Zasilanie elektroniki z baterii i akumulatorów

Każde urządzenie elektroniczne potrzebuje źródła zasilania. Do wyboru jest zwykle kilka różnych możliwości, które dają się jednak podzielić na dwie główne grupy: zasilanie bezpośrednio z sieci energetycznej oraz zasilanie z baterii i akumulatorów. W tym wpisie chciałbym omówić kilka możliwości z tej drugiej grupy. Krótkie podsumowanie, które tu zawarłem jest skierowane przede wszystkim dla studentów i hobbystów, którzy chcą budować nie tylko samą elektronikę, ale także roboty, drony czy modele RC.

Uwaga! Nie będziemy tutaj wnikać w zasady działania poszczególnych typów akumulatorów. Osobiście uważam, że jest to bardzo interesujący temat, ale tutaj starałem się zawrzeć tylko zbiór kilku konkretnych porad do bezpośredniego wykorzystania.

Kiedy użyć baterii?

Dużą zaletą zasilania urządzeń elektronicznych bezpośrednio z sieci energetycznej jest to, że energia elektryczna jest praktycznie zawsze dostępna. Nie musimy martwić się o wymianę baterii czy ładowanie akumulatorów. Z jakich powodów stosuje się zatem chemiczne źródła energii? Możemy wyróżnić kilka z nich:

  1. Brak dostępu do sieci energetycznej – dotyczy to przede wszystkim urządzeń mobilnych. Każdy z nas ma dzisiaj telefon czy laptopa z akumulatorem, dzięki czemu możemy się z tymi urządzeniami swobodnie przemieszczać. Ten sam powód sprawia, że akumulatory są typowem źródłem energii we wszelkiego rodzaju robotach mobilnych, dronach czy modelach RC.
  2. Bezpieczeństwo – jak wiadomo podłączenie urządzenia do sieci energetycznej grozi porażeniem elektrycznym. Niskonapięciowe akumulatory są pod tym względem bezpieczniejsze (choć nie znaczy to, że nie należy zachować pewnej ostrożności podczas ich wykorzystywania – trochę więcej o tym za chwilę).
  3. Awaryjne źródło zasilania – dotyczy to urządzeń, które normalnie pracują podłączone do sieci, ale w przypadku zaniku napięcia sieciowego nie mogą przerwać swojej pracy. W takiej sytuacji wyposaża się je w dodatkowy akumulator.
  4. Niskie zakłócenia – kolejnym problemem, który dostarcza nam sieć energetyczna są przenoszone przez nią zakłócenia. Z tego powodu precyzyjne urządzenia elektroniczne mogą mieć lepsze właściwości jeżeli będą korzystać ze stałego napięcia zasilania z akumulatora niż zmiennego napięcia z sieci energetycznej.

Kwestie bezpieczeństwa

Jeżeli myślisz, że nie jeżeli stosujesz akumulatorki o niskim napięciu (kilka do kilkunastu woltów) to jesteś całkowicie bezpieczny to niestety, ale jesteś w błędzie. Nadal mogą Cię spotkać przykre konsekwencje. Zwróć uwagę na dwie sprawy:

  1. Każde chemiczne ogniwo zawiera jakiegoś rodzaju elektrolit. Często jest to ciekły roztwór kwasu (np. kwasu siarkowego w akumulatorach samochodowych) lub zasady (np. wodorotlenku potasu w ogniwach galwanicznych), które mogą powodować poparzenia. Zwłaszcza niebezpieczne są gdy dostaną się do ust czy oczu. Uważaj zatem z „rozlanymi” ogniwami chemicznymi.
  2. Nawet źródła o niskim napięciu mogą wygenerować prąd o dużym natężeniu (dotyczy to np. pakietów LiPo stosowanych w modelarstwie). Zwarcie takiego ogniwa może spowodować poparzenia albo pożar. Ku przestrodze dołączam kilka filmów z YouTube’a pokazujących jakie mogą być skutki zwarcia ogniwa o niskim napięciu, ale dużej wydajności prądowej.

Akumulatory NiMH

Osobiście staram się unikać „zwykłych”, nie dających się ładować baterii (czyli jak się to fachowo nazywa źródeł pierwotnych). Zamiast tego preferuję akumulatory (źródła wtórne), których nie trzeba tak często wymieniać i utylizować.

Jeżeli buduję urządzenie nie wymagające prądów o dużym natężeniu to standardowo sięgam po akumulatory NiMH (niklowo-wodorkowe). Zastąpiły one starsze ogniwa NiCd (niklowo-kadmowe), które zawierały toksyczny kadm. Są one powszechnie dostępne w rozmiarze AA (czyli popularnych „paluszkach”), a więc dobrze nadają się do zasilania wielu zasilanych bateryjnie urządzeń. Sam zwykle mam pod ręką kilkanaście takich akumulatorów złożonych z pojedynczych ogniw. 

Ogniwa NiMH w rozmiarze AA z ładowarką
Koszyczek na akumulatory i baterie AA.

Równie łatwo jak same akumulatory można kupić ładowarki oraz koszyczki do budowy własnych układów elektronicznych. Korzystając z nich należy pamiętać o kilku sprawach:

  1. Napięcie znamionowe pojedynczego ogniwa NiMH to 1.2 V. Wiele osób widząc akumulator przypominający zwykłą baterię w rozmiarze AA zakłada, że ma on takie same napięcie (czyli 1.5 V). Nie jest to prawdą. Ogniwa NiMH mają nieco niższe napięcie.
  2. W pełni naładowane ogniwo ma napięcie pomiędzy 1.3 V do 1.4 V. Spadek poniżej 1.2 V świadczy o jego rozładowaniu. 
  3. Ładowanie tylko płytko rozładowanych ogniw może spowodować zjawisko depresji napięcia (czasem nazywane efektem „pamięci” ale zdania co do poprawności tej nazwy są podzielone). Tak ładowane ogniwo będzie szybciej tracić napięcie podczas kolejnych cykli rozładowywania. Proces ten daje się odwrócić poprzez głębokie rozładowanie ogniwa i jego ponowne naładowanie.
Napięcie na naładowanym ogniwie NiMH
Napięcie na rozładowanym ogniwie NiMH

Akumulatory litowo-jonowe

Akumulatory LiIon w rozmiarz 18650 z ładowarką.

Ogniwa litowo jonowe (LiIon) robią obecnie zawrotną karierę. Ich główną zaletą jest to, że posiadają wyższą gęstość energii niż akumulatory kwasowo-ołowiowe (te stosowane w samochodach) czy niklowo-wodorkowe. Tego typu akumulatory stosuje się właśnie w telefonach komórkowych czy laptopach. Są też popularne w zasilaniu dronów i latających modeli RC. 

Jeżeli budujesz urządzenie pobierające więcej mocy (np. robota mobilnego) to dobrym pomysłem może być użycie pojedynczych ogniw litowo-jonowych w obudowie 18650 (nazwa bierze się od wymiarów ogniwa). Łatwo można dostać zarówno takie ogniwa, jak i ładowarki i koszyczki.

Znamionowe napięcie takiego ogniwa to 3.7 V. W pełni naładowane ogniwo ma napięcie z przedziału 4.0 V do 4.3 V. Spadek napięcia do wartości ok. 3.5 V świadczy już o głębokim rozładowaniu. Dokładne wartości podają producenci konkretnych ogniw. Należy unikać ich głębokiego rozładowania, gdyż kończy się to trwałym uszkodzeniem ogniwa.

Koszyczek na ogniwo 18650
Napięcie na naładowanym ogniwie LiIon

Akumulatory litowo-polimerowe

Akumulatory litowo-polimerowe (LiPo) to tak naprawdę rodzaj akumulatorów litowo-jonowych, w których elektrolit jest w formie stałego polimeru a nie cieczy. Dzięki temu nie grozi im „rozlanie się” (chociaż jak na pewno zdarzyło Ci się słyszeć zdarzają się spektakularne awarie tego typu akumulatorów kończące się ich zapłonem).

Jeżeli budujesz urządzenia wymagające dużej mocy i małej masy (drony i latające modele) to akumulatory litowo-polimerowe będą pewnie najlepszym wyborem.

Pojedyncze ogniwo LiPo

Pakiety ogniw

Często potrzebujemy wyższego napięcia niż to jakie może być dostarczone przez pojedyncze ogniwo. W takiej sytuacji można sięgnąć po gotowe pakiety złożone z wielu ogniw. Bardzo łatwo dostępne są pakiety NiMH i LiPo. 

Do ładowania takich ogniw należy zaopatrzyć się w specjalną ładowarkę z tzw. „balanserem”. Chodzi o to, że podczas ładowania należy kontrolować czy jedno z ogniw nie ładuje się wolniej od pozostałych. W takiej sytuacji może ogniwo to będzie z każdym cyklem coraz mniej ładowane, aż ostatecznie ulegnie trwałemu uszkodzeniu. 

Pakiet dwóch ogniw LiPo (7.2 V)
Ładowarka z balanserem do pakietów LiPo i NiMH

Baterie litowe

Jedyne ogniwo pierwotne (nie dające się ponownie naładować) jakie omówimy to małe baterie litowe sprzedawane np. w czasie pastylek CR2032 (nazwa znowu koduje rozmiar). Znamionowe napięcie takiego ogniwa to 3 V.  

Pastylki te charakteryzują się dość niską wydajnością prądową. Do ogniwa 3 V można np. bezpiecznie podłączyć czerwoną diodę LED o napięciu przewodzenia ok. 2 V. Pod wpływem poboru prądu napięcie ogniwa się obniży i nie uszkodzi diody.

Czerwona dioda LED dołączona bezpośrednio do baterii litowej o napięciu znamionowym 3 V.

Pastylki litowe są dobrym rozwiązaniem do zasilania urządzeń o niewielkim poborze prądu, które muszą działać nieprzerwanie przez lata (np. w czujnikach czy zegarach czasu rzeczywistego w komputerach PC). Jest to możliwe dzięku niskiemu samorozładowaniu rzędu pojedynczych procentów pojemności rocznie. Dla porównania ognia NiMH nawet bez obciążenia rozładowują się o kilka do nawet 30% pojemności miesięcznie, a ogniwa LiIon o kilka procent pojemności miesięcznie. 

Podsumowanie

Cały ten tekst podsumowałbym następująco:

  1. Jeżeli budujesz standardowe urządzenie o niewielkim poborze mocy to rozważ zasilanie z akumulatorów NiMH w rozmiarze AA.
  2. Jeżeli potrzebujesz większego poboru mocy (np. budujesz roboty czy modele RC) to rozważ akumulatory LiIon w obudowie 18650 lub pakiety LiPo.
  3. Do budowy urządzeń o małym poborze mocy i długim czasie nieprzerwanego działania (miesiące i lata) to pomyśl o pastylkach litowych.

Mam nadzieję, że ten tekst będzie dla Ciebie pomocny podczas samodzielnych prób konstruowania urządzeń elektronicznych.

Maciej Kraszewski

Maciej Kraszewski

Inżynier, menedżer R&D i nauczyciel akademicki. Uwielbiam zajmować się tworzeniem nowych technologii, zdobywaniem nowej wiedzy i dzieleniem się swoim doświadczeniem z innymi. Specjalizuję się w zagadnieniach przetwarzania obrazu i widzenia maszynowego.
Szukasz dobrych materiałów o projektowaniu elektroniki?

Załóż darmowe konto na naszej platformie i odbierz pakiet materiałów edukacyjnych.

Zakładając konto zgadzasz się na przesyłanie Ci treści marketingowych przez IT20 sp. z o.o. zgodnie z dostępną na stronie Polityką Prywatności. Możesz wycofać zgodę w każdej chwili.

One thought on “Zasilanie elektroniki z baterii i akumulatorów

Dodaj komentarz

Twój adres e-mail nie zostanie opublikowany. Wymagane pola są oznaczone *

Szukasz dobrych materiałów o projektowaniu elektroniki?

Załóż darmowe konto na naszej platformie i odbierz pakiet materiałów edukacyjnych.

Zakładając konto zgadzasz się na przesyłanie Ci treści marketingowych przez IT20 sp. z o.o. zgodnie z dostępną na stronie Polityką Prywatności. Możesz wycofać zgodę w każdej chwili.

Zapisz się na listę mailową i odbierz swoje bonusy!

Więcej treści na temat elektroniki i robotyki, darmowe e-booki i dostęp do minikursów on-line. Otrzymasz to wszystko zapisując się na naszą listę mailową.