Niezliczone urządzenia na rynkach elektroniki konsumenckiej, przemysłowej czy medycznej są dziś zasilane za pomocą akumulatorów. Pomimo to baterie pierwotne wciąż nie zostały wyparte z użytku, a wynika to z pewnych niepodważalnych zalet, jakie oferują użytkownikom. Aby optymalnie wykorzystać współczesne baterie jednorazowe trzeba jednak znać istotne różnice pomiędzy różnymi rodzajami tych źródeł energii. Projektanci urządzeń elektronicznych powinni zatem orientować się w rodzajach i parametrach baterii równie dobrze, jak w zakresie akumulatorów. Dlatego też niniejszym artykułem otwieramy cykl publikacji poświęcony właśnie specyfice zasilania bateryjnego.
Zakres zastosowań baterii jednorazowych jest wprawdzie bardzo szeroki, ale można wskazać trzy zasadnicze scenariusze aplikacyjne, w których zalety baterii pierwotnych przeważają nad akumulatorami.
- Długotrwała praca przy minimalnym zużyciu energii – w urządzeniach o znikomym poborze mocy (np. zegary elektroniczne, czujniki stacji pogodowych, klawiatury i myszki komputerowe, czujniki czadu, dymu i gazu, liczniki, piloty do urządzeń RTV i automatyki domowej, systemy alarmowe itp.) baterie zwykle sprawdzają się lepiej od akumulatorów, a to z uwagi na znikomy stopień samorozładowania i możliwość przechowywania nawet przez wiele lat bez istotnej utraty pojemności.
- Wysoki poziom bezpieczeństwa – baterie nie wymagają użycia zewnętrznej ani wbudowanej ładowarki, a także układów nadzoru ani rozbudowanych zabezpieczeń (PCM lub BMS), choć w uzasadnionych przypadkach mogą być potrzebne np. proste zabezpieczenia nadprądowe (chociażby w postaci bezpiecznika PTC). Konstruktorzy urządzeń takich jak zabawki czy drobny sprzęt medyczny (ciśnieniomierze, pulsoksymetry napalcowe, glukometry, stymulatory TENS itp.) mogą dzięki temu łatwiej spełnić wymogi norm produktowych. Korzyść ta jest szczególnie wyraźna w przypadku baterii alkalicznych. Pierwotne ogniwa litowe nadal podlegają jednak wymaganiom transportowym właściwym dla baterii litowo-metalicznych, choć niewielkie ogniwa zamontowane w urządzeniu mogą korzystać z określonych wyłączeń.
- Łatwa i szybka wymiana źródła energii po rozładowaniu – większość urządzeń akumulatorowych (za wyjątkiem niektórych grup, głównie elektronarzędzi czy sprzętu fotograficznego) może być ponownie używana dopiero po naładowaniu wbudowanego akumulatora. W przypadku sprzętu bateryjnego ten problem nie istnieje, gdyż baterie można zwykle bez trudu (a często nawet bez użycia narzędzi) wymienić na nowe. Jest to rozwiązanie wygodne zwłaszcza w przypadku latarek, zabawek czy urządzeń peryferyjnych USB.
Najważniejsze parametry porównawcze
Wartości pojemności trzeba zawsze specyfikować w kontekście warunków pomiaru. W poniższej tabeli zebrano dane katalogowe przykładowych ogniw jednorazowych z oferty marki Akyga Battery.
| Chemia ogniwa i przykładowy model | Napięcie znamionowe | Obciążenie użyte do wyznaczenia pojemności / napięcie końcowe | Temperatura pracy | Temperatura przechowywania | Czas przechowywania |
|---|---|---|---|---|---|
| Alkaliczna Zn-MnO2 AA LR6 (AKY2075) | 1,5 V | 25 mA 0,9 V | -20...+60°C | Nie podano osobnego zakresu; test trwałości przy 20°C | 10 lat |
| Li-MnO2 CR2032 (AKY1075) | 3,0 V | 15 kΩ 2,0 V | -20...+60°C | 0 do +30°C | 10 lat |
| Li-SOCl2 ER14505M (AKY0714) | 3,6 V | 2 mA 2,0 V | -55...+85°C | Brak danych | Brak danych |
| Li-CFx BR2032 (AKY2476) | 3,0 V | 15 kΩ 2,0 V | -40...+125°C | 0 do +30°C | Brak danych |
Zestawione ogniwa różnią się nie tylko chemią, ale także formatem, rozmiarami i masą. Powyższe porównanie pozwala wstępnie zorientować się w różnicach pomiędzy różnymi rodzajami ogniw, ale trzeba pamiętać, że pokazuje ono parametry przykładowych produktów – nie należy zatem przypisywać wszystkich różnic wyłącznie zastosowanej chemii.
Znaczenie warunków testowych
Dla alkalicznego ogniwa w rozmiarze AA wartość pojemności równa 3050 mAh wyznaczona została przy prądzie rozładowania 25 mA i napięciu końcowym 0,9 V. Ta sama karta podaje jednak także wyniki testów przy obciążeniach o danej rezystancji lub natężeniu prądu stałego, a nawet w warunkach obciążenia impulsowego. Mało tego – poszczególne wiersze poniższej tabeli zawierają informacje o czasach rozładowania zarówno ogniw fabrycznie nowych, jak i przechowywanych w kontrolowanej temperaturze przez 12 miesięcy. W przypadku innych rodzajów chemii zastosowanych w bateriach zakres parametrów i sposób ich określenia może być inny – w szczególności baterie przeznaczone do niewielkich obciążeń na poziomie kilku kΩ lub więcej nie są zwykle testowane przy prądach rzędu dziesiątek miliamperów bądź więcej, gdyż nie miałoby to większego sensu z uwagi na rezystancję wewnętrzną.
Jak czytać krzywe rozładowania?
Najwięcej informacji o zachowaniu baterii podczas rozładowywania niosą nie pojedyncze wartości nominalne, ale wykresy napięcia w funkcji czasu. Krzywe rozładowania ujawniają specyficzne właściwości baterii o różnym składzie chemicznym, a cechy te pozwalają na określenie optymalnych obszarów aplikacyjnych.
Baterie alkaliczne Zn-MnO2
Baterie alkaliczne mają wyraźnie opadającą charakterystykę. Napięcie szybko schodzi z poziomu około 1,6 V, następnie nieco wolniej maleje przez większość czasu pracy, a pod koniec spadek znów przyspiesza. Układ zasilany bez przetwornicy musi zatem poprawnie działać w szerokim zakresie napięcia, zaś jeżeli decydujemy się na zastosowanie konwertera DC/DC, musimy dodatkowo wybrać topologię i model kontrolera przy uwzględnieniu skrajnych warunków pracy ogniwa lub zestawu szeregowych ogniw. Przykładowo: jeżeli mikrokontroler jest zasilany napięciem 1,8 V, a źródłem energii jest pojedyncze ogniwo LR6, to konieczne będzie zastosowanie przetwornicy typu boost z napięciem startu lub podtrzymania pracy około 0,8…0,9 V lub najlepiej jeszcze niższym. W przypadku układu 2,5-woltowego, zasilanego za pomocą dwóch baterii szeregowych, nominalne napięcie wyniesie wprawdzie 3,0 V, ale w końcowym etapie rozładowywania spadnie do 1,8 V – konieczne będzie zatem zastosowanie przetwornicy typu buck-boost lub boost z dodatkowym kluczem (bypass).
Ogniwa alkaliczne dobrze znoszą powtarzalne lub nawet ciągłe obciążenia rzędu dziesiątek i setek miliamperów, lecz wzrost prądu skraca czas pracy i zmniejsza użyteczną pojemność. Karta katalogowa ogniw AA LR6 marki Akyga Battery podaje wyniki prób przy obciążeniu impulsowym dochodzącym nawet do 1500 mW, co odpowiada natężeniu prądu 1 A (dla napięcia znamionowego równego 1,5 V). Ogniwa tego typu są dobrym wyborem do zabawek, latarek, prostych urządzeń audio i sprzętu uruchamianego okresowo (np. niektórych efektów i procesorów gitarowych).
Baterie litowo-manganowe Li-MnO2
Bateria litowo-manganowa (Li-MnO2) typu CR2032 (na przykładzie AKY1075) utrzymuje napięcie bliskie 3 V przez znaczną część czasu rozładowania, po czym krzywa ulega dość gwałtownemu załamaniu i napięcie szybko spada do wartości poniżej 2,0 V.
Takie ogniwo najlepiej pasuje do podtrzymywania zasilania zegarów RTC i pamięci w domenie backup mikrokontrolerów (np. STM32), a także pilotów i czujników o znikomym poborze średnim oraz niewielkich, rzadkich impulsach. Sama pojemność 210 mAh nie oznacza zdolności do stabilnego zasilania nadajnika pobierającego dziesiątki miliamperów. W takim zastosowaniu trzeba uwzględnić rezystancję wewnętrzną baterii i spadek napięcia podczas impulsu.
Baterie litowo-tionylowe Li-SOCl2
Baterie litowo-tionylowe (Li-SOCl2) zapewniają najbardziej płaską charakterystykę spośród wszystkich porównywanych w artykule ogniw, a także dość wysoką gęstość energii. W przypadku przykładowego ogniwa typu ER14505M napięcie pozostaje blisko 3,5…3,6 V zarówno przy 300 µA, jak i przy 10 mA prądu rozładowania. Przy 100 mA oraz 400 mA napięcie jest niższe, lecz nadal występuje długi, stosunkowo płaski odcinek charakterystyki z napięciem wyjściowym nie niższym niż 3,2 V.
Końcowe rozładowanie następuje gwałtownie, dlatego pomiar samego napięcia daje bardzo mało czasu na ostrzeżenie o wyczerpaniu. Badany model dobrze odpowiada potrzebom liczników, rejestratorów i przemysłowych węzłów telemetrycznych o małym lub średnim poborze prądu, zwłaszcza gdy wymagana jest stabilna szyna zasilająca.
Warto także pamiętać o zjawisku pasywacji anody litowej. Na powierzchni litu powstaje cienka warstwa produktów reakcji, głównie chlorku litu, która ogranicza samorozładowanie, ale jednocześnie zwiększa rezystancję wewnętrzną ogniwa. Po długotrwałym przechowywaniu warstwa pasywacyjna może spowodować przejściowy spadek napięcia po załączeniu obciążenia. Przepływ prądu prowadzi do stopniowej depasywacji elektrody i wzrostu napięcia, jednak czas tego procesu oraz minimalna wartość napięcia zależą od temperatury, okresu przechowywania i prądu obciążenia.
Baterie litowo-fluorowęglowe Li-CFx
Ogniwo Li-CFx (np. AKY2476) typu BR2032 zachowuje napięcie zbliżone do 3 V przy małym obciążeniu rzędu 15 kΩ. Choć wraz ze spadkiem temperatury pojemność użyteczna maleje, a charakterystyka staje się bardziej stroma, to i tak zakres temperatur pracy dla tego typu ogniw jest znacznie szerszy niż w przypadku popularniejszych baterii CR2032 – rozciąga się bowiem od -40 aż do +125°C. Co ważne, ogniwa tego typu nie nadają się do zasilania urządzeń o impulsowym poborze prądu przekraczającym 5 mA, stąd ich zastosowanie np. w węzłach pomiarowych z modułem Bluetooth LE nie jest możliwe bez zastosowania specjalnych technik układowych redukujących szczytowy prąd obciążenia. Stosunkowo łagodna zmiana napięcia praktycznie w całym zakresie pozwala natomiast ze sporym wyprzedzeniem ocenić ilość pozostałej energii ogniwa.
Takie parametry odpowiadają natomiast doskonale potrzebom układów podtrzymania RTC i pamięci, identyfikatorów itp.
Podsumowanie
Chemia baterii nie tylko definiuje napięcie nominalne, lecz także w dużej mierze wpływa na dopuszczalny profil obciążenia oraz sposób oceny stanu rozładowania. Baterie alkaliczne oferują większe prądy kosztem opadającego napięcia i silnej zależności pojemności od obciążenia. Ogniwa Li-MnO2 i Li-CFx najlepiej pracują przy bardzo małym poborze prądu, natomiast odpowiednio dobrany model Li-SOCl2 może zapewnić stabilne napięcie także przy znacznie większym obciążeniu – wymaga natomiast zastosowania odpowiedniej metody szacowania pozostałej energii i odpowiednio wczesnej sygnalizacji zbliżającego się rozładowania. Przed wyborem baterii zawsze warto więc porównać krzywe dla obciążenia możliwie zbliżonego do rzeczywistego profilu pracy urządzenia i zastosować taki typ ogniwa, który zapewni optymalne warunki pracy urządzenia.
Źródła
- Akyga Battery AA LR6 – karta katalogowa baterii alkalicznej
- Akyga Battery CR2032 – karta katalogowa baterii Li-MnO2
- Akyga Battery ER14505M – karta katalogowa baterii Li-SOCl2
- Akyga Battery BR2032 – karta katalogowa baterii Li-CFx
Sponsorem artykułu jest marka Akyga Battery
Akyga Battery to linia produktowa marki Akyga Components, oferująca praktyczne rozwiązania zasilania dla elektroniki użytkowej i przemysłowej. Baterie pierwotne oraz akumulatory Akyga projektowane są z myślą o stabilnej pracy i niezawodnym dostarczaniu energii w urządzeniach takich jak czujniki, piloty czy sprzęt przenośny. Więcej informacji można znaleźć na stronie: akygabattery.com
