domingo, 3 de fevereiro de 2013

Desulfatação de baterias Chumbo-ácido

Este circuito simples é projectado para prolongar a vida útil das baterias chumbo-ácidas, dissolvendo os cristais de sulfato de chumbo que se formam nas suas placas. É alimentado pela própria bateria (ou por um carregador) e fornece à bateria uma série de impulsos de alta voltagem.
A bateria chumbo-ácido (também conhecido como Acumulador de Chumbo) foi inventada pelo francês Gaston Planté em 1859. É uma associação de pilhas (chamadas de elementos, na linguagem da indústria de baterias) ligadas em série. A tensão eléctrica de cada pilha é de aproximadamente 2 volts. São usadas para armazenar energia.
A bateria de chumbo-ácido é constituída por dois eléctrodos; um de chumbo esponjoso e o outro de dióxido de chumbo em pó, ambos mergulhados numa solução de ácido sulfúrico com densidade aproximada de 1,28g/mL dentro de uma malha de liga chumbo-antimónio. Esta liga é mais resistente à corrosão que o chumbo puro.
Quando o circuito externo é fechado, ligando electricamente os terminais, a bateria entra em funcionamento (descarga), ocorrendo a semi-reação de oxidação no chumbo e a de redução no dióxido de chumbo
No acumulador, o chumbo é o ânodo enquanto o dióxido de chumbo é o cátodo.
 
O efeito chumbo-sulfato
Embora as baterias sejam indispensáveis, elas tem os seus defeitos. Provavelmente a sua principal desvantagem é que têm uma vida de trabalho relativamente curta, tipicamente não mais do que cerca de três ou quatro anos.
Cada vez que a energia é extraída de uma bateria de chumbo-ácido, o chumbo e os iões do sulfato do electrólito combinam-se e são depositados nas placas sob a forma de cristais de sulfato de chumbo. Então quando a bateria é recarregada, estes cristais dissolvem-se outra vez no electrólito de ácido sulfúrico.
Mais precisamente, a maioria deles redissolve-se - mas não todos. Mesmo se a bateria não está totalmente descarregada e é sempre recarregada imediatamente depois de ter sido descarregada, uma pequena proporção do sulfato de chumbo permanece nas placas. Estes tornam-se em cristais de sulfato de chumbo "duros" que são muito menos solúveis e menos condutores do que antes.
Na prática, a formação destes cristais de sulfato de chumbo “duros” reduz gradualmente a capacidade de armazenamento de energia da bateria. Isto acontece tanto por mascarar as áreas activas das placas, como também através da redução da concentração de iões de chumbo e sulfato no electrólito.
 
Este efeito de "sulfatação" é conhecido há muitos anos. Também é sabido que o efeito ocorre muito mais rapidamente se a bateria for descarregada totalmente, for deixada num estado descarregado por algumas horas, ou frequentemente subcarregada. Na verdade, as baterias maltratadas de qualquer destas formas tendem a ter uma vida útil muito curta.
Durante muito tempo, a sulfatação foi considerado como irreversível e as baterias que tinham perdido muita capacidade devido a este efeito foram simplesmente descartadas. Isto não era apenas um desperdício, mas também foi um problema ambiental, pois tanto o chumbo como o ácido sulfúrico são materiais altamente tóxicos.
 
Em meados do século passado, porém, as pessoas nas zonas rurais descobriram que poderiam "ressuscitar" baterias sulfatadas aplicando-lhe impulsos de alta tensão dos seus controladores de cerca eléctrica. Eles não entendiam exactamente porque este método funcionava, mas continuaram a usá-lo porque ele resultou.
 
Posteriormente, em 1976, o escritório de patentes dos Estados Unidos concedeu uma patente para William H. Clark de Salt Lake City, Utah, para um método de carregamento de baterias de chumbo-ácido por meio de pulsos de alta corrente. Este foi reivindicado como sendo mais eficaz para dissolver os cristais de sulfato de chumbo e, portanto, prolongar a vida da bateria. Desde então apareceram nas revistas electrónicas, uma série de projectos para rejuvenescedores de baterias tipo pulso ou "zappers", incluindo um publicado na SILICON CHIP em fevereiro de 2003.
 
Como funciona
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O princípio básico usado neste tipo de “dessulfatadores “ é bastante simples: eles absorvem uma pequena quantidade de energia da própria bateria ou dum carregador ligado a ela, armazenam esta energia num condensador e voltam a devolve-la de volta à bateria como um impulso de alta tensão estreito (narrow). Por outras palavras, um curto impulso de corrente é forçado através da bateria na direcção de "carregar". São estes pequenos impulsos de corrente que são requeridos para dissolver os cristais de sulfato (desde que você seja paciente).
 
A Fig.1 mostra o esquema básico. Como se mostra, o circuito é constituído por dois indutores pequenos, um condensador electrolítico de 330µF, um diodo de recuperação rápida (D3) e um comutador electrónico de alta velocidade. O interruptor é actualmente o MOSFET de potência de canal-N (Q2), mas é mostrado na Fig.1 como um interruptor porque é assim que ele é usado. Durante a primeira fase de funcionamento do circuito (A), a corrente flui da bateria (ou de um carregador) e carrega o condensador electrolítico de 330µF via indutor L2 de 1mH. Esta fase dura cerca de carregamento 901µs, que é bastante longo comparado com a próxima fase.
 
Em seguida, durante a segunda fase da operação (B), o interruptor está fechado. Isto liga o indutor L1 de 220µH à terra (negativo da bateria), o que resulta num fluxo súbito de corrente a partir do condensador para L1. Como resultado, a energia armazenada no condensador é transferida para o campo magnético do indutor. Esta fase dura apenas cerca de 45µs, ou seja, apenas o tempo suficiente para a transferência de energia ocorrer. No fim da segunda fase, o interruptor é aberto novamente (C). Esta interrupção brusca da corrente no indutor causa uma inversão imediata da tensão através do indutor e assim aparece um impulso de alta tensão sobre o indutor com a polaridade mostrada.
 
Como resultado, um impulso de corrente de descarga do condensador de 330µF, flui para baixo através de L1, para cima através do diodo D3 e, em seguida, para a saída através da bateria. Esta é a terceira fase da operação do circuito. Essa sequência de eventos é repetida indefinidamente sempre que o "zapper" esteja ligado a uma bateria de 12V (ou uma combinação de bateria e carregador).
 
Logo que o impulso de energia de descarga de L1 tenha terminado, o condensador de 330µF começa a carregar novamente via L2. Então o resto da terceira fase torna-se a primeira fase do próximo ciclo de carga-transferência-descarga e assim sucessivamente.
 
NE555:
Normalmente, um 555 não pode produzir um ciclo de trabalho inferior a cerca de 55%. Isso ocorre porque o condensador temporizador C carrega através das Resistências R1 e R2, mas descarga através de R2.
Se queremos um ciclo de trabalho inferior a 55%, temos de modificar o circuito básico do 555 com um diodo para ignorar R2 durante a carga de C.
 
Circuito sem restrição de ciclo de trabalho:
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A saída está ON por t1 segundos, em seguida OFF por t2 segundos.

t1 = 0,693 x R1 x C
t2 = 0,693 x R2 x C
(R1 e R2 são, em Ohms; C é em Farads)
 
 
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Circuito
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Circuito modificado:
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Lista de Material:
R1: 5kΩ D1 : 1N4148 C: 13nF L1: 220µH
R2: 100kΩ D2 : 1N4148 Cf: 100nF L2: 1mH
R3: 100Ω D3: Zener 12.4 V C3: 330µF L3: 1mH
R4: 15kΩ D4: BY228 C4: 220µF L4: 1mH
Q1: 2N3906 Q2: IRF540
Colocar em uso
 
Usar o “Zapper” é fácil - basta liga-lo aos terminais da bateria que se quer rejuvenescer.
Há apenas uma condição: se a bateria está descarregada de modo que já não pode fornecer a corrente necessária para operar o “zapper”, é necessário ligar um carregador à bateria para pelo menos poder iniciar o processo de rejuvenescimento (ver Fig.5. seguinte).
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Se bateria está muito mau estado, isto muito sulfatada, tem que manter o carregador ligado por um bom tempo.
Depois disso, é simplesmente uma questão de deixá-lo funcionar até que os cristais de sulfato sejam dissolvidos dentro da bateria. Isso pode levar algum tempo - de alguns dias a algumas semanas - por isso é preciso ser paciente.

Se ligar um carregador à bateria para alimentar o “zapper”, deve usar um indutor de núcleo de ar de 1mH (o mesmo que L2) em série com um dos fios do carregador - ver Fig.5.
Há duas razões para isso:
(1) para proteger o circuito de saída do carregador de possíveis danos; e
(2) para evitar que a impedância de saída relativamente baixa do carregador absorva os impulsos, reduzindo assim a sua eficácia.
 
Nem sempre funciona
 
Uma advertência final: nem todas as baterias de chumbo-ácido têm a capacidade de serem dessulfatadas usando este “zapper” (ou provavelmente, nenhuma outra coisa as poderá recuperar). Em algumas baterias, os cristais de sulfato de chumbo, resistem teimosamente ao efeito pulsante e a bateria pode, por vezes, até mesmo desenvolver um curto-circuito entre as placas.

Se a corrente de carga da bateria aumenta subitamente para um nível muito elevado remover a alimentação e marcar a bateria como uma que não pode ser salva.
 
Por outras palavras, não há garantias de que o “zapper” possa ressuscitar todas as baterias muito sulfatadas – e não pode. Mas, por outro lado, é fácil e barato de construir. Portanto, não há muito a perder em tentar.
 
Fotos:
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SILICON CHIP Julho de 2009

Versão revista do dessulfatador de baterias de Chumbo-ácido (“Zapper”) agora para trabalhar com baterias de 6V, 12V e 24V.

Aviso:
Nem todas as baterias podem ser rejuvenescidas por “zapping”. Elas podem estar demasiado sulfatada ou podem ter a ligação a uma célula em circuito aberto. Nem pode o “zapper” restaurar uma bateria que está desgastada, ou seja, uma em que o material activo nas placas foi severamente degradado.
Dependendo da bateria, é também possível que o eventual efeito de rejuvenescimento possa ser apenas temporário.

 

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Alguns Detalhes do Circuito

A resistência de 150Ω em serie com a gate de Q2 tem por objectivo suprimir qualquer tendência se oscilação deste durante a transição de comutação.

O comutador S1 insere a resistência de 470Ω 5w em serie com a resistência de 100Ω quando a unidade é usada com baterias de 24V, para limitar a dissipação em ZD1 e ZD2.

Os diodos zener ZD3 e ZD4 formam um circuito de protecção de alta tensão para Q2 que tem uma tensão nominal máxima de 100V. Estes diodos zener limitam a tensão máxima do impulso para cerca de 70V.

Monitorização do nível de Impulso

D5 é um diodo ultra-rápido que faz parte de um circuito rectificador simples de meia onda com a resistência de 1MΩ e o condensador de 470nF. Estes fornecem uma tensão DC proporcional à máxima amplitude do impulso entre os terminais "Meter", que permitem a monitorização do nível do impulso com um multímetro digital (alta impedância).
O LED1 indica quando desulfatador de baterias (“Zapper”) está gerando impulsos e também dá uma ideia aproximada de sua amplitude.


Uma vez que os impulsos são bastante estreitos, o diodo D4 é usada para carregar o condensador de 22nF à sua plena tensão (menos a tensão da bateria através do condensador de 470µF) e o diodo emissor de luz é capaz de absorver uma corrente constante a partir do condensador através da resistência 6.8kΩ. Isso permite por o LED1 a brilhar bastante, sem retirar muita energia dos impulsos de “zapping”.

O Fusível F1 tem como principalmente objectivo proteger os indutores L1 L2 contra danos, no caso de Q2 entrar em curto-circuito ou seja comutado continuamente devido a uma falha no IC1 e nos seus componentes associados.

O comutador S2 é para permitir a ligação segura da unidade à bateria e o comutador S3 é para permitir a ligação segura de um carregador de baterias à bateria em qualquer momento.

O indutor L3 age como um bloqueador para os impulsos de “zapping” impedindo o carregador de absorvê-los e, eventualmente, ser danificado, enquanto que os condensadores de 10nF através de S2 e S3 são supressores faísca.

A resistência de 15Ω 5W entre L3 e S3 está lá para limitar a corrente que se pode tirar do carregador no caso da bateria desenvolver um curto-circuito durante o “zapping”.

 

 

Trabalhar com Baterias de Chumbo-ácido seladas

Estas baterias são conhecidos como baterias de chumbo-ácido seladas, VRLA (valve regulated lead-acid), ou de célula-gel. As Baterias VRLA, utilizam uma suspensão de gel no interior de um recipiente selado (As tampas circulares sobre cada célula não devem nunca ser abertas). Como consequência, eles não vazam, e podem ser posicionado em qualquer posição. Com múltiplas células de 2V, estão normalmente disponíveis em unidades de 6V ou 12V.

Teste

O estado de uma bateria de chumbo-ácido pode ser, em parte, determinado através do teste à sua tensão. Este teste só é preciso que a bateria foi desligada por várias horas, de preferência de 24 ou 48. Vai precisar de um multímetro digital:

 
 
Tensão da bateria de 6V

Tensão da bateria de 12V

Percentagem de carga

Comentários

6,37 V

12,73 V

100%

Bom

6,31

12,62

90%

Bom

6,25

12,50

80%

Deve ser carregada em breve.

6,19

12,37

70%

Deve ser carregada em breve.

6,12

12,24

60%

Deve ser carregada em breve.

6,05

12,10

50%

Deve ser carregada em breve.

5,98

11,96

40%

Deve ser carregada o mais rápido possível!

5,91

11,81

30%

Deve ser carregada o mais rápido possível!

5,83

11,66

20%

Deve ser carregada o mais rápido possível!

5,75

11,51

10%

A bateria está danificada

<5,75 <11,51 <10%

A bateria está danificada


 
 

O melhor método de teste para determinar a saúde de uma bateria é fazer um teste de descarga. Ligar uma carga conhecida à bateria e monitorizar a tensão.

Abaixo está um gráfico de descarga comum.

Geralmente, os ensaios de descarga são melhor realizados a 0,1C (1/10 da Capacidade amp/hora da bateria.) Pelo gráfico, a tensão permanece relativamente constante durante um período de tempo e em seguida começa a cair rapidamente.

 

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Referencias:

http://www.elektor.com.pt/revistas/2010/julho-047-agosto/dessulfatador-para-baterias-de-automovel.1445740.lynkx

http://individual.utoronto.ca/janzen/electronics/tutorials/battery/sla_working_with.html

5 comentários:

dfberquo disse...

Prezado, como você fez para calcular o indutor?
Estou com dificuldade em fazer o indutor para esse circuito.
Obrigado

mpmendespt disse...

Como se pode vêr numa das fotos, eu usei indutores que retirei de uma fonte de alimentação de PC.
Usei o LC Meter:
http://mpmendes-electronica.blogspot.pt/2009/04/very-accurate-lc-meter-based-on.html

para medir as respectivas indutâncias. Convem usar indutores com valores aproximados dos referidos no circuito.

Mas, mais importante é frequencia de funcionamento do IC 555 e principalmente a largura do impulso.

barragrande disse...

quanto ficaria para vc fazer um circuito desse?

Unknown disse...

Gostaria que fizesse um desulfatador,p mim se possivel,e quanto ficaria seu serviço com seu material?

Gustavo Pereira da Silva disse...

Caso uma bateria fique muito tempo parada seque e vá a 0V é possivel alguma recuperação? Porque fiz uma mistura de agua e vinagre e preenchi as celulas . Porem qnd fui recarregar ouvi uns ruidos e preferi não tentar denovo.

 
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