CC BY
9
УДК 621.3.084.872
ПОВЫШЕНИЕ ДЛИТЕЛЬНОСТИ РАБОТЫ ПОРТАТИВНЫХ МОБИЛЬНЫХ ПРИБОРОВ НА ОСНОВЕ АНАЛИЗА РАЗРЯДНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ГАЛЬВАНИЧЕСКИХ ИСТОЧНИКОВ ПИТАНИЯ
Р.Я. НЕДЗВЕЦКАЯ*, Р.Х. ТУКШАИТОВ*, Р.М. НИГМАТУЛЛИН**,
Н.В. ПИСКЛОВА *
*Казанский государственный энергетический университет, **Исследовательский центра проблем энергетики КазНЦ РАН
Исследованы характеристики разрядных кривых гальванических источников питания типа R6 AA и R6 ААА ряда производителей при значительных нагрузках, моделируемых применением резисторов с малыми значениями сопротивлений (3,3, 6,5, 10 и 20 Ом), создающие необходимую базу для проектирования портативных электронных приборов и светодиодных устройств с повышенной длительностью их работы.
Ключевые слова: разрядные кривые, время наработки, гальванические источники, вариабельность, коэффициент вариации.
Введение
Современное проектирование портативных электронных приборов и устройств должно осуществляться непосредственно с учетом разрядных кривых гальванических батарей разных типов. Такой подход является новым и направлен на существенное увеличение длительности непрерывной работы приборов [1], а при разработке маломощных светильников - на выбор в них оптимального количества светодиодов с учетом обеспечения энергосбережения. Кроме того, семейство разрядных кривых, полученное при разных омических нагрузках, также необходимо для прогнозирования срока продолжительности работы разных устройств, в том числе с нелинейными нагрузочными характеристиками.
В связи с вышеизложенным необходимо изучение разрядных процессов широко применяемых гальванических батарей при повышенных токовых нагрузках.
Методика исследований и обработки данных
Изучение разрядных кривых двух типов солевых гальванических элементов R6 АА и R6 ААА, именуемых в быту соответственно пальчиковыми и мизинчиковыми, проведено при четырех значениях токовой нагрузки. В соответствии с нормативными требованиями [2] использовали резисторы, значения сопротивления которых было равно 3,3, 6,5, 10 и 20 Ом. Они обеспечивали в начальный период испытания силу тока в измерительной цепи соответственно 400, 220, 150 и 75 мА. Такие значения силы тока имеют место в разных портативных электронных приборах, а также маломощных светодиодных светильниках.
Основные результаты получены на основе проведения 8 серий измерений, каждая из которых выполнена на 4 гальванических элементах (ГЭ) с последующим, при необходимости, исключением из ряда серий результатов того опыта, в котором имелось заметное отклонение данных от других. Это сделано для получения более объективной информации о вариабельности характеристик источников напряжения разных производителей.
Первые 4 серии измерений проведены с использованием гальванических элементов типа R6 ААА (мизинчиковые солевые), широко применяемых
© Р.Я. Недзвецкая, Р.Х. Тукшаитов, Р.М. Нигматуллин, Писклова Н.В. Проблемы энергетики, 2009, № 5-6
в том числе для питания маломощных светодиодных светильников разного назначения. Последующие 4 серии измерений проведены с использованием гальванических элементов типа R6 AA (пальчиковые солевые).
Отсчет напряжения источника, имеющего небольшое время наработки, осуществляли через каждые 10 минут, а при большом времени наработки - через 0,5 ч на начальном участке разрядной кривой, а в последующем - через 1 ч.
Разряд каждого гальванического элемента осуществляли до достижения его напряжения 0,3-0,5 В. При этом продолжительность разряда ГЭ составляла от 3 до 18 ч и определялась их типом и величиной нагрузки. Контроль напряжения гальванических элементов осуществляли вольтметром ТЛ-4М в процессе длительного их разряда.
В работе были использованы гальванические элементы разных производителей: Panasonic, Sony (ЕС-Польша), Hyundai (Корея), Sanyo Super (Индонезия), Hi-watt (КНР- Гонконг), Camelion, Victory и Спутник (КНР) с целью одновременной оценки степени различия между ними по их энергоемкости. Они имели гарантийный срок в пределах от 08.2010 до 10.20011 гг.
Предварительная оценка показала, что величина дисперсии напряжения ГЭ небольшая, что позволило для снижения трудоемкости эксперимента ограничиться объемом выборки, равном 3-4. В процессе статобработки результатов каждой серии определяли среднее арифметическое значение напряжения и относительную величину стандартного отклонения (Cv).
С целью возможности размещения таблиц в формате одного листа некоторые промежуточные результаты измерений в них были исключены, а данные экспериментов с разными типами ГЭ совмещены с учетом продолжительности измерений.
Результаты исследования и их обсуждение
Сравнительный анализ данных табл. 1 и 2 показывает, что при разряде гальванических элементов, в соответствии с условиями нормативных документов до уровня 0,95 В [2], средняя величина относительного значения стандартного отклонения (Cv) при силе тока (75-150) мА составляет 2,0-3,5%, что указывает на сравнительно хорошую воспроизводимость разрядных кривых.
При увеличении токопотребления до 400 мА значение Cv несколько возрастает (до 4-5%), что в большей степени проявляется с уменьшением энергоемкости используемого типа элемента (R6 AAA). Данные результаты показывают, что при использовании ГЭ одного типа и марки С, не превышает 1-2%.
Установлено, что при снижении напряжения ГЭ до 0,75 В, то есть в 2 раза, значение С,, возрастает порядка до 8-10%. Это свидетельствует о том, что наибольшее различие между разрядными кривыми начинает проявляться при снижении напряжения ГЭ ниже 50-60 % исходного уровня, то есть 1 В.
Согласно технической характеристике, используемые гальванические элементы имеют начальное номинальное напряжение 1,5 В. Вместе с тем следует иметь в виду, что, если в режиме холостого хода регистрируется напряжение на уровне 1,68-1,70 В, то в рабочем режиме оно определяется величиной омической нагрузки.
Для более наглядного отображения разрядных процессов ГЭ они представлены графически на рис. 1-2. Для обеспечения оптимального масштаба их отображения время по оси абсцисс на этих рисунках ограничено соответствено 8 и 10 ч. Как следует из представленных графиков, по мере увеличения токовой нагрузки и типа ГЭ характер разрядных кривых существенно изменяется. © Проблемы энергетики, 2009, № 5-6
@
о
а
в в
о\
Таблиц»
ы ас
Значение напряжения питания гальванических элементов типа R6 (п-3) I) процессе их разряда при сопротивлениях нагрузки 3,3 к 6,5 Ом
Тип элемента Знач. Стят. Время, ч
CftlipOJH h., Ом 11 | 1 ..1- ICJH1 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 120 140 160 180
Ri. АЛА 33 V, В Су,'/. 1,38 5,5 0,99 3,6 0,91 0,64 (1,79 6,5 0,64 9,6 0,48 15 0,36 19 0,30 26 0,24 29 0,20 30 0,17 29 0,11 24 - - -
6,5 V, в с„% 1,53 1,6 1,29 2,4 1.23 1,2 1,20 0,48 1,16 0.86 1,11 6,0 1,05 2,4 0.98 3,1 0,92 6.0 0,84 4,3 0,77 4.0 0.60 6,70 0,47 10 0,40 9,5 0,35 8,8
3,3 и. в сп % 1,45 3,2 1,26 1,2 1,19 0,84 1,15 2,5 1,11 3,2 1,06 4.S 1,02 5,2 0,96 6,5 0,91 7,7 0,87 8,2 0,81 8.6 0,72 10 0,61 18 0,53 22 0,41 24
R6 АЛ
6,5 V, В Су, % 1,58 13 1,39 0,42 1ДЗ 0,75 1,30 0.89 1.28 0.78 1,26 1,7 1,23 2,0 1,22 1,7 1,19 1.9 1,17 2,7 1,15 4,1 1,11 5.0 1,05 6,7 0,97 10 0,88 17
Значение напряжения питания гальванических элементов типа R6 (п=3) в процессе их разряда при сопротивлениях нагрузки 10 и 20 Ом
Таблица 2
Тип элемента Со против,, Ом (lut. показатели Врем«, ч
0 0,5 1 1,5 2 3 4 5 6 8 10 12 14 16
Кб АЛА 10 и, В с„, % 1,51 2,3 1,24 3,2 1.18 2,6 1,08 3,3 0,96 1,0 0.66 4.6 0.38 12 - - - - - - - -
20 и, в сп% 1.65 035 1.41 0,4] 135 0,43 132 0,44 130 0.45 1,25 0,80 1,15 13 1,03 3,1 0,88 7,2 0,46 12 - - - - -
Кб ЛЛ 10 и, в С» % 1,59 1,6 1,36 1.5 1,31 1.2 1,27 2,1 1,24 3,0 1.17 3,6 1,08 1,6 0,93 3,7 0.76 12 0,46 24 0,33 22 - - - -
20 If, В С,н % 1.64 1,8 1.43 1.8 1,38 1.8 1,35 2,0 1.38 1,8 1,35 2,0 1,33 13 131 1,2 1J0 1,2 1,24 1.6 1,15 2,6 1,1)0 2,0 0,85 3,0 0,69 7,7 0,39
О , , I- . I . —.......
0 1 2 3 4 5 6 время, ч.
Рис. 1. Характер снижения напряжения у гальванических элементов типа К6 ААА во времени
при разных нагрузках
и, В2 --------
0 -I---------
01234568 10 время, ч.
Рис. 2. Характер снижения напряжения у гальванических элементов типа R6 AA во времени при разных нагрузках
Из табл. 1-2 видно, что время наработки ГЭ уменьшается в целом пропорционально уменьшению сопротивления нагрузки. Снижение напряжения батарей источников питания более чем в 3 раза (до 0,5 В) вызывает в отдельных случаях незначительное разрушение герметичности источника и частичное в последующем проникновение наружу кристаллизованного солевого раствора. Кроме того, при значениях напряжения питания ниже 0,75 В начинает заметно возрастать различие между напряжениями ГЭ разных производителей. Поэтому целесообразно в качестве минимально допустимого уровня выбирать значения напряжения гальванического источника порядка 0,75 В.
На основе данных рис. 1-2 и табл. 1-2 можно определить значения времени наработки (*„ар) ГЭ при разных нагрузках и кратное его увеличение при осуществлении разряда ГЭ до более низкого значения напряжения, а именно до 0,75 В. Результаты вычислений ¿нар и кратности его повышения при использовании рекомендуемого значения порогового напряжения обобщенно представлены в табл. 3. Из нее следует, что при повышении токопотребления и осуществлении разряда ГЭ до 0,75 В, время их наработки возрастает в 1,5-2,5 раза, а при переходе от менее (R6 AAA) к более энергоемкой батарее (R6 AA) - дополнительно в 3 раза.
Кроме того, получено, что при умеренных нагрузках применение более энергоемких ГЭ типа R6 AA позволяет повысить время их наработки в 2 раза, а при превышении тока нагрузки 200-300 мА время наработки электронных приборов и светодиодных светильников возрастает в 3 раза и достигает 2 ч. Отсюда следует, что при силе тока 300-400 мА питание проектируемых портативных приборов и светодиодных светильников необходимо осуществлять от более мощных батарей типа R6 AA, что практически не скажется на ухудшении их габаритно-весовых характеристик.
В ходе измерений установлено, что ГЭ Hi-Watt (КНР-Гонконг) и Victory (КНР) обоих типов и марок по энергоемкости заметно уступают другим использованным ГЭ (Panasonic, Camelion, Hyundai и др.). По этой причине разрядные данные именно этих марок были исключены из основных выборок при статистической обработке серии измерений и были выделены в отдельную группу.
Таблица 3
Значение времени наработки гальванических элементов (ч.) при разных сопротивлениях нагрузок и двух пороговых напряжениях
Тип Сопротивление Предельное напряжение Кратность
элемента нагрузки, Ом 0,95 В 0,75 В увеличения ¿нараб
3,3 0,25 0,58 2,30
6,5 1,25 1,75 1,40
R6 AAA
10 2,0 2,0 1,25
20 3 6,5 1,15
3,3 1,16 1,75 1,50
R6 AA 6,5 2,65 3,6 1,36
10 4,8 6,0 1,25
20 13 15 1,15
Для питания светодиодных устройств в большинстве случаев достаточно напряжения в 3 В. Поэтому уменьшение напряжения питания ряда светодиодных светильников с 4,5 до 3 В путем использования лишь 2-х гальванических элементов делает возможным избежать токовые перегрузки светодиодов, избыточное токопотребление в начальный период эксплуатации и тем самым повысить как надежность светотехнических устройств, так и время их наработки.
При использовании слаботочных ГЭ типа R6 AAA при реальных повышенных значениях токопотребления (200-400 мА) некоторое снижение величины нагрузки за счет соответствующего проектирования электронных устройств позволяет повысить эффективность применения источника энергии, поскольку время наработки прибора возрастает в большей степени, чем кратность снижения токопотребления.
Таким образом, комплексный подход к проектированию электронных устройств может позволить в ряде случаев увеличить время их наработки в 4-5 раз.
Выводы
1. Проектирование электронных приборов и светотехнических устройств, питаемых от гальванических батарей, при повышении токопотребления (200-400 мА) следует осуществлять с учетом возможности снижения напряжения питания в 2 раза и замены источников типа R6 AAA на R6 AA, что может способствовать увеличению длительности наработки в 4-5 раза.
2. Вариабельность напряжения гальванических элементов типа R6 AA и R6 AAA разных производителей, оцениваемая по величине стандартного отклонения ее средней, на основном участке разрядной кривой, составляет порядка 2,5-3,5% и свидетельствует о небольшой ее зависимости от фирмы изготовителя, гарантийного срока и величины токонагрузки источника электроэнергии.
Summary
Characteristics of discharging curves of galvanic elements nutrition the type of R6 AA and R6 AAA were investigated by considerable loadings, modeling with adaptation to resistors with the resistance (3,3, 6,5, 10 and 20 Om), that build up necessary base for projecting of portable electronic apparatus and lighting emitting diode equipments with increasing duration of their work.
Key words: discharging curves, voltage of galvanic source, work time, variable, coefficient variation.
Литература
1. Тукшаитов Р.Х., Нигматуллин Р.М., Недзвецкая Р.Я., Нуруллин Р.Г., Писклова Н.В. Повышение длительности работы кислородомера МАРК-302Т в теплоэнергетике на основе изучения энергоресурсов гальванических батарей типа 6F22 9В // Труды Академэнерго. 2007. № 4. С. 54-62.
2. ГОСТ 29284-92. Источники тока: химические элементы и батареи. Методы испытаний.01.08.2004.
Поступила в редакцию 10 марта 2009 г.
Недзвецкая Регина Яновна - магистрант Казанского Государственного Энергетического Университета. Тел.: 8-904-6618622. E-mail.: imregina@rambler.ru.
Тукшаитов Рафаил Хасьянович - д-р биолог. наук, профессор, заведующий кафедрой «Светотехника и медико-биологическая электроника. Тел.: 8 (843) 519-42-79.
Нигматуллин Рустэм Мухамедович - старший научный сотрудник КазНЦ РАН.
Писклова Наталия Вячеславовна - соискатель, заведующий лабораторией кафедры «Светотехника и медико-биологическая электроника. Тел.: 8 (843) 519-42-79.
