Меню

Последовательное соединение разных источников тока

Совместная работа нескольких источников питания на одну нагрузку

www.electrosad.ru

У многих начинающих заниматься электроникой часто возникают проблемы нехватки мощности (тока) источников питания или недостаточной величины напряжения. Для того чтобы обойти эту проблему часто соединяют несколько источников параллельно или последовательно. Что при этом происходит и как это сделать правильно рассмотрим ниже.

Общие принципы

Параллельное и последовательное соединение элементов давно известно и применяется в практической схемотехнике, для получения заданных номиналов элементов. На примере соединения резисторов это выглядит так:

Но резистор или конденсатор имеет только один основной параметр — номинал и вариант соединения просто изменяет их результирующую (суммарную) величину.

На практике часто используется параллельное (иногда электрохимических) и последовательное соединение источников питания.

Последовательное соединение используется для увеличения результирующего напряжения, а параллельное — для увеличения суммарного потребляемого тока.

Последовательное соединение электрохимических источников питания

При последовательном соединении параметры ( E и Ri) просто суммируются,

Самое главное, Вы должны знать:

Как я уже говорил, каждый источник питания (любого типа) имеет свои характеристики которые можно свести к статическим и полностью определяющим его характеристики — Ri, U( E ); Эти характеристики химических источников тока могут меняться от экземпляра к экземпляру или со временем случайным образом (они зависят от множества параметров на каждом этапе технологического процесса их производства);

Не бывает двух абсолютно одинаковых источников питания, как вообще любых электронных компонентов. (хотя для того чтобы как-то ограничить разброс применяется группировка компонентов, по ряду номиналов и ряду точности).

Поэтому при последовательном соединении продолжительность работы химических источников тока определяется худшим в цепочке. Когда он потеряет емкость, его внутреннее сопротивление возрастет и ограничит потребляемый нагрузкой ток.

При параллельном соединении все много сложнее.

Отсюда вытекают большинство возникающих проблем.

Параллельное соединении электрохимических источников питания

При параллельном соединении электрохимических элементов (источников) питания, если не принимать мер возникают проблемы.

Дело в том что эти элементы обладают сразу несколькими параметрами определяющими их характеристики.

Напряжение (ЭДС) — E , и внутреннее сопротивление — Ri .

Сразу стоит уточнить, что эти параметры сугубо индивидуальны и поэтому достаточно редко даже в одной партии они повторяются.

Посмотрим рисунок 3, при параллельном соединении двух разных источников питания (электрохимический элемент), имеющих равное внутренне сопротивление (Например 0,25 ом, суммарное 0,5 ) и разное выходное напряжение ( U 1 =2,2 В, U 2 =2,1 В, Δ U= 0,1 В ) между ними появляется ток перетекания I пер равный 0,2 А.

Этот ток будет существовать даже при выключенной нагрузке, пока напряжение на источниках не сравняется. Когда лучший электрохимический элемент разряжается на худший — это потеря их суммарной емкости.

Поэтому параллельное соединение отдельных элементов электрохимических источников тока не рекомендуется. Возможно параллельное соединение (резервирование) последовательных батарей элементов с применением специальных устройств защиты (см. рис. 6) от токов перетекания или коммутаторов.

Фотоэлектрические элементы — элементы солнечных батарей

Немного иная ситуация получается при параллельном соединении элементов солнечных батарей, которая определяется свойствами самого солнечного элемента. Это генерация тока под действиями квантов света попадающих на плоский p-n переход достаточно большой площади. Солнечный элемент имеет вольт-амперную характеристику подобную полупроводниковому диоду с соответствующими отклонениями присущими p-n переходам большой площади.

Поэтому для солнечного элемента токи перетекания отсутствуют. Но наличие в параллельно соединенных элементах Δ U, приводит к тому что при малом отборе тока элемент с меньшим напряжением просто отключается. А при высоком отборе мощности ток нагрузки каждого элемента разный и определяется током нагрузки на каждом элементе при данном напряжении нагрузки U. см. рис. 5.

Посмотрим на примере вольт амперной характеристики элемента солнечной батареи, что происходит при их параллельном соединении, как показано на Рис. 1б. Примерный график вольт амперной характеристики приводится ниже.

На рис. 5 видим, что при равном напряжении U н элемент SC3 генерирует ток I 1 меньший тока генерируемого элементом SC4 равного I 2 . В результате суммарный ток нагрузки равен:

То есть при данном U н отдаваемая соединенными параллельно элементами мощность равна:

Этот требует, чтобы не перегружать лучшие элементы, группировать при параллельном соединении элементы с близкими токами (характеристиками в рабочих точках).

А еще лучше формировать последовательно соединенные группы элементов на номинальное напряжение с последующим их соединением в параллельные группы заданной мощности.

Совместная работа батарей химических элементов

Часто рекомендуют при параллельном подключении батареи электрохимических источников использовать включенные последовательно с каждой батареей диоды, которые предотвратят токи перетекания. Но условия равенства их выходного напряжения (максимальной близости) сохраняется. Это особенно важно именно для электрохимических источников питания, которые имеют ограничения по разрядному току. В случае его превышения сокращается ресурс. Схема включения показана на рис. 6.

Читайте также:  Кпд источника тока что это

Здесь необходимо учитывать, что выходное напряжение такой батареи меньше на 0,3 -:- 0,8В (падение напряжения на p-n переходе диода при его прямом смещении) чем у батареи без защитных диодов. Как видно из величины потери напряжения использовать эту схему для параллельного соединения отдельных элементов не экономично. Велики потери мощности.

Диоды так же позволяют использовать горячую замену батареи, поскольку при подключении свеже заряженной батареи диод разряженной просто будет заперт.

Блоки питания

Свои особенности при параллельном соединении имеют и блоки питания работающие на общую нагрузку.

Все типы блоков (сетевые 50 Гц и импульсные — в том числе повышающие и понижающие преобразователи постоянного тока в постоянный) содержат в своем составе преобразователь напряжения (трансформатор или электронный импульсный преобразователь с трансформатором) и выпрямляющее устройство на выходе — диодные выпрямители. На рис. 7 показано такое соединение.

В данной схеме, как при параллельном соединении солнечных элементов, не существует статических токов перетекания, они пресекаются диодными выпрямителями которые, как известно, имеют очень большое обратное сопротивление.

Обязательное условие при таком включении блоков питания это: равенство напряжений и наличие соединения общих точек обоих источников питания показанных на рис. 7 пунктирной линией красного цвета. Это условие определяется, как понятно из сказанного выше, а равномерной нагрузкой каждого источника питания.

Но она, как любая система, имеет свои особенности.

Это импульсные токи перетекания при зарядке фильтрующего конденсатора с меньшим напряжением (например U2 ) от БП1, где напряжение больше. После выравнивания напряжения ток перетекания уменьшается до нуля.

В реальности напряжение на выходе БП1 и БП2 разное. И поэтому рассматриваем работу такой связки учитывая дополнительные параметры показанные на рис 8 .

Известно, что каждый блок питания имеет свое внутреннее сопротивление Ri, а за счет системы стабилизации его величина существенно снижается. Практически Ri определяет КПД блока питания и желательно чтобы соотношение Rн/ Ri было максимальным. Поскольку ток нагрузки блока питания определяется суммой Ri и Rн, а как мы уже знаем Ri -> min, то можно считать, что он целиком определяется R н.

В связке двух параллельно включенных блоков питания нагружается только тот БП который имеет более высокое выходное напряжение. То есть I н = I 1 . Это будет продолжаться до тех пор пока выходное напряжение (за счет падения напряжения на Ri ) не начнет падать (система стабилизации не сможет его поддерживать, когда ток нагрузки достигнет максимального, в этом случае начнет расти внутреннее сопротивление нагруженного блока питания Ri. ). Второй БП будет до этого будет работать в режиме холостого хода.

Такой режим работы нельзя считать нормальным.

Кроме выравнивания выходного напряжения — известно другое решение проблемы, это включение последовательно с выходом каждого БП небольшого выравнивающего резистора, который как бы увеличивает его внутреннее сопротивление, в результате чего выходное напряжение падает и включается в работу блок питания имеющий меньшее напряжение. Причем их величина одинакова для обоих.

Величина этого сопротивления от 1% до 10% от R н и зависит от разницы выходных напряжений и мощности нагрузки.

Недостаток данного решения потери мощности в выравнивающих резисторах.

Но, для равномерной загрузки, требование максимального сближения U1 и U2 остается.

Заключение

В Интернет форумах множество публикаций посвященных параллельному включению и только единичные сообщения о фатальных результатах. эти единичные случаи возможны из-за скрытых неисправностей блоков питания или большой разницы выходных напряжений.

Параллельное соединение выходных цепей блоков импульсных питания возможно. Но при этом для равномерной загрузки их выходные напряжения должны быть максимально близки. В случае невыполнение этого условия возможна перегрузка БП с большим напряжением.

Параллельное включение отдельных электрохимических элементов питания недопустимо,

Параллельное включение батарей электрохимических элементов питания возможно при условии применения защитных диодов в составе каждой батареи,

Параллельное соединение фотоэлектрических элементов допустимо, но при этом надо учитывать что возможна перегрузка лучших элементов в группе (с наибольшим напряжением), а при большой разнице в выходном напряжении худший элемент может вообще не включаться в работу.

Обсуждения параллельного включения блоков питания компьютеров :

Источник

Последовательное соединение разных источников тока

Пусть батарею образуют n последовательно соединенных элементов. Батарея замкнута на внешнее сопротивление R (рис. 3.7). Сопротивлением соединительных проводов пренебрегаем. Запишем для всего замкнутого контура, образующего цепь, второе правило Кирхгофа. Оно имеет вид:

В общем случае при последовательном соединении нескольких источников с различными ЭДС сила тока определяется отношением суммы ЭДС всех источников тока к полному сопротивлению всей цепи:

где – внутреннее сопротивление i-го источника, R сопротивление нагрузки.

Последовательное соединение источников эквивалентно источнику тока с большой ЭДС, однако при этом возрастает его внутреннее сопротивление. Чтобы такое соединение привело к увеличению тока в нагрузке по сравнению с током от одного источника, необходимо, чтобы . При этом .

Читайте также:  Носителями тока в вакууме являются ответ

Рассмотрим параллельное соединение в батарею n одинаковых элементов с ЭДС и внутренним сопротивлением r (рис. 3.8). Пусть батарея замкнута на внешнее сопротивление R. Сопротивлением соединительных проводов пренебрегаем. Согласно первому правилу Кирхгофа сила тока в неразветвленной части цепи равна сумме сил токов во всех элементах батареи. Поэтому через каждый из элементов в отдельности протекает ток силой . Применим второе правило Кирхгофа к замкнутому участку цепи ABCDEF. Тогда получим . Отсюда . Таким образом, при параллельном соединении n одинаковых элементов в батарею ЭДС не меняется, а внутреннее сопротивление уменьшается в n раз. Легко видеть, что параллельное соединение элементов выгодно при малом внешнем сопротивлении. Действительно, если , то им можно пренебречь, и формула приближенно принимает вид , то есть сила тока возрастает в n раз по сравнению с силой тока от одного элемента.

Источник

Способы соединения источников тока.

Последовательное соединение.

В данной схеме «плюс» одного источника соединяется с «минусом» другого.

При этом ЭДС источников складываются Е0бщ = Е1 + Е2,поэтому данный способ

используется для увеличения общего напряжения Uобщ = U1 + U2. Применяется тогда, когда напряжение для потребителя недостаточно, но один источник тока способен выдержать весь ток нагрузки.

Параллельное соединение

При параллельном соединении «плюс» одного источника соединяется с «плюсом» другого (соответственно соединяются и «минусы»).

При равенстве ЭДС, ток через потребитель не изменяется, но уменьшается ток через каждый из источников, что позволяет поддержать большой ток нагрузки (если для одного источника потребитель слишком мощный). Но при этом очень важно чтобы источники имели одинаковые параметры (то есть были одного и того же типа — Е1 = Е2, r1 =r2), иначе между ними будут проходить вредные уравнительные токи, которые могут повредить их.

Параллельное соединение применяется, когда мощный потребитель нужно запитать от маломощных источников.

Прим. За счет меньшего тока, проходящего через каждый источник, расход электроэнергии на них уменьшается, а время работы увеличивается.

Смешанное соединение

Выполняется, когда нужно увеличить и напряжение и поддержать большой ток нагрузки.

Т.е. когда ЭДС одного источника не хватает для напряжения на потребитель

и один источник не способен выдержать весь ток нагрузки

Работа и мощность электрического тока

Работа тока – это энергия, которая выделяется при прохождении тока по проводнику. Работа электрического тока равна произведению напряжения, тока и времени. Работа электрического тока измеряется в Вт· сек, кВт· час ( kW · h )

А = U · I · t , [Вт · сек ]. 1 кВт · ч = 3600000 Вт · сек

Мощность – это работа (энергия), совершенная (выделенная) за единицу времени. P = А/t ;

Электрическая мощность равна произведению напряжения на силу тока. P = U · I , [Вт, W ], (Ватт)

Мощность любой электрической машины определяет:

1) способность машины преодолевать механическую нагрузку на валу;

2) расход электроэнергии;

3) силу тока в цепи.

Прим. При включении в бытовую электрическую сеть напряжением 220В электрического прибора мощностью в 1 кВт в цепи протекает ток около 4,5 А.

Тепловое действие тока.

Количество тепловой энергии, которая выделяется при прохождении тока по проводнику, определяется законом Джоуля – Ленца.

Q = I ² · R · t , [Дж] (Джоуль).

Прим. 1 Дж = 1 Вт · сек, 1л.с .(лошадиная сила)≈760Вт

1.20. Плотность тока.

Плотность тока определяет силу тока на один квадратный миллиметр площади сечения проводника.

δ (дельта(греческий)) = I / S, [А/ мм²]

В зависимости от материала проводника, класса изоляции, типа проводки и условий охлаждения определяют номинальную и допустимую (предельную) плотность тока, превышение которой может повредить изоляцию

Пример (для алюминиевых проводов): δ ном ≈ 6 —— , δ доп ≈ 9 ——

при большей плотности тока плавится изоляция. Это значит, что стандартная алюминиевая проводка сечением 2.5 мм² рассчитана на ток 16А (мощность около 3,5кВт). Предельный ток 23 – 24 А (около 5 кВт). Для медного провода данные значения выше на 30-40%.

Упрощенно, для подбора сечения проводов, используется следующее соотношение: для алюминия – 1 мм² сечения на 1кВт. Для меди — 1 мм² на 2 кВт мощности потребителей.

Переходное сопротивление.

Это повышенное сопротивление контактов из–за их подгара, малой площади контакта, силы нажатия, окисления и т.п. Из-за недостаточной эффективной площади контакта увеличивается плотность тока и происходит переброс тока по воздуху в виде искрения. Нагрев контактов ускоряет процесс окисления, качество контакта еще более ухудшается.

Для уменьшения переходного сопротивления контакты зачищают, облуживают, вставляют в наконечники, соединяют клеммами, спаивают, выполняют посеребрение контактных поверхностей

Общие условия выбора системы дренажа: Система дренажа выбирается в зависимости от характера защищаемого.

Организация стока поверхностных вод: Наибольшее количество влаги на земном шаре испаряется с поверхности морей и океанов (88‰).

Читайте также:  Для чего измерение смонтированного парного кабеля постоянным током

Папиллярные узоры пальцев рук — маркер спортивных способностей: дерматоглифические признаки формируются на 3-5 месяце беременности, не изменяются в течение жизни.

Источник



Последовательное соединение источников электрической

Задачи анализа электрических цепей

Все реальные электротехнические устройства работают в замкнутых электрических цепях, состоящих из источников электрической энергии, потребителей (приемников электрической энергии), соединительных проводов, приборов и аппаратуры, с помощью которых осуществляется контроль и управление режимами работы цепи или ее отдельных элементов. Работу электрических устройств оценивают по величинам тока, напряжения, мощности. Поэтому главной задачей анализа цепей является установление связи между напряжениями, токами и параметрами цепи. Под параметрами цепей постоянного тока в установившемся режиме понимают сопротивления или проводимости элементов цепи.

Электрические цепи современных электрорадиотехнических устройств весьма разнообразны. Для анализа режима их работы необходимо знать общие свойства цепей и уметь производить расчет цепей, в зависимости от их структуры, наиболее целесообразными методами. Под расчетом цепей будем подразумевать, как правило, определение токов в элементах электрической цепи (в ветвях сложной цепи) при известных значениях параметров цепи и заданных источниках электрической энергии.

Расчет простых цепей

К простым цепям относятся цепи, которые путем простых преобразований могут быть сведены к одноконтурной цепи.

Цепь с последовательно соединенными приемниками электрической энергии

1. Соединение элементов цепи называется последовательным, если к концу первого элемента подключено начало второго, к концу второго — начало третьего и т. д. При последовательном соединении через все элементы поочередно происходит один и тот же ток I. То второму закону Кирхгофа напряжение на зажимах цепи U равно сумме падений напряжений на последовательно соединенных участках цепи

Рис. 13

U=

отсюда U=I( )=I*Rэ 2.1

Rэ= —общее сопротивление всей цепи.

На основании выражения (2.1) ток в цепи равен

I= 2.2

Падения напряжения на отдельных участках цепи пропорциональны сопротивлениям этих участков

Общая мощность цепи равна сумме мощностей, потребляемых последовательно соединенными приемниками

P= или в общем виде:

P= 2.3

2. Ток всей цепи и напряжения на отдельных участках последовательной цепи зависят от сопротивления каждого элемента. При изменении сопротивления одного элемента будут изменяться напряжения на всех элементах, так как изменяется величина тока в цепи. Так при увеличении сопротивления одного элемента ток в цепи будет уменьшаться, падения напряжения на остальных элементах цепи также будут уменьшаться, а напряжения на элементе с возрастающим сопротивлением—увеличиваться. Эта взаимозависимость режимов работы последовательно соединенных элементов является характерным недостатком последовательной цепи. Последовательное соединение приемников используют лишь в тех случаях, когда их номинальные напряжения ниже напряжения сети. В этом случае последовательно соединять целесообразно приемники с одинаковыми номинальными напряжениями.

В радиотехнической аппаратуре широко применяется последовательное соединение резисторов в так называемых делителях напряжения. Например, соединив три резистора последовательно (рис. 14), мы можем с различных точек цепи снимать различные напряжения. Последовательное соединение применяется также для включения различных вспомогательных приборов и устройств, не являющихся потребителями энергии (амперметр, выключатель, плавкий предохранитель и т, п.).

Рис. 14

Последовательное соединение источников электрической

Энергии

Последовательным соединением источников электрической энергии называется такое соединение, при котором положительный полюс (зажим) одного источника соединяется с отрицательным полюсом (зажимом) второго и т. д. При последовательном соединении источников их электродвижущие силы складываются, следовательно, общая э.д.с. батареи равна сумме э.д.с. отдельных источников. Внутреннее сопротивление последовательно соединенных источников равно сумме внутренних сопротивлений отдельных элементов.

Последовательное соединение источников применяется в том случае, когда необходимо иметь напряжение больше, чем то, которое может обеспечить один источник, а ток потребителя не превышает номинального тока элемента.

Такое соединение источников допускается для однородных элементов (гальванических элементов, аккумуляторов и т. п.), имеющих одинаковые э.д.с. и внутренние сопротивления. Поэтому для батареи

E = n* ; r = n 2.4.

Здесь и — соответственно э.д.с. и внутреннее сопротивление одного элемента n — количество последовательно соединенных элементов.

В некоторых случаях в электрических цепях может встретиться последовательное соединение источников, когда направление их э.д.с. различно (встречное включение). Пусть в схеме рис. 15 два

Рис. 15

источника и включены согласно, а источник — встречно.

Для упрощения схемы все последовательно соединенные источники можно заменить одним эквивалентным источником Е (рис. 16).

Рис. 16

Э.д.с. эквивалентного источника равна алгебраической сумме э.д.с. отдельных элементов: Е = +

Внутреннее сопротивление эквивалентного источника равно арифметической сумме внутренних сопротивлений заменяемых элементов

При ( + )> направление э.д.с. эквивалентного источника и направление тока в цепи совпадают с направлением э.д.с. и . Элементы и в этом случае работают в режиме источников, а элемент — в режиме потребителя электрической энергии.

Дата добавления: 2016-04-06 ; просмотров: 3558 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ

Источник