WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 ||

«МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ УЛЬЯНОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ И.П. Ефимов ИСТОЧНИКИ ПИТАНИЯ РЭА Рекомендовано Учебно-методическим объединением высших учебных заведений ...»

-- [ Страница 2 ] --

В качестве VT1 можно взять биполярный транзистор средней мощности проводимости p-n-p типа КТ816А (Iк=2А > Iб2, Pрас.макс=20 Вт >UвхIб2 150,3 4,5 Вт, Uбэ=0,7 В при Iк0,4 А). Следо вательно, R1=Uбэ1/Iвых пор, где Iвых пор=5 А – максимальный допустимый выходной ток. R1=0,7/50,14 Ом. Таким образом, для схемы (рис. 2.67) с требуемыми параметрами можно использовать следующие элементы:

R10,15 Ом, R215 Ом, VT1 – КТ816А, VT2 – КТ818А.

Диодная защита ИС. При наличии в выходной цепи ИС конденса тора емкостью не менее 5 – 10 мкФ и коротком замыкании на входе стаби лизатора, наблюдается кратковременный бросок тока большой силы. Про исходит это вследствие разряда выходного конденсатора через цепи ИС в направлении от вывода OUT к выводу IN. Величина этого импульса тока может достигать единиц и десятков VD ампер, что приводит к повреждению DA ИС. С целью защиты ИС от выхода из IN OUT +Uвых +Uвх строя в подобной ситуации, его шун ИС тируют диодом (рис. 2.70).

+ + COM С1 С В случае короткого замыкания на входе выходной конденсатор С2 раз ряжается через шунтирующий диод VD.

Рис. 2.70. Диодная защита.

2.9 Источники опорного напряжения В любой схеме стабилизатора требуется наличие опорного напряже ния (ОН), с которым сравнивается величина выходного напряжения. Оче видно, что стабильность выходного напряжения не может быть выше ста бильности опорного напряжения.

Кроме стабилизаторов многие функционально законченные устрой ства современной электроники требуют для своей работы стабильных ис точников ОН. Это схемы, содержащие ЦАП и АЦП, измерительная аппа ратура и многие другие устройства. Несмотря на то, что практически все подобные функциональные узлы изготавливаются в интегральном испол нении, не препятствующем помещению внутрь микросхемы источника ста бильного напряжения, в ряде случаев предпочтение отдается применению отдельных (внешних) источников ОН, обладающих значительно лучшими параметрами.

Наиболее часто используются два вида источников ОН:

1) источники на основе стабилизаторов;

2) «Bandgap» источники ОН (на русском языке: «UБЭ - стабили троны», «стабилитроны с напряжением запрещенной зоны», «ис точники опорного напряжения равного ширине запрещенной зо ны», «источники ОН с использованием напряжения ширины за прещенной зоны» и ряд других названий).

Каждый из них может использоваться либо как самостоятельный функциональный узел, либо в составе ИМС источника опорного напряже ния.

Источники опорного напряжения на стабилизаторах. Компактны, дешевы, достаточно широко распространены. Стабилитроны выпускаются на целый ряд значений напряжений – от 2 – 2,5 В до 200 В с допустимой мощностью рассеивания от долей ватта до 50 Вт и допуском на напряже ние стабилизации от 1 до 20%.

Несмотря на достаточно широкое распространение стабилитронных источников ОН (рис.2.29,2.30,2.31) задача построения таких источников с конкретными параметрами не так проста, как это может показаться на пер вый взгляд. При построении стабилитронных источников ОН необходимо иметь в виду следующие моменты:

1) стабилитроны имеют конечный набор значений напряжения ста билизации и большой допуск на это напряжение (разумеется, кро ме дорогих прецизионных приборов);

2) стабилитроны создают значительный шум;

3) напряжение стабилизации зависит от величины обратного тока стабилитрона (тока стабилизации) и температуры.

Однако последнее теряет актуальность для стабилитронов с напряжением стабилизации 6 В. Они мало чувствительны к изменениям тока и при этом имеют почти нулевой температурный коэффициент (рис.2.71). Из рис.2.71 видно, что стабилитроны со значениями Uст, находящимся в окре стности значения 6 В, обладают значительно меньшим дифференциальным сопротивлением, по сравнению с приборами на другие значения напряже ния стабилизации.

Следует также отметить, что температурный коэффициент напряже ния стабилизации стабилитронов зависит как от напряжения стабилизации, так и от величины обратного тока (рис.2.72). Как видно из рис.2.72, изме няя значения обратного тока стабилитрона можно в определенных преде лах «подстроить температурный коэффициент» и строить источники ОН практически нечувствительные к температуре (конечно применяя дополнительные диоды или стабилитроны, включенные в прямом смещении, рис.2.30.) Задание тока стабилизации. Установление и поддержание значения тока стабилизации на постоянном уровне значительно улучшает пара метры источника ОН. Так, например, для стабилитрона общего назначения 1N821A (Uст = 6,2 В ± 5%, rст = 15 Ом при Iст = 7,5 мА) изменение тока на 1мА изменяет Uст примерно в три раза сильнее, чем изменение темпера туры от – 40 до +1000С.

Поэтому для обратного смешения стабилитронов прецизионных ис точников ОН используют источники стабильного тока. Один из вариантов решения данной задачи представлен на рис.2.73.

rсм, Ом Iст = 1мА 10мА 20мА Uст, В Рис.2.71 Зависимость дифференциального сопротивления стабилитронов от напряжения стабилизации.

ТКНС мВ/С 30 мA ICТ = 0.01 мA 1,0 мA - - Uст, В - 6 2 4 5 7 8 Рис.2.72. Зависимость температурного коэффициента напряжения стабилизации стабилитронов от напряжения стабилизации и тока стабилизации.

Для напряжения Uст операционный усилитель включен как неинвер тирующий усилитель с коэффициентом усиления по напряжению равным 1+R2/R3. Выходное напряжение Uвых = Uст (1+ R2/R3) используется для получения постоянного тока обратного смещения стабилитрона Iст=(Uвых – Uст)/ R1. Питание микросхемы DA однополярное, что обеспе чивает включение схемы с гаранти рованной положительной полярно R1 +Uп DA Uоп стью выходного напряжения.

+ Стабилитронные ИМС. Это в ос новном двух выводные устройства, R VD применяемые, так же как и обычные Uсм стабилитроны. На самом деле стаби R литронные ИМС сложные в схемо техническом плане устройства, со держащие кроме собственно стабили Рис.2.73. Стабилизация тока обрат трона целый ряд активных и пассив ного смещения стабилитрона в ис ных компонентов, служащих для точнике опорного напряжения.

улучшения электрических парамет ров и характеристик (наиболее существенная – постоянство напряжения стабилизации при заданном токе).

Температурная стабильность таких ИМС очень высокая. Так для не дорогой ИМС 1009ЕН1 температурный коэффициент напряжения стабили зации составляет приметно 0,006% / 0С.

Наряду с двухвыводными стабилизаторами ИМС выпускаются трехвывод ные микросхемы. Благодаря третьему дополнительному выводу, по является возможность изменения напряжения стабилизации. Так, напри мер, регулируемый прецизионный отечественный стабилитрон 142ЕН имеет напряжение стабилизации изменяемое в интервале от 2,5 до 36 В.

Регулировка напряжения осуществляется с помощью внешнего резистив ного делителя (рис.2.74).

R + Uвх Uоп Iоп R2 Iст Uоп = Uст(1+ R2/R3)+ Iст R 142ЕН R Uст Рис.2.74. Регулирование опорного напряжения в схеме с трехвыводным инте гральным источником ОН.

«Bandgap» источники опорного напряжения. В основе схемы та кого источника лежит идея генерирования напряжения с температурным коэффициентом, положительным и равным по абсолютной величине отри цательному температурному коэффициенту напряжения эмиттерного пе рехода транзистора Uбэ. При суммировании этого напряжения с Uбэ полу чится напряжение с нулевым температурным коэффициентом.

Основой «генератора» требуемого напряжения является токовое зер кало (рис.2.75), у которого соотношение то Iупр ков Iупр: Iвых берется обычно порядка 10:1.

Iвых Применяя уже использованное ранее со VT VT отношение U = т ln (IК1/IК2), где U – раз ность падений напряжений на эмиттерных пе R реходах согласованных транзисторов, можно показать, что Iвых имеет положительный тем пературный коэффициент.

Рис.2.75. Токовое зеркало В «Bandgap» источнике ОН управляю с коэффициентом отраже щий ток Iупр преобразуется в напряжение с ния, отличным от 1:1.

помощью резистора, и это напряжение скла дывается с нормальным напряжением Uбэ транзистора (рис.2.76). Резистор R2 задает величину напряжения, которое складывается с напряжением Uбэ транзистора VT3 и имеет положительный температурный коэффициент.

Температурный коэффициент источника ОН (рис.2.76) будет действи тельно нулевым, если UR2 + Uбэ 1,22 В (напряжение запрещенной зоны кремния). Требуемое значение суммы напряжений достигается подбором величины сопротивления R2. Ток Iупр в этой схеме определяется резисто ром R1.

+Uп R Iвых Iупр R R DA Uвых VT + VT VT R R R Рис.2.76. «Bandgap» источник опорного напряжения.

Известны также другие (более сложные) схемы источников ОН «Bandgap» - типа. Однако для всех этих схем характерно суммирование напряжения Uбэ с напряжением, порождаемым токовым зеркалом, в кото ром токи транзисторов не равны друг другу.

ИМС «Bandgap» источников опорного напряжения представлены очень широко. Например, недорогие схемы LM385-1.2 и LM385-2.5, пред ставляющие собой двухвыводные источники опорного напряжения на 1,235 и 2,5 В соответственно (с точностью ± 1%). Эти кристаллы сохра няют свои параметры до очень малых токов (порядка 10 мкА), что очень важно для микромощных схем с питанием от химических источников тока.

Микросхема LM385 имеет температурный коэффициент не превы шающий 3010-6/°С и типовое значение динамического сопротивления 1 Ом при токе 100 мкА. Это значительно лучше, чем параметры стабили тронов. Так, например, стабилитрон 1N4370 (Uст=2,4В) имеет темпе ратурный коэффициент 80010-6/°С и динамическое сопротивление более 300 Ом при токе 100 мкА. При этом значении тока 1N4370 не может обес печить паспортное значение напряжения стабилизации (1,1 В вместо тре буемых 2,4 В).

Еще большую стабильность имеют ИМС LT1029 (двухвыводная) и REF–43 (трехвыводная). Температурный коэффициент данных кристаллов не превышает 310-6 /0С.

Также как и аналогичные стабилитронные микросхемы, трехвывод ные «Bandgap» кристаллы позволяют с помощью внешних резисторов из менить величину опорного напряжения (аналогично рис.2.74).

Прецизионные источники опорного напряжения. Бывают двух ви дов: температурно–стабилизированные (термостатированные) источники ОН и источники ОН без подогрева.

Температурно–стабилизированные источники опорного напряжения представляют собой ИМС отличающиеся наличием дополнительного на гревательного элемента, управляющегося по сигналам термодатчика. Идея очень проста: кристалл нагревается в процессе работы до повышенной температуры, величина которой поддерживается на одном и том же задан ном уровне. Стабильность достигает 10-6/°С и даже лучше.

Такие источники применяются уже длительное время. Они входят в состав, например, сверхстабильных генераторов.

К недостаткам метода относятся, прежде всего, большая потребляемая мощность и запаздывание в выходе на режим (порядка нескольких секунд).

Например, LM199 имеет температурный коэффициент 2·10-7/°С (0,00002%/°С). Мощность, потребляемая нагревателем кристалла 0,25Вт и время установления режима 3 – 5 с.

Прецизионные источники опорного напряжения без подогрева. Тер мостатированные ИМС не имеют особых преимуществ перед обычными источниками ОН кроме температурного коэффициента. Такие параметры, как шум или долговременный дрейф, у них явно отстают от температурной стабильности.

Существуют ИМС обеспечивающие аналогичную температурную стабильность без подогрева кристалла. Кроме этого они меньше шумят и более стабильны во временном плане. Так ИМС REF10KM фирмы Burr Brown имеет температурный коэффициент 10-6/°С. А LT21000 фирмы Lin ear Technology показывает результат на уровне 0,05 – 0,10/°С. При этом, в соответствии со справочными данными, у нее на порядок лучшие парамет ры шума и дрейфа по сравнению с термостатированными микросхемами.

3. ИМПУЛЬСНЫЕ ИСТОЧНИКИ ПИТАНИЯ 3.1. Общие сведения Как уже отмечалось ранее, линейные стабилизированные ИП имеют низкий КПД, значительные габариты и вес. Экономичность линейных ста билизированных ИП (линейных стабилизаторов) оказывается особенно низкой в случае изменения величины выходного напряжения в широких пределах, так как на регулирующем (проходном) транзисторе, работающем в непрерывном режиме и являющимся активным своеобразным гасящим резистором, рассеивается значительная мощность.

Коэффициент полезного действия стабилизаторов повышается, если регулирующий элемент работает в ключевом (импульсном) режиме. При этом за счет увеличения частоты переключения (до 20 – 50 кГц вместо 50 Гц) значительно уменьшаются массы и габариты трансформаторов и конденсаторов фильтра импульсного ИП.

Сравним, например, два источника питания фирмы Power-one: ли нейный F5-25 (5 В, 25 А) и импульсный SPL130-1005 (5 В, 26 А). Модель F5-25 весит более 7 кг, в то время как вес импульсного ИП равен примерно 1кг. При этом объем модели SPL130-1005 в четыре раза меньше чем объем линейного ИП. Модель SPL130-1005 практически не нагревается, а линей ный источник при максимальном выходном токе рассеивает мощность по рядка 75 Вт.

Управление регулирующим элементом в импульсных ИП. Не смотря на большое разнообразие схем импульсных источников питания, все они разделяются по способу управления регулирующим элементом на две группы: ИП с широтно-импульсной (или частотной модуляцией) и ИП с релейным управлением регулирующим элементом.

Принцип действия ИП с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ) заключается в следующем (рис.3.1):

Uвых В Ф РЭ ФВН Cеть Uупр U Uоп U ~ МУ УПТ ИОН Рис.3.1. Импульсный источник питания с ШИМ В – выпрямитель;

Ф – низкочастотный сглаживающий фильтр;

РЭ – регулирующий элемент;

ФВН – формирователь выходного напряжения;

МУ – модулирующее устройство;

УПТ – усилитель постоянного тока;

ИОН – источник постоянного напряжения.

Выпрямление напряжения питающей сети переменного тока сглажи вается фильтром низкой частоты и передается в формирователь выходного напряжения через электронный ключ (регулирующий элемент), в качестве которого в подавляющем большинстве случаев используется транзистор.

Выходное напряжение зависит от энергии, передаваемой в ФВН в единицу времени и нагрузки ИП.

Регулирующий элемент осуществляет управление процессом пере дачи энергии от питающей сети к ФВН. Выходное напряжение Uвых срав нивается с опорным напряжением Uоп и сигнал разности U=Uвых-Uоп че рез УПТ поступает на модулирующее устройство, преобразующее сигнал постоянного тока в импульсы с различной длительностью и постоянным периодом. Длительность импульсов управляющего напряжения Uупр функционально связана с разностью напряжений U. С МУ сигнал посту пает на РЭ, который периодически переключается. Таким образом, выход ное напряжение ИП зависит, при неизменном периоде, от длительности управляющих импульсов. Процесс широтно-импульсной модуляции пояс няется на рис.3.2.

При изменении мощности, отдаваемой ИП в нагрузку, изменяется со отношение длительности импульса tи и периода следования импульсов Uупр. На рис.3.2 показаны диаграммы Uупр для различных значений мощ ности, отдаваемой в нагрузку Рн: рис.3.2,а соответствует самому малому значению Рн, рис.3.2,б среднему Рн, рис.3.2,в - большему значению Рн.

Один из широко используемых способов изменения ширины импульсов поясняется на рис.3.3. Схема управления регулирующим элементом со держит генератор вспомогательного линейно-изменяющегося напряжения Uлин. Это напряжение сравнивается с Uвых. Независимо от вида вспомога тельного напряжения (линейно-нарастающее или линейно-спадающее) пе реключение уровня напряжения Uупр осуществляется в момент времени, когда Uлин = Uвых. Причем в любом случае, когда UвыхUлин) Uупр = 0 и регулирующий элемент закрыт.

T Uупр tн а t Uупр б t Uупр в t Рис.3.2. Иллюстрация процесса ШИМ-модуляции а – tи=0,25Т;

б – tи=0,50Т;

в – tи=0,75Т.

а б Uвых Uлин Uвых Uлин Uвых Uвых Uлин Uлин t t Uупр Т Т Uупр tн tн t t Рис.3.3. Временные диаграммы, иллюстрирующие работу ШИМ-модулятора а - при линейно-нарастающем вспомогательном напряжении;

б - при линейно-спадающем вспомогательном напряжении.

Rб VT — Uвых Uоп Uупр Пороговый Uвх модулятор Rн C + Рис.3.4. Релейное управление регулирующим элементом.

Упрощенная схема ИП (стабилизатора) с релейным управлением ре гулирующим элементом представлена на рис.3.4.

Как и в схеме (рис.3.1), регулирующий элемент (транзистор VT) от крывается управляющим напряжением Uупр, формируемым модулятором.

Различие заключается в способе формирования Uупр. Для схемы (рис.3.4) процесс формирования управляющих импульсов поясняет рис.3.5. Когда транзистор VT открыт, конденсатор С заряжается через токоограничиваю щий (балластный) резистор Rб. Как только напряжение на конденсаторе С достигнет заданного верхнего значения Uвых.макс, пороговый модулятор запирает регулирующий транзистор и напряжение на конденсаторе С уменьшается вследствие его разряда через нагрузку (Rн). При уменьшении Uвых до величины нижнего порога срабатывания Uвых.мин пороговый мо дулятор открывает регулирующий транзистор, смещая его эмиттерный пе реход в прямом направлении напряжением Uупр. Частота переключения в процессе работы меняется зависит прежде всего от Rб, Rн, С и в U=Uвых.макс – Uвых.мин.

Uвых Uвых макс Uвых ном Uвых мин t Рис.3.5. Временная диаграмма выходного напряжения схемы на рис.3.4.

Емкость конденсатора С и гистерезис схемы U не должны быть очень малыми во избежание высокой частоты переключения регулирующего транзистора VT, так как с увеличением частоты возрастают потери в регу лирующем транзисторе.

Обратноходовые и прямоходовые импульсные ИП. На рис.3. представлена упрощенная схема обратноходового преобразователя напря жения питающей сети переменного тока в постоянное выходное напряже ние (АС-DC конвертора). Диоды VD1 – VD4 и конденсатор С1 образуют выпрямитель сетевого напряжения.

VD TP + + VD1…VD Uвых I2 С + — I С U ~ Сети Схема ШИМ - Гальвани срав модуля ческая VT нения тор развязка Рис.3.6. Обратноходовый импульсный источник питания.

Так как понижающий трансформатор отсутствует, конденсатор С1 заряжа ется до амплитудного значения переменного напряжения сети (220 В1,4). Поэтому конденсатор С1 должен иметь значение рабочего на пряжения не менее 350 – 400 В. Петля обратной связи, по которой сигнал от выхода передается назад на ключевой транзистор, имеет гальваниче скую развязку (маломощный сигнальный трансформатор или оптопара) для того, чтобы выходная линия постоянного тока не имела эклектической связи с питающей сетью переменного тока.

Работу обратноходового преобразователя поясняет рис.3.7.

I t I t Uвых Uвых ср t t0 t1 t2 t3 t4 t5 t6 t Рис.3.7. Временные диаграммы, поясняющие работу обратноходового импульсного преобразователя.

Регулирующий транзистор управляется схемой ШИМ-модулятора. Когда транзистор открыт (интервалы времени t0-t1, t2-t3, t4-t5, t6-t7), ток в первич ной обмотке трансформатора увеличивается по линейному закону. Этот трансформатор является фактически дросселем с вторичной обмоткой, и в отличие от обычного трансформатора, накапливает в себе значительную энергию.

Когда транзистор закрывается (t1-t2, t3-t4, t5-t6), магнитный поток в сер дечнике трансформатора начинает уменьшаться, что вызывает ток I2, те кущий в цепи вторичной обмотки. Ток I2 протекает через нагрузку и кон денсатор С2, заряжая последний.

Если нагрузка источника питания увеличивается, то для поддержания постоянного значения Uвых, необходимо только увеличить длительность включенного состояния транзистора, во время которого ток I1 достигает более высокого значения, что создает в результате более высокий ток I2 во вторичной обмотке во время выключенного состояния. И, наоборот, при уменьшении нагрузки длительность открытого состояния транзистора сле дует уменьшить.

Нетрудно заметить, что в идеальной схеме (рис. 3.6) отсутствуют по тери энергии, так как в любой момент времени один из сомножителей про изведения IкUкэ (выражающего мощность, рассеиваемую ключевым тран зистором) равен нулю. Реальная схема имеет некоторые потери, ос новными составляющими которых являются: потери переключения, мощ ность, рассеиваемая транзистором в режиме насыщения из-за неравенства нулю напряжения Uкэ, потери в трансформаторе, диодах и конденсаторах.

На рис. 3.8 показана упрощенная схема прямоходового импульсного ИП.

L VD TP + + VD1…VD Uвых С VD + — U ~ С Сети ШИМ Гальвани- Схема VT моду- ческая срав лятор развязка нения Рис.3.8. Прямоходовый импульсный источник питания.

В отличие от обратноходового ИП прямоходовый преобразователь накапливает энергию не в трансформаторе, а в выходной катушке индук тивности L (дросселе). Когда ключевой трансформатор открыт, ток вто ричной обмотки протекает через диод VD5, дроссель, конденсатор С2 и на грузку. Диод VD6 при этом закрыт (на его катоде положительный потен циал). Когда ключевой транзистор закрывается, ток дросселя протекает че рез конденсатор C2, заряжая его, и возвращается через диод VD6. Таким образом, в отличие от обратноходовой схемы, ток реактивного элемента, запасающего энергию, течет во время обеих частей цикла (периода) пере ключения транзистора. Поэтому прямоходовый преобразователь имеет бо лее низкое напряжение выходных пульсаций, чем обратноходовый ИП при те же самых выходных параметрах.

Импульсные источники питания с несколькими выходами. Боль шинство импульсных ИП имеют более одного выхода. Например, в источ никах питания цифровых устройств в дополнении к напряжению +5 В мо гут быть выходы на напряжения +12, -12, +24 и –5 В. Эти выходы исполь зуются для питания различных устройств типа контроллеров, накопителей на жестких и гибких магнитных дисках, принтеров, интерфейсов (RS-232) и различных аналоговых схем. На рис 3.9 представлена схема импульсного ИП с несколькими выходами.

Из схемы видно, что напряжение питания обратной связи снимается только с одного выхода (обычно +5 В) и подается на ШИМ-модулятор. Та ким образом, осуществляется стабилизация всех напряжений. Очевидно, что вспомогательные выходы не стабилизируются в той же мере, как глав ный выход +5 В. Поэтому в случае критичности нагрузок к напряжению питания на соответствующие выходы устанавливают дополнительные ли нейные интегральные стабилизаторы. Для рассматриваемой схемы (рис. 3.9) с помощью линейного ИС стабилизируется напряжение Uвых1.

+ ИС + VD5 DA Uвых Tp С VD1…VD + + VD Uвых С + + U~ С + VD Uвых Сети С ШИМ- Гольни- Схема моду- ческая Срав лятор развязка нения Рис. 3.9. Импульсный источник питания с тремя выходными напряжениями.

3.2 Импульсные стабилизаторы напряжения постоянного тока.

Из рассмотрения принципа действия импульсных ИП, произведенного в предыдущем разделе, следует, что они являются по сути преобразовате лями (конвертерами) одного постоянного напряжения в другое (или в не сколько других напряжений). В самом деле, на входе любого импульсного ИП переменное напряжение питающей сети выпрямляется, его пульсации сглаживаются конденсатором фильтра и только затем осуществляется пре образование этого постоянного напряжения импульсной схемой. В связи с этим рассмотрим более подробно импульсные преобразователи типа DC-DC.

Понижающий стабилизатор. Типовая схема импульсного стабилиза тора понижающего типа представлена на рис.3.10. На вход регулирующего транзистора подается импульсный сигнал от схемы управления. Изменение скважности управляющих импульсов (отношения периода следования им пульсов к длительности импульса) происходит автоматически таким обра зом, чтобы выходное напряжение поддерживалось на заданном уровне с допустимой точностью. Дроссель L и конденсатор С преобразуют одно полярные импульсы переменной скважности, поступающие с коллектора регулирующего транзистора, в напряжение постоянного тока. Диод VD обеспечивает протекание тока в дросселе, когда регулирующий транзистор находится в закрытом состоянии. Работа стабилизатора поясняется вре менными диаграммами (рис.3.11). В промежутки времени, когда регу лирующий транзистор открыт (t0-t1,t2-t3,t4-t5), на вход фильтра LC-типа прикладывается напряжение питания. Диод VD при этом закрыт. Ток в дросселе в эти промежутки времени IL возрастает по линейному закону, достигая своего максимального значения к моменту выключения транзи стора. В промежутки времени, когда регулирующий транзистор закрыт (t1-t2,t3-t4,t5-t6), энергия, накопленная в элементах фильтра, передается в на грузку. Ток дросселя IL протекает через открытый диод VD.

Уровень пульсаций выходного напряжения во многом определяется индуктивностью дросселя и емкостью конденсатора фильтра. При умень шении индуктивности дросселя фильтра в нем увеличиваются пульсации тока. При весьма малой индуктивности L в схеме стабилизатора может на ступить режим прерывистого тока в дросселе фильтра, при котором ухуд шается нагрузочная характеристика стабилизатора.

Повышающий стабилизатор. Рассмотрим схему импульсного стаби лизатора с регулирующим транзистором, подключенным параллельно на грузке (рис. 3.12). В рассматриваемом стабилизаторе регулирующий тран зистор отделен от нагрузки диодом. При открывании транзистора через дроссель протекает коллекторный ток VT, который увеличивается по ли нейному закону, достигая своего максимального значения к моменту за крытия транзистора. Дроссель при этом запасает электромагнитную энер гию, диод VD закрыт (на его катоде положительный потенциал).

VT L Iк IL IVDUL С Rн + Uн Ic VD + + Схема управления Рис. 3.10. Понижающий импульсный стабилизатор.

UL t IL t Iк t IVD tи T t Iс t Uн t0 t1 t2 t3 t4 t5 t6 t Рис. 3.11. Временные диаграммы работы понижающего стабилизатора.

Схема управления L IL VD Uн Uвх Rн VT С + Iк + + Рис. 3.12. Повышающий стабилизатор.

Uн/Uвх = =0, =0, 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1. Рис. 3.13. Регулировочные характеристики стабилизатора, выполненного по схеме на рис. 3.12.

После закрытия регулирующего транзистора электромагнитная энер гия, накопленная в дросселе на предыдущем интервале времени, через от крывшийся диод передается в нагрузку и частично сообщается конден сатору. По сравнению с ранее рассмотренной схемой (рис.3.10) в парал лельном стабилизаторе выходное напряжение может превышать входное.

Зависимость выходного напряжения от относительной длительности от крытого состояния регулирующего транзистора представлена на рис.3.13.

На данном рисунке представлены три зависимости отношения выходного напряжения к входному Uн/Uвх от коэффициента заполнения управляю щих импульсов =tи/T при различных значениях независимого параметра =rL/(rL+Rн), где rL – сопротивление дросселя фильтра, Rн – сопротивление нагрузки.

Инвертирующий стабилизатор. На рис.3.14. представлена схема стабилизатора, который изменяет полярность входного напряжения. При этом, как в схеме (рис.3.12.), выходное напряжение может превысить по величине напряжение на входе стабилизатора.

+ VT VD + L Uн Rн С + Схема управления Рис.3.14. Инвертирующий стабилизатор.

При открытом состоянии регулирующего транзистора дроссель нака пливает электромагнитную энергию. Диод VD при этом закрыт, нагрузка вместе с конденсатором фильтра отключена от источника питания. Пере ключение регулирующего транзистора в закрытое состояние сопровожда ется открыванием диода VD и переходом энергии, накопленной в дрос селе, в конденсатор фильтра С и нагрузку. Полярность выходного напря жения при этом оказывается противоположной полярности входного на пряжения.

Защита импульсивных стабилизаторов от перенапряжения на выходе. При работе в режиме холостого хода (Rн=) или при малых на грузках напряжение на выходе импульсного стабилизатора (рис.3.10) рав но входному напряжению Uвх, тогда как для повышающего (рис.3.12) и инвертирующего (рис.3.14) стабилизаторов оно может значительно превы сить нормативное значение.

Один из способов защиты стабилизаторов от перенапряжения на вы ходе показан на рис.3.15. Как видно из рис.3.15, параллельно диоду под ключается дополнительный транзистор VT2, обеспечивающий протекание тока в направлении противоположном току этого диода. Дополнительный транзистор управляется в противофазе с регулирующим транзистором VT и дает возможность протекания тока в дросселе фильтра в противополож ном направлении под действием колебательного процесса в фильтре.

Пульсации выходного напряжения. В стабилизаторе (рис.3.10) пульсации выходного напряжения обратно пропорциональны произведе нию индуктивности дросселя фильтра и емкости его конденсатора. Эти пульсации могут быть уменьшены посредством увеличения как L так и С.

VD L + + а VT Uвх Rн VT2 С VD + VT С б Rн L Uвх + VT Рис.3.15. Импульсивные стабилизаторы с защитой от перенапряжения на выходе а - повышающий стабилизатор;

б - инвертирующий стабилизатор.

Для стабилизатора (рис.3.12 и 3.14) пульсации выходного напряжения пропорциональны току нагрузки и не зависят от индуктивности фильтра и могут быть уменьшены только за счет увеличения емкости конденсатора фильтра:

Iн Uп =, C f где Uп - напряжение пульсаций на выходе стабилизатора;

f- частота преобразования.

Как правило, для достижения одинакового уровня пульсаций выход ного напряжения в фильтре стабилизатора (рис.3.10) требуется конденса тор существенно меньшей емкости, чем в стабилизаторах (рис.3.12. и 3.14).

Стабилизатор с частичной модуляцией. Кроме рассмотренных выше импульсивных стабилизаторов находят применение стабилизаторы с частичной модуляцией (рис.3.16).

В стабилизаторе осуществляется режим частичной модуляции им пульсов напряжения на входе сглаживающего фильтра Uф (рис.3.17).

+ + Uвх - VD + Uф Uн Rн + С Uвх VT L Схема управления Рис.3.16. Импульсный стабилизатор с частичной модуляцией импульсов напряжения на входе сглаживающего фильтра.

Uф Uвх1+Uвх2 Uвх t Iн, IL IL Iн t Рис.3.17. Временные диаграммы работы схемы на рис.3.16.

При закрытом состоянии регулирующего транзистора напряжение Uф равно Uвх1, а при его открывании увеличивается до Uвх1+Uвх2. Стабилиза тор на рис.3.16 по сравнению со стабилизатором на рис.3.10 характеризу ется значительно лучшим использованием сглаживающего фильтра. Для этого стабилизатора требуемые значения произведения LC определяется выражением:

Uвх2 (1- ) LC.

8 f Uп 3.3. Применение ИМС для импульсных источников питания.

Отечественной и зарубежной промышленностью выпускается значи тельное число типономиналов ИМС, предназначенных для построения им пульсных ИП. Как уже отмечалось ранее, применение ИМС значительно упрощает задачу построения источников питания РЭА. Так, например, по нижающий импульсный стабилизатор (рис.3.10) может быть достаточно просто реализован на микросхеме МАХ638 фирмы Maxim (рис.3.18).

220 мкГн +12 В L +5 В VD Генератор 1N 65 кГц + С мкФ + Uоп +1,31 В MAX Рис.3.18. Понижающий стабилизатор на ИМС МАХ638.

Микросхема МАХ638 поддерживает постоянный уровень выходного напряжения +5В (без внешнего делителя напряжения). При подключении внешнего резистивного делителя получается достаточно простой импульс ный стабилизатор регулируемого положительного напряжения.

МАХ638 имеет встроенный генератор, работающий на постоянной частоте 65 кГц. Причем дифференциальный усилитель рассогласования либо подключает, либо отключает импульсы управления затвором МОП транзистора в соответствии с выходным напряжением. КПД схемы при мерно равен 85% и практически не зависит от входного напряжения.

Стабилизатор (рис.3.18) может быть использован, например, для пре образования напряжения автомобильной аккумуляторной батареи (от +10 до +15 В) в напряжении +5 В, для питания различных маломощных устройств (максимальный выходной ток 100 мА).

На рис.3.19 представлена схема двуполярного импульсного источника питания, собранного на повышающем (МАХ633) и инвертирующем (МАХ637) импульсных интегральных стабилизаторах. Такой источник пи тания может быть использован, например, для питания схем с операцион ными усилителями, большинство из которых питается двуполярным на пряжением ± 15В.

L1 500 мкГн +12 В +15 В + Гене С2 ратор мкФ + Uоп MAX С1 мкФ VD 1N914 -15 В Гене ратор L2 С4 мкФ + мкГн + Uоп MAX С3 0, мкФ Рис.3.19. Двуполярный источник питания на импульсных интегральных стабилизаторах Преобразователи напряжения с переключаемыми конденсато рами. Принцип действия преобразователя с переключаемыми конденсато рами поясняет рис.3.20, где представлена упрощенная схема ИМС ICL фирмы Intersil с двумя внешними конденсаторами С1 и С2. ICL7662 имеет внутренний генератор и несколько ключей на МОП-транзисторах. Входная и выходная пары ключей управляются в противофазе.

+Uвх + С С Uвых = -Uвх + Рис.3.20. Инвертирующий преобразователь напряжения на ИМС с переключаемыми конденсаторами.

Если входная пара ключей замкнута (транзисторы в проводящем со стоянии), С1 заряжается до напряжения Uвх. Затем во время второго полу периода следования управляющих прямоугольных импульсов конден сатор С1 отсоединяется от входа и подключается к выходу (но с противо положной полярностью). Конденсатор С2 при этом заряжается и имеет от рицательный потенциал относительно земли.

Нетрудно заметить, что организовав несколько иной порядок пере ключения ключей, можно осуществить повышение выходного напряжения по отношению к входному.

Достоинством преобразователей на переключаемых конденсаторах является малое число внешних элементов и отсутствие индуктивностей.

К недостаткам можно отнести следующее:

1) выход схемы нестабилизирован (Uвых сильно зависит от тока на грузки);

2) выходное напряжение нельзя регулировать плавно (Uвых всегда кратно Uвх);

3) большинство микросхем на КМОП ключах имеют ограниченный диапазон напряжения питания, например, для ICL Uвх = от +4,5 до +20 В.

Несмотря на отмеченные недостатки, преобразователи на переклю чаемых конденсаторах в ряде случаев оказываются весьма привлекатель ными, например, для того чтобы обеспечить питание операционных уси лителей на плате, которая имеет однополярное питание (+5В).

ИМС МАХ680 фирмы Maxim преобразует напряжение +5 В в двупо лярное ± 10 В (рис.3.21.) +5 В DА +10 В + U+ С1 + С3 мкФ MAX мкФ + С -10 В U С4 мкФ мкФ + Рис.3.21.Преобразователь напряжения +5 В в двуполярное ± 10 В на ИМС МАХ680.

AC-DC конвертеры. Являются по сути готовыми импульсными ИП.

Для того чтобы получить полноценный источник питания к ИМС необхо димо подключить небольшое количество внешних элементов. Выходное напряжение может быть как постоянным, так и регулируемым (плавно или дискретно).

На рис.3.22. представлена схема простого импульсного ИП на AC-DC конвертере КР1182ЕМ3. На вход микросхемы может быть подано пере менное напряжение 80 – 276 В (действующее значение).

DA Uст VD U~ + 1182ЕМ 80…276 В + Uвых = Uст L С Рис.3.22. Импульсный источник питания на AC-DC конвертере КР1182ЕМ3.

Выходное напряжение определяется напряжением стабилизации ста билитрона. Емкость накопительного конденсатора должна быть порядка 2000мкФ. Максимальная величина выходного тока схемы (рис.3.22) 1,5 – 1,7А.

ШИМ-контроллеры. Для построения импульсных ИП достаточно широко используются ИМС ШИМ-контроллеров (однотактных и двутакт ных). Микросхемы данного функционального назначения являются схе мами управления ключевыми транзисторами обратноходовых и прямохо довых импульсных источников питания, а некоторые из них (как, напри мер, PWR–SMP210 фирмы Power integration’s, inc) имеют в своем составе ключевые (регулирующие) транзисторы.

Использование ШИМ-контроллеров поясняет рис.3.23. На данном рисунке представлена схема ИП с двумя выходными напряжениями. Стабилизация осуществляется по второму каналу (Uвых2). На рис.3.23 представлен вари ант съема сигнала обратной связи непосредственно со второго выхода.

Другим вариантом съема такого сигнала является использование дополни тельной обмотки трансформатора и подключение ее к ШИМ-контроллеру через схему обратной связи.

Выпря U~ митель Сети + Uвых + Uвых Шим Ключевой Схема контроллер транзистор обратной связи Рис.3.23. Импульсный источник питания на микросхеме ШИМ-контроллера.

Общие значения относительно импульсных источников питания.

1. Импульсные ИП контакты, имеют малые габариты и вес, значитель ный КПД. Именно благодаря высокому КПД интегральные им пульсные DC-DC преобразователи оказываются наиболее выгод ными в мобильном оборудовании с питанием от химического источ ника тока. Например, напряжение 9–вольтовой батареи изменяется от 9,5 В (в начале цикла разряда) до примерно 6 В (в конце жизнен ного цикла). В этом случае эффективно может работать даже пони жающий интегральный DC-DC конвертер на +5 В.

2. Выходные напряжения импульсных ИП содержат помимо постоян ной составляющей десятки милливольт пульсаций переключения.

Для борьбы с этими пульсациями можно использовать либо фильтр нижних частот, либо линейный стабилизатор с малым перепадом на пряжения. Некоторые импульсные ИП имеют в своем составе такие средства и их выходы отличаются повышенной «чистотой». Допол нительным неприятным фактором могут являться помехи излучения на частоте коммутации и ее гармониках из-за импульсных токов в индуктивностях и проводниках. В связи с этими моментами, для пи тания устройств с малыми уровнями сигналов (до 100 мкА) исполь зование импульсных ИП может оказаться проблематичным.

3. В многоканальных импульсных ИП (на 3 и более выходных напря жений) сигнал обратной связи снимается, как правило, с выхода с наибольшим током (+5 В). Поэтому остальные выходы стабилизиру ются несколько хуже. В связи с этим в паспорте на источник питания указывается, насколько изменяется остальные выходные напряжения при изменении нагрузки на «стабилизируемом» выходе от 70% пол ной нагрузки до 50% или 100% полной нагрузки (типовое значе ние 5%).

4. Некоторые импульсные ИП критичны к току нагрузки. Если в про цессе работы ток нагрузки уменьшается ниже минимально допус тимого уровня, то необходима дополнительная резистивная нагруз ка. Так например импульсный ИП фирмы Power-One модель SPL130-100S (5 В, 26 А) нормально функционирует если величина тока нагрузки не опускается ниже 1,3 А.

5. Включение импульсного ИП в сеть сопровождается броском тока (17 А для упомянутой модели SPL130-100S против 1,6 А аналогич ного линейного источника F5-25). Для предотвращения таких вспле сков используются схемотехнические приемы, обеспечивающие «мягкий пуск», что оговаривается в документации на ИП, или преоб разователь напряжения.

6. Импульсные ИП не являются синусоидальной нагрузкой для пи тающей сети. Они отбирают основной ток от питающей сети только в середине каждого полупериода изменения сетевого напряжения.

Для превращения импульсного ИП почти в синусоидальную на грузку используется схема коррекции коэффициента мощности, обеспечивающая режим, при котором ток от питающей сети отбира ется синусоидально и в фазе с синусоидальным напряжением сети.

7. Многие импульсные интегральные преобразователи напряжения по мимо своей основной функции предоставляют разработчику одну или несколько из следующих возможностей:

- дистанционное включение и отключение;

- контроль, за входным напряжением с блокировкой и (или) выда чей сигнала в случае ненормативного значения напряжения на входе;

- дистанционное изменение уровня выходного напряжения;

- контроль за входным и выходным токами с адекватной «реак цией» на отклонение их значений от нормативных;

- подключение питаемой схемы к резервному ИП в случае не возможности обеспечения требуемых уровней выходных на пряжений.

4. ХИМИЧЕСКИЕ ИСТОЧНИКИ ТОКА Как уже отмечалось ранее, химические источники тока (ХИТ) делятся на две группы:

1) гальванические элементы и батареи;

2) аккумуляторы.

ХИТ первой группы, по сравнению с аккумуляторами, обладают большей удельной электрической емкостью (измеряемой в ампер-часах или миллиампер-часах) и имеют меньшую стоимость. Основным преиму ществом аккумуляторов является возможность их многократного исполь зования и вследствие этого значительно меньшая стоимость единицы по лучаемой энергии. Типовые аккумуляторы, используемые для автономного питания маломощной аппаратуры, гарантированно выдерживают от 200 до 1000 циклов заряд-разряд.

При выборе ХИТ для питания конкретной аппаратуры прежде всего обращают внимание на его систему, цену, энергоемкость, долговечность при хранении, постоянство напряжения в течении разряда, внутреннее со противление, максимальное значение отдаваемого тока, диапазон рабочих температур и массогабаритные показатели.

4.1. Гальванические элементы и батареи.

Наибольшее распространение получили элементы и батареи следую щих систем: угольно-цинковые и хлористо-цинковые;

щелочно-марганце вые (щелочные);

ртутные (ртутно-цинковые);

серебрянно-цинковые, ли тиевые. На рис.4.1. представлены кривые разряда элементов различных типов (-доля расходуемой емкости).

Типоразмеры цилиндрических сухих элементов питания стандартизо ваны.

Размеры элементов и их обозначения, принятые международной элек тротехнической комиссией, в России и США (стандарт ANSI) представ лены в табл. 4.1.

Угольно-цинковые элементы. Или элементы Лекланше (Le Clanche) являются очень широко распространенными ХИТ благодаря их низкой стоимости и удовлетворительным техническим характеристикам. Эле менты и батареи этого типа в различных исполнениях производят многие фирмы, например, Union Carbide, Ever Ready, VARTA, Vidor, Yuasa и дру гие.

U, В 3, 2, 2, 1, 1, 0,, % Рис.4.1. Кривые разряда гальванических элементов 1 – угольно-цинковые Лекланше;

2 – хлористо-цинковые Лекланше;

3 – щелочные;

4 – ртутные;

5 – серябряно-цинковые;

6 – литиевые.

Таблица 4.1.

Унифицированные размеры цилиндрических сухих элементов питания Обозначения Размеры МЭК Россия США Диаметр, мм Высота, мм R08 - O 10,5 R06 283 - 10,5 R03 286 AAA 10,5 44, R4 314 R 14,5 R6 316 AA 14,5 50, R8 326 A 16 50, R10 332 BR 21,5 R12 336 B 21,5 R14 343 C 26,5 R20 373 D 34,2 61, R22 374 E 34,2 R25 376 F 34,2 R26 - G 34 R27 - J 34 - 425 - 40 - 465 - 51 Под нагрузкой рабочее напряжение угольно-цинкового элемента по мере его разряда постепенно уменьшается. Чем ниже конечное напряжение (напряжение, до которого питаемое устройство сохраняет работоспособ ность), тем больше срок службы и время работы элемента. Типичные зна чения конечных напряжений для элемента с начальным напряжением 1,5 В находятся в интервале от 0,65 до 1,1 В. Целесообразно стремиться к обес печению меньшего значения этого напряжения, чтобы в наибольшей сте пени использовать энергию, которую может отдать элемент. Для этого, ес ли позволяет питаемое устройство, применяют батарею с несколько боль шим напряжением, чем это необходимо для нормальной работы устройст ва. В этом случае уменьшается конечное напряжение в расчете на один элемент и обеспечивается более эффективное использование ХИТ.

Номинальная рабочая емкость угольно-цинковой батарееи не является строго определенной величиной, так как отданная батарей емкость зависит от условий ее разряда (разрядного тока, режима разряда и конечного на пряжения). Отданная емкость зависит так же от рабочей температуры и ус ловий хранения батареи до начала эксплуатации.

Коэффициент использования активных материалов угольно-цинковой батареи повышается по мере уменьшения плотности тока. По этому при проектировании устройств с питанием от ХИТ желательно выбирать бата рею возможно больших размеров.

Отдаваемая емкость зависит так же от соотношения длительностей периодов разряда и отдыха. Как правило, угольно-цинковые элементы лучше работают в условиях прерывистого отбора тока. Однако в некото рых случаях они могут оказаться эффективными при работе в условиях непрерывного разряда очень малым током.

Угольно-цинковые элементы и батареи, как правило, предназначены для работы при температуре 21°С. Чем выше температура батареи во вре мя разряда, тем больше отдача энергии. Однако высокая температура при водит к уменьшению срока хранения, а длительное воздействие темпе ратуры выше 52°С может привести к повреждению батареи.

На рис.4.2. представлены характеристики разряда угольно-цинкового элемента типоразмера D, разряжаемого непрерывно на резистор сопротив лением 2,25 Ом при различной температуре.

В табл.4.2. показано как зависимости от температуры изменяется от даваемая емкость угольно-цинкового элемента типоразмера D при его не прерывном разряде на резистор сопротивлением 2,25 Ом до конечного на пряжения 0,6 В.

Пониженная температура и даже замораживание не приводит к порче элементов, если их не подвергать многократным циклическим темпера турным изменениям (от наиболее низких до более высоких температур).

При пониженной температуре увеличивается срок хранения элементов.

Рекомендуемая температура хранения угольно-цинковых элементов со ставляет 4 – 10°С.

U, В 1, 1, 21°С 0°С -18°С 0, 75 100 125 150 25 Время работы, мин.

Рис.4.2. Характеристики разряда угольно-цинкового элемента типоразмера D, разряжаемого непрерывно при начальном токе 660 мА.

Таблица 4.2.

Влияние температуры на отдаваемую емкость угольно-цинкового элемента типоразмера D Емкость в % от номинального Температура, °С значения при 21°С 37,8 26,7 21,1 15,6 4,4 -6,7 -17,8 -28,9 Внутреннее сопротивление элемента или батареи необходимо обяза тельно учитывать при выборе ХИТ для питания устройств, потребляющих большие токи в течение коротких промежутков времени. Внутреннее со противление зависит, помимо всего прочего, от размеров элемента. Следо вательно, если внутреннее сопротивление малогабаритного элемента слишком велико, для того чтобы обеспечить требуемый ток можно вы брать элемент больших размеров. Внутреннее сопротивление «свежего» угольно-цинкового элемента достаточно мало. Однако оно заметно возрас тает при использовании элемента.

Для определения времени наработки или отдаваемой емкости сухих угольно-цинковых батарей в конкретном устройстве при заданном режиме разряда (кроме отбора очень малых токов) целесообразно проводить испы тания, воспроизводя условия разряда, близкие к тем, в которых будет ис пользоваться данная батарея. Отдаваемая емкость батареи, разряжаемой заданным током по 2 часа в день, существенно отличается от отдаваемой емкости этой же батареи, разряжаемой таким же током по 10 часов в день.

Не существует непосредственной связи между отдаваемой емкостью при непрерывном разряде и емкостью при прерывистом разряде. Поэтому дос таточно трудно оценивать достоинства различных батарей при работе в режиме прерывистого разряда, сравнивая результаты их испытаний в ре жиме непрерывного разряда.

Хлористо-цинковый элемент Лекланше. Является разновидностью угольно-цинкового элемента. Главное различие между ними заключается в электролите. В хлористо-цинковом элементе в качестве электролита при меняют только раствор хлористого цинка, тогда как в угольно-цинковом элементе электролит наряду с хлористым цинком содержит раствор хлори стого аммония. Отказ от использования хлористого аммония улучшает электрохимические свойства элемента, однако, при этом несколько услож няется конструкция элемента.

Таблица 4.3.

Влияние температуры на отдаваемую емкость хлористо-цинкового элемента типоразмера D.

Емкость в % от номинального Температура, °С значения при 21°С 37,8 32,2 26,7 21,1 15,6 10,0 4,4 -1,1 -6,7 -12,2 -17,8 Таблица 4.4.

Среднее время работы угольно-цинковых и хлористо-цинковых элементов и батареи типа Eveready фирмы Union Carbide при температуре 21°С.

Марка Типоразмер Напряже- Режим Сопротив- Время работы элемента согласно ние пита- работы, ление на- до конечного (батареи) стандарту ния, В ч/день грузки, Ом напряжения, ANSI часов 0,75 В 0,9 В 1215 AA 1,5 4 40 33 1215 AA 1,5 4 25 20 1235 C 1,5 4 40 97 1235 C 1,5 4 25 59 1050 D 1,5 4 83,3 440 0,8 В 1,0 В 742 F 1,5 2 18,75 490 742 F 1,5 2 1,25 23 0,8 В 1,0 В 950 D 1,5 2 150 525 950 D 1,5 2 5 11 0,8 В 1,0 В HS35 C 1,5 2 600 900 HS35 C 1,5 2 6 3,5 1, 1,6 В 2,0 В 750 AA 3,0 2 600 265 750 AA 3,0 2 60 14 2,4 В 3,6 В 703 B 4,5 2 900 420 703 B 4,5 2 45 14,5 4, 3,6 В 4,4 В 724 AA 6,0 2 100 17,7 14, 744 F 6,0 4 100 155 3,6 В 4,0 В 706 F 6,0 2 75 450 706 F 6,0 2 5 20,5 4 В 5 В 773 B 7,5 2 1500 420 773 B 7,5 2 75 14,5 4,2 В 5,4 В 206 109 9,0 2 750 40 206 109 9,0 2 560 27 4,8 В 6 В 2356N 117 9,0 4 600 305 2356N 117 9,0 4 250 125 6,0 В 7,2 В 716 F 9,0 2 112,5 410 716 F 9,0 2 7,5 18 6, Электроды хлористо-цинковых элементов способны работать более эффективно и, как следствие, обеспечивать более высокий коэффициент использования активных материалов (больший полезный выход по току), чем электроды угольно-цинковых элементов. Поэтому хлористо-цинковые элементы могут работать в режиме с отбором большего тока в течение бо лее длительного времени, чем угольно-цинковые элементы тех же разме ров. Кроме этого, хлористо-цинковые элементы обеспечивают более высо кую стабильность напряжения под нагрузкой. Эти элементы могут выпол няться с увеличенными габаритами («мощные» сухие элементы). Конст рукция таких элементов предусматривает специальные приспособления для отвода газа, образующегося при разряде.

Хлористо-цинковые элементы при понижении температуры теряют меньше емкости, чем угольно-цинковые при тех же самых условиях раз ряда (сравни табл. 4.2 и 4.3).

Характеристики некоторых угольно-цинковых и хлористо-цинковых элементов и батарей представлены в табл. 4.4. Данные этой таблицы на глядно демонстрируют зависимость отдаваемой емкости от режима раз ряда (разрядного тока). Так, например, девятивольтовая батарея 716(F) при разряде с начальным током 80 мА (сопротивление нагрузки 112,5 Ом) до напряжения 7,2 В отдает емкость около 24,8 Ач. В то же время при раз ряде током 1,2 А (сопротивление нагрузки 7,5 Ом) до такого же напряже ния она способна отдать лишь приблизительно 8,4 Ач.

Щелочные марганцево-цинковые элементы. Основное преимуще ство щелочных элементов по сравнению с элементами системы Лекланше проявляется при использовании их в качестве мощных источников тока.

Щелочные элементы очень хорошо работают в режимах с непрерыв ным отбором тока и с отбором больших токов и имеют явное преимуще ство перед угольно-цинковыми элементами по такому параметру, как от ношение удельной емкости к стоимости единичного элемента.

Стабильность напряжения щелочных элементов и батарей выше, чем у ХИТ системы Лекланше. Они остаются работоспособными в интервале температур от –20 до +70°С, а в определенных случаях и при более высо ких температурах.

Щелочные ХИТ могут храниться в течение 30 месяцев без существен ного уменьшения первоначальной емкости. Например, после годичного хранения при 20°С эти батареи способны обеспечивать более 92% перво начальной емкости. Отдельные элементы и батареи этого типа сохраняют около 80% первоначального значения емкости после четырех лет хранения при 20°С.

Как и для ХИТ системы Лекланше, так и для щелочных ХИТ харак терно то, что время работы (в часах) тем выше, чем ниже конечное напря жение. Целесообразно добиваться как можно более низкого конечного на пряжения, для того чтобы полностью использовать высокую энергию, со держащуюся в элементах этого типа. Разрядная емкость остается относи тельно постоянной при различных графиках разряда. Изменение величины отбираемого тока меньше влияет на отдаваемую емкость, чем у элементов Лекланше. Элементы и батареи изготавливаются с величиной емкости от нескольких сотен миллиампер-часов до десятков ампер-часов.

Щелочные батареи предназначены для использования в устройствах, где требуются источники питания большой мощности или источники, имеющие более длительное время работы по сравнению с угольно-цинко выми батареями. Полный запас энергии щелочных батарей примерно вдвое превышает запас энергии угольно-цинковых батарей тех же размеров. У обычных угольно-цинковых батарей при работе в режиме с отбором боль шого тока или при непрерывном разряде в тяжелых режимах коэффициент использования активных материалов настолько ухудшается, что только небольшая доля содержащегося в них запаса энергии может быть извлече на и использована. Основное преимущество щелочных батарей за ключается именно в высокой мощности при разряде в непрерывном или тяжелом режиме, когда ХИТ системы Лекланше перестают удовлетворять предъявляемым к источнику питания требованиям. При определенных ус ловиях щелочные ХИТ обеспечивают в семь раз большую длительность работы, чем стандартные угольно-цинковые батареи.

Хотя щелочные батареи по своим техническим характеристикам пре восходят угольно-цинковые в любых режимах работы, в ряде случаев ока зывается, что в экономическом отношении они не будут иметь пре имуществ в режимах с отбором малого тока, при прерывистом разряде или в комбинированном режиме. Например, при прерывистом разряде токами менее 300 мА щелочной элемент типоразмера Д, хотя и обладает очень хо рошими техническими характеристиками, теряет экономические преиму щества перед угольно-цинковым элементом.

В радиоприемниках и других устройствах с относительно небольшим потреблением тока щелочные ХИТ служат обычно вдвое дольше, чем ХИТ системы Лекланше. В игрушках с батарейным питанием и других устрой ствах с относительно большим потреблением тока щелочные батареи ра ботают иногда в семь раз дольше, чем ХИТ Лекланше.

Щелочные ХИТ являются превосходным источником питания для фо товспышек. Они не только способны отдавать большие токи, но и обла дают более большим запасом энергии, чем стандартные угольно-цинковые батареи, предназначенные для питания фотовспышек. В ряде электронных фотовспышек используется преобразователь с транзисторным или механи ческим прерывателем для преобразования постоянного низкого напряже ния в высокое, необходимое для заряда конденсатора фотовспышки. Отби раемые при этом токи оказываются на пределе возможностей даже для сильноточных батарей, предназначенных для фотовспышек. Щелочные ба тареи обеспечивают и достаточно короткое время между двумя последова тельными разрядами, и увеличение в 2 – 3 раза количество разрядов фото вспышки по сравнению с угольно-цинковыми батареями, служащими для той же цели, или угольно-цинковыми батареями общего назначения. Такое улучшение характеристик стало возможным благодаря особой конструк ции элемента, которая обеспечивает очень низкое внутреннее сопротивле ние, позволяющее отбирать энергию более интенсивно по сравнению со стандартным элементом Лекланше.

Ртутно-цинковые элементы и батареи. Характеризуются постоянст вом напряжения при разряде и отсутствием необходимости в перерывах между разрядами для «отдыха». Напряжение ртутно-цинкового элемента равно 1,352 ± 0,002 В и мало изменяется при изменении температуры. По этому эти элементы иногда используются в технических устройствах в ка честве источников опорного напряжения.

Характерными чертами ртутно-цинковых ХИТ являются:

1) длительный срок службы;

2) большое значение удельной емкости;

3) плоская кривая разряда;

4) сравнительно высокое напряжение под нагрузкой;

5) относительно постоянная отдаваемая емкость, практически незави сящая от условий разряда;

6) малое и практически постоянное внутреннее сопротивление;

7) сохранение работоспособности при высоких температурах;

8) высокая устойчивость к ударам, вибрациям и ускорениям;

9) устойчивость к пониженному и повышенному давлению по срав нению с атмосферным.

Рабочая емкость ртутно-цинковых ХИТ после года хранения при тем пературе 21°С, как правило, составляет более 90% емкости свежеизготов ленной батареи. Рекомендуемый срок хранения для ртутно-цинковых ХИТ до трех лет. В табл. 4.5. представлена типовая зависимость напряжения ртутно-цинкового элемента от продолжительности хранения.

Таблица 4.5.

Типовая зависимость Э.Д.С. ртутно-цинкового элемента от продол жительности хранения при температуре 21°С (35°С) Время хранения, мес. ЭДС, В 0 1,3566 (1,3566) 3 1,3555 (1,3554) 6 1,3536 (1,3510) 9 1,3533 (1,3490) 12 1,3524 (1,3463) Таблица 4.6.

Характеристики ртутно-цинковых элементов и батарей Eveready про изводства фирм Union Carbide при непрерывном разряде Обозначе- Средний срок службы при температуре 21°С Фирмен- Напря- ние Сопротив- Подолжите Конечное на ное обоз- жение, согласно ление льность ра пряжение, начение В ANSI нагрузки, боты, В Ом ч.

325 1,35 WM5 13.000 1,2 E400N 1,35 M10 1.250 0,9 75, 343 1,35 WM10 13.000 0,9 354 1,35 6.500 0,9 6.500 1,2 313 1,35 WM45 6.500 1,2 E625N 1,35 M20 250 0,9 50, EPX640 1,35 M30 1.250 0,9 E401N 1,35 M35 100 0,9 68, E1N 1,35 M40 60 0,9 52, E3 1,35 M60 60 0,9 E502 1,35 M55 83 0,9 E12N 1,35 M70 32 0,9 E42N 1,35 M100 4.4 0,9 54, E41E 1,40 M11 1000 0,9 E401E 1,40 M35 100 0,9 69, EP401E 1,40 250 0,9 E502E 1,40 M55 83 0,9 E12 1,40 M70 32 0,9 E42 1,40 M100 4.4 0,9 EPX14 2,7 2.750 1,8 E132N 2,7 120 1,8 52, E152 2,8 500 1,8 75, E133N 4,05 180 2,7 52, E163 4,2 375 2,7 50, E133 4,2 180 2,7 55, E233 4,2 180 2,7 E164N 5,4 500 3,6 E134N 5,4 240 3,6 52, EPX32 5,6 500 3,6 50, 200 3,6 E134 5,6 240 3,6 55, E135N 6,75 300 4,5 52, E165 7,0 625 4,5 50, 250 4,5 E136N 8,1 360 5,4 52, E136 8,4 360 5,4 55, E289 12,6 720 0,9 51, Ртутно-цинковые элементы и батареи выпускаются в двух вариантах, предназначенных для различных применений: элементы на 1,35 В и бата реи на их основе;

элементы на 1,4 В и батареи на их основе. В общем слу чае элементы напряжением 1,35 В рекомендуются применять в качестве источников опорного напряжения и в устройствах, работающих при по вышенных температурах. Элементы напряжения на 1,4 В или батареи, со стоящие из этих элементов, могут быт использованы во всех типах про мышленно выпускаемых приборов, за исключением измерительной и на учной аппаратуры, а также приборов, обеспечивающих разогрев зоны раз мещения ХИТ до температуры от +65 до +70°С. Эти элементы (по сравне нию с 1,35 - вольтовыми) не обеспечивают стабильное напряжение.

1,4 – вольтовые ХИТ рекомендуется применять в устройствах, где требует ся длительный отбор небольших по величине токов, а высокая стабиль ность напряжения необязательна.

Высокие температуры (до +70°С) практически не сказываются на ста бильности характеристик ртутно-цинковых ХИТ. В течение нескольких часов такие ХИТ могут работать при температуре порядка +145°С. При низких температурах в общем случае характеристики ртутно-цинковых элементов становятся неудовлетворительными. Однако более поздние разработки элементов значительно лучше работают в условиях понижен ных температур. Для ртутно-цинковых элементов, не относящихся к по следней группе, при температуре от +3 до +4°С происходит резкое умень шение отдаваемой емкости, а при 0°С эти элементы имеют очень малую емкость, за исключением режимов с отбором малого тока.

Характеристики некоторых ртутно-цинковых ХИТ приведены в табл.4.6.

Серебряно-цинковые элементы. Обеспечивают более высокое на пряжение, чем ртутно-цинковые при сохранении плоской кривой разряда (рис.4.1). Серебряно-цинковые ХИТ сохраняют работоспособность при низких температурах.

Рабочее напряжение серебряного элемента составляет 1,5 В (напря жение на разомкнутых электродах равно 1,6 В). Одними из ведущих фирм производителей серебряных ХИТ являются Union Carbide и Mallory, вы пускающие серебряно-цинковые дисковые элементы со значениями емко сти 35 – 210 мАч и 36 – 260 мАч соответственно.

Серебряно-цинковые ХИТ используются в качестве источников пита ния в электронных наручных часах (с аналоговой и цифровой индикацией), калькуляторах, электронных записных книжках, миниатюрных слуховых аппаратах, измерительных приборах, миниатюрных источниках света с ав тономным питанием (фонариках) и целом ряде других устройств. Также, как и ртутно-цинковые элементы серебряные, ХИТ применяются в качест ве источников опорного напряжения.

Серебряно-цинковые элементы хорошо сохраняют работоспособность после хранения 1 – 2 лет (обычно сохраняются более 90% емкости после одного года хранения при температуре 21°С).

Элементы серебряно-цинковой системы могут иметь как малое, так и большое внутреннее сопротивление. Так, отечественные элементы для на ручных электронных часов обладают низким собственным импедансом. В то же время ряд элементов аналогичного назначения, производимых зару бежными фирмами, выпускаются с большим внутренним сопротивлением, что препятствует их взаимозаменяемости в часах с такими функциональ ными возможностями как подсветка и формирование звукового сигнала.

Характеристики некоторых серебряных химических источников тока при ведены в таблицах 4.7, 4.8 и 4.9.

Таблица 4.7.

Характеристики серебряно-цинковых элементов и батарей серии Eveready фирмы Union Carbide при непрерывном разряде Средний срок службы при Обозначе температуре 35°С Марка Напря- ние элемента жение, согласно Сопроти- Конечное Продолжи (батареи) В ANSI вление напряже- тельность нагрузки, ние, работы, Ом В ч.

384 1,5 15.000 0,9 392 1,5 15.000 1,3 S312E 1,5 S4 1.500 1,3 309 1,5 WS5 15.000 1,3 393 1,5 WS5 15.000 1,3 SH301 1,5 WS10 150.000 0,9 15.000 1,3 386 1,5 WS106.500 1,3 303 1,5 WS16 94.000 0,9 10, 6.500 0,9 357 1,5 SR44 6.500 1,3 355 1,5 6.500 0,9 544 6,0 2.400 3,6 Таблица 4.8.

Характеристики дисковых серебряно-цинковых элементов напряже нием 1,5 В фирмы Duracell Условия разряда Емкость при Марка температуре Масса, Объем, Сопротив- Конечное эле 20°С, г см ление напряже мента мАч нагрузки, ние, Ом В D393 75 20.000 0,9 0,99 0, D386 120 15.000 0,9 1,7 0, 10L14 130 1.500 0,9 2,0 0, D391 35 6.500 0,9 0,8 0, D392 38 30.000 0,9 0,8 0, D389 70 13.000 0,9 0,99 0, Таблица 4.9.

Характеристики серебряно-цинковых элементов напряжением 1,5 В фирмы VARTA Размеры, Внутрен Мм Марка эле- Емкость, нее сопро- Масса, мента тивление, г мАч диаметр высота Ом V8 GS 45 20 11,6 2,1 0, V13 HS 75 4,2…6,5 7,9 5,4 1, V10 GS 85 10 11,6 3,11, V41 HS 120 3,2…5,0 11,6 4,2 1, V12 GS 130 6 11,6 4,2 1, V76 HS 175 3,5…5,5 11,6 5,4 2, Литиевые элементы и батареи. Литиевые ХИТ обеспечивают удельную энергию по массе до 330 Втч/кг, что примерно в три раза выше, чем у ртутных и серебряно-цинковых, и в четыре раза выше чем у щелоч ных источников тока. Удельная энергия по объему у литиевых батарей на 50% выше, чем у ртутных, и на 100% выше, чем у щелочных. Применение литиевых ХИТ позволяет уменьшить массогабаритные показатели РЭА с автономным питанием. Другим замечательным свойством литиевых эле ментов и батарей является большой срок сохраняемости, благодаря чему автономность некоторых устройств с литиевым ХИТ достигает 5 – 10 лет и более.

В табл. 4.10 представлены значения равновесных напряжений основ ных типов литиевых ХИТ.

Таблица 4.10.

Равновесные напряжения литиевых элементов различных систем Материал Напряжение, В Литий-тионилхлорид (LiSOCl2)3, Литий-пятиокись ванадия (LiV2O5)3, Литий-двуокись серы (LiSO2)2, Литий-трехокись молибдена (LiMoO3)2, Литий-фторид меди (CuF2)3, Литий-хромат серебра (LiAg2CrO4)3, Литий-сульфид меди (LiCuS) 2, Как видно из данных табл.4.10 литиевые элементы обеспечивают бо лее высокое напряжение, по сравнению с рассмотренными ранее элемен тами других систем (от 2,2 до 3,6 В).

Вследствие неводной природы электролитов, используемых в литие вых системах, электропроводность таких систем при пониженных темпе ратурах значительно выше, чем электропроводность ХИТ нелитиевых сис тем. В табл.4.11 представлены значения отдаваемой емкости ХИТ раз личных систем при низких температурах.

Длительный срок хранения. Очень существенным преимуществом систем на основе лития является их способность к длительному хранению в состоянии готовности к работе. Герметизация элементов, возможная в следствие использования систем, не выделяющих газы в процессе разряда, защищает элементы от проникновения загрязнений из окружающей среды и предотвращает утечку электролита из элементов. Эти особенности в со четании с очень малыми скоростями реакций саморазряда делают возмож ным сохранение литиевых ХИТ в состоянии готовности к работе в течение 5 – 10 лет без необходимости создания специальных условий хранения.

Следовательно, литиевые элементы могут надежно работать в течение не скольких лет в режиме прерывистого разряда или разряда очень малым то ком. В табл.4.12 дано сравнение сроков годности элементов различных систем. Для проведения такого сравнения в качестве приемлемого срока годности принято время хранения, после которого элемент еще способен отдавать 75% своей первоначальной емкости.

Таблица 4.11.

Отдаваемая емкость (в процентах от емкости при температуре +20°С) различных ХИТ при низких температурах Угольно Литиевые Темпе Щелочно Ртутная сис- цинковая системы ратура, марганцевая тема система °С система (Лекланше) V2O5 SO -7 88 96 0 -29 78 85 0 3 -40 73 60 0 0 Таблица 4.12.

Сравнение сроков годности элементов различных систем Щелочно- Угольно Температура Литиевая Ртутная сис- марганцево- цинковая хранения, система тема цинковая система °С система (Лекланше) 21Более 10 лет 3 – 4 года 2 – 3 года 1 – 2 года 54 Более 12 мес. 4 мес.2 мес 1,5 мес.

Данные, полученные фирмой Honeywell при испытаниях выпускае мых ею герметичных элементов системы LiSO2 типоразмера Double – C, показывают, что после 180-дневного хранения при 71°С элементы могут отдавать 88% емкости, отдаваемой свежеизготовленными элементами. Не которые стандарты устанавливают, что 180-дневное хранение при темпе ратуре 71°С примерно эквивалентно хранению в течение периода более 12 лет при комнатной температуре.

Экономическая эффективность. При массовом производстве системы на основе лития могут непосредственно конкурировать с системами на ос нове ртути и серебра по такому показателю, как затраты на один ватт-час.

Несмотря на то, что элементы литиевой системы по данному показателю не имеют заметного преимущества перед ХИТ других систем, экономия может быть выявлена, если сравнивать затраты в целом на аппаратуру, ис пользующие другие источники питания, с затратами на систему с литие выми батареями. Более высокая экономическая эффективность последней системы обусловлена тем, что:

а) аппаратура может содержать большую полезную нагрузку при ис пользовании литиевых батарей в следствие их меньших размеров и (или) массы.

б) более длительный срок автономной работы может быть достигнут при использовании батарей тех же размеров, но меньшей массы.

в) становится возможной работа устройств при низких температурах.

Большой срок годности литиевых ХИТ может привести к уменьше нию затрат на обслуживание, связанное с заменой батарей. Особенно это существенно при использовании аппаратуры, расположенной в удаленных местах, а также устройств, замена батарей в которых сопряжена со значи тельными затратами времени и средств.

г) уменьшаются затраты на приобретение запасных батарей, так как существенно увеличивается период между заменами батарей или же во обще отпадает необходимость такой замены. Не требуется создание осо бых условий для хранения батарей.

Даже если первоначальные затраты на литиевые ХИТ окажутся боль шими, специалисты, ответственные за обеспечение максимальной эконо мической эффективности эксплуатации аппаратуры, должны рассмотреть условия ее работы в течение всего срока службы и принять во внимание изложенные выше соображения.

Резервные ХИТ. Применяются в основном в устройствах, где требу ется большая мгновенная мощность, короткое время работы, очень боль шой срок сохраняемости. Большую часть времени такие элементы и бата реи находятся в неактивированном состоянии (режим хранения). Для при ведения в действие рассматриваемые ХИТ активируются различными спо собами (в зависимости от вида системы).

Высокотемпературные резервные термически-активируемые батареи.

Тепловые батареи содержат электрохимическую систему, которая остается инертной до тех пор, пока не будет активирована при помощи нагрева.

Эти ХИТ можно хранить даже подключенными к нагрузке. Используемый в элементе электролит представляет собой смесь безводных солей, которые проводят ток только в расплавленном состоянии. Конструкция батарей предусматривает наличие источника тепла, приводимого в действие при помощи электрического или механического запала. Время активации не превышает нескольких секунд. Продолжительность активного периода те пловой батареи составляет несколько минут (обычно не менее пяти). Срок сохраняемости достигает двадцати и более лет. Тепловые батареи приме няют в основном в военной технике.

Тепловые элементы способны разряжаться высокими плотностями то ка – более 4 кА/м2 при напряжении 2,5 – 3 В. Батареи имеют напряжение до 500 В при кратковременных разрядах (менее 1 мин.), удельная мощ ность тепловых батарей достигает 600 Вт/кг.

Водоактивируемые батареи. Основными системами таких ХИТ явля ются: магний-хлористое серебро;

цинк-хлористое серебро;

магний-хлори стая медь. Одной из зарубежных фирм производящих резервные ХИТ сис темы магний-хлористое серебро является McMurdo Instruments. Данная фирма выпускает серию элементов и батарей Aquacells, которые активи руются морской водой. Эти ХИТ широко применяются в качестве источ ника энергии для предупредительных огней, буев и маяков практически любых акваторий. Рассматриваемые ХИТ характеризуются большим сро ком годности при соблюдении условия хранения в герметичной упаковке.

После разгерметизации и заполнения водой они должны быть израсходо ваны в течение нескольких часов или дней.

Батарея L18A фирмы McMurdo Instruments предназначена для питания подводных прожекторов (1033525 мм, масса 95 г) и может обеспечивать ток 1 А при напряжении 4 В в течение 90 минут. Батарея L37 этой же фир мы (30525472 мм, масса 6,6 кг) служит для освещения аварийного люка подводной лодки и питания аварийных систем рабочим напряжением 24 В.

Она может снабжать энергией две лампы напряжением 24 В и мощностью 36 Вт в течение восьми часов. Фирма McMurdo Instruments производит также серию батарей Aquacells, предназначенных для надувных спа сательных плотов и спасательных жилетов.

Фирма SAFT выпускает различные водоактивируемые батареи на ос нове системы хлористое-серебро магний, хлористое-серебро цинк и хло ристая медь-магний. Первая из этих систем обеспечивает удельную энер гию по массе 30 – 120 по объему 40 – 250 Вт·ч / дм3 (2000 Вт / дм3). Рабо чие температуры находятся в интервале от –20 до +60 °С.

Фирма SAFT производит ХИТ данной системы напряжением 1 – 250 В. Элементы активируются при заполнении пресной или соленой водой и могут отдавать свою энергию в течение периодов времени от не скольких секунд до 20 дней. Эти батареи используются в маяках, торпедах, сигнальных звуковых устройствах, оборудовании шаров-зондов и др.

ХИТ на основе системы цинк-хлористое серебро, изготавливаемые фирмой SAFT, обеспечивают удельную энергию 15 – 60 Вт·ч / кг (удельная мощность 1000 Вт/кг) или 20 – 150 Вт·ч / дм3 (удельная мощность по объ ему 2400 Вт/дм3). Рабочий диапазон температур состав ляет от –30 до +60°С. Элементы активизируются путем заполнения пре сной водой или морской водой. Они отличаются большими сроками годно сти при хранении в неактивированном состоянии, хорошими характери стиками и способностью отдавать энергию в течение длительного срока (до 300 дней) при малых скоростях разряда. Выпускаются батареи напря жением от 1 до 50 В. Их применяют для питания оборудования на воздуш ных шарах и океанографических буях, аппаратуры связи и устройств во енного назначения.

ХИТ на основе системы магний-хлористая медь обеспечивают удель ную энергию 20 – 80 Вт·ч/кг (18 – 150 Вт·ч/дм3). Они работают в интервале температур от –20 до +60°С и обеспечивают мощность до 50 Вт. Фирма SAFT выпускает батареи напряжением 1 – 100 В. Элементы активируются при заполнении пресной или морской водой. Продолжительность разряда лежит в диапазоне от нескольких секунд до десятков часов. Батареи дан ного типа используются в аппаратуре шаров-зондов, на маяках и океано графическом оборудовании.

Аммиачные резервные батареи. Находят ограниченное применение.

Одной из фирм выпускающих такие ХИТ является Honeywell. Как утвер ждают специалисты данной фирмы, значительно сократились исследова ния в области разработки аммиачных резервных ХИТ в связи с широким использованием батарей на основе лития.

Резервные батареи на основе аммиака в ряде случаев имеют преиму щества перед батареями аналогичного назначения на основе лития. Они хороши когда при малой продолжительности работы требуются большие токи, длительный срок годности, интервал рабочих температур от –54 до +74°С. Аммиачная резервная батарея G2695 фирмы Honeywell предназна чена для обеспечения разрядного тока 500 мА в течение 10 минут при на пряжении около 7,5В. Она используется для питания таймера типа ХМ- ракеты Lance.

4.2 Аккумуляторы В соответствии с принятой в технической литературе терминологией аккумуляторы и аккумуляторные батареи относятся к вторичным ХИТ, предназначенным для производства электрической энергии. Аккумуляторы и аккумуляторные батареи отдают во внешнюю электрическую цепь энер гию, запасенную в процессе заряда. Их использование для питания радио аппаратуры в ряде случаев более целесообразно, чем использование галь ванических элементов и батарей.

Аккумуляторы допускают многократный заряд и разряд. При зарядке аккумулятора его положительный полюс подключается к положительному полюсу зарядного устройства. Заряд аккумулятора осуществляется током, идущим в направлении, обратном току разряда.

Наиболее широкое распространение получили следующие типы акку муляторов: кислотные, щелочные, серебряно-цинковые, герметичные ни кель-кадмиевые и никель-металлгидридные.

Кислотные аккумуляторы. Характеризуются следующими парамет рами:

- ЭДС заряженного аккумулятора 2,6 – 2,8 В;

- ЭДС разряженного аккумулятора 1,7 – 1,8 В;

- КПД до 80%;

- срок службы (количество циклов заряд-разряд) 300 – 800;

- саморазряд в сутки 1 – 2%.

Кислотные аккумуляторы получили широкое распространение для питания электрооборудования автотранспорта (в этом случае они исполь зуются как стартерные) и для питания радио и телефонной аппаратуры.

Выпускаются герметичные аккумуляторы, использующиеся, главным об разом, в переносной радиоаппаратуре.

При эксплуатации кислотных аккумуляторов необходимо иметь в ви ду их чувствительность к перезарядам и недозарядам, следствием которых является постепенное разрушение активной массы пластин. Разряд ки слотного аккумулятора, после того как напряжение на нем (или на каждом аккумуляторе батареи) достигает 1,8 В, прекращают.

Напряжение свежезаряженного аккумулятора равно 2,7 – 2,8 В. В са мом начале разряда оно падает до 2 В и поддерживается на этом уровне большую часть времени разряда, а потом начинает постепенно умень шаться.

В зависимости от назначения различают ряд типов кислотных (свин цовых) аккумуляторов. Для снабжения энергией стационарных устройств используют стационарные аккумуляторы, корпус которых выполняют час то из стекла или кислотоупорной пластмассы. Такие ХИТ характеризуются наибольшим сроком службы, который при правильной эксплуатации дохо дит до 1000 циклов.

В зависимости от требуемого напряжения и общей емкости стацио нарные аккумуляторы собирают в батареи путем последовательного и (или) параллельного соединения.

Запуск автомобильных и тракторных двигателей и питание бортового электрооборудования осуществляется от так называемых стартерных ак кумуляторов.

Стартерные аккумуляторные батареи для автомобилей, тракторов, ав тобусов, гусеничных машин и моторных катеров имеют напряжение 6 или 12 В. Корпус стартерных аккумуляторов выполняют обычно из эбонита или твердой пластмассы, герметично заливая сверху специальной массой.

Срок службы стартерных аккумуляторов превышает 100 циклов за ряд-разряд. По времени эксплуатации автомобиля это соответствует при мерно 600 ч. Некоторое представление о возможностях и характеристиках стационарных и стартерных аккумуляторных батарей дает табл.4.13.

Специально для питания РЭА выпускают радиоанодные и радиона кальные аккумуляторы. Собирают их в эбонитовых ящиках.

Как следует из данных табл.4.13, отдаваемая аккумулятором емкость зависит от величины разрядного тока (сравни с ХИТ системы Лекланше).

Для стартерных аккумуляторных батарей на 6 В (3СТ) и 12 В (6СТ) в табл.4.13 приведены значения максимального (пикового) тока, который они способны отдавать в течение нескольких секунд.

Таблица 4.13.

Технические характеристики кислотных аккумуляторных батарей Масса Режим разряда без Тип Габариты, 10 часов 1час электро батареи мм лита, Емкость, Ток, Емкость, Ток, кг А А Ач Ач С–1 36 3,6 18,5 18,5 8, С–2 72 7,2 37 37 14, С–3 108 10,8 55,5 55,5 18, СП–35 35 3,5 15 15 5, СП–70 70 7,0 30 30 88162280 8, СП– 105 10,5 45 45 135162280 11, 60 6/180 3СТ-60 70 7/210 14, 3СТ-70 98 9,8/295 19, 3СТ-98 126 12,6/380 22, 3СТ-126 54 5,4/160 19, 6СТ-54 68 6,8/205 24, 6СТ-68 Щелочные аккумуляторы. Наряду с кислотными аккумуляторами широкое распространение получили щелочные аккумуляторы, где элек тролитом служит едкий кали или едкий натр, а электродами являются же лезные никелированные рамки, удерживающие пакеты с активной массой.

В положительных пластинах кадмиево-никелевых аккумуляторов актив ной массой является гидрат окиси никеля в смеси с графитом, в от рицательных – кадмий и окись железа. Активная масса железо-никелевых аккумуляторов не содержит кадмия и имеет несколько иной состав.

Основные параметры щелочных аккумуляторов следующие:

- ЭДС заряженного аккумулятора 1,75 – 1,8 В;

- ЭДС разряженного аккумулятора 0,8 – 1,0 В;

- КПД до 60%;

- срок службы (количество циклов заряд-разряд) 500 – 1000;

- саморазряд в сутки 1,5%.

Свежезаряженный щелочной аккумулятор дает напряжение около 1,7 – 1,8 В. После прекращения заряда это напряжение даже без подклю чения нагрузки быстро падает до 1,4 – 1,45 В. Под нагрузкой напряжение каждого аккумулятора равно 1,2 В. В конце разряда напряжение падает до 1 – 0,95 В. Это говорит о том, что емкость аккумулятора израсходована и его требуется заряжать снова.

Щелочные аккумуляторы по сравнению с кислотными обладают ря дом преимуществ. Они имеют меньшую массу, не боятся вибраций и толч ков, не портятся от кратковременных коротких замыканий и от больших зарядных и разрядных токов, могут оставаться долгое время незаряжен ными. Однако они дороже свинцовых, дают значительно меньшее напря жение на каждый аккумулятор и имеют меньший КПД.

Герметичные щелочные аккумуляторы. Наибольшее распростра нение в малогабаритной аппаратуре получили никель-кадмиевые и ни кель-металлгидридные герметичные аккумуляторы. Они изготавливаются двух типов: дисковые и цилиндрические. Могут иметь два вида электро дов: ламельные и безламельные. Дисковые аккумуляторы применяются в малогабаритной приемно-передающей аппаратуре, слуховых аппаратах, микрокалькуляторах, игрушках, электрофонарях и др. Цилиндрические аккумуляторы дешевы, имеют значительные сроки службы и сохранность, хорошо переносят ударные нагрузки. Все это определяет их широкое при менение в медицинской, полевой, геофизической и других видов РЭА.

Основные параметры герметичных никель-кадмиевых аккумуляторов:

- ЭДС заряженного аккумулятора1,48 – 1,5 В;

- ЭДС разряженного аккумулятора 0,7 – 1,0 В;

- КПД 50 – 60%;

- срок службы (количество циклов заряд-разряд) до 1000;

- разрядный ток – в широких пределах;

- допускается перезаряд и недозаряд.

Безламельные кадмиево-никеливые аккумуляторы имеют малое внут реннее сопротивление и могут работать в стартерных режимах. Сохраняют устойчивую работоспособность в условиях низких температур и при воз действии вибраций и ударов.

Напряжение одного заряженного никель-кадмиевого аккумулятора равно 1,3 В, разряженного – 1 В. Емкость аккумулятора при напряжении 1 В, как правило, израсходована не полностью, однако разряжать его дальше не следует. Глубокий разряд никель-кадмиевого аккумулятора (до напряжения 0,4 – 0,5 В) производят только в профилактических или «ле чебных» целях. Дело в том, что в процессе эксплуатации никель-кадмие вого аккумулятора происходит постепенное увеличение размера зерен ак тивной массы, следствием которого является снижение рабочей емкости а, в перспективе – выход из строя аккумулятора по причине разрушения межэлектродного сепаратора и катастрофического увеличения утечки (эф фект памяти). Увеличение размера зерен активной массы происходит то гда, когда аккумулятор попадает в зарядное устройство будучи не полно стью разряженным. Это необходимо учитывать при эксплуатации никель кадмиевых аккумуляторов и батарей. Для снятия эффекта памяти исполь зуют глубокий разряд, в процессе которого происходит уменьшение раз мера зерен активной массы и восстановление емкости аккумулятора. Та ким образом, глубокий периодический разряд является лечебно-профилак тическим средством, благотворно сказывающимся на «здоровье» никель кадмиевого аккумулятора. У никель-металлгидридных аккумуляторов эф фект памяти проявляется в незначительной степени и особых проблем не вызывает. Он просто не успевает проявиться в течение срока службы ак кумулятора. Хотя по данным некоторых источников и для таких аккумуля торов показан глубокий периодический разряд.

В случае нормальной эксплуатации срок службы никель-кадмиевых аккумуляторов находится в пределах 500 – 600 циклов заряд-разряд, после чего емкость аккумулятора снижается примерно на половину. Однако со гласно данным ряда исследований, благодаря регулярному глубокому пе риодическому разряду срок службы аккумуляторов увеличивается до циклов заряд-разряд и более.

Наибольшее распространение в отечественной аппаратуре получили дисковые аккумуляторы следующих типов: Д-0,01;

Д-0,06;

Д-0,7;

Д-0,12;

Д-0,2;

Д-0,25 и Д-0,26. Аккумуляторам присвоено условное обозначение, которое используется при заказе и в конструкторской документации новых разрабатываемых изделий. В условном обозначении типа аккумулятора буквы и цифры означают: Д – дисковый аккумулятор;

цифры после букв – номинальную емкость аккумулятора в ампер-часах;

буквы после цифр – режим разряда: Д – длительный (10 - часов);

С - средний (5 - часов). При мер условного обозначения дискового аккумулятора емкостью 60 мАч для длительного режима разряда: аккумулятор Д-0,06Д ГОСТ 11258-79.

Электрические характеристики отечественных дисковых никель-кад миевых аккумуляторов даны в табл.4.14 и 4.15.

Батареи из герметичных никель-кадмиевых аккумуляторов. Применя ются в РЭА, требующей напряжения источника питания превышающего 1,2 – 2,4 В. Батареи составляются как из дисковых, так и из цилиндриче ских аккумуляторов. Рассмотрим характеристики некоторых оте чественных батарей.

Батарея 10 КНГ-3,5Д предназначена для питания РЭА, рассчитанных на напряжения питания 12 В при нормальной температуре окружающей среды. Номинальная емкость батареи (2,9 Ач) и среднее разрядное напря жение (12В) обеспечивается конструкцией батареи, в составе которой пре дусмотрено реле минимального напряжения. Масса батареи 2,5 кг, габари ты 1759978 мм.

Основные электрические характеристики: номинальный ток заряда 0,35 А;

длительность заряда батареи номинальным током 15 часов;

номи нальный ток разряда 1,2 А;

начальное напряжение при разряде 13,8 В;

среднее напряжение при разряде 12 В;

конечное напряжение не менее В;

емкость батареи после ее заряда 1,9 – 2,4 Ач (в зависимости от темпе ратуры);

срок службы батареи не менее 400 циклов.

Таблица 4.14.

Электрические характеристики герметичных никель-кадмиевых аккумуляторов 5-часовой режим 10-часовой ре- 15-часовой ре разряда жим разряда жим разряда Тип аккуму лятора Ток, Емкость, Ток, Емкость, Ток, Емкость, мА мА мА мАч мАч мАч Д-0,025 Д 2,5 25 2,5 37, Д-0,06 1260 Д-0,06 Д Д-0,1 23 115 12 Д-0,115 Д 11,5 115 11,5 179, Д-0,25 50 250 25 Д-0,26 Д 26 260 26 Д-0,26 С 52 260 26 Д-0,55 С110550 55 Таблица 4.15.

Предельные режимы разряда дисковых аккумуляторов Режим разряда Режим разряда Тип аккуму Ток, Конечное на- Емкость, лятора Ток, мА Время, ч мА пряжение, В мАч Д-0,25 20 19 130 0,7 Д-0,26 С 26 15 130 0,9 Д-0,55 55 15 160 0,9 Д-0,55 Д 55 15260 09 Батарея 10 НКГЦ-1Д предназначена для питания РЭА в режиме дли тельного разряда напряжением 12 В.

Батарея обеспечивает устойчивую работу переносных и автомобиль ных приемников и малогабаритных транзисторных телевизоров при нор мальной рабочей температуре окружающей среды, а также после пребыва ния батареи при температуре окружающей среды до –50°С с последующей выдержкой в течение 12 часов при температуре (25±10)°С.

Масса аккумуляторной батареи не превышает 710 г, габариты 1119845,5. Электрические характеристики батареи при разряде даны в табл.4.16.

Таблица 4.16.

Электрические характеристики батареи 10 НКГЦ-1 Д при разряде до конечного напряжения 10 В Температура Продолжитель Емкость, Разрядный ток, окружающей ность разряда, мА Ач среды, °С ч, не менее 100 1,0 25± 600 0,8 1 ч 20 мин 25± 600 0,6 25± 50 0,4 -40± 600 0,32 32 мин -20± 100 50 Батарея 7Д-0,115-У1.1 применяется для питания постоянных током малогабаритных переносных радиоприемников, электронных телефонных устройств и других изделий РЭА.

Батарея составлена из семи последовательно соединенных герметич ных, дисковых аккумуляторов.

Электрические характеристики батареи приведены в табл.4. Таблица 4.17.

Электрические характеристики батареи 7Д-0,115-У1. Продолжи- Конечное Емкость, Ток, Режим тельность, напряжение, мА мАч ч В, не менее Заряд 12 15 10-часовой 11,5 Разряд 5-часовой 20 100 Наибольший допустимый ток разряда батареи – 50 мА. При таком то ке разряда (если он происходит при нормальной температуре) батарея от дает до 60 – 80% своей номинальной емкости. При понижении темпера туры емкость батареи значительно уменьшается (табл.4.18), и практиче ским температурным пределом эксплуатации батареи можно считать -5°С.

Однако и при более низкой температуре работоспособность батареи еще некоторое время сохраняется. Так, при температуре около -15°С она отдает почти 50% своей номинальной емкости.

Таблица 4.18.

Зависимость емкости батареи 7Д-0,115-У1.1 от температуры Температура, °С Емкость, % от номинальной, не менее -10±2 -20±2 -30± +40± Серебряно-цинковые аккумуляторы. Выгодно отличаются от ки слотных и щелочных значительно большей удельной емкостью (на еди ницу массы), которая у них в четыре – пять раз выше, более высоким КПД и сравнительно небольшим саморазрядом. Кроме того, серебряно-цинко вые аккумуляторы могут работать при значительном понижении атмо сферного давления. Срок службы серебрянно-цинковых аккумуляторов исчисляется 300…500 циклами заряд-разряд.

Серебряно-цинковые аккумуляторы характеризуются следующими основными показателями: ЭДС заряженного аккумулятора 1,75 – 1,8 В.

ЭДС разряженного аккумулятора 0,7– 0,6 В;

саморазряд в сутки 0,3 – 0,4%.

Серебряно-цинковые аккумуляторы собираются в пластмассовых бан ках. Отрицательным электродом служат пластины из спрессованного по рошка цинка и окиси цинка, положительным электродом является пла стина из чистого серебра. В качестве электролита используется раствор ед кого калия.

Напряжение серебряно-цинкового аккумулятора, подключенного к на грузке, быстро падает до 1,5 В и на этом уровне держится до тех пор, пока не будет израсходована вся емкость аккумулятора. После этого напряже ние быстро уменьшается, что является признаком того, что аккумулятор требуется ставить на зарядку. Благодаря высокой стабильности напряже ния серебряно-цинковые аккумуляторы могут использоваться в качестве источников опорного напряжения.

Серебряно-цинковые аккумуляторы мало чувствительны к большим разрядным токам. Аккумуляторы типа СЦ можно разряжать в течение 15 минут почти до полного использования емкости. Допускается частый глубокий разряд, возможен быстрый заряд: до 80% емкости за 15 минут.

Диапазон рабочих температур от –20 до +60°С, однако возможна их работа и в интервале температур от –60 до +80°С.

Аккумуляторы типа СЦ имеют относительно высокую стоимость, но благодаря своим положительным качествам применяются достаточно ши роко. Основные электрические параметры некоторых отечественных акку муляторов типа СЦ в прямоугольных корпусах представлены в табл.4.19.

Таблица 4.19.

Основные электрические параметры аккумуляторов типа СЦ Разрядный Напря Тип аккуму- Емкость, ток при Габариты, Масса, жение, лятора 5-минутном, мм г Ач В разряде, А СЦ-0,5 1,5 0,5 7 29, СЦ-3 1,5 3 35 СЦ-5 1,5 5 70 СЦ-11 1,5 11 120 СЦ-15 1,5 15 100 СЦ-18 1,5 18 120 СЦ-25 1,5 25 150 СЦ-40 1,5 40 180 СЦ-45 1,5 45 700 СЦ-50 1,5 50 900 СЦ-70 1,5 70 950 СЦ-95 1,5 95 1200 СЦ-100 1,5 100 1200 5СЦ-5 7,5 5 70 3СЦ-5 4,5 5 70 8СЦ-45 1245 700 15СЦ-45 22,5 45 700 В зависимости от режима разряда по длительности аккумуляторы из готавливают для короткого до 1ч (стартерного) режима типа СЦК, сред него (1 – 5 ч разряда), длительного (10…20 ч разряда).

4.3 Эксплуатация первичных ХИТ Одно из важных преимуществ первичных ХИТ состоит в простоте их эксплуатации. Большинство таких источников не требуют никакого об служивания. Подготовка к работе заключается в проверке внешнего вида и срока годности, а иногда и фактических параметров ХИТ (начального раз рядного напряжения, реже – внутреннего сопротивления). При подключе нии ХИТ необходимо следить за соблюдением полярности и надежности контактов. Несоблюдение полярности может привести к выходу из строя аппаратуры, особенно радиоэлектронных схем, содержащих транзисторы, микросхемы и электролитические конденсаторы.

Электрический режим работы источников тока определяется графи ком нагрузки потребителя. В большинстве случаев ХИТ работают по сложному, часто произвольному графику. Например, мощность отбирае мая от батареи транзисторного радиоприемника, изменяется при измене нии громкости, а сам приемник включается и выключается произвольно.

В электронных часах и кардиостимуляторах ХИТ работают непрерывно, но график разряда импульсный. Случаи непрерывной работы на постоян ную нагрузку встречаются довольно редко.

Первичные ХИТ, как правило, используют до выработки всей емко сти. Однако в ряде случаев следует избегать их полного разряда и особен ного длительного хранения в аппаратуре после окончания разряда. Из от дельных элементов, в частности наиболее распространенных угольно цинковых элементов, после полного разряда вытекает электролит, который может повредить питаемую РЭА. В некоторых случаях происходят взрывы герметичных элементов, в частности элементов ртутно-цинковой системы и отдельных типов литиевых элементов при хранении в разряженном со стоянии. Особенно тщательно необходимо следить за работой батарей из большого числа последовательно включенных элементов. Во избежание переполюсовки отдельных элементов необходимо контролировать рабочее напряжение батарей и своевременно производить их замену.

Большинство первичных ХИТ характеризуются значительным внут ренним сопротивлением. Поэтому кратковременные внешние короткие за мыкания обычно не приводят к большим разрушениям.

Некоторые типы первичных ХИТ требуют более сложного обслужи вания. Так, перед использованием резервных батарей необходимо про вести определенные операции для их активизации. При эксплуатации ХИТ в условиях низких температур в ряде случаев приходится решать вопросы их обогрева.

4.4. Эксплуатация аккумуляторов Аккумуляторы и аккумуляторные батареи требуют более сложного ухода, чем первичные ХИТ, и эти осложнения в значительной степени свя заны с процессом заряда. Если режим разряда аккумуляторов определяется особенностью питаемой аппаратуры, то режим заряда зависит в основном от особенностей самих аккумуляторов. Из-за газовыделения при заряде большинство аккумуляторов имеет негерметичную конструкцию, что вле чет за собой дополнительные эксплуатационные осложнения по сравнению с первичными ХИТ.

Режимы эксплуатации. Различают три режима эксплуатации акку муляторов: переключения, буферный и аварийный. В режиме переключе ния аккумуляторная батарея разряжается и заряжается поочередно. Это ха рактерно, например, для переносной РЭА, питающейся от герметичных аккумуляторов. В буферном режиме аккумуляторная батарея подключа ется параллельно другому источнику электроэнергии, при возрастании на грузки батарея частично разряжается, при снижении нагрузки она вновь подзаряжается. В буферном режиме работают стартерные батареи на авто мобилях, аккумуляторные батареи космических аппаратов и другие. В ава рийном (резервном) режиме аккумуляторная батарея постоянно поддержи вается в состоянии готовности к работе, но подключается к цепи только в аварийной ситуации при прекращении подачи энергии от основного ис точника.

Кроме обычных зарядно-разрядных циклов применяются некоторые специальные: формовочные и контрольно-тренировочные циклы.

Формовочные циклы проводят после изготовления пластин или после заправки аккумулятора электролитом для приведения пластин в рабочее состояние (иногда ограничиваются только одним формировочным заря дом).

Контрольно-тренировочные циклы проводят, в основном, в том слу чае, когда аккумуляторы эксплуатируются нерегулярно или постоянно разряжаются не на полную глубину. Сюда же относится и периодический, глубокий разряд никель-кадмиевых аккумуляторов, проводимый для уст ранения негативных последствий эффекта памяти. Глубокий разряд пред полагает, по крайней мере, один цикл: полный заряд аккумулятора и по следующий его разряд до напряжения приблизительно 0,4 В при измене нии разрядного тока в соответствии с установленным графиком.

Способы заряда аккумуляторов. В большинстве случаев зарядные устройства снабжены системами, позволяющими поддерживать постоян ным один из электрических параметров: напряжение или ток заряда. В за висимости от того, какой электрический параметр выдерживается, разли чают два основных способа заряда: при по VD стоянном токе и при постоянном напряже R + нии.

Устройства для заряда при постоянном Сеть ~ тока токе обычно более просты. Так, например, Аккумулятор 220 В 50 Гц ряд бытовых зарядных устройств для гер метичных аккумуляторов выполняются по базовой схеме (рис.4.3).

Рис.4.3. Базовая схема заря- Удобством заряда при постоянном токе дного устройства с постоян является простота расчета количества про ным выходным током.

пущенного электричества как произведения тока и времени заряда. Однако этот способ заряда имеет и свои недостатки. При малом токе время заряда велико. При большом токе к концу заряда ухудшается заряжаемость, так как неравно мерное распределение тока по толщине пористых электродов вызывает в наружных, уже заряженных слоях, значительное газовыделение, в то время как внутренние слои лишь медленно дозаряжаются. Особую осторожность необходимо соблюдать при заряде большим током никель-металлгидрид ных аккумуляторов. Вообще для заряда никель-металлгидридных аккуму ляторов целесообразно использовать только специальные устройства, пре дусматривающие изменение выходного тока в зависимости от текущего состояния аккумуляторов.

Во время заряда при постоянном напряжении начальный ток велик и далее непрерывно уменьшается во времени. К концу заряда ток уменьша ется до очень малых значений, из-за чего время полного заряда велико.

Большое значение имеет правильный выбор напряжения заряда – чем оно меньше, тем меньше побочные процессы и газовыделение при заряде, но тем больше продолжительность заряда. Оптимальное напряжение зависит от температуры и от состояния батареи, что усложняет применение этого способа. Недостатком этого метода является также перегрев аккумулято ров из-за большого начального тока.

Для преодоления недостатков, присущих выше рассмотренным про стым способам заряда, используются разнообразные комбинированные способы заряда. Во всех этих способах с целью сокращения газовыделения используют в начальной стадии большие токи заряда, а в конечной – не большие токи.

В некоторых случаях для заряда аккумуляторов (особенно щелочных) используют асимметричный переменный ток, полученный наложением по стоянного и переменного токов. Базовая схема такого зарядного устройства пред- VD Rогр + ставлена на рис.4.4.

Резистор Rогр задает величину «пря Rш Сеть ~ тока Акку мого» зарядного тока. Благодаря Rш через 220 В 50 Гц мулятор аккумулятор протекает также «обратный» ток (меньший по величине по сравнению с «прямым»). При заряде асимметричным Рис.4.3. Устройство для заря током меняется структура образующихся да аккумуляторов асимметрич при заряде активных масс, что сказывается ным током.

на эксплуатационно-технических характе ристиках аккумуляторов: несколько увеличивается разрядная емкость или стабилизируется напряжение разряда. Заряд асимметричным током поле зен для никель-кадмиевых аккумуляторов страдающих эффектом памяти.

Наблюдаемые эффекты сильно зависят от соотношения значений перемен ного и постоянного токов и от частоты переменного тока. При заряде асимметричным током усиливается тепловыделение, а также возможно усиленное газовыделение. Для отдельных типов аккумуляторов (в частно сти, для некоторых вариантов кислотных аккумуляторов) заряд асиммет ричным током сокращает их срок службы и поэтому не применяется. От рицательно влияет на такие аккумуляторы даже пульсирующий (недоста точно сглаженный) постоянный ток выпрямителей.

Очень важно при заряде аккумуляторов определять окончание про цесса заряда, так как для ряда аккумуляторов не допустимы недозаряды или перезаряды.

4.5. Надежность ХИТ Под надежностью ХИТ понимают их способность сохранять огово ренные в технической документации характеристики при эксплуатации в течение заданного времени.

Для ХИТ характерен довольно большой разброс характеристик, свя занный с технологическими причинами, в частности с колебаниями свойств исходного сырья. Этот разброс обычно учитывается в технической документации: указанные там гарантированные значения параметров ниже фактических средних значений. Поэтому ХИТ часто имеют достаточный запас по показателям.

Можно различать два вида отказов: внезапные и параметрические.

Внезапные отказы являются следствием явных или скрытых технологиче ских дефектов, не обнаруженных на стадии производственного контроля.

Часто такого рода дефекты проявляются уже в начальный период работы и приводят к быстрому выходу ХИТ из строя.

Параметрические отказы – это выход того или иного параметра за ус тановленный допуск при сохранении общей работоспособности. Парамет рические отказы обычно связаны с качеством сырья и с незначительными нарушениями технологического процесса. Они проявляются постепенно, обычно ближе к концу гарантированного срока службы. Параметрические отказы характерны в большей степени для аккумуляторов и реже отмеча ются в первичных ХИТ.

Существует ряд факторов, осложняющих достижение высокой на дежности ХИТ: сильное влияние примесей (даже в малых концентрациях) на свойства активных масс;

большое количество технологических стадий при изготовлении электродов и ХИТ в целом;

использование разнообраз ных исходных материалов: металлов, пластмасс, резины герметизирующих составов и т.п.

Существенным фактором, снижающим надежность ХИТ, является со единение большого количества элементов в батареи. При последователь ном соединении отказ одного элемента приводит к прекращению работы всей батареи, а при параллельном соединении элементов короткое замы кание в одном из них приводит к шунтированию и к разряду остальных элементов. В высоковольтных батареях появляется еще дополнительный фактор, не связанный с надежностью отдельных элементов: возможность утечек тока и саморазряда, например, за счет уменьшения межэлектродной изоляции, особенно это характерно для малогабаритных батарей. Поэтому в случае, если требуется высокое питающее напряжение, иногда предпоч тительнее использовать низковольтные батареи в сочетании с преобразо вателями напряжения.

Резервные батареи выпускаются в неактивированном состоянии. По этому ряд их существенных параметров не может быть проконтролирован при производстве. Поэтому единственным средством обеспечения качества является пооперационный контроль во время производства. Так как ре зервные батареи используются в основном в ответственных изделиях, тре бования к степени их надежности высокие.

Надежность сложных источников тока: электрохимических генера торов (топливных элементов), резервных батарей, источников тока с цир куляцией электролита или внешним обогревом – зависит также от надеж ности вспомогательных и регулирующих устройств.

4.6. Области применения ХИТ Транспортные средства (стартерные и вспомогательные батареи).

Во всех транспортных средствах с двигателями внутреннего сгорания ис пользуются аккумуляторные батареи для запуска двигателей и для питания бортовых устройств. В автомобилях с карбюраторным двигателем батарея выполняет три функции: питание стартера для запуска двигателя, питание системы зажигания при запуске, когда еще не работает генератор, и пита ние вспомогательных устройств при неработающем двигателе. Аккумуля торные батареи на самолетах, кроме того, должны обеспечивать аварий ный режим, то есть работу всей жизненно важной бортовой аппаратуры при выходе из строя генератора.

Стартерные батареи работают в буферном режиме. При запуске дви гателей они разряжаются большими токами. Работы в стартерном режиме кратковременны (не более 20 сек на автомобилях и 60 сек на самолетах).

Поэтому в нормальных условиях стартерные батареи подвергаются неглу боким разрядам. При одиночном запуске расходуется от 3 до 10% емкости, после чего сразу начинается подзаряд. Одновременно батареи должны иметь достаточный энергозапас (для освещения, работы в аварийном ре жиме и т.п.).

В качестве стартерных батарей используют, в основном батареи из свинцовых и значительно реже из никель-кадмиевых и серебряно цинковых аккумуляторов (последние, как правило, только в авиации).

Автомобильные стартерные батареи имеют номинальное рабочее на пряжение 12 В и емкость от 40 до 200 Ач. Авиационные батареи рассчи таны на номинальное напряжение 24 В.

В транспортной энергетике значительное место занимают ХИТ, пред назначенные только для обеспечения вспомогательных нужд, но не рас считанные на запуск. Суда относятся железнодорожные, судовые и другие аналогичные батареи, применяемые для освещения, а также для питания кондиционеров, местных радиостанций, средств сигнализации и на ос тановках, когда не работают генераторы.

Такие батареи составляются из свинцовых и никель-железных акку муляторов. Вспомогательные батареи эксплуатируются в жестких усло виях: в широком диапазоне температур (практически от –50 до +50°С), при повышенной влажности, повышенной загрязненности (вагонные батареи), при значительных механических нагрузках. Емкость железнодорожных ба тарей составляет 70…500 Ач.

Электрические транспортные средства (тяговые батареи). В ряде случаев транспортные средства не могут иметь двигатель внутреннего сго рания. В этих случаях используют тяговые электродвигатели и специаль ные тяговые батареи. Тяговые батареи работают в режиме переключения и рассчитаны, как правило, на глубокий разряд в широком интервале нагру зок. К ним предъявляются требования большого срока службы и большого ресурса. Обычно они подлежат ремонту.

В качестве тяговых источников используются большей частью свин цовые и никель-железные аккумуляторы. Они имеют емкость от 40 до 1200 Ач, а для подводных лодок – несколько тысяч ампер-часов.

Тяговые батареи находят применение также в электромобилях. Такие батареи, как правило, имеют способность к форсированному заряду. В на стоящее время разрабатываются и уже находятся в эксплуатации автомо били повышенной экономичности, сочетающие в себе двигатель внутрен него сгорания и электродвигатель с тяговой батареей.

Стационарные установки (стационарные батареи). Стационарные батареи эксплуатируются в более мягких условиях, чем транспортные. Они всегда находятся в нормальном положении, поэтому можно не заботиться об их тщательной герметизации. Отсутствие вибраций и других ме ханических нагрузок существенно упрощает требования к конструкции ба тарей, аккумуляторов и электродов. Зачастую стационарная аппаратура размещается в помещениях и работает в оптимальном температурном ре жиме. Однако в ряде областей применения, например, на автоматических удаленных метеостанциях, стационарные установки работают в жестких климатических условиях при температурах от –50 до +50°С. Стационарные батареи часто имеют большую емкость сотни и тысячи ампер-часов. Мас согабаритные показатели обычно не имеют решающего значения, т.е. к ис точникам тока не предъявляются требования высоких удельных харак теристик.

Стационарные батареи, предназначенные для длительных разрядов небольшими токами, часто состоят из первичных элементов, например, щелочных. Такие батареи используются на железнодорожном транспорте для питания сигнализации, стрелочного хозяйства и т.д. Длительная работа без обслуживания характерна для автономных и удаленных метеостанций, релейных станций и т.п. На ряде телефонных станций аккумуляторные ба тареи используются в качестве источников постоянного тока. Свинцовые стационарные аккумуляторы большой емкости, работающие в буферном режиме, используются на электростанциях для питания вспомогательного оборудования. Широко используются аварийные аккумуляторные уста новки, обеспечивающие освещение и работу важных агрегатов и устройств при перебоях в работе электросети. Такие источники находятся в постоян ной готовности и рассчитаны на работу в течение нескольких часов. Ава рийные установки монтируются в больницах (для бесперебойной работы операционных и реанимационных отделений), в защитных сооружениях гражданской обороны, на важных промышленных объектах в вычисли тельных центрах. Аварийные источники тока в обычных условиях редко разряжаются: для компенсации саморазряда они постоянно или периоди чески подзаряжаются.

Переносные и бытовые приборы. Представляют собой наиболее ши рокую область применения ХИТ как по количеству отдельных источников тока, так и по их номенклатуре. В переносных и бытовых приборах ис пользуют элементы и батареи малой и средней емкости – от 0,01 до 100 Ач.

Номенклатура приборов, работающих от ХИТ, включает в себя раз личные радиотехнические и телевизионные устройства (транзисторные ра диоприемники, магнитофоны, телевизоры, мобильные средства связи) как бытового, так и военного назначения, переносные фонари, кино- и фото аппаратуру, миниатюрные устройства (электронные часы, слуховые аппа раты, калькуляторы), игрушки, бытовую технику, разнообразные приборы (тестеры, приборы дозиметрического контроля и т.п.), различные меди цинские устройства (переносные приборы для физиотерапевтических про цедур, электрокардиостимуляторы и др.).

Богатый ассортимент приборов, питающихся от ХИТ, определяет и большое разнообразие условий их эксплуатации. Так, например, батареи для карманных фонарей работают в широком интервале температур. А ба тареи электрокардиостимуляторов – в практически изотермических усло виях. ХИТ, применяемые в военной технике и медицине, должны иметь очень высокую надежность, которая не требуется, например, для батарей в электрофицированных игрушках. Во многих случаях важной характери стикой ХИТ является стоимость и ради ее уменьшения идут на некоторые ухудшения электрических характеристик. В других случаях наиболее су щественной оказывается какая-нибудь одна характеристика, например, стабильность рабочего напряжения, удельная энергия, диапазон рабочих температур или срок годности.

В большинстве случаев ХИТ в переносных и бытовых приборах должны иметь невыливающийся электролит и допускать транспортировку и эксплуатацию в любом положении.

Наибольшее распространение в этой области получили сухие угольно цинковые и щелочные первичные элементы и батареи, а также никель кадмиевые и никель-металлгидридные аккумуляторы.

Специальные области применения ХИТ. Это военная и космиче ская техника, а также некоторое научное оборудование. Примерами специ альных объектов, использующих ХИТ, могут служить искусственные спутники Земли и космические корабли, ракеты, батискафы и другие под водные аппараты, электроторпеды, метеорологические шары-зонды и др.

Среди ХИТ для таких объектов можно выделить две группы: источ ники, рассчитанные на кратковременную большую нагрузку, и источники, предназначенные для длительного разряда небольшими токами.

На космических объектах широко применяются энергосистемы, со стоящие из полупроводниковых солнечных батарей и аккумуляторных ба тарей, работающих в буферном режиме. Аккумуляторные батареи на ис кусственных спутниках Земли обеспечивают энергоснабжение аппаратуры во время пребывания спутника в тени Земли, а также при больших нагруз ках, превышающих возможности солнечных батарей. В остальное время аккумуляторы заряжаются от солнечных батарей. Типичный режим работы таких аккумуляторных батарей: 20 – 40 минут разряд, 50 – 70 минут заряд, то есть около 16 зарядно-разрядных циклов (как правило неполных) за земные сутки.

К таким ХИТ, как и к остальному оборудованию специальной тех ники, предъявляют повышенные требования по удельным характеристикам и по надежности. Они должны иметь большое время хранения. Часто при их хранении в изделии они должны постоянно находится в готовности к разряду. Поэтому многие задачи специальной техники решаются с по мощью резервных ХИТ. Объекты специального применения эксплуатиру ются, как привило, в широком диапазоне климатических условий: от арк тических до тропических – а также при повышенных механических нагруз ках. В тоже время экономический фактор при выборе подобных источни ков обычно не является определяющим.

4.7 Экономические вопросы производства и применения ХИТ Точная оценка современных объемов производства различных ХИТ затруднена. Многие данные о выпуске ХИТ за рубежом закрыты, так как они составляют секреты отдельных фирм и военных организаций. Выпуск ХИТ указывается иногда в количестве элементов или батарей, имеющих разную емкость, иногда в суммарной емкости в ампер-часах, что так же неудобно для сравнения. Более полное представление об объеме производ ства ХИТ можно получить, если использовать в качестве единого критерия номинальный энергозапас в киловатт-часах. По очень грубой оценке, об щий выпуск ХИТ во всем мире в настоящее время соответствует энергоза пасу более 150 млн кВтч в год. Из этого количества более половины при ходится на свинцовые аккумуляторы. Среди элементов и батарей до 80% приходится на ХИТ системы Лекланше.

Экономические вопросы производства и эксплуатации ХИТ сводятся к стоимости вырабатываемой в них единицы электрической энергии, а также к проблемам обеспеченности сырьем, взаимосвязи с другими про изводствами и т.п.

Стоимость кВтч электроэнергии, вырабатываемой на крупных элек тростанциях примерно на три порядка меньше по сравнению с кВтч энер гии, отдаваемой ХИТ системы Лекланше.

Стоимость энергии, отдаваемой при разряде аккумуляторов, опреде ляется стоимостью собственно аккумулятора, затрат на его обслуживание и стоимостью перерабатываемой внешней энергии. Очевидно, что стои мость кВтч электроэнергии, отдаваемой аккумулятором зависит от числа проведенных зарядно-разрядных циклов. Стоимость энергии свинцовых аккумуляторов, работающих около 800 циклов, не более чем на порядок выше энергии, вырабатываемой электростанциями.

Очевидно так же, что ХИТ применяются не для получения более де шевой электроэнергии, а для ее получения в тех условиях, когда более де шевая сетевая энергия не может быть использована.

Первичные элементы, вырабатывающие относительно дорогую элек троэнергию, используются в основном в устройствах с малым потребле нием энергии, когда ее стоимость не играет существенной роли. Аккуму ляторы, отдающие более дешевую энергию, используются также в уст ройствах с большим потреблением энергии.

Кроме стоимости вырабатываемой электроэнергии имеют значение и абсолютная стоимость выбранного варианта ХИТ, и ее отношение к общей стоимости аппаратуры в целом.

Структура стоимости ХИТ различных систем неодинакова. Например, элементы Лекланше производятся массово на автоматических или автома тизированных линиях по относительно простой технологии. Стоимость та ких элементов определяется в основном стоимостью сырья. Также стои мость серебряно-цинковых аккумуляторов в значительной степени опре деляется стоимостью дорогого серебра, идущего на их изготовление. В то же время стоимость никель-кадмиевых аккумуляторов определяется в ос новном затратами на их производство.

Актуальным является вопрос об обеспечении промышленности ХИТ сырьем. Доля цветных металлов (свинца, марганца, цинка, никеля, кад мия), расходуемых на производство ХИТ, значительна. По оценке специа листов запасов таких металлов может хватить лишь на несколько десятков лет. В этой связи приобретают большое значение регенерация металлов из отработанных ХИТ и разработка ХИТ, не использующих веществ, природ ные ресурсы которых сильно ограничены.

В настоящее время регенерируется большая часть серебра из сереб ряно-цинковых аккумуляторов. Во многих странах налажены сбор и реге нерация свинца из кислотных аккумуляторов. Экономически целесооб разно регенерировать цветные металлы из мощных ХИТ, находящихся в централизованном использовании. Утилизировать бытовые ХИТ сложно, и экономически менее оправдано.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ Источники питания являются неотъемлемой составной частью раз личной радиоэлектронной аппаратуры. В зависимости от конкретного вида РЭА к источникам питания могут предъявляться различные требования.

В ряде случаев требуются высокостабильные и надежные источники пита ния, стоимость которых приближается к стоимости питаемой ими аппара туры или даже превышает ее. При проектировании РЭА разработчик ре шает вопрос об организации ее электропитания. В этом случае возможны три варианта: использование только вторичного или только первичного источника питания и совместное использование этих обоих видов источ ников энергии. При этом выбор должен быть сделан в пользу одной из двух главных альтернатив: приобретение готовых модулей и блоков пита ния, широко представленных на рынке или разработка источника питания для конкретной РЭА. Конечно, в ряде случаев возможно и совмещение покупных узлов с собственными разработками источников питания, если это является оправданным с экономической и технической стороны. Важ ным моментом разработки РЭА также является выбор химического источ ника тока. При этом, как правило, оказывается возможным применение различных элементов и батарей одной или даже нескольких систем в про ектируемом устройстве. В связи с этим важное значение приобретает так же анализ экономических показателей.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. Багодский В.С., Скундин А.М. Химические источники тока. – М.:Энергоиздат, 1981.– 360 с.

2. Гусев В. Г., Гусев Ю. М. Электроника: Учеб. Пособие для приборо строит. спец. вузов. – 2-е изд., перераб. и доп. – М.:

Высш. шк. 1991. – 622 с.

3. Кромптон Т. Первичные источники тока: Пер. с англ. – М.:

Мир, 1986.- 328 с.

4. Орехов В. И. и др. Низковольтные сильноточные источники вторич ного электропитания РЭА / В. И. Орехов, М. Е. Куцко, В. Н. Груздев.

– М: Радио и связь, 1986. – 104 с.

5. Расчет источников электропитания устройств связи: Учеб. Пособие для вузов / В.Е. Китаев, А.А. Бокуняев, М.Ф. Калканов;

Под ред. А.А.

Бокуняева. –М.: Радио и связь, 1993. – 232 с.

6. Расчет электронных схем. Учеб. Пособие для вузов / Г. И. Изъюрова, Г. В. Королев, В. А. Терехов и др. – М.: Высш. шк., 1987. – 335 с.

7. Ромаш Э.М. Источники вторичного электропитания радио электрон ной аппаратуры. – М.: Радио и связь, 1981. – 224 с.

8. Ромаш Э.М. Транзисторные преобразователи в источниках питания радиоэлектронной аппаратуры. – М.: Энергия, 1975. – 325 с.

9. Соклоф С. Аналоговые интегральные схемы. Пер. с англ. – М.:

Мир, 1988. – 583 с.

10. Титце У., Шенк К. Полупроводниковая схемотехника: Справочное ру ководство: Пер. с нем. – М.: Мир, 1983. – 512 с.

11. Устройства электропитания бытовой РЭА: Справочник / И.Н. Сидо ров, М.Ф. Биннатов, Е.А. Васильев. – М.: Радио и связь, 1991. – 472 с.

12. Фолкенбери Л. Применение операционных усилителей и линей ных интегральных схем. Пер. с англ. – М.: Мир, 1985. – 572 с.

13. Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники: В 3 т Т3: Пер. англ. – 4-е изд.перераб. и доп. –,М.: Мир,1993. – 367 с.

Pages:     | 1 ||



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.