Como funcionam os carregadores de baterias (ART448)
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Como funcionam os carregadores de baterias (ART448)

Este é um artigo bastante interessante para quem deseja aprender como funcionam os carregadores de bateria. Trata-se de artigo bastante atua (2010) que merece ser lido pelos leitores que desejam saber mais sobre o princípio de funcionamento destes dispositivos presentes em todos os celulares, câmaras fotográficas, câmaras de vídeo e muito mais.

Os carregadores de baterias estão em toda parte. Dos Telefones celulares, câmeras fotográficas, laptops aos palmtops, Ipods, E-book readers que fazem uso de baterias recarregáveis todos  precisam de um carregador. O princípio de funcionamento de um carregador de baterias é do que tratamos neste artigo destinado aos leitores que desejam se aprofundar no conhecimento desta tecnologia indispensável em nossos dias.

As pilhas, baterias ou células recarregáveis consistem em fontes de energia elétrica de origem química. Em outras palavras, uma reação química libera energia na forma de eletricidade, a qual é utilizada por um circuito externo. Para entender como funciona uma célula recarregável e portanto um carregador, vamos partir do princípio de funcionamento de uma pilha ou célula comum não recarregáveis. Podemos tomar como exemplo as pilhas secas ou as alcalinas.

 

Pilhas e Baterias Comuns (Não Recarregáveis)

Numa pilha ou bateria comum, existem dois eletrodos que fazem contato com uma substância química que possui um elevado potencial de reação, ou seja, dispõe de energia para liberar numa reação química. Esta substância é denominada eletrólito e tem as mais diversas composições, conforme o tipo de pilha ou bateria considerada. Para tornar as coisas mais simples, vamos tomar como exemplo uma pilha seca comum, que é vista em corte na figura 1.

 

Estrutura de uma pilha seca
Estrutura de uma pilha seca

 

Nela, um dos eletrodos, o ligado ao pólo positivo consiste num bastão de grafite ou carvão e o outro consiste num "copinho" de zinco. A substância reagente ou eletrólito é uma mistura que contém manganês, amônia, e outras substâncias que têm finalidades as mais diversas, por exemplo, na estabilização da reação.

A substância reagente que seria o "combustível" da pilha, permanece inerte até o ponto em que um circuito externo seja ligado entre o pólo positivo e o pólo negativo da pilha "solicitando" assim a entrega de energia, conforme mostra a figura 2.

 

Movimento de íons (corrente) no interior da pilha
Movimento de íons (corrente) no interior da pilha

 

Quando a corrente é solicitada, a movimentação de cargas elétricas no circuito também passa a ocorre na forma de íons na substância e a reação química tem início. A substância começa então a reagir com o eletrodo negativo (copinho de zinco) de modo a liberar íons e com isso manter a corrente elétrica no circuito. O resultado é que nesta reação a substância se transforma entregando a energia de que dispõe e o copinho de zinco é consumido no processo.

À medida que a pilha vai fornecendo sua energia, a substância do eletrólito vai se desgastando, o copinho de zinco consumido e com isso cada vez menos corrente vai se tornando disponível. Chega um determinado momento, em que a energia se reduz a tal ponto que a resistência interna da pilha aumenta e a corrente já não pode mais se fornecida ao circuito externo com a mesma intensidade. A tensão entre os pólos da pilha cai. A pilha está em sua fase final de esgotamento. A figura 3 mostra a curva típica de fornecimento de uma pilha seca comparada a de outros tipos.

 

Curvas típicas de descarga de alguns tipos de células, inclusive recarregáveis (Nicad)
Curvas típicas de descarga de alguns tipos de células, inclusive recarregáveis (Nicad)

 

Se examinarmos a pilha esgotada, veremos que a substância de seu interior se modificou e que um dos eletrodos se encontra corroído. Veja que as pilhas secas, possuem uma proteção adicional de papelão e aço sobre o copinho de zinco, justamente para evitar que a substância "vaze" quando a pilha se esgota. Essa substância é corrosiva, podendo afetar os aparelhos em que ela se encontrar, se o vazamento ocorrer.

É por esse motivo que se recomenda retirar as pilhas dos aparelhos que vão ficar muito tempo sem uso. Mesmo sem usar, a reação ainda ocorre de forma muito vagarosa, mas ao final de muito tempo, uma pilha deixada num aparelho, se esgota e pode vazar...

 


 

Pilhas comuns não são recarregáveis

Nas pilhas comuns (alcalinas, secas e outras) a reação que ocorre quando a energia é fornecida é irreversível, ou seja, "não tem volta". Uma vez que a substância reagente entregue a energia.

Em alguns casos, aquecendo um pouco a pilha ou ainda deixando-a em repouso pode-se reativar o restante da substância que ainda pode reagir e assim prolongar a vida útil da pilha. A idéia de que colocar as pilhas na geladeira, adotada por muitos, não é válida, pois o que faz a pilha reativar um pouco não é o frio mas sim o repouso...

 


 

Pilhas ou Células Recarregáveis

A idéia de se recarregar uma célula ou bateria é simples: se passarmos pela substância fornecedora de energia uma corrente no sentido contrário àquela que ela fornece normalmente, a reação se inverte e a substância "absorve" a energia liberada, voltando à sua condição inicial.

A forma mais simples e mais tradicional de se fazer isso é com a bateria chumbo-ácido que é encontrada nos automóveis e que tem a estrutura mostrada na figura 4.

 

A estrutura da bateria de chumbo-ácido.
A estrutura da bateria de chumbo-ácido.

 

Nela temos duas placas de chumbo que formam seus pólos e o eletrólito é uma solução de ácido sulfúrico (ácido sulfúrico diluído em água). Cada par de placas fornece uma tensão de 2 V quando carregada, o que significa que uma bateria de carro de 12 V tem 6 pares deste tipo.

Quando a bateria está descarregada as duas placas são de chumbo puro. Ao se fazer circular uma corrente de carga nesta bateria, o ácido reage com uma das placas formando uma substância nova que é o óxido de chumbo que recobre a placa positiva. Esta substância contém a energia armazenada que a bateria pode fornecer depois numa reação química.

Quando uma carga é ligada à bateria, uma lâmpada, por exemplo, conforme mostra a figura 5, a corrente começa a circular pela lâmpada e pelo eletrólito na forma de íons, dando início a uma reação que começa a consumir a substância em que a energia está armazenada.

 

Ligando uma lâmpada como carga.
Ligando uma lâmpada como carga.

 

Esse fornecimento continua até o momento em que a substância armazenada na placa seja consumida totalmente, com o eletrodo de chumbo voltando à sua condição inicial.

Se uma corrente for agora forçada a circular no sentido inverso, a reação inversa ocorre, com a placa recompondo a substância com a energia disponível. Nos automóveis, o alternador fornece esta corrente de carga quando o motor está em funcionamento, recompondo continuamente a substância que fornece energia.

Outros tipos de células recarregáveis operam segundo o mesmo princípio, mudando apenas as substâncias envolvidas. Assim, nas células de Níquel-Cádmio ou Nicad, são estes os metais envolvidos no processo de reações, conforme mostra a estrutura de uma dessas células na figura 6.

 

Estrutura de uma pilha de NiCad
Estrutura de uma pilha de NiCad

 

Veja que o número de vezes que uma célula pode ser recarregada, ou seja, o número de ciclos de carga e descarga não é ilimitado.

A substância usada como eletrólito com o tempo perde suas propriedades químicas e até mesmo os eletrodos podem sofrer desgastes e rupturas. Nas baterias de carro, por exemplo, o efeito da dilatação e contração que ocorre no processo de carga e descarga pode acabar por trincar as placas, tornando assim inoperante a bateria.

Todos que já tiveram um carro com baterias desses tipo, as que não são seladas do tipo antigo, onde era preciso completar com água destilada de tempos em tempos o nível do eletrólito, devem se lembrar do teste feito pelo eletricista de autos que, colocando uma forte carga na bateria para ela fornecer uma corrente intensa, fazia com que o eletrólito do par de placas danificadas fervesse.

 


 

O Carregador

Um carregador simples consiste numa fonte que estabelece uma corrente em sentido contrário na célula, pilha ou bateria que deve ser recarregada. Como a resistência interna de uma bateria varia com a carga e normalmente é muito pequena, é preciso agregar à essa fonte algum dispositivo para limitar a um valor seguro a corrente de carga, conforme mostra a figura 7.

 

Um carregador simples de bateria - G1 e G2 são ligados aos pólos da bateria e o resistor de 10 ohms serve como limitador de corrente.
Um carregador simples de bateria - G1 e G2 são ligados aos pólos da bateria e o resistor de 10 ohms serve como limitador de corrente.

 

Nos carregadores mais simples, o que se tem é apenas um limitador de corrente com um valor que determine a corrente que no tempo indicado pelo fabricante consiga repor toda sua carga.

Veja que não devemos (e não podemos) fazer circular uma corrente excessiva no processo de recarga. Ao circular, a corrente não só repõe a energia na célula como também, devido à sua resistência elétrica, gera calor aquecendo a bateria.

O aquecimento excessivo pode ter conseqüências perigosas para a integridade da bateria indo desde o dano dos eletrodos e da própria substância química do eletrólito até a explosão da bateria pela formação de gases sob pressão!

Nas células recarregáveis de todos os tipos é indicada a corrente recomendada pelo fabricante para uma carga segura, conforme mostra a figura 8.

 

Nestas baterias a corrente de carga é normalmente 1/10 da capacidade (400 mA para uma bateria de 4000 mAh) e é indicado seu valor para 16 horas. Para carga rápida, a corrente é maior.
Nestas baterias a corrente de carga é normalmente 1/10 da capacidade (400 mA para uma bateria de 4000 mAh) e é indicado seu valor para 16 horas. Para carga rápida, a corrente é maior.

 

No entanto, as baterias modernas e os carregadores exigem mais cuidados do que simplesmente aplicar uma corrente no sentido inverso por certo tempo. Isso nos leva aos carregadores "inteligentes".

 

Carregadores Inteligentes

Para se obter uma carga mais rápida, mais eficiente (com menor gasto de energia) e que também prolongue a vida útil da célula, pilha ou bateria, são usados diversos recursos nos carregadores.

Assim, um primeiro recurso simples para a carga consiste em se utilizar o regime de corrente constante. Numa célula completamente descarregada a tensão nos seus terminais é baixa. Assim, ao aplicarmos a tensão do carregador, a diferença entre sua tensão e a da bateria é elevada. Isso faz circular uma corrente inicial elevada, conforme mostra a figura 9.

 

À medida que a bateria se carrega a corrente através dela diminui
À medida que a bateria se carrega a corrente através dela diminui

 

À medida que a bateria se carrega, a tensão nos seus terminais sobe se contrapondo à tensão do carregador. Com isso a corrente na bateria diminui gradualmente até que no final do processo ela é pequena. A curva de carga não é, portanto, linear, conforme mostra a figura 10.

 

 Curva de carga para a tensão, numa bateria de carro
Curva de carga para a tensão, numa bateria de carro

 

Uma fonte de corrente constante faz circular uma corrente por uma carga com uma intensidade que independe da sua resistência ou da tensão que ela apresenta. Assim, o processo de carga de uma bateria com uma fonte de corrente constante se faz com a mesma intensidade do início ao final.

Outro recurso encontrado em alguns carregadores consiste na temporização automática. O carregador interrompe a corrente depois de um certo tempo programado, que é o especificado.

Mas os carregadores mais sofisticados são muito mais completos contendo recursos como o monitoramento constante da carga, da temperatura e outras características importantes da célula.

 

Monitorando a Carga

Diversos fabricantes de microcontroladores apresentam projetos de carregadores inteligentes de baterias que possuem recursos importantes. Estes recursos vão desde a adoção de regimes especiais para a carga em termos de tempo, como também a monitoração da tensão.

Assim, damos como exemplo a curva de carga de um carregador sugerido pela Texas, que o leitor interessado pode encontrar em artigo completo no site em MIC008, utilizando o microcontrolador MSP430

 

Carga inteligente com o MSP430.
Carga inteligente com o MSP430.

 

Veja que neste circuito, a corrente varia com o tempo no processo de carga completa.Seu funcionamento pode ser explicado da seguinte forma:

A capacidade de uma bateria é expressa como capacidade C, dada em mA-h. Por exemplo, uma bateria de 500 mAh tem uma taxa C de 500 mA. A correspondente da 1 C é 500 mA e a corrente de 0,1 C é de 50 mA.

Assim, levando em conta essa informação, a carga de uma bateria Li-Ion deve ser feita em três etapas:

 

* Carga lenta - uma pré-carga feita com uma corrente de 0,1 C.

* Carga rápida - uma carga com corrente constante feita com 1 C.

* Etapa de tensão constante

 

Durante a carga lenta, a bateria é carregada com uma corrente de 0,1 C. Isso vai ocorrer quando a bateria estiver com uma tensão menor do 2,5 V.

Algumas baterias de Nicad são recarregadas sem que haja necessidade de uma descarga completa, o que faz com que elas passem a apresentar o "efeito memória".

As baterias Li-Ion não têm esse problema, podendo ser totalmente carregadas antes de uma descarga total. Portanto, o procedimento de carga lenta raramente é empregado com esse tipo de bateria.

A carga rápida (com corrente constante e tensão constante) é a fase mais importante no processo com esse tipo de bateria. Muitas baterias Li-ion estarão plenamente carregadas com uma tensão de 4,1 V ou 4,2 V.

Assim, a bateria é carregada com corrente constante de 1 C até a tensão alcançar 4,1 V ou 4,2 V. O circuito mede continuamente a corrente de sensoriamento - a corrente num resistor sensor ligado em série (Rsense) ajustando o ciclo ativo do PWM com o Microcontrolador. Quando a tensão alcançar esse valor, o circuito passará a operar no modo de carga com tensão constante.

Quando isso acontece, o circuito passa a funcionar como uma fonte de tensão fixa de 4,1 V ou 4,2 V. Nesse ponto, a resistência interna da bateria começa a cair, o que exige uma compensação para manter a corrente abaixo de0,1 C.

Quando a bateria está completamente carregada, a maiort parte da energia será convertida em calor. Assim, uma sobrecarga pode causar um sobreaquecimento e até explosão. De qualquer forma, isso reduz a vida útil da bateria.

As baterias Li-Ion são extremamente sensíveis a sobrecarga, o que significa a necessidade de se controlar com precisão de 50 mA a tensão de 4,1 V ou 4,2 V do processo de recarga.

Alguns métodos permitem determinar quando uma bateria está completamente carregada. Esses métodos são:

* Durante o processo de carga com tensão constante, quando a corrente cai para 0,1 C a bateria se encontra completamente carregada.

* Determinar a temperatura da bateria de modo a se determinar quando começa a ocorrer o sobreaquecimento.

* Usar um método de temporização seguro. Quanto mais o tempo passar de um valor considerado ideal para a carga, a bateria poderá ser considerada completamente recarregada. (veja mais no artigo da Texas Instruments MIC008)

 


 

O Efeito Memória

O efeito-memória que pode aparecer em baterias recarregáveis (Nicad) de telefones sem fio, telefones celulares, e muitos outros aparelhos, sejam de tipos antigos quer sejam novas mas de marcas pouco recomendáveis é bastante desagradável.

Este efeito consiste no fato de que a bateria "memoriza" a carga adquirida no último processo de carga e não consegue ultrapassá-lo. Se a bateria, uma vez que seja, foi carregada com apenas uma pequena parcela de sua carga total, nas cargas seguintes ela não consegue mais adquirir a carga completa por mais tempo que a deixemos no carregador, conforme mostram as curvas da figura 12.

 

A terceira carga
A terceira carga "memoriza" o nível da segunda carga e só vai até ele.

 

As baterias modernas, principalmente as usadas nos telefones celulares não possuem mais este efeito e podem ser carregadas com facilidade até o máximo em qualquer condição.

Existem também aquelas que podem ser recuperadas se, ao manifestarem o efeito memória, forem descarregadas completamente e depois submetidas a uma carga completa.

A descarga completa pode ser feita com sua ligação a um dispositivo de certo consumo como, por exemplo, uma lâmpada incandescente comum, conforme mostra a figura 13.

 

Fazendo a descarga completa de uma bateria.
Fazendo a descarga completa de uma bateria.

 

No entanto, para os casos em que este procedimento não resolve existe uma possibilidade interessante que é a base de nosso artigo.

 

COMO FUNCIONA

Quando a bateria não consegue mais ultrapassar certo valor de carga o que se pode fazer é forçar por um pequeno intervalo de tempo a passagem de uma corrente intensa através dela, o suficiente para "quebrar" o efeito-memória e a carga prosseguir.

É claro que isso não pode ser feito de modo descontrolado, pois uma corrente muito intensa pode danificar a bateria que então ficará irremediavelmente perdida.

Uma possibilidade é a explorada neste artigo e adotada por muitos técnicos: uma descarga de um eletrolítico de alto valor.

Temos então o circuito simples da figura 14 que consiste num "recuperador de baterias com efeito-memória" e que usa pouquíssimos componentes.

 

Um
Um "recuperador" de baterias de Nicad com problema de "efeito memória".

 

Quando ligamos o circuito em poucos segundos o capacitor de 2 200 µF se carrega com uma tensão da ordem de 16 volts (pico da tensão de 12 volts do transformador).

Pressionando S1 por um instante este capacitor se descarrega pela bateria "quebrando" a barreira imposta pelo efeito memória.

Para usar basta pressionar o interruptor algumas vezes em intervalos de 3 a 4 segundos (de modo a dar tempo para a carga do capacitor) e depois levar a bateria ao carregador normal.

Não deixe o interruptor pressionado por muito tempo nem utilize o procedimento muitas vezes.

Este procedimento também pode funcionar na recuperação de baterias que já não mais aceitam carga alguma.

É importante também manter o resistor de qualquer maneira no circuito, pois ele limita a corrente na bateria mesmo quando o interruptor é fechado.

 

LISTA DE MATERIAL

T1 - Transformador com primário de acordo com a rede de energia e secundário de 12V x 500 mA.

D1, D2 - 1N4002 - diodos de silício

S1 - Interruptor de pressão NA

C1 - 2200 µF x 12 V - capacitor eletrolítico


Diversos: ponte de terminais ou placa de circuito impresso, caixa para montagem, cabo de força, fios, solda, etc.

 

 M

 

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