Опубликовано

Источники тока

История создания

Первый химический источник тока был изобретён итальянским учёным Алессандро Вольта в 1800 году. Это был «элемент Вольта» — сосуд с серной кислотой с опущенными в него цинковой и медной пластинками, с проволочными токовыводами. Затем учёный собрал батарею из этих элементов, которая впоследствии была названа «вольтовым столбом». Это изобретение впоследствии использовали другие учёные в своих исследованиях. Так, например, в 1802 году русский академик В. В. Петров сконструировал вольтов столб из 2100 элементов для получения электрической дуги. В 1836 году английский химик Джон Даниель усовершенствовал элемент Вольта, поместив цинковый и медный электроды в раствор серной кислоты. Эта конструкция стала называться «элементом Даниеля».

В 1859 году французский физик Гастон Плантэ изобрёл свинцово-кислотный аккумулятор, поместив скрученную в рулон тонкую свинцовую пластину в серную кислоту. Этот тип элемента и по сей день используется в автомобильных аккумуляторах.

В 1865 году французский химик Ж. Лекланше предложил свой гальванический элемент (элемент Лекланше), состоявший из цинкового стаканчика, заполненного водным раствором хлористого аммония или другой хлористой соли, в который был помещён агломерат из оксида марганца(IV) MnO2 в качестве деполяризатора с угольным токоотводом. Модификация этой конструкции используется до сих пор в солевых батарейках для различных бытовых устройств.

В 1890 году в Нью-Йорке Конрад Хьюберт, иммигрант из России, создаёт первый карманный электрический фонарик. А уже в 1896 году компания National Carbon приступает к массовому производству первых в мире сухих элементов Лекланше «Columbia».

Самый старый, поныне работающий гальванический элемент — серебряно-цинковая батарея, изготовленная в Лондоне в 1840 году. Подключенный к двум таким последовательно соединенным батареям звонок работает и по сей день в Кларендонской лаборатории Оксфорда.

Принцип действия

Основу химических источников тока составляют два электрода (отрицательно заряженный анод, содержащий восстановитель, и положительно заряженный катод, содержащий окислитель), контактирующие с электролитом. Между электродами устанавливается разность потенциалов — электродвижущая сила, соответствующая свободной энергии окислительно-восстановительной реакции. Действие химических источников тока основано на протекании при замкнутой внешней цепи пространственно-разделённых процессов: на отрицательном аноде восстановитель окисляется, образующиеся свободные электроны переходят по внешней цепи к положительному катоду, создавая разрядный ток, где они участвуют в реакции восстановления окислителя. Таким образом, поток отрицательно заряженных электронов по внешней цепи идет от анода к катоду, то есть от отрицательного электрода (отрицательного полюса химического источника тока) к положительному. Это соответствует протеканию электрического тока в направлении от положительного полюса к отрицательному, так как направление тока совпадает с направлением движения положительных зарядов в проводнике.

В современных химических источниках тока используются:

  • в качестве восстановителя (материал анода) — свинец Pb, кадмий Cd, цинк Zn и другие металлы;
  • в качестве окислителя (материал катода) — оксид свинца(IV) PbO2, гидроксооксид никеля NiOOH, оксид марганца(IV) MnO2 и другие;
  • в качестве электролита — растворы щелочей, кислот или солей.

Классификация

По возможности или невозможности повторного использования химические источники тока делятся на:

  • гальванические элементы (первичные ХИТ), которые из-за необратимости протекающих в них реакций невозможно перезарядить;
  • электрические аккумуляторы (вторичные ХИТ) — перезаряжаемые гальванические элементы, которые с помощью внешнего источника тока (зарядного устройства) можно перезарядить;
  • топливные элементы (электрохимические генераторы) — устройства, подобные гальваническому элементу, но отличающееся от него тем, что вещества для электрохимической реакции подаются в него извне, а продукты реакций удаляются из него, что позволяет ему функционировать непрерывно, пока обеспечивается подача реагентов.

Следует заметить, что деление элементов на гальванические и аккумуляторы до некоторой степени условное, так как некоторые гальванические элементы, например щелочные батарейки, поддаются подзарядке, но эффективность этого процесса крайне низка.

По типу используемого электролита химические источники тока делятся на кислотные (например свинцово-кислотный аккумулятор, свинцово-плавиковый элемент), щелочные (например ртутно-цинковый элемент, ртутно-кадмиевый элемент, никель-цинковый аккумулятор, никель-кадмиевый аккумулятор) и солевые (например, марганцево-магниевый элемент, цинк-хлорный аккумулятор).

Некоторые виды химических источников тока

Гальванические элементы

Основная статья: Гальванический элемент

Гальванический элемент — химический источник электрического тока, названный в честь Луиджи Гальвани. Принцип действия гальванического элемента основан на взаимодействии двух металлов через электролит, приводящем к возникновению в замкнутой цепи электрического тока.

См. также Категория: Гальванические элементы.

Тип Катод Электролит Анод Напряжение,
В
Литий-железо-дисульфидный элемент FeS2 Li 1,50
Марганцево-цинковый элемент MnO2 KOH Zn 1,56
Марганцево-оловянный элемент MnO2 KOH Sn 1,65
Марганцево-магниевый элемент MnO2 MgBr2 Mg 2,00
Свинцово-цинковый элемент PbO2 H2SO4 Zn 2,55
Свинцово-кадмиевый элемент PbO2 H2SO4 Cd 2,42
Свинцово-хлорный элемент PbO2 HClO4 Pb 1,92
Ртутно-цинковый элемент HgO KOH Zn 1,36
Ртутно-кадмиевый элемент HgO2 KOH Cd 1,92
Окисно-ртутно-оловянный элемент HgO2 KOH Sn 1,30
Хром-цинковый элемент K2Cr2O7 H2SO4 Zn 1,8—1,9

Другие типы:

  • Свинцово-плавиковый элемент
  • Медно-окисный гальванический элемент
  • Висмутисто-магниевый элемент
  • Ртутно-висмутисто-индиевый элемент
  • Литий-хромсеребряный элемент
  • Литий-висмутатный элемент
  • Литий-окисномедный элемент
  • Литий-йодсвинцовый элемент
  • Литий-йодный элемент
  • Литий-тионилхлоридный элемент
  • Литий-оксидванадиевый элемент
  • Литий-фторомедный элемент
  • Литий-двуокисносерный элемент
  • Диоксисульфатно-ртутный элемент
  • Серно-магниевый элемент
  • Хлористосвинцово-магниевый элемент
  • Хлорсеребряно-магниевый элемент
  • Хлористомедно-магниевый элемент
  • Иодатно-цинковый элемент
  • Магний-перхлоратный элемент
  • Магний-м-ДНБ элемент
  • Цинк-хлоросеребряный элемент
  • Хлор-серебряный элемент
  • Бром-серебряный элемент
  • Йод-серебряный элемент
  • Магний-ванадиевый элемент
  • Кальций-хроматный элемент

Электрические аккумуляторы

Основная статья: Электрический аккумулятор

Электрический аккумулятор — химический источник тока многоразового действия (то есть в отличие от гальванического элемента химические реакции, непосредственно превращаемые в электрическую энергию, многократно обратимы). Электрические аккумуляторы используются для накопления энергии и автономного питания различных устройств.

См. также Категория: Аккумуляторы.

  • Железо-воздушный аккумулятор
  • Железо-никелевый аккумулятор
  • Лантан-фторидный аккумулятор
  • Литий-железо-сульфидный аккумулятор
  • Литий-ионный аккумулятор
  • Литий-полимерный аккумулятор
  • Литий-фторный аккумулятор
  • Литий-хлорный аккумулятор
  • Литий-серный аккумулятор
  • Марганцево-оловянный элемент
  • Натрий-никель-хлоридный аккумулятор
  • Натрий-серный аккумулятор
  • Никель-кадмиевый аккумулятор
  • Никель-металл-гидридный аккумулятор
  • Никель-цинковый аккумулятор
  • Свинцово-водородный аккумулятор
  • Свинцово-кислотный аккумулятор
  • Свинцово-оловянный аккумулятор
  • Серебряно-кадмиевый аккумулятор
  • Серебряно-цинковый аккумулятор
  • Цинк-бромный аккумулятор
  • Цинк-воздушный аккумулятор
  • Цинк-хлорный аккумулятор

Топливные элементы

Основная статья: Топливный элемент

Топливный элемент — электрохимическое устройство, подобное гальваническому элементу, но отличающееся от него тем, что вещества для электрохимической реакции подаются в него извне — в отличие от ограниченного количества энергии, запасенного в гальваническом элементе или аккумуляторе.

См. также Категория: Топливные элементы.

  • Прямой метанольный топливный элемент.
  • Твердооксидный топливный элемент.
  • Щелочной топливный элемент.

Занятие №1 Химические источники тока. Первичные химические источники тока.

  1. ВВОДНАЯ ЧАСТЬ — 5 минут.

  • Принять доклад дежурного по взводу;

  • проверить наличие личного состава и готовность взвода к занятию;

  • заполнить журнал;

  • объявить название темы занятия, время, отводимое для изучения темы, отчетность по изучаемому учебному материалу;

  • объявить цели, учебные вопросы и порядок проведения занятия;

  • довести до студентов список необходимой литературы по изучаемой теме;

II. Основная часть – 80 минут.

Введение

Военная связь составляет техническую основу системы управления Вооруженными силами Российской Федерации, является важнейшим элементом военной инфраструктуры, который определяет эффективность применения войск (сил) и оружия. Для работы современных военных установок и систем необходима электрическая энергия, вырабатываемая и преобразуемая различными автономными энергетическими устройствами.

Надежность работы средств связи во многом определяется надежностью источников электрической энергии. Выход из строя хотя бы одного источника электрической энергии или отклонение его параметров от допустимых, как правило, нарушает работу аппаратуры и, следовательно, прерывает связь. Кроме того, качественная работа любого средства связи возможна только при обеспечении его электроэнергией требуемого количества и качества.

От любого офицера связиста требуется не только знание того или иного средства связи, но и знание принципов построения, работы и эксплуатации элементов электропитающих устройств и систем электропитания в целом.

1. Классификация источников питания.-20 мин.

Электропитающими называются все устройства, которые вырабатывают электрическую энергию транспортируют её к месту потребления, преобразовывают по роду тока, регулируют и стабилизируют по величине.

Электропитание средств связи может осуществляться от следующих источников питания:

-химических источников тока (хит);

-выпрямительных устройств;

-полевых электроустановок.

Классификация электропитающих устройств приведена в таблице 1.

таблица 1

Вывод по вопросу:

В настоящее время в Вооруженных Силах используют несколько типов электропитающих устройств в зависимости от выполняемой задачи

2. Основные типы химических источников тока, их электрические характеристики. – 30 мин.

Химическими источниками тока (ХИТ) называются устройства, в которых химическая энергия активных веществ преобразуется в электрическую.

Все химические источники тока состоят из двух электродов, разделенных слоем электролита (водного раствора кислот, щелочей, солей). Совокупность активных веществ электродов и электролита, на основе которых основан химический источник тока, называется его электрохимической системой.

По характеру работы все химические источники тока подразделяются на первичныеивторичные.

Первичные химические источники тока – допускают только одноразовое использование заключенных в них активных материалов, которые, с выделением определенного количества электричества, приходят в негодность, и дальнейшее использование таких элементов невозможно. К таким источникам относятся гальванические элементы. Существенным преимуществом всех гальванических элементов является то, что они весьма просты в эксплуатации, портативны и всегда готовы к действию. Однако возможность только одноразового использования, высокое внутреннее сопротивление и сравнительно малый срок хранения существенно ограничивают их применение.

Вторичные химические источники тока – допускают многократное их использование. У таких ХИТ активные вещества, израсходованные в процессе их работы, могут быть восстановлены. К ним относятся аккумуляторы. В аккумуляторах происходит поочередное преобразование сначала электрической энергии от постороннего источника в химическую, а затем химической энергии в электрическую.

Превращение химической энергии в электрическую энергию активных масс внутри аккумулятора путем пропускания через него электрического тока от внешнего источника называется зарядомаккумулятора.

Процесс расходования запасенной (аккумулированной) энергии аккумулятора называется разрядом аккумулятора.

Соответственно ток, протекающий через аккумулятор при заряде, называется током заряда, а при разряде –током разряда.

Поскольку химические источники тока широко применяются в устройствах электропитания военной аппаратуры, то к ним предъявляются довольно жесткие требования с точки зрения высокой надежности в работе, длительности срока службы и хранения, невысокой стоимости, малого саморазряда (разряда без полезного использования электрической энергии), безопасности для питаемой аппаратуры и обслуживающего персонала.

Кроме того, специфичность использования некоторой аппаратуры связи обуславливает еще ряд дополнительных требований. К ним относятся:

  • высокие значения удельных показателей;

  • малые габариты и вес;

  • широкий интервал рабочих температур;

  • малое внутреннее сопротивление;

  • возможность работы при любой пространственной ориентации;

  • удобство эксплуатации.

Устройство и принцип действия химических источников тока.

Исходя из основных определений химических источников тока, каждый ХИТдолжен состоять из следующих частей (рис. 1):

Рис. 1. Устройство ХИТ.

  • положительного электрода, который обычно изготавливается из

активного вещества, но может быть также изготовлен только из электропроводного материала;

  • Отрицательного электрода, выполненного из активного вещества, представляющего собой твердое тело;

  • Электролита– водного раствора солей, кислот или щелочей. Электролит может быть как жидким, так и вязким;

  • Сосуда, заполненного электролитом, в котором закреплены электроды.

Условно на схемах химические источники тока изображаются следующим образом:

Равность потенциалов в ХИТ образуются вследствие того, что при погружении металлического электрода в раствор электролита под влиянием сил электролитической упругости происходит растворение металла. При переходе в раствор каждый атом металла теряет некоторое количество электронов, расположенных на его внешней орбите, образуя положительный ион, который переходит в электролит и располагается вблизи поверхности электродов на границе электрод-электролит. В связи с тем, что электроны атомов, вышедших из металла, остались в электроде, а электролит пополнился положительными ионами металла, электрод приобретает отрицательный заряд, прилегающий к электроду слой электролита положительный.

Разность потенциалов между электролитом и электродом называется электродным потенциалом. Величина разности потенциалов зависит только от состава и концентрации электролита, вещества электрода и не зависит от размеров и формы последнего.

При погружении в электролит разнородные металлы будут отдавать в раствор разное количество ионов в зависимости от активности металла. Это приведет к тому, что каждый из металлов-электродов будет обладать различным электродным потенциалом. Таким образом, если в электролит погрузить два электрода из различных веществ, то между каждым электродом и электролитом установится своя определенная разность потенциалов.

Потенциал положительного электрода (полюса) будет выше потенциала отрицательного электрода (полюса). Разность потенциалов между электродами химического источника тока, не замкнутых внешней электрической цепью, называется электродвижущей силой (ЭДС). Е=UА-UБ

Е – ЭДС химического источника тока;

UА – электродный потенциал первого электрода (положительного);

UБ– электродный потенциал второго электрода (отрицательного).

Используя для изготовления ХИТ различные материалы и электролит, можно получить много систем химических источников тока. Однако на практике применяют ограниченное число электрохимических систем или гальванических пар.

Основные параметры первичных химических источников тока.

1)Электродвижущая сила (Е)– разность потенциалов между выводами ХИТ при разомкнутой цепи.

2) Внутреннее сопротивление (r0)– сопротивление, оказываемое проходящему через него току.

3) Напряжение разряда (Up)– напряжение, измеряемое на зажимах ХИТ при замкнутой внешней цепи.

Если электролиты ХИТ соединить проводником с нагрузкой, то электроны во внешней цепи будут перемещаться от отрицательного полюса к положительному. В цепи устанавливается электрический ток, причиной которого является ЭДСисточника. Условно направление тока во внешней цепи принято считать от положительного полюса источника к отрицательному. Равенство выражает закон Ома для замкнутой цепи, содержащий источник с внутренним сопротивлениемr0 и нагрузку с сопротивлениемr.Это выражение можно представить в следующем виде:E=I r+I r0. Т.е. ЭДС источника компенсирует падение напряжения на нагрузке U=Irи падение напряжения в самом источнике тока на его внутреннем сопротивленииIr0НапряжениеU– это и есть напряжение разрядаUp, которое используется для работы потребителей, питающихся от ХИТ. Выражению E=Ir+Ir0можно придать вид:Up=E — Ir0, из которого следует, что напряжение на зажимах источника тока меньше его ЭДС на величину падения напряжения на внутреннем сопротивлении источника. Таким образом, чем меньше внутреннее сопротивление источника, тем меньше напряжение на его зажимах отличается отЭДС.

Отдача электрической энергии химическим источником тока во внешнюю цепь может продолжаться до тех пор, пока его активные вещества способны вступать в токообразующую реакцию. По величине напряжения разряда судят о степени заряженности ХИТ. Начальное напряжение ХИТ Uнр– напряжение на зажимах ХИТ в начале разряда при замкнутой внешней цепи. Конечное напряжение разрядаUкр – заданное напряжение, ниже которого ХИТ считается разряженным.

4) Емкость (Q)– химического источника тока – способность ХИТ аккумулировать электрическую энергию и отдавать ее затем потребителям. Таким образом, емкостьQ– величина, соответствующая количеству электричества в ампер-часах, которое ХИТ может отдать при разряде от начального до конечного напряжения (минимального допустимого).

Эксплуатационные возможности ХИТ оцениваются его удельной емкостью по массе Qm (отношение емкости ХИТ к полной массе) иудельной емкость по объемуQv(отношение емкости ХИТ к полному объему).

Применительно к аккумуляторам введены понятия разрядной и зарядной емкости.

Количество электричества, которое можно получить от аккумулятора при предельных условиях его работы, называют разряднойемкостьюаккумулятора и обозначаютQp.Qp=Ip∙tp, гдеIp– разрядный ток,tp – время разряда.

Зарядной емкостьюаккумулятораQЗназывают количество электричества, поглощенного аккумулятором при его заряде и определяют QЗпо формуле:QЗ=IЗ∙tЗгдеIЗ– зарядный ток,tЗ– время заряда.

Для заряда аккумулятора необходимо к его выводам приложить напряжение, превышающее ЭДС аккумулятора и падение напряжения на его внутреннем сопротивлении. Это напряжение называют напряжением заряда Uз.

Совокупность одного заряда аккумулятора и следующего за ним разряда называется циклом. Количество циклов, которое аккумулятор может проработать до того времени, пока его разрядная емкость не станет меньше установленной для аккумулятора номинальной емкости, называется сроком службы данного аккумулятора.

5) Саморазряд (S) ХИТ – потеря электроэнергии ХИТ, обусловленная протеканием в нем самопроизвольных процессов даже при разомкнутой внешней цепи. Эти потери обусловлены протекающими в ХИТ вредными побочными процессами: электрохимическими, химическими, электрическими и физическими.

Эти процессы могут протекать в ХИТ независимо от того, работает он на внешнюю полезную нагрузку, или нет. Таким образом, даже в неработающем источнике имеет место бесполезный расход электроэнергии, источник работает как бы сам на себя. Поэтому все эти процессы имеют общее название саморазряда. С количественной стороны саморазрядS оценивается уменьшением величины емкости ХИТ за сутки где Q1 и Q 2емкости химического источника тока до и после хранения ,τ- продолжительность хранения в сутках. С эксплуатационной точки зрения саморазряд характеризуетсрок хранения ХИТ и определяет период времени, в течение которого он может быть еще годен к использованию потребителем.

Величина саморазряда существенно зависит от температуры окружающей среды. Так как при увеличении температуры повышается химическая активность веществ, входящих в состав электрохимической системы, то, очевидно, что саморазряд при этом также будет расти. Поэтому ХИТ необходимо хранить в сухих прохладных помещениях.

Вывод по вопросу:

В настоящее время все носимые радиостанции используют вторичные химические источники тока.

3. Первичные химические источники тока

Гальванические элементы и батареи. – 30 мин.

Гальваническим элементом называется источник электрической энергии, в котором электрическая энергия получается за счет расхода химической энергии активных веществ. В гальваническом элементе происходит необратимый электрохимический процесс преобразования химической энергии в электрическую.

При изготовлении гальванического элемента в него закладываются в готовом виде активные вещества, которые он расходует при работе. По мере расхода активных веществ емкость элемента убывает и, когда она достигает некоторого предельного минимума, гальванический элемент становится непригодным для дальнейшей эксплуатации.

По видам применяемых электрохимических систем различают следующие основные типыгальванических элементов, широко используемых для электропитания малогабаритной аппаратуры в войсках связи:

  • марганцево-цинковые;

  • ртутно-цинковые.

Марганцево-цинковые элементы.

Марганцево – цинковые элементы наиболее распространены в

войсках. Элементы марганцево-цинковой системы изготавливаются

стаканчиковой или галетной конструкции.

а) В элементах стаканчиковой конструкции(рис 2.) отрицательный (цинковый) электрод (9) как правило, служит одновременно и сосудом элемента, имеющим прямоугольную или цилиндрическую форму. Он изготавливается из химически чистого цинка. Внутри цинковой коробки установлен положительный электрод (6) из двуокиси марганцаMnO2.Для токоотвода в положительный электрод вставлен угольный стержень (7).

Чтобы улучшить проводимость, двуокись марганца механически смешивается с 20% графита. Эта смесь называется агломератором – деполяризатором.

Пространство между агломератором, заключенным в мешочек из пористой ткани и стенками цинковой коробки, заполнено электролитом (8), представляющим собой раствор соли (хлорида аммония NH4Cl). Для уменьшения саморазряда элемента, а также загущения электролита в него вводится сулема и мука. В зависимости от характера основных добавок электролит подразделяется на летний, зимний (хладостойкий) и универсальный, что соответственно обозначается на этикетке буквамиЛ, Х, У.

В верхней части цинковой коробки находится картонная прокладка (4), верх которой залит смолкой (3), закупоривающей элемент и скрепляющей его детали. Между верхней частью агломерата и картонной прокладкой оставлено свободное пространство, где происходит сосредоточение газов (5). Снаружи цинковая коробка защищена картонным футляром (10), на котором указываются основные данные элемента: его марка, ЭДС, емкость и др. ЭДС элемента в начале разряда равна примерно 1.5 В. внутреннее сопротивление зависит от размеров и степени использования элемента и колеблется от 0.25 Ом до нескольких Ом в конце разряда.

Конструктивный разрез элемента марганцево-цинковой системы изображен на рис. 2.

Рис 2. Разрез элемента марганцево-цинковой системы.

1 – выводы; 2 – латунный колпачок; 3 – смолка; 4 – картонная прокладка; 5 – газовая камера; 6 – агломерат – деполяризатор (положительный электрод); 7 – угольный стержень; 8 – электролит; 9 – цинковый стакан (отрицательный электрод); 10 – картонный футляр.

б) В марганцево-цинковых элементах галетной конструкцииодновременно решаются две задачи:

  • рационально используется весь заданный для источника тока объем;

  • наиболее полно используется активное вещество положительного электрода (двуокись марганца) с помощью рационального конструктивного устройства самой галеты.

Устройство элемента галетно — пленочной конструкции показано на рис. 3.

Рис 3. Устройство элемента галетно — пленочной конструкции

1 – положительный электрод; 2-бумага, 3 – прокладка ( диафрагма); 4 – цинковая пластина (отрицательный электрод); 5 – электропроводящий слой; 6 – хлорвиниловое кольцо (пленка).

Положительный электрод галетно-пленочной конструкции представляет собой брикет (1) из спрессованной агломератной массы с добавкой графита. К нему приложена картонная прокладка – диафрагма (3), пропитанная раствором электролита (хлорид аммония), на которую накладывается цинковая пластина (4), являющаяся отрицательным электродом. На другую сторону пластины нанесен электропроводный слой (5) толщиной 0.5 мм, состоящий из специальной смеси. Этот слой хорошо пропускает электрический ток, но совершенно не пропускает раствор солей, т.е. электролита. На все эти детали, сложенные, как показано на рисунке, надевается в слегка нагретом состоянии кольцо из тонкой (0.2 мм) хлорвиниловой пленки (6), которое при охлаждении сжимается и прочно стягивает детали галеты. Пленка изолирует элемент с боковых сторон и не дает вытекать электролиту, но пропускает через себя образующиеся в элементе газы. Собранные элементы накладываются друг на друга и стягиваются бандажами, образуя блоки из последовательно соединенных элементов. Внутри батареи элементы соединяются при помощи соединительных проводников. Таким образом, из отдельных галет получают батареи гальванических элементов с необходимыми параметрами.

Разновидностью марганцево-цинковых элементов являются воздушно – марганцево-цинковые элементы, в которых активным веществом положительного электрода служит как диоксид марганца, так и кислород воздуха.

Условные обозначения марганцево-цинковых элементовсостоят из букв и цифр (например,А336). БукваАобозначает, что элемент имеет щелочной электролит. Первые две цифры (33) характеризуют габаритные размеры и электрохимическую систему:

— 01– 09 – воздушно – марганцево-цинковые элементы и батареи;

— 10 – 19 – марганцево-цинковые стаканчиковые прямоугольной формы;

— 20 – 49 – стаканчиковые цилиндрические;

— 50 – 79 – галетные батареи;

Конкретные значения цифр в указанных пределах – это шифры ширины, длины (или диаметра), (например, цифра 33 указывает, что стаканчиковый цилиндрический, диаметр стаканчика 20 мм). Третья цифра (в нашем примере – 6) – шифр высоты элемента (цифра 6 указывает, что высота элемента 58 мм). После цифр может стоять дополнительная буква. Например, букваТв конце указывает на то, что элемент пригоден для эксплуатации в районах с тропическим климатом, букваЛ– на то, что элемент или батарея летнего типа, букваУ– на то, что элемент или батарея универсального типа. Обозначение типа батареи при последовательном соединении элементов составляется из цифры, соответствующей числу элементов в батарее и обозначения элемента. При параллельном соединении элементов их число указывается через тире после обозначения типа элемента. Элементам и батареям могут быть присвоены торговые наименования (например, “УРАН”, “КРОНА ВЦ”, “ПЛАНЕТА 1” и др.).

Достоинства марганцево-цинковых элементов:

  • работоспособность в широком диапазоне температур;

  • малое внутреннее сопротивление;

  • просты в производстве, эксплуатации и хранении;

  • низкая стоимость.

Недостатки:

  • относительно большой саморазряд;

  • удовлетворительная сохранность (12 – 15 месяцев);

  • значительные пределы изменения напряжения при разряде;

  • низкие удельные характеристики на единицу массы и объема.

Марганцево-цинковые элементы находят самое широкое применение для электропитания малогабаритных радиоустройств, полевых телефонных аппаратов и коммутаторов, электроизмерительных приборов.

Ртутно-цинковые элементы.

Активная масса положительного электрода ртутно-цинкового элемента состоит из оксида ртути и графита (5 – 10 %) для увеличения токопроводности. Отрицательный электрод изготавливается из цинка и ртути (амальгированный цинковый порошок, содержащий 5-10% металлической ртути).

В качестве электролита в ртутно-цинковых элементах применяется щелочной калиевый электролит (КОН), насыщенный окисью цинка для повышения работоспособности. Электролит в основном заключен в порах электродов и сепараторной бумаги.

Конструкция ртутно-цинкового элемента изображена на рис.4.

Рис. 4.Конструкция ртутно-цинкового элемента.

1 – крышка; 2 – отрицательный электрод; 3 – резиновое кольцо; 4 – сепаратор из фильтровальной бумаги; 5-корпус, 6 – диафрагма из фильтровальной бумаги; 6 – корпус; 7 – положительный электрод.

В ртутно-цинковых элементах ЭДС весьма стабильна и составляет 1.34 – 1.37 вольт (в течение года меняется всего на 0.2%). Напряжение этих элементов при малых токах разряда изменяется в процессе разряда очень незначительно (на несколько процентов).

Ртутно-цинковые элементы обладают высокой удельной емкостью по объему.

Условные обозначения ртутно-цинковых элементовсостоят из букв и цифр (например,РЦ 31). БуквыРЦ указывают на электрохимическую систему (ртутно-цинковый элемент). Первая цифра – шифр размера разработки (в нашем примере цифра3после букв РЦ указывает, что диаметр элемента составляет 11.5 мм). Вторая цифра – шифр высоты (в нашем примере цифра1указывает на высоту элемента 3.6 мм). Дополнительные буквы после цифр обозначают условия эксплуатации.

Например: элементы с буквой Урассчитаны на работу при температуре от –300С до +500С, с индексомТ– от 00до +700С, с индексомХпри температуре ниже –300С, элементы с индексомС– рассчитаны на длительное хранение, с индексомФ– на разряд при повышенных токах.

Цифра перед РЦ обозначает число последовательно соединенных элементов. Например, батарея из шести последовательно соединенных элементовРЦ – 31обозначается6 РЦ – 31. Если основное обозначение заключено в скобки, то цифра после них указывает на число параллельно соединенных элементов. Например, маркировка(РЦ – 31)4обозначает, что 4 элемента РЦ – 31соединены параллельно.

Достоинства ртутно-цинковых элементов:

  • значительная удельная емкость по массе и объему;

  • достаточно высокая сохранность (однако хранить их можно при температуре не выше +300С);

  • высокая стабильность ЭДС в течение всего срока хранения элементов;

  • значительно меньшее внутреннее сопротивление, чем у марганцево-цинковых элементов;

  • просты в эксплуатации.

Недостатки:

  • плохая работоспособность при низких температурах – это основной недостаток элементов ртутно-цинковых элементов;

  • высокая стоимость (значительно дороже, чем марганцево-цинковые элементы).

Ртутно-цинковые элементы применяются в малогабаритных переносных радиостанциях, однако в настоящее время используются достаточно ограниченно.

Гальванические батареи.

Для питания потребителей, требующих относительно больших значений напряжений и токов, гальванические элементы соединяют в батареи.

а) Последовательное соединение элементов.

Последовательное соединение элементов применяется в том случае, когда номинальное напряжение потребителя больше, чем может обеспечить одиночный элемент. Но необходимо учитывать, что номинальный ток потребителя должен быть меньше, чем может обеспечить одиночный элемент. Гальванические элементы, включаемые последовательно, должны обладать одинаковыми емкостями и соединяться друг с другом разноименными полюсами. Последовательное соединение элементов на схемах изображается так, как показано на рис. 5

Рис. .5 Последовательное соединение элементов.

При последовательном соединение элементов ЭДСбатареи ЕБ, напряжение батареиUБи внутреннее сопротивление r0Бравны соответственно суммеЭДС, напряжений и внутренних сопротивлений элементов, входящих в состав батареи:

ЕБ=Е1+Е2+…+Еn; UБ=U1+U2+…+Un; R0Б=rоБ1+rоБ2+…+rоn ; QБ=Q1+Q2+…+Qn; Ток в цепи в соответствии с законом Ома будет равен: Где:ЕБ– ЭДС батареи, r – сопротивление внешней цепи, rоБ – внутреннее сопротивление батарей,QБ- емкость батареи.

б) параллельное соединение элементов.

Параллельное соединение применяется в тех случаях, когда для питания потребителя необходим ток, превышающий ток одного элемента и когда необходимо длительно питать потребителя.

При параллельном соединении положительные полюсы элементов соединяются в одну точку, а отрицательные в другую и к этим точкам подключается внешняя цепь. Схематично такое соединение показано на рис. 6

Рис. 6 Параллельное соединение элементов

В батарею можно соединять параллельно только однотипные элементы, имеющие одинаковое внутреннее сопротивление, при этом: ЕБ=Е1=Е2=…Еm; UБ=U1=U2=…Um; R0Б ;

QБ=Q1+Q2+…Qm;

Где m – число параллельно соединенных элементов в батареи.

Величина тока, отдаваемого потребителю при таком соединении, будет определяться по формуле:

в) Смешанное соединение элементов.

Смешанное соединение элементов в батарею применяется в тех случаях, когда для питания потребителю во внешней цепи необходимо получить большой ток при большой емкости и большое напряжение. При таком соединении равные группы по nпоследовательно включенных элементов, соединяются вm параллельных ветвей, к концам которых подключается потребитель.

Пример изображения на схемах смешанного соединения для случая n=3 иm=2 показан на рис. 7.

Рис. 7. Смешанное соединение элементов.

При смешанном соединении элементовЭДСи напряжение батареи будет определяться ЭДС и напряжением одной параллельной ветви:

ЕБ=Е1=Е2=…Еn;

UБ=U1+U2+…Un;

Внутреннее сопротивление будет определяться как rоБ=(ro1+ro2+…+ron)/m;

Емкость батареи при смешанном соединении элементов равна сумме емкостей параллельных ветвей:

QБ=Qi, (I=1,I=m)

где Qi – емкость i-ой параллельной ветви.

Ток, отдаваемый потребителю, определяется по закону Ома:

Гальванические батареи, как и элементы, имеют соответствующую маркировку.

Например:ГБ-10-У-1.3:Г– галетная,Б– батарея, 10 – начальное напряжение в вольтах,У– универсальная (для работы в диапазоне температур от –200С до +600С),1.3– электрическая емкость в ампер – часах.

Вывод по занятию:

Анализируя основные параметры различных типов первичных химических источников тока (гальванических элементов) можно отметить, что наиболее приемлемыми источниками электропитания малогабаритных радиоустройств, полевых телефонных аппаратов и коммутаторов, электроизмерительных приборов и т.п. являются марганцево – цинковые элементы.

III. ЗАКЛЮЧИТЕЛЬНАЯ ЧАСТЬ.- 5 мин.

— подвести итог занятия

— ответить на вопросы студентов

  • поставить задачу на самоподготовку:

Знать принцип управления колебаниями передатчика, принцип

Задачи вторичного источника электропитания

  • Обеспечение передачи мощности — источник электропитания должен обеспечивать передачу заданной мощности с наименьшими потерями и соблюдением заданных характеристик на выходе без вреда для себя. Обычно мощность источника питания берут с некоторым запасом.
  • Преобразование формы напряжения — преобразование переменного напряжения в постоянное, и наоборот, а также преобразование частоты, формирование импульсов напряжения и т. д. Чаще всего необходимо преобразование переменного напряжения промышленной частоты в постоянное.
  • Преобразование величины напряжения — как повышение, так и понижение. Нередко необходим набор из нескольких напряжений различной величины, для питания различных цепей.
  • Стабилизация — напряжение, ток и другие параметры на выходе источника питания должны лежать в определённых пределах, в зависимости от его назначения при влиянии большого количества дестабилизирующих факторов: изменения напряжения на входе, тока нагрузки и так далее. Чаще всего необходима стабилизация напряжения на нагрузке, однако иногда (например, для зарядки аккумуляторов) необходима стабилизация тока.
  • Защита — напряжение, или ток нагрузки в случае неисправности (например, короткого замыкания) каких-либо цепей может превысить допустимые пределы и вывести электроприбор, или сам источник питания из строя. Также во многих случаях требуется защита от прохождения тока по неправильному пути: например прохождения тока через землю при прикосновении человека или постороннего предмета к токоведущим частям.
  • Гальваническая развязка цепей — одна из мер защиты от протекания тока по неверному пути.
  • Регулировка — в процессе эксплуатации может потребоваться изменение каких-либо параметров для обеспечения правильной работы электроприбора.
  • Управление — может включать регулировку, включение/отключение каких-либо цепей, или источника питания в целом. Может быть как непосредственным (с помощью органов управления на корпусе устройства), так и дистанционным, а также программным (обеспечение включения/выключения, регулировка в заданное время или с наступлением каких-либо событий).
  • Контроль — отображение параметров на входе и на выходе источника питания, включения/выключения цепей, срабатывания защит. Также может быть непосредственным или дистанционным.

Чаще всего перед вторичными источниками питания стоит задача преобразования электроэнергии из сети переменного тока промышленной частоты (например, в России — 240 В 50 Гц, в США — 120 В 60 Гц).

Две наиболее типичных конструкции — это трансформаторные и импульсные источники питания.

Трансформаторный

Линейный блок питания Схема простейшего трансформаторного источника питания без стабилизации с двухполупериодным выпрямителем

Классическим блоком питания является трансформаторный БП. В общем случае он состоит из понижающего трансформатора или автотрансформатора, у которого первичная обмотка рассчитана на сетевое напряжение. Затем устанавливается выпрямитель, преобразующий переменное напряжение в постоянное (пульсирующее однонаправленное). В большинстве случаев выпрямитель состоит из одного диода (однополупериодный выпрямитель) или четырёх диодов, образующих диодный мост (двухполупериодный выпрямитель). Иногда используются и другие схемы, например, в выпрямителях с удвоением напряжения. После выпрямителя устанавливается фильтр, сглаживающий колебания (пульсации). Обычно он представляет собой просто конденсатор большой ёмкости.

Также в схеме могут быть установлены фильтры высокочастотных помех, всплесков (варисторы), защиты от короткого замыкания (КЗ), стабилизаторы напряжения и тока.

Габариты трансформатора

Из 3-го уравнения Максвелла r o t E → = − ∂ B → ∂ t , {\displaystyle \mathrm {rot} \,{\vec {E}}=-{\frac {\partial {\vec {B}}}{\partial t}},} являющегося математической записью закона электромагнитной индукции Фарадея следует, что ЭДС E 1 {\displaystyle E_{1}} , наводимая в одном витке обмотки, охватывающем изменяющийся во времени магнитный поток Φ {\displaystyle \Phi } равна:

E 1 = d Φ d t . {\displaystyle E_{1}={\frac {d\Phi }{dt}}.}

При синусоидальном изменении Φ {\displaystyle \Phi } вида:

Φ ( t ) = Φ 0 ⋅ s i n ( ω t ) , {\displaystyle \Phi (t)=\Phi _{0}\cdot sin(\omega t),} где Φ 0 {\displaystyle \Phi _{0}} — амплитудное (максимальное) значение Φ , {\displaystyle \Phi ,} ω {\displaystyle \omega } — угловая частота, t {\displaystyle t} — время,

следует:

E 1 ( t ) = Φ 0 ⋅ ω ⋅ s i n ( ω t ) , {\displaystyle E_{1}(t)=\Phi _{0}\cdot \omega \cdot sin(\omega t),}

Магнитный поток связан с магнитной индукцией B {\displaystyle B} формулой:

Φ = B ⋅ S , {\displaystyle \Phi =B\cdot S,} где S {\displaystyle S} — площадь витка.

При практически важном в трансформаторах синусоидальном изменении B ( t ) {\displaystyle B(t)} по закону:

B ( t ) = B 0 ⋅ s i n ( ω t ) , {\displaystyle B(t)=B_{0}\cdot sin(\omega t),} где B 0 {\displaystyle B_{0}} — амплитудное (максимальное) значение индукции в сердечнике (магнитопроводе) трансформатора.

Поэтому ЭДС одного витка вторичной обмотки в трансформаторах, первичная обмотка которых питается синусоидальным током и ферромагнитный магнитопровод которых не заходит в магнитное насыщение выражается формулой:

E 1 ( t ) = B 0 ⋅ S ⋅ ω ⋅ s i n ( ω t ) . {\displaystyle E_{1}(t)=B_{0}\cdot S\cdot \omega \cdot sin(\omega t).}

На практике и при расчетах трансформаторов применяется не амплитудное, а среднеквадратическое (эффективное) значение ЭДС или напряжения, которое в случае синусоидального изменения связано с амплитудным значением ЭДС выражением:

E e f f = 2 2 E 0 . {\displaystyle E_{eff}={\frac {\sqrt {2}}{2}}E_{0}.}

Подставляя последнюю формулу в выражение ЭДС для одного витка и учитывая, что

ω = 2 ⋅ π ⋅ f , {\displaystyle \omega =2\cdot \pi \cdot f,} f {\displaystyle f} — частота, имеем основную формулу для расчета числа витков обмоток трансформатора так как ЭДС обмотки прямо пропорционально числу витков в обмотке:

E e f f 1 = 2 ⋅ π ⋅ B 0 ⋅ S ⋅ f ≈ 4 , 43 ⋅ B 0 ⋅ S ⋅ f , {\displaystyle E_{eff1}={\sqrt {2}}\cdot \pi \cdot B_{0}\cdot S\cdot f\approx 4,43\cdot B_{0}\cdot S\cdot f,}

где E e f f 1 {\displaystyle E_{eff1}} — эффективная ЭДС одного витка.

Мощность P {\displaystyle P} , отдаваемая вторичной обмоткой трансформатора:

P = U ⋅ I , {\displaystyle P=U\cdot I,} где U {\displaystyle U} — напряжение обмотки под нагрузкой, I {\displaystyle I} — ток обмотки.

Так как максимальный ток обмотки ограничен предельной плотностью тока в проводниках обмотки при заданном их сечении и U ∼ E e f f 1 {\displaystyle U\sim E_{eff1}} , отсюда следует, что для повышения мощности трансформатора без изменения его размеров следует повышать B 0 {\displaystyle B_{0}} и/или f {\displaystyle f} .

Существенному повышению B 0 {\displaystyle B_{0}} препятствует явление магнитного насыщения сердечника. При насыщении, которое наступает в экстремумах тока первичной обмотки в течение периода, во-первых, падает реактивное сопротивление первичной обмотки, что вызывает увеличение тока холостого хода и увеличение нагрева обмотки за счет омического сопротивления, и, во-вторых, увеличиваются потери на гистерезис, вызванные перемагничиванием магнитопровода, так как увеличивается площадь петли гистерезиса, что вызывает повышение потерь на тепло в магнитопроводе.

С точки зрения потерь в магнитопроводе следует как можно больше снижать максимальную индукцию в магнитопроводе ( B m {\displaystyle B_{m}} ), но такой подход экономически нецелесообразен, так как при прочих равных увеличивает габариты и материалоёмкость трансформатора. Поэтому B m {\displaystyle B_{m}} в магнитопроводе выбирают исходя из разумного компромисса. Причем для трансформаторов малой мощности B m {\displaystyle B_{m}} увеличивают, а для мощных трансформаторов — уменьшают. Это обусловлено тем, что магнитопровод у малогабаритного трансформатора охлаждается эффективнее, чем у крупных трансформаторов. Для электротехнических сталей в трансформаторах промышленной частоты B m {\displaystyle B_{m}} выбирают в пределах 1,1—1,35 Тл в трансформаторах мощностью до сотен Вт и от 0,7 до 1,0 Тл для мощных трансформаторов распределительных подстанций.

Исходя из B m {\displaystyle B_{m}} применяется практическая формула, полученная подстановкой в теоретическое значение ЭДС витка заданного значения B m {\displaystyle B_{m}} и частоты 50 Гц:

E e f f 1 = S 33…70 , {\displaystyle E_{eff1}={\frac {S}{33…70}},}

Здесь S {\displaystyle S} выражено в см2, E e f f 1 {\displaystyle E_{eff1}} — в вольтах. Меньшие значения знаменателя выбирают для маломощных трансформаторов, большие — для мощных.

Другой путь повышения мощности трансформатора — повышение рабочей частоты. Приблизительно можно считать, что при заданных размерах трансформатора его мощность прямо пропорциональна рабочей частоте. Поэтому увеличение частоты в k {\displaystyle k} раз при неизменной мощности позволяет уменьшить размеры трансформатора в ∼ k {\displaystyle \sim {\sqrt {k}}} раз (площадь сечения магнитопровода уменьшается в ∼ k {\displaystyle \sim k} раз), или, соответственно, его массу в ∼ k 3 / 2 {\displaystyle \sim {\sqrt{k}}} раз.

В частности, в том числе и этими соображениями, в силовых бортовых сетях летательных аппаратов и судов обычно применяется частота 400 Гц с напряжением 115 В.

Но повышение частоты ухудшает магнитные свойства магнитопроводов, в основном из-за увеличения потерь на гистерезис, поэтому при рабочих частотах свыше единиц кГц применяют ферродиэлектрические магнитопроводы трансформаторов, например, ферритовые или изготовленные из карбонильного железа.

Современные источники вторичного электропитания различной бытовой техники, компьютеров, принтеров и др. сейчас практически полностью выполняются по схемам импульсных источников и практически полностью вытеснили классические трансформаторы. В таких источниках гальваническое разделение питаемой цепи и питающей сети, получение набора необходимых вторичных напряжений, производится посредством высокочастотных трансформаторов с ферритовыми сердечниками. Источником высокочастотного напряжения являются импульсные ключевые схемы с полупроводниковыми ключами, обычно транзисторными. Применение таких устройств, часто называемых инверторами позволяет многократно снизить массу и габариты устройства, а также, дополнительно — повысить качество и надёжность электропитания, так как импульсные источники менее критичны к качеству электропитания в первичной сети, — они менее чувствительны к всплескам и провалам сетевого напряжения, изменениям его частоты.

Достоинства и недостатки

Достоинства трансформаторных БП.

  • Простота конструкции.
  • Надёжность.
  • Доступность элементной базы.
  • Отсутствие создаваемых радиопомех (в отличие от импульсных, создающих помехи за счёт гармонических составляющих).

Недостатки трансформаторных БП.

  • Большой вес и габариты, пропорционально мощности.
  • Металлоёмкость.
  • Компромисс между снижением КПД и стабильностью выходного напряжения: для обеспечения стабильного напряжения требуется стабилизатор, вносящий дополнительные потери.

Импульсный источник питания

Основная статья: Импульсный стабилизатор напряжения Импульсный блок питания компьютера (ATX) со снятой крышкой
A — входной выпрямитель. Ниже виден входной фильтр
B — входные сглаживающие конденсаторы. Правее виден радиатор высоковольтных транзисторов
C — импульсный трансформатор. Правее виден радиатор низковольтных ключей
D — дроссель групповой стабилизации (ГДС)
E — конденсаторы выходного фильтра

Импульсные блоки питания являются инверторной системой. В импульсных блоках питания переменное входное напряжение сначала выпрямляется. Полученное постоянное напряжение преобразуется в прямоугольные импульсы повышенной частоты и определённой скважности, либо подаваемые на трансформатор (в случае импульсных БП с гальванической развязкой от питающей сети) или напрямую на выходной фильтр нижних частот (в импульсных БП без гальванической развязки). В импульсных БП могут применяться малогабаритные трансформаторы — это объясняется тем, что с ростом частоты повышается эффективность работы трансформатора и уменьшаются требования к габаритам (сечению) сердечника, требуемым для передачи эквивалентной мощности. В большинстве случаев такой сердечник может быть выполнен из ферромагнитных материалов, в отличие от сердечников низкочастотных трансформаторов, для которых используется электротехническая сталь.

В импульсных блоках питания стабилизация напряжения обеспечивается посредством отрицательной обратной связи. Обратная связь позволяет поддерживать выходное напряжение на относительно постоянном уровне вне зависимости от колебаний входного напряжения и величины нагрузки. Обратную связь можно организовать разными способами. В случае импульсных источников с гальванической развязкой от питающей сети наиболее распространёнными способами являются использование связи посредством одной из выходных обмоток трансформатора или при помощи оптрона. В зависимости от величины сигнала обратной связи (зависящего от выходного напряжения), изменяется скважность импульсов на выходе ШИМ-контроллера. Если развязка не требуется, то, как правило, используется простой резистивный делитель напряжения. Таким образом, блок питания поддерживает стабильное выходное напряжение.

Достоинства импульсных БП

Сравнимые по выходной мощности с линейными стабилизаторами соответствующие им импульсные стабилизаторы обладают следующими основными достоинствами:

  • меньшим весом за счёт того, что с повышением частоты можно использовать трансформаторы меньших размеров при той же передаваемой мощности. Масса линейных стабилизаторов складывается в основном из мощных тяжёлых низкочастотных силовых трансформаторов и мощных радиаторов силовых элементов, работающих в линейном режиме. Кроме того, благодаря повышенной частоте преобразования, значительно уменьшаются габариты фильтра выходного напряжения (можно использовать конденсаторы значительно меньшей ёмкости, чем для выпрямителей, работающих на промышленной частоте). Сам выпрямитель может быть выполнен по простейшей однополупериодной схеме, без риска увеличения пульсаций выходного напряжения;
  • значительно более высоким КПД (вплоть до 90-98 %) за счёт того, что основные потери в импульсных стабилизаторах связаны с переходными процессами в моменты переключения ключевого элемента. Поскольку основную часть времени ключевые элементы находятся в одном из устойчивых состояний (то есть либо включен, либо выключен) потери энергии минимальны;
    • из этого прямо следует, что, при одной и той же схемотехнике и элементарной базе, КПД растёт с понижением частоты преобразования, так как переходные процессы занимают пропорционально меньшую часть времени. При этом, однако, растут габариты моточных элементов — но это даёт и выигрыш, из-за снижения омических потерь.
  • меньшей стоимостью, благодаря массовому выпуску унифицированной элементной базы и разработке ключевых транзисторов высокой мощности. Кроме этого следует отметить значительно более низкую стоимость импульсных трансформаторов при сравнимой передаваемой мощности, и возможность использования менее мощных силовых элементов, поскольку режим их работы ключевой;
  • сравнимой с линейными стабилизаторами надёжностью.
    Блоки питания вычислительной техники, оргтехники, бытовой электроники почти исключительно импульсные. Линейные БП малой мощности сохранились в основном только в следующих областях:
    • для питания слаботочных плат управления высококачественной бытовой техники вроде стиральных машин, микроволновых печей и отопительных котлов и колонок;
    • для маломощных управляющих устройств высокой и сверхвысокой надёжности, рассчитанной на многолетнюю непрерывную эксплуатацию при отсутствии обслуживания или затруднённом обслуживании, как, например, цифровые вольтметры в электрощитах, или автоматизация производственных процессов.
  • широким диапазоном питающего напряжения и частоты, недостижимым для сравнимого по цене линейного. На практике это означает возможность использования одного и того же импульсного БП для носимой цифровой электроники в разных странах мира — Россия/США/Англия, сильно отличных по напряжению и частоте в стандартных розетках.
  • наличием в большинстве современных БП встроенных цепей защиты от различных непредвиденных ситуаций, например от короткого замыкания и от отсутствия нагрузки на выходе.

Недостатки импульсных БП

  • Работа основной части схемы без гальванической развязки от сети, что, в частности, несколько затрудняет ремонт таких БП.
  • Все без исключения импульсные блоки питания являются источником высокочастотных помех, поскольку это связано с самим принципом их работы. Поэтому требуется предпринимать дополнительные меры помехоподавления, зачастую не позволяющие устранить помехи полностью. В связи с этим часто недопустимо применение импульсных БП для некоторых видов аппаратуры.
  • Как правило, импульсные блоки питания имеют ограничение на минимальную мощность нагрузки. Если мощность нагрузки ниже минимальной, блок питания либо не запускается, либо параметры выходных напряжений (величина, стабильность) могут не укладываться в допустимые отклонения.
  • В распределённых системах электропитания: эффект гармоник кратных трём. При наличии эффективно действующих корректоров фактора мощности и фильтров во входных цепях этот недостаток обычно не актуален.

См. также

Источники питания на Викискладе

  • Паразитное питание (электроника)
  • Питание через сеть Ethernet
  • Стабилизатор напряжения
  • Компьютерный блок питания
  • Источник бесперебойного питания
  • Зарядное устройство
  • Вересов Г. П. Электропитание бытовой радиоэлектронной аппаратуры. — М.: Радио и связь, 1983. — С. 5. — 128 с. — 60 000 экз. Архивная копия от 27 июля 2009 на Wayback Machine
  • Китаев В. В. и др. Электропитание устройств связи. — М.: Связь, 1975. — 328 с. — 24 000 экз. Архивная копия от 17 марта 2013 на Wayback Machine
  • Битюков В.К. Симачков Д.С. Источники вторичного электропитания. М.. — Инфра-Инженерия, 2017. — 326 с. — ISBN 978-5-9729-0171-5.
  • Костиков В. Г., Парфенов Е. М., Шахнов В. А. Источники электропитания электронных средств. Схемотехника и конструирование: Учебник для ВУЗов. — 2. — М.: Горячая линия — Телеком, 2001. — 344 с. — 3000 экз. — ISBN 5-93517-052-3.
  • Вересов Г. П. Электропитание бытовой радиоэлектронной аппаратуры — М.Радио и связь, 1983
  • Китаев В. Е., Бокуняев А. А. Электропитание устройств связи — М., Связь, 1975
  • БЛОК ПИТАНИЯ: импульсный или линейный? ЗА и ПРОТИВ
  • Гуревич В. И. Вторичные источники электропитания: анатомия и опыт применения — «Электротехнический рынок», 2009, № 1 (25), с. 50—54
  1. Однако в мощных трансформаторных БП возникают импульсные помехи из-за того, что ток, протекающий через выпрямительные диоды (и вторичную обмотку трасформатора) имеет форму коротких импульсов, потому что диод открыт не весь полупериод, а короткое время вблизи максимума синусоиды, когда мгновенное значение переменного напряжения на вторичной обмотке превышает постоянное напряжение на фильтрующей ёмкости).
  1. Вторичный источник электропитания//Силовая электроника: краткий энциклопедический словарь терминов и определений —М.:Издательский дом МЭИ, 2008
  2. Здесь имеется ввиду средняя индукция в контуре, охватывающем виток. В однородном магнитном поле, вектор индукции которого перпендикулярен плоскости витка — просто величина индукции.
  3. 1 2 Импульсные источники питания.
  4. Сравнение линейных и импульсных источников питания.

Классификация химических источников тока

Классификация ХИТ

Все ХИТ принято подразделять на три основные категории:

Как устроены гальванические батареи

  • Первичные гальванические элементы – внутри таких источников происходят химические окислительно-восстановительные реакции, энергия которых и переходит в электрическую. Данные реакции являются необратимыми, поэтому элементы невозможно перезарядить.
  • Состоят такие батареи из двух электродов, которые имеют разный электродный потенциал, металлического проводника, по которому могут перемещаться электроны, и электролита, который помогает перемещению ионов между электродами.

Интересно знать! Напомним, что именно поток электронов и приводит к возникновению электрического тока.

Вторичный химический источник тока

  • Вторичные ХИТ, они же электрические аккумуляторы – тоже являются гальваническими элементами, однако их особенность заключается в том, что возможна перезарядка.
  • В отличие от батарей, которые исчерпывают свою работоспособность при разряде, аккумуляторы могут регенерироваться, то есть повторно накапливать энергию и перезапускать цикл химических реакций.
  • Возобновление заряда происходит при пропускании через элемент электрического тока, для чего нужна внешняя цепь. Все мы ежедневно заряжаем свои телефоны и смартфоны, ноутбуки и планшеты. Аккумуляторы применяются практически везде, и это не удивительно – их ресурс намного выше, чем у любой первичной батареи в сотни раз, при том, что цена больше до 10-ти раз.
  • Прообраз первой аккумуляторной батареи был создан в далеком 1803 году немецким физиком-химиком И. Риттером. Его устройство имело в составе пятьдесят медных кружков, между которыми было проложено влажное сукно. Когда через него проходил ток от Вольтова столба, изделие само становилось источником электрического тока.

Топливный источник тока химический

  • Последним типом химических источников тока являются топливные элементы, или электрохимические генераторы. Основное отличие их от гальванических элементов это то, что вещества необходимые для электрохимической реакции подаются внутрь извне, а продукты от реакций, наоборот, удаляются.
  • Подобный подход позволяет организовать долгую непрерывную работу без фактической перезарядки.
  • Впервые применять топливные источники тока стали во второй половине 20-го века, несмотря на то, что основные принципы функционирования были открыты в далеком 1839 году. В 1965 году их впервые задействовали в космической технике – это был элемент КК «Джемини». Его изначальное расчетное время работы составляло от суток, до 2-х месяцев. Эти элементы имели достаточное преимущество перед солнечными батареями с буферными химическими батареями в плане массы и габаритов, а также удельной мощности.
  • Первая топливная батарея КК «Джемини» состояла из 3 блоков по 32 элемента, каждый из которых выдавал напряжение в 0,8В, и работала на газообразном топливе (кислород и водород).

Характеристики гальванических источников тока

Щелочные аккумуляторы и их свойства

Характеристика химических источников тока включает в себя следующие параметры:

Уравнение Нернста для электродного потенциала

  • Электродвижущая сила – этот параметр гальванического элемента зависит от состава используемого электролита и типов металлов, из которых изготовлены электроды. Описывают ЭДС термодинамические функции (уравнение Нернста), приложенные к протекающим электрохимическим процессам.

Измеряется емкость обычно в миллиамперах в час

  • Емкость элемента питания – тут все просто, имеется в виду количество энергии, которое элемент может отдать при разряде. Данный параметр напрямую зависит от массы запасенного в батарее реагентов и скорости их превращения. Емкость элемента будет снижаться, если элемент будет охлажден, либо вырастет ток разряда.
  • Энергия гальванического элемента. Этот параметр высчитывается путем перемножения емкости на выдаваемое напряжение. Энергия будет уменьшаться по мере роста разрядного тока. Обратный эффект будет достигнут при росте температуры (до определенного уровня) и увеличении используемых реагентов.

Прототип гальванической батареи

  • Сохраняемость – по сути, срок годности элемента, в течение которого он способен не менять своих основных характеристик в допустимых пределах.

Совет! Чем выше температура, тем быстрее сокращается срок хранения.

  • Плотность энергии – количество запасенной энергии в расчете на единицу массы аккумулятора или его объема.
  • Саморазряд первичного химического источника тока – очень важный параметр, указывающий на потерю емкости батареей без подключенной к ней нагрузки. То есть параметр фактически сопоставим со сроком службы элемента.
  • Саморазряд химических источников тока вторичных, по сути, то же самое, однако этот параметр меняется во времени. Особенно высоко его значение после полной подзарядки аккумулятора, но по мере разрядки он ослабевает.

Интересно знать! Для никель-кадмиевых аккумуляторов, функционирующих исправно, не допускается потеря более 10% от максимального заряда за 1 сутки. Никель-металлгидридные имеют меньший показатель, а у литий-ионных этот эффект практически отсутствует, растягиваясь на месяцы. Герметичные кислотные аккумуляторы потеряют за год всего 40% своего заряда, однако, если температура воздуха будет выше 20 градусов, процесс потечет куда быстрее, и наоборот, приближаясь к нулю – будет замедляться.

Более подробное строение элементов

Гальваническая батарейка в разрезе

Мы уже дали определение химических источников тока и назвали их основные типы. Теперь давайте рассмотрим немного глубже, как они устроены, и какие химические реакции внутри протекают.

Элемент Даниэля-Якоби

  • Итак, начнем с первичных гальванических элементов. В их состав входят реагенты (окислители и восстановители), которые участвуют в прямом преобразовании энергии. Выработка тока прекращается после того, как реагенты полностью израсходуются.
  • В качестве примера того, как функционирует элемент, давайте опишем давно известное устройство Даниэля-Якоби. Выше представлена его схема.
  • Итак, два электрода (цинковый и медный) опущены в колбы наполненные растворами сульфатов цинка и меди, соответственно.
  • Растворы разъединены внутренней цепью (полупроницаемой перегородкой), а электроды соединяются внешней цепью (металлический проводник) через гальванометр, обозначенный на схеме как 2.

Элемент Даниэля

  • Когда цепь замкнута, на обоих электродах протекают процессы гидратации ионов металлов. Между самим металлом и его ионами в растворе устанавливается химическое равновесие.
  • В связи с тем, что цинк и медь имеют разную активность электродных потенциалов, электроды приобретают разный заряд по величине, то есть концентрация свободных электронов на них будет значительно отличаться.
  • Как только будет замкнута внешняя цепь, концентрация электронов придет в равновесие и они по внешнему проводнику начнут перемещаться от цинкового электрода к медному.
  • По этой причине концентрация электронов на цинковом электроде начинает уменьшаться, из-за чего происходит смещение равновесия на границе Zn|ZnSO4 в сторону катионов цинка (их образования). Другими словами цинк начинает растворяться.
  • С медным электродом происходит обратный процесс – равновесие смещается в другую сторону и начинает образовываться металлическая медь, или другими словами – медь начинает восстанавливаться.
  • Если говорить более конкретно, то на цинковом электроде происходит процесс окисления, который в электрохимии называется анодным процессом, а сам электрод – анодом. На медном электроде (катоде) – процесс восстановления, называемый еще катодным.

Классическая солевая батарейка

  • Наиболее широко распространились элементы питания, состоящие из марганца и цинка. Они не содержат раствора электролита, поэтому называются сухими.
  • Эти элементы при всем конструкционном многообразии делят всего лишь на два типа, в зависимости от рН электролита и состава: солевые и щелочные. Для солевых марганцево-цинковых элементов (МЦ) используется электрохимическая схема Лекланше (Zn|NH4Cl|MnO2) – в качестве катода выступает цинковый электрод, в качестве анода – электрод их диоксида марганца и графита, а электролитом является паста из муки или крахмала с раствором хлорида аммония.
  • В щелочных элементах питания применяется другая схема (Zn|KOH|MnO2). При этом электроды делаются из тех же материалов, а в качестве электролита применяется паста из гидроксида калия.
  • Такие элементы обладают большей емкостью, лучше переносят низкие температуры и высокие разрядные токи. Однако они намного сложнее солевых источников, почему и имеют значительно большую цену.
  • Данные элементы имеют многоцелевое назначение и применяются в быту повсеместно. Они могут выступать источниками автономного питания для любой радиоаппаратуры, фотоаппаратов, калькуляторов, различных тестовых приборов, часов, фонариков, для запитки схем Биоса материнских плат персональных компьютеров и прочего.

Процесс зарядки аккумуляторных батарей

  • Аккумуляторы, или вторичные химические источники тока – отличает эти элементы то, что благодаря воздействию внешнего тока, электрическая энергия может переходить в химическую, а при подключении внешней цепи происходит обратный процесс.
  • Одним из часто встречающихся типов таких устройств являются свинцовые аккумуляторы, которые также называют и кислотными.
  • В качестве электролита выступает 25-30%-ый раствор серной кислоты, а материалом для электродов служат свинцовые решетки. При взаимодействии этих веществ свинец превращается в следующее соединение — PbSO
  • Процессы, протекающие на аккумуляторных электродах, до сих пор до конца не изучены, что говорит об их высокой сложности. Допускается, что одновременно происходят изменения в твердой фазе и в растворе, с зависимостью скоростей этих реакций от условий поляризации.
  • Применяются такие элементы в основном в качестве источников питания в автомобилях.
  • Помимо кислотных существуют и щелочные аккумуляторы, среди которых больше остальных распространились никель-металлгидридные и никель-кадмиевые устройства, электролитом в которых является гидроксид калия (КОН).
  • Для переносной электроники, например, ноутбуков, планшетов, смартфонов используются в основном литий-ионные аккумуляторы, а также литий-полимерные, обладающие приличной емкостью и отсутствием эффекта памяти.

Про литий-ионные аккумуляторы мы поговорим в отдельной главе, так как эти устройства на сегодня в быту самые часто встречающиеся.

Строение электрохимического генератора тока

  • Топливные элементы питания, по сути, тоже являются гальваническими, только восстановитель и окислитель находятся вне самого элемента. Они подаются во время работы к электродам раздельно и непрерывно.
  • При работе такого элемента сами электроды не расходуются, как в обычных батарейках.
  • В качестве окислителя обычно применяется кислород (чистый или из воздуха), а в качестве восстановителя – водород, метан и метанол, которые могут быть как в жидком, так и в газообразном состоянии.
  • Электролитом при этом является щелочь.

Литий-ионные аккумуляторные батареи

Теперь, как и обещали, давайте подробно обсудим, что такое литий-ионные аккумуляторы, как они устроены и как ими правильно пользоваться. Тема очень интересная, и поможет не только увеличить объем теоретических знаний, но и практических, которые, к примеру, помогут продлить срок службы вашего телефонного или любого другого аккумулятора.

Строение

На фото — литий-ионный аккумулятор от сотового телефона

  • В качестве катода (отрицательного электрода) используется алюминий, а в качестве анода (положительного электрода) – медь. Выполняются они обычно в виде фольги, в форме цилиндра или продолговатого пакета.
  • Разделяются электроды пористым сепаратором, который пропитал электролитом.

Схематическое строение литий-ионного аккумулятора

  • Все электроды устанавливаются в прочный корпус и подсоединяются к токосъемным клеммам.
  • Попутно внутри корпуса могут устанавливаться и отдельные устройства, которые призваны продлить срок службы аккумулятора и сделать эксплуатацию безопасной. К таковым относятся:
  1. Устройства, реагирующие на изменения температурного коэффициента изменением сопротивления.
  2. Устройство разрыва контакта между катодом и клеммой, в случае превышения допустимого давления газов внутри.
  3. Предохранительные клапаны, способные сбрасывать аварийное давление.
  • Также используются и внешние устройства электронной защиты, которые также предупреждают аварийный перегрев, перезаряд и короткое замыкание.
  • Конструктивно аккумуляторы изготавливают цилиндрического типа (как обычные батарейки) либо призматического (как в телефонах). В первом случае электроды с сепаратором сворачиваются рулоном, а во втором они накладываются друг на друга.
  • Литий-ионные аккумуляторы абсолютно герметичные устройства, что продиктовано необходимостью защиты от утечки электролита, а также защитой от попадания внутрь паров воды и кислорода, что приводит к выходу элемента из строя.

Принцип работы

Как работает аккумулятор

Разберем сначала разряд.

  • При подключении во внешнюю цепь заряженного аккумулятора, начинает протекать химическая реакция, благодаря которой образуются свободные электроны, которые, как мы помним, «хотят» попасть на катод. Через электролит им не пройти, поэтому они «отправляются в путь» через внешнюю цепь – так образуется ток, который питает подключенные к источнику устройства.
  • «Улетевшие» электроны оставляют ионы лития (положительно заряженные), которые через электролит направляются к катоду.
  • После полного перемещения электронов, аккумулятор остается разряженным.

Чтобы восполнить запас энергии, процесс нужно обратить вспять. К аккумулятору подключается зарядное устройство, из-за чего электроны устремляются обратно к аноду, пока тот не соберет прежнее количество электронов. Далее цикл может повторяться большое количество раз.

Емкость литий-ионной батареи – это ни что иное, как количество ионов лития, которые могут «прилипнуть» к электродам. Попадают они в кратеры (микроскопические поры на аноде и катоде).

При выходе аккумулятора из строя требуется его замена на новый

  • Со временем материал электродов начинает деградировать. По этой причине они уже не могут удерживать прежнее количество ионов лития, то есть происходит потеря емкости. Данный процесс будет продолжаться до тех пор, пока элемент полностью не утратит свою работоспособность.
  • Строение литий-ионных аккумуляторов таково, что постоянно требуется контроль за уровнем заряда. С этой целью в симбиозе с ними применяют контроллеры заряда. Эти устройства полностью ведут процесс зарядки, выставляя необходимое напряжение в зависимости от стадии.

Зарядное устройство

  • Процесс зарядки через контроллер протекает обычно в следующей последовательности. Вначале подается ток, составляющий 10% от номинального. Напряжение при этом составляет 2,8 Вольт. Далее происходит увеличение тока при достижении напряжением отметки в 4,2 Вольта. Приближаясь к финалу, ток постепенно ослабевает, но напряжение так и остается на достигнутом уровне.
  • Описанный процесс, в принципе, универсален, но может отличаться в зависимости от типов аккумулятора и применяемого контроллера.

Характеристики аккумуляторов

Именно такие аккумуляторы установлены в батареи для ноутбуков

Изготавливаемые сегодня литий-ионные аккумуляторы бывают двух видов: таблеточные и цилиндрические.

Все они могут иметь следующие рабочие параметры и характеристики:

  • Минимальное рабочее напряжение составляет 2,2-2,5 В;
  • Максимальное напряжение обычно не превышает 4,35 В, тогда как маркировка указывает 5 В.
  • Время зарядки зависит от мощности зарядного устройства и емкости самого аккумулятора, поэтому обобщить данные достаточно сложно. Обычно этот параметр составляет 2-4 часа.
  • Саморазряд при комнатной температуре не превышает 7% в год, что как понимаете, очень мало.
  • Работать аккумуляторы могут при температурах от -20 до +60 градусов, естественно, меняя свои рабочие характеристики.
  • Аккумуляторы теряют около 20% своей емкости по истечении от 500 до 1000 циклов заряда\разряда.

Для таких аккумуляторов характерны следующие плюсы:

  • Высокая плотность энергии, по сравнению с никель-кадмиевыми и никель-металлгидридными аккумуляторами.
  • Высокое напряжение одного элемента. Для сравнения один никель-металлгидридный аккумулятор выдает всего лишь 1,2 В, поэтому их используют в количестве 4-х штук, чтобы получить то же рабочее напряжение.
  • «Эффект памяти» у них отсутствует, что намного упрощает процесс эксплуатации.

«Эффект памяти» требует особого подхода к заряду аккумулятора

Интересно знать! Эффект памяти – это изменение полезной емкости аккумулятора, из-за нарушения режима зарядки. То есть, если постоянно заряжать не до конца севший аккумулятор, он «запомнит» нижний порог и будет «считать» его нулевым.

  • Большое число циклов перезарядки.
  • Достаточно длительная эксплуатация.
  • Высокий диапазон рабочих температур, что позволяет использовать такие устройства в разных погодных условиях.
  • Литий-ионные аккумуляторы более безопасны в плане экологии.

Советы по эксплуатации аккумуляторов

А теперь самые простые советы, которые помогут прослужить вашим аккумуляторам максимально долго.

  • Берегите элементы питания от огня и воды – оба фактора чреваты выходом из строя.
  • Чрезмерное охлаждение и нагревание, а также резкая смена температур тоже губительны.
  • Применяйте соответствующий вашему аккумулятору тип зарядки, коих есть аж 4 штуки.
  • Первый – это медленный заряд низким постоянным током. Происходит он в течение довольно длительного времени – до 18 часов. Такой метод подходит почти для всех аккумуляторов и является самым безопасным.
  • Второй – быстрый заряд. Происходит в течение 3-5 часов при постоянном токе в 1/3С.
  • Третий – дельта V заряд (ускоренный) — начальные ток равен номинальной емкости элемента, напряжение постоянно меняется. Заряд происходит за 1-1,5 часа. При этом возможен перегрев и разрушение устройства.
  • Четвертый тип называется реверсивным. При нем длинные импульсы заряда сменяются короткими импульсами разряда. Такой метод наиболее полезен для аккумуляторов с «эффектом памяти».

Совет! Прилагаемая к аккумуляторным батареям инструкция обычно содержит рекомендации по режиму зарядки.

На этом закончим наш обзор. Мы разобрали электрохимические источники тока и получили простейшее представление об их работе. Если вы хотите изучить тему глубже, то уже не обойтись без учебных пособий и видео, которые можно легко отыскать в сети.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *