суббота, 28 июня 2008 г.

Технологии и зарядные устройства профессиональных аккумуляторных батарей

С того самого момента, когда оператору с видеокамерой на плече впервые удалось выйти за пределы студии, возникла постоянная и острая необходимость в компактных и надёжных источниках питания.

Казалось бы, что может быть проще, возьми готовое и используй.

Аккумуляторные батареи (АБ), - продукт не новый и выпускаются они почти сто лет, а к восьмидесятым-то уже были и технологии изготовления элементов и широкий ассортимент изделий, которые вполне можно было бы употребить.

Однако условия съемки предъявляют к АБ для внестудийного оборудования и, в частности, для видеокамер, весьма высокие требования. Эти требования мало чем отличаются от тех, которые предъявляются к АБ, устанавливаемым в космосе. Как правило, и здесь и там ценят как надежность в работе, так и отношение веса и габаритов к емкости. Если же к этим характеристикам прибавить другие, обусловленные спецификой видеопроизводства, то станет понятно, что АБ для выездной съемки это, уже нечто совсем другое.

При весе около 2 кг и минимальных габаритах, АБ должна обеспечить бесперебойную и непрерывную работу камеры с накамерной осветительной головкой мощностью до 100 Вт в течение не менее двух часов. Причем, работа происходит в довольно широком диапазоне температуры и влажности и, что не менее важно, при токах до 10 А.

Спрос на батареи и зарядные устройства (ЗУ) в то время стала подогревать также и появившаяся разнообразная мобильная техника: компьютеры, средства связи, включая сотовые телефоны, а также измерительные приборы и электроинструменты.

Рынок ответил естественной реакцией - в работу активно включились компании. Спустя некоторое время к традиционным для АБ технологиям - никель-кадмиевой (NiCd) и серебряно-цинковой - добавилось несколько улучшенных вариантов все той же NiCd и совершенно новые технологии никель-металлгидридная (NiMH) и литий-ионная (Li-ion).

Вспомним, что классическая батарея представляет собой источник энергии, в основе которого лежат, на первый взгляд, понятные химические процессы. Так, "протоэлементом" здесь служит ячейка металл (или твердая фаза) и его же электролит (жидкая). Эта ячейка генерирует исходный (положительный или отрицательный) электрический потенциал: металл постоянно, пока не разрушится, отдает ионы в электролит и на границе твердой и жидкой фаз и возникает искомый потенциал.

Для создания одного элемента питания нужно взять подходящую пару ячеек, и в этом случае одна пара будет положительным электродом, а другая отрицательным. Подбирая разные пары, кстати, можно получать заметно отличающиеся значения суммарного потенциала (или ЭДС) элемента.

Теперь, если пары разделить материалом, через который будет происходить ионообмен, и затем полученный "агрегат" поместить в общую электролитическую среду, то при создании внешней цепи - а в реальной обстановке это подключение к полюсам нагрузки - в энергосистеме "элемент-нагрузка" появится ток.

Если же в таком элементе при подключении внешнего источника (зарядника, например) металлы пар могут опять переходить из жидкой фазы в твердую, т.е. по сути, восстанавливаться, то данный элемент подходит для создания перезаряжаемой АБ. Ну а если восстановления нет, то такой элемент, в свою очередь, может подойти для обычной батареи. На первый взгляд, все просто, но простота здесь обманчива.

Реально все гораздо сложнее и в этом впоследствии убедились как потребители, так и компании-разработчики, количество которых, в отсутствии трудностей, могло бы сегодня исчисляться десятками.

Сказанное хорошо подтверждает и состояние рынка. Так, здесь работает только группа из шести компаний, которые практически на 99% покрывают весь спрос на АБ, зарядные устройства и некоторые другие аксессуары. Безусловные лидеры этой группы - известные компании Anton/Bauer и Sony, и далее с заметным "отрывом" - IDX, PAG, Aspen и Frezzi.

Что же представляют собой современные технологии, используемые в АБ для профессиональной видеоаппаратуры?

На сегодняшний день стала классической технология, в основе которой электродная система или пара никель-кадмий. Эта, казалось бы, известная уже давно технология, из-за положительных характеристик - невысокой стоимости, малого внутреннего сопротивления элемента и большого срока службы батарей - постоянно привлекает к себе внимание и непрерывно совершенствуется. За последние пять лет АБ, созданные на этой паре, повысили емкость аж на 50%. Интерес к паре NiCd опять вырос, когда стало известно о нередких отказах АБ, выполненных по новым, прогрессивным технологиям.

Постоянные улучшения, проводимые в NiMH-технологии, позволили создать АБ с самым лучшим соотношением вес/емкость, однако в недавнем прошлом были причины, которые заметно ограничивали их использование, и в частности, при работе в холодном климате понижалась емкость, а при высоких температурах, в свою очередь, уменьшалось количество циклов заряд / разряд.

Однако недавние натурные испытания - съемки во время экспедиции на гору Whitney в 1998 году - показали, что эти неприятности остались позади и батареи в новой модификации могут работать в диапазоне от -10 до +38°С. Освоение уникальной Li-ion технологии позволило создать элемент с предельно высоким значением ЭДС - 3,6 В, и это, в свою очередь, создало предпосылки для выпуска АБ с меньшим количеством элементов, что в итоге положительно сказалось на весе: он стал на 20% меньше.

Еще одно из преимуществ технологии состоит в том, что Li-ion батареи заметно дольше, по сравнению с другими, сохраняют емкость. Однако у батарей есть и свои минусы, причем минусы, относящиеся, ни много, ни мало, к их потенциальной надежности и безопасности при эксплуатации. До последнего времени для них используется необычайно горючий органический электролит.

В будущем, при использовании неорганического электролита, проблема будет снята полностью, но уже сегодня, учитывая и, надеюсь, контролируя ситуацию, Sony предлагает профессиональные АБ, выполненные по этой технологии. В отличие от Sony, Anton/Bauer полагает, что пока АБ данного типа, из-за своих недостатков, не вполне отвечают профессиональным требованиям. Еще одна из электродных систем, которую тоже можно использовать для создания АБ, пригодных для профессионального видео, - пара серебро-цинк.

Емкость элементов такой пары втрое выше, чем у NiCd. В свое время ряд телекомпаний активно использовали для выездных съемок батареи этого типа, поскольку очень удобно целый день работать, не заменяя источника. Однако сейчас интерес к таким АБ упал, и причин тому несколько: их начальная стоимость в три раза выше, чем аналогичных NiCd-батарей, при несколько меньшем (75%) сроке эксплуатации, и, кроме того, батареи на основе серебряно-цинковой пары необходимо периодически разбирать и восстанавливать.

Поскольку других технологий для создания АБ пока нет, то можно подвести краткие итоги: на сегодня существуют только три - четыре типа АБ, которые и могут быть использованы для профессиональных целей.

Теперь попробуем разобраться в том, для чего все-таки нужны зарядные устройства или проще зарядники.

Существует расхожее мнение, что АБ - это своего рода бак для авто, который достаточно только заправить топливом и все будет ОК. Такой взгляд на вещи даже при поверхностном знакомстве с проблемой не выдерживает никакой критики.

Однако, несмотря на это, многие ЗУ все равно ориентируют на очень простой режим работы, и поэтому вполне реально следующее: индикатор зарядника показывает, что, дескать, АБ полностью заряжена и готова к работе, хотя та после такой "зарядки" едва сможет отдать и половину мощности.

А между тем, для того, чтобы заставить батарею заработать "на все 100", неплохо при зарядке не только непрерывно контролировать по крайне мере пять наиболее важных параметров (каждый из которых к тому же зависит еще и от температуры АБ), но также еще и учитывать тип электродной пары и режим зарядки (быстрый или медленный).

Объективная сложность процесса, помноженная на разнообразие эксплуатационных ситуаций, недвусмысленно говорит о том, что реально для зарядки необходим умный и гибкий прибор.

Параметров, на которые "ориентируются" ЗУ и согласно которым и происходит прекращение заряда, пока пять: VCO -по отрицательному перепаду напряжения; ТСО - по превышению некоторой известной температуры; дельта ТСО - по динамике температуры; FUL - по достижению полного заряда; ССО - по достижению расчетного уровня.

Последний параметр может использоваться вкупе с уже имеющимся (ТСО и VCO). Все перечисленные параметры относятся к режиму быстрой зарядки, поскольку именно он, как правило, и применяется для зарядки интересующих нас АБ.

Сейчас в значительной степени решена не только "проблема отношений" зарядников и АБ, но также и проблема совместимости оборудования и АБ. Эта новая, возникла из-за разнообразия аппаратуры, используемой для внестудийной работы широкого спектра видеокамер и осветительных головок, портативных монтажных станций и мониторов, измерительных приборов и приемопередатчиков. И здесь опять производитель не дрогнул и снова оказался на должной высоте. Так, например, появилась переходная площадка GoldMount, предложенная компанией Anton/Bauer для стыковки своих АБ с практически любой аппаратурой разных производителей.

Валентин Тихонов (2000 г.)
.