Prąd prądowi nie równy? To samo napięcie - różny efekt

[Niko]

Witam.

Pewnie narobię sobie wstydu takim pytaniem, ale cóż... Mówią, że kto zapyta wstydzi się raz, a kto nie zapyta wstydzi się przez całe życie.

Od jakiegoś czasu bawiąc się arduino zasilam różne urządzenia elektryczne, takie jak silniczki, bateriami. Zauważyłem, że jeśli podłączam swoje urządzenie do baterii 9V to urządzenie nie daje rady ruszyć. Jednak jeśli podłączę 6 baterii 1,5V szeregowo, co daje również 9V to samo urządzenie śmiga aż miło. Dlaczego?

Czy chodzi o większą wydajność prądową, większy możliwi do uzyskania prąd na wyjściu? Proszę o informację, abym mógł doczytać i się dokształcić.

[MirekCz]

Tak, chodzi o większą wydajność prądową. W praktyce bateria ma pewną rezystencję wewnętrzną i pobieranie dużego prądu powoduje spadek napięcia. Czyli bateria 9V może mieć na wyjściu 9v jak pobierasz 1mA , ale tylko 4V jak pobierasz 50mA i dużo niżej jak pobierasz więcej prądu. Dodatkowo prąd ten zależy od stanu naładowania baterii ( czym bateria bardziej wyczerpana tym spadki napięcia przy danym prądzie będą większe ).

Wystarczy spojrzeć na dokumentację producenta np. GP:

http://pl.gpbatteries.com/images/prod/prod/batteries/manual/13G.pdf

http://pl.gpbatteries.com/images/prod/prod/batteries/manual/1604G.pdf

Jak widzisz rezystancję wyładowania dla baterii 1.5V podają przy rezystorze 2.2R ( czyli masz prąd rzędu 400mA przez 8h), natomiast dla baterii 9V rezystancję podają 180R ( czyli masz prąd rzędu 33mA przez 8h).

Jak widać z paluszka średnio możesz dostać 10x większy prąd. Samo arduino pójdzie i z tego i z tego, ale jak dodasz coś prądożernego typu silnik czy większą ilość ledów to napięcie baterii 9V spadnie poniżej tego jakie powinieneś mieć na wejściu arduino i procesor się zresetuje.

[deshipu]

A weź zrób eksperyment. Weź multimetr i zmierz jakie napięcie daje ta bateria "9V" normalnie, a jakie z podłączonym silnikiem.

[Niko]

MirekCz, czyli rozumiem, że dopóki moja bateria się nie rozładuje do 0, to mój układ wymaga prądu X mA i w tym układzie cały czas ten prąd jest. Skoro opór jest stały i prąd jest stały napięcie musi maleć wg prawa Ohma?

( czyli masz prąd rzędu 400mA przez 8h)

...

( czyli masz prąd rzędu 33mA przez 8h).

Rozumiem, że mówisz, o tym prądzie na zwarciu?

[marek1707]

To jeszcze ja: patrząc od tej pory na baterię oceniaj wielkość pojedynczego ogniwa. Od tego zależy tzw. rezystancja wewnętrzna - taki pasożytniczy i niemożliwy do uniknięcia opornik szeregowy. W nowym paluszku AA jest on na poziomie 0.5-1Ω, w mniejszym AAA jest już większy a bateria wielkości D ma go z kolei bardzo małego. Ponieważ jest połączony szeregowo z siłą elektromotoryczną ogniwa (mierzoną na zaciskach baterii na pusto, zwykłym woltomierzem) napięcie które widzisz na zewnątrz będzie spadało w zależności od poboru prądu. A teraz pomyśl jak małe muszą być ogniwka w baterii 9V jeśli każde z nich daje typowe 1.5V więc musi ich być aż 6. Małe, więc wbudowany w nie rezystor jest duży.

Oczywiście rezystancja wewnętrzna zależy też od technologii ogniwa. Porównując takie same wielkości zauważysz, że ogniwo AA cynkowe (to tanie) jest słabsze od takiego samego alkalicznego a to z kolei jest słabsze od akumulatora NiMH. Ten przegrywa z akumulatorem NiCd (rzadko już używanym) i litowo-polimerowym. A Ci wszyscy mogą tylko pomachać akumulatorom litowo-żelazowo-fosforowym (LiFePO4).

Zwarcia do masakra dla ogniw i raczej żaden producent nie podaje parametrów zwarciowych. Prądy rozładowania są zwykle proponowanymi dla uzyskania katalogowej pojemności. Napięcie będzie spadało zawsze ze wzrostem prądu. Jeśli Arduino potrzebuje powiedzmy 7V, to nie możesz baterii obciążyć bardziej niż tak, by napięcie nie spadło poniżej 7V. I trudno z góry powiedzieć jaki możesz wtedy czerpać prąd z danej baterii. Czasem podawane są wykresy napięcia dla różnych prądów rozładowania. Tam widać, że im większy prąd tym napięcie spada (to oczywiste biorąc pod uwagę istnienie rezystancji wewnętrznej), ale też spada pojemność czyli całkowity ładunek jaki możesz z baterii wyssać. Dlatego zwykłym marnowaniem pieniędzy jest zmuszanie baterii do pracy przy zbyt dużych (dla niej) prądach.

[deshipu]

Dodam jeszcze, że baterie używane przez modelarzy (głównie LiPo i LiFePo4) mają tak zwane "C rating", które mówi ile dokładnie prądu powinno się z nich ciągnąć. Na przykład, jeśli bateria ma pojemność 250mAh i C=2, to można z niej bezpiecznie wydoić 500mA. Niektóre baterie mają nawet dwie liczby C, jedna dla obciążenia stałego, druga dla "chwilowych" obciążeń. Warto na to zwracać uwagę przy kupnie baterii.

[marek1707]

I mają jeszcze trzecie "C" związane z dopuszczalną szybkością ładowania, która zwykle jest kilkukrotnie niższa niż rozładowania

[Niko]

Czy mógłby ktoś jeszcze odnieść się do mojego poprzedniego posta? Chciałbym wiedzieć, czy dobrze zrozumiałem.

[deshipu]

Ani prąd ani napięcie z baterii nie są stałe, bo zmienia się jej opór wewnętrzny w miarę jak się rozładowuje.

[Niko]

Więc reasumując, mając pewien układ np z silniczkami skąd mam wiedzieć jaką baterię załączyć, żeby ruszył? Jak rozumiem do oporu dodaję opór źródła, ale co z zależnością prądowo-napięciową?

[marek1707]

Robimy to zwykle trochę inaczej, bowiem producenci raczej nie podają rezystancji wewnętrznych ogniw pierwotnych: baterii pastylkowych (zegarkowych), paluszków AA, AAA czy 9-woltowych 6F22 itp. Na kartach katalogowych widać za to wykresy napięcia podczas rozładowania jakimiś prądami. I te prądy możesz uznać za wytyczne dla Ciebie. Jeżeli przykładowo znajdziesz wykresy dla pradów 10mA, 100mA i 300mA a przy okazji zauważysz na rysunku, że dla 10mA ogniwo działa całkiem ładnie i długo, dla 100mA napięcie wyraźnie spada ale wciąż pojemność jest akceptowalnie niezła a dla 300mA to już wyraźna walka: pojemność spada np. dwukrotnie a napięcie nie przekracza 1V to już czujesz, że to źródło będzie poprawnie zachowywać się dla prądów <100mA. Możesz go oczywiście obciążyć 300mA i więcej, ale tym samym wyrzucisz pieniądze za jakie to ogniwko kupiłeś. Bo kupujesz pewien zasób energii zgromadzony w pewnej objętości. Jeśli to co podłączasz jest tak prądożerne, że nie wykorzysta całej pojemności (czyli energii) a tylko połowę, to przepłaciłeś i tyle.

Przykład:

http://www.tme.eu/pl/Document/44e2b5a5a277fb97063ce3897cb3bea2/BAT-6F22-UL.pdf

Popatrz na wykres "Capacity characterization". Masz tam trzy krzywe pokazujące napięcie rozładowania po podłączeniu trzech różnych oporników. Prąd możesz sobie policzyć z napięcia. Widać, że ta naprawdę wysokiej klasy bateria 9V zjeżdża do 8V dla prądu 130mA i już wtedy mamy tylko 90% pojemności deklarowanej przez producenta. I to myślę jest jej ekonomiczny opór. Dalej będzie już tylko gorzej. Nawet malutki silniczek pobiera 80-200mA na pusto. Jeśli coś robi - znacznie więcej.

Dla porównania alkaliczny paluszek AA:

http://www.tme.eu/pl/Document/d3b3edbc5c72954dbfb0ff1a6877282c/BAT-LR6_DR.pdf

Ma prawie 3Ah a wykresy na stronie 2 pokazują rozładowanie dla różnych prądów (prawy górny) i dostępną pojemność (słupkowy po prawej): przy 500mA możesz wykorzystać już tylko 2Ah a napiecie przez całą zabawę będzie spadało bardzo szybko od 1.5V do granicy uznawanej za koniec pracy: 0.8V wg prawego górnego wykresu.

Przemyśl to - i samodzielnie poszukaj danych różnych ogniw i akumulatorów. Jeśli czegoś nie będziesz rozumiał, pytaj.

[deshipu]

Z silniczkami jest jeszcze ciekawiej, bo ich opór (i reaktancja) zmieniają się w czasie pracy w zależności od obciążenia...

Ja zazwyczaj po prostu sprawdzam w specyfikacji silnika jaki jest jego maksymalny prąd i używam baterii, która jest w stanie taki prąd dostarczyć.

[Niko]

Czy te charakterystyki bardzo się różnią w zależności od producenta, czy można przyjąć jakieś uniwersalne właściwości dla danego typu baterii?

Z tego co piszecie samo zachowanie baterii rozumiem tak, że jak podłączę układ z dużym oporem to potrzebny jest duży prąd żeby ten układ zasilić. I jeśli ten prąd przekracza ten optymalny dla danej baterii to ta bateria go dostarczy, ale będzie to skutkowało spadkiem napięcia i szybkim rozładowaniem.

Zgadza się?

[marek1707]

Tak, z dokładnością do tego, że duży prąd popłynie gdy obciążysz baterię małą rezystancją. Odbiornik o małej rezystancji potrzebuje zwykle dużego prądu i jeśli bateria nie może go "wysłać", bardzo szybko się "męczy" i po sprawie.

Jeśli obejrzysz kilka kart katalogowych tej samej wielkości ogniw różnych producentów szybko się zorientujesz - nawet jeśli nie podają dokładnie tych samych parametrów lub nie mierzą w tych samych warunkach (spróbuj wtedy poprzeliczać to na coś wspólnego) - to i tak szybko się zorientujesz co do ogólnych wytycznych. Im większe (objętościowo) ogniwo tym pojemność i prąd większe. A ponieważ typów nie jest aż tak strasznie dużo, na pewno wkrótce nabierzesz wprawy

Ogólnie można powiedzieć, że ogniwa pierwotne mają większe pojemności i są tańsze niż odpowiadające im akumulatory. Niestety takie ogniwa są jednorazowe i mają mniejsze dopuszczalne prądy rozładowania więc muszą być używane delikatniej. Do jednorazowej zabawy z niewielkim silniczkiem czy serwem możesz zestawić koszyczek 4 paluszków AA, pobawić się godzinę czy dwie, wyrzucić i zapomnieć. Co z tego, że rozładowałeś je zbyt szybko i co z tego że ich już nie masz. Ważne, ze koszt początkowy był niewielki a zabawa była przednia. Jeśli jednak planujesz dłuższe doświadczenia z elektroniką i napędami, to jednak warto pomyśleć o akumulatorach lub nawet.. zasilaczu sieciowym. Koszt wstępny jest wyższy (akumulatory + dedykowana ładowarka), ale już po kilku użyciach tego samego kompletu jesteś na czysto. A akumulatory odwdzięczają się dużo większą mocą dostarczaną do obciążenia bez uszczerbku na ich zdrowiu.

Przykład:

Wspomniane wcześniej ogniwo AA (paluszek) ma 1.5V, pojemnośc 3Ah i praktyczny prąd rozładowania rzędu kilkuset mA (raczej bliżej 200-300mA).

A teraz to:

http://www.tme.eu/pl/Document/7777cce20bb49f9e6747d2f4fcfaade9/hr06-2000.pdf

Napięcie trochę niższe (bo inna chemia w środku, to jasne i zamiast 4 sztuk w koszyczku trzeba mieć miejsce na 5) 1.2V, pojemność 2Ah ale specyfikowany dla prądów rozładowania do 4A! Przy 2A mamy wciąż pełne 2Ah i godzinę zabawy.

A przecież nie jest to jakiś mocarz, tylko zwykły sklepowy NiMH...

Biorąc technologię LiPol (i inną ładowarkę) dostaniesz przy tej samej pojemności prąd rzędu 20A i to wciąż nie będzie szczyt możliwości tych akumulatorów.

[Niko]

Dziękuję za wyczerpujące informacje.