Выбор оптимального ХИТ и его типоразмера («AA» vs «D»).
От авт. Давно хотел понять какой формфактор бытовых батарей наиболее выгоден для аварийного фонаря. А тут начальство уехало в командировку. А на дворе весна. Решил отдохнуть от основной работы и часика за 2 написать эту лабуду. За русский не бейте ногами – за годы привык писать на украинском. Итак, ловите…
Сокр.
ХИТ –химический источник тока.
Н.у. – нормальные условия.
СИД – светоизлучающий диод
Целью данной работы является определение химической системы, габаритов и оптимального количества ХИТ, предназначенных для использования в автономном резервном источнике света.
Выбор будет осуществляться путем расчета по усредненным техническим характеристикам ХИТ при н.у., предоставленных производителями элементов.
Критериями отбора ХИТ для расчета будет:
- доступность на данный момент на рынке бытовых марганец-цинковых (щелочных) элементов и угольно-цинковых элементов LeClanche;
- оптимальность соотношения стоимости ватт/час;
- обеспечение оптимального времени работы источника света при приемлемых весовых показателях.
Результатом работы будет выработка рекомендаций к использованию ХИТ определенного типоразмера в автономных резервных источниках света.
Исходные данные для анализа:
Выбор источника света.
В качестве источника света выберем единичный СИД, обеспечивающий светоотдачу порядка 60-90Лм при потреблении не более 1Вт. Данный выбор обусловлен как объективными (медицинские предписания о комфортном уровне освещения, достаточном для активной деятельности взрослого человека [1, 2]) так и субъективными показателями (личными наблюдениями о достаточности данной интенсивности освещенности при движении и преодолении препятствий). Действительно, при использовании точечного источника света возможно его применение для целого ряда задач: стояночное освещение (круговое освещение - кемпинговая лампа или диффузор), изучение далекостоящих объектов (дальний свет – рефлектор или коллиматорная линза 5-25 град), освещение пути следования (ближнй свет – рефлектор или коллиматорная линза 60-120 град). Также, выбор единичного источника позволит использовать один стабилизатор тока для его питания, что (с точки зрения схемотехники) предоставляет возможность повышения КПД системы.
Время работы выбранного источника света.
При выборе ХИТ необходимо ориентироваться на результаты проведения спасательных операций МЧС и особенности физиологии взрослого человека [1]. Так, к исходу третьих суток организм человека без питьевой воды резко снижает свою продуктивность. Человек утрачивает возможность продолжать активные действия к самоспасению.
На третьи сутки активной работы сказывается физическое истощение организма, вследствие чего человек утрачивает ясность и скорость мышления, нарушается координация. В данных условиях проявляется т.н. «эффект кумуляции усталости» вследствие чего человеку требуется продолжительный отдых (не менее 16 часов).
Не стоит забывать и о возможных травмах организма при экстремальных ситуациях. При наличии перелома конечности и отсутствии должного медицинского ухода максимальная отечность конечности возникает в среднем на третьи сутки. Ее наличие сильно затрудняет, а в большинстве случаев делает невозможным дальнейшее самостоятельное перемещение человека. При наличии внутреннего кровотечения малой и средней интенсивности к исходу третьих суток у человека возможны обмороки, шок или смерть вследствие невосполнимой потери крови.
Таким образом, продолжительность работы одного комплекта батарей для автономного источника света должна составлять 72 часа (3 суток), к исходу которых человек будет вынужден приостановить активные действия и снять усталость (сон), восстановить недостаток воды в организме, оказать (себе или товарищу) медицинскую помощь, а также обслужить средства самоспасения (в нашем случае - сменить комплект батарей).
Данные на ХИТ [3].
Информация сведена в таблицу:
Формат батареи---Емкость для марганец-цинкового (щелочного) элемента/емкость для угольно-цинкового элемента LeClanche---Емкость аккумулятора аналогичного форм-фактора
D---19500mAh (LR20)/8000mAh (R20)---(9000-11500) NiMH
C---8000mAh (LR14)/3800mAh (R14)---(4500-6000) NiMH
AA---2700mAh (LR06)/1100mAh (R06)---(1700-2900) NiMH/(600-1000) NiCd
AAA---1200mAh (LR03)/540mAh (R03)---(800-1000) NiMH
Крона (9 вольт)---560 mAh (6LR61)/400mAh (6F22)---(175) NiMh/(120) NiCd
Расчеты
Расчет ведем исходя из постоянного потребления мощности СИД-ом в 1Вт. Условия соответствуют работе СИД-а от конвертера DC/DC со стабилизацией тока потребления.
При расчетах исходим из худшего предположения о том, что срок хранения элементов истек, однако условия хранения не нарушены, а эксплуатация производится при н.у.
1) Анализ марганец-цинкового (щелочного) элемента LR20 [3, 4] {в таких скобках приведены данные по VARTA-Longlife Extra [8]}.
Гарантированный срок хранения – 7{5} лет.
Емкость в конце срока хранения не менее 80% от первоначальной 0,8*19500 =15600мА*ч.
{0,8*16000 =12800мА*ч.}
Среднее напряжение при разряде с линейной характеристикой - 1,2В.
Максимальная энергоемкость батареи – 1,2*15,6=18,72 Вт*ч {1,2*15,6=15,36 Вт*ч} (кому нужно точнее – считайте площадь под графиком).
Мощность потребителя при работе в течении 72 часов 18,72/72=0,26 Вт*ч {15,36/72=0,213 Вт*ч }.
Диапазон напряжений при разряде батареи – 1,5-0,8 В.
Средний ток разряда элемента питания при работе в течении 72 часов 15600/72=217мА*ч {12800/72=178 мА*ч}.
Диапазон токов разряда в процессе эксплуатации элемента (1,5В)-173мА{142 мА }===(1,2В)217мА{178мА}===(0,8В)325мА{266мА}.
Полученные расчеты путем аппроксимации подтверждаются данными [4], согласно которым при потреблении от одного элемента 0,25Вт в н.у. время работы составляет 70-80 часов.
Стоимость Ватта – 20грн.(2,63USD)/18,96Вт=1,06 (0,14USD) грн. за Ватт. {15грн(1,97USD)/18,96Вт=0,79 (0,104USD) грн. за Ватт.}.
Количество элементов для питания 1Вт СИД в течении 72 часов – 4{5}шт.
Масса 4-х {5-и} элементов – 0,139кг*4=0,556кг {0,137кг*5=0,685кг}.
Стоимость комплекта из 4-х {5-и} элементов 2,63USD*4=10,52USD {1,97USD*5=9,85USD}.
2) Анализ угольно-цинкового элемента LeClanche R20 в варианте Heavy Duty (примесь хлорида цинка) [5,6].
Гарантированный срок хранения – 2-3 года.
Емкость в конце срока хранения не менее 70% от первоначальной 0,7*8000=5600мА*ч.
Среднее напряжение при разряде с линейной характеристикой - 1,25В.
Максимальная энергоемкость батареи – 1,25*5,6=7,0 Вт*ч.
Мощность потребителя при работе в течении 72 часов 7,0/72=0,097 Вт*ч.
Диапазон напряжений при разряде батареи – 1,6-0,8 В.
Средний ток разряда элемента питания при работе в течении 72 часов 5600/72=78мА*ч.
Диапазон токов разряда в процессе эксплуатации элемента (1,6В)61мА-(1,25В)78мА-(0,8)121мА.
Необходимо заметить, что данные из [6] дают понять, что данная электрохимическая система более требовательная к циклам регенерации элемента (поглощения MnO2 газообразных продуктов) в процессе его эксплуатации. Нельзя с полной уверенностью утверждать, что данный элемент проработает непрерывно 72 часа при рассчитанной выше нагрузке.
Стоимость Ватта - 4,0-6грн(0,53-0,79USD)/7,0Вт=0,57-0,86(0,076-0,113USD) грн. за Ватт.
Количество элементов для питания 1Вт СИД в течении 72 часов - 11шт.
Масса 11-и элементов – 0,11кг*11=1,21кг.
Стоимость комплекта из 11-и элементов 0,53(0,79)USD*11= 5,83(8,69)USD.
3) Анализ марганец-цинкового (щелочного) элемента LR06 [7].
Гарантированный срок хранения – 7 лет.
Емкость в конце срока хранения не менее 80% от первоначальной 0,8*2700=2160 0мА*ч.
Среднее напряжение при разряде с линейной характеристикой - 1,2В.
Максимальная энергоемкость батареи – 1,2*2,16=2,59 Вт*ч.
Мощность потребителя при работе в течении 72 часов 2,59/72=0,036 Вт*ч.
Диапазон напряжений при разряде батареи – 1,5-0,8 В.
Средний ток разряда элемента питания при работе в течении 72 часов 2160/72=30 мА*ч.
Диапазон токов разряда в процессе эксплуатации элемента (1,5В)24мА-(1,2В)30 мА-(0,8)45мА.
Полученные расчеты путем аппроксимации подтверждаются данными [4], согласно которым при потреблении от одного элемента 0,03А в н.у. время работы составляет 70-90 часов.
Стоимость Ватта - 3,5-8грн(0,46-1,05USD)/2,16Вт=2,6-3,7(0,21-0,487USD) грн. за Ватт.
Количество элементов для питания 1Вт СИД в течении 72 часов - 28шт.
Масса 28-и элементов – 0,024кг*28=0,627кг.
Стоимость комплекта из 28-и элементов 0,46(1,05)USD*28=12,88(29,4)USD.
4) Анализ угольно-цинкового элемента LeClanche R06 в варианте Heavy Duty (примесь хлорида цинка) [3].[/U]
Гарантированный хранения – 2-3 года.
Емкость в конце срока хранения не менее 70% от первоначальной 0,7*1100=770мА*ч.
Среднее напряжение при разряде с линейной характеристикой - 1,25В.
Максимальная энергоемкость батареи – 1,25*0,77=0,96 Вт*ч.
Мощность потребителя при работе в течении 72 часов 0,96/72=0,0133 Вт*ч.
Диапазон напряжений при разряде батареи – 1,6-0,8 В.
Средний ток разряда элемента питания при работе в течении 72 часов 770/72=10,7мА*ч.
Диапазон токов разряда в процессе эксплуатации элемента (1,6В)8,3мА-(1,25В)10,7мА-(0,8)16,6мА.
Стоимость Ватта - 1,5-2,5грн(0,197-0,329USD)/0,96Вт=1,56-2,6(0,205-0,342USD) грн. за Ватт.
Количество элементов для питания 1Вт СИД в течении 72 часов - 76шт.
Масса 76-и элементов – 0,019кг*76=1,444кг.
Стоимость комплекта из 76-и элементов 0,197(0,329)USD*76= 14,9(25)USD.
Краткие выводы: по результатам анализа можно утверждать о приоритетности марганец-цинковых (щелочных) элементов над угольно-цинковыми элементами LeClanche с примесью хлорида цинка по большинству показателей. Комплект из 11 элементов R20, имея стоимость в 1,15-1,8 раза меньше существенно проигрывает комплекту из 4-х {5-и} LR20 по масогабаритным показателям и показателям надежности.
Комплектация фонаря на одном СИД более чем 4-я элементами питания с ЭДС 1,5В позволит повысить эффективность использования их заряда при условии длительной эксплуатации. Подобная комплектация даст возможность применить понижающий ШИМ конвертер с целью повышения КПД источника света, а в случае отказа ШИМ-преобразователя повысит ремонтопригодность в полевых условиях - даст возможность перейти на линейный стабилизатор (при наличии) тока или применить самодельный гасящий резистор.
Использование элементов типоразмера LR06/R06 (обиходное – «АА») для длительного питания источника света экономически необоснованно. Возможные применения батарей этого формфактора при длительной эксплуатации – питание малотоковых потребителей.
//Предполагается, что один R06 способен обеспечить энергией один индикаторный светодиод (например АЛ307 с током потребления 3-5 мА), а один LR06 - один светодиод с током потребления до 20мА.//
Рекомендуется
1) проверить полученные данные по продолжительности работы исследованных ХИТ путем проведения натурных испытаний в лабораторных условиях;
2) признать целесообразным к применению для длительного (72 часа) электропитания аварийного автономного источника света в виде 1Вт СИД конфигурацию из 4-5 элементов LR20 (обиходное – алкалайн «D») при условии сохранения существующей рыночной стоимости элемента;
3) провести анализ поведения элементов LR20 (обиходное – алкалайн «D») при эксплуатации в условиях с пониженной температурой и повышенной влажностью;
4) провести анализ соотношений характеристик литиевых ХИТ (в частности CR17354, в обиходе CR123, CR123A, 123A) в сравнении с LR20 (обиходное – алкалайн «D»).
1. Большая медицинская энциклопедия. Год выпуска: 2005. Издательство: Directmedia Publishing
2. СНИП 23-05-95. Естественное и искусственное освещение.
3. Википедия. Типоразмеры гальванических элементов.
4. MN1300_BE_PL_806.pdf
5.
http://www.en.varta-consumer.com/co...87979.html&&&domain=www.en.varta-consumer.com
6.
http://www.element.lipetsk.ru/373S.htm
7. MN1500_BE_PL_806.pdf
8. Datasheet_4120_D.pdf
с.н.с. Филь Руслан.
При использовании материалов публикации ссылка на автора обязательна.
P.S. Сам не ожидал, что получу такие выводы. Интересно, что по даташитам одной LR20 при отборе 1Вт (разряд до 0,9В) хватит на 9часов работы. При КДП повышающего преобразователя 80-95% останется 7,2-8,6 часов света. Габариты одной «D» приемлемы для хвата рукой взрослого человека. При исполнении конструкции фонаря с одной «D»-шкой аналогично L2P (цилиндр без конуса на голове) получается интересный 1Вт тактик. Стоимость эксплуатации такой вещицы будет ниже, чем на 1-ой CR123. 1-а китайская CR123 (1350 мА*ч) даст нам 3,38Вт (приблизительно 3 часа работы за 15-45грн (1,97-5,92 USD)), а одна LR20 - 7-8 Ватт (чуть больше 7 часов за 15-20 грн (1,97-2,63USD)), т.е. одна LR20 по энергоемкости равна двум CR123. В то же время одной LR20 для трехватника уже не хватит. Обидно…
Это файлы-источники. Даташит на Варту не влез (263кб)
Посмотреть вложение MN1300_BE_PL_806.pdf
Посмотреть вложение MN1500_BE_PL_806.pdf
