РАДИОЭЛЕКТРОНИКА
главная
двухполярные источники
аккумуляторы

ИСТОЧНИКИ ПИТАНИЯ

  Нельзя себе представить радиоэлектронное устройство без источника питания, так как оно теряет всякий смысл и назначение. Источник питания является двигателем всех электронных изделий, подобно как сердце человека является двигателем крови, которая, в свою очередь, питает наш организм, так и источник – двигателем электронов, которые осуществляют питание различных узлов радиоэлектронной аппаратуры.   Существуют два основных вида источников питания: постоянные и переменные. К источникам постоянного тока и напряжения относятся аккумуляторы, гальванические элементы и т.д. К источникам переменного тока и напряжения относятся главным образом генераторы, которые являются основным источником электроэнергии планетарного масштаба, благодаря которому в наших домах горит лампочка, работает телевизор, и мы имеем возможность бороздить просторы интернета. Но для питания устройств в основном требуется постоянное напряжение различных величин. Для этих целей переменное напряжение преобразуется в постоянное при помощи блоков питания.

Постоянные источники питания

  Возьмем обычный конденсатор и зарядим его, потом подключим к нему нагрузку, и по этой цепи потечет ток. Но существовать этот ток в цепи будет доли секунд, поэтому данный способ, как источник питания, не годится. Источник питания должен обеспечивать разность потенциалов в заданных точках цепи длительное время. Что же такое разность потенциалов? Чтобы в цепи существовал ток, она должна быть замкнутой и состоять из источника тока и нагрузки, на которой и возникает разность потенциалов, т. е. электроны (-) будут двигаться в область с меньшей их концентрацией (+) и рекомбинировать. Важно правильно понять, что ток – это движение электронов от (-) к (+), хотя на практике принято, наоборот, от (+) к (-) для упрощения математических расчетов.
  Любой источник питания характеризуется двумя главными параметрами: электродвижущей силой (ЭДС) и внутренним сопротивлением . ЭДС – это напряжение на выводах источника в режиме холостого хода. Более проще, когда цепь разомкнута и отсутствует ток. Измерить ее можно при помощи обычного вольтметра. Однако такие показания не являются определяющими в проверке работоспособности, например, обычных гальванических элементов. Внутреннее сопротивление источника можно только рассчитать, измеряя ЭДС и напряжение источника питания под нагрузкой.
   Если взять два проводника и погрузить его в раствор кислоты, потом их соединить с источником питания, произойдет электролитическая диссоциация. Под этим явлением понимают перемещение отрицательных ионов к аноду, а положительных – к катоду. Достигнув проводника (анода или катода), ионы нейтрализуются. Иными словами источник заряжается, происходит электролиз. Здесь нужно отметить, что раствор кислот, щелочей и солей в который погружают проводники, часто называют электролитом, а проводники – электродами. В процессе электролиза, электролит разлагается на химические элементы, которые либо осаждаются на электродах, либо выделяются в виде газов.
  В нашей жизни электролиз нашел глубокое применение. При помощи данного явления, например, получают чистый алюминий, серебро и золото из соответствующих растворов кислот, щелочей и солей. Осаждение различных металлов: никелирование, хромирование, золочение и т. д.
  На таком принципе и работают химические источники питания. Обычная «батарейка» или сухой элемент питания работает по такому принципу. Электролитом в ней является густая масса, содержащая соли с растворителями, а электродом – обычный цинковый стакан (оболочка «батарейки»). Тонкий поверхностный слой цинкового стакана растворяется, т.е. атомы этого слоя распадаются на электроны и ионы. Электроны остаются в металле, а ионы переходят в электролит. Вследствие чего, стакан приобретает отрицательный потенциал, а электролит – положительный. Теперь, чтобы вывести (+) из электролита нам нужен второй электрод. Но вот незадача, если использовать в качестве второго электрода цинк, то образуется встречная ЭДС и разности потенциалов не будет. Поэтому, в качестве второго электрода используют другой металл или угольный стержень.
  Долговечность работы сухих элементов питания зависят от условий хранения и размера тока, который потребляет элемент. Хранить его нужно в сухом прохладном месте, а максимальная величина кратковременного потребления тока не должно превышать 0,1…0,2 начальной емкости элемента. Из этого можно сделать вывод, чем меньше ток потребления элемента, тем выше его срок службы.
  Существуют несколько типов гальванических элементов: угольно-цинковые, марганец-цинковые, щелочные, серебряно-цинковые, литиевые, ртутно-литиевые. Естественно, что самыми лучшими являются литиевые, так как они имеют большую емкость, напряжение и длительный срок службы, который составляет 7…10 лет. Используются они в основном для фото и видеокамер.
  Ртутные и серебряные батарейки выпускаются в виде таблеток и используются в часовых механизмах и слуховых аппаратах. Но наиболее широко применяются угольно-цинковые элементы, так как цена на них значительно ниже остальных типов. Щелочные элементы значительно дороже угольно-цинковых, но зато имеют лучшие показатели по емкости и сроку хранения. А вот напряжение щелочных батареек несколько ниже, примерно на 0,1 В, но вследствие разряда, оно долго держится на одном уровне ,и только в самом конце резко падает. Для того чтобы выделить данный тип батареек, производители делают надпись «Alkaline», что означает щелочной элемент.   В какой-то степени к сухому химическому элементу можно применить электролиз. Если через него пропустить ток, обратный тому, что элемент вырабатывает, то его можно зарядить при условии, что он не полностью разряжен, и в нем не произошли необратимые процессы. Однако многократный заряд они не выдержать.
  Для многократного использования существуют специальные источники, так называемые аккумуляторы . В них применяется особый материал электродов и состав электролита, которые обеспечивают минимальное количество необратимых процессов.
  Существует большое множество различных видов аккумуляторов: свинцовые, серебряно-цинковые, литий-ионные, серебряно-кадмиевые, никель-кадмиевые и др. Электролитом в свинцовых аккумуляторах служит водный раствор серной кислоты, а в остальных – раствор едкого калия. Материал, из которого изготовлены электроды, соответствуют их названиям.
  Все мы знаем, что в автомобильной технике используют свинцовые аккумуляторы, так как они обладают очень малым внутренним сопротивлением, что способствует отдачи тока порядка 200А для того, чтобы провернуть двигатель автомобиля.
  Главными характеристиками аккумуляторов являются напряжение при разряде, емкость и срок службы. Например, напряжение одной банки свинцового аккумулятора составляет 1,8…2,2В, для других типов – составит 1,2В. Под емкостью аккумулятора понимают то количество электричества, которое он способен отдать при разряде, и измеряется в ампер-часах (А-ч). Емкость будет зависеть от габаритных размеров электродов. Срок службы аккумулятора определяется количеством циклов «заряд-разряд», которые он должен выдержать без нарушения работоспособности. Свинцовые аккумуляторы могут выдерживать до 500 циклов, а никель-кадмиевые до 3000 циклов.
  В процессе эксплуатации аккумуляторов следует знать, что чрезмерный разряд приводит к потере емкости. Поэтому разряжать его нужно до половины его емкости. Однако определить это проблематично. Более доступно определить время, в течение которого допускается использовать аккумулятор. Если разделить емкость на удвоенный ток разряда, то мы и получим время работы аккумулятора без подзарядки. Но опять же, нам нужно знать ток разряда, что в некоторых случаях весьма проблематично. Самым простым и быстрым способом будет являться измерение напряжения на клеммах аккумулятора. Если его напряжение понизилась до 90% от номинального, значит, его нужно заряжать.
  Для заряда аккумулятора устанавливают ток заряда, равный 1/10 емкости в течение 10 часов. Существует скоростной способ зарядки чередующимися короткими периодами большого зарядного тока и длительными промежутками малого разрядного тока. Такой способ позволяет произвести заряд аккумулятора намного быстрее и к тому же восстановить часть потерянной емкости.
  По-своему интересен другой вид источников питания. Это солнечные элементы, которые преобразуют солнечную энергию в электрическую. Конечно, такой вид электроэнергии является дорогостоящим и обладает некоторыми недостатками. Поэтому этот вид нашел применение, в основном, в космической технике. Однако и в бытовой технике встречаются изделия на солнечных элементах, например, калькуляторы.
  Тепловые источники питания , как вид энергии имеет место в нашей жизни, только используется, в основном, не по прямому назначению. Применяются для измерения высоких температур. Немного о принципе работы тепловых элементов, часто называемых – термопарами.
  Если взять два проводника, сделанных из разных металлов (условие обязательное) и приварить друг к другу концами, то при нагреве точки соединения между разнородными проводниками появится разность потенциалов или термоЭДС. Которая в свою очередь будет зависеть от разности температур горячего и холодного конца проводника, и от рода использованных материалов.
   Возникает термоЭДС за счет энергии свободных электронов, которая различна в разных проводниках и по-разному растет с ростом температуры. А именно, электроны на горячем конце проводника приобретают более высокие энергии, чем на холодном. Образуется поток электронов от горячего к холодному месту проводника, где и накапливается отрицательный заряд. А так как у разных проводниках эти заряды различны, и возникает ЭДС.
  Есть еще один вид энергии – это топливные элементы , и мне, кажется, за ними будущее. Тему о данном виде источника питания в будущем вынесу в отдельную тему. Здесь же в основном остановимся на блоках питания, которые помогают нам получить из переменного напряжения – постоянное, необходимое для большинства радиотехнических устройств. Рассмотрим различные схемы и назначения.
ресурсы


Hosted by uCoz