18 декабря 2000г.
Впервые статья опубликована в информационно-техническом
журнале "625", #7, 2000, с.12-15
http://www.625-net.ru/ Здесь размещена с разрешения редакции
журнала (Сергей Федотов
magazine625@mtu-net.ru ). К сожалению, непосредственно с автором
связаться не удалось.
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-металлгидридная (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; ССО - по достижению расчетного уровня.
Последний параметр может использоваться вкупе с уже имеющимся (ТСО и
VCO). Все перечисленные параметры относятся к режиму быстрой
зарядки, поскольку именно он, как правило, и применяется для зарядки
интересующих нас АБ.
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
приемопередатчиков. 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.
