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PILHAS RECARREGÁVEIS

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Pilhas recarregáveis

Como usá-las corretamente


As pilhas dividem-se em 2 tipos principais:

 

As PRIMÁRIAS – são aquelas de uso descartável, que não aceitam recarga. Dos vários tipos existentes as mais comuns são as de zinco-carvão (baratas e de baixa capacidade) e as alcalinas, que embora custem mais caro, apresentam uma capacidade maior, sendo de menor custo por watt na maioria das aplicações.

 

As SECUNDÁRIAS – são as que podem ser recarregadas. E é delas que vamos conhecer um pouco melhor aqui.

 

Embora existam há muito tempo, mais de 20 anos, as pilhas recarregáveis apenas recentemente se tornaram populares ao grande público.

 

As aplicações iniciais eram limitadas a sistemas fechados onde o usuário não tinha acesso e a troca, quando necessária, era realizada apenas nas oficinas. Este é o caso das ferramentas elétricas portáteis (parafusadeiras, pequenas retíficas) alguns tipos de barbeadores, etc.

Recentemente, com o advento das câmeras digitais, as pilhas recarregáveis saíram do esconderijo e foram para as vitrines das lojas. Atualmente disputam espaço nas lojas dos shoppings, com direito a material promocional, displays, embalagens blister e tudo o mais que os produtos de grife devem possuir para chamar a atenção na disputa da preferência.

 

Com a popularização e com as novas aplicações aparecendo os fabricantes investiram em pesquisas e novos tipos de pilhas foram aparecendo, com alta capacidade de armazenamento de energia e com maior número de ciclos de carga/descarga.

 

Embora populares, elas ainda são bastante desconhecidas e não é difícil encontrar situações onde são usadas de modo e com tratamento incorreto. Elas foram feitas para durar e, com a possibilidade de muitas recargas, se tornarem bastantes econômicas ao usuário. São ótimas... desde que usadas corretamente. Para serem usadas corretamente é necessário que seus pontos fracos e fortes sejam conhecidos e respeitados. Se isso for feito, elas darão em troca confiabilidade e economia.

 

TECNOLOGIAS

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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.
 

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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

 
 
 
Escrito por Antonio R. Rabitti

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