La questione della qualità dei contatti del portabatterie è un argomento abbastanza trascurato che però può avere un forte impatto sull'autonomia della celle ( o delle celle).
I due contatti, quello l polo positivo e quello al negativo della batteria sono contatti "volanti" ovvero contatti che si esercitano tra il metallo dei poli batteria ed il metallo dei due pin (o clip o bottoni) del portabatterie, almeno uno dei quali è dotato di molla in modo che venga esercitata una certa forza tra le superfici a contatto. I poli della cella sono sempre in acciaio nichelato mentre i pin del porta batterie sono di acciaio nichelato se si tratta di clip, rame o lega di rame se si tratta di bottoni, talvolta ottone, talvolta rame-berillio. Nelle migliori realizzazione i bottoni sono placcati d'oro.
La placcatura di oro per il rame ed quella di nichel per l'acciaio servono in quanto altrimenti i materiali formerebbero un sottile strato di ossido che è un pessimo conduttore con 'effetto di peggiorare gradualmente le condizioni di contatto. I contatti di rame -berillio placcati d'oro sono considerati tra i migliori, grazie alla durezza del CuBe ed alla non ossidabilità dell'oro.
Ognuno dei due contatti introduce una resistenza ( Res. di contatto, appunto) , di solito più grande per il contatto sul polo positivo. L'entità della resistenza di contatto è fortemente variabile tra un limite inferiore di circa 1 milliOhm ed un limite superiore di qualche centinaio di milliOhm, in funzione dei materiali usati, della condizione superficiale degli stessi (ossido, sporcizia, umidità,...), della rugosità superficiale, e della forza applicata dalle molle.
I contatti con molla interna (noti come POGO o Spring loaded contacts) hanno sempre resistenze di qualche decina di mOhm (in quanto vi è anche un contatto strisciante interno). Valori tipici di un POGO in CuBe placcato d'oro sono 20-30 mOhm. Valori tipici dei contatti a clip in acciaio nichelato sono 30-50 mOhm l'uno.
Ho misurato la resistenza dei due contatti di un portabatterie KEYSTON con qualche mese di vita alle spalle ma con le clip pulite con alcol isopropilico ed ho ottenuto circa 13 mOhm complessivi, valore davvero ottimo, circa 5 mOhm sul negativo ed 8 sul positivo.
D'altra parte ho realizzato un pin per il polo positivo con un array (circolare di 6 mm di diametro) costituito da 15 micropogo in CuBe placcati oro da 30 mOhm massimi dichiarati, messi tutti in parallelo. In teoria dovrebbero fornire una resistenza massima di 2 mOhm mentre nella realtà ho misurato ben 3-4 mOhm, con una forza totale di contatto di circa 600 gr, valore straordinario ma peggio di quanto mi aspettassi.
I risultati migliori li ho ottenuti con un contatto DIY da polo negativo costituito da un cilindro di rame da 8 mm di diametro con l'estremità a contatto arrotondata lievemente. Contatto spazzolato con spazzola in fili di acciaio sul Dremel in modo che la superficie di contatto fosse molto rugosa. Con 600 gr circa di forza di contatto sono arrivato a 0.4 mOhm, valore strepitoso. Ovviamente mi aspetto che un contatto in rame puro possa andare così bene solo se spazzolato regolarmente per ripristinare la rugosità ed eliminare la patina di ossido che inevitabilmente si formerebbe.
Adesso che avete un'idea delle resistenze di contatto in gioco possiamo discutere sul loro effetto.
Innanzitutto le resistenze di contatto costituiscono un problema solo quando s richiedono alti amperaggi alle celle, supponiamo di chiedere 20A.
Bene, a 20 A la caduta di tensione dovuta ai 13 mOhm del Keystone risulta di 260 mV! Ciò significa che se usiamo un circuito con cutoff a 3.2V sotto carico, posto che il circuito misura la tensione delle celle a valle dei contatti, il circuito andrà in cutoff quando la reale tensione delle celle sarà di 3.2 + 0.26 =3.46V il che per una cella da 20A capita quando la cella contiene ancora un 30-70% della carica (dipende dalla curva di scarica della cella ).
L'effetto è veramente devastante in quanto avremo un'autonomia dimezzata rispetto alla capacità delle celle.
Il portabatteria Keystone con contatti da 13 mOhm
Contatti DIY: a destra (polo negativo) il contatto da 0.4 mOhm costituito da un cilindro di rame, a sinistra, sul polo positivo, (si vede meglio nella prossima foto) il multi-POGO. Le due molle che vedono esercitano una forza di circa 600 grammi.
Dettaglio del connettore multi-POGO da 4 mOhm.
La forza di contatto è importante, ma purtroppo il polo positivo delle 18650 non sopporta grandi forze perchè altrimenti si deforma troppo. I contatti con molla interna, tipo pogo, avranno sempre resistenze importanti. La soluzione migliore da un punto di vista elettrico sembra un contatto in rame massiccio con il conduttore saldato direttamente sull'estremità opposta a quella della superficie di contatto, ma ciò crea problemi sul lato molla. Non dimentichiamo infatti che la forza di compressione è strettamente necessaria e quindi una molla o qualcosa che faccia funzione di molla è necessario.
Update del 17/03/17
Aumentando la forza esercitata dalle molle a circa 10 N (1 kg) sono riuscito ad ottenere dal pin multipogo quanto mi aspettavo: una resistenza di contatto compresa tra 1.3 ed 1.8 mOhm. Eureka!
Adesso la resistenza totale dovuta ai contatti del portabatteria è di circa 2 mOhm il che comporta una caduta di tensione di 20 mV a 10A e 40 mV a 20A.
I due contatti, quello l polo positivo e quello al negativo della batteria sono contatti "volanti" ovvero contatti che si esercitano tra il metallo dei poli batteria ed il metallo dei due pin (o clip o bottoni) del portabatterie, almeno uno dei quali è dotato di molla in modo che venga esercitata una certa forza tra le superfici a contatto. I poli della cella sono sempre in acciaio nichelato mentre i pin del porta batterie sono di acciaio nichelato se si tratta di clip, rame o lega di rame se si tratta di bottoni, talvolta ottone, talvolta rame-berillio. Nelle migliori realizzazione i bottoni sono placcati d'oro.
La placcatura di oro per il rame ed quella di nichel per l'acciaio servono in quanto altrimenti i materiali formerebbero un sottile strato di ossido che è un pessimo conduttore con 'effetto di peggiorare gradualmente le condizioni di contatto. I contatti di rame -berillio placcati d'oro sono considerati tra i migliori, grazie alla durezza del CuBe ed alla non ossidabilità dell'oro.
Ognuno dei due contatti introduce una resistenza ( Res. di contatto, appunto) , di solito più grande per il contatto sul polo positivo. L'entità della resistenza di contatto è fortemente variabile tra un limite inferiore di circa 1 milliOhm ed un limite superiore di qualche centinaio di milliOhm, in funzione dei materiali usati, della condizione superficiale degli stessi (ossido, sporcizia, umidità,...), della rugosità superficiale, e della forza applicata dalle molle.
I contatti con molla interna (noti come POGO o Spring loaded contacts) hanno sempre resistenze di qualche decina di mOhm (in quanto vi è anche un contatto strisciante interno). Valori tipici di un POGO in CuBe placcato d'oro sono 20-30 mOhm. Valori tipici dei contatti a clip in acciaio nichelato sono 30-50 mOhm l'uno.
Ho misurato la resistenza dei due contatti di un portabatterie KEYSTON con qualche mese di vita alle spalle ma con le clip pulite con alcol isopropilico ed ho ottenuto circa 13 mOhm complessivi, valore davvero ottimo, circa 5 mOhm sul negativo ed 8 sul positivo.
D'altra parte ho realizzato un pin per il polo positivo con un array (circolare di 6 mm di diametro) costituito da 15 micropogo in CuBe placcati oro da 30 mOhm massimi dichiarati, messi tutti in parallelo. In teoria dovrebbero fornire una resistenza massima di 2 mOhm mentre nella realtà ho misurato ben 3-4 mOhm, con una forza totale di contatto di circa 600 gr, valore straordinario ma peggio di quanto mi aspettassi.
I risultati migliori li ho ottenuti con un contatto DIY da polo negativo costituito da un cilindro di rame da 8 mm di diametro con l'estremità a contatto arrotondata lievemente. Contatto spazzolato con spazzola in fili di acciaio sul Dremel in modo che la superficie di contatto fosse molto rugosa. Con 600 gr circa di forza di contatto sono arrivato a 0.4 mOhm, valore strepitoso. Ovviamente mi aspetto che un contatto in rame puro possa andare così bene solo se spazzolato regolarmente per ripristinare la rugosità ed eliminare la patina di ossido che inevitabilmente si formerebbe.
Adesso che avete un'idea delle resistenze di contatto in gioco possiamo discutere sul loro effetto.
Innanzitutto le resistenze di contatto costituiscono un problema solo quando s richiedono alti amperaggi alle celle, supponiamo di chiedere 20A.
Bene, a 20 A la caduta di tensione dovuta ai 13 mOhm del Keystone risulta di 260 mV! Ciò significa che se usiamo un circuito con cutoff a 3.2V sotto carico, posto che il circuito misura la tensione delle celle a valle dei contatti, il circuito andrà in cutoff quando la reale tensione delle celle sarà di 3.2 + 0.26 =3.46V il che per una cella da 20A capita quando la cella contiene ancora un 30-70% della carica (dipende dalla curva di scarica della cella ).
L'effetto è veramente devastante in quanto avremo un'autonomia dimezzata rispetto alla capacità delle celle.
Il portabatteria Keystone con contatti da 13 mOhm
Contatti DIY: a destra (polo negativo) il contatto da 0.4 mOhm costituito da un cilindro di rame, a sinistra, sul polo positivo, (si vede meglio nella prossima foto) il multi-POGO. Le due molle che vedono esercitano una forza di circa 600 grammi.
Dettaglio del connettore multi-POGO da 4 mOhm.
La forza di contatto è importante, ma purtroppo il polo positivo delle 18650 non sopporta grandi forze perchè altrimenti si deforma troppo. I contatti con molla interna, tipo pogo, avranno sempre resistenze importanti. La soluzione migliore da un punto di vista elettrico sembra un contatto in rame massiccio con il conduttore saldato direttamente sull'estremità opposta a quella della superficie di contatto, ma ciò crea problemi sul lato molla. Non dimentichiamo infatti che la forza di compressione è strettamente necessaria e quindi una molla o qualcosa che faccia funzione di molla è necessario.
Update del 17/03/17
Aumentando la forza esercitata dalle molle a circa 10 N (1 kg) sono riuscito ad ottenere dal pin multipogo quanto mi aspettavo: una resistenza di contatto compresa tra 1.3 ed 1.8 mOhm. Eureka!
Adesso la resistenza totale dovuta ai contatti del portabatteria è di circa 2 mOhm il che comporta una caduta di tensione di 20 mV a 10A e 40 mV a 20A.
