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1.C Batterie e trapano
In questa sezione, approfondiamo la questione delle batterie:
l'argomento e` rilevante sia per
ua
l'impianto di illuminazione elettrico
che per il trapano (e per i flash fotografici).
Le formule principali che legano tensione
V [volt], corrente
I [ampere], resistenza
R [ohm] e potenza
P [watt], sono
V = R I
P = V I
Le lampadine ad incandescenza hanno in genere
una tensione di alimentazione di 3.8 V, e sono costruite per una corrente
nominale di 0.35 A: hanno una resistenza di circa 11 ohm e
una potenza nominale di 1.33 Watt.
Alimentate con una batteria da 4.5 V (cioe` sovralimentate),
dato che la resistenza non cambia, ne risulta una maggiore corrente,
circa 0.4 A,
e una maggior potenza dissipata (circa 0.5 Watt in piu`): il vantaggio
e` una luce piu` bianca e piu` intensa, a scapito di una minore durata
della lampadina.
Le lampade ad incandescenza hanno una efficienza di circa 17% percui la quantita` di luce emessa e` di circa 300 lumen.
E` molto importante poi che la luce sia focalizzata in modo da ottenere
una sufficiente intensita` nel punto in cui si guarda. L'intensita` luminosa
decresce col quadrato della distanza. Percio` se a due metri abbiamo i
300 lumen su una superficie di un metro quadro (come una buona illuminazione
artificiale per ambiente), a cinque metri sono
solo 48 lux (lumen/m2) (come in uno corridoio abbastanza scuro).
Le lampadine alogene alimentate a 6 V assorbono 0.5 A (circa 3 Watt);
a 4.5 V assorbono 0.37 A (pari a circa 1.7 Watt).
La loro efficienza arriva al 25percui si hanno circa 500 lumen, cioe` due terzi in piu` di luce.
1.C.1 Batterie
Una batteria contiene materiali attivi che possono essere elettroliticamente
ossidati o ridotti. L'ossidazione all'elettrodo negativo assieme
alla riduzione all'elettrodo positivo genera forza elettromotrice
[
80] [
81] [
82] [
140] [
83] [
84]
[
141] [
142]
[
143] [
144] [
145] .
Nelle batterie ricaricabili (e negli accumulatori) queste reazioni
sono reversibili e una
corrente esterna opportuna riporta la batteria in carica.
Indicatori quantitativi delle batterie sono
- la capacita`, in Wh, pari al prodotto della capacita` in mAh per
la tensione ai capi dalla batteria;
- la capacita` per Kg, cioe` la capacita` (in Wh) diviso il peso
(in Kg);
- e la capacita` per litro, cioe` la capacita` (in Wh) divisa per
il volume (in litri);
- il peso (in grammi).
Per esempio la batterie alcaline AA hanno capacita` specifca
di 143 Wh/Kg ovvero 428 Wh/l e pesano 23 g. Le batterie al litio
hanno 247 Wh/Kg e 540 Wh/l; pesano 17 g [
146] .
Anche gli indicatori qualitativi (autoscarica, efficienza a basse
temperature, etc.) sono molto importanti.
Fig. 36. Batterie: diagramma di scarica
In commercio ci sono svariati tipi di batterie:
- nichel - cadmio (NiCd), con una tensione nominale
di 1.4 Volts (effettiva 1.2 V). Ricaricabili.
- Ni-MH, come le precedenti, ma all'elettrodo negativo un idruro
metallico sustituisce il cadmio, col vantaggio di un minor potenziale
inquinante, e una maggiore capacita` (fino al 40% in piu`).
Ricaricabili.
- zinco - carbone (ZnC), zinco e biossido di manganese,
con una tensione di 1.5 V (capacita` tipica 1.8 Amph per le
piatte a tre elementi): sono le batterie comuni.
In questa categoria, si mettono anche le batterie Leclanche',
in cui la soluzione
contiene anche cloruro d'ammonio, e batterie ZnCl in cui la soluzione
contiene essenzialmente solo cloruro di zinco.
Queste ultime risultano leggermente migliori a basse temperature.
- alcaline (Zn/MnO2).
Si distinguono dalle precedenti per la soluzione elettrolitica
(con idrossido di potassio), una maggiore capacita` (esempio 5.5 Amph,
le piatte da 4.5V), e migliori prestazioni.
- zinco - ossido d'argento (Zn/Ag2O).
Sono batterie di piccole dimensioni adatte per piccoli strumenti.
Hanno una tensione di 1.5 V e una curva di scarica piatta.
- accumulatori al piombo (Pb), da 2.2 V (effettiva 2.0 V),
quelli che compongono la batteria dell'auto;
- litio (Li), con bisolfito di ferro FeS2
oppure biossido di manganese MnO2.
Con una tensione di 1.5 o 3 V e una curva di scarica molto piatta.
Eccellenti a basse temperature.
La seguente tabella riporta valori tipici della capacita` di alcuni tipi
di batterie. Sono riportati anche i Watt-ora nominali (prodotto di tensione
nominale per capacita`) e il costo, in unita` arbitrarie, per Watt-ora.
Da notare che le batterie ricaricabili (NiMH, NiCd e Pb) hanno circa 1000
ricariche.
Tipo
|
Batteria
|
Tensione (V)
|
Capacita` (Amph)
|
Watt-ora
|
Costo
|
AA
|
ZnCl |
1.5 |
1.2 |
1.8 |
3
|
Alc. |
1.5 |
2.7 |
4.0 |
7
|
MnO2 |
3 |
2.0 |
6.0 |
21
|
NiMH |
1.2 |
1.2-1.5 |
1.5-1.8 |
38-157
|
NiCd |
1.2 |
0.75 |
0.9 |
119
|
D
|
ZnCl |
1.5 |
8.0 |
12.0 |
1
|
Alc. |
1.5 |
16-18 |
25-27 |
2
|
NiMH
|
1.2 |
2.2-2.6 |
2.6-3.1 |
59-121
|
7.0 |
8.4 |
87
|
NiCd |
1.2 |
4.0 |
4.8 |
48
|
Piatta
|
ZnCl |
4.5 |
2.7 |
12.1 |
4
|
Alc. |
4.5 |
5.4 |
24.5 |
4
|
|
LiSOCl2 |
3.6 |
7.2 |
25.9 |
10
|
|
Pb |
2.0 |
5.0 |
10.0 |
23
|
La tensione di una batteria non e` costante ma decresce durante
la scarica, dapprima molto lentamente, poi, piu` o meno bruscamente, ha
una caduta veloce.
La capacita` di una batteria e` la carica che puo` erogare: questa si
misura in Ampere-ora (Amph o Ah).
Dipende dalle condizioni d'uso, cioe` di scarica: precisamente da
- modalita` d'uso (a resistenza costante, o a corrente costante, o a
potenza costante),
- stato di carica (effetto memoria, autoscarica),
- intensita` di corrente erogata,
- temperatura.
Fig. 37. Batterie: diagramma capacita`-temperatura
La capacita` varia a seconda del modo di impiego: a resistenza costante
(illuminazione elettrica), a corrente costante (trapano ???) oppure
a potenza costante. Solitamente la capacita` nominale C si riferisce ad
un impiego a corrente costante a temperatura ambiente che scarica la
batteria in 5 ore (percio` una corrente 0.2 C).
Indicativamente, per batterie a stilo tipo A-A, le Ni-Cd hanno
una capacita` nominale di 0.5 Ah, le Zn-C di circa 0.4 - 0.6 Ah,
e le batterie alcaline di 1.8 Ah.
La capacita` dipende molto dalla temperatura, e decresce con essa
(a temperature sotto i 20°C), figura a destra.
Si trovano in commercio anche batterie ricaricabili
alcaline. Hanno una tensione di 1.5 V (per cui ne
bastano tre di tipo "stilo") a una capacita` di 1.5 Ah.
Sono ricaricabili fino a 600 volte, non hanno effetto memoria.
Ricaricate a tensione costante di 1.65 V (molto stabile: +/- 50 mV)
non ci sono pericoli di sovraccarica.
Hanno una autoscarica bassissima: dopo 5 anni mantengono circa 80% della carica.
Non contengono mercurio, cadmio
percio` sono meno inquinanti delle batterie normali.
Le batterie sono inquinanti, per i metalli pesanti che contengono (mercurio,
cadmio, piombo) e per i componenti della soluzione elettrolitica.
Vanno riportate fuori di grotta e depositate negli appositi raccoglitori
per batterie esauste.
Fig. 38. Batterie: autoscarica
Le batterie si scaricano anche da sole (autoscarica,
figura a sinistra) piu` per perdite interne
che per l'umidita` dell'aria. L'autoscarica diminuisce al decrescere della
temperatura, per cui e` meglio tenere le batterie immagazzinate a basse
temperature (in frigo) ma non troppo basse: se l'elettrolita congela
non sono piu` utilizzabili.
A temperatura ambiente una batteria normale
mantiene la carica per circa un anno.
A 5 °C anche per due o tre anni.
L'autoscarica e` piu` lenta per le batteria alcaline, e ancora
minore in quelle al litio.
E` invece molto elevata nelle batterie Ni-Cd.
Per legge le batterie dovrebbero riportare la data di scadenza (sulla batteria
o sulla confezione).
La conservazione a basse tempertaure (-20°C) non danneggia le
batterie, ma occorre lasciarle tornare a tempertaura ambiente prima di
usarle. Anche la conservazione a 5-10°C e` accettabile.
Tenerle invece a temperatura superiore ai 21°C riduce la
capacita` efficace.
Fig. 39. Circuito di Thevenin
Le batterie hanno una resistenza interna che ne riduce la tensione ai capi
quando e` in uso.
Una batteria e` rappresentata dal circuito equivalente di Thevenin (v.
figura).
Appena connessa la batteria presenta una resistenza interna instantanea,
che cresce con lo stabilizzarsi delle condizioni d'esercizio fino al
valore effettivo,
RI =
RII +
RID.
L'effetto transitorio e` irrilevante ai fini dell'uso per illuninazione
in grotta.
La resistenza interna viene misurata col metodo della caduta di tensione
(ANSI, C18.2). Per le batterie con
C<5 Ah si scarica la
batteria completamente carica con una corrente 10
C (cioe` una
corrente che la scaricherebbe in 1/10 d'ora) per due minuti, poi si
passa ad una corrente 1
C. Si misura la tensione prima e dopo
tale passaggio; la resistenza interna e`
RI = (Vprima - Vdopo) /
(Iprima - Idopo)
La resistenza interna varia con l'uso crescendo leggermente.
Verso la fine la crescita e` piu` rapida.
Denotando
R la resistenza esterna su cui sono attaccati
i capi della batteria,
Qo la carica iniziale
sul capacitore, e ponendo,
a = R + RII
b = C / RID
r = RII + RID + R
l'equazione del circuito diventa
Eo - b r Qo = a IC + b r ∫IC dt )
I = IC + b ( Qo + ∫IC dt) )
Queste equazioni si integrano facilmente e danno
IC = (Eo - r b Qo) exp( - b r t / a )
I = b Qo + (b Qo + Eo/r )
( 1 - [ RID / a ] exp( - b r t / a ) )
La corrente sul ramo del capacitore decresce esponenzialmente, e la
carica passa da Qo al valore Eo / (b r).
In questa condizione la corrente e` I = Eo / r quindi la
tensione ai capi della batteria e` V = (R/r) Eo.
La tensione ai morsetti dipende quindi dal rapporto
R/(RII + RID + R)
che e` tanto minore quanto piu` R e` piccolo.
Percio` si ha prima una curva in cui la tensione decresce fino a
stabilizzarsi al valore V1 e poi una crescita
fino al valore V2.
1.C.2 Batterie Zinco Carbonio
Hanno l'anodo di zinco e il catodo di biossido di manganese con polvere di
carbonio per migliorarne la conducibilita`.
Nelle LeClanche l'elettrolita contiene cloruro di ammonio e di zinco.
Nelle ZnCl contiene cloruro di zinco.
Sono basate sulle reazioni
2 MnO2 + 2 NH4Cl + Zn2+ ->ZnCl2 2(NH3) + Mn2O3
+ H2O (LeClanche)
8 MnO2 + ZnCl2 + 9 H2O + 4 Zn
->ZnCl2 4 ZnO 5 H2O + 8 MnOOH (ZnCl)
Fig. 40. Batterie: diagramma capacita`-corrente
Gli ampere-ora delle batterie ZnCl variano molto con le condizioni di
impiego: con la corrente, la temperatura (decrescono a basse temperature),
e con le condizioni di immagazzinamento (decrescono al 90% dopo un anno
a 21°C).
Le tensioni a circuito aperto sono 1.55 V (Leclanche) e 1.60 V (ZnCl).
L'efficienza aumenta al diminuire della corrente d'uso.
L'efficienza dei tre tipi di batterie e`
approssimativamente in rapporto 2:3:5 (rispettivamente
per Leclanche, ZnCl, alcaline). La capacita` effettiva decresce con la
temperatura (v. figura).
1.C.3 Batterie alcaline
Le batterie alcaline hanno l'anodo di zinco e il catodo di biossido di manganese
con matrice di carbone. L'elettrolita e` una soluzione di
idrossido di potassio. A circuito aperto la tensione e` di 1.58 V.
La capacita` effettiva e` meno sensibile a variazioni della corrente di
scarica che nelle batterie ZnCl o LeClanche. Risultano anche meno sensibili
alla temperatura. La capacita` e` ridotta a 88% in tre anni
per autoscarica, se conservate a 20°C.
Tenute a temperatura, T, compresa fra 0 e 40 °C la capacita` si riduce al 90% nel tempo t(mesi) = 102 - T/40.
Tenerle a temperature superiori aumenta notevolmente l'autoscarica, cioe` il
tempo di autoscarica al 90% risulta inferiore.
Per verficare se la batteria e` ancora carica bisogna misurare la tensione
sotto carico (8 ohm per una batteria da 1.5 V) per un paio di secondi.
Se la tensione resta sopra 1.1 V la batteria ha ancora il
20% della carica.
Una tensione a circuito aperto di 1.5 V indica che c'e` almeno il 90% della carica.
1.C.4 Batterie al litio
Le batterie al litio hanno una tensione nominale di 1.8 V, leggermente
superiore alle altre batterie. Sono piu` leggere; pesano circa 1/3 in meno
di quelle alcaline, ad hanno una maggiore capacita` (per correnti
moderate-alte).
Hanno una miglior resa a basse temperature, seppure la capacita` effettiva
(che e` essenzialmente costante a temperature superiori a 20°C)
decresce leggermente con le basse temperature.
Hanno una curva di scarica molto piatta con una brusca caduta verso la
fine della carica. Questo e` un vantaggio ed uno svantaggio al contempo:
una curva piatta garantisce una illuminazione uniforme durante tutto
l'utilizzo della batteria. La brusca caduta alla fine rende difficile
stabilire la carica residua di una batteria parzialmente utilizzata.
Hanno una corrente massima di scarica (1.4 A per le A-A), dopodiche`
interviene un meccanismo (basato sull'aumento di temperatura interna)
che aumenta la resistenza interna ed evita che la batteria si danneggi.
L'autoscarica e` circa la meta` di quelle alcaline.
Non contengono mercurio, cadmio e piombo. Una batteria A-A contiene circa
un grammo di litio.
1.C.5 Batterie ricaricabili NiCd e NiMH
Fig. 41. Batterie ricaricabili
Le caratteristiche delle batterie Ni-Cd sono:
- tensione nominale 1.2 V (percio` 20 elementi per per la batteria
del trapano)
- capacita` nominale 2.4 - 4.0 Ah
- hanno una tensione di uscita stabile (pari a circa 80% C)
- ammettono 500-1000 ricariche
- hanno una resistenza interna molto bassa
- sono relativamente fragili
- hanno effetto memoria
- si danneggiano se scaricati troppo
- veloce autoscarica (v. figura sopra)
- inquinano meno (di altri)
Le batterie NiCd, NiMH, basate sulle reazioni
2 NiOOH + Cd + 2 H2O ->2 Ni(OH)2 + Cd(OH)2
NiOOH + MH + H2O ->Ni(OH)2 + M + H2O
hanno una forza elettromotrice di 1.4 V che scende a 1.2 V
(tensione nominale) durante l'utilizzo.
Percio` per ottenere una tensione di 24 V occorre collegarne 20 in serie.
(Durante la scarica le reazioni vanno da sinistra vero destra;
durante la carica proseguono nel verso opposto).
Sono disponibili in molti modelli, da piccoli (batterie a bottone) da
pochi mAh, a grossi (ad elettrolita liquido) da 45 Ah.
Il modello "stilo" va da 0.5-0.7 Ah, mentre il modello "torcia"
va da 1.2 a 4.0 Ah.
Quelle con cui si compongono le batterie da grotta sono i modelli "torcia"
da 2.4 o 4.0 Ah.
Sopportano poco le scariche rapidissime poiche` hanno una resistenza
interna piccolissima.
Sono pericolosi in caso di cortocircuito: possono anche esplodere, e
restano comunque danneggiati irreparabilmente.
Un pacco da 20 batterie NiCd da 4.0 Ah pesa circa 3 Kg e fornisce
3.2 Ah con una corrente di 10 A.
Le batterie sono dotate di una valvola autosigillante per permettere
la fuoriuscita di gas ad evitare che esploda.
Fig. 42. Batterie: diagramma capacita`-corrente/temperatura
La figura a lato riporta la capacita` reale (come percentuale
della capacita` nominale) in funzione della corrente erogata e della
temperatura. Il comportamento e` simile nei due tipi di batterie.
L'elettrodo positivo al nichel e` dimensionato con una capacita`
maggiore di quello negativo al cadmio in modo da sopportare
una certa sovraccarica.
Durante l'ultima parte del ciclo di carica (sovraccarica)
le batterie NiCd generano gas, ossigeno all'elettrodo negativo,
idrogeno a quello positivo.
Dato che l'elettrodo positivo e`
sovraddimensionato rispetto a quello negativo
si genera inizialmente solo ossigeno che reagisce colla superficie
di cadmio metallico dell'elettrodo negativo.
Se pero` la sovraccarica e` prolungata si sviluppa anche idrogeno
all'elettrodo positivo,
si accumula gas in eccesso ed aumenta la
pressione all'interno della batteria fino al punto da innescare la
autoventilazione della batteria, cioe` l'espulsione di gas.
Una carica Q di 1 Ah idrolizza 0.366 cm3 di acqua,
che corrispondono a 0.45 litri di gas idrogeno e 0.23 di ossigeno.
Il volume di gas prodotto e` quindi
0.68 N Q [litri], dove N e` il numero di celle componenti la
batteria.
In genere una sovraccarica (prolungata) con una corrente 0.1 C
danneggia le batterie; tuttavia certi modelli possono sopportare anche
sovraccariche di 0.3 C (per brevi periodi) in modo da rendere
meno critica l'interruzione della ricarica.
Nella ricarica le batterie NiCd sono endotermiche,
quelle NiMH sono esotermiche.
La temperatura di ricarica ha un leggero effetto sulla capacita`
effettiva. A circa 0°C si ottiene circa il 98% della
capacita` nominale (definita a 20°C).
Anche a temperature molto alte (sopra 30°C) si ha un calo
di capacita`.
L'efficienza della ricarica aumenta con correnti elevate.
Una corrente 0.2 C e` abbastanza alta da essere vicina al caso ideale.
Correnti di carica elevate accentuano anche l'improvviso innalzarsi della
temperatura interna in prossimita` della sovraccarica, e ne facilitano
la detezione basata sulla temperatura.
Tuttavia necessitano una precisa interruzione della ricarica.
Quindi correnti di ricarica dell'ordine di 1 C sono possibili solo
con adeguata strumentazione. Se la stima della carica e` basata su
una misurazione del tempo di ricarica e` meglio usare correnti 0.1 C
(cioe` dieci ore di ricarica).
Dunque il ciclo di carica consigliabile e` di 10 ore a 0.1 C
a temperatura ambiente.
Ricariche veloci possono essere fatte solo con apparecchiature specializzate
che monitorano la terminazione.
Anche cariche piu` lunghe (corrente piu` deboli) o a temperature
elevate risultano difficili da controllare e richiedono apparecchi speciali.
Le batterie Ni-Cd possono essere ricaricati 500-1000 volte,
ed hanno una vita media di cinque anni.
Prima di ricaricarle bisogna scaricarle per evitare
l'effetto memoria. Si collegano due lampadine da 12 V (tipo fari auto)
in serie alla batteria e si aspetta finche` la luce non diminuisce.
A questo punto si aspetta ancora un poco e poi si staccano.
In tutto ci vuole una decina di muniti al piu`.
Prima di iniziare la ricarica si lascia raffredare e riposare la batteria.
Durante la ricarica degli accomulatori Ni-Cd, la batteria non deve scaldarsi
sopra i 60 °C, la sovraccarica deve essere del 40% per
compensare le perdite (ulteriore sovraccarica rischia di danneggiare
le batterie).
I caricabatterie buoni forniscono una corrente di 1/10 di quella nominale
per circa 14 ore.
Non usare normali alimentatori per effettuare la ricarica:
le batterie possono anche scoppiare.
Certi caricabatteria sono predisposti per effettuare la scarica prima
della ricarica.
Possono fare anche la ricarica veloce (in mezz'ora); durante questo
processo devono pero` tenere sotto controllo la temperatura della
batteria, e il tempo di ricarica deve essere preciso al minuto.
Correnti di mantenimento di 0.025 C servono per controbilanciare
l'autoscarica.
Fig. 43. Batterie: sovrascarica
La curva di scarica e` molto piatta, e presenta una caduta
verso la fine quando l'elettrodo positivo risulta completamente
scarico.
La curva di scarica dipende da
- temperatura (si abbassa per basse temperature)
- corrente di scarica (e` piu` bassa per elevate correnti di scarica)
- effetto memoria (abbassamento di circa 150 mV, nelle NiCd)
- mantenimento in carica molto prolungato (solo per la prima scarica,
circa 30% in meno)
Continuando ad utilizzare la batteria (e questo puo` succedere se
la batteria fa parte di un pacco in cui le batteria non sono state
caricare in egual misura) vi ha inversione di polarita` sull'elettrodo
negativo. Continuando ulteriormente a scaricare la batteria
si arriva ad avere inversione anche sull'altro elettrodo.
Certe batterie sono (parzialmente) protette contro questo
effetto con l'aggiunta di materiali riducibili all'elettrodo
negativo.
Le batterie NiCd presentano l'effetto memoria.
Se vengono immagazzinate per lungo tempo,
mantenute costantemente in carica, o con solo scariche parziali,
rispondono limitatamente a tentativi di scarica completa e
il profilo di scarica risulta piu` basso di circa 150 mV.
La memoria viene cancellata con alcuni cicli di carica/scarica.
Anche se non ben compreso, l'origine di questo fenomeno e` nella
struttura dell'elettrodo al cadmio.
L'effetto memoria e` molto ridotto nelle batterie NiMH.
Nell'uso normale delle batterie NiCd e NiMH
si consiglia di interrompere la
scarica quando la tensione vale 0.8 - 1 V (per elemento).
Scaricandole troppo si danneggiano perche` si ha inversione di polarita`
e sviluppo di gas idrogeno all'interno che viene in parte assorbito
dall'elettrodo negativo e in parte liberato dalla
valvola di sfogo all'esterno.
(Scaricandoli poco invece hanno l'effetto memoria!)
Questo problema e` critico quando si usano piu` accumulatori in serie
o in parallelo perche` se non sono caricati allo stesso grado, uno puo`
arrivare alla sovrascarica forzato dagli altri.
La tensione di interruzione par
N accumulatori e`
(Vm - 150 mV) ( N-1 ) - 200 mV
dove
Vm
e` la tensione a mezza scarica per la singola batteria.
Per una sola batteria la tensione di terminazione e`
0.9 V = 0.75
Vm
Fig. 44. Batterie: autoscarica
Hanno tempi di dimezzamento della carica
(autoscarica al 50di circa sei mesi a temperatura ambiente.
L'autoscarica delle batterie Ni-Cd dipende dalla temperatura, ed
e` abbastanza veloce: la seguente tabella mostra alcuni valori della
carica (come percentuale della capacita` nominale) a varie temperature.
Percio` non e` bene lasciare il pacco batterie nel baule dell'auto
sotto il sole d'estate.
Il punto finale del ciclo di vita di una batteria ricaricabile e`
quando non fornisce piu` l'80% della capacita` dichiarata.
Fattori che influenzano la durata di una batteria NiCd sono:
- le sovraccariche (e` bene evitarle)
- la temperatura di carica e di sovraccarica (temperature troppo basse
o troppo alte sono sconsigliabili)
- scariche troppo veloci
- ogni situazione che porta alla necessita` di espellere i gas
prodotti all'interno della batteria la danneggia
1.C.6 Batterie NiMH
Le batterie NiMH hanno fino al 40% di carica in piu` delle NiCd.
Utilizzano leghe di terre rare (tipicamente lantanio,
batterie di classe AB5) oppure leghe con titanioo zirconio (batterie di classe
AB2). L'idrogeno viene adsorbito sul reticolo di tali leghe (che ha
struttura prisma a base esagonale).
Sovraccariche moderate sono compensate con il ciclo dell'ossigeno:
O2 generato all'elettrodo positivo migra all'interno della
batteria verso l'elettrodo negativo dove viene ricombinato.
1.C.7 Accumulatori al piombo
Gli accumulatori al piombo (con elettrolito in gel cosicche' da non doverli
tenere necessariamente dritti) hanno le seguenti caratteristiche:
- ammettono circa 250 ricariche (quelli da 6.5 Ah)
- sono grossi e pesanti (capacita` energetica 50 Wh/Kg)
- tensione nominale di 2.2 V
- la capacita` reale decresce molto con la corrente erogata
- non hanno effetto memoria
- si danneggiano se scaricati sotto 40% della carica
- caricate a tensione costante non subiscono sovraccarica
- funzinano meglio a basse temperature
- bassa autoscarica
Sono composti da un elettrodo (polo negativo) di piombo spugnoso
(reazione Pb + SO42- ->PbSO4 + 2e, con potenziale ellettrochimico -0.36 V)
e uno (polo positivo) di biossido di piombo in soluzione di acido
solforico (reazione PbO2 + 4H3O+ +
SO42-
->PbSO4 + 6 H2O, con potenziale 1.68 V).
La soluzione e` ottimale a circa 30% in peso, per diminuire la resistenza
interna.
La forza elettromotrice vale 2.2 V, e scende a 2 V durante il funzionamento
(causa la caduta sulla resistenza interna).
Il rendimento (rapporto fra scarica e carica) vale circa 90% in corrente
e 80% in energia, ma questo e` rilevante solo se dobbiamo ricaricare
gli accomulatori in condizioni inusuali.
La capacita` nominale viene misurata con corrente
pari a 1/20 Cn, cioe` con un tempo di scarica di 20 ore.
La capacita` dipende dalle dimensioni. Sono disponibili accumulatori
da 3.2, 6.5 e 10 Ah.
La scelta ottimale per la speleologia e` da 6.5 Ah in pacchi da due
(5 Kg per pacco).
La
capacita` reale dipende molto dall'intensita` della corrente
erogata. Un accumulatore da 3.2 Ah ha una capacita` reale di 0.8 Ah a I=10A
(non andrebbe mai usato con correnti sopra i 5A).
Uno da 6.5 ha 2.6 Ah nelle stesse condizioni.
Un accumulatore al piombo si danneggia quando la carica scende sotto
il 40% del valore nominale.
La seguente tabella riporta alcuni valori della capacita` (come percentuale
della capacita` nominale) in funzione della corrente e del tipo di
accumulatore. La relazione empirica e`
C = L I-b
dove
L e
b dipendono dal modello e sono riportati nelle
ultime colonne della tabella.
Piu` o meno la capacita` decresce come la radice cubica della corrente.
|
2 A |
4 A |
6 A |
8 A |
L |
b
|
3.2 Ah |
55 |
40 |
|
|
0.733 |
0.439
|
6.5 Ah |
73 |
55 |
47 |
41 |
0.946 |
0.384
|
10 Ah |
79 |
64 |
56 |
50 |
1.000 |
0.323
|
Oltre che con la corrente, la capacita` decresce anche con l'abbassarsi della
temperatura, con una relazione approssimativamente lineare (almeno
nell'arco delle temperature di interesse, da -20 a +30 °C).
C = Co(I) - 0.55 (To - T)
dove
Co si riferisce alla temteratura
To
e dipende dalla corrente erogata.
La riduzione a 5°C rispetto alla tempertaura di
riferimento 18°C vale circa 5
Durante la scarica la tensione decresce, ma non deve mai farsi scendere
sotto 1.8 V per elemento per non danneggiare l'accumulatore; infatti il sale
PbSO4 che si forma durante la scarica sulle pistre e` poco
solubile e resta aderente alle piastre. Se si formano dei grossi granuli,
questi non reagiscono piu` nel prossimo processo di carica e ne segue
una ridotta capacita` dell'accomulatore (solfatazione).
Durante la carica e`
necessario non superare la tensione di 2.2 V per elemento altrimenti
si ha elettrolisi dell'acqua con formazione di bolle di idrogeno ed
ossigeno che tendono a staccare granuli di materiale attivo (Pb e
PbO2) dalle placche.
La carica deve essere effettuata con un alimentatore stabilizzato in
corrente (indicativamente a 1/10 Cn), ad una tensione di 14.7-15 V.
Bisogna evitare la sovraccarica (massimo 20 h di ricarica).
La tensione di mantenimento della carica e` 13.8 V, con una temperatura
fra 5°C e 35°C.
Se gli accumulatori sono chiusi in un contenitore stagno e` necessario
che questo venga aperto durante la carica: infatti possono formarsi
gas idrogeno ed ossigeno che se chiusi nel contenitore possono esplodere.
1.C.8 Il pacco batterie
Questa sezione e` dedicata al pacco batterie autocostruito
[
147] .
Criteri di costruzione:
- deve essere a tenuta stagna
- deve essere facilmente ispezionabile
- deve essere apribile durante la ricarica
- deve essere smontabile
- deve proteggere le batterie con uno strato protettivo per i colpi
- le batterie non devono "ballare" all'interno.
L'autonomia di una batteria dipende dalla potenza richiesta dal trapano
e dalla carica accumulata nella batteria.
La resa, in termini di numero di fori eseguibili, dipende da molti fattori:
tipo di roccia, stato della punta, dimensione dei fori.
Dato che il lavoro compiuto scavando un foro e` proporzionale al volume
di questo, esso varia con il quadrato del diametro del foro, e
linearmente con la profondita`.
A parita` di condizioni ci vuole circa il doppio dell'energia di
un foro da 6 mm, per fare un foro da 8 mm, e circa tre volte per uno da 10 mm.
In realta` per fori piccoli intervengono altri aspetti pratici (dissipazioni
di energia) che aumentano l'energia richiesta, come mostrato
nella tabella sottostante, in cui l'energie sono relative a quella per il
foro da 8 mm.
Diametro foro (mm)
|
6
|
8
|
10
|
12
|
Energia (teorica)
|
0.6
|
1.0
|
1.5
|
2.2
|
Energia (in pratica)
|
0.8
|
1.0
|
1.5
|
2.2
|
Un fix da 10 mm (profondo 80 mm) richiede 8640 J, cioe` 1080 J/cm.
Un fix da 8 mm (foro profondo 80 mm) richiede 5600 J, cioe` 700 J/cm.
Un fix da 6 mm ne richiede la meta`: 350 J/cm.
2.6 Ah della batteria Pb 6.5Ah a I=10A, fanno
152640 J, cioe` 436 cm di fix da 6 mm, che sono circa 54 fix.
Se usiano fix da 8 mm, sono circa la meta`, 26 fix.
Con fix da 10, sono un terzo: 18 fix.
1. La Ditta "ELCART" di Milano (02/7491334-70107097), tra un'infinita'
di componenti, distribuisce una batteria NiCd ricaricabile tipo D-UM1
(praticamente il classico torcione) da 1.2 V e 4000 mAh e un'altra al
NiMh ricaricabile tipo 4/3 A da 1.2 V e 2.300 mAh (ovviamente questa
non ha piu` o meno l'effetto memoria della NiCd). Non conosco i prezzi,
comunque i prodotti Elcart sono abbastanza diffusi tra i negozi di
componentistica elettronica.
2. La Ditta "RS Components" (centralino 02/274251, serv. clienti
02/27425425) ha in catalogo una batteria ricaricabile al NiCd 1.2 V da
7.000 mAh tipo F (sez 34mm, h 90mm, �.30.000 cad.) ed una, della
stessa linea, da 10.000 mAh (diconsi 10 A !) tipo "super F" (sez.
42mm, h 90mm, �.60.000 cad.). Prezzi Gennaio '98.
Tipo F: cod. 229-122
Tipo super F: cod. 229-138
1.C.9 Collegamento al trapano
Per utilizzare le batterie esterne e` necessario predisporre il collegamento
col trapano, solitamente non previsto dai costruttori.
Le due possibili soluzioni sono
- collegamento mediante apposita slitta usando i contatti originali
per la batteria
- applicazione di uno spinotto sul manico del trapano
- spinotto attaccato ad un corto cavo uscente dal manico del trapano
- cavo elettrico di lunghezza adeguata, uscente dal trapano.
Nessuna di queste soluzioni e` quella perfetta: la prima permette di
usare la batteria originale attaccata al trapano, ma il contatto con la slitta
e` meno affidabile di uno con uno spinotto.
Gli altri prevedono di intervenire sul trapano effettuando i collegamenti
addizionali. Si puo` ritenere l'uso della batteria originale nel suo
alloggiamento o prevederne l'impiego separato, collegata al trapano con
il cavo, con una cuffia di raccordo.
In ogni caso occorre fare attenzione a realizzare buoni contatti (fili con
capicorda saldati) e utilizzare conduttori idonei (almeno 2.5 mm quadrati di
sezione) per evitare perdite resistive e surriscaldamento.
Le saldature devono essere perfette ed isolate con colla a caldo.
Gli spinotti devono essere protetti dal fango con appositi tappi.
Sul cavo di raccordo e` possibile metter due spine differenti, una dritta
e una a 90 gradi, in modo da usare quella che piu` conviene (la prima
nelle disostruzioni, la seconda nelle risalite).
Se si esce con un cavo, questo deve essere bloccato internamente (con una
fascetta stringitubo) per evitare che tirando strappi i contatti.
Tutti i collegamenti devo essere revisionati periodicamente.
1.C.10 Il trapano
Il trapano e` un perforatore dotato di meccanismo di percussione mediante il
quale mentre gira si comporta come un martello.
Il perforatore a percussione fu originariamente sviluppato da Hilti e
funzionava a corrente alternata. Quando il brevetto Hilti decadde,
Bosch costrui` il modello portatile a corrente continua con accumulatori.
In questa versione fu presto seguita da parecchi altri produttori (fra cui
Hilti stessa).
Le caratteristiche dei trapani ad accumulatori sono:
- velocita` di rotazione, 600-700 giri/min;
- frequenza di percussione, circa 4000 al minuto;
- reversibilita` del verso di rotazione;
- controllo elettronico della velocita`;
- tensione di alimentazione, 12, 24 o 36 V;
- punta ad innesto (invece che meandrino portapunta) di tipo SDS-plus;
- peso, 2000-2500 gr.
La resa dipende oltre che dalla potenza assorbita, da dispersioni
(stato e tipo di punta, condizioni di lavoro), dalla
forza di battuta, dal tipo di roccia. A titolo indicativo con il trapano
Bosch (con accumulatore di serie) si arriva a mettere 10-12 fix da 8 mm
durante una risalita.
Gli accumulatori di serie hanno un peso variabile fra 1300 e 2000 gr.,
sono (quasi tutti) al NiCd (quindi presentano l'effetto memoria), ed
hanno una vita media di circa 300 cicli di ricarica. Ricordiamo che
gli accumulatori sono sensibili a urti, freddo, e umidita`.
La seguente tabella riassume i dati dei principali trapani reperibili
in commercio [
148] .
(Da notare che il trapano SPIT 324 VE e` uguale al Bosch
a parte il fatto che usa punte speciali SPIT SDS, che si possono montare
anche sugli altri trapani, mentre le normali SDS-plus non si montano sullo
SPIT).
Trapano
|
Tensione (V)
|
Capacita` (Ah)
|
Peso (gr)
|
Regolazione elettronica
|
Reversibilita` del verso di rotazione
|
Resa (N. fori)
|
Note e difetti
|
Makita B105D
|
10.8
|
...
|
2400 + 1200
|
si`
|
?
|
24
|
un po' squilibrato in avanti, surriscaldamento
|
Bosch GBH 24 VR
|
24
|
2.4
|
2300 + 1300
|
si`
|
si`
|
24
|
...
|
Hilti TE 10A
|
36
|
5.7
|
2550 + 1900
|
no
|
no (?)
|
57
|
pesante ma potente
|
AEG APH 14
|
12
|
3.4
|
2000 + 1850
|
no
|
si`
|
34
|
surriscaldamento, disequilibrato
|
Black Decker P88/08
|
24
|
2.7
|
2550 + (3500)
|
si`
|
si`
|
27
|
accum. Pb appesi in cintura
|
Per la maggior parte dei trapani (Bosch, Hilti, Black Decker),
utilizzando accumulatori autotoassemblati al Pb usando elementi da 12 V e
6.5 Ah la resa aumenta di 5.4 volte. Con elementi da 2.2 Ah aumenta di
2.2 volte.
Per l'AEG si possono usare due accumulatori da 6 V e 10 Ah ottenendo una
resa 2.5 volte superiore.
Per smontare il trapano Bosch e` sufficiente togliere le 13 viti:
quattro nella parte superiore, due al mandrino, quattro attorno all'impugnatura
e tre nella parte anteriore sotto.
Nel rimontarlo fare attenzione che le due viti che fissano il mandrino
sono piu` corte delle altre.
La cassa con gli ingranaggi e` sigillata, per cui il fango non vi
penetra tanto facilmente. Essi invece entra benissimo, attraverso i
fori di aereazione, nel vano del motore e intorno al pulsante.
Il coperchio del pacco batteria del Bosch puo` essere rimosso togliendo
le quattro viti che lo fissano: due ai lati dei contatti elettrici, e due
sopra la parte arrotondata.
All'interno si trovano 10 elementi, ognuno formato da due batterie in serie,
collegati a loro volta in serie, per un totale di 24 V.
Alla fine sono collegati con dei fili ai due morsetti laterali
dell'attacco esterno.
Il trapano deve esser lubrificato ogni volta che si cambiano le spazzole
[
149] .
Togliere l'anello di arresto del manicotto (mandrino)e sganciare e togliere
il selettore e il suo giunto. Smontare la vite del carter anteriore e
toglierlo. Pulire ed ingrassare (20 g) gli ingranaggi. Rimontare il tutto.
marco corvi - Tue Sep 16 22:07:17 2008
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