wszystko o akumulatorkach, ładowarkach i ładowaniu (FAQ)

Jakie akumulatorki i jaką ładowarkę wybrać?

Przede wszystkim należy odpowiedzieć sobie na dwa pytania: jaki sprzęt ma być zasilany kupowanymi akumulatorkami, oraz jak bardzo zależy nam na szybkości ich ładowania.

Pytanie pierwsze sprowadza się zasadniczo do rozważenia kwestii poboru prądu. Jeżeli akumulatorkami zasilać będziemy naszą zwykłą latarkę ręczną, której po prostu dużo używamy, w zupełności wystarczą nam prawidłowo ekspolatowane akumulatorki RAM, sprawujące się dobrze przy niewielkim poborze prądu. Jeżeli potrzebujemy zasilania do starszego palmtopa, a nie bardzo chce się nam płacić za nowoczesną ładowarkę i akumulatorki o dużych pojemnościach, możemy zdecydować się na dostępne wciąż tu i ówdzie w bardzo konkurencyjnych cenach akumulatorki niklowo-kadmowe (Ni-Cd). Jeżeli natomiast nasz sprzęt to nowiutki aparat cyfrowy, niewątpliwie potrzebne będą najpojemniejsze akumulatorki niklowo-wodorkowe, gwarantujące długą żywotność nawet przy dużym poborze prądu, typowym dla tego rodzaju zastosowań. Więcej o charakterystykach poszczególnych typów akumulatorków i ich zastosowaniach przeczytać możesz tutaj i tutaj.

O ile rozpiętość cenowa w zakresie akumulatorków nie jest aż tak duża (a zatem i najważniejszy często przy wyborze czynnik kosztów nie gra tu aż takiej roli), o tyle ładowarki potrafią różnić się od siebie cenowo o rząd wielkości. Którą wybrać? Przede wszystkim pamiętajmy o tym, żeby była ona w stanie naładować zakupione przez nas akumulatorki! A zatem:

w przypadku akumulatorków Ni-Cd musimy upewnić się, że producent przewidział możliwość ładowania w niej tego typu (uważanych ogólnie za przestarzałe) akumulatorków (przy czym należy zauważyć, że mimo tej ogólnie uznanej "przestarzałości", akumulatorki Ni-Cd wcale nie różnią się aż tak bardzo na niekorzyść w stosunku do swoich następców - Ni-MH - a przy tym, często można je zakupić w bardzo korzystnej cenie - co odnosi się również do szybkich ładowarek potrafiących je ładować)

w przypadku akumulatorków Ni-MH pamiętać musimy o tym, żeby nie kupić ładowarki przestarzałej, sterowanej zegarowo, przystosowanej do ładowania starszych typów akumulatorków Ni-Cd - która po prostu nie naładuje bardzo pojemnych akumulatorków Ni-MH w pełni

Kolejnym czynnikiem wpływającym na cenę ładowarki (a zatem i jej wybór), jest wykorzystany w niej mechanizm sterujący ładowaniem. Zasadniczo na rynku spotykane są w tej chwili dwa rodzaje ładowarek:

ładowarki sterowane zegarowo - do niedawna praktycznie jedyny dostępny rodzaj ładowarek; po określonym czasie ładowania (przewidzianym przez producenta) po prostu odłączają prąd lub przełączają się w tryb ładowania podtrzymującego; taki cykl ładowania nie gwarantuje wykorzystania pełnej pojemności najnowszych typów akumulatorków (np. Panasonic 2000mAh)
ładowarki "procesorowe" - przebiegiem ładowania steruje tutaj procesor, odpowiednio dostosowujący prąd ładowania tak, aby ani nie przeładować, ani nie naładować tylko częściowo umieszczonych w ładowarce akumulatorków; procesor procesorowi nierówny, tak więc i poprawność wyników jego działania różni się znacznie w zależności od modelu ładowarki

Ogólnie, ładowarki procesorowe są od 3 do 5 razy droższe w stosunku do ładowarek sterowanych zegarowo. Ich podstawową zaletą jest jednak fakt, że najczęściej są znacznie szybsze od modeli sterowanych zegarem - oferując czasy ładowania zestawu akumulatorków nawet rzędu 1 godziny.

Jak działają ładowarki?

Najogólniej, aktualnie dostępne na rynku ładowarki podzielić możemy na sterowane zegarowo (tańsze, starszego typu) i sterowane "procesorem" (układem elektronicznym kontrolującym prąd i czas ładowania - jest to względnie nowy typ ładowarek). Poniżej, w miarę opisywania sposobów ładowania, zajmiemy się także tym, jak działają i czym różnią się te dwa typy ładowarek. Jeżeli nie wiesz jeszcze jak działają baterie i akumulatorki i/lub nie jesteś obeznany z terminologią ich dotyczącą, prawdopodobnie dobrze zrobisz zapoznając się w tym momencie z artykułem "jak działa bateria?" oraz "słowniczkiem terminologii związanej z bateriami".

podstawowe wiadomości o ładowaniu

W przeciwieństwie do akumulatorów samochodowych, które ładuje się stałym napięciem, akumulatorki Ni-Cd i Ni-MH ładuje się stałym prądem. Najprostszą metodą ładowania jest po prostu podłączenie ładowanego ogniwa do źródła prądu o natężeniu C/10 na ok. 12-15h. C oznacza tu pojemność akumulatorka (liczoną w miliamperogodzinach - mAh) - przypomnijmy, że akumulatorek o pojemności 1000mAh (czyli jednej Ah - amperogodziny) to taki, który jest w stanie dostarczać prądu o natężeniu 1A przez godzinę (lub prądu o natężeniu 2A przez pół godziny, 500mA przez dwie godziny, itd.) A zatem całkowicie rozładowany akumulatorek o pojemności 2000mAh należałoby, zgodnie z tą metodą, ładować przez 15 godzin prądem o natężeniu 200mA.

Opisana metoda jest dość "idiotoodporna" - prąd ładowania jest (a przynajmniej był, w starszych, mniej pojemnych typach akumulatorków) na tyle niewielki, że nie grozi drastycznymi skutkami ubocznymi w przypadku zbyt długiego przetrzymania akumulatorka w ładowarce (akumulatorek nie przegrzewa się nadmiernie). Prostota metody - jak również schematu pozwalającego zbudować wykorzystującą ją ładowarkę - sprawiła, że tak właśnie działa większość ładowarek sterowanych zegarem. Aplikują one po prostu stały prąd przez czas o określonej długości, po czym prąd odłączają (lub przełączają się w tryb ładowania podtrzymującego, bardzo niewielkim prądem, mającego na celu zapobieżenie samorozładowaniu się akumulatorka). Ponieważ czas i prąd ładowania są tutaj zazwyczaj ustalone "na sztywno", taka metoda oznacza, że nowsze akumulatorki (o większych pojemnościach) nie zostaną naładowane do pełna. Rzecz jasna, zapobiec temu można po prostu wyjmując je z ładowarki i umieszczając je w niej ponownie (należy jednak pamiętać o tym, że przeładowanie akumulatorków wpływa negatywnie na jakość ich pracy - dotyczy to zwłaszcza akumulatorków niklowo-wodorkowych!)

kiedy odłączyć prąd?

Opisana powyżej metoda nieźle sprawdzała się w czasach, kiedy wszystkie akumulatorki miały mniej więcej tą samą, niewielką pojemność. Obecnie, wraz z żywiołowym rozwojem wszelkiego rodzaju sprzętu przenośnego, powstają również coraz bardziej pojemne akumulatorki - które, ładowane w sposób tradycyjny, po prostu nie wykorzystywałyby całej swojej pojemności. Aby zaradzić temu problemowi (oraz, jak zobaczymy, przy okazji przyspieszyć proces ładowania bez ujemnych skutków dla żywotności akumulatorków) wynalezione zostały ładowarki procesorowe.

Podstawowym pytaniem na które "odpowiedzieć" musi sobie ładowarka jest - "kiedy akumulatorek jest już w pełni naładowany?" Niestety, uzyskanie odpowiedzi wcale nie jest proste. Jak widzieliśmy, zastosować można tutaj metodę "na oko" - akumulatorek ma mniej więcej taką pojemność, jeżeli będziemy go ładować przez mniej więcej taki czas, nie powinien się za bardzo przeładować. O problemach tej metody już pisałem. Rozważmy inne możliwości - na początek, przyjrzyjmy się zmianom napięcia pojedynczego ładowanego ogniwa w trakcie procesu ładowania (wykres poniżej).

Widzimy, że napięcie na ładowanym akumulatorku wcale nie zależy liniowo od poziomu jego naładowania (na marginesie - sprawia to poważne problemy kiedy np. chcemy dowiedzieć się, jak bardzo rozładowany jest nasz akumulatorek - napięcie dla 10% pojemności jest omalże identyczne z tym dla 60%). Na szczęście jednak, pod koniec ładowania napięcie zaczyna dość gwałtownie wzrastać (wzrost ten jest jednak znacznie mniejszy w przypadku akumulatorków Ni-MH) - aby łagodnie opaść w momencie kiedy akumulatorek zostanie w pełni naładowany. A zatem, aby stwierdzić kiedy przestać ładować akumulatorek (albo lepiej - kiedy przełączyć się na ładowanie potrzymujące) "wystarczy" monitorować napięcie na ładowanym ogniwie - i odłączyć prąd w momencie kiedy zacznie ono spadać. Rozwiązanie wydaje się idealne! Niestety, jest jedna problem - spadek napięcia nie jest zbyt duży - wynosi tylko ok. 10mV dla ogniwa Ni-Cd, i ok. 2mV dla ogniwa Ni-MH. Zmierzenie tak niewielkiej różnicy napięć (dodatkowo o niepewnej wielkości - weźmy pod uwagę różne konstrukcje akumulatorków, ich historię eksploatacji, zakłócenia zewnętrzne) nie jest zadaniem łatwym - do tego potrzebny jest właśnie ów "procesor" w ładowarkach procesorowych!

Oczywiście, trudno wierzyć takiemu niepewnemu pomiarowi jako jedynemu źródłu wiedzy o tym, kiedy zakończyć ładowanie. Dlatego też producenci ładowarek przyjrzeli się również charakterystyce temperaturowej ogniwa w trakcie procesu ładowania (patrz wykres poniżej).

Widzimy, że wraz z postępami ładowania, wzrasta również temperatura ładowanego ogniwa - a w dodatku, wykreślona charakterystyka jest już nieco bardziej liniowa niż ta z którą mieliśmy do czynienia w przypadku napięcia. Tą też właśnie charakterystyką wspomagają się w wyznaczaniu momentu zakończenia ładowania lepsze ładowarki procesorowe - odcinać prąd można zresztą zarówno na podstawie wzrostu wartości temperatury powyżej określonego progu, jak i w momencie przekroczenia przez pochodną temperatury (prędkość jej wzrostu, mierzoną w stopniach Celsjusza na jednostkę czasu) określonej granicy. I oczywiście, nigdy nie należy zapominać również o starym dobrym mechaniźmie zegarowym "na wszelki wypadek" - odłączającym prąd ładowania gdyby przeciągało się ono zbyt mocno w czasie.

jak ładować szybciej?

Odpowiedź na to pytanie jest prosta - ładować większym prądem! Niestety, szybko przekonamy się, że nawet przy prądach rzędu C/3 nasze ogniwa nagrzewają się bardzo szybko do wysokich temperatur - co w skrajnych przypadkach grozić może nawet wybuchem akumulatorka/jego rozszczelnieniem. Znów w sukurs przychodzą nam procesory umieszczane w ładowarkach - powierzyć im możemy kontrolę prądu ładowania tak, aby trwało ono szybciej - nie niszcząc przy tym naszych akumulatorków. Poniżej przedstawiamy przykładowy przebieg procesu ładowania w szybkiej ładowarce procesorowej:

szybkie rozładowanie akumulatorka - gwarantuje to, że ładowanie zawsze zaczynamy w tych samych warunkach - od całkowicie rozładowanych ogniw; ma to niestety taką wadę, że skraca nieco żywotność akumulatorków (rozładowanie jest równoznaczne przecież z normalnym użytkowaniem akumulatorka) jeżeli mamy zwyczaj umieszczać je w ładowarce kiedy nie są jeszcze w pełni rozładowane; dodatkowo uniemożliwia to "doładowywanie" nie w pełni rozładowanych akumulatorków
ładowanie prądem 1C - oczywiście akumulatorek ładowany jest 10-krotnie szybciej niż standardowo, jednakże bardzo szybko się nagrzewa - ta faza ładowania kończy się natychmiast kiedy prędkość wzrostu temperatury ogniwa przekroczy 1 stopień Celsjusza/minutę
ładowanie prądem C/10 - kończy się w momencie zanotowania spadku napięcia na akumulatorku (dodatkowymi kryteriami mogą być również wzrost temperatury, i - z pewnością - czas ładowania)
ładowanie podtrzymujące prądem C/300 - kończące się dopiero w momencie wyjęcia akumulatorka z ładowarki - ma na celu utrzymanie go w stanie permanentnego pełnego naładowania (należy pamiętać, że np. pozostawione "na półce" akumulatorki Ni-MH potrafią tracić do 3% ładunku dziennie - oznacza to, że rozładowują się całkowicie w ciągu miesiąca!)