Relógio de Parede

Esta é uma tentativa de prolongar a vida útil de pilhas zinco-carbono, quando aplicadas em relógios de quartzo.

Os relógios de quartzo funcionam com um sistema de base de tempo digital, o qual libera uma quantidade de energia da pilha para um motor de passo, a cada segundo. Toda a "computação" do tempo passado é realizada através de engrenagens que definem a velocidade angular do ponteiro das horas, minutos e segundos.

Os motores de passo utilizados nos relógios de quarto, ao receber a energia liberada pela pilha, desenvolvem um torque temporário (impulso)  proporcional a energia recebida das pilhas. Com o tempo, as pilhas perdem a capacidade de fornecer a energia suficiente para o torque, de modo que o motor de passo falha pelo efeito de "tombamento", isto é: quando o torque necessário para mover os ponteiros é menor que o torque provocado pela gravidade, principalmente na condição mais crítica, conforme mostra a parte superior da figura, a seguir:



Cada eletrodoméstico trabalha com uma condição de consumo diferente, mas os fabricantes de pilhas dão como fim da vida útil o momento em que uma pilha desenvolve apenas metade da tensão nominal sobre de uma resistência de carga específica para modelo.

Rádios portáteis bem projetados, por exemplo, operam com certas limitações de volume, até o ponto do fim da vida útil nominal das pilhas.
Relógios de parede, como o caso apresentado nessa postagem, começam a falhar quando a tensão da pilha zinco-carbono atinge 1,4 volts, isto é: perda de apenas 7% da tensão nominal. É sabido que o surto de corrente de um motor de passo no momento da partida é muito alto.
Logo, a tensão da pilha nessa situação pode cair abaixo da tensão mínima de funcionamento do relógio.

Para exemplificar o problema, medimos a corrente de curto-circuito de uma pilha zinco carbono nova e uma inútil para o relógio de quartzo.

Corrente de curto-circuito

Pilha "AA" (R6)  nova: 400 miliamperes
Resistencia interna aproximada: 1,62 V / 0,42 A = 4,05 ohms

Pilha "AA" (R6) no fim de vida útil para o relógio:  150 mA
Resistência interna aproximada: 1,4 V / 0,15 A = 9,33 ohms.


A pilha removida do relógio pode ser usada em rádios portáteis por um bom tempo.

Como resolver o problema de demanda de corrente dos relógios de quartzo?



Utilizamos um capacitor eletrolítico de 1000 uF por 15 volts (pode usar tensão menor) em paralelo com a pilha gasta, conforme o arranjo apresentado na parte inferior da foto. O capacitor se carregará durante o intervalo entre dois pulsos do motor de passo e se descarregará no momento do surto de corrente de arranque do motor de passo. Logo, nesse momento crítico serão somadas as correntes disponíveis na pilha e no capacitor.

O teste iniciou-se hoje, 20 de setembro de 2021. O relógio voltou a funcionar normalmente.
Vamos acompanhar qual será o tempo extra que o relógio vai ganhar com essa improvisação.
Quando o relógio voltar a falhar, farei nova postagem.

Acidente de Percurso  

Dia 23 de setembro de 2021, iniciaram-se os testes do relógio com o capacitor em paralelo com a pilha usada.

Os valores obtidos na ocasião eram esses:

Pilha "AA" (R6) no fim de vida útil para o relógio:  150 mA
Resistência interna aproximada: 1,4 V / 0,15 A = 9,33 ohms.

Após aproximadamente um dia de testes, o relógio voltou a falhar.
Constatei que a pulsação do mecanismo estava estranha. Um pulso do motor de passo era vigoroso e o seguinte enfraquecido, e assim por diante. Nos pulsos fortes, o ponteiro de segundo avançava; nos pulsos fracos, o ponteiro de segundo falhava algumas vezes, de modo que verificou-se um certo atraso na hora marcada após um dia de funcionamento.

O relógio em teste estava em uso há mais de dois anos. Percebi que o tempo de reposição de pilhas estava encurtando cada vez mais. Provavelmente, o mecanismo já estava comprometido por desgaste.

Para não perder todo o teste, comprei um relógio novo, deixei-o em observação alguns dias com uma pilha nova. Ao constatar que o relógio novo não tem nenhum problema, instalei a pilha que estava em uso quando o relógio velho começou a falhar.

A atual situação da pilha é a seguinte:

Tensão em carga normal (sob consumo do relógio novo) = 1,35 V
Corrente de curto-circuito = 230 mA
Resistência Interna = 5,86 ohms.

Um efeito curioso: durante o período de "repouso" de cinco dias, a pilha usada perdeu um pouco da tensão, mas melhorou seus limites de corrente de curto-circuito.



Vamos agora observar o funcionamento do relógio novo.
Quando começarem as falhas, religaremos o capacitor de modo a verificar o tempo de sobrevida útil da pilha zinco-carbono nesse mecanismo.

O segundo teste foi concluído em 27 de janeiro de 2022, quando o relógio começou a apresentar falhas.

A situação da pilha é a seguinte:

Tensão em aberto: 0,75 V - exatamente 50% da tensão nominal.
Corrente de curto-circuito: 30 mA
Resistência Interna aproximada : 25 ohms


O relógio cumpriu exatamente o que diz a norma:

O aparelho deve funcionar até quando a tensão da pilha cair 50%, quando é declarada o fim da vida útil da pilha.

Quando o primeiro relógio parou, a tensão da pilha era de 1,35 V.

Essa pilha transplantada para o relógio novo funcionou até a tensão cair para 0,75 V, no período de 26 de setembro de 2021 até 27 de janeiro de 2022. Houve uma sobrevida da pilha de aproximadamente 2800 horas.



A adição do capacitor na pilha vencida não mudou a situação no segundo experimento. Acredito que quando fiz o teste de corrente de curto-circuito, a pilha vencida acabou por esgotar sua reserva energética.

Notar que os capacitores eletrolíticos não são ideais, de modo que também consomem uma certa corrente de fuga. Capacitores de Tântalo são bem melhores.

Conclusão.

Quando o mecanismo do relógio está em boas condições, não há necessidade de adição de capacitor.

Quem possuir um voltímetro em casa poderá verificar se o relógio para em acordo com o fim da vida útil da pilha.