کاربرد شارژر ها در صنعت

شارژر چیست؟

شارژر وسیله ای است که طبق اصول الکترونیک قدرت کار کرده و ولتاژ متناوب را به مستقیم تبدیل می نماید . جریان مستقیم همیشه در یک مسیر جاری می شود ( همیشه مثبت و یا همیشه منفی است ) ولی ممکن است میزان آن کاهش یا افزایش پیدا کند . باتری ها و رگولاتورها ،ولتاژ مستقیم می دهند و این ولتاژ برای مدارهای الکترونیکی مناسب است . اکثر منابع تغذیه شامل یک تبدیل کننده ترانسفورماتوری هستند که جریان اصلی غیر مستقیم را به یک جریان غیر مستقیم کم و بی خطر تبدیل می کنند .

سپس این جریان کم و بی خطر توسط مدارات یکسو کننده جریان از غیر مستقیم به مستقیم تبدیل می شود . البته این ولتاژ مستقیم یک ولتاژ متغییر می باشد و برای مدارهای الکترونیکی مناسب نیست و لذا برای صاف کردن سطح ولتاژ مستقیم از یک سری خازن و سلف استفاده می شود تا ولتاژ مستقیم برای مدارات الکترونیکی حساس قابل استفاده شود . امروزه شارژر ها با ریپلی بسیار پائین در ولتاژ خروجی و نویزی کمتر از 2 میلی ولت و سازگار با منحنی سافومتریک تولید میشود.

انتخاب شارژرها بر چه اساسی است؟

شارژرها را بر اساس ظرفیت و توان و ولتاژ باطریها انتخاب و تهیه می نمایند هنگام تهیه دقت باید شود در هنگام استفاده چه لوازم حفاظتی و اندازه گیری نیاز است و شرایط نگهداری و سرویس آن چگونه است . شارژرها امروزه به انواع لوازم اندازه گیری خودکار مجهزند و باطریها را همیشه در حالت شارژ کامل نگه میدارند .

شارژرها عموما بطور ایستاده تهیه میشوند و تمام لوازم آن در همان قالب نصب میشود . لوازم قابل تنظیم قابل دسترس و لوازم عموما قدرت در پشت تجهیزات دیگر نصب میشوند . جای نصب تجهیزات بسیار مهم است مثلا برد کنترل باید جایی نصب باشد که گرمای تجهیزات در حین کار کمتر بروی آن اثر بگذارد . در شارژرها حالتهای مختلفی از شارژ باید در دسترس باشد تا در مواقع ضروری جهت بهینه سازی ولتاژ چه برای باطریها و چه برای مصرف کننده اقدام شود .

شارژرها از چه چیزی تشکیل شده اند؟

در همه شارژرها جدای از لوازم کنترلی و اندازه گیری متفاوت چند وسیله کلی وجود دارد که کار تبدیل برق را انجام می دهد ، ترانس کاهنده ، دیودهای یکسو کننده و فیلترها . در شارژرهای با توان بالاتر از ولتاژ سه فاز استفاده میشود . مزیت ولتاژ سه فاز نسبت به تکفاز در شکل موج خروجی آنست که پس از تبدیل، موجهای خیلی کوتاهتری دارند و به شکل موج ولتاژ مستقیم بیشتر شبیه است .

البته در بعضی شارژرها ولتاژ 380( تک فاز 380 و نول 380 ) نیز استفاده میشود ( بیشتر در شارژرهای پستهای کمپکت ) خروجی های ترانس هنوز ولتاژ متناوب است و توسط دیودها تبدیل به ولتاژ مستقیم شده و با استفاده از سلف ها و خازنها نویزهای آنرا محدود و حذف می نماید .همانطور که در شکل موجها ، نشان داده شده با اضافه نمودن هر قطعه میتوان شکل موج خروجی را بهینه نمود.

خالی شدن باتری بر اثر مصرف

در پروسه شارژ باتری قطب مثبت باتری اکسیده می شود و در این فرایند الکترون (حامل بار الکتریکی) تولید می شود و قطب منفی باتری به عنوان مصرف کننده که الکترون ها را جذب می کند عمل می کند. این انتقال الکترون باعث تولید جریان الکتریکی در مدار الکتریکی خارجی باتری می شود. الکترولیت می تواند به عنوان بافر برای یون در حال جریان بین الکترودها(همانند آنچه در باتری های لیتیوم- یون و نیکل- کادمیم اتفاق می افتد) عمل کند.

الکترولیت همچنین می تواند در واکنش الکتروشیمیایی نقشی فعال داشته باشد (همانند آنچه در سلول های سرب- اسید دیده می شود) انرژی که برای شارژ باتری استفاده می شود معمولا از شارژر باتری که به برق متناوب (AC)پریز متصل است، تامین می شود. شارژ باتری توسط شارژر می تواند از چند دقیقه در شارژرهای سریع تا چند ساعت طول بکشد. بیشتر باتری ها این قابلیت را دارند که بسیار سریعتر از زمانی که شارژر برای شارژ نیاز دارد، شارژ شوند.

شارژهای سریع

شارژهایی وجود دارند که می توانند باتری ها ی NiMH را در 15 دقیقه شارژ کنند. شارژهای سریع باید از چند شیوه مختلف برای تشخیص شارژ کامل استفاده کنند(مانند تشخیص از طریق ولتاژ، دما و … . )، تا بتوانند قبل از اینکه به باتری به دلیل شارژ بیش از حد صدمه برسد، فرآیند شارژ را متوقف کنند.

باتری های چند سلولی

باتری های چند سلولی قابل شارژ در صورتی که به صورت کامل دشارژ شوند در معرض آسیب به سلول های خود خواهند بود. در حال حاضر شارژرهایی که میزان جریان شارژکننده را تنظیم می کنند وجود دارند. باید توجه داشت که تلاش برای شارژ باتری های غیر قابل شارژ می تواند باعث انفجار این باتری ها شود. باتری های مایع که در ماشین استفاده می شوند نیز از نوع باتری قابل شارژ محسوب می شوند و با تعویض مایع الکترولیتی موجود در آنها شارژ می شوند

یادداشت های تکنیکی تولید کنندگان باتری معمولا دارای اصطلاح VPC هستند که به معنی مقدار ولت هر سلول تشکیل دهنده باتری می باشد. به عنوان مثال برای شارژ یک باتری 12 ولتی ( که از 6 سلول 2 ولتی تشکیل شده است با) VPC 2.3 به مقدار ولتاژ 6*2.3 ) 13.8) در ترمینال های شارژ نیاز دارید. باتری های غیر قابل شارژ قلیایی و سلول های زینک – کربن زمانی که نو باشند ولتاژ 1.5 ولت دارند ولی ولتاژ به تدریج شروع به افت می کند. بیشتر باتری هایNiMH AA و AAA سلول های 1.2 ولتی دارند و می توانند به جای باتری های قلیایی در وسایل استفاده شوند.

شارژ معکوس

قرار دادن باتری دشارژ شده در معرض جریانی در جهت دشارژ (مصرف انرژی باتری ( بیشتر باتری، را فرایند شارژ معکوس می نامند که باعث آسیب رساندن به باتری می شود.

شارژ معکوس در شرایطی می تواند پیش بیاید که دو مورد از معمول ترین آنها عبارت اند از: زمانی که باتری به صورت برعکس به مدار شارژکننده متصل شود .زمانی که باتری تشکیل شده از سلول های سری با یکدیگر، در حد بالایی دشارژ شده باشد. زمانی که یک سلول به صورت کامل دشارژ شده است، سلول های دیگر که هنوز شارژ دارند به این سلول کاملا د شارژ شده جریانی در جهت معکوس وارد می کنند (فرآیند وارونه شدن سلول).

از عوامل بروز شارژمعکوس

این اتفاق ممکن است حتی برای سلولی هم که کاملا دشارژ نشده ولی تا حد زیادی ضعیف شده است، پیش بیاید. اگر جریان نشتی باتری به اندازه کافی بزرگ باشد، مقاومت داخلی سلول ضعیف شده ولتاژ معکوسی را تجربه می کند که بیش از ولتاژ مستقیم باقی مانده در سلول است. این اتفاق باعث می شود که پلاریته(قطبیت) سلول ضعیف شده برعکس شود(محل قطب های مثبت و منفی عوض می شود) و این در حالی است که جریان از داخل آن در حال عبور است.

این فرایند می تواند به طور اساسی سبب کاهش طول عمر سلول ضعیف شده شود و در نتیجه کاهش طول عمر کل باتری را به همراه داشته باشد. هر چه نرخ دشارژ بالاتری مورد نیاز باشد، باید سلول ها بیشتر با یکدیگر هماهنگ باشند؛هم از جهت نوع سلول و هم از نظر وضعیت شارژ.

وارونه شدن سلول

در برخی موارد حاد وارونه شدن سلول باعث انتشار دود و آتش گرفتن باتری می شود. در کاربرد های حیاتی که از باتری های Ni-Cad استفاده می شود، مانند استفاده از آنها در هواپیما، بار(مصرف کننده) به صورت جداگانه به ترمینال هر سلول متصل می شود و به این ترتیب هر سلول به صورت جداگانه دشارژ می شود، این کار مانع وارونه شدن سلول می شود. برای شارژ این باتری ها، مجددا سلول ها به صورت سری در مدار شارژر با یکدیگر قرار داده می شوند.

عمق دشارژ

DODیا عمق دشارژ معمولا به صورت درصد ظرفیت نامی آمپر-ساعت بیان می شود؛ DOD 0درصد به معنی عدم دشارژ است. از آنجایی که ظرفیت قابل استفاده باتری به نرخ دشارژ (یا مصرف) آن و نیز ولتاژ قابل استفاده در پایان مرحله دشارژبستگی دارد، عمق دشارژ باید برای نشان دادن نحوه اندازه گیری آن، تعیین شود.

به دلیل تفاوت های موجود هنگام تولید، معیار عمق دشارژ برای تخلیه کامل باتری در طول زمان و یا در طول دوره های تخلیه، می تواند تغییر کند. به طور کلی هرچه عمق دشارژ در دوره های مختلف شارژ/دشارژ کمتر باشد، سیستم باتری قابل شارژ در مقابل این دوره ها تحمل و مقاومت بیشتری خواهد داشت

اجزای فعال در سلول ثانویه

اجزای فعال در سلول ثانویه، مواد شیمیایی هستند که ماده فعال دارای بار مثبت و منفی را در الکترولیت تولید می کنند. بار مثبت و منفی از مواد مختلفی شاخته شده اند که در آن بارمثبت نشان دهنده کاهش پتانسیل و بار منفی دارای پتانسیل اکسایشی هستند. مجموع این پتانسیل ها همان پتانسیل استاندارد یا ولتاژ سلول باتری است. در سلول های اولیه الکترودهای مثبت و منفی به ترتیب به عنوان کاتد و آند شناخته می شدند.

اگرچه این قرارداد گاهی به سیستم های قابل شارژ مخصوصا سلول های لیتیوم – یون که بر اساس سلول های لیتیوم اولیه هستند، اعمال می شود؛ ولی این کار می تواند موجب سردرگمی شود. زیرا، در سلول های قابل شارژ الکترود مثبت در زمان دشارژ کاتد است و در زمان شارژ آند، و این مساله به صورت معکوس برای الکترود منفی نیز وجود دارهم اکنون بازار را از دست باتری های NiMH ربوده است .

ضعفباتری های NiMH

به ازای هر سلول 3 ولت خروجی دارد بنابراین به صورت مستقیم قابل تعوض با باتری های معمول 1.5 ولتی نیست(در واحد هایی که به جای دو باتری 1.5 ولتی به کار می رود فروخته می شونداز لایه های ورق آلومینیوم که با اکسید کبالت پوشیده شده است و به عنوان کاتد عمل می کند، ساخته شده است و از لایه های مس پوشیده شده با مواد کربنی به عنوان آند استفاده می کند . غشای کاتد و آند با لایه ای از پلاستیک از همدیگر مجزا شده اند و در حالی که به همدیگر پیچیده شده اند در الکترولیت مایع که محیطی از لیتیوم است، غوطه ور شده اند .

این باتری های به همان میزان باتری های NiMH انرژی تولید می کنند ولی با این تفاوت که 40 درصد از آنها کوچکتر هستند، نصف آنها وزن دارند، و برای محیط زیست سالم تر هستند زیرا آنها شامل مواد سمی مانند کادیوم و جیوه نیستند . این باتری ها در حال حاظر از باتری های NiMH گران تر هستند .

شارژ باتری های Li-ion 

در رابطه با شارژ باتری های Li-ion نکات ایمنی باید رعایت شود به این صورت که تنها باید با از شارژهای مخصوص هر باتری از این نوع برای شارژ ان استفاده کرد[10]. 3 ب 7- اتری های نیکل-کادمیوم(NiCd) باتری های نیکل – کادمیم به صورت مجازی با باتری های NiMH و Li-ion جایگزین شدند . باتری های نیکل – کادمیم دارای حافظه هستند که باعث می شود بهره آنها به بالاترین حد ممکن نرسد .

سلول ثانویه

باتری های نیکل – کادمیم در صورتی که به درستی از بین نروند باعث آلودگی محیط زیست می شوند . قیمت پایین و قابلیت توان بالای این باتری ها آنها را به بهترین گزینه برای وسایل همراه دارای موتور مانند ابزار های قدرتی تبدیل کرده است . از هیدرواکسید نیکل و کادمیم برای الکترود و هیدرواکسید پتاسیم به عنوان الکترولیت استفاده می کنند[

باتری های نیکل – ترکیب فلز(NiMH)

باتری های نیکل – ترکیب فلز(NiMH) ابتدا در سال 1990 معرفی شدند . هیدرواکسید فلز به عنوان محصول فرآیند شارژ تولید شده است . چگالی انرژی در حدود 50 درصد بیشتر از باتری های NiCad است . به سرعت از باتریهای نیکل – کادمیم در صنعت محاسبه سیار (پرتابل) پیشی گرفتند .

تنها تفاوت آنها با باتری های NiCd در جنس الکترود منفی است، که در آن از آلیاژ آهن با قابلیت ذخیره مقدار زیادی الکترون استفاده شده است[10]. 9 3- مواد سازنده باتری باتری سرب اسید :(Lead Acid) آند یا قطب مثبت از اکسید سرب (PbO2) وقطب منفی یا کاتد از سرب (Pb) تشکیل شده و الکترولیت آن محلول اسید سولفوریک(H2SO4)و آب (H2O) میباشد. اسید سولفوریک خالص عموما بین 25 تا 40 درصد از کل محلول را تشکیل میدهد . باتری نیکل کادمیوم :(Nickel Cadmium) هیدرات نیکل (NiOOH) بخش عمده قطب مثبت را تشکیل میدهد در حالیکه کادمیوم اسفنجی (Cd) عنصر غالب در مواد تشکیل دهنده قطب منفی است. محلول هیدروکسید پتاسیم (KOH) در آب نیز نقش الکترولیت باتری را دارد. غلظت هیدروکسید پتاسیم عموما بین 20 تا 35 درصد از کل محلول الکترولیت است

باتریهای نیکل کادمیوم حدودا بین 2 تا 4 بار گرانتر از نمونه مشابه خود از نوع سرب اسید هستند. البته بسته به کیفیت و نوع آلیاژ و تکنیک ساخت باتری این امکان وجود دارد که این اختلاف بیشتر از 5 برابر نیز بشود. به همین دلیل سرمایه اولیه مورد نیاز برای تامین نیروی بکاپ از باتریهای نیکل- کادمیومی بسیار بالاتر تمام خواهد شد. پس چرا همچنان طیفی از مصرف کنندگان سراغ باتریهای نیکل میروند؟ بخشهای بعدی پاسخ این سوال را خواهد داد .