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1- Pilhas NiCd
O primeiro tipo de pilha recarregável que apareceu nas aplicações domésticas foram as chamadas Níquel Cádmio,
ou NiCd. Este nome obviamente deriva das matérias primas usadas em sua confecção.
Estas pilhas são bastante robustas e de baixa resistência interna, portanto capazes de oferecer elevadas
correntes. Em contrapartida não apresentam grande capacidade (para os padrões atuais) e tem uma limitação de cerca de 500
ciclos de carga / descarga. São afetadas pelo chamado efeito memória, que veremos mais adiante.
As pilhas NiCd devem ser descartadas nos coletores de lixo seletivo, pois o Cádmio é um metal altamente
poluente e seu uso vem sendo banido em vários paises. Tudo indica que este tipo de pilha deve desaparecer.
2- Pilhas NiMH
São as de Níquel Metal Hidreto. É a geração atual, com sensíveis vantagens sobre a NiCd, como:
- Maior capacidade
- Maior quantidade de ciclos de carga descarga (os fabricantes afirmam ser de aproximadamente 1000 se a
pilha for corretamente utilizada).
- Menos poluente. Mesmo assim é recomendável descartá-las na coleta seletiva
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| Pilhas de NiMH |
3- Pilhas LiIon
Pilhas de Lítio íon. A melhor tecnologia disponível hoje na eletrônica de consumo. Porem são relativamente
caras e sua aplicação está limitada a baterias em formatos específicos para cada aplicação. É muito raro encontrá-las nos
tamanhos padrões como C, AA, AAA.
O que vamos descrever a seguir serve basicamente para todos estes tipos, porem o foco será o conhecimento
do uso correto das NiMH e NiCd.
CARACTERÍSTICAS BÁSICAS
A tabela abaixo resume as principais diferenças entre as pilhas
mais comuns.
Tensão
Uma diferença importante
entre as pilhas primárias e as secundárias reside na tensão que a pilha apresenta. As primárias, tanto zinco-carvão como as
alcalinas, tem uma tensão de 1,5V, valor este que cai durante o uso. Na maioria das aplicações a pilha é considerada descarregada
quando este tensão (sob carga) cai para 60% deste valor, ou seja, atinge 0,9V. Bons aparelhos devem funcionar – embora
com desvio nas especificações – com uma tensão de 0,9V por pilha.
As pilhas secundárias
NiCd e NiMH apresentam uma tensão típica de 1,2V e são consideradas descarregadas
quando este valor cai para 1V. Não se deve deixá-las operando abaixo deste valor sob pena de danificá-las.
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| Exemplo de pilha corretamente rotulada |
Esta diferença de
voltagem não costuma apresentar problemas na maioria das aplicações, porém é possível que os mecanismos de detecção de carga
sejam “enganados”. Por exemplo, uma câmera digital feita para operar com 3V (duas pilhas primárias em série) pode
indicar “carga baixa” ao usarmos 2 pilhas NiMH que fornecerá 2,4V. Tendo em mente esta diferença de tensão entendemos
o aviso incorreto da câmera.
No passado as câmeras populares usavam um conjunto de 4 pilhas
AA em série, totalizando 6V. Claro que quando se usava nestas câmeras pilhas recarregáveis esta tensão de alimentação totalizava
4,8V. Algumas memórias não podiam ser usadas com tensão baixa (exigiam cerca de 5V) e portanto apresentavam funcionamento
irregular quando a câmera era utilizada com pilhas recarregáveis. Alguns fabricantes,
para indicar que suas memórias trabalhavam com baixas tensões, colocavam o aviso “3V”. Estas podiam ser usadas
em equipamentos acionados por pilhas recarregáveis. Atualmente este problema não existe mais.
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| Antiga memória Smartmedia com indicação de trabalho em 3V |
MANDAMENTOS
Antes de entrarmos nas definições e conceitos básicos, vamos guardar duas leis básicas, verdadeiros “mandamentos”:
A - As pilhas recarregáveis odeiam calor
B - As pilhas recarregáveis não suportam choques mecânicos (batidas,
quedas, etc.).
Com isso em mente podemos ir em frente.
CAPACIDADE
O principal termo a ser conhecido para se entrar no mundo das pilhas é o de capacidade.
A capacidade de uma pilha se refere à quantidade de energia que ela pode reter no processo de carga, energia
esta que será disponibilizada no uso. Este dado vem impresso em letras destacadas nas pilhas e é na pratica o grande fator
de escolha de uma pilha tendo em vista um uso determinado.
A capacidade é informada em miliamperes.hora ou mAh.
Suponhamos uma pilha com capacidade de 2200 mAh. Vamos chamar esta capacidade de “C”.
Nesta pilha, portanto C= 2200 mAh.
Se esta pilha for utilizada num aparelho cuja corrente de consumo é de 200 mA, a duração da carga será
de:
Duração = C/consumo
Duração = 2200/200 = 11 horas.
Esta regra não é linear. Quanto maior o consumo do aparelho, ou seja, quanto mais ele se aproxima de C,
maior é o desvio deste cálculo.
Se a corrente de consumo for de 2200 mA, igual a C, a duração será inferior a 1 hora porque neste regime
de uso as perdas internas são grandes.
A utilização das pilhas com de correntes de descarga de valores maiores que C na prática é possível, desde
que de alguma forma haja circuitos que monitorem a pilha. Este tipo de uso estressante só deve ser feito se não houver alternativas.
Um alto ritmo de descarga associado à resistência interna da pilha leva à produção de calor. Isso fere o primeiro mandamento.
Geralmente os fabricantes especificam a capacidade da pilha tendo em conta uma descarga (ou corrente de
uso) de 0,1C.
Isto significa que a carga nesta pilha do nosso exemplo terá uma duração de 10 horas se utilizada a uma
corrente de 0,1C ou 220 mA.
CARGA
Carregar a pilha significa fazer passar por ela uma corrente elétrica em determinado sentido de forma que,
dentro da mesma, reações químicas vão absorver e armazenar energia.
A descarga e posterior recarga forma um ciclo completo. Este ciclo pode ser repetido muitas vezes e daí
a grande vantagem deste tipo de pilha, que as tornam econômicas.
Como nem tudo é perfeito, a cada ciclo de descarga e carga a pilha perde um pouco de sua capacidade de
retenção, ou seja, C diminui. Isto pode ser percebido com o tempo, quando as pilhas “duram pouco” após carregadas.
Nem sempre isto significa fim de vida. Em alguns casos a perda da capacidade deriva de uso incorreto e pode ser consertado
através do condicionamento da pilha. Veremos mais adiante o que é isso e como fazer. Mas, se o condicionamento não resolver,
então esta queda de capacidade significa mesmo o fim da vida útil e as pilhas devem ser substituídas.
CONDIÇÕES DE CARGA
Chamamos de condições de carga à intensidade de corrente e o tempo em que a pilha ficará sob carga.
O tempo de carga pode ser calculado de forma análoga ao tempo de descarga. Fazendo-se passar pela pilha
uma corrente I (em mA), o tempo de carga (Tc) é
dado por:
Tc = C/I
Ex. Ao se carregar uma pilha NiMH que tenha uma capacidade C = 1200 mAh, usando uma corrente de 150 mA,
o tempo de carga (teórico) é de:
Tc = 1200/150 = 8 horas.
Na pratica deve-se acrescentar um pouco mais de tempo, pois as reações químicas no interior da pilha não
apresentam eficiência 100%.
Somos então induzidos a pensar que podemos ter um tempo de carga bastante curto se usarmos para a carga
uma corrente elevada.
Por ex, usando-se uma corrente numericamente igual a C, o tempo de carga seria de 1 hora.
Isso é correto e possível desde que vários fatores sejam observados, como:
a. Ao carregar uma pilha com uma corrente igual ou próxima a C o desenvolvimento de calor no interior da
pilha é enorme. Isso, novamente, fere o 1º mandamento o que implicará num sensível encurtamento da vida útil da pilha, ou
seja, o número de ciclos carga-descarga será reduzido.
b. Nestas condições de alta corrente, uma vez que a pilha atingiu a carga completa, a corrente de carga
precisa ser imediatamente interrompida caso contrário ocorrerá o desenvolvimento de gases no interior da pilha e ela poderá
explodir. Mesmo que não o faça, pois há um sistema de segurança para evitar a explosão, a liberação dos gases significa perda
de material interno e conseqüente drástica redução na capacidade.
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| Carregadores para pilhas de vários tamanhos |
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| Antigo carregador com corrente de carga de 130 mA (pilhas AA) e 52 mA (pilhas AAA) |
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Por este motivo os carregadores “super rápidos” incorporam vários sistemas para detectar quando
a pilha chegou à plena carga. Dizemos vários sistemas porque carga sob alta corrente é uma condição realmente crítica e não
pode haver margem a erro. Alem disso o carregador também faz um monitoramento da temperatura da pilha e, caso a temperatura
suba muito, a corrente de carga é reduzida a um valor seguro.
Se não há pressa e se priorizarmos a vida útil da pilha devemos evitar o aumento de temperatura que sempre
irá ocorrer numa carga rápida. A melhor maneira de se fazer isso é utilizar a “carga lenta”.
A regra básica e clássica de carga lenta recomendada pelos fabricantes é que as pilhas sejam carregadas
com uma corrente igual a 0,1C e, para compensar as perdas internas, acrescentar 40% ao tempo calculado, o que garante que
efetivamente ela chegue à carga plena.
Isto significa:
Tc = C/0,1C x 1,4 = 14 horas
Portanto conseguiremos uma ótima funcionalidade carregando-se as pilhas em 14 horas sob uma corrente de
0,1C.
Ganhamos ainda alguns bônus na carga lenta, como:
* Não há o menor problema com sobrecarga. Ou seja, estas 14 horas não são mais críticas. Não há problema
algum em deixar a pilha, por ex. 24 horas, ou mais, sob uma corrente de 0,1C.
* Não há sobreaquecimento, portanto não há risco de explosão e nem vazamento de material interno.
* Esta condição é a que proporciona uma vida útil longa
Acontece que nem sempre podemos escolher esta condição ótima de carga. Se comprarmos os carregadores existentes
no mercado, a grande maioria deles (para não dizer todos), optam pela carga rápida.
Assim sendo não resta muita alternativa senão construirmos nosso próprio carrgedor. O exemplo de um carregador,
feito para atender às condições de carga lenta para vários tipos de pilha será detalhado no final deste artigo.
ARMAZENAMENTO
Guarde suas pilhas recarregáveis sob temperatura ambiente e de tal forma que seja impossível os contatos
entrarem em curto.
Tome muito cuidado para não misturá-las, nem as de mesma capacidade. Embora tenham a mesma capacidade,
elas podem ter pequenas diferenças no tempo de carga e descarga. Isto significa que devem ser usadas em conjunto, conforme
embaladas pelo fabricante.
Considerar que as pilhas recarregáveis apresentam uma taxa de auto descarga bem maior que as pilhas primárias.
Isto significa que mesmo adequadamente guardadas elas se descarregam. Este efeito é menor nas Litio-ion.
Uma boa maneira de guardá-las é usar estes organizadores plásticos tipo colméia. Eles oferecem uma boa
proteção e facilidade de separação dos conjuntos (ver figura).
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| Sugestão para guardar suas pilhas. Não misture nem as de mesma capacidade |
PLANEJAMENTO
Se formos utilizar as pilhas recarregáveis no sistema de carga lenta, que demanda algum tempo, é necessário
que se saiba de antemão quando iremos usá-las e, cerca de 24 horas antes, efetuar a carga. Se as carregarmos muito antes,
sabemos que a auto-descarga irá consumir parte da carga útil. Se a necessidade de uso acontecer em cima da hora, aí só resta
recorrer à carga rápida.
CONDICIONAMENTO
Se uma pilha é repetidamente colocada para ser recarregada antes de estar totalmente descarregada, ou seja,
quando ainda há um resíduo de carga, pode acontecer o chamado “efeito memória”. A pilha perde parte de sua capacidade,
exatamente aquele resíduo que não foi utilizado. Isso era comum acontecer nas NiCd e raramente acontece com as NiMeH. De qualquer
forma é bom evitar esta prática.
Quando acontecer o efeito memória a pilha deve ser “condicionada” e geralmente ela recupera
sua capacidade nominal.
O condicionamento consiste em se fazer repetidos ciclos de carga completa / descarga completa. A descarga
completa não é tão simples.
Uma pilha carregada apresenta uma tensão de 1,2V entre seus terminais. Quando em descarga esta tensão vai
decrescendo e a pilha é considerada descarregada quando ela atingir 1 Volt. A partir deste ponto deve-se parar a descarga
para não danificar a pilha.
A descarga condicionada requer um circuito específico. Na pratica este circuito descarrega a pilha através
de um resistor ao mesmo tempo que fica comparando a tensão nos terminais da pilha com uma referência de 1V. Quando a pilha
atinge este valor a descarga é interrompida e algum aviso é dado indicando que o processo de descarga terminou.
A construção de um descarregador com estas características exige alguma prática em montagens de circuitos
e em outra ocasião trataremos disso.
UMA PALAVRA SOBRE SEGURANÇA
Aqui vai um ligeiro
alerta sobre segurança no uso das pilhas recarregáveis.
As recarregáveis
tem uma característica muito interessante que é a baixíssima resistência interna. Isto faz delas ideais para fornecimento
de elevadas correntes. Se por um lado isto é útil em aplicações que demandam alto dreno (ex. motores nas ferramentas elétricas)
por outro lado pode trazer problema de segurança em condições de falha.
Explicando: Se um
equipamento usando pilhas apresentar uma falha tal que coloque a pilha em curto e se não houver um dispositivo de segurança
que limite a corrente, as conseqüências podem ser graves.
Como a corrente de
curto circuito é um dado que os fabricantes de pilhas não indicam, medi algumas e encontrei o seguinte (medida feita em 2
unidades de cada, portanto sem valor estatístico):
Pilha tamanho AA
tipo carvão-zinco = 3,8 Amperes
Pilha tamanho AA
NiMH de 2100 mAh = 12 Amperes
Pilha tamanho AA
NiCd de 650 mAh = 15 Amperes
Observar que a corrente
máxima não está ligada à capacidade e sim à tecnologia da pilha.
Para ver em que implica
uma condição de curto circuito com as correntes acima, foi feito o seguinte ensaio: Com uma pilha AA simulei um curto num
circuito tendo num trecho um fio de ligação igual ao usado nos porta pilhas.
Na pilha Zinco-carvão
houve um ligeiro aquecimento do fio, perceptível ao tato e sem maiores conseqüências.
Substituindo a pilha por uma NiCd, o efeito foi de total destruição
do fio em cerca de 10 segundos (foto abaixo). Condição mais que suficiente para iniciar um incêndio se este fio estivesse
por ex. junto a um corpo de plástico.
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| Efeito da corrente de curto-circuito de uma NiCd tamanho AA |
Os fabricantes de
equipamentos que usam pilhas devem incluir um (ou mais) sistema de proteção para evitar que em condições de falha a corrente
atinja valores que provoquem incêndio. Ou então construir o produto de tal modo que um curto circuito interno seja impossível.
Se não houver esta
proteção o fabricante deve indicar que não se deve usar pilhas recarregáveis naquele
aparelho.
Exemplo de construção de um carregador de carga lenta
Para a confecção de um carregador tipo carga lenta, foi adquirido um carregador de carga rápida, um destes
“sem marca”, que usa transformador, portanto a preço bastante módico. Ele foi aberto e totalmente desmontado.
É importante que seja do tipo com transformador comum, de 60Hz. Alguns tipos mais avançados fazem a redução
de tensão por meio de uma fonte chaveada ou um sistema de alta freqüência, sendo neste caso impossível realizar a mudança
sem instrumentação adequada.
O passo seguinte foi desmontar o transformador de força (que tinha secundário de 3V, e re-enrolar o secundário
para uma tensão de 9 volts.
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| O re-enrolamento do transformador |
Na figura abaixo está o circuito utilizado. Extremamente simples, compõe-se de um retificador de meia onda.
Como limitador de corrente foi utilizada uma lâmpada de carro de 4W/12V (aparece como "L" no diagrama abaixo), que
limitou a corrente de carga muito próximo de 100 mA, que é a corrente que eu queria.
A regulação do transformador foi suficientemente boa para que, ao se ligar o segundo par de pilhas no outro
canal de carga, a variação de tensão ficou dentro de 5%, portanto aceitável.
O diodo utilizado é um 1N4004.
Neste caso foi usado como limitador de corrente uma lâmpada de 12V/4W em cada canal de carga. Evidentemente
resistores comuns podem ser usados porem é conveniente ter uma sinalização luminosa de que está havendo corrente de carga.
É comum acontecer um contato deficiente ao se colocar as pilhas no carregador e a lâmpada faz o aviso.
Se você for construir seu carregador, escolha resistores ou lâmpadas que limitem a corrente em 0,1C para
as pilhas que você irá carregar.
Caso tenha jogos de pilhas com diferentes capacidades, uma chave seletora de corrente pode ser incorporada...
e seu carregador terá um aspecto "profissional".
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| Circuito do carregador com 2 canais de carga |
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| Vista interna das alterações feitas |
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| O carregador pronto e em funcionamento |
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