Как рассчитать максимальный ток, который батарея AA может отдать в течение короткого периода времени?

ПРЕДУПРЕЖДЕНИЕ: Если вы «пробуете это дома», имейте в виду, что существует небольшая вероятность возникновения серьезной опасности — см. ниже.

То, что вы предлагаете, является жизнеспособным, полезным и потенциально опасным методом.
Я считаю крайне маловероятным, что вы навредите себе, делая это, но нужно отметить, что такая возможность существует.

Я бы не стал делать этого ни с одной щелочной или никель-металлогидридной батареей. Я был бы крайне осторожен с ячейками размером выше AA. Я бы не стал пытаться делать это с элементами LiIon или LiPo элементов LiFePO4, которые имеют более высокое напряжение на клеммах, высокую потенциальную скорость разряда и известную тенденцию (за исключением LiFePO4) «выдыхаться пламенем».

Я успешно использовал этот метод для тестирования частично использованных щелочных батарей в течение многих лет. У меня никогда не было с ним проблем, НО это не значит, что всем остальным так повезет. Комментарии в конце о том, что может пойти не так.

Чтобы определить «степень качества» щелочной батареи AA 1,5 В, я делаю две вещи.

• Измерьте потенциал разомкнутой цепи ячейки. Это очень безопасный и безвредный метод. Неиспользованная щелочная батарея, которая не израсходовала большую часть своего срока годности, будет иметь потенциал более 1,6 В, обычно 1,65 В. Это выше, чем у более дешевых элементов Carbon-Zinc / Le Clanche / Heavy Duty, и является надежным способом определения того, что элемент действительно ЯВЛЯЕТСЯ щелочным и что он по существу новый. Ячейку, дающую более 1,6В, не нужно "испытывать" разрядом тока, как описано ниже (но можно при желании).

• Измерьте ток короткого замыкания ячейки в течение примерно одной секунды, используя диапазон 10 ампер на мультиметре. Внутреннее сопротивление измерителя, сопротивление выводов, сопротивление штекерного соединения и сопротивление контакта с батареей — все это потенциально важные сопротивления в этом тесте, поэтому результаты будут несколько различаться между измерительными приборами и в зависимости от того, насколько хорошо контактируют щупы и насколько хорошо соединены провода-вилки. установить контакт в гнездах счетчика. Несмотря на эти потенциальные различия (каламбур), тест полезен и достаточно воспроизводим.

Только для информации: чаще всего я провожу этот тест, чтобы определить, какие ячейки в пакете ячеек не используются, а какие из используемых подходят для использования во вспышке камеры с высокой мощностью. Соответствующие вспышки представляют большую нагрузку. Мощность, вероятно, составляет около 100 вспышек - в зависимости от используемой энергии, которая варьируется в зависимости от условий съемки - вспышка в темной большой комнате требует полного заряда, тогда как при фотографировании светлого объекта с близкого расстояния используется только небольшая часть накопленной энергии. При повторном использовании до полного изнеможения батареи слишком горячие, чтобы их можно было вынуть из вспышки - вероятно, 70 градусов по Цельсию! Средняя мощность, выдаваемая батареями при полной нагрузке, вероятно, составляет от 50 до 100 Вт. Батареи должны быть в хорошем состоянии, чтобы обеспечить это.

Тест на короткое замыкание обычно дает результат от 5 до 10 ампер для новых элементов хорошего качества, при этом ток немного падает в течение примерно одной секунды периода тестирования.

Результаты для использованных ячеек значительно различаются. Все, что находится в диапазоне от 3 до 5 ампер, означает, что ячейка может быть полезна для использования со вспышкой. Результат в несколько ампер означает, что батарея по-прежнему полезна для оборудования с низким энергопотреблением, такого как часы или электронные весы. Меньше этого ячейку, вероятно, лучше выбросить.

Хотя приведенный выше тест используется для щелочных элементов AA, его также можно использовать для элементов NimH AA — с большим риском. Аккумулятор NimH МОЖЕТ быть способен к более высокой скорости разряда при полной зарядке, хотя сопротивления, присутствующие в этом тесте, обычно ограничивают ток примерно теми же значениями. Я только что попробовал это с полностью заряженной батареей Eneloop AA емкостью 2000 мАч (версия Panasonic, сделанная в Китае). Это достигло пика около 7 ампер. Ячейки Eneloop имеют меньшую емкость, чем лучшие на рынке элементы AA NimH, но имеют гораздо более длительный срок хранения и более высокое напряжение на клеммах при заданном уровне разряда. Я ожидаю, что они дадут аналогичные результаты для «обычных» элементов AA NimH с большей емкостью.

В нескольких случаях я был достаточно глуп, чтобы носить в кармане брюк несколько заряженных элементов АА, и в 3 таких случаях мне также не повезло, что они образовали стабильную цепь с различными монетами, ключами и т. Д. В моем кармане. Температура в кармане почти мгновенно поднялась до уровня, значительно превышающего болевой, и существовала определенная вероятность ожогов. Содержимое карманов приходилось каждый раз выбрасывать с неприличной поспешностью. Хотя ни одна клетка никогда не давала никаких признаков механического повреждения, если бы какая-то из них каким-то образом «взорвалась» при таком обращении, я бы сожалел, но не удивился.

Маловероятно, что измерительный прибор, настроенный на 10 А, будет поврежден при коротком замыкании одного элемента AA NimH на короткие периоды времени. Более чем одна ячейка в серии или больше, чем AA, может вызвать расчленение ячейки или возгорание или расчленение внутренних частей счетчика. Некоторые счетчики имеют предохранители в диапазоне 10 А, но многие — нет (и самые дешевые, которые я видел, — нет). Использование перегрузки по току в расширенном диапазоне 10 А может разрушить шунт 10 А и, возможно, сам счетчик через несколько миллисекунд.

Жесткие короткие замыкания на батареях МОГУТ вызвать непропорциональное снижение емкости по сравнению с фактически потребляемой энергией и МОГУТ вызвать долгосрочную необратимую деградацию вторичных элементов. Я не заметил, что это так, но YMMV.

После короткого замыкания ячейки Eneloop, упомянутой выше, в общей сложности около 5 секунд при 7А потребовалось около 40 мАч заряда, чтобы восстановить ее до полной емкости. Выходная энергия ~= 1 В, скажем, x 7A x 5 секунд = 35 Дж. Энергия восстановления ~~= 1,4 В x 40 мАч ~= 200 Дж. Эта тестовая выборка (1 элемент) слишком мала и неконтролируема, чтобы сделать какой-либо правильный вывод, но она интересна.

В худшем случае кажется вероятным, что при полном коротком замыкании ячейка может рассеивать около 10 Вт внутри, а обычно меньше этого. Мое неофициальное непреднамеренное карманное тестирование элементов NimH при сильном разряде в течение, вероятно, 10-20 с показывает, что они будут терпеть это без саморазборки (по крайней мере, для небольшого образца, который я испытал), и мое использование, если вспышка во многих случаях AA Alkaline ячейки, так что они становятся слишком горячими для обработки, предполагает, что они слишком хорошо переносят сильный разряд и высокие температуры «достаточно хорошо».

Таким образом, я не ожидаю, что испытание на короткое замыкание любой щелочной или никель-металлогидридной батареи AA, как описано выше, будет физически опасным. Но если бы так и оказалось, я бы не сильно удивился.

Если ток слишком велик, это приведет к перегоранию предохранителя на мультиметре или взрыву аккумулятора.

Википедия говорит, что батарея Energiser AA имеет внутреннее сопротивление около 0,15R при комнатной температуре. Это дает ток около 10А. Однако теперь внутреннее сопротивление мультиметра может оказывать влияние, уменьшая ток.

Вместо этого купите очень маленький резистор, например, 0,01R, с высокой номинальной мощностью и подключите его к аккумулятору. Затем измерьте напряжение на резисторе и по закону Ома рассчитайте ток. Таким образом, вы защищаете свой мультиметр, и сопротивление шунта мультиметра не влияет.

Примечание

Приведенный выше ответ предполагает использование щелочной батареи AA. Как говорит Спехро, другие типы могут быть опасны.

Это, конечно, не убьет мультиметр, но напряжение будет падать так быстро (и ток вместе с ним), что вы не сможете много измерить. Одна секунда для такой установки, на самом деле, не так уж и мало. Одной из возможных настроек может быть тестирование с последовательным подключением подстроечного резистора или потенциометра, регистрация напряжения с течением времени, а затем анализ результатов. Но это было бы много работы. Вам нужно будет начать с горшка с максимальным значением (скажем, 500R) и записать кривую разряда. Затем постепенно уменьшайте и повторяйте каждый раз с новой батареей, пока не достигнете значения, при котором батарея разряжается быстрее, чем за 1 с. Обратите внимание, что в этом случае вы будете использовать мультиметр для измерения напряжения, а не тока, так как

Но обычно производитель аккумуляторов уже сделал за вас такую ​​работу. Если вы можете найти техническое описание конкретной батареи, которую хотите использовать, вероятно, в ней есть эта информация.

Это действительно может быть опасно, особенно если это элемент с высокой емкостью по току (например, NiCd). По моему опыту, это не опасно, если делать это в течение короткого времени с щелочными и угольно-цинковыми элементами, но все же благоразумие предполагает, безусловно, носить защитные очки и помещать элемент в что-то негорючее. Известно, что никель-кадмиевые элементы (даже безобидные на вид 9-вольтовые батареи) сильно взрываются при коротком замыкании, а незащищенные литиевые элементы могут загореться, а никель-металлгидридные элементы могут выпускать горячий газообразный водород и электролит при некоторых условиях. Ток короткого замыкания от никель-кадмиевых элементов может значительно превышать номинальные 10 А вашего измерителя, поэтому возможно повреждение измерителя или измерительных проводов.

На самом деле это не даст вам много полезного для нормальной работы - вы можете посмотреть напряжение на вашем измерителе при считывании 10 А (возможно, 100 мВ) и получить некоторую оценку внутреннего сопротивления, но есть электрохимические эффекты («поляризация» ), что приведет к быстрому спаду тока короткого замыкания с пикового значения. Когда элемент разряжается, внутреннее сопротивление увеличивается, поэтому это не даст вам хорошего представления о том, что происходит в течение срока службы элемента, если вы потребляете ток короткими импульсами.

Если ваша цель состоит в том, чтобы получить представление о максимальном токе короткого замыкания (например, для тока отключения схемы защиты), это может быть полезным упражнением.

Способ 1. Для безопасного и точного измерения ближнего тока короткого замыкания от батареи необходимо установить импульсную нагрузку. Такая нагрузка может состоять из генератора с низким рабочим циклом, скажем, импульсами 10 мс каждую секунду, управляющего базой силового транзистора NPN, такого как 2N3055. Подключите резистор 1 Ом 1 Вт от + ve батареи к коллектору транзистора; эмиттер и батарея соединены вместе с землей генератора. Используйте осциллограф для измерения импульса напряжения на резисторе: импульс 10 В означает, что батарея выдает импульсы тока 10 А. Обратите внимание, что этот метод измеряет с использованием почти короткого замыкания; трудно приблизиться к истинному короткому замыканию.

Метод 2. Этот метод измеряет внутреннее сопротивление батареи без потребления тока. Подключите конденсатор 1000 мкФ (электролитического типа, обратите внимание на полярность!), батарею, резистор 50 Ом и осциллятор последовательно, где осциллятор может быть лабораторным прибором, способным выдавать синусоиду с частотой 100 Гц 1 В (среднеквадратичное значение) на 50 Ом. Используйте осциллограф для измерения размаха напряжения на аккумуляторе и на 50 Ом. Их соотношение дает внутреннее сопротивление батареи, которое, как можно ожидать , будет единственным ограничением начального тока, если батарея должна быть закорочена.

Тестовые щупы представляют собой значительный источник сопротивления, и вы не сможете получить точное измерение выходной мощности, если в вашей окончательной конструкции также не используется ручное прижатие тестовых щупов к контактам ячейки.

Рассмотрите возможность создания держателя тестовой батареи со штекерами типа «банан», который можно подключить к мультиметру. Ищите держатель батареи с хорошим механическим контактом. Это даст вам больше энергии от батареи за счет уменьшения контактного сопротивления, а в приложениях с большим током, подобных этому, это будет значительным источником потерь мощности.

Но даже держатели батарей (по крайней мере, обычные) не рассчитаны на ток более 1А. Такие группы, как сборщики фонариков и энтузиасты радиоуправляемых моделей, сталкиваются с этой проблемой, и из нескольких предложений, которые я видел, похоже, что лучше всего использовать медную оплетку для контакта с пружинными контактами, а затем припаять к медной оплетке более толстый провод. . Это обеспечивает контакт с батареей с высоким током и низким сопротивлением и позволяет получить максимальный ток от батареи.