скачать книгу бесплатно
Применение
Схема солнечного двигателя может находить массу новых и неожиданных применений, например, как бортовой источник энергии солнечного гоночного автомобильчика, источник питания реле, бакена, собранного на светодиодах, моторчика для передвижения робота или, как показано на рис. 3.5, устройства поворота американского флага.
Рис. 3.5. Поворот флажка с помощью солнечного двигателя
Привлекательность солнечного двигателя в том, что он может работать «вечно», пока не выйдет из строя какая-то из его частей, что может произойти через годы.
Батареи
Батареи вне всяких сомнений являются наиболее часто используемыми источниками питания роботов. Батареи настолько привычны, что все находят это само собой разумеющимся. Понимание устройства батарей поможет вам выбрать оптимальный тип батареи для вашей конструкции. Вся эта глава посвящена описанию различных типов батарей.
Емкость батарей
Емкость любой батареи, независимо от ее типа, измеряется в ампер-часах, что означает произведение силы тока в амперах или миллиамперах и времени, выраженном в часах, в течение которого батарея способна отдавать данный ток. Данное понятие имеет очень простой физический смысл. Допустим, емкость батареи составляет 2 Ач. Это означает, что батарея способна поддерживать ток в 2 А в течение 1 часа. Если мы уменьшим силу тока до 1 А, то батарея «проживет» 2 часа. Если уменьшить ток до 500 мА, то время увеличится до 4 часов соответственно. Таким образом, время «жизни» батареи оказалось обратно пропорционально силе протекающего тока.
Не составляет труда написать арифметическое выражение, определяющее период жизни батареи в зависимости от определенной силы тока. Для примера предположим, что робот потребляет 0,35 А (350 мА). Если использовалась батарея, о которой мы уже говорили (2 Ач), то просто поделим ее емкость на силу тока (0,35 А) и получим время «жизни» конструкции 5,7 часов. На самом деле не все так просто. Батареи максимально полно отдают мощность в прерывистом режиме, что позволяет им химически восстанавливаться в паузах. Постоянная нагрузка эффективно использует батарею только в случае, когда она невелика. В робототехнике, особенно при использовании мощных моторов или иных подобных компонентов, характер нагрузки далек от оптимального. В этом случае приходится применять батареи большей емкости.
Напряжение батареи
В течение срока эксплуатации напряжение батареи изменяется. Если вы измерите напряжение свежего щелочного элемента типа D (элемент 373), то оно окажется порядка 1,65 В. По мере разряда элемента напряжение падает. Элемент считается «севшим», когда напряжение на нем снизится до 1 В. Типичные кривые разряда для угольно-цинковых, щелочных и никель-кадмиевых элементов батарей показаны на рис. 3.6.
Рис. 3.6. Кривые разряда стандартных гальванических элементов
Заметим, что напряжение нового никель-кадмиевого элемента батареи составляет около 1,35 В. Хотя начальное напряжение ниже, кривая разряда такого элемента по сравнению с угольно-цинковыми и щелочными элементами является более пологой, удерживаясь на уровне порядка 1,2 В.
Гальванические элементы
Гальванические элементы являются батареями одноразового использования. Здесь мы рассмотрим класс батарей, имеющих напряжение на элементе порядка 1,5 В. Батареи сконструированы таким образом, что после отработки своей емкости они должны быть утилизированы. При конструировании роботов частая замена «севших» батарей может быть достаточно дорогим удовольствием. Однако преимущество таких батарей в том, что, как правило, они имеют большую удельную электрическую емкость, чем аккумуляторы. При «одноразовом» использовании устройства (например, «бойцы» в войне роботов) применение гальванических батарей может оказаться предпочтительным, т. к. они отдают большую мощность.
Классификация гальванических батарей
Как вы уже догадались, существует несколько типов гальванических батарей. Различие между батареями заключается в типе химических веществ, используемых для производства электричества. Выбор типа батареи основывается на критериях отношения отдаваемой мощности к цене батареи, времени «жизни» батареи, температурному интервалу использования, кривой разряда и максимально отдаваемому току.
Угольно-цинковые элементы. Угольно-цинковые элементы находятся на «нижнем» конце батарейного ряда. С момента их изобретения Жоржем Лекланше в 1868 г. они не претерпели существенных изменений. Угольно-цинковый элемент имеет низкую удельную емкость (порядка 0,05-0,1 Вт-ч на куб. см), не выдерживает больший токов, имеет покатую кривую разряда и «боится» низких температур. Такие элементы достаточно дешевы, но являются морально устаревшими.
Щелочно-марганцевые элементы. Такие элементы в обиходе называются щелочными батарейками. Их удельная емкость выше (0,1–0,15 Вт-ч/куб. см), они имеют улучшенные температурные характеристики, более пологую кривую разряда и умеренную цену.
Литиевые элементы. Литиевые элементы являются на сегодняшний день самыми лучшими. Их удельная емкость составляет 0,5 Вт-ч/куб. см, они имеют отличные температурные характеристики как для высоких, так и для низких температур, очень долго сохраняют заряд (порядка 15 лет) а также имеют малый вес. Недостатком является достаточно высокая цена такого элемента.
Аккумуляторные батареи
Аккумуляторные батареи обладают свойством перезарядки. Наиболее широко используются кислотные и никель-кадмиевые (NiCd) аккумуляторы. Мы начнем рассмотрение с последних.
Одним из недостатков NiCd батарей является достаточно низкое напряжение – 1,2 В на элемент (банку), что ниже обычного напряжения гальванических элементов – 1,5 В. Эффект становится еще более заметным, когда несколько элементов соединены последовательно. Для примера 6-ти элементная NiCd батарея на «9В» на самом деле может выдать не более 7,2 В.
Автомобильные кислотные аккумуляторы малопригодны для использования в робототехнике. Причина в том, что в таких аккумуляторах разряд до «нуля» технологически недопустим. Такие аккумуляторы могут отдавать большой ток в течение короткого времени (запуск автомобиля стартером) и после этого должны быть немедленно подзаряжены.
Остаточная электрическая энергия, содержащаяся в аккумуляторе после его полного разряда, называется глубоким разрядом. Существуют кислотные аккумуляторы, выдерживающие глубокий разряд, они используются, например, в комбинированных системах питания на основе солнечных батарей, но цена таких аккумуляторов высока. При конструировании роботов рекомендуется использовать аккумуляторы, выдерживающие циклы глубокого разряда.
Хотя аккумуляторы более дороги, но при длительной эксплуатации их использование приносит существенную экономию. Обычно аккумуляторы допускают от 200 до 1000 циклов «заряд-разряд». Во многих случаях небольшое зарядное устройство может быть встроено в робота, что делает ненужным вынимать аккумуляторы из устройства для зарядки.
Классификация аккумуляторных батарей
NiCd аккумуляторы. Наиболее часто используются герметичные кислотные и NiCd аккумуляторы, причем последние более популярны. Производители утверждают, что NiCd аккумуляторы выдерживают от 200 до 1000 циклов «заряд-разряд», однако эти батареи быстро выходят из строя, если не соблюдается режим зарядки. Время «жизни» этих батарей лежит в пределах 2–4 лет. Полностью заряженные NiCd аккумуляторы сохраняют заряд 30–60 дней.
NiCd аккумуляторы требуют зарядный ток порядка 10 % от их электрической емкости. Это означает, что для зарядки NiCd батареи емкостью 1 Ач необходим ток 100 мА (1А / 10 = 100 мА). Величина зарядного тока обозначается для этого случая «С/10».
NiCd батареи конструктивно требуют постоянного тока зарядки на уровне С/10. В силу неэффективности этого процесса потребное время зарядки для этих батарей составляет 14 часов. Хотя производители утверждают, что не следует опасаться перезаряда батареи при уровне тока С/10, многие инженеры рекомендуют после 14 «штатных» часов зарядки при уровне С/10 переходить к более легкому режиму. Легкий режим определяется из соотношения 1/30 от емкости батареи. Легкий режим для зарядки батареи емкостью 1 Ач составит 33 мА (1А/30 = 33,3 мА).
Эффект памяти. Недостатком NiCd батарей является наличие эффекта памяти. Если несколько раз начать перезаряжать батарею до момента ее полного разряда, то этот уровень будет «запомнен». После этого возникнут проблемы с разрядкой батареи ниже этого уровня, что может привести к резкому уменьшению ее емкости. Для устранения этой проблемы к батарее необходимо подключить на несколько часов специальную нагрузку. После того, как батарея будет полностью разряжена, она заряжается обычным способом и восстанавливает свои характеристики.
Кислотные аккумуляторы. Аккумуляторы с электролитом в виде геля (гелевые элементы) аналогичны автомобильным аккумуляторам. Они представляют собой герметичные, необслуживаемые кислотные аккумуляторы. Заметим, что таких аккумуляторов популярных размеров D, C, AA, AAA и 9 В «Крона» в продаже не бывает. Они обычно имеют увеличенные размеры и могут применяться в больших роботах.
Гелевые элементы имеют широкий диапазон выходных напряжений от 2 до 24 В и большой диапазон токов. Они могут заряжаться постоянным напряжением при условии ограничения тока или постоянным током аналогично NiCd аккумуляторам. Типичное значение зарядного напряжения для каждого гелевого элемента лежит в пределах 2,3–2,6 В. Первоначально через батарею протекает значительный ток, который уменьшается в процессе зарядки. Для поддержания батареи в полностью заряженном виде после окончания процесса основной зарядки через нее пропускают небольшой «поддерживающий» ток (примерно С/500).
Гелевые батареи отличаются у различных производителей, поэтому для грамотной зарядки необходимо ознакомиться с соответствующей инструкцией. Простое зарядное устройство общего назначения можно изготовить на базе регулятора напряжения LM317. К элементу прикладывается фиксированное напряжение (2,3 В) при значении постоянного тока С/10. После полной зарядки батареи источник постоянного тока отключается, и подключается регулируемый источник напряжения.
Многие гелевые аккумуляторы плохо «переносят» глубокий разряд. Чтобы не допустить этого, необходимо контролировать напряжение аккумулятора под нагрузкой. Когда напряжение падает ниже рекомендованного изготовителем – батарея нуждается в зарядке.
Обобщение
Большинство изготовителей роботов использует в качестве гальванических элементы щелочного типа и NiCd в качестве рабочих аккумуляторов.
Изготовление зарядного устройства (ЗУ) для NiCd аккумуляторов
Зарядные устройства для NiCd аккумуляторов достаточно дешевы. Обычно изготовление внешнего зарядного устройства под популярные размеры аккумуляторов, таких как ААА, АА, C и D, не отнимет много сил и времени. Умение сконструировать подобное устройство окажется полезным и тем, кто захочет встроить ЗУ в робота. В отличие от большинства дешевых ЗУ, которые продолжают заряжать аккумулятор током порядка C/10 даже после его полной зарядки, наше устройство уменьшает зарядный ток до порядка С/30 после того, как батареи оказались полностью заряженными. Такая процедура рекомендована для NiCd аккумуляторов и поможет обеспечить их длительную работоспособность.
Следующая информация позволит вам самостоятельно изготовить ЗУ для стандартного NiCd аккумулятора.
Зарядное устройство представляет собой отдельный блок, схема его подключения приведена на рис. 3.7 в иллюстративных целях. Такую схему легко разместить в корпусе робота, при этом потребуется разъем для соединения с ЗУ. Кроме того, необходим двухполюсный двухпозиционный переключатель, помещенный между разъемом и остальной схемой. Этот переключатель соединяет источник питания (аккумулятор) либо с остальной схемой робота, либо с ЗУ. Обесточивание робота необходимо потому, что в противном случае ток заряда аккумулятора уменьшится (см. рис. 3.7).
Рис. 3.7. Двухпозиционный переключатель, управляющий зарядом АКБ
Питание зарядного устройства можно осуществлять, используя либо обычный трансформатор, либо портативный блок питания, совмещенный со штекерной вилкой (типа используемых для питания плееров). Я предпочитаю последний, поскольку он дает на выходе постоянный ток. Если вы используете трансформатор, то вам дополнительно потребуются сетевой предохранитель, диодный мост, сглаживающий конденсатор и соединительные провода.
В любом случае вы должны подобрать характеристики трансформатора или выпрямителя под тип заряжаемой батареи. Подбор выпрямителя по выходному напряжению и току снизит рассеиваемую мощность на регуляторе LM317; например, не стоит использовать трансформатор на 12 В для зарядки 6-вольтовых батарей.
На рис. 3.8 показана схема блока питания ЗУ. Выходное напряжение может равняться 6, 12, 18, 24 или 36 В в зависимости от типа используемого трансформатора, диодного моста и конденсатора.
Рис. 3.8. Сетевой трансформатор и выпрямительный блок
Схема зарядного устройства приведена на рис. 3.9. Она включает в себя регулятор напряжения LM317 и ограничивающий ток резистор. Величина сопротивления ограничительного резистора зависит от силы тока, необходимого для зарядки аккумуляторной батареи.
Рис. 3.9. Схема зарядного устройства
Ограничительный резистор
Большинство производителей NiCd аккумуляторов рекомендуют заряжать их током, равным 1/10 от их емкости, что обозначается C/10. Таким образом, батарея размера АА емкостью 0,85 Ач необходимо заряжать током C/10 или 85 мА в течение 14 часов. После полной зарядки батареи производители рекомендуют снизить ток до уровня порядка C/30 (1/30 емкости батареи) для поддержания батареи в полностью заряженном состоянии без риска перезаряда или иных повреждений.
В нашем случае рассчитаем характеристики ЗУ для зарядки аккумулятора, состоящего из 4 последовательно соединенных элементов С-типа. Емкость каждого элемента составляет 2000 мАч. Таким образом, ток C/10 составит 200 мА. Стандартное напряжение каждого элемента составляет приблизительно 1,3 В, следовательно, напряжение батареи 4 х 1,3 = 5,2 В. Следовательно, можно использовать 6-вольтовый трансформатор, поддерживающий ток не менее 200 мА.
Для расчета сопротивления ограничивающего ток резистора используется формула:
R=1,25/Icc
Где Icc необходимый ток. Подставляя в формулу 200 мА (0,2 А) получаем:
1,25/0,2=6,25 Ом
Таким образом, сопротивление ограничительного резистора должно быть порядка 6,25 Ом. На схеме (рис. 3.9) этот резистор обозначен R2. Заметим, что на схеме резистор R2 имеет номинал 5 Ом. Это ближайший стандартный номинал резистора по отношению к рассчитанному.
C/30 резистор
Чтобы уменьшить силу тока до значения C/30, мы последовательно включаем еще один резистор, номинал которого составляет 2R или около 12,5 Ом. На схеме этот резистор обозначен как R3. Также подбирается резистор ближайшего стандартного номинала. В нашем случае его значение равно 10 Ом.
Принцип работы ЗУ
В ЗУ в качестве источника постоянного тока используется регулятор напряжения LM317. Ограничительный резистор для значения тока C/10 обозначен на схеме R2 (см. рис. 3.9). Значение R2 равно 5 Ом в сравнении с расчетным значением 6,25 Ом. Использование стандартного резистора близкого номинала не нарушит правильную работу ЗУ. Резистор для значения тока C/30 обозначен как R3. Стандартный номинал этого резистора также близок к расчетному и не нарушает нормальной работы ЗУ. Позже вы увидите, что ЗУ способно осуществлять и «быструю» зарядку аккумуляторов, поскольку имеет устройство контроля выходного потенциала.
V1 представляет собой переменный резистор номиналом 5 кОм. Он предназначен для отпирания тиристора после полной зарядки NiCd батареи. Тиристор в свою очередь переключает двухпозиционное реле, имеющее две группы контактов.
При подаче напряжения на схему ток протекает через регулятор LM317, заряжая батарею током порядка C/10. Резистор R3 при этом закорочен одной из групп контактов реле. Ток также протекает через резистор R1, ограничивающий ток светодиодов D1 и D2. После включения питания загорается красный светодиод D1, который сигнализирует о том, что происходит зарядка.
В процессе зарядки напряжение на потенциометре V1 возрастает. После 14 часов напряжение оказывается достаточным для отпирания тиристора. Через открытый тиристор напряжение поступает на обмотку двухпозиционного реле. Реле включается, красный светодиод гаснет и зажигается зеленый светодиод. Зеленый светодиод показывает, что батарея полностью заряжена. Другая группа контактов реле размыкает закороченный резистор R3. Включение резистора R3 уменьшает зарядный ток до порядка C/30. Диод D3 блокирует протекание тока из аккумулятора в схему ЗУ.
Определение напряжения срабатывания V1
Для нормальной работы схемы необходимо, чтобы тиристор отпирался только после полной зарядки NiCd батареи. Наиболее просто это сделать следующим образом: вставить полностью разряженную батарею в ЗУ, заряжать ее в течение 14 часов, а потом подрегулировать V1. После завершения процесса зарядки медленно поворачивать движок потенциометра V1 до срабатывания реле. При этом должен зажечься светодиод зеленого цвета.
Особенности конструкции
При самостоятельном конструировании ЗУ обратите внимание на следующее. Наиболее критичным является подбор ограничительных резисторов для значений тока C/10 и C/30. Для расчета их номиналов воспользуйтесь приведенными формулами. Рассеиваемая мощность этих резисторов порядка 2 Вт.
Если зарядный ток достаточно велик (более 250 мА), то для отвода тепла снабдите схему LM317 радиатором. Если ЗУ включить до соединения с батареей, то моментально сработает реле, включится зеленый светодиод и зарядный ток окажется равным C/30.
Если ЗУ будет использоваться при более высоких значениях напряжений – пропорционально увеличьте сопротивление R1, ограничивающее ток, протекающий через светодиоды. Например, для напряжения 12 В сопротивление R1 будет равно 680 Ом, для напряжения 24 В – 1,2 кОм соответственно.
При больших значениях напряжения может потребоваться резистор, ограничивающий ток обмотки реле. Полезно измерить реальные значения тока C/10 и C/30, протекающего через заряжаемую батарею, что позволит судить о правильности работы устройства.
Последовательное и параллельное соединение
Способ соединения элементов в батарею определяет необходимые характеристики трансформатора по напряжению и току. Если батарея состоит из 8 элементов типа С, соединенных параллельно, то необходимо умножить необходимый для каждого элемента ток на 8. Если емкость отдельного элемента составляет 1200 мАч, то зарядный ток C/10 будет равен 120 мА. Для 8 параллельных элементов ток составит около 1 А (8х 120 мА=960 мА=0,96 А). Необходимое напряжение составит 1,5 В. Соответственно, необходим трансформатор, выдающий напряжение 1,5 В при токе 1 А. Если эти элементы соединены последовательно, то необходимое напряжение составит 12 В при токе 120 мА.
Быстрое ЗУ
Многие современные NiCd аккумуляторные батареи можно заряжать быстрее при условии, что после их полной зарядки ЗУ переключится в режим C/30. Типичным является удвоение зарядного тока при сокращении времени зарядки в два раза. Таким образом, можно заряжать батарею током C/5 в течение 7 часов.
Хотя я не пробовал использовать данную схему ЗУ для быстрой зарядки, но не вижу оснований, почему она не должна работать. Если вы хотите это сделать, необходимо сперва подстроить потенциометр под значение тока C/10, а потом уменьшить номинал резистора R2 в два раза.
Список деталей
• U1 регулятор напряжения LM317
• L1 двухпозиционное реле с двумя группами контактов
• D1 красный светодиод
• D2 зеленый светодиод
• D2 диод 1N4004
• Q1 тиристор
• V1 подстроечный резистор 5 кОм
• R1 резистор 330 Ом 0,25 Вт
• R2 резистор 5 Ом 2 Вт
• R3 резистор 10 Ом 2 Вт
• R4 резистор 220 Ом 0,25 Вт
• Понижающий трансформатор
ЗУ с питанием от солнечных батарей
Изготовив ЗУ для аккумуляторных батарей, вы можете превратить его в устройство, питающееся от солнечных батарей. Для этого достаточно заменить трансформатор и выпрямительное устройство комбинацией фотоэлектрических элементов, имеющих аналогичные характеристики по току и напряжению. При создании системы с питанием от солнечных батарей необходимо учитывать:
– средний уровень освещенности панели солнечных батарей;
– отношение времени освещения солнечных батарей, необходимого для процесса зарядки ко времени рабочего цикла.
Топливные элементы-батареи с топливным баком
Топливные элементы, как и гальванические батареи, являются электрохимическими устройствами, преобразующими энергию химических реакций в электричество. В гальванических батареях химические реагенты помещены внутрь их. Когда химические реакции прекращаются из-за истощения батареи, она подлежит замене (или в некоторых случаях перезарядке). Топливные элементы используют химические реагенты (топливо), хранящиеся вне элемента. До тех пор пока в топливный элемент поступает топливо, он будет (теоретически бесконечно) вырабатывать электрическую энергию.
Когда запас топливного элемента истощается, он легко может быть наполнен свежим топливом аналогично современным автомобилям. Робот, питающийся от топливных элементов, может быть быстро приведен в рабочее состояние в сравнении с другими роботами, требующими времени на зарядку аккумуляторов.
На рис. 3.10 приведена схема топливного элемента на основе едкого кали (KOH). Такой тип элементов используется в американских космических аппаратах. Первая вещь, которую вы можете заметить, – анод помечен знаком (-), а катод, соответственно (+). Когда я впервые стал просматривать схемы топливных элементов, я подумал, что это ошибка, но после того как я увидел несколько дюжин подобных схем, я заключил, что это на самом деле не ошибка. Для большей уверенности я посмотрел определение катода в Оксфордском толковом словаре. Там сказано: «Катод. 1. Отрицательный электрод в электролизном сосуде. 2. Положительный вывод элемента батареи». Я привел это только для того, чтобы вы не были смущены этими обозначениями на других схемах топливных элементов, поскольку, насколько мне известно, такие обозначения являются общепринятыми.
Рис. 3.10. КОН топливный элемент
Топливные элементы находят себе многочисленные применения. Практически любые устройства, использующие гальванические элементы и аккумуляторы, могут быть успешно переведены на питание от топливных элементов. В разработке находятся воздушно/алюминиевые топливные элементы, пригодные к использованию в сотовых телефонах, и элементы для «laptop» компьютеров. Топливные элементы работают более продолжительное время и имеют улучшенные характеристики.
Если не сейчас, то когда?
Если топливные элементы имеют столь замечательные характеристики, то где же они? Почему мы не видим их в наших портативных компьютерах, видеокамерах и сотовых телефонах? Безусловно, технология производства топливных элементов сильно улучшилась за последнее десятилетие, но по уровню затрат (читайте – стоимости) она не может сравниться с технологиями производства других источников тока. Одна из наиболее развитых технологий использует электроды на основе протонно-обменных мембран (ПОМ) – материала, названного Nation, разработанного концерном Дюпон. Сам материал ПОМ стоит примерно $1000 за кв.м. Удешевление производства подобных мембран и создание других ПОМ – материалов представляет собой первоочередную задачу создания конкурентоспособных топливных элементов.
