Энергетика цифровой фотографии

Куда уходит электроэнергия

Практически в любой современной цифровой фотокамере электроэнергию потребляют электронный затвор и фотовспышка, а также узлы автофокусировки и автоматического определения экспозиции. Однако у цифровых фотокамер есть и другие компоненты, требующие электропитания: светочувствительная матрица, жидкокристаллический дисплей и флэш-память. Кроме того, встроенный в камеру микрокомпьютер выполняет не только управляющие функции (как в пленочных фотоаппаратах), но и обрабатывает изображения. Поэтому его производительность должна быть высокой, а это требует немалой энергии. Срабатывание вспышки, считывание сигнала со светочувствительной матрицы, его аналого-цифровое преобразование, обработка изображения и его запись в память характеризуются большим энергопотреблением. Все перечисленные процессы при съемке происходят почти одновременно. Поэтому источник питания должен обеспечивать интенсивную импульсную отдачу электроэнергии с тем, чтобы пиковые значения потребляемого тока достигали нескольких ампер. Средний уровень энергопотребления цифровой фотокамеры при включенном цветном ЖК-дисплее составляет около 1 мАч, а напряжение питания в большинстве случаев находится в пределах 4,5—6 В.

Общие черты автономных источников тока

В качестве автономных элементов питания для фотоаппаратуры используются химические источники тока: гальванические элементы и аккумуляторы. Здесь электрическая энергия вырабатывается за счет протекания окислительно¬восстановительных реакций. Если в батарейках подобная реакция необратима, то в аккумуляторах > активные вещества подобраны так, что 1 окислительно-восстановительный процесс носит обратимый характер.
Когда К клеммам разряженного аккумулятора прикладывают постоянное напряжение, он начинает накапливать энергию за счет восстановления активных компонентов. Однако в каждом цикле восстановление происходит не полностью. В результате емкость аккумулятора постепенно уменьшается, и после определенного числа циклов зарядки/ разрядки он выходит из строя.
£ Среди многообразия параметров химическою источника тока наиболее важными являются номинальное напряжение на клеммах и емкость. Под емкостью подразумевается количество электрической энергии, которую элемент питания выделяет при определенных условиях разряда. Емкость выражают в ампер-часах (Ач), миллиампер-часах (мАч) или кулонах (в 1 Ач = 3600 Кл). Большое значение при использовании
химического источника тока в ЦФК имеет внутреннее сопротивление. Если идеальным источником электроэнергии считать источник, напряжение на клеммах которого не зависит от величины нагрузки, то реальным источником можно назвать идеальный источник, при увеличении нагрузки на который включается резистор, соответствующий внутреннему сопротивлению. Чем меньше внутреннее сопротивление химического источника тока, тем лучше реальный источник отдает электроэнергию
в моменты пиковых нагрузок. Отдача энергии в
момент пиковых нагрузок определяется не только собственно элементом питания, но и чистототой его электрических контактов. Грязь и жир с пальцев накапливаются и действуют как сопротивление, включенное последовательно с источником питания. Чтобы избежать этого, надо использовать специальные очистители электрических контактов (по форме они напоминают шариковую ручку) или же просто протирать контакты сухой и чистой жесткой тканью.
В профессиональных и некоторых полупрофессиональных ЦФК предусмотрена возможность питания от дополнительных автономных переносных блоков. В таких блоках, соразмерных по габаритам с фотокамерой, размещается набор аккумуляторов большой суммарной емкости. Например, переносной блок питания QB1 Compact фирмы Quantum Instruments при массе 340 г в три раза увеличивает энергоресурс цифровой фотокамеры.

Типоразмеры источников тока

Всего, согласно международной классификации, существует семь стандартных гиноразмеров химических источников тока цилиндрической формы для портативной радиоэлектронной аппаратуры: RI, R03, R6, RIO, 2R10, R14, R20. Хотя число стандартных типоразмеров
Анализ фоторынка показывает, что до недавнего времени для большинства цифровых камер использовались химические источники тока цилиндрической формы типа АА (название дано согласно системе условных обозначений, принятой в США и многих других странах мира). Эти батарейки или аккумуляторы у нас в быту часто именуют пальчиковыми, а их зарубежное бытовое название — Mignon (миньон). Существует несколько альтернативных обозначений типоразмеров химических элементов питания, что может вызвать некоторую путаницу. Например, упомянутые пальчиковые элементы имеют, помимо прочего, еще и обозначение R6, принятое элементов питания ограничено, реально оно постоянно увеличивается. Некоторые фирмы выпускают ЦФК, функционирующие только с «родными» источниками питания, которые имеют нестандартную форму. В последние годы такое техническое решение становится все более популярным.
Международной электротехнической комиссией (IEC). Обозначение элементов АА, принятое в России и ряде других европейских стран — 316, в Японии — UM3. На самой батарейке, как правило, присутствуют не менее двух-трех альтернативных обозначений. Высота элементов типа АА составляет 50,5 мм, диаметр — 14,5 мм. Менее распространены в цифровой фотоаппаратуре цилиндрические элементы типоразмера ААА (альтернативные обозначения 286, R03, UM4 и Micro, а в нашем быту они носят название «мизинчиковые» ). Диаметр их составляет 10,5 мм, а высота — 44,5 мм. В типоразмерах АА и ААА выпускают не только батарейки, но и аккумуляторы. Обычно в цифровых фотокамерах используется комплект из двух или четырех элементов.

Гальванические элементы

В первых бытовых (т.е. не предназначенных для профессионального использования) цифровых камерах применялись так называемые солевые батарейки, в которых использовался жидкий электролит. Но их емкость была сравнительно невелика и интенсивное энергопотребление цифровой камеры иногда приводило к утечке электролита из таких элементов и даже к порче фотоаппаратуры. Вот почему производители современных фотокамер рекомендуют использовать в своих устройствах более совершенный тип батареек — алкалиновые (щелочные).
В алкалиновых батарейках электролит находится в связанном состоянии, поэтому они не протекают. Такие батарейки обладают по сравнению с солевыми более высокой емкостью и меньшим внутренним сопротивлением, что обеспечивает большую пиковую отдачу энергии. С ними можно сделать до сотни снимков, к тому же такие батарейки дольше хранятся. Алкалиновые элементы выпускаются фирмами — Varta, Duracell, Energizer, Panasonic, Samsung, Sanyo, Kodak и др.
Еще более высокую емкость имеют батарейки улучшенной конструкции, маркируемые Super Alkaline battery (правда, и стоят они порядка 0,6—1,0 долларов за штуку): с набором из четырех таких батареек типоразмера АА можно отснять две сотни кадров трехмегапиксельной камерой Nikon Coolpix 990 (здесь и далее применительно к этой камере подразумевается, что в качестве видоискателя используется цветной ЖК-дисплей, а 50% снимков делается со вспышкой).
Наиболее высокую емкость и наименьшее внутреннее сопротивление из гальванических элементов для массового потребления сейчас имеют литиевые батарейки. С одним комплектом таких батареек можно получить около 700—900 кадров камерой №коп Сооіріх 990. Раньше литиевые батарейки выпускались в основном нестандартных типоразмеров и имели номинальное напряжение 3—3,6 В. Потом на рынке появились литиевые батарейки стандартного типоразмера АА и с напряжением 1,5 В. В них использован ряд новых технологий, что обусловило высокую цену, поэтому был найден компромиссный вариант — литиевая батарейка дает напряжение 3 В, а по размеру соответствует двум элементам АА, сложенным вместе. Получается дешевле, чем два литиевых элемента по 1,5 В. Подобные «сдвоенные» батарейки помещаются в батарейные отсеки большинства цифровых камер, рассчитанных на элементы АА. Однако, решив приобрести такие батарейки, сначала посмотрите в инструкции к фотокамере, подойдут ли они.

Особенности использования аккумуляторов

Батарейки имеет смысл применять лишь при эпизодической фотосъемке, а тем, кто часто пользуется ЦФК, нужны аккумуляторы. Желательно, когда один установлен в фотоаппарате, другой находится на зарядке. Кроме возможности перезарядки аккумуляторы имеют и другое важное преимущество перед батарейками — малое внутреннее сопротивление, что обеспечивает высокую отдачу тока в нагрузку на пиках электропотребления. Существует множество видов аккумуляторов с различными типами электродов и электролитов. Однако в современной фотоаппаратуре наиболее широко применяются следующие их разновидности: никель-кадмиевые (Nickel-Cadmium, NiCd), никель-метал- гидридные (Nickel-Metal-Hydride, NiMH), литий-ионные (Lithium-Ion, Li- Ion) и литий-полимерные (Lithium-Pol, Li-Pol).
Динамика разряда аккумуляторов значительно отличается от динамики разряда гальванических элементов. В процессе разряда гальванических элементов их напряжение плавно снижается по мере уменьшения емкости. При разряде аккумулятора напряжение остается практически неизменным до некоторого порога, после которого резко падает. Минимальное напряжение, при котором элемент способен отдавать полезную энергию в определенных условиях разряда, называется напряжением отсечки.
Для использования аккумуляторов большинства типов оптимальной считается температура в пределах от 10° до 30°С. За этими пределами их емкость значительно уменьшается.
При работе с аккумуляторами типоразмеров АА и ААА необходимо иметь в виду, что их номинальное напряжение составляет, как правило, 1,2 В. Перед установкой таких аккумуляторов вместо батареек также следует внимательно посмотреть в инструкции к ЦФК, допускается ли такая замена. В утешение владельцам цифровых фотокамер, для питания которых пригодны только батарейки из-за более высокого по сравнению с аккумуляторами напряжения, можно сказать, что на рынке появились перезаряжаемые алкалиновые батарейки, в часности батарейки фирмы Rayovac. Правда, они выдерживают всего лишь несколько десятков циклов разрядки/зарядки, а емкость их постепенно уменьшается после перезарядки. И все-таки их использование приводит к существенной экономии по сравнению с обычными алкалиновыми батарейками. При перезарядке батареек используется ток меньшей силы, чем при зарядке аккумуляторов, поэтому следует применять зарядные устройства, в которых предусмотрен специальный режим, и соответственно устанавливать переключатель. В длительных экспедициях, когда доступ к электросети недоступен, всегда можно воспользоваться переносным зарядным устройством, работающим на основе солнечной батареи. Несмотря на то, что зарядка требует немало времени, в некоторых условиях устройство просто незаменимо.

Никель-кадмиевые аккумуляторы постановочная свадебная фотосъемка

Первыми аккумуляторами, нашедшими широкое применение в ЦФК, стали никель-кадмиевые (NiCd). Несмотря на некоторую «старомодность», они имеют ряд преимуществ. Во-первых, быстрый и простой метод заряда. Во-вторых, относительно слабую чувствительность к неправильной эксплуатации. В-третьих, длительный срок службы (4—5 лет) при соблюдении условий эксплуатации и периодического обслуживания. В-четвертых, низкую цену.
Существенным недостатком никель-кадмиевых аккумуляторов является заметный «эффект памяти», который проявляется, когда на подзарядку ставится не полностью разряженный аккумулятор с напряжением выше значения напряжения отсечки. Аккумулятор как бы запоминает значение напряжения, до которого был разряжен, и не отдает энергию потребителю, если напряжение ниже этого уровня. Таким образом, реальная емкость аккумулятора уменьшается. Отметим, что эффект памяти устраним путем «тренировки» элемента несколькими циклами зарядки/разрядки. Сегодня имеются практические разработки в области создания NiCd-аккумуляторов без «эффекта памяти». Еще одним значительным, можно сказать, главным недостатком №С<1- аккумуляторов является то, что кадмий токсичен и вреден для здоровья. Утилизация таких элементов должна производиться в специальных пунктах, просто так их в мусорную корзину выбрасывать нельзя!
NiCd-аккумулятор допускает зарядку током, численно (в мА) равным его номинальной емкости (в мАч) и более (в литературе часто для простоты изложения величина зарядного тока вычисляется через численное значение емкости), что позволяет осуществить зарядку менее чем за два часа. Однако при быстрой зарядке необходимы специальные зарядные устройства, определяющие момент полной зарядки аккумулятора и прекращающие быструю зарядку. И все-таки 'злоупотреблять ускоренной зарядкой не стоит. Наиболее благоприятным с точки зрения продления срока службы принято считать медленную зарядку током с силой (в мА), численно равной примерно 0,1 от емкости (в мАч). На такую зарядку потребуется 12—14 часов. Обеспечить приемлемую скорость зарядки и достаточно большую долговечность позволяет режим с током зарядки, составляющим 0,2 от емкости. Время зарядки в таком режиме составляет 5—6 часов. При зарядке допускается перезарядка аккумулятора до 20—40% сверх его номинальной емкости, но следует помнить, что избыточный заряд может привести к уменьшению емкости аккумулятора или к полной потере его работоспособности.
У никель-кадмиевых, как и у аккумуляторов других типов, наблюдается больший по сравнению с батарейками саморазряд. Особенно интенсивно он происходит в первые сутки после зарядки (до 10%), а затем заметно уменьшается и стабилизируется. В результате длительного хранения наблюдается снижение емкости. Ее восстановление после хранения осуществляется посредством нескольких (четырех-пяти) тренировочных циклов зарядки/разрядки. Как показывает практика, методом тренировочных циклов может быть восстановлено от 60 до 70% №Сс1-аккумуляторов, признанных негодными.

Никель-металл-гидридные аккумуляторы постановочная свадебная фотосъемка

В никель-металл-гидридных аккумуляторах в окислительно-восстановительных реакциях участвует водород, находящийся в связанном состоянии. Удельная емкость у них примерно на 30—50% больше, чем у NiCd-аккумуляторов, соответственно меньше габариты и масса при той же емкости. К достоинствам NiМН-аккумуляторов можно отнести практически полное отсутствие «эффекта памяти» и экологическую чистоту. Именно потому во многих случаях применения сейчас NiМН-аккумуляторы вытесняют NiCd. Однако у них есть и ряд существенных недостатков по сравнению с NiCd. NiМН-аккумуляторы выделяют значительно большее количество тепла во время зарядки и требуют реализации более ; сложного алгоритма работы зарядного # устройства для обнаружения момента полного заряда. Некоторые модели даже содержат внутренний термодатчик для обнаружения момента, когда зарядку нужно прекращать. NiMH-аккумулятор не может заряжаться так быстро, как NiCd — время его зарядки обычно вдвое больше, чем у NiCd. Уступают NiMH-аккумуляторы своим никель- кадмиевым собратьям и по сроку службы.
Для NiMH-аккумуляторов с точки зрения продления срока службы неполный разряд предпочтительнее глубокого. Плохо сказывается на долговечности этих устройств короткое замыкание: не рекомендуется разряжать их током, превышающим половину численного значения емкости. NiMH-аккумуляторы поставляются обычно в разряженном состоянии, и поэтому перед использованием надо провести их зарядку на рекомендуемом для них зарядном устройстве. Номинальной емкости такой аккумулятор достигает после 3—5 циклов полной зарядки/ разрядки. Особо следует обратить внимание на тот факт, что не рекомендуется избыточно заряжать NiMH-аккумуляторы. Это приводит к уменьшению их срока службы и даже физическому разрушению, поэтому следует использовать зарядное устройство, отключающееся автоматически.
Существуют «двойные» зарядные устройства для NiCd /NiMH. В них предусмотрен специальный переключатель, посредством которого меняется ток зарядки: для NiCd он больше, чем для NiMH.
Практика показала, что с комплектом из четырех NiMH-аккумуляторов типоразмера АА емкостью по 1600 мАч камерой Nikon Coolpix 990 удается получить около 200 снимков.

Литий-ионные акумуляторы постановочная свадебная фотосъемка

Разработки литиевых аккумуляторов были начаты еще в 1912 г., но из-за невозможности обеспечить приемлемый уровень безопасности попытки выпустить коммерческий продукт были безуспешны вплоть до 1990-х гг. Лишь в 1991 г. фирма Sony наладила выпуск относительно безопасных литий-ионных (Li-Ion) аккумуляторов. Сейчас такие аккумуляторы используются во многих моделях ЦФК и во всех цифровых видеокамерах. Некоторые модели ЦФК могут работать как с литиевыми, так и с NiCd (или №МН)-аккумуляторами. К достоинствам аккумуляторов Li-Ion относятся высокая энергоемкость, низкий саморазряд и отсутствие «эффекта памяти». К недостаткам можно отнести пока еще относительно высокую цену, необходимость хранения в заряженном состоянии и подверженность процессу старения, даже если аккумулятор не используется. Снижение емкости начинает наблюдаться примерно спустя один год с момента изготовления, поэтому не рекомендуется хранить аккумуляторы Li-Ion в течение длительного времени. Литий-ионные аккумуляторы содержат внутреннюю схему управления и защиты, призванную ограничить пиковое напряжение каждого элемента во время заряда и предотвратить понижение напряжения элемента при разряде ниже допустимого уровня. Кроме того, для обеспечения безопасности при их эксплуатации необходимо ограничить максимальный ток зарядки/разрядки, и контролировать температуру. «Интелектуальные» литий-ионные аккумуляторы (иначе называемые инфолитиевыми), которыми комплектуются, например, цифровые видеокамеры фирмы Бопу, дополнены встроенным электронным устройством, информирующем об оставшемся времени работы и оставшейся емкости.

Литий-полимерные аккумуляторы постановочная свадебная фотосъемка

Литий-полимерные аккумуляторы — следующий этап в развитии литиевой технологии. Главная область их применения — сотовые телефоны и переносные компьютеры. По сравнению c аккумуляторами Li-Роl Li-Pol допускают меньшее число циклов зарядки-разрядки и небольшой максимальный ток нагрузки (порядка 0,2 от численного значения емкости). Li-Pol значительно уступают аккумуляторам других типов и по надежности. Главное преимущество Li-Ро1-аккумуляторов — в конструктивном исполнении. Технология их производства допускает изготовление в различных геометрических формах, нетрадиционных для обычных аккумуляторов.
Это свойство позволяет делать очень плоские аккумуляторы, а также аккумуляторы, полностью заполняющие имеющийся свободный объем в устройстве, где они используются.
Химические источники тока продолжают совершенствоваться, на рынке появляются все новые и новые модели батареек и аккумуляторов. С одной стороны, улучшаются их технические характеристики: увеличивается емкость, уменьшается внутреннее сопротивление и т.п. С другой стороны, сегодня ведущие производители в рамках каждого типоразмера предлагают потребителю несколько моделей элементов питания для различных сфер применения. На источниках тока или на их упаковке сейчас обязательно указывается, для чего они предназначены. Например, батарейки для радиоприемников рассчитаны на отдачу в нагрузку относительно небольшого тока в течение длительного времени, и сколь бы ни были замечательными их технические характеристики при работе в цифровой камере они покажут себя плохо. Поэтому, выбирая батарейки или аккумуляторы для цифрового фотоаппарата, в первую очередь обратите внимание, рекомендует ли производитель использовать их в подобной аппаратуре.