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Sintesi Progetto di un caricabatterie Ni-Cd, tesina
Questa tesina descrive il progetto di un caricabatterie Ni-Cd. Questo dispositivo (comunemente chiamato Power bank), ci consente di caricare pacchi batterie portatili formati da diverse pile i quali una volta caricati e portati in viaggio consentono di ricaricare diversi dispositivi come ad esempio cellulari, macchine fotografiche, dove non c’è la possibilità di un allacciamento alla rete elettrica. Solitamente erogano una tensione di 5V DC e hanno una capacità che varia in base ai tipi di modello(da 500 a 3000mAh). La tesina permette dei collegamenti con due materie.
Collegamenti
Progetto di un caricabatterie Ni-Cd, tesina
Elettronica: Le tecniche circuitali.
T.D.P.: Il funzionamento circuito stampato.
Power Bank
Premessa: Pila o batteria?
Il termine pila o batteria sono dei sinonimi perché indicano entrambi
un componente elettrico in grado di fornire energia elettrica,
distinguendosi in diversi motivi:
Le pile hanno una disposizione delle celle galvaniche in
verticale (una sopra l'altra).
Il termine pila viene utilizzato anche per indicare le celle
galvaniche usate singolarmente (come nel caso delle Pile stilo,
ad esempio le AA, AAA),
Le batterie, al contrario hanno una disposizione delle celle in
orizzontale (una di fianco all'altra) e vengono utilizzate per
indicare una fonte energetica di corrente elettrica costituita da
più batterie unite tra di loro, come nel caso di "pacchi
batteria".
Funzionamento:
La base o principio chimico-fisico di funzionamento di una pila è una
ossidoriduzione
reazione di che avviene al suo interno, in cui una
sostanza subisce un processo di ossidazione, perdendo elettroni,
mentre un'altra sostanza subisce un processo di riduzione,
acquistandoli. Tale flusso genera dunque una corrente elettrica
continua, il cui potenziale elettrico è in funzione delle reazioni di
ossidazione e riduzione che vi avvengono. Una pila è scarica
quando queste reazioni chimiche raggiungono lo stato di equilibrio.
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Power Bank
1: Introduzione al progetto:
Questo dispositivo (comunemente chiamato Power bank), ci
consente di caricare pacchi batterie portatili formati da diverse pile i
quali una volta caricati e portati in viaggio consentono di ricaricare
diversi dispositivi come ad esempio cellulari, macchine
fotografiche...dove non c’è la possibilità di un allacciamento alla
rete elettrica.
Solitamente erogano una tensione di 5V DC e hanno una capacità
che varia in base ai tipi di modello(da 500 a 3000mAh).
Figura 1: Una tipologia di Power bank
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Power Bank
2: Nascita della pila:
La pila di Volta è stato il primo generatore statico di energia
elettrica a essere realizzato.
Inventata da Alessandro Volta intorno al 1800, essa costituisce il
prototipo della pila elettrica moderna.
La pila di Volta è costituita fondamentalmente da una colonna di più
elementi simili sovrapposti, chiamati elementi voltaici, ciascuno dei
quali consiste in un disco di zinco sovrapposto ad uno di rame, uniti
attraverso uno strato intermedio di feltro o cartone imbevuto
in acqua salata oppure acidulata.
Collegando gli estremi superiore ed inferiore della pila per mezzo di
un conduttore elettrico si crea un circuito nel quale circola corrente
continua.
Successivamente, nel 1836, John Frederic Daniell elaborò una pila,
chiamata pila Daniell, sfruttando il prototipo inventato da Volta e
apportando miglioramenti in termini di tensione e sicurezza d'uso.
Figura 2a: Schema della pila di Volta:
un elemento della pila;
1.
Figura 2: Prototipo della pila di Volta strato di rame;
2.
in esposizione al museo scientifico di contatto negativo;
3.
Treviglio. contatto positivo;
4. feltro;
5. strato di zinco;
6.
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Power Bank
3: Tipologia di pile:
Una batteria è caratterizzata dai seguenti parametri elettrici:
Differenza di potenziale (V);
Corrente elettrica (A);
Capacità (Ah);
Le pile primarie, sono quelle pile le cui reazioni chimiche
interne sono irreversibili. Non è possibile invertire la reazione
completa semplicemente fornendo energia alla pila.
Quando tutti i reagenti della pila si trasformano completamente nei
prodotti finali, essa si scarica definitivamente divenendo
inutilizzabile.
Le pile secondarie, (o accumulatori , viceversa, sono quelle
)
pile le cui reazioni chimiche interne sono reversibili. A differenza
delle pile primarie, somministrando energia elettrica a questi
dispositivi, si inverte il senso della reazione chimica ottenendo la
riformazione dei reagenti iniziali. Per tale motivo le pile secondarie
sono dette "ricaricabili".
3.1: Le pile primarie: Zandonà Michele 5Ae Pagina 6
Power Bank
Possono essere collegate in serie per avere un determinato
voltaggio.
Non dovrebbero mai essere collegate in parallelo
perché c'è la possibilità che una pila tenti di ricaricarne
un'altra.
Pile di zinco/carbone
Hanno un voltaggio nominale di 1,5 V per pila. Il loro vantaggio è
che sono economiche, ma tendono a perdere circa il 15% della loro
capacità per ogni anno di stoccaggio. Esse non devono mai
essere lasciate all'interno degli equipaggiamenti quando
sono esaurite, in quanto facilmente possono perdere agenti
chimici molto corrosivi che possono causare danni costosi
agli equipaggiamenti.
Pile alcaline manganese
Queste sono le pile con la maggiore durata. Hanno un voltaggio
nominale di 1,5 V per pila. Sono considerevolmente più costose
rispetto quelle zinco/carbone, ma hanno una capacità 3 volte
superiore e normalmente perdono soltanto il 7% della loro capacità
in un anno di stoccaggio.
Pile al mercurio
Le pile di mercurio hanno un voltaggio nominale di circa 1,4 V per
pila. Sono molto costose, ma la loro capacità è di 6/8 volte
superiore rispetto a quella delle pile zinco/carbone e perdono
soltanto il 6% circa per ogni anno di stocaggio. A causa di
problemi ambientali associati al loro smaltimento, il loro
utilizzo non è molto frequente.
Pile in ossido di argento (a bottone)
Sono conosciute come le piccole pile cilindriche argentate che si
possono trovare negli orologi e calcolatrici. Il voltaggio nominale è
di circa 1,5 V per pila. Hanno capacità simile alle pile alcaline
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Power Bank
manganese, ad un costo più alto. Il loro grande vantaggio è che
sono di dimensioni ridotte.
Pile al litio e diossido di manganese
Le pile Li-MnO sono quelle più moderne ed ad alta potenza. Il loro
2
voltaggio nominale è di 3 V. La loro capacità si avvicina a quella
delle pile al mercurio. Il punto di forza è che perdono meno
del 2 % della loro capacità ogni anno. .
Figura 3:Rappresentazione
schematica di una pila zinco- Figura 4: Alcuni tipi di pile alcaline.
carbone; il catodo (+) è una
barretta di grafite, il
contenitore esterno di zinco
funge da anodo (-)
3.2: Pile secondarie:
Le pile secondarie possono essere utilizzate in serie, in
parallelo, o in una combinazione di entrambi, per
raggiungere il voltaggio e la capacità richieste. L'unica
limitazione è che ogni pila deve essere di similare voltaggio,
capacità e composizione chimica uguale alle altre.
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Power Bank
I principali tipi di pile secondarie sono i seguenti:
Batterie al piombo/acido
Questa è la tipologia più comune di batterie ricaricabili. Sono
utilizzate come batterie per le auto. Ogni batteria è formata da un
numero di pile individuali, ognuna con un voltaggio nominale di 2 V.
La maggior parte delle batterie è formata da 3 o 6 pile che
forniscono un voltaggio di 6/12 V. Queste batterie vengono poi
collegate insieme in modo da fare un gruppo con voltaggio e
capacità richieste(es. 24V). Le batterie al piombo/acido sono molto
popolari in quanto sono economiche e possono fornire molta
corrente di spunto, per i motori.
Pile al nichel-cadmio/ Nichel-metallo idruro
Le pile Ni-Cd (Nichel - Cadmio), dopo la scoperta della difficoltà
nello smaltimento del cadmio, le pile Ni-Cd sono state largamente
sostituite dalle batterie al Nichel-metallo idruro. Queste hanno
proprietà simili, ma sono smaltibili in modo più sicuro e semplice.
Entrambe le tipologie forniscono prestazioni più elevate se vengono
ricaricate completamente soltanto quando sono quasi
completamente scariche. Se invece sono scariche soltanto
parzialmente e vengono regolarmente ricaricate, potrebbero
perdere parte della loro capacità. Le pile al nichel non
dovrebbero mai scendere al di sotto del voltaggio di 1 V
circa perché se completamente scariche, potrebbero subire
una reversione di polarità che accorcia la vita della stesse .
Batteria agli ioni di litio
Sono la tipologia di batterie ricaricabili più importanti. Offrono
almeno il doppio della capacità delle pile al nichel-metallo idruro e
hanno solamente una leggera tendenza a formare una memoria.
L'ostacolo è causato dal prezzo (costano 3 volte di più rispetto alle
batterie al nichel-metallo idruro)e dalla difficoltà per il modo di
ricarica. Vengono utilizzate in applicazioni dove è necessaria una
grande quantità di energia ma il peso deve essere tenuto al
minimo(come negli Smartphone).
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Power Bank
Figura 5:Un accumulatore agli
ioni di litio Figura 6:pile ricaricabili tipo
AA al nichel-metallo idruro (Ni-
MH)
4: Modalità di ricarica:
Tradizionale (semplice):
Un caricabatterie semplice funziona connettendo un’ alimentazione
a corrente costante alle batterie in carica.
La semplicità di questa procedura implica un basso costo di
acquisto, ma vi è un compromesso in termini di qualità.
Tipicamente, un semplice
caricabatterie richiede più tempo di
ricarica per evitare effetti di
sovraccarica. Nonostante ciò, una
batteria lasciata nel caricabatterie di
questo tipo per troppo tempo risulterà
indebolita (o addirittura distrutta) a
causa dell'eccessiva carica, quindi
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Power Bank
sarebbe necessario rispettare i tempi previsti, che dovrebbero
essere cronometrati. Figura 7: Alimentatore in corrente
costante di tipo tradizionale
A timer:
L'uscita di un caricabatterie a timer funziona anch’ esso a corrente
costante ma la carica termina dopo un tempo predeterminato. I
caricabatterie a timer, alla fine degli anni novanta, erano il tipo più
comune per le batterie NiCd ad alta capacità. I caricabatterie a
timer presentavano anche l'inconveniente che caricando batterie
non completamente scariche queste risultavano poi sovraccaricate,
in quanto non vi è modo di rilevare lo stato di carica: anche se la
batteria era carica, continuava a ricevere erogazione di corrente,
perché il tempo non era ancora scaduto.
A impulsi:
Alcuni caricabatterie utilizzano la tecnologia a impulsi, nella quale
alla batteria viene dato un impulso a corrente continua che ha un
tempo di salita, frequenza e ampiezza strettamente controllati. Con
il caricamento ad impulsi, si possono applicare alte tensioni
istantanee senza surriscaldare la batteria. Alcuni caricabatterie
utilizzano impulsi per verificare lo stato iniziale della batteria non
appena viene collegata al caricabatterie, successivamente
utilizzano la corrente costante durante il caricamento veloce e
utilizzano gli impulsi per terminare il caricamento e/o mantenere la
carica.
Intelligente (∆V):
La corrente di uscita dipende dallo stato della batteria. Un
caricabatterie intelligente può monitorare la tensione della
batteria sotto carica per determinare la corrente di carica in quel
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Power Bank
momento. La carica termina quanto la tensione rilevata lascia
presumere che la batteria è completamente carica.
Per batterie NiCd e NiMH, la tensione aumenta lentamente
mentre la batteria è in carica, fino a quando è stata quasi
completamente ricaricata. A quel punto la tensione diminuisce
fino a che la batteria è stata ricaricata completamente. Tali
caricabatterie sono spesso indicati come o caricabatterie
∆V,
“delta-V” perché monitorano il cambiamento della tensione.
Un tipico caricabatterie intelligente ricarica una batteria fino
all'85% circa della sua capacità massima in tempi brevi,
solitamente anche meno di un'ora, e poi passa a un caricamento
più lento, impiegando anche diverse ore per caricare la batteria
fino alla capacità massima.
Figura 8: Fenomeno del "Delta Peak" durante la ricarica di una batteria.
Induttivo:
I caricabatterie a induzione utilizzano l'induzione elettromagnetica
per caricare le batterie. Una stazione di caricamento manda energia
elettromagnetica attraverso un accoppiamento induttivo a un
dispositivo elettrico che va a conservare l'energia nelle batterie.
Questo accade senza bisogno di contatto metallico tra il
caricabatterie e la batteria. Si usa comunemente con gli spazzolini
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Power Bank
elettrici ed altri dispositivi usati in bagno, cosicché da non avere
contatti elettrici “scoperti” ed eliminare il rischio di folgorazione
connesso al suo utilizzo.