ELEKTRONSKI ELEMENTI .......................................................................................................................................................

Seminarska naloga

Ispitivanje kapacitivnosti baterija

Ime in priimek: Marko Klasiek, Kristijan Knez tevilka indeksa: E5015232, E5015722 Datum: 20.1.2014

Kazalo 1.0 Uvod .................................................................................................................................................. 1

2.0 Splono o baterijama ......................................................................................................................... 2

2.1 Zgradba baterije ............................................................................................................................. 2 2.2 Princip delovanja ........................................................................................................................... 4 2.3 Karakteristike baterij ..................................................................................................................... 5 2.4 Vrste baterij ................................................................................................................................... 6

3.0 Nartovanje vezja in uporaba akvizicijske kartice ............................................................................. 8

3.1 Vezje s konstantnim tokom ........................................................................................................... 8

3.2 Povezava akvizicijske kartice z raunalnikom in vezjem ............................................................... 9

4.0 Meritve kapacitivnosti razlinih proizvajlec baterij ......................................................................... 12

4.2 Camelion baterija ........................................................................................................................ 12

4.3 Varta baterija ............................................................................................................................... 14

4.4 Duracell baterija .......................................................................................................................... 16

5.0 Zakljuek .......................................................................................................................................... 18

Literatura ............................................................................................................................................... 19

1

1.0 Uvod

Baterija je eden od najpogostejih elektronskih elementov, ki se uporablja skoraj v vsaki napravi (mobitel, digitalni fotoaparat, raunalnik..itd). V seminarski nalogi je opisan postopek meritve kapacitivnosti baterija razlinih proizvajalcev, nain delovanja razlinih tipih baterij in podane so karakteristike baterij pri razlinih tokovih. Eno od vpraanja, ki smo si ga zastavili je, e je Duracell zares najbolja baterija na triu oziroma, e je njihova cena primerljiva z kvaliteto v odnosu do drugih baterij.

2

2.0 Splono o baterijama

2.1 Zgradba baterije Baterija je sestavljena od galvanskih lenov, ki so vezani zaporedno ali vzporedno. Osnova za galvanski len so elektrolit in elektrode. V valjni bateriji se nalaze elektrode, ki so navite v obliki valja. Med elektrodami se nahaja separator in elektrolit. Separator omogoa pretok ionov. Elektrolit je medij za prenos naboja med elektrodama. Negativna elektoda je anoda in ona odda elektron, na njej poteka oksidacija. Pozitivna eklektroda je katoda in ona sprejme elektron, na njej poteka redukcija.

Anoda je izdelana iz kovin, ki imajo negativen elektrodni potencial, kot so recimo litij in cink (reducenti). Za katodu pa so najbolji materijali, ki so dobri oksidanti (razni oksidi). Za elektrolit je zelo pomembno da bode dober ionski prevodnik in dober elektronski izolator zbog tega da se prepree notranji kratki stiki. Za prepreavanje kratkih stikov skrbi e porozna pregrada, ki odvaja obe elektrodi, lahko so tudi dva razlina elektrolita. Porozna pregrada mora biti propusna za ione.

Slika 1. Elektrode, elektrolit ter potek iona in elektrona

3

Slika 2. Zgradba alkalne baterije

Slika 3. Zgradba cinkove baterije

4

Slika 4. Zgradba Li-ion lena

2.2 Princip delovanja Kot e sigurno vemo, baterija je naprava, ki pri kemijski reakciji (oksidacija in redukcija) proizvaja elektrino energijo.

Primer:

Na strani anode se nahaja bolj elektropozitiven materijal in zato odda elektrone (cink) in ione, na strani katode se elektroni sprejemljejo, a ioni iz elektrolita se nalagajo na katodo. Elektroliti se loijo s separatorjem, ki omogoa pretok ionov, prepreuje meanje elektrolitov in tudi preprei kratke stike med elektrodami. Ko se elektrode poveejo z vodnikom , stee po vodniku tok elektronov.

Slika 5. Princip delovanja Zgornji primer je primer baterije, ki se je ne da ponovno napolniti (primarne baterije). Pri baterijah, ki se jih da ponovno napolniti (sekundarne baterije), lahko elektrodi vrneju v

5

zaetno stanje s procesom obratne redoks reakcije, poaje se tok iz zunanjeg izvora v nasprotno smer.

2.3 Karakteristike baterij Elektrina napetost:

Elektrina napetost lena je razlika elektrinih potencialov med elektrodami. Potencial je odvisen od vrste aktivnih elementov v elektrokemijskem lenu, od temperature in koncetracije elektrolita, ki se spreminja, ko reakcije tee. Napetost se lahko izmeri le med svema elektrodama, pa se zato postavi potencial ene elektrode na 0, potenciali ostalih elektrod pa se podajo glede na standardno elektrodo. Lahko se izmeri potencial poljubne elektrode in za poljubno kombinacijo elektrod se lahko izrazi teroretina standardna napetost lena.

S pomojo tabele se lahko izraunamo teoretino napetost na nain da se anodni potencial odteje od katodnega.

6

Kapaciteta: Odvisna je od koliine aktivnih elementov v elektrokemijski celici. Faradayev zakon pravi, da je masa snovi, ki se izloi na elektrodi, sorazmerna s preteenim nabojem. Kapaciteta baterije se izrauna iz "ekvivalentnih mas" reaktantov, a podaja pa se v enotah Ah.

Krivulja praznjenja: Pri visokih tokovih (impedanca bremena nizka) so izgube zaradi notranjih upornosti v bateriji velike in se zato baterija hitreje isprazni. Baterija ki pri doloenemu toku dosee neki prag napetosti (cut off), se lahko uporabi baterijo e pri bremenu, ki potrebuje manji tok. ivljenski as baterije bo dalji e se baterija uporablja pri konstantni moi in pri enakem bremenu. Temperatura pri kateri baterija ima najbolji iskoristek je med 20 in 40o C.

2.4 Vrste baterij Primarne - ne da ih se ponovno napolniti (visoka kapaciteta, poasneje se praznijo, enostavne, niso drage)

Sekundarne - mono ih je ponovno napolniti (ceneje so, uporabljajo se tam kjer je menjava baterij zamudna ali pa manjava ni mona)

Cink-karbonska: anoda je iz cinka, katoda je iz manganovega dioksida (lahko ima pomean ogljik). Pogodne su za naprave ki ne potrebujejo visokih tokov.

Alkalna: anoda je iz cinka, katoda iz manganovega dioksida, elektrolit je kalijev hidroksid. Imajo dolgi ivljenski as in se lahko koristijo za razline vrste naprava. Ne dajo se polniti makar so se pojavile neke alkalne baterije, ki se lahko polnijo, ali one imajo dosti pomanjkljivosti kot je recimo mali broj monih ponovnih polnjenja.

ivosrebrna: anoda od cinka, katoda iz ivosrebrnega oksida, elektrolit pa je kalijev hidroksid, imajo visoko kapaciteto a koriste pa se v specijaloziranih napravah.

Srebrova: anoda je iz cinka, katoda iz srebrovrga oksida. Podobne karakteristike kot ivosrebrna ali nije toksina, to so pogosto ploate baterije.

7

Nikel-kadmijeva: anoda je iz kadmija, katoda iz nikljevega hidroksida. Ima visoko ceno in je toksina. Napetosna krivulja praznjenja je bolj polona. Pri alkalnih je recimo bolj strma. Lahko zadrijo nominalno napetost priblino 2/3 asa praznjenja, potem pa napetost strmo pade. Lahko ih 1000 krat ponovno napolnimo, a problem je edino memory efekt,oz. ese baterije ne izprazne do konca, v naslednjem polnjenju se nebo ve popolnoma napolnila.

Nikelj-metalhidridna: anoda je apsorbiran vodik v kovini. Krivulja praznjenja je podobna NiCd, imajo veo kapaciteto od enakih NiCd baterij, napolnimo ih lahko 1000 krat. Nedostatek im je visoka stopnja samopraznjenja (2-3% na dan). Recimo da je stopnja samopraznjenja alkalnih baterij samo 5% na leto.

Li in Litij-ionska: katoda in anoda imajo plastovito strukturo. Katoda je kovinski oksid (LiCoO2) a lahko je tudi in s tunelsko strukturo (LiMn2O4). Anoda je iz ogljikovih materijalov. Pri polnjenju/praznjenju se litijevi ioni vgradijo/izloijo iz prostorov med plastimi na elektrodah. Li baterije se ne dajo polniti, Li-ion pa so podobne baterije, le da jo lahko polnimo. Nekaj krat so draje od NiMh, a kapaciteta im je do 3 krat veja kot pri istih NiMH baterij.

Slika 6. Alkalne baterije

8

3.0 Nartovanje vezja in uporaba akvizicijske kartice

3.1 Vezje s konstantnim tokom

Kapacitvnost baterije ima enoto [mAh], kar pomeni, da baterija od 100 mAh mora dajati tok od 10mA, deset ur. Ta predpostavka velja, e je ves as tok konstanten. Zaradi pravilnega izrauna kapacitivnosti, bilo je potrebno nartovati vezje, ki bo ves as praznilo baterijo z konstantnim tokom. Tako vezje je prikazano na sliki 7. Pri nartovanju vezja smo upotevali, da bo najvea napetost baterije 1.5V in najvei tok pranjenja 200mA. Glede na te podatke smo izbrali tranzistor in merni upor Rs. Srce vezja je operacijski ojaevalnik, ki deluje kot regulator. Negativna povratna zveza se ostvarja prek otpornika Rs, ki meri tok s katerim se prazni baterija. Padec napetosti na uporu Rs gre na invertirajui vhod operacijskega ojaevalnika.

Slika.7 Shema vezja Na neinvertitajui vhod operacijskega ojaevalnika gre vhodna napetost s katero

nadaljujemo eleni tok pranjenja baterije, kar pomeni, da z izhodom operacijskega ojaevalnika upravljamo z bazo tranzistorja. Zaradi laje izvedbe smo uporabili operacijski ojaevalnik, ki ne potrebuje simetrino napjanje(+12V,-12V), ampak napajanje je samo 12V. Za nastavljanje elenega toka in meritve napetosti na bateriji smo uporabljali akvizicijsku karticu NI USB-6343.

9

3.2 Povezava akvizicijske kartice z raunalnikom in vezjem

Data acquisition card NI USB-6343 je uporabljena kot merilni instrument in z njo smo nadaljevali eleni tok. Na sliki.7 lahko vidimo, katere vhode in izhode akvizicijske kartice smo uporabljali. Z analognim vhodom 1 smo brali padec napetosti na mernom uporu Rs in preko Ohmovog zakona smo prili do toka. Z analognim vhodom 2 smo merili napetost na bateriji in z analognim izhodom 0 smo nadaljevali eleni tok.

Slika.8 NI USB-6343

Software s katerim smo upravljali akvizicijsko kartico je LabView. V LabView-u je narejen program s pomojo konanih funkcij DAQ Assisatnt in Write to Mesurment File kot lahko vidimo na sliki.9. Prva funkcija DAQ Assistant je konfigurirana kot vhod, kar pomeni, da ta funkicija vsako sekundo (sample rate 1Hz) bere vhode AI:1 in AI:2. Zaradi tega, ker ni mono eden DAQ Assitant uporabljati za vhod in izhod, smo uporabili e eno funkcijo DAQ Assistant. Druga funkcija DAQ Assistant2 je konfigurirana kot izhod raspona od 0-10V, kar pomeni da z njo nadaljujemo eleni tok pranjenja. Meritve toka in napetosti baterije smo shranjevali pomojo funkcije Write to Messurment File. S pomojo te funkcije so vse meritve shranjene u Excell mapi, saj so se tam analizirale in grafino oblikovale.

10

Slika.9 Program u LabView-u

Po izvedenemu programu v Blok diagramu LabView-a smo naredili vizualizaciju.

Slika.10 Vizualizacija u LabViewu

11

Na sliki.10 lahko vidimo, da je vhodna napetost s pomojo potenciometra nastavljena okrog 3.7V, skozi bateriju tee tok okoli 70mA in napetost na bateriji je okoli 1.4V. Konstanta za branje toka je vrednost upora Rs (2.2), napisana je v obliki 0,0022 da dobimo izraunati tok u mA. Kot se vidi na sliki.10, padec napetosti na uporu Rs je 0,153188V deljeno z konstantom za branje toka, na koncu dobimo tok, s katerim se prazni baterija.

Slika.11 Izgled realnega modela

12

4.0 Meritve kapacitivnosti razlinih proizvajlec baterij

Kapacitivnost baterije je produkt med tokom in asom ter dejansko pove, kolikor asa lahko baterija daja tok neke vrijednosti.

=

kjer je tok- I, as-.

Kapacitvnost baterije je odvisna od toka pranjenja, cutoff napetosti in temperature. Meritve kapacitivnosti baterij smo izvajali z 3 razlina proizvajalca baterij, in sicer Duracell, Camelion in Varta. Za ispitivanje smo vzeli dve osnovne velikosti baterij AA in AAA vsakega proizvajalca. Zaradi laje primerjave baterij, vse baterije so alkalne. Baterije smo praznili s 3 razlina konstantna toka od 50mA, 100mA in 200mA. Eden pomeben izraz za razumevanje nasljednjih meritvi, grafov je tako imenovana cuttoff napetost. Cutoff napetost je spodnja meja napetosti, pri kateri menimo, da je baterija izpranjena. Dejansko po cuttoff napetosti, napetost na bateriji zane strmo padati in baterija ni ve uporabna. Zaradi primerjave razlinih baterij, za vse baterije smo vzeli, da je cutoff napetost 1V.

4.2 Camelion baterija

Slika.12 Karakteritika baterije Camelion AA pri razlinih tokovi

13

Slika.13 Karakteristika baterije Camelion AAA pri razlinih tokovih

Za izraun kapacitivnosti baterije smo uporabljali tok, s katerim smo praznili baterijo in merili as do kdaj bo baterija padla na cutoff napetost.

1) AA baterija a) Tok pranjenja 50mA, as do cutoff napetosti = 459

= = (: ) = .

b) Tok pranjenja 100mA, as do cutoff napetosti = 2037 = = % (: &) = '%

c) Tok pranjenja 200mA, as do cutoff napetosti = 859 = = (): ) = %'

2) AAA baterija a) Tok pranjenja 50mA, as do cutoff napetosti = 1941

= = (%: %) = )

b) Tok pranjenja 100mA, as do cutoff napetosti = 842 = = % (): ) = )

c) Tok pranjenja 200mA, as do cutoff napetosti = 36 = = (&: ') = '

Camelion baterije edine od ispitivanih baterij v svojemu datasheetu imajo navedeno svojo kapacitivnost. Za baterijo AA tipa kapacitivnost znaa 2800mAh, za baterijo AAA tipa

14

kapacitivnost znaa 1280mAh. Kot vidimo datasheet podaci so pravilni, kadar se baterija prazni s manjimi tokovi od 50mA zato, ker je kapacitivnost odvisna od toka.

4.3 Varta baterija

Slika.14 Karakteristika baterije Varta AA pri razlinih tokovih

Slika.15 Karakteristika baterije Varta AAA pri razlinih tokovih

15

1) AA baterija a) Tok pranjenja 50mA, as do cutoff napetosti = 1223

= = (%: &) = '%

b) Tok pranjenja 100mA, as do cutoff napetosti = 443 = = % (: &) = %

c) Tok pranjenja 200mA, as do cutoff napetosti = 110 = = (%: %) = &&

2) AAA baterija a) Tok pranjenja 50mA, as do cutoff napetosti = 2020

= = (: ) = %%'

b) Tok pranjenja 100mA, as do cutoff napetosti = 836 = = % (): &') = )'

c) Tok pranjenja 200mA, as do cutoff napetosti = 323 = = (&: &) = ''

Karakteristika Varta AA baterije je zelo slaba, pri tokovih od 100mA in 200mA karakteristik ni ve prepoznatljiva. V primerjavi z Camelion AA baterijo, kapacitivnosti so bistveno nije. Obstaja monost, da je Varta AAA bila nekakren kart izdelek. Zanimivo je, da Varta AAA baterija ima boljo kapacitvnost od Camelion AAA in v tej kategoriji je Varta zmagala.

16

4.4 Duracell baterija

Slika.16 Karakteristika baterije Duracell AA pri razlinih tokovih

Slika.17 Karakteristika baterije Duracell AAA pri razlinih tokovih

17

1) AA baterija a) Tok pranjenja 50mA, as do cutoff napetosti = 447

= = (: ) =

b) Tok pranjenja 100mA, as do cutoff napetosti = 1923 = = % (%: &) = %&)

c) Tok pranjenja 200mA, as do cutoff napetosti = 724 = = (: ) = %)

2) AAA baterija a) Tok pranjenja 50mA, as do cutoff napetosti = 1726

= = (%: ') = )%

b) Tok pranjenja 100mA, as do cutoff napetosti = 842 = = % (): ) = )

c) Tok pranjenja 200mA, as do cutoff napetosti = 313 = = (&: %&) = '&

V primerjavi z Camelion baterijami je Duracell baterija po kapacitivnosti slaba, ampak ima najbolj stabilno karakteristiko, pri visokih tokovih pa se dobro dri. Zmagovalec v skupini AAA baterij je Varta baterija.

18

5.0 Zakljuek

Pri primjerjavi vseh rezultatov lahko vidimo, da se kapacitivnosti baterij razlikujejo okrog 5%. Odgovor na vpraanje z uvoda, e je Duracell baterija najbolja na triu je nasljednji: glede na ceno Duracell AA baterije in Camelion AA baterije, bolj se splaa kupiti Camelion bateriju, za katero se pokazalo, da ima celo boljo kapacitivnost. e enkrat smo pria temu, kako mediji vplivajo na lovekovo mnenje.

19

Literatura

[1] http://www-f1.ijs.si/~ziherl/Baterije.pdf

[2]http://projlab.fmf.unilj.si/arhiv/2005_06/naloge/izdelki/energijabaterije/Dat

oteke_HTML/teorija.htm

[3] http://www.faro.si/primer4.htm

[4] http://www.slo-foto.net/clanki/40/o-baterijah