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Realizziamo un semplice circuito che permette di prolungare la vita utile delle comuni pile a secco, consentendone il riutilizzo più volte.

La necessità di avere a disposizione una fonte di energia elettrica esiste da sempre. Che si creda o no, le pile e le batterie, specialmente ai nostri giorni, costituiscono ormai una fonte di energia insostituibile: lampade, radioline, cellulari, orologi e molto altro ancora, sono tutti utilizzatori alimentati con pile e batterie, ricaricabili e non ricaricabili. In questo articolo ci dedicheremo proprio a queste ultime, realizzando un semplice circuito che consente di aumentarne la vita media ad un costo pressoché nullo.

LA PILA
La pila, la cui paternità si attribuisce ad Alessandro Volta nel 1800, è un generatore di energia elettrica, dovuta alle trasformazioni e alle reazioni chimiche che avvengono al suo interno. Nel corso degli anni la tecnologia ha cercato, e trovato, le soluzioni per realizzare generatori capaci di fornire la maggior quantità di corrente possibile.

Esse si dividono in due grandi categorie:

● Le pile ricaricabili

● Le pile non ricaricabili usa e getta (pile a secco)

Nelle prime, il processo chimico per cui avviene la “scarica“ è completamente recuperabile, nel senso che, grazie ad un processo di erogazione di corrente inversa per un determinato periodo di tempo (la ricarica), le condizioni intrinseche della pila vengono a trovarsi esattamente come prima del suo utilizzo, ossia essa si “ricarica”. Nelle seconde, invece, tale processo è pressoché irrecuperabile e solitamente, dopo un utilizzo normale, essa è destinata ad essere gettata, con disprezzo, nella pattumiera. Lo scopo del nostro progetto è proprio quello di raddoppiare la vita utile delle pile, in modo da riutilizzarle per qualche altra applicazione, prima di gettarle definitivamente.

GLI UTILIZZATORI
Come detto prima, le pile sono utilizzate nella stragrande maggioranza per alimentare vari tipi di utilizzatori, per lo più portatili. Se consideriamo l’aspetto dell’assorbimento di corrente, esistono diversi tipi di utilizzatori:

● Utilizzatori che assorbono una corrente quasi nulla, come, ad esempio, gli orologi portatili, le calcolatrici LCD o il tampone delle piastre madri, la cui autonomia può addirittura arrivare a molti anni.

● Utilizzatori che assorbono una corrente media, come, ad esempio, radio e lampadine tascabili.

● Utilizzatori che assorbono una corrente elevata, come, ad esempio, motori elettrici, trenini, giocattoli motorizzati, televisori portatili e fotocamere digitali.

Per le prime due categorie, lo stato delle pile potrebbe anche non essere ottimale, in quanto questi tipi di carichi si “accontentano” di una modesta corrente, per cui le stesse pile funzionerebbero anche in condizioni di “non perfetta forma”. Per gli altri invece occorre che i generatori siano sempre al massimo della loro vitalità, pena il non funzionamento, anche con un livello di carica soddisfacente. Infatti capita sovente che, specialmente per le fotocamere digitali, le pile non riescano ad azionare il carico, sebbene esse siano ancora del tutto efficienti. Questo perché l’utilizzatore ha bisogno di alta corrente e tensione massima.

La scarica
Una pila è fondamentalmente composta da due elettrodi (uno positivo e uno negativo) di diversa natura, immersi in un elettrolita (vedi figura 1).

Figura 1: Modello teorico della pila

Nelle pile zinco-carbone lo zinco rappresenta l’elettrodo negativo mentre il carbone quello positivo. Durante il normale funzionamento, ossia quando viene somministrata la corrente all’utilizzatore, avviene un passaggio di elettroni dal polo negativo al polo positivo, attraverso il carico. Tale movimento provoca lentamente, ed inesorabilmente, la corrosione dello zinco, sino al punto che esso non è più capace di espletare le sue normali funzioni di elettrodo; la pila quindi non fornisce più corrente. Attraverso il nostro circuito (che naturalmente non può fare miracoli), alcune sostanze, che normalmente si depositano sull’elettrodo negativo, vengono rimosse, ristabilizzando parzialmente la situazione originaria. Naturalmente questo processo di ringiovanimento non può essere portato avanti all’infinito, in quanto esiste un punto oltre il quale la pila non può essere più rigenerata e occorre stavolta gettarla negli appositi contenitori per lo smaltimento dei rifiuti tossici (vedi figura 12).

Figura 12: Contenitore per la raccolta differenziata delle pile esauste

COME AVVIENE IL RECUPERO
Non possiamo parlare certamente di processo di ricarica della pila, in quanto gli stessi elettrodi, durante il suo normale funzionamento, subiscono un processo definitivo di decadimento. Il nostro metodo è più quello di una rigenerazione, ossia di una sorta di “pulizia” interna degli elettrodi che ne aumenta la durata. Il metodo consiste nel far scorrere, all’interno della nostra pila, una debole corrente, per favorirne appunto tale processo. Tale corrente è fatta scorrere nel verso opposto a quello nella normale fornitura della pila. Il circuito provvede a fornire una debole corrente, ma con andamento estremamente costante, proprio per compensare le eventuali mutazioni interne che la pila può subire durante il processo di rigenerazione. In figura 2 è rappresentato il flusso della corrente durante la rigenerazione della pila, mentre in figura 3 possiamo vedere il flusso della corrente durante la fase di scarica, ossia durante il suo normale funzionamento quale generatore.

Figura 2: flusso della corrente di rigenerazione

Figura 3: Il flusso della corrente durante il normale utilizzo

SCHEMA DI PRINCIPIO
Per “ringiovanire” le nostre pile si usa quindi un generatore di corrente costante che consente di fornire un valore di corrente sempre regolare, qualsiasi sia il carico ad esso applicato. In figura 4 è illustrato uno stralcio dello schema completo, che ci permette di capire il suo funzionamento. V1 rappresenta il generatore della tensione di funzionamento dell’intero circuito. V2 è invece la pila che si vuol rigenerare. Tale circuito costituisce un valido generatore di corrente costante.

Figura 4: Schema di principio

IL 7805
Il 7805 è uno stabilizzatore di tensione molto usato, che permette di ottenere in uscita la tensione di 5 Volt, a fronte di una qualsiasi tensione d’ingresso (naturalmente nei limiti) e a patto che quest’ultima sia superiore ad almeno 7 Volt. Il cuore di questo integrato è costituito dal piedino centrale (il riferimento) che funge da punto di partenza per ottenere varie tensioni stabilizzate. La prerogativa dell’integrato è quella di fornire 5 Volt, non rispetto a massa ma rispetto a tale piedino. Per cui tra il riferimento e l’uscita esisterà sempre una D.D.P. pari a 5 Volt. Se applichiamo al piedino di riferimento una tensione di 3 Volt, otterremo in uscita una tensione di 3 + 5 = 8 Volt, mentre se applichiamo al riferimento una tensione di 1 Volt otterremo in uscita una tensione di 1 + 5 = 6 Volt.

Come funziona
Guardando la figura 4 possiamo notare che la pila da rigenerare (nel nostro esempio da 1,5 Volt) è collegata direttamente al piedino di riferimento, per cui in uscita troveremo la tensione del riferimento aumentata di cinque volt, ossia 6,5 Volt. Ebbene, ai capi della resistenza collegata all’uscita scorrerà sempre la stessa corrente (legge di Ohm 5:680=7mA), qualunque sia il carico applicato alla stessa (nel nostro caso la pila da “curare”). Il circuito assicura il passaggio di una corrente costante pari a circa 10 mA, di cui 7 mA sono forniti direttamente dall’uscita, attraverso la resistenza, e i rimanenti 3 sono forniti dallo stesso piedino di regolazione. Tale funzionamento è assimilabile ad una carica in tampone.

SCHEMA ELETTRICO
Passiamo adesso ad esaminare lo schema elettrico, visibile in figura 5.

Figura 5: Schema elettrico

Esso risulta molto semplice, in quanto la parte relativa alla rigenerazione è stata ripetuta per quattro volte, tanti infatti sono gli stadi adibiti a tale funzione. Se le pile da rigenerare fossero di numero maggiore, basterà realizzare altri circuiti aggiuntivi. Vediamo come funziona: l’intero circuito è alimentato dal generatore G1 da 12 Volt (o più). Attraverso i quattro regolatori 7805 (IC1, IC2, IC3 e IC4) e le quattro resistenze collegate (R1, R2, R3 e R4) viene assicurata una corrente costante di circa 10 mA alla parte successiva del circuito, come spiegato nella sezione precedente. Tale corrente viene erogata quindi ai quattro diodi Led Rossi (Led1, Led2, Led3 e Led4), che informano della fase di rigenerazione in corso, e finalmente alle quattro pile da rigenerare (G2, G3, G4 e G5). È importante sottolineare che non si è assolutamente obbligati ad utilizzare tutte le quattro celle contemporaneamente. L’intero circuito assorbe corrente solo nella cella utilizzata: se si sta intervenendo su due pile, si avrà un assorbimento totale di circa 20 mA. I condensatori collegati ad ogni regolatore, e precisamente tra ingresso e riferimento e riferimento ed uscita, hanno lo scopo di bloccare eventuali autoscillazioni che potrebbero sorgere durante il funzionamento. Sono tutti da 100 nF, ma il valore non è critico.

I diodi Led rossi come monitor
Se non colleghiamo al circuito le pile da rigenerare, nessuna corrente attraverserà la cella interessata, pertanto il relativo diodo led rosso rimarrà spento. Non appena colleghiamo una pila, si illuminerà il relativo led. Pertanto la funzione di quest’ultimo è quella di monitorare il passaggio di corrente e quindi di visualizzare l’attuale fase di rigenerazione in corso. Ha pure la funzione di non far “tornare indietro” una porzione piccolissima di corrente, nel caso venga a mancare, la sorgente di alimentazione. In figura 6 riportiamo le tensioni di lavoro che dovrebbero localizzarsi nei punti “critici”, in una realizzazione esente da errori. Tali tensioni, tuttavia, sono da considerarsi valide anche a fronte di un margine di errore del 10% (tali differenze sono dovute soprattutto alle tolleranze dei componenti acquistati, come le resistenze e i diodi Led).

Figura 6: Tensioni di lavoro nel circuito

IL CIRCUITO STAMPATO ED IL MONTAGGIO
Occorre adesso approntare il circuito stampato. Data la sua grande semplicità, esso può essere creato tramite i trasferibili adatti per le piste o, meglio ancora, utilizzando la tecnica della fotoincisione che, sicuramente, dà i risultati migliori. Realizzato il prototipo, occorre praticare dei fori con punta di trapano da 0,8 mm oppure da 1 mm. Si può quindi procedere alla saldatura dei componenti elettronici, iniziando naturalmente da quelli di dimensioni più ridotte, quali resistenze e condensatori, per poi passare a quelli di profilo maggiore, come i regolatori, i diodi led ed i morsetti. In figura 7 è riportata la traccia in dimensioni reali del circuito stampato, mentre in figura 8 la disposizione dei componenti sullo stesso. Nel saldare i componenti, con un saldatore da 30 W, occorre fare attenzione a non surriscaldare gli stessi, in special modo gli integrati regolatori, che mal sopportano un eccesso di calore. In figura 9 si può osservare il circuito, pronto a funzionare.

Figura 7: Traccia del circuito stampato (scala 1:1)

Figura 8: Disposizione dei componenti

Figura 9: Il Rigenera Pile completo

QUALI PILE SI POSSONO RIGENERARE
Con il dimensionamento adottato dei componenti possiamo rigenerare tutte le pile da 1,5 Volt e 3 Volt a secco non ricaricabili, sia di tipo zinco-carbone che alcaline. Naturalmente, con queste ultime si hanno le maggiori probabilità di successo. Nel paragrafo seguente si vedrà in dettaglio tale procedura.
Attenzione: se si intende rigenerare le pile piatte da 4,5 Volt, occorre alzare la tensione di alimentazione ad almeno 15 Volt. Se addirittura lo scopo è quello di rigenerare le batterie da 9 Volt, la tensione di alimentazione deve essere portata ad almeno 18 Volt.

Vari tipi di pile e batterie a secco
Il mercato ci mette a disposizione vari generatori di diversa “capacità” per soddisfare praticamente qualsiasi tipo di utilizzazione. Elenchiamo in tabella le varie tipologie, specificando anche la quantità approssimativa di corrente erogata, dal momento che, nelle pile usa e getta, questo dato, così importante, non viene mai indicato. I valori si riferiscono sia alle pile zinco-carbone che a quelle alcaline, e sono da considerare puramente indicativi. In tabella 1 sono riportati gli “ingombri” e le proporzioni dei vari tipi di pile.

Tabella 1: Le proporzioni delle pile

COME EFFETTUARE LA RIGENERAZIONE
La pila, per poter essere rigenerata, deve essere innanzitutto in buone condizioni fisiche ed elettriche. Non deve essere in corto circuito e, soprattutto, non deve presentare spaccature e deformazioni, o fuoriuscita dell’elettrolita. La rigenerazione dipende in gran parte dalla quantità di energia che essa contiene all’inizio della cura. Se quindi una pila è completamente scarica, avremo ben poche possibilità che il processo dia risultati positivi. Una volta scelta la pila da “rinvigorire”, la si deve collegare ad uno dei morsetti del circuito, siglati con G2, G3, G4, G5. Come detto prima, non è obbligatorio utilizzare tutte le celle. Si illuminerà pertanto il relativo diodo led rosso, indicando il passaggio di corrente (circa 10 mA) e quindi il processo di rigenerazione in corso. Il tempo impiegato dipende chiaramente dalle condizioni intrinseche della pila. Si tratta, in ogni caso, di una procedura alquanto lunga: si parla addirittura di giorni. Nella tabella 2 riportiamo il tempo indicativo occorrente per la completa rigenerazione della pila.

Tabella 2: Tempo indicativo occorrente per la completa rigenerazione della pila

Si tratta, come si può notare, di tempi apparentemente proibitivi, ma se si considera il fatto che si sta per riportare “in vita” delle pile che in realtà dovevano essere già gettate nella spazzatura, certamente il gioco ne vale la candela. Anche perché, come vedremo nel successivo paragrafo, la fase di rigenerazione è quasi completamente gratuita. Con tale metodo, la vita media di una pila, aumenta di circa 3 volte, con conseguente risparmio in termini economici ma soprattutto per quanto riguarda la salvaguardia della natura e dell’ambiente.

COME ALIMENTARE IL CIRCUITO FACCIAMO ECONOMIA
Lo scopo essenziale del nostro progetto è quello di economizzare al massimo la procedura di rigenerazione, per due motivi sostanziali:

1. Le pile oggigiorno hanno un costo relativamente elevato quindi, se si riuscisse ad utilizzarle il più possibile, se ne ricaverebbe un discreto vantaggio economico.

2. La rigenerazione potrebbe avere una spesa che, se superasse certi limiti, vanificherebbe indubbiamente i nostri sforzi, in termini economici.

Figura 10: Le pile di formato più comune

Occorre quindi trovare il metodo che, a parità di energia applicata, riesca a incidere il meno possibile sul portafoglio. Scartiamo quindi a priori l’alimentazione del circuito con un normale alimentatore: qualsiasi trasformatore, anche senza carico collegato, ha un consumo di almeno 20 W, per via della sua reattanza induttiva applicata alla linea elettrica. Moltiplicando tale spesa per le numerose ore necessarie a questa fase, risulta sicuramente più conveniente l’acquisto di pile e batterie nuove. I metodi da utilizzare potrebbero pertanto essere tre:

1. Si può adoperare un pannello solare di 12 Volt che abbia la capacità di erogare una corrente di almeno 50 mA. L’unico problema sta nel raddoppio dei tempi richiesti per la rigenerazione in quanto, come si sa, il pannello funziona solo di giorno con la luce, ma non col buio. Con tale metodo l’energia è al 100% pulita e gratuita.

Figura 15: Pannello solare da 12 Volt e 100 mA

2. Si può utilizzare quale generatore un grossa batteria da 12 Volt e corrente pari a 20-30 Ampere. La sua erogazione può così essere sufficiente per la rigenerazione di decine di pile. Quanto poi alla sua ricarica, il costo è alquanto modesto.

3. Infine, se si preferisce, si può installare l’intero circuito in automobile, sfruttando la sua batteria. Come si sa, essa e tenuta costantemente in carica dall’alternatore e l’energia fornita la si può considerare completamente gratuita.

Figura 14: Una grossa batteria da 12 Volt per l’alimentazione del circuito

RIGENERIAMO ANCHE LE PILE A BOTTONE
Ottimi risultati si ottengono rigenerando anche le famose pile a “bottone”, molto usate per alimentare piccoli orologi e calcolatrici. Il loro costo, si sa, e di gran lunga superiore a quello delle normali pile usa e getta. Dal momento che, una pila a bottone, è capace di erogare, in media, 80-100 mA di corrente, è necessario abbassare anche la corrente generata dal nostro circuito, a circa 1/100 di tale valore. I migliori risultati si ottengono intervenendo sulle pile all’ossido di argento e al mercurio, che posseggono anche un tasso molto basso di auto-scarica e hanno una valore nominale di tensione intorno a 1,55 Volt. In pratica occorre solamente collegare in serie alla pila da rigenerare, una semplice resistenza da 4,7K, in modo da limitare la corrente a circa 1 mA. Con tale metodo, queste pile si rigenerano in circa 4-5 giorni. Prestate sempre attenzione alla corretta polarità per non “azzerare” completamente l’energia immagazzinata nei generatori. Il polo positivo è costituito dalla carcassa della stessa.

Figura 16: Le pile a bottone

SE OCCORRE RIGENERARE MOLTE PILE
Con l’utilizzo di questo circuito, non mancheranno sicuramente le richieste d’aiuto da parte di parenti e amici. Occorre pertanto predisporre la propria attrezzatura in modo adeguato da poter soddisfare le molteplici operazioni di rigenerazione da effettuare. La soluzione ovviamente consiste nel realizzare molti prototipi, a seconda del volume di lavoro si prevede, dal momento che, ogni modulo può solamente intervenire su quattro pile. Consigliamo inoltre la realizzazione di alcuni porta pile, in legno o plastica, che consentano la comoda collocazione della pila in cura. A seconda del tipo di pile utilizzate, si dimensionerà adeguatamente la misura. Si abbia in ogni caso l’accortezza di rendere indipendente ogni posto-pila da tutti gli altri, in modo che la corrente erogata interessi solamente un generatore per volta. In figura 17 proponiamo una possibile soluzione.

Figura 17: La costruzione di un porta pile

UTILIZZO ALTERNATIVO DEL PROGETTO
Dal momento che il circuito realizzato consente di erogare, per ogni pila, una corrente tipica di circa 10 mA, possiamo adoperarlo anche per un’altra importante funzione. Ormai tutti dispongono di una foto-camera digitale, solitamente alimentata con pile ricaricabili. Ebbene, conviene sempre sottoporre le pile ad una carica molto piccola detta “di mantenimento” o anche carica in “tampone”. Con tale metodo si assicura una perfetta efficienza delle stesse, senza brutte sorprese durante l’utilizzo. Con tale circuito possiamo effettuare tranquillamente tale mantenimento, magari qualche ora prima di utilizzare la nostra foto-camera, con la sicurezza di disporre, al momento dell’uso, di pile ricaricabili sempre in perfetta forma.

RACCOMANDAZIONI
Al fine di utilizzare al meglio il circuito proposto, onde evitare possibili problemi, suggeriamo alcune semplici regole da seguire:

● Per rigenerare le pile non utilizzare MAI un normale carica batterie. Queste potrebbero addirittura esplodere.

● Durante il processo di rigenerazione conviene sempre tenere sotto controllo la tensione ai capi della pila. Un piccolo aumento, diciamo del 20%-30%, è del tutto normale.

● Ad ogni sezione rigenerante sottoponete solo una pila per volta, senza collegamenti in serie o parallelo tra loro.

● Ogni volta che una pila è stata rigenerata, marcatela con un piccolo segno mediante un pennarello indelebile, come mostrato in figura 18. Saprete così, in ogni momento, quante “applicazioni” ha ricevuto il vostro generatore.

Figura 18: Una pila rigenerate due volte

● Non modificate le resistenze di limitazione per aumentare la corrente erogata e diminuire quindi i tempi necessari al processo di rigenerazione: le pile potrebbero esplodere.

● Se si nota che, durante la cura, la tensione della pila dovesse calare bruscamente, occorre immediatamente interrompere la corrente.

Bene, siamo arrivati al termine di questo articolo. Con il suo costante utilizzo potremmo risparmiare qualche spicciolo nell’acquisto delle pile a secco. Il sottoscritto utilizza già da anni questo apparecchio con molto successo. Certamente tale progetto non realizzerà veri e propri miracoli, ma servirà a “tirare” ancora un po’ la vita dei nostri amati generatori. Purtroppo il problema principale consiste nella costante presenza di auto-scarica, che tende a far diminuire l’energia contenuta nelle pile anche non utilizzandole. Sicuri che il progetto possa esservi di spunto per conoscere ancora di più questi fantastici generatori di corrente, auguriamo a tutti una buona rigenerazione.

STORIA DELLA PILA
Uno dei primi modelli di pila fu inventato nel 1800 da Alessandro Volta. Era appunto costituita da una “pila” di dischi alternati di rame, zinco e panno imbevuto di acido, che garantiva una differenza di potenziale elevata. Nel 1836 venne messa a punto, dal chimico James Daniell, la famosa pila omonima, che conteneva due elettroliti. Finalmente, nel 1866, il chimico francese Georges Leclanché ideò un tipo di generatore il cui elettrolita non era liquido ma gelatinoso: nacque la pila a secco.

PILE E BATTERIE
La differenza che passa tra pila e batterie sta essenzialmente nel collegamento elettrico esistente. La pila è l’unità fondamentale, capace di fornire una bassa tensione elettrica (solitamente 1,2 o 1,5 o al massimo 3 Volt. Quando occorre più tensione e/o corrente, si collegano più pile tra loro, secondo una configurazione in serie o parallelo, in modo da ottenere un aumento di voltaggio o amperaggio. Il tutto viene poi sigillato in un contenitore metallico. Questa è la batteria.

Articolo di Giovanni Di Maria pubblicato su Fare Elettronica n.248 di febbraio 2006 – www.farelettronica.it   © Riproduzione vietata, tutti i diritti riservati.