Įvairių rūšių baterijų analizė

Čia pateikaime tik dalį diplominio darbo, o visą galite atsisiųsti iš siuntinių archyvo.

Įvadas

1800 m. italų fizikas ir fiziologas Alessandras Volta sukūrė pirmąjį nuolatinę srovę gaminantį elektrocheminį elementą. Jis į sūrų vandenį (elektrolitą) pamerkė sugeriamuoju popieriumi atskirtas cinko bei sidabro plokšteles ir pastebėjo, kad tarp šių plokštelių atsiranda elektrovaros jėga (evj), o sujungus rezistoriumi elemento teigiamąjį ir neigiamąjį polius, grandine pradeda tekėti srovė. Be šio išradimo dabar nebūtų nei mobiliųjų telefonų, nei nešiojamųjų kompiuterių, nei daugelio kitų įtaisų, tapusių šiuolaikinio žmogaus kasdienybe.

Yra du elektrocheminių elektros energijos šaltinių tipai: vienkartinio naudojimo šaltiniai (elementai), kurių negalime įkrauti; ir daugkartinio naudojimo šaltiniai (akumuliatoriai). Elementas ir akumuliatorius – tai elektros energijos autonominis šaltinis, keičiantis ankščiau sukauptą cheminę energiją į elektrinę. Skirtumas tarp šitų dviejų šaltinių yra tas, kad elementas naudojamas tik vieną kartą. Visa cheminė energija, sukaupta elemente, pavirsta į elektrinę, todėl tolesnei eksploatacijai elementas netinka.

Elementas charakterizuojamas šiais parametrais: elektrochemine sistema, įtampa, elektriniu talpumu, vidine varža, eksploatacijos laiku.

Šiuo metu buitiniuose prietaisuose ir įrenginiuose labiausiai paplitę: Cinko anglies, Ličio-mangano-dioksido šarminės (Alkaline), Ličio (litis, ličio ir švino jodidas) elementai.

Elementai naudojami fotoaparatuose, radijo aparatuose, audio magnetolose, elektriniuose žaisluose ir daugelyje kitų buityje reikalinguose prietaisuose.

Vartotojai eksploatuojant elementus pastebi skirtumus tarp įvairių rūšių, tačiau išsirinkti tikrai kokybišką ir gerą elementą yra labai sunku, nes mūsų dabartinė rinka siūlo labai platų asortimentą. Būtent dėl šios priežasties aš ir pasirinkau tokią darbo temą.

Šiame darbe apžvelgsime elementų tipus, atliksime eksperimentinius tyrimus, sudarydami buitinių sąlygų modelius, įvertinsime jų kokybę.

Buitinių elektrinių prietaisų maitinimo šaltinių apžvalga. Eksploatacijos ypatumai. Rekomendacijos. Patirties apibendrinimas

Elementų apžvalga

Visuose elektrocheminiuose elektros energijos šaltiniuose vykstanti cheminė reakcija išlaisvina elektronus, kurie kaupiasi prie elemento neigiamojo poliaus ir sukuria evj. Esant pusiausvyrai, reakcija nutrūksta. Prijungus apkrovą (pvz., įjungus kompiuterį), dėl evj pradeda tekėti srovė ir vėl prasideda cheminė reakcija. Ji vieno iš elektrodų sąskaita kuria naujus elektronus, kurie pakeičia elektronus, perėjusius į išorinę grandinę.

Šaltinis gali tiekti srovę, kol sunaudojamas vienas iš reagentų (pvz., kadmis). Baterijose esančio sunaudoto reagento atkurti neįmanoma, todėl išnaudotą bateriją tenka išmesti. Elektrocheminio elemento kuriama evj priklauso nuo jį sudarančių medžiagų ir to, kiek plokštelių porų sujungta nuosekliai, o srovė – nuo porą sudarančių plokštelių paviršiaus.

Pirmąsias labai paplitusias baterijas, sudarytas iš cinko (neigiamasis polius), anglies (teigiamasis polius) ir amonio chlorido tirpalo (vėliau – tirštos pastos), 1860m. sukūrė prancūzas Georgeas Leclanche’as. Tokios sandaros baterijos naudojamos iki šiol.

Buitiniams įtaisams maitinti naudojamos įvairių tipų baterijos, kurios skiriasi talpa, dydžiu ir kaina. Labiausiai paplito šių tipų baterijos:

• Cinko-anglies baterijos. Jos yra pigios, tačiau nepasižymi nei didele talpa, nei geru talpos ir svorio deriniu. Šios baterijos dažniausiai naudojamos prožektoriams, ausinukams, mini radijo grotuvams. Efektingiausia šiuos elementus naudoti vidutinio sudėtingumo elektriniams prietaisams, kurių stabiliam veikimui nereikalinga didelė energija.1-oje lentelėje pateikti pagrindiniai šio tipo baterijų parametrai.
  1 lentelė
  

  Modelis	Dydis	Nominali įtampa (V)	Dimensija (mm) (max)		Svoris (g, ~)
  			Diametras	Aukštis
  R20	D	1,5	34,2	61,5	95,5
  R14	C	1,5	26,2	50,0	48,6
  R6	AA	1,5	14,5	50,5	18,0
  6F22	9F	9,0	26,5(pl.)~17,5(ilg.) ~48,5(aukšt.)		35,0
  R10	F332	1,5	28	37	37
  R3	AAA	1,5	10,2	42,2	10

• Ličio-mangano-dioksido šarminės (Alkaline) baterijos. Jų talpa yra maždaug dešimt kartų didesnė už cinko-anglies baterijų talpą, gerokai ilgesnė tarnavimo trukmė, tačiau jos yra brangesnės. Šios baterijos naudojamos kompaktiniams grotuvams, radijo ryšio priemonėms, galingiems elektriniams žaislams, visiems sudėtingiems elektriniams įrenginiams, kurių normalus veikimas reikalauja daug energijos. 2-oje lentelėje pataikti pagrindiniai šio tipo baterijų parametrai.
  2 lentelė
  

  Modelis	Dydis	Nominali įtampa (V)	Dimensija (mm) (max)		Svoris (g, ~)
  			Diametras	Aukštis
  R3 R6 R14 R20	LRA AA LR AA LR C LR D	1,5 1,5 1,5 1,5	10,2 14 26,2 34,2	42,2 49,9 50,0 61,5	10 21 61 134
  6LR	9F	9	26,5(pl.)~17,5(ilg.)~48,5(aukšt.)		46

• Ličio (litis, ličio ir švino jodidas) fotobaterijos. Jos gerai atlaiko perkrovas, todėl dedamos į fotoaparatus. Šios baterijos gaminamos AA dydžio tipo korpusuose ir jas patariama naudoti, didelės galios iš maitinimo šaltinio reikalaujančiuose įrenginiuose, tokiuose kaip, skaitmeninėse kamerose arba kamerose su papildomu apšvietimu.

Norint, kad baterijomis maitinamas įtaisas patikimai, reiktų naudoti tik vieno tipo jam skirtas baterijas, nes įvairių tipų baterijos pasižymi skirtingomis savybėmis (vidine varža). Be to vartotojas turėtų nepamiršti atkreipti dėmesį į elemento galiojimo laiką, nes tai įtakoja baterijos kokybei. Negalima teigti, kad kuri nors iš šių trijų rūšių yra geresnė, baterija reikia rinktis pagal naudojimo tikslą.

Buitinių prietaisų su elementais eksperimentinis tyrimas

Šiame darbe tyrimus atlieku su AA R6 tipo baterijomis, kadangi buityje jos labai populiarios. Tikslui įvykdyti pasirinkau du namų ūkyje dažnai naudojamus elektrinius prietaisus, maitinimus šio tipo elementais: elektrinį žaislą “Smurfis” ir mini radijo grotuvą. Šiuos prietaisus ištyriau tokiu būdu: prie maitinimo šaltinio, su reguliuojama išėjimo įtampa nuosekliai prijungiau multimetrą, o prie multimetro, pirmu atveju buvo prijungtas žaislas, antru atveju – radijo grotuvas. 1 pav. pavaizduota struktūrinė, o 2 pav. principinė jungimo schemos.

Sujungus prietaisus pagal šią schemą išmatavome srovę, kuri reikalinga stabiliam prietaisų darbui. Prie 1,5V įtampos, žaislui buvo reikalinga 300mA srovė, kaip žaislui srovė yra gana didelė. Tai yra todėl, kad jo judėjimui t.y. galvos sukinėjimui, kojų ir rankų judėjimui yra sumontuoti 3 nuolatinės srovės varikliukai, be to panaudotos lemputės šviesos efektui (šviečia akys). Tai ir paaiškina, kodėl žaislui reikalinga tokia didelė energija. Mažinant įtampą palaipsniui iki 0,87V, žaislas dirba stabiliai, mažinant ją toliau, prasideda nepilnos žaislo veikimas, t.y. nebesisuka galva, lėčiau juda kojos ir rankos, kol pagaliau nešviečia akys ir jis visiškai nustoja veikęs.

Antruoju atveju, kai prie ankščiau išvardintų prietaisų buvo prijungtas mini radijo grotuvas, duomenys buvo visiškai skirtingi. Šiam prietaisui prie 6V įtampos buvo reikalinga 150mA srovė. Šiai įtampai esant radijo grotuvas dirba stabiliai, t.y. aiškiai girdisi tekstas, įrašo garso kokybė gera, nėra jokių iškraipymų. Mažinant įtampą nuo 6V palaipsniui iki 3,5V išlieka prietaiso darbo stabilumas, o vėliau, mažinant ją darlabiau, radijo grotuvas pradeda veikti nestabiliai, atsiranda teksto vėlinimas, garso iškraipymai ir kiti trūkumai.

Eksperimento duomenys, t.y. srovės didumas, analizuojant baterijas analizatoriumi UBA4, sudarant šiam prietaisui programą, kad nustatyti duomenys atitiktų tikrovę.

Matuojant srovę, tyrimą atlikau su toliau išvardintais prietaisais:

Maitinimo šaltinis Б5-43A:

• Turi apsaugą nuo trumpo jungimo (įvykus trumpam jungimui, suveikia vidinė apsauga, tuo prietaisas apsaugomas nuo schemos pažeidimo, pašalinus trumpą jungimą, prietaisas vėl pradeda veikti).
• Galima keisti įtampą nuo 0V iki 10V.
• Turi indikatorių, kurio įtampą galima keisti šimtosiomis skaičiaus dalimis.

Multimetras – UT54:

Skaitmeninis prietaisas, skirtas matuoti nuolatinei įtampai, srovei, kintamai įtampai ir srovei, taip pat matuoti varžai, kondensatoriaus talpumui bei tranzistoriaus stiprinimo koeficiento (h21e) patikrinimui.

• Apsaugotas nuo trumpo jungimo.
• Prietaiso parodymai displėjuje pateikiami skaitmenimis.
• Turi automatinį išsijungimą nuo jo vidinio maitinimo šaltinio.

Tyrimo eiga ir rezultatai - pilname dokumente.

Išvados

Diplominiame darbe atlikome eksperimentinius tyrimus su dviejų rūšių baterijomis: cinko anglies ir ličio-mangano-dioksido šarminėmis. Su pastarosiomis baterijomis buvo atlikti du eksperimentiniai tyrimai, o su cinko anglies – vienas. Pagrindinis eksperimentų tikslas analizuojant baterijas buvo tas, kad vartotojas galėtų pamatyti elementų skirtumus, jų darbo procesą, kokybę už atitinkamą kainą. Visiems trims tyrimams atlikti naudojome analizatorių „UBA 4“, kuris yra Šiauliuose firmoje „Balt Battery“, kuri mielai sutiko man padėti. Tyrimams atlikti buvo naudojama „UBA 4 Console Software“ programa, kuri leido:

1. Sukurti skirtingas programas, atitinkamas baterijų rūšims;
2. Sumodeliuoti įvairius elementų darbo procesus, kurių dėka baterija iškraunama;
3. Stebėti elementų rezultatus gautuose grafikuose, kurių tikslumas mano darbe 5 s;
4. Taip pat šiame diplominiame yra integruoti įvairūs elektros prietaisai, kaip: skaitmeninis voltmetras, multitesteris.
5. Sumodeliavome analizatoriuje „UBA 4“ elementų darbo sąlygas, panaudojome daug skirtingų rūšių.

Pirmojo eksperimentinio tyrimo metu rezultatyviausias elementas buvo „PANASONIC MAX“ pagamintas Belgijoje, jo gyvavimo trukmė 7 h 05 min 54 s, bendras talpumas 1782,555 mAh, o „ENERGIZER INTELIGENT“ gyvavimo trukmė buvo 4 h 51 min 12 s, bendras talpumas 1141,459 mAh. Visų elementų rezultatus galima pamatyti 3–ioje lentelėje.

Antrojo tyrimo metu, kai analizavome cinko anglies baterijas, rezultatyviausias elementas buvo „VARTA STANDART“, kurio gyvavimo trukmė 4 h 31 min 11 s, bendras talpumas 539,653 mAh. O elemento „NOBLE“, kuris pagamintas Kinijoje, gyvavimo trukmė buvo 1 h 05 min 02 s, bendras talpumas 111,256 mAh. Visų elementų rezultatai surašyti 4-oje lentelėje.

Trečiojo tyrimo metu, kai buvo analizuojamos ličio-mangano-dioksido šarminės baterijos, kurios buvo iškraunamos iki 0,7 V įtampos, o apkrova buvo nustatyta 100 mA, ilgiausią trukmę gyvavo „SANYO ALKALINE“, t.y. 24 h 34 min 37 s, bendras talpumas 2,492A h. Iš mano darbe tirtų baterijų trumpiausią laiką gyvavo „DURACELL PLIUS“ elementas, t.y., 22 h 16 min 57 s, kurios bendras talpumas 2,259A h. Išsamūs rezultatai pateikti 5-oje lentelėje.

Visų trijų eksperimentinių tyrimų elementų darbo grafikai pateikti 2-ame priede, o lentelės 1-ame priede.

Šiame darbe išanalizavome įvairiausių rūšių baterijas, sužinojome jų skirtumus ir panašumus, pozityvias ir negatyvias puses. Turėdami šią informaciją, vartotojai lengviau pasirinktų, kokios rūšies elementą parankiausia pirkti, žinoma atsižvelgiant į tai, kam būtent ši baterija bus reikalinga.

Visi eksperimentiniai tyrimai su elementais atlikti kompiuteriniu testavimu, kuris paprasčiau nei kiti būdai leidžia nustatyti elemento kokybę, gyvavimo trukmę. Visa medžiaga ir rezultatai testavimo metu išlieka kompiuteryje. Rezultatai gauti diplominio darbo metu padėtų eiliniam vartotojui pasirinkti kokybiškiausius ir pigiausius elementus, šiuolaikinėje perpildytoje rinkoje.

Literatūros sąrašas:

1. Бут Д. А., Алиевский Б. Л., Мизюрин С. Р., Васюкевич П. В. Накапители энергии. – М.: Энергоатомиздат, 1991. – 36с.
2. http://www.gpbatteries.com.hk/cgi-bin/cellular/.
3. http://www/nkm.lt/.
4. http://195.7.182.185/catalog/index.html.
5. http://195.7.182.185/firma/ist_spravka/index.html.
6. http://forum.rax.ri/vb/forumdisplay.php.
7. Kompiuterija, 2002m. gegužė Nr. 5(57), psl. 22.
8. Maitinimo elementai (Varta the battery experts).
9. http://www.zmfact.com/cic/reports/tech/battery.htm.
10. http://www.tbcl.co.jp/tb_e/manh_b_e.htm.
11. http://www.pureenergybattery.com/technology.html.