Покрытие сплавом никель - цинк. Простое зарядное устройство для никель-цинковых аккумуляторов на TP4056. Радиотехника, электроника и схемы своими руками

Высокие требования, предъявляемые к химическим источникам тока, привели к разработке и внедрению в практику некоторых новых типов аккумуляторов. Среди них прежде всего нужно отметить серебряно-цинковые (СЦ), а также безламельные кадмий-никелевые (КН) аккумуляторы.

При относительно малых габаритах и весе эти аккумуляторы имеют большую емкость и значительный ток разряда. Но этим типам аккумуляторов присущ и ряд недостатков, которые ограничивают область их применения. К основному недостатку безламельных кадмий-никелевых и особенно серебряно-цинковых аккумуляторов относится их высокая стоимость, обусловленная применением в них таких дорогих материалов, как кадмий и серебро.

Новый тип никель-цинковый (НЦ) аккумулятор, обладая высокими удельными характеристиками, требует для своего производства гораздо более дешевых и доступных материалов; поперечный разрез его показан на рис. 1. Рабочее напряжение ни-кель-цинковых аккумуляторов лежит в пределах 1,60— 1,70 в, то есть выше чем у серебряно-цинковых аккумуляторов на 7— 9% и кадмий-никелевых аккумуляторов — на 30— 33%.

В качестве положительного электрода никель-цинковых аккумуляторов используется высокопористая метал-локер амическая (никелевая) основа, пропитанная активным веществом — гидратом закиси никеля. Никелевая пластина изготовляется спеканием при высокой температуре порошка карбонильного никеля.

Рис 1.1. 1 — полистироловый сосуд, 2 — отрицательный электрод, 3 — положительный электрод, 4 — капроновый чехол, 5 — целлофановая оболочка, 6 — изоляционная трубка отрицательного токовода, 7 — борн, 8 — пробка.

Капроновый чехол на положительном электроде выполняет роль сепаратора. Отрицательным электродом является брикет, спрессованный из смеси просеянной окиси цинка и цинковой пыли в отношении 7:3 со связующим 2,5% раствором крахмала. Отрицательный электрод завертывается в три слоя полупроницаемой пленки из специально обработанного целлофана. Электроды подобного типа используются в настоящее время в серебряно-цинковых (отрицательный электрод) и в безламельных кадмий-никелевых аккумуляторах (положительный электрод). Токоотводом служит медная кадмированная проволока. Электролит в аккумуляторе — раствор едкого калия КОН с добавкой едкого лития LiOH 15 г/л.

Таблица 1. Удельные характеристики некоторых систем аккумуляторов.

Реакции, происходящие в аккумуляторе, можно изобразить следующим образом:

При шестичасовом режиме заряда никель-цинковых аккумуляторов напряжение их не должно превышать величины 2,05—2,1 в. При необходимости аккумуляторы могут быть заряжены и при одночасовом режиме.

Аккумуляторы этого типа работоспособны в интервале температур от — 30° до +40°С. При —30°С и трехчасовом режиме разряда до напряжения 1,3 в аккумуляторы отдают 18— 22% и до 1 в — 28 — 34% своей номинальной емкости.

При комнатной температуре никель-цинковые аккумуляторы теряют до 20— 30% своей емкости за месяц, как и кадмий-никелевые аккумуляторы. Срок службы никель-цинковых аккумуляторов такой же, как у серебряноцинковых аккумуляторов. Никель-цинковые аккумуляторы выдерживают не менее 50 циклов заряд-разряд; при залитом электролите они могут храниться не менее шести месяцев.

По удельным характеристикам ннкель-цинковые аккумуляторы значительно превосходят безламельные кадмий-никелевые и приближаются к серебряно-цинковым аккумуляторам (таблица).

По ориентировочным расчетам стоимость никель-цинковых аккумуляторов не превышает 1—1,5 руб. за 1 ет-час (в расчете на номинальную емкость). Для сравнения укажем, что себестоимость безламельных кадмий-никелевых аккумуляторов составляет 2— 2,5 руб., а серебряно-цинковых— 4— 5 руб. за 1 вт-час.

Простое зарядное устройство для никель-цинковых аккумуляторов на TP4056

Эксперимент по эксплуатации никель-цинковых аккумуляторов , начатый в прошлом году, привёл к поиску зарядного устройства. Первая зарядка была произведена вообще от блока питания. Соединив элементы последовательно в готовом китайском держателе , на них было подано напряжение 3,8 вольт согласно рекомендациям заряжать напряжением 1,9 вольт каждый. Окончание заряда отслеживалось по падению зарядного тока.

В дальнейшем мы придумали универсальное зарядное устройство на микроконтроллере, прототип которого описан . Им можно заряжать любые аккумуляторы, от привычных никель-кадмиевых и никель-металл-гидридных до литиевых и даже свинцовых. Параллельно при этом ведётся подсчёт залитых миллиампер-часов, а для тестирования и восстановления есть режим разряда с аналогичным подсчётом. Это заметно упростило процесс, но как-то понадобилось заряжать ещё один комплект Ni-Zn, а собирать ещё одно универсальное зарядное устройство было лень, тем более, что требовался просто заряд без особого контроля и мониторнига.

Сразу закрались мысли, нельзя ли как-то переделать популярный китайский модуль зарядки лития на микросхеме TP4056 ? Разница в напряжении - 0,4 вольта. Но у TP4056 нет отдельного входа для слежения за напряжением, всё это находится внутри микросхемы. Поэтому подумалось, нельзя ли лишние доли вольта как-то погасить? Для подобных вещей часто используют диоды с их падением напряжения. Этот параметр также называется прямым напряжением диода и приводится в даташите в виде графика вольтамперной характеристики. Изучив эти графики, стало понятно, что нужным падением напряжения обладают лишь диоды Шоттки: на малых токах оно как раз находится в районе 0,4 вольт.

Для проверки мы выбрали диод 1N5818, подключив его последовательно с заряжаемыми аккумуляторами. В китайском модуле был заменён токозадающий резистор с 1,2 кОм на 2,55 кОм для тока в районе 500 мА. Идея частично сработала, но на малом токе - 50мА в конце зарядки - аккумулятор стоял слишком долго - более 2 часов, а до полного заряда не хватало всего 0,5В. Если ещё подержать, то, вероятно, через некоторое время аккумуляторы зарядятся полностью, и такой режим дозаряда даже скорее всего правильный. Напряжение на двух последовательно соединённых никель-цинковых аккумуляторах должно составлять 3,8 вольт, что соответствует 1,9 вольт на аккумулятор. После этого им следует дать "отлежаться", пока напряжение не опустится до 1,6 вольт, и можно пользоваться.

Полученное таким образом зарядное устройство является, по-видимому, самым простым и наиболее дешёвым вариантом с приличной функциональностью. Готовые зарядки для NiZn на Али, например, стоят соответственно самим аккумуляторам. А если применённый здесь модуль дополнить популярным USB-тестером, то получится ещё более функциональное зарядное устройство.

На модуле с

Откопал свой старенький Olympus Camedia C-500 Zoom , который я долго считал не рабочим, из-за одного глюка, если можно его так назвать... При включении фотоаппарата он быстро разряжался или вообще не включался. Но до недавнего времени, проверяя его на различных батарейках и аккумуляторах, я определил, что дело вовсе не в фотоаппарате, а низком напряжении в Ni-Mh аккумуляторах.

Olympus C-500 отлично работает на щелочных батарейках, а вот с аккумуляторами Ni-Cd и Ni-Mh он отказывает включаться, точнее, не со всеми аккумуляторами. Проверяя различия технических характеристик и сравнивая с эталонными (работающими аккумуляторами), было замечено, что у многих элементов питания сильно проседает напряжение при нагрузке, так как у Ni-Cd и Ni-Mh оно составляет 1,2 Вольт. И тут я задумался об их замене на альтернативные перезаряжаемые источники питания на NIZN аккумуляторы + отзыв от меня.

NIZN (NI-ZN) аккумуляторы - никель-цинковые аккумуляторы в отличии от Ni-Cd и Ni-Mh:

1. выдают 1,6 Вольт а не 1,2, что делает их идеальным решением для
2. NiZn имеет высокое напряжение и в конце разряда
3. небольшой ресурс (250-370 циклов заряд-разряд)
4. отдают 80-85 % от указанной энергии
5. для достижения MAX числа циклов рекомендуется заряжать на 80-90 %
6. маленькое внутреннее сопротивление (единицы миллиом) = большие зарядные и разрядные токи
7. штатная зарядка за 2 часа
8. заряжать до 1,8 Вольт и ждать пока упадет до 1,6 - НЕ ДО ЗАРЯЖАТЬ !

Имеют NIZN аккумуляторы память

Нет! У NIZN аккумуляторов отсутствует эффект памяти , который присутствовал в Ni-Cd, теперь не придется контролировать процесс заряда - разряда и до разряжать батареи если в потребителе (например фотоаппа)

NIZN аккумуляторы купить

Сегодня можно купить на китайских торговых площадках. На aliexpress есть неплохой проверенный продавец элементов питания под маркой PKCELL (оф. сайт производителя www.pkcell.net), который уже попал под тест-обзор на сайте mysku.ru пользователей Rimlyanin и Melafon :

Зарядка NIZN

Производитель PKCELL предлагает свое решение зарядного устройства для своих NIZN аккумуляторов, но я настаиваю обойтись без них, и прочитать несколько рекомендаций по зарядке NIZN без предлагаемого производителем зарядного устройства:

1. По максимальному напряжению. Если ваше зарядное устройство поддерживает, выставить значение ограничения по напряжению 1,9 Вольт. (Voltage Cut-Off).
2. Так же как в первом случае, установить зарядное устройство в режим Ni-CD/Ni-MH функции заряда CV (постоянное напряжение) . Установить напряжение отсечки 1,9 В на "банку".)
3. Ограничение по емкости заряда, тут все просто, выключить режим и указать рекомендуемую 80-90% емкости.
4. Можно заряжать используя режим для заряда LiFe аккумуляторов, но будьте внимательны - при этом режиме количество аккумуляторов Ni-Zn должно быть два на одну банку LiFe.
5. Зная постоянный ток заряда зарядного устройства, можно отслеживать процесс зарядки по времени.

Зарядное устройство для Ni-Zn можно собрать саму по очень простой схеме:

В схеме можно произвести замену, что сделает ее дешевле и проще:

1. Стабилитрон 2С107А заменить на резистор 240 Ом 0.125 Вт
2. Резистор k47 (470 Ом) оставить 0.125 Вт
3. конденсатор m1 (0,1 мкФ) убрать
4. Сопротивление 1.0E (1 Ом) замкнуть, тем самым исключив его из схемы

При этом напряжение на выходе составит 1,888 Вольт, что еще лучше. При полном заряде аккумулятора ток заряда будет стремиться к нулю.

Мне же удалось зарядить Ni-Zn с помощью китайской интеллектуальной зарядки BM110, не смотря на обещанные продавцом поддержку только Ni-Cd и Ni-Mh аккумуляторов, в процессе заряда BM110 закончила заряд при достижении напряжения на NiZn аккумуляторе 1,9 вольт.

ОДНО НО, мы вставляем аккумуляторы и BM110 показывает Full , но стоит кнопкой MODE включить режим CHARGE и запустится процесс заряда учитывающий NiZn аккумулятор, который продлится до достижения напряжения 1,9 вольт.

Зарядное устройство BM110 было приобретено на Aliexpress у продавца Shenzhen City Boda International Trading Co.,Ltd. ссылка на товар BM110 Intelligent Digital Battery Charger Tester LCD Multifunction for 4 AA AAA Rechargeable AKKU +free shipping . (покупал за 31.29$, на сегодня цена товара 24.34$)

Разрядка пока не проверялась, но есть отзыв реального пользователя:

Лучше использовать специальную от хоббитов. Но при эксперименте BM110 зарядила NiZn полностью и потом разрядила, показав заявленную емкость. Правда, нет гарантий, что она не убьет их при долгой эксплуатации. Но как временную можно использовать.

- guru (пользователь форума forum.trackchecker.ru)

Важно знать

Не допускать напряжения разряда ниже 1,5 Вольт , дальше напряжение стремительно падает и 1.3 похоже предел, но доводить до этого не рекомендую. На эту тему есть хороший график разряда Ni-Zn аккумуляторов

Здесь представлен:

1. разряд 10 шт. Ni-Zn аккумуляторов PowerGenix (голубые графики)
2. разряд 10 шт. Ni-Mh аккумуляторов Eneloop (черные графики)

Приобретенные мною Ni-Zn аккумуляторы PKCELL показали 1,74 Вольт, продавцом поставляются в упаковке показанной выше или как в моем случае в прозрачный термоусаживающий пакет.

Реальная емкость приобретенных мною аккумуляторов PKCELL 1500 мА, по замерам заряд - разряд BM110:

На фото тот самый момент, когда разрядка на некоторых аккумуляторах уже закончилась, а другие вот вот начнут заряжаться или уже начали.

Возможно это сделано, что бы конкурировать с емкостью Ni-Mh аккумуляторов. Показатели неплохие, судя по информации из других источником, так как это нормальные показатели их емкости (см.

Приобретал я NiZn аккумуляторы (не по этой ссылке, правда). AA были заявлены как 2800 мВт*ч (просто элементы в зеленой оболочке с падписью как на матричном принтере напечатанной), AAA - 1150 мВт*ч (эти в нормальной оболочке, под брендом UltraCell). В реале элементы AA выдали 1400-1480 мА*ч (т.е., весьма похоже на элементы PowerGenix) или 2250 мВт*ч при разряде током 500 мА. AAA элементы выдали 560-580 мА*ч (или 900 мВт*ч) при разряде током 200 мА. Так что тут обычное китайское приукрашивание характеристик, но не более. Примерно 10-15% из них имели высокий саморазряд (продавцы без проблем высылали замену).

Насчет же зарядки Z4... она явно была сделана изначально под Li-ion, и только затем добавлены дополнительные напряжения для LeFePO4, NiZn, NiMH. Что касается ее схемотехники, то это стандартный блокинг-генератор, преобразующий 220 В в примерно 12 В, и импульсный преобразователь на MC34063 с 12 В в нужное напряжение (от 1,46 до 4,20 В в зависимости от положения переключателя). Никакого микропроцессора или специализированного контроллера заряда нет - это просто тупой стабилизатор напряжения с ограничением по току. Для указанной микросхемы свист, шипение и т.п. звуковые эффекты - вполне нормальное явление, они вызваны самим принципом работы микросхемы (частота преобразования не фиксирована, и ее изменение и слышно как свист и шипение). На безопасность не влияет. Гораздо больше внимания надо уделять тому, чтобы не включить одновременно сеть и внешний источник питания. Они никак не развязаны, т.е. предсказать результат будет сложно.

MC34063 выдает запрограммированное переключателем напряжение (1,46 В для NiMH, 1,86 В для NiZn, 3,63 В для LiFePO4 и 4,20 В для Li-ion), которое затем из одной точки подается на все 4 аккумулятора через резисторы по 0,3 Ом. Собственно, вся развязка аккумуляторов друг от друга - это эти резисторы (бывает и хуже - просто параллельное включение). Хочу заметить, что 1,46 В мало для зарядки NiMH, а 1,86 В - для зарядки NiZn. Чтобы нормально их заряжать этим ЗУ, надо его доработать напильником (впаять пару резисторов, которые приведут к тому, что напряжение поднимется до 1,49 В и 1,91 В соответственно). Для Li-ion ничего дорабатывать не надо.

Про 1200 мА - вранье, общий ток вряд ли превысит 500-600 мА на все аккумуляторы (это ограничение заложено в схеме токоограничения MC34063). В принципе, можно его немного сдвинуть (сама микросхема может до 750 мА выдавать без опасности перегрева), но потянет ли это преобразователь 220-12 - неизвестно.

Насчет индикаторов - на них можно не смотреть. Они отключаются тупо по напряжению (1,42 В для NiMH и 1,80 В для NiZn, и только для Li-ion при 4,20 В). 1,42 В и 1,80 В - это очень мало, фактически, аккумуляторы при этом заряжены, от силы, наполовину. Даже когда индикаторы погасли, аккумуляторы продолжают заряжаться как ни в чем не бывало. Для полной зарядки пары AA NiZn аккумуляторов надо часов 20 (после доработки время снижается примерно до 10 часов), более точно можно определить мультиметром (напряжение на аккумуляторе достигнет 1,85-1,86 В).

Итог: NiZn аккумуляторы достаточно интересны, хотя и могут оказаться неподходящими для определенной техники (не рекомендую использовать их в устройствах, работающих от 2 аккумуляторов - в них может стоять повышающий преобразователь, который не может выдать напряжение ниже, чем на входе, а 3,7 В может оказаться слишком много для микросхем, рассчитанных на 3,3 В). Зарядка же - конструктор для любителя. После доработки годится для зарядки нечетного количества NiZn аккумуляторов (нормальные ЗУ их, обычно, только парами заряжают).

Пусть фотоаппарат и не новый, но работал нормально, качественно фотографировал и полностью меня устраивал - выбрасывать было жалко. Поиск решения проблемы привел меня на АЛИэкспресс, а интернет подсказал возможные варианты, одним из которых было применение Ni-Zn аккумуляторов, напряжением 1,6 В и емкостью 2500 mAh. Цена была довольно высокой, 2$ за батарейку, но альтернатива выглядела еще печальнее, так как “кормить” Rekam одноразовыми солевыми или щелочными батарейками с рекомендуемым напряжением в 1,5 В было довольно накладно. Напомню, что хорошая пальчиковая батарейка в “Магните” стоит около 60 рублей.

Решено, заказываю на АЛИэкспресс 4 аккумулятора и в начале сентября мне приходит посылка. Вставляю в фотоаппарат и с удовольствием наблюдаю, что все работает нормально. Батарейки пришли заряженные, посмотрим на сколько их хватит.

Позже дополню статью опытом эксплуатации.

Прошло больше месяца со дня начала эксплуатации аккумуляторов Ni-Zn. Две батарейки постоянно находятся в фотоаппарате, но фотографировать пришлось немного, поэтому по разряду сказать нечего. На форуме фотографов вычитал, что эти аккумуляторы имеют (как бы) два положения - “вкл” и “выкл”, то есть если он разряжается ниже определенного предела (около 1,4 В), то тупо вырубается и перестает работать. После месяца работы напряжение у моих аккумуляторов остается 1,81 В.

Очередная посылка с АЛИэкспресс доставила мне зарядное устройство для Li-Ion батареи и бокс для двух батареек размера АА. Все это добро предназначено для зарядки моих аккумуляторов Ni-Zn. Идея в том, что Li-Ion батарею в такой зарядке можно заменить двумя батареями Ni-Zn. Однако, полноценной такую замену назвать нельзя, так как напряжение зарядки Li-Ion - 3,7-4,2 В (делим на два, получаем 1,85-2,1 В), и оно немного выше нужного. Для нормальной зарядки необходим ручной контроль, т.е. надо периодически измерять вольтметром напряжение на выводах аккумулятора и не допускать перезаряда. Напряжение должно лежать в пределах 1,92-1,95 В. Напомню, что аккумуляторы Ni-Zn очень боятся перезаряда и судя по отзывам - мгновенно выходят из строя (не все, но опасаться надо).

На фотографии зарядное устройство для Ni-Zn аккумуляторов своими руками. Припаял два провода (+ красный) и (- черный) от бокса к плате, саму плату приклеил к боксу двусторонним скотчем, также, на двусторонний скотч приклеил кусочек белого пластика для защиты модуля. Для питания сгодится любой USB порт, на фотографии у меня зарядка от телефона и переходной шнур от стандартного USB к mini USB. Горит красный светодиод - показывает, что зарядка идет. В моем случае - 1,93 В на одну батарейку.