Конденсатор продливает жизнь гальваническому элементу
Работа электронных устройств, потребляющих ток в импульсном режиме (например, электронно-механических часов с шаговым двигателем) от гальванических элементов ("батареек"), сопровождается преждевременным выходом из строя элементов, хотя они не исчерпали полностью свой ресурс.
Чтобы выявить закономерности, были проведены простые опыты с бытовыми электронно-механическими часами "Quartz" (с секундной стрелкой). Вначале был проведен "чистый" эксперимент, т.е. зафиксировано время работы "свежего" гальванического элемента (ГЭ) с солевым электролитом до полной остановки стрелки. Оно составило 83 суток. При этом напряжение холостого хода элемента (Uxx) снизилось от начального Uxxн = 1,63 В до конечного Uxxk = 1,41 В. Легкое подергивание секундной стрелки с частотой 1 Гц указывало на то, что электронная часть вырабатывала управляющие сигналы, но энергии в импульсе было недостаточно для срабатывания механизма часов. Это объясняется не только снижением вырабатываемого в ГЭ напряжения, но и возрастанием внутреннего сопротивления ГЭ в ходе разрядки [1].
Встречаются рекомендации выдержать элемент в бестоковом состоянии несколько суток. В моем эксперименте эффект такого "отдыха" получился незначительным — "отдохнувший" 19 суток элемент проработал с часами чуть больше одних суток. В ряде публикаций ([2,3] и других) предложены способы активизации "отдыха", не всегда просто выполнимые. В то же время, из [1] можно заключить, что возрастание внутреннего сопротивления ГЭ будет сказываться гораздо меньше, если снизить потребляемый от него ток.
Для многих вариантов импульсной нагрузки такие возможности предоставляет электролитический конденсатор, включенный параллельно нагрузке через ограничивающий резистор (рис.1). Емкость конденсатора С1 желательно взять максимально возможной, так как от нее зависит надежное срабатывание механизма часов, т.е. минимальная "просадка" напряжения на конденсаторе за время рабочего импульса тока Ip, как показано на рис.2. Назначение резистора R1 — ограничение импульса зарядного тока I3 конденсатора за время бестоковой паузы tп, наступающей после срабатывания механизма часов. Указанное на схеме значение R1 = 100Oм можно считать оптимальным для G1 при Uxx = 1,25 В и ниже ("свежий" G1 нормально работал с R1 = 1,2 кОм).
Стрелка часов при работе по схеме рис.1 остановилась через 327 суток при напряжении Uxx = 1,15 В. Гальванический элемент считается выработавшим свои активные вещества, если он разрядился до Uxx = 0.9 В [1]. Поскольку электронная часть часов "Quartz" работала неустойчиво уже при Uxx = 1,15 В, появилась необходимость ввести в работу оставшиеся ресурсы, используя принцип восстановления Uxx. Наиболее доступным оказался способ электрического восстановления Uxx, при котором к ГЭ параллельно подключается дополнительный буферный источник тока, например, сетевой блок питания с маломощным трансформаторным выпрямителем (рис.З). Мною использован трансформатор звуковой частоты ТВЗ-3 от лампового телевизора. При указанных номиналах ток восстановления составил примерно 1 мА, Uxx поднялось до 1,3 В. После отключения блока питания за 29 суток работы оно вновь снизилось до 1,15 В, и часы остановились. Так что общая наработка составила 356 суток для элемента с солевым электролитом типоразмера АА.
При питании устройства с импульсным потреблением тока от батареи гальванических элементов ее целесообразно формировать из пары "гальванический элемент + электролитический конденсатор" (рис.4). Кассету для батареи можно изготовить из пластмассы или тонкой фанеры в виде ящичка с двумя-тремя отсеками, в каждом из которых помещаются "столбиком" 2 или 3 ГЭ. Каждый "столбик" сжимается одной пружиной от шариковой ручки или цангового карандаша. Токоотводы можно изготовить из луженой ("белой") жести от консервной банки. К таким токоотводам легко припаивать провода, а сами они в виде лепестков устанавливаются между выводами электродов соседних ГЭ. Высота стенок и перегородок корпуса должна быть больше диаметра ГЭ на 1...1.5 мм, чтобы уложить на дно тонкие поролоновые прокладки. На внешней стороне дна ящика крепятся электролитические конденсаторы и пайкой соединяются монтажным проводом друг с другом и с лепестковыми токоотводами от ГЭ. Получившуюся кассету можно разместить в подходящем месте. У меня для этого сделана коробка ("бокс") из пенопластовых блоков, склеенных монтажной пеной. В ней батарея ГЭ не раскаляется летом и долго не промерзает зимой (так называемый "пассивный термостат"). Еще лучше такую коробку целиком "отлить" из пены — будет гораздо прочнее пенопластовой, но, в то же время, легкой.
В.МИРОШНИЧЕНКО
Литература
1. Варыпаев В.Н и др. Химические источники тока. — В.Ш., 1990 г.
2. Радиолюбитель, 1995, №1, С.22.
3. Радио, 2006, №6, С.12.
4. Радио, 2003, №10, С.32.
5. Радиомир, 2001, №10, С. 14.
6. Радио, 1996, №9, С.59.