Технологии и зарядные устройства для профессиональных
аккумуляторных батарей
Валентин Тихонов
С того самого момента, когда оператору с видеокамерой на плече
впервые удалось выйти за пределы студии, - а произошло это в начале
восьмидесятых - возникла постоянная и острая необходимость в компактных
и надежных источниках питания. Казалось бы, что может быть проще:
возьми готовое и используй. Действительно, 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. Смотрите, 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. Действительно, при весе около
2 кг и минимальных габаритах, она 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-металлогидридная (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.
Так, 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; CCO - по достижению расчетного уровня. Последний параметр
может использоваться вкупе с уже имеющимся (TCO и VCO). Все перечисленные
параметры относятся к режиму быстрой зарядки, поскольку именно
он, как правило, и применяется для зарядки интересующих нас АБ.
Рисунок
1. Зависимость напряжения одного элемента пары NiCd от уровня
заряда
Чтобы как-то почувствовать проблему и немного познакомиться с
процессами, происходящими при зарядке АБ, обратимся к Рис. 1.
Здесь показана зависимость напряжения только одного элемента пары
NiCd (или аналогичной NiMH) от уровня заряда: кривая А - при оптимально
подобранном соотношении скорости заряда и температуры окружающей
среды (читай температуры Ак); кривая В - при неоптимальном соотношении
названных параметров (пример иллюстрирует работу популярного VCO-зарядника,
который прерывает питание АБ по достижении определенного отрицательного
перепада напряжения). Так, из рисунка видно, как по мере нарастания
величины заряда, при оптимальном соотношении температуры и скорости
заряда (кривая А), напряжение элемента сначала резко увеличивается,
а затем также резко падает. Здесь перепад напряжения от максимума
вниз (интересующее нас значение - дельта V) составляет почти 0,2
В, и это изменение и регистрирует датчик зарядника. Поскольку
такой большой перепад свидетельствует об успешности заряда, то
устройство отключает ток. Однако, если скорость заряда и величина
окружающей температуры соотносятся не оптимально, то перепад напряжения
может быть совсем небольшим (кривая В). В этом случае ЗУ может
его и не обнаружить и заряд будет продолжаться. Такой возможный
сбой в работе прибора наводит на мысль, что, либо следует еще
четче контролировать названный VCO, либо (если он недостаточно
хорош) надо отслеживать и еще один - два параметра и, причем,
одновременно. Тут мы как раз и подошли к тому, что использование
более интеллектуального ЗУ могло бы решить проблему. У обыкновенного
же ЗУ, работающего, например, по одному довольно простому алгоритму,
реальны сбои, и если они возникают, то чаще с холодными батареями.
Так, в одних случаях, из-за высокого импеданса батареи, ЗУ может
принять его за "немного" разряженный и спустя некоторое
время прекратить подачу тока (уже упомянутый вариант, когда по
индикатору все ОК, а батарея не "приняла на борт" и
половину заряда). В других же, процесс зарядки будет продолжаться.
Здесь надо заметить, что для профессиональных АБ используется
в основном режим быстрой зарядки, и "закачивание" тока
в холодную (ниже +4,4°С) батарею может привести к интенсивному
выделению газообразного водорода, и если теперь такую АБ, (и,
в частности, NiCd) вставить в видеокамеру, то при искрении оборудования
та может просто взорваться.
Чтобы сюжет под названием: "технологии и зарядные устройства
для профессиональных АБ" не показался несколько мрачноватым,
можно добавить, что многие из упомянутых проблем успешно решены
неутомимыми производителями, и появление батарей со сроком гарантии
- год, два и даже три, хорошая примета. Хотя для этого понадобилось
разработать и гибкие, "высокоинтеллектуальные" зарядники
и не менее "смышленые" батареи. В таких АБ для самодиагностики
используются встроенные сенсоры и системы обработки информации
на процессорах, и при установке подобных батарей на видеокамеру
часть наиболее нужной информации передается даже в видоискатель.
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 приемо-передатчиков. 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.
Пользователю 2000 года теперь при выборе АБ остается совсем немногое:
сопоставить рабочие характеристики аппарата, и, в частности, диапазоны
напряжения и мощности, с аналогичными параметрами батареи, и чуть
более вдумчиво подобрать, пользуясь руководствами изготовителя,
зарядное устройство.
[дальше]
«625»
«Звукорежиссер»
«ТТК»
