Právě je 21 lis 2019 00:04

NEZDOLNY.CZ

Ad omnia paratus

Elektrolytické usměrňovače

Uživatelský avatar
 
Příspěvky: 410
Registrován: 28 říj 2015 14:59

Elektrolytické usměrňovače

Příspěvek od Josef » 25 úno 2018 20:24

Opět volně naváži na situaci, zmíněnou ve vláknu o dynamu - tedy na fiktivní situaci, jaká by nastala, pokud bychom z nějakého důvodu neměli k dispozici polovodiče, které máme běžně dnes. Tato technická řešení nám nejsou tak vzdálená, jak by se zdálo. Stačí se podívat, co používali naši předkové za první republiky a co všechno s tím dokázali udělat.

Naprosto běžnou věcí, kterou měli k dispozici například první motoristé, byly nabíječky autoakumulátorů, které pracovaly na principu elektrolytických ventilů. Byl to přístroj, který si každý alespoň trochu zručný člověk dokázal vyrobit doma z běžně dostupných věcí.

Základem každé nabíječky, jak asi každý tuší, byl transformátor, který přizpůsobil napětí v elektrorozvodné síti napětí akumulátoru, co měl být nabíjený. K nabíjení byl však zapotřebí stejnosměrný proud, zatím co v elektrorozvodné síti byl už v té době na mnoha místech běžně proud střídavý. Z polovodičových diod v té době existoval jen galenitový detektor pro krystalky, kuproxový usměrňovač pro měřící přístroje a místy se začínal objevovat drahý a poměrně choulostivý usměrňovač selenový. Prostě nic, s čím by si mohl za levný peníz dovolit experimentovat běžný uživatel. To s čím mohl postavit svou první funkční nabíječku byl usměrňovač tzv. elektrolytický. Je to věc, která fungovala kdysi a bude fungovat i nyní, pokud ji budete potřebovat a postavíte si ji.

V zásadě jde o skleněnou nádobu (zavařovací sklenici, skleničku od Nugety, instantní kávy aj.) nebo dnes i o nádobu z plastu (PET-lahev, kanystr od pracího prostředku či SAVA), do které se naleje elektrolyt (kapalina o konkrétním složení vodící elektrický proud) a do něj se zavěsí dvě elektrody z různého materiálu. Jedna je z materiálu, který nebude v elektrolytu korodovat, druhá naopak z materiálu, na kterém se chemickým působením elektrolytu rychle vytvoří povlak. Tato vrstvička se chová jako polovodič, pouští proud jen v jednom směru a s takto vytvořeným "ventilem" můžeme usměrňovat střídavý proud. Vše má však svá pravidla - jak materiál elektrod, tak i složení elektrolytu, ve kterém jsou zanořené.

V praxi vyzkoušené a léty osvědčené kombinace ukazuje následující tabulka:
(kliknutím zvětšit)
elektrolyticke-ventily-tabulky.jpg

Profesionální přístroje dřívější doby nejčastěji používaly ventil s tantalovou elektrodou, kvůli malému vnitřnímu odporu a také faktu, že nejčastěji nabíjenými akumulátory byly akumulátory nízkonapěťové. Obvykle byl akumulátor šestivoltový, ať už pro auta nebo motocykly nebo akumulátor čtyřvoltový pro žhavení prvních radiopřijímačů. Pro dnešního kutila bude však asi nejdostupnější použít ventil pro závěrné napětí 150V. Může jej bez obav použít ve všech obvodech s napětím 12V, 24V i 48V a chemické suroviny na jeho výrobu jsou nejsnáze dostupné. Borax (tetraboritan sodný) se prodává buď jako zahrádkářské hnojivo nebo jako tavidlo pro pájení mosazí ve svářečských potřebách. Čpavková voda se prodává v drogerii, stejně tak jako destilovaná voda. Hliníkový plech tloušťky 0,5 až 1mm používají pokrývači a u nich můžete získat i 1 až 2mm silný plech olověný, který se často v minulosti používal na některé klempířské prvky, které se dnes z ekologických důvodů demontují a nahrazují materiálem jiným. Pokud olověný plech neseženete, můžete rozříznout, rozevřít a na placku rozklepat vodovodní olověnou trubku nebo si odlít "loužičku" měkkého olova na ocelový plech a tu pak kladivem do velké plochy rozklepat. Sice to nebude tak elegantní, jako práce s čistě vyválcovaným olověným plechem klempířským, ale funkční to bude.

Účinnost elektrolytického ventilu je 60 až 80% (s menším měrným odporem elektrolytu a větší plochou elektrod účinnost vzrůstá). Největší ztrátu způsobuje ztráta v elektrolytu a proto i když nic nebrání použít pro usměrnění čtyři ventily v Gretzově můstkovém zapojení (jak se dnes běžně dělá s křemíkovými diodami), u elektrolytických usměrňovačů se raději (stejně jako u elektronek) v praxi používá dvoucestné zapojení s transformátorem, který má vyvedený střed sekundárního vinutí. Jednak jsou nižší ztráty a je to také výrobně mnohem jednodušší - není zapotřebí používat více sklenic, protože do jedné nádoby lze snadno dát tři elektrody a získat hned dva ventily současně, aniž by se mezi sebou pohádaly. I obsluha a údržba je pak podstatně jednodušší.

Zapojení klasické nabíječky s elektrolytickým usměrňovačem pro olověné akumulátory:
elektrolyticky-usmernovac-sitovy.gif
elektrolyticky-usmernovac-sitovy.gif (4.66 KiB) Zobrazeno 783 krát

1. - Elektrolytický usměrňovač lze použít pouze pro nabíjení nebo napájení "spotřebičů", které obsahují na vstupu buď akumulátor nebo alespoň kondenzátor s větší kapacitou. Tyto součástky si krátkodobě podrží kladný potenciál během celého usměrňovacího cyklu a zajistí tak existenci a dobrou kondici polovodivé vrstvičky na elektrodě.
2. - Provozní teplota elektrolytu se musí za provozu pohybovat v rozmezí 0 až +50°C.
3. - Je-li ve ventilu použita hliníková elektroda, musí elektrolyt vždy obsahovat amoniak (čpavkovou vodu) nebo alespoň amonnou sůl. Je to nezbytné pro vytvoření polovodivé vrstvičky na elektrodě.
4. - Elektrody musí být z co nejčistšího materiálu. Zejména hliník. Vhodný je tzv. "elektrovodný hliník Al 99,9" používaný na silnoproudé sběrnice nebo alespoň "měkký hliník Al 99,8". "Tvrdý hliník", dural a jakékoli slitiny hliníku jsou nevhodné. Sice také usměrňují a když se článek nepoužívá, rychle podléhají korozi a rozpadají se (jediným řešením je po použití vytáhnout elektrody z elektrolytu a opláchnout v čisté vodě).
5. - Zdrsnění nebo naleptání povrchu hliníkové elektrody před použitím v usměrňovači zvětší její pracovní plochu až trojnásobně a umožňuje zatížit ventil většími proudy. Pro hladký plech se doporučuje nepřekročit proudovou hustotu 0,1 ampéru na 1cm2 plochy plechu. Jedná se o velikost funkční plochy - tedy plochy, kterou je elektroda otočená vůči druhé elektrodě kam proudí proud. (Pro nabíjení akumulátoru proudem cca 6 ampérů tedy bude stačit ustříhnout čtverec plechu o velikosti 8 x 8 cm nebo 5 x 12 cm, podle výšky a šířky sklenice.)
6. - Elektrody umístíme poměrně blízko sebe. Zhruba 0,5 až 1cm, aby cesta, kterou musí vykonat proud elektrolytem nebyla příliš dlouhá a elektrolyt se zbytečně nezahříval. Aby se elektrody vzájemně nedotýkaly, můžeme je na okrajích rozepřít skleněnými nebo plastovými tyčinkami (brčko na limonádu). Rozpěrky mezi elektrodami by však neměly bránit svislému proudění mezi elektrodami, aby odtud mohla vzhůru unikat zahřátá kapalina a bublinky. Ploché separátory ze zvlněného plastu po vzoru olověných akumulátorů nejsou vhodné, zadržují bublinky i kal a dotýkají se citlivé usměrňovací vrstvy na mnoha místech, což jí nesvědčí.
7. - Elektrody (s výjimkou zúžených přívodů) by měly být zanořeny nejméně 1 až 2 centimetry pod hladinou. Je potřebné, aby mezi nimi mohl vzniknout "komínový tah", který bude vyměňovat zahřátý elektrolyt s bublinkami za nový studený z chladnějších míst nádoby.
8. - Elektrody musí být také 1 až 2cm nad dnem, aby nezasahovaly do kalu, který se pod nimi po delším čase tvoří.
9. - Elektrolytický ventil se musí před prvním použitím nechat chvíli tzv. "naformovat". Přístroj se sestaví a zapojí podle schématu. Pak se připojí na akumulátoru, který se má nabíjet, ale transformátor nabíječky se do sítě zapne až po chvíli. Mezi tím zbytek proudu obsažený v akumulátoru bude minutu až několik minut proudit zpět do elektrolytického ventilu a tím se na hliníkové elektrodě vytvoří souvislá vrstvička polovodiče. Pak zpětné proudění zeslábne a ventil je schopen usměrňovací funkce.

Tak a teď se určitě zarazíte a řeknete si: "Ten Josef se úplně zbláznil, proč nám tady píše něco o jakési nabíječce. Vždyť když půjde v zásuvce proud, znamená to, že svět funguje normálně a nepotřebujeme nic nabíjet. A i kdyby, zajdeme do obchodu a koupíme buď křemíkovou diodu nebo rovnou celou procesorem řízenou nabíječku."
A máte pravdu. Nepíši zde o elektrolytickém ventilu proto, abyste si s ním stavěli nabíječku, když okolo sebe máte habaděj daleko lepších nabíječek. Píši o něm proto, že je do součástka o které je dobré vědět, protože ji můžete vyrobit v situaci, když už nejde (a možná měsíce či roky nepůjde) proud nebo v situaci, kdy si onu součástku nemůžete koupit (hospodářské embargo, obklíčení za války aj.). Součástka, kterou můžete usměrnit střídavý proud co získáte z nějakého doma dělaného alternátorku. Ono totiž podomácku vyrobit alternátorek je mnohem jednodušší, než se pokoušet vyrobit doma dynama. Dynamo má komutátor a k jeho výrobě potřebujete stroje, přinejmenším soustruh. Ale alternátorek můžete udělat tak, že cívka bude statorem a rotor bude tvořen magnetem. Pak nepotřebujete řešit, jak z otáčejícího rotoru vyvést elektřinu ven. Upravíte si spálený komutátorový motor vysavače či automatické pračky tím, že použijete jen zachovalé statorové vinutí. Zničený rotor i uhlíky nahradíte hřídelí obalenou magnety (posbíranými např. ze školní nástěnky). Nebude to mít sice výkon jaderné elektrárny v Temelíně, ale fungovat to bude. Takový alternátorek na stožáru malé větrné elektrárničky nebo u vodního mlýnku se může stát vaším jediným zdrojem elektrické energie a vy budete hledat způsob, jak jeho nestabilním střídavým proudem nabít akumulátor pro další využití (nabíjení baterií nouzového přijímače, vysílačky, svítilny, nočního vidění, alarmu, atd.).

Schéma zapojení elektrolytického usměrňovače u větrné elektrárny:
(osazené alternátorem s permanentními magnety generujícím stříd. proud)
elektrolyticky-usmernovac-s-alternatorem.gif
elektrolyticky-usmernovac-s-alternatorem.gif (5.29 KiB) Zobrazeno 780 krát

Elektrolytický usměrňovač jsem popsal výše. Ten, který je použitý zde je v zásadě stejný - v nádobě jsou hliníkové elektrody dvě, každá na jedné straně. Uprostřed je elektroda olověná. S autotransformátorem si nemusíte dělat zbytečné starosti, jeho parametry nejsou kritické. To, že má ve svém názvu "auto" s automobily nikterak nesouvisí - lze použít třeba starší průmyslový transformátor 150 až 200W původně určený z 230V na 24V, co se používal pro osvětlení obráběcích strojů nebo na montážní lampy (takový, který ještě není zavařený svářečkou, ani zalakovaný nerozebíratelným lakem). Opatrně z něj vytáhněte trafoplechy a odmotejte z něj vinutí jak sekundární (silné), tak i primární (tenké). Papíry i bužírky zachovejte, budou se hodit. Zpět na kostru navinete původní sekundární vinutí, ale budete přitom muset počítat, kolik závitů jste navinuli. Tím vytvoříte první část vinutí na schématu označenou 50%. Pak si opatříte drát stejného průměru, jaký jste právě vinuli a ve stejném množství. Nyní novým drátem budete vinout VE STEJNÉM SMYSLU stejný počet závitů jaký má předchozí vinutí. Ne však naráz celou délku - zhruba po navinutí každé další čtvrtiny vyvedete z cívky odbočku. Tím získáte odbočky pro přepínání. Můžete si jich udělat více nebo méně, podle toho, kolik kontaktů má k dispozici váš přepínač. Celkový počet závitů však musí být stejný jako u předchozího vinutí z původního drátu. Přidáním tohoto nového, zhruba stejného kusu drátu jste z původního 24V vinutí vytvořili vinutí dvojnásobné, schopné pracovat celkově až do maximálního napětí 48V (v praxi to však bude podstatně méně, takže poškození nehrozí). Původní tenký drát z primárního vinutí se už nepoužije. Vinutí po vrstvách dobře prokládejte izolačním papírem a nakonec naimpregnujte v rozpuštěném parafínu. Celý transformátor sestavte a trafoplechy řádně utáhněte ať nebzučí (při proměnných otáčkách větrné elektrárny to není příjemné poslouchat). Při testování, zda zařízení vůbec funguje, můžete alternátorek dočasně nahradit a "laboratorně" napájet zařízení ze sítě bezpečnostním transformátorem 230V/24V AC. Ale je to jen základní zkouška funkčnosti trafa a usměrňovače, s větrnou elektrárnou se to v reálu chová o dost jinak.

Protože větrná nebo vodní síla je nestálá a podmínky se mění, v praxi se přepínačem vždy postupně hledá taková odbočka na transformátoru, kdy ukazuje ampérmetr největší nabíjecí proud*. Tehdy je hnací stroj, alternátor i nabíječka vzájemně v souladu, bez ohledu na to, jaké jsou právě otáčky nebo jaké konkrétní napětí se v jednotlivých částech zařízení vyskytuje. To totiž v tu chvíli není podstatné. Podstatné je, aby to nabíjelo a to co nejlépe - tedy aby proud byl co největší a z nestálé přírodní energie jsme vytěžili maximum.

Samozřejmě v nouzové situaci vynecháte kontrolku, měřidla, pojistky a přepínač nahradíte krokosvorkou ručně přehazovanou po odbočkách na vinutí transformátoru tak, aby alespoň podle poslechu běžela větrná nebo vodní elektrárna co nejvíce zatížená ale ještě se nezačala "propadat" otáčkami do situace, že vrtule, turbína nebo vodní kolo přestává "táhnout" a zastavuje se, protože je přetížená.

K nabíjení se hodí pouze akumulátory s volně nalitým kapalným elektrolytem (WET). Nabíjet uzavřené akumulátory typu VRLA, AGM a gelové se nedoporučuje, protože zařízení není automat a neumí se vypnout po ukončení nabíjení. Proces nabíjení musíte sledovat sami a sami ho také ukončit. To dokážete jen u obyčejného akumulátoru, který vám nějakou tu vaši nedůslednost bude s nadhledem tolerovat, zatím co "gelovka" vám na jakoukoliv drobnou odchylku odpoví nevratným snížením své životnosti. Na baterie lithiové, pokud nechcete, aby vám po přebití explodovaly, raději zapomeňte úplně (ty můžete bezpečně nabíjet jen řádnou nabíječkou až z elektřiny nastřádané v prvotním olověném akumulátoru). Pokud máte voltmetr, považujte dvanáctivoltový olověný akumulátor nabitý, když se jeho napětí vyšplhá v létě na 14,4 a až na 14,7 voltů v zimě. Nemáte-li voltmetr, musíte se řídit poslechem šuměním uvnitř akumulátoru (doporučuji použít fonendoskop nebo alespoň porcelánový hrnek přiložený na kratší boční stranu akumulátoru, rozhodně přikládejte holé ucho na kyselinou potřísněný akumulátor). Pokud akumulátor jen tak jemně šumí, nabíjí se. Pokud intenzivně šumí a ještě si u toho pobublává až vře, už je nabitý a můžete nabíjení zastavit. U vodní elektrárničky zastavte přívod vody na kolo či turbínu, větrnou vrtuli stočte po větru, aby měla co nejnižší otáčky a přepínač přepněte do polohy "parkování", kdy zaskratování alternátoru zvýší mechanický odpor, který vrtuli intenzivně brzdí.

-------------------------

*) Samozřejmě pokud byste stavěli výrazně větší zařízení než popisované, je potřeba mít na paměti, že se nesmí překročit maximální nabíjecí proud konkrétního akumulátoru: I-max.=0,3xC (I-max.= maximální krátkodobý nabíjecí proud Amp, C=kapacita akumulátoru Ah) Tj. např. u akumulátoru 55Ah je to 0,3 x 55 = max.16,5A.
Dlouhodobě se doporučuje proud I-norm.=0,1xC (I-norm.= doporučený dlouhodobý nabíjecí proud Amp., C=kapacita akumulátoru Ah) Tj. u akumulátoru 55Ah je to 0,1 x 55 = optimálně 5,5A.


Nezbytná poznámka: Tento příspěvek není návodem ve smyslu občanského zákoníku, pouze soupisem poznatků, vlastních měření a soukromých názorů autora na danou problematiku. Každý, kdo se bude pokoušet vyrobit či sestavit zařízení, činí tak na vlastní riziko a musí si být vědom, že tím dobrovolně podstupuje riziko neúspěchu, finanční ztráty, úrazu či jiné újmy. Není zaručena shoda obsahu článku s platnými normami ČSN a EN a souvisejícími vyhláškami, je věcí každého si toto zajistit. Při svém konání jste povinni dodržovat zákony České republiky, protipožární a bezpečnostní vyhlášky. Zákon o využívání obnovitelných zdrojů, platný v době, když vznikal tento příspěvek, zakazuje svépomocné a amatérské montáže systémů pro využití přírodních energií budovy. Jak je tomu u přenosných zařízení, které na budovách nejsou, je diskutabilní záležitost. Zákon v principu nerozlišuje velké zdroje od zdrojů malých nízkonapěťových s ostrovním provozem a i pro dětský větrníček s leddiodou platí stejná pravidla jako pro megawattovou větrnou elektrárnu na kopci (a proto je z mého pohledu špatný). Nicméně "krajní nouze" je stav, kdy platí především zdravý selský rozum. A proto je na vás, jak níže uvedené informace v budoucnu užijete a jak na to budete technicky vybaveni.
V nejkomplikovanějších situacích nejspolehlivěji fungují obvykle ty nejprimitivnější technologie.

Zpět na Zdroje energie

Kdo je online

Uživatelé procházející toto fórum: Žádní registrovaní uživatelé a 1 návštěvník