Элементы питания

Времена механических фотокамер и магниевых вспышек навсегда отошли в прошлое. Ни одно современное фотоустройство не обходится теперь без электронных элементов, а цифровая техника и вовсе целиком электрическая. Таким образом, любой фотограф, не желающий привязать себя к электрической розетке студии, вынужден носить источники тока с собой. Поэтому каждая торговая точка, имеющая хоть какое-то отношение к фотобизнесу, непременно располагает широким товарным ассортиментом электрических батарей. Постоянно растущий спрос на компактные и мощные источники энергии породил в последние годы серьезный технологический прорыв - новые типы элементов питания появляются буквально каждый год. Такое множество технических решений часто приводит к тому, что менеджер магазина не всегда способен объяснить покупателю, в чем разница между несколькими типами элементов, и почему их стоимость отличается в разы.

Итак, какими же бывают современные элементы питания?

Химики различают гальванические элементы двух родов: первого и второго. Разница между ними заключается в том, как производится энергия, которую они вырабатывают.
Элементы первого рода (первичные) - это одноразовые батареи, которые производят электроэнергию за счет химических реакций, в результате которых анод, катод и электролит претерпевают необратимые изменения. Это делает перезарядку таких батарей невозможной или очень нерациональной (к примеру, для зарядки некоторых типов батарей придется потратить в десятки раз больше энергии, чем они могут сохранить, а другие виды могут накопить только малую часть своего первоначального заряда). После этого батарею останется только выкинуть в мусорный ящик, откуда, как хотелось бы надеяться, она попадет в переработку, а, скорее всего, на свалку.
Элементы второго рода (вторичные) чаще называют аккумуляторами. Это значит, что они могут заряжаться, если к электродам подключить источник постоянного тока. Химические реакции, протекающие в них, являются обратимыми. Таким образом, батареи второго рода не производят, а лишь сохраняют энергию.
При прочих равных, аккумуляторы кажутся лучшим выбором по сравнению с одноразовыми батареями. Используя их, мы не наносим столько вреда окружающей среде, ведь после разрядки их не нужно выбрасывать. Один аккумулятор можно использовать около года, а обычных батареек на этот же срок понадобилось бы штук 100-200, и в каждом элементе содержатся токсичные вещества. Но не все так просто. Например, в случае срочной необходимости, одноразовые батарейки являются лучшим выбором. Они дешевы и всегда готовы к работе. Иногда возникают ситуации, когда аккумуляторы зарядить просто негде - к примеру, при фотосъемке на природе. Таким образом, одноразовые батареи остаются актуальным товаром, и следует рассмотреть подробнее их типы и устройство.

Солевые элементы питания

Угольно-цинковые элементы (марганец-цинковые) являются самыми распространенными сухими элементами питания. Наследники изобретения Лекланше, они являются самыми распространенными в мире. Одна лишь компания Energizer продает более 6 миллиардов таких батарей ежегодно. В угольно-цинковых элементах используется пассивный (угольный) коллектор тока в контакте с анодом из двуокиси марганца (MnO2), электролит из хлорида аммония и катод из цинка. Электролит находится в пастообразном состоянии или пропитывает пористую диафрагму. Такой электролит мало подвижен и не растекается, поэтому элементы называются сухими. Номинальное напряжение угольно-цинкового элемента составляет 1.5В.
Сухие элементы могут иметь цилиндрическую, дисковую и прямоугольную форму. Устройство прямоугольных элементов аналогично дисковым. Цинковый анод выполнен в виде цилиндрического стакана, одновременно являющимся контейнером. Дисковые элементы состоят из цинковой пластины, картонной диафрагмы, пропитанной раствором электролита, и спрессованного слоя положительного электрода. Дисковые элементы последовательно соединяют друг с другом, полученную батарею изолируют и упаковывают в футляр.
Угольно-цинковые элементы "восстанавливаются" в течение перерыва в работе. Это явление обусловлено постепенным выравниванием локальных неоднородностей в композиции электролита, возникающих в процессе разряда. В результате периодического "отдыха" срок службы элемента продлевается.
Достоинством угольно-цинковых элементов является их низкая стоимость. К существенным недостаткам следует отнести значительное снижение напряжения при разряде, невысокую удельную мощность (5-10 Вт/кг) и малый срок хранения. Низкие температуры снижают эффективность использования гальванических элементов, а внутренний разогрев батареи его повышает. Повышение температуры вызывает химическую коррозию цинкового электрода водой, содержащейся в электролите, и высыхание электролита. Эти факторы удается несколько компенсировать выдержкой батареи при повышенной температуре и введением внутрь элемента, через предварительно проделанное отверстие, солевого раствора.

Щелочные Батареи (Alkaline)

Щелочные батареи более устойчивы. Выпускаются батареи с параметрами, как правило, 1.5 В и 2600 мА/ч. Они имеют большой срок годности (90 % после пяти лет), но начинают "садиться" с первого же момента использования. Номинальное напряжение их 1.5В, но во время эксплуатации оно снижается. Так как норма разряжения постоянна и известна, вы можете измерить напряжение и определить, сколько времени осталось батареи работать - емкость щелочных батарей практически истощена при напряжении около 0.9В. В зависимости от области применения, щелочные батарейки могут прослужить в 4-5 раз дольше, чем обычные угольно-цинковые. Особенно заметна эта разница при таком режиме использования, когда короткие периоды высокой нагрузки перемежаются длительными периодами бездействия.
Тенденция потребительского рынка идет к все большему потреблению щелочных батарей, в виду увеличения количества устройств с высоким током потребления. В это число входят фотоаппараты с фотовспышками, видеокамеры, электронные записные книжки, портативные проигрыватели мини дисков (MD) и другие. По сравнению с солевыми элементами щелочные являются более энергоемкими и имеют более длительный срок хранения, т.к. в них используется щелочной электролит. Следует заметить, что выбор потребителем алкалайновых элементов среди всех мощных источников тока часто определяется не только их дешевизной, но и тем обстоятельством, что их паспортное номинальное напряжение больше номинального напряжения щелочных аккумуляторов. Но это всего лишь терминологическая путаница.
В действительности паспортное номинальное напряжение первичного источника тока - это его начальное напряжение, а при нагрузке оно быстро снижается, и большая часть разряда происходит при напряжении в Диапазоне 1,2-1,1 В. А номинальное напряжение аккумулятора - это, по определению, его напряжение в средней части разрядной кривой. Поэтому большая часть разряда аккумулятора при такой же нагрузке происходит при более высоком напряжении (~ на 50-100 мВ).
Поскольку качество первичного источника тока определяется выборочными методами контроля на производстве и не существует надежных способов оценить состояние сохранности конкретного изделия, необходимо иметь четкую информацию о дате выпуска и гарантиях производителя. Целесообразно заметить, что отечественная продукция дешевле зарубежной, но срок хранения ее, как правило, заметно ниже.

Литиевые источники питания (Lithium)

Литиевые батарейки обладают более высоким напряжением, чем источники тока других электрохимических систем. Литиевые элементы питания имеют низкий уровень саморазряда (не более 2% в год) и длительный срок хранения. Характеризуются стабильной работой в широком диапазоне температур от -30 до 65С. Литиевое батареи работают до тех пор, пока они не разрядятся почти полностью, так что вы сможете использовать практически всю номинальную емкость батареи.
Литиевые элементы характеризуются очень высокой емкостью и долгим сроком службы даже при интенсивном использовании, например, при частых съемках со вспышкой и перемотке пленки. На сегодняшний день именно литиевые элементы питания зарекомендовали себя как наиболее надёжный, самый энергоемкий и всепогодный источник энергии, к тому же имеющий самый продолжительный срок хранения и использования. Однако литиевые батарейки являются и самым дорогим источником питания. Этот тип элементов был задуман как конкурент щелочным батарейкам. По сравнению с ними литиевые весят на треть меньше, имеют большую емкость, а, кроме того, еще и хранятся дольше. Превосходство над конкурентами проявляется наилучшим образом при большой нагрузке. В случае высоких токов нагрузки литиевые элементы могут работать в 2,5 раза дольше, чем алкалайновые батареи того же размера. Если же на выходе не требуется высокая сила тока, то эта разница заметна гораздо меньше. К примеру, один из производителей элементов питания заявил следующие характеристики двух типов своих батарей размера AA: при нагрузке 20 мА щелочная батарейка проработает 122 часа против 135 часов у лития. Если же нагрузку увеличить до 1А, то продолжительность работы составит 0,8 и 2,1 часа соответственно. Как говорится, результат налицо.
Такие мощные батареи нет смысла ставить в устройства, потребляющие относительно немного энергии в течение длительного времени. Они были специально созданы для использования в фотоаппаратах.

Никель-кадмиевые аккумуляторы

Для столь прожорливых устройств, которыми являются современные фотоаппараты, использование в качестве источника питания одноразовых батареек было бы непозволительной роскошью. Поэтому основным источником тока стали перезаряжаемые батареи - аккумуляторы. Наиболее доступными и распространенными из них являются никель-кадмиевые. Батареи этого типа имеют никелевый анод и кадмиевый катод. Никель-кадмиевые аккумуляторы (обозначаются Ni-Cad) пользуются заслуженной популярностью у потребителей во всем мире. Не в последнюю очередь это объясняется тем, что они выдерживают большое количество циклов зарядки- разрядки - 500 и даже 1000 - без существенного ухудшения характеристик. Кроме того, они относительно легкие и энергоемкие (хотя их удельная емкость приблизительно в два раза меньше, чем у щелочных батареек). Никель-кадмиевые батареи характеризуются очень низким внутренним сопротивлением, а потому могут подать на выход достаточно сильный ток, который, к тому же, практически не изменяется по мере разрядки. Соответственно, напряжение на выходе также остается практически неизменным до тех пор, пока заряд почти совсем не иссякнет. Тогда как напряжение на выходе резко падает практически до нуля. Постоянный уровень выходного напряжения является преимуществом при проектировании электрических схем, но это же делает определение текущего уровня заряда практически невозможным. Из-за такой особенности остаток энергии вычисляется на основе времени работы и известной емкости конкретного типа батарей, а потому является величиной приблизительной.

Никель-металлогидридные аккумуляторы

Еще в конце 60-ых годов 20 века ученые открыли ряд сплавов, способных связывать атомарный водород в объеме, в 1000 раз превышающем их собственный. Они получили название гидриды, а химически они обычно представляют соединения таких металлов, как цинк, литий и никель. При грамотном использовании, с помощью гидридов можно хранить достаточно водорода, чтобы использовать его в обратимых реакциях внутри аккумуляторов. Наибольшее распространение получили никель-металлогидридные (NiMH) батареи, имеющие гидридный катод и никелевый анод.
Использование гидридов имеет несколько преимуществ. Наиболее очевидным является то, что в производстве не используется токсичный кадмий. Кроме того, благодаря использованию водорода в качестве катода, удалось добить 50-процентного увеличения удельной емкости (по сравнению с никель-кадмиевыми батареями). На практике это значит, что с никель-металлогидридными аккумуляторами фотоаппарат или другое устройство будет работать на 50% дольше.
Оба типа вообще имеют достаточно похожие свойства. NiMh-батареи также могут вырабатывать ток большой силы, выдерживают много циклов зарядки/разрядки (обычно около 500), но все же это две разные технологии.
Если во время разрядки батареи двух этих типов ведут себя почти одинаково, то при зарядке сходства не наблюдается. Говоря конкретно, никель-кадмиевые батареи при зарядке практически не изменяют свою температуру. Никель-металлогидридные при этом вырабатывают тепло, причем при достижении полного заряда они могут нагреться весьма значительно. Из-за этого для разных батарей нужны разные зарядные устройства. И хотя на рынке присутствуют универсальные приборы, обычно единовременно в них можно заряжать аккумуляторы только одного типа.
Опасность перегрева при заряде одного из аккумуляторов батареи, а также переполюсования аккумулятора с наименьшей емкостью при разряде батареи возрастает с рассогласованием характеристик аккумуляторов в результате длительного циклирования. Поэтому разработка батарей более чем из 10 Ni-MH аккумуляторов не рекомендуется всеми производителями.

Литий-ионные аккумуляторы

Литий-полимерные аккумуляторы (Li-pol) - последняя новинка в литиевой технологии. Имея примерно такую же плотность энергии, что и Li-ion аккумуляторы, литий-полимерные допускают изготовление в различных пластичных геометрических формах, нетрадиционных для обычных аккумуляторов, в том числе достаточно тонких и способных заполнять любое свободное место.
Li-pol аккумулятор, называемый также "пластиковым", конструктивно подобен Li-ion, но имеет гелевый электролит. Анод отделен от катода полимерной перегородкой, композитным материалом, таким как полиакрилонитрит, который содержит литиевую соль. В результате становится возможной упрощение конструкции элемента, поскольку любая утечка гелеобразного электролита невозможна. Таким образом, при одинаковой удельной плотности, литий-полимерные батареи оптимальной формы могут хранить на 22% больше энергии, чем аналогичные литий-ионные. Это достигается за счет заполнения "мертвых" объемов в углах отсека, которые остались бы неиспользованными в случае применения цилиндрической батареи.
Кроме этих очевидных преимуществ, литий-полимерные элементы являются экологически безопасными и более легкими, за счет отсутствия внешнего металлического корпуса.

Новинки лабораторий

Технологии производства источников питания развиваются стремительно. Скорее всего, те новинки, которые пока не покинули пределы лабораторий, через год-другой займут свое место на прилавках фотомагазинов. Так, ученые из INEEL (американской национальной лаборатории в штате Айдахо) сообщили о разработке новой конструкции литиевой батареи, в которой значительно расширены функциональные возможности этого достаточно традиционного устройства и преодолены имеющие недостатки.
Основное изменение конструкции заключается в использовании смеси гелеобразного полимера и керамического порошка, которые образуют прозрачную мембрану, играющую роль электролита при контакте с двумя электродами. Такая конструкция обладает рядом преимуществ (по сравнению с традиционными, где в качестве электролита используются жидкости и гели). В первую очередь, в новой конструкции исключена возможность утечки электролита (поскольку электролит твердый) и нет осаждения изолирующего слоя на поверхности электродов, что приводит к сокращению времени работы батареи и, в конце концов, к потере ее работоспособности. Отсутствие жидкого электролита (который к тому же потенциально пожароопасен и в некоторых случаях приводит к взрывам в процессе зарядки батарей), значительно повышает безопасность использования этого устройства. Сами исследователи видят наибольшее преимущество твердого электролита в том, что батареи теперь можно будет использовать в более широком температурном диапазоне - электролит не расплавится при высоких температурах и не замерзнет при низких, сохраняя свою работоспособность даже при -73 C.
Еще одна новинка: компания MTI MicroFuel Cells Inc. сделала большой прорыв в энергетических технологиях, создав новый элемент питания на базе метанола. Новые батареи будут очень легки и дешевы, что позволит их с успехом использовать в карманных компьютерах и прочих мобильных устройствах. Причем энергия будет поступать не от батарей, расположенных в специальном углублении в корпусе, а из съемного метанолового картриджа. Пока новинка существует только в виде прототипа, а самая маленькая модель по размерам схожа с колодой карт, но в ближайшие годы, компания надеется, появятся гораздо меньшие экземпляры, которые смогут обеспечивать энергией в 10 раз большей, чем литий-ионные аккумуляторы.
Последний прототип способен обеспечивать энергией 0,24 Вт час на квадратный см, в последствие этот показатель будет увеличен до 5 Вт час. Он представляет собой метаноловый картридж, который может работать в любом положении. MTI MicroFuel Cells планирует начать продажи новинки в 2004 году. Цены на новые батареи будут сравнимы с ценами на литий-ионные аккумуляторы.
В общем, ученые не дадут нам заскучать - только мы привыкаем к удивительным качествам одного источника питания, как ему на смену уже спешит следующий - еще более совершенный.

Элементы питания в фотографии

Рассказав выше об особенностях и устройстве различных элементов питания, нельзя не упомянуть об их применении в интересующей нас области - в фотографии.
В целом можно разделить камеры на использующие элементы стандартных размеров (в основном, AA) и имеющие в комплекте свои собственные аккумуляторы. Первый тип камер имеет в комплекте поставки однократные элементы питания, на которые не стоит возлагать особых надежд - это самые дешевые батарейки, которые весьма быстро разрядятся, так что, скорее всего, придется приобрести отдельное зарядное устройство и максимально емкие (1500-1600 mAh) аккумуляторы. Кроме емкости, важным является максимально обеспечиваемый элементами ток - наполовину подсевшие однократные элементы обычно не в состоянии его обеспечить. Поэтому для интенсивной съемки предпочтительно иметь несколько комплектов аккумуляторов и зарядное устройство. Следует помнить, что современные Ni-MH аккумуляторы (а большинство элементов AA относится именно к этому типу) в течение 2-3 месяцев почти полностью теряют свой заряд, поэтому лучше всего заряжать их незадолго до съемки и не хранить длительное время. Аппараты с собственной аккумуляторной батареей обычно имеют в комплекте зарядное устройство, но вот дополнительный аккумулятор к ним может оказаться найти несколько сложнее.
Неразрывно связанным с батареями моментом является энергопотребление самой камеры: более экономичные аппараты, возможно, смогут пристойно работать с обычными щелочными элементами; также, возможно, и камера, имеющая единственный "специальный" аккумулятор сумеет полностью удовлетворить потребности в съемке, если она потребляет небольшое количество энергии. Некоторой закономерностью можно считать тот факт, что чем дороже камера при неизменном размере матрицы, тем ниже ее энергопотребление: например, у дешевых камер более половины всей энергии потребляет дисплей, в то время как в более дорогих зачастую устанавливаются экономичные LCD-экраны с более низкой потребляемой мощностью.
Солевые элементы питания - являясь самыми дешевыми элементами с невысокими потребительскими качествами, солевые элементы питания применяются в основном в пленочных любительских аппаратах низшей ценовой категории. Поскольку в таких камерах чаще всего даже перемотка пленки осуществляется вручную, то батареи нужны только для функционирования маломощной встроенной вспышки. Это иногда позволяет даже солевым элементам обеспечивать достаточно приличный срок службы.
Щелочные Батареи (Alkaline) - наиболее широко используемые в любительском секторе элементы питания. Чаще всего применяются в пленочных любительских камерах, а так же для питания дополнительных аксессуаров - фотовспышек, внешних экспонометров и т.д. Довольно часто встречаются элементы, специально предназначенные для использования в фотоаппаратах. Как пример - Kodak Photolife, щелочная батарейка для фотоаппаратов и электронных устройств, требующих высокой импульсной мощности. Она дает двукратное увеличение числа вспышек, минимальное время перезарядки вспышки, сохранение работоспособности при низких температурах.
Литиевые источники питания - чаще всего используются в камерах высокого класса, но с небольшим энергопотреблением. Например, механические зеркальные фотоаппараты, где литиевые элементы обеспечивают длительную работу экспонометрической системы. Так же применяются в любительских пленочных аппаратах средней и высокой ценовой категории. Из-за разнообразия форм-факторов, литиевые источники нередко выпускаются по конкретную модель камеры.
Никель-кадмиевые аккумуляторы и никель-металлогидридные аккумуляторы - используются в качестве замены солевым и щелочным элементам питания. Наиболее часто используемый форм-фактор - АА, аналогичный элементам первого рода. Спектр применения очень широк - от самых дешевых пленочных камер, до цифровых аппаратов невысокого класса. Значительное удобство для потребителя представляет широко распространенный форм-фактор и большой выбор этих элементов и зарядных устройств к ним в продаже.
Литий-ионные аккумуляторы - поскольку эти элементы питания предназначены для работы с большими токами, то их естественной сферой применения стали цифровые фотокамеры, особенно современные, с большим разрешением матрицы. Часто такие аккумуляторы бывают встроенными в камеру.
Нельзя не отметить, что литий-ионные аккумуляторы имеют так же применение в смежных с фотографией областях. Так, активному пользователю цифровой камеры часто бывает нужен ноутбук или КПК, для переноса снимков из встроенной памяти фотоаппарата. Подавляющее большинство этих устройств оснащены именно литий-ионными источниками питания.
Литий-полимерные аккумуляторы - в силу того, что эти элементы являются достаточно новыми, их применение в фотографии пока весьма ограничено. Тем не менее, есть тенденция к тому, что они постепенно займут нишу литий-ионных аккумуляторов.

Заключение
Современный фотоаппарат без батареек - просто дорогой и бесполезный ящик. Фотомагазин без источников питания на прилавке - абсурд и коммерческий провал. Мы надеемся, что этот обзор поможет покупателю сделать обоснованный выбор, а сотрудникам магазинов - помочь ему в этом.

Владимир Кротов
fotodelo.ru