Progetto di un caricabatterie Ni-Cd, tesina

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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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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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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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

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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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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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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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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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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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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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elettrici ed altri dispositivi usati in bagno, cosicché da non avere

contatti elettrici “scoperti” ed eliminare il rischio di folgorazione

connesso al suo utilizzo.