zwiększonego zapotrzebowania.

To najprostsze wyjście pociąga za sobą konieczność właściwego doboru pojemności kondensatora, jego wymiarów, charakterystyki ładowania czy upływności ładunku. Warto uwzględnić czynniki związane z ochroną środowiska w kontekście obowiązujących i przyszłych regulacji prawnych. Stosowane baterie nie mogą być toksyczne ani zawierać niebezpiecznych związków. Łatwość recyklingu całego urządzenia stanowi krok w stronę "zielonej elektroniki" i może stanowić znaczący argument za wyborem takiego, a nie innego urządzenia.

Technologie produkcji baterii

Rys. 3. Charakterystyka rozładowania baterii litowej CR2032

Od długiego czasu baterie znajdują zastosowanie we współczesnej elektronice, jednakże nie powstała do tej pory technologia ich wytwarzania, która byłaby pozbawiona wad. Ich różnorodność wynika z materiałów, jakie zostały użyte do wytworzenia elektrod oraz związków chemicznych zapewniających powstawanie reakcji uwalniających energię elektryczną.

Jednym z najpopularniejszych rodzajów baterii są baterie alkaliczne powszechnie spotykane w przenośnym sprzęcie. Mają one elektrody wykonane z cynku oraz dwutlenku manganu i jako elektrolit stosowany jest alkaliczny (zasadowy) roztwór wodorotlenku potasu. Napięcie nominalne wynosi 1,5 V i stopniowo spada do około 0,9 V podczas utraty pojemności (rysunek 1).

Obok baterii alkalicznych popularne są również ogniwa cynkowo-węglowe przeznaczonych przede wszystkim do mniej wymagających urządzeń. Z mniejszą pojemnością jest związana także niższa cena, ale znajduje to swoje odzwierciedlenie w krótszej żywotności.

Podobnie do alkalicznych odpowiedników nominalne napięcie wynosi 1,5 V i sukcesywnie obniża się do poziomu 0,9 V w trakcie rozładowywania - rysunek 2. Osobną grupę baterii stanowią ogniwa litowe i często mające postać płaskich i okrągłych "pastylek" (stąd potoczne określenie ogniwa guzikowe).

Tabela 1. Popularne rodzaje baterii

Stosowane są przede wszystkim w urządzeniach elektronicznych o znikomym zużyciu energii, a poszczególne ich rodzaje mają oznaczenie najczęściej zaczynające się od liter CR bądź BR. W tego typu aplikacjach głównym założeniem jest bardzo niskie zużycie energii, aby bateria musiała być wymieniana jak najrzadziej, idealnie nigdy w czasie życia produktu.

Ogniwa tego typu mają elektrody wykonane z litu i monofluorku węgla (BR) lub dwutlenku manganu (CR). Wykonanie katody z innego materiału wpłynęło na zmniejszenie wewnętrznej impedancji, dzięki czemu ogniwa CR lepiej sprawdzają się w układach cechujących się impulsowym poborem prądu.

Wadą okazuje się jednak gorsza charakterystyka temperaturowa i wzrost prądu samorozładowania. Wśród najważniejszych zalet należy wymienić małą utratę pojemności wskutek samorozładowania oraz dobrą charakterystyką temperaturową. Nominalna wartość napięcia wynosi 3 V i obniża się do 2,2 V w końcowej fazie rozładowania baterii.

Charakterystykę dla popularnej baterii CR2032 przedstawiono na rysunku 3. Stosunkowo nowym rodzajem baterii są baterie litowo-chlorkowo-tionylowe, zwracające uwagę przede wszystkim znikomym prądem samorozładowania, pozwalającym zachować okres przydatności nawet do 20 lat.

Rys. 4. Charakterystyka rozładowania baterii litowo-chlorkowo-tionylowej

Ponadto płaska charakterystyka rozładowania pozwala przyjąć, że napięcie będzie praktycznie stałe przez cały czas. Jest to szczególnie istotne przy zasilaniu podzespołów cechujących się wąskim zakresem napięcia pracy.

Ogniwa wytwarzane w tej technologii są znacząco droższe niż litowe odpowiedniki, stąd są przeznaczone głównie do najbardziej wymagających aplikacji obejmujących liczniki mediów, rozwiązania przemysłowych czy militarnych. Baterie litowo-chlorkowo-tionylowe nie są powszechnie spotykane na rynku konsumenckim i pozostają w dużej mierze zarezerwowane dla producentów OEM.

Napięcie nominalne wynosi 3,6 V i po rozładowaniu ogniwa obniża się do około 2,0 V. Na rysunku 4 pokazano charakterystykę rozładowania takiego ogniwa. Zwrócić należy uwagę na zależność napięcia nominalnego od temperatury, co przedstawiono na rysunku 5.

Wysoki współczynnik gęstości energii mają baterie cynkowo-powietrzne, dzięki czemu przy wymiarach porównywalnych z innymi ogniwami oferują znacząco większą pojemność. Powszechnie spotykane są w aparatach słuchowych, ale znajdują również zastosowanie w przenośnych kamerach czy systemach nawigacji wykorzystywanych przez marynarkę oraz koleje.

Napięcie nominalne baterii cynkowo-powietrznej wynosi 1,4 V i obniża się do 0,9 V w końcowej fazie rozładowania (rys. 6). Katoda wykonana jest ze sproszkowanego cynku, natomiast anodę stanowi tlen zawarty w powietrzu. Dopływ tlenu wyzwala reakcje chemiczne w ogniwie i powoduje wytwarzanie energii elektrycznej.

Taka konstrukcja ma oczywistą wadę w postaci stosunkowo szybkiej utraty pojemności, nawet gdy ogniwo nie jest użytkowane (rzędu paru miesięcy). Nowe baterie są wyposażone w zabezpieczenie w postaci naklejki odcinającej dopływ powietrza, dzięki czemu utrata pojemności zachodzi znacznie wolnej i okres przechowywania wydłuża się nawet do kilku lat.

Zabezpieczenie jest usuwane dopiero przed umieszczeniem ogniwa w urządzeniu. Zestawienie parametrów poszczególnych rodzajów baterii zawarto w tabeli 1.