Меню

Типы первичных источников тока

ИСТОЧНИКИ ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ

Источники электропитания

Источники электропитания – это устройства, обеспечивающие электрическим током электроприборы, аппараты и т. д. Они подразделяются на два вида:

  • первичные;
  • вторичные.

Первичные сами вырабатывают электрическую энергию путем преобразования в нее других видов энергии, полученной в результате химических и прочих реакций.

К ним относятся различные электростанции (тепловые, атомные, гидравлические), химические преобразователи (аккумуляторы, гальванические и топливные элементы), термоэлектрические и фотоэлектрические генераторы (солнечные батареи) и др.

Вторичные предназначены для преобразования получаемой от первичного источника электроэнергии в напряжение с требуемыми параметрами. Для питания и нормального функционирования большинства электронных приборов требуется стабильное напряжение с различными значениями.

Вторичные источники имеют вид отдельных блоков или входят в состав различных электронных узлов. Кроме самого источника питания узлы могут включать дополнительные устройства, поддерживающие его нормальную работу при воздействии разных внешних факторов. К вторичным относятся трансформаторные и инверторные преобразователи, выпрямители и т. п.

Понятие первичных и вторичных источников относительно. Например, бытовая электросеть является первичным источником для домашних электроприборов, так как большинство устройств имеет свой внешний или встроенный блок питания, преобразующий входное напряжение до необходимых значений.

В свою очередь, трансформаторная подстанция, от которой питается бытовая электросеть, сама является вторичным источником по отношению к электростанции.

ИСТОЧНИКИ ПЕРВИЧНОГО ПИТАНИЯ

Как было сказано, к первичным источникам относятся устройства, преобразующие различные виды энергии в электроэнергию. Это может быть химическая, механическая энергия, световая, тепловая и энергия атомного распада.

Основные виды первичных источников:

  • гидроэлектростанции – преобразуют в электроэнергию гравитационную энергию воды;
  • химические источники (аккумуляторы, топливные и гальванические элементы) – переводят химическую энергию в электрическую;
  • дизель-генераторы – химическая энергия преобразуется сначала в механическую, потом в электрическую;
  • солнечные батареи – преобразуют энергию солнечного света в электрическую на основе физического закона фотоэффекта;
  • ветряные генераторы – преобразуют кинетическую энергию воздушных частиц;
  • термоэлектрические преобразователи – преобразуют тепловую энергию в электрическую.

Химические источники обычно используются в маломощных устройствах и как резервные источники. Работа топливных элементов основана на электрическом окислении топлива. В термоэлектрических устройствах электрический потенциал создает разница температур.

ИСТОЧНИКИ ВТОРИЧНОГО ПИТАНИЯ

Вторичные источники подключаются к первичным и преобразуют получаемую электроэнергию в выходное напряжение с требуемыми параметрами частоты, пульсации и т. д.

Основные функции вторичных источников:

  • обеспечение передачи требуемой мощности с наименьшими потерями;
  • преобразование формы напряжения (переменного напряжения в постоянное, изменение частоты, формирование импульсов;
  • преобразование значение напряжения (повышение или понижение его величины, формирование нескольких величин для разных цепей);
  • стабилизация напряжения (его показатели на выходе должны находиться в заданном диапазоне);
  • защита (чтобы напряжение, превысившее допустимые значения вследствие неисправности, не вывело из строя аппаратуру или сам ИП);
  • гальваническое разделение цепей.

Существует два основных типа источников вторичного питания (ИВП) – трансформаторный и импульсный.

Трансформаторный блок питания.

Трансформаторный, или линейный ИВП – классический блок питания. Регулировка выходного напряжения происходит в нем непрерывно, то есть линейно.

В его конструкцию последовательно входят:

  • трансформатор (корректирует напряжение в ту или иную сторону до нужной величины);
  • выпрямитель (преобразует переменное напряжение в постоянное);
  • фильтр (сглаживает пульсацию (колебания) в выпрямленном напряжении).

Также схема может включать защиту от короткого замыкания, фильтр высокочастотных помех, стабилизатор и др.

Достоинства трансформаторных ИВП:

  • простота конструкции;
  • гальваническая развязка от сети;
  • надежность в эксплуатации.

Недостатки:

  • большие габариты и вес, которые прямо пропорциональны его мощности;
  • относительно низкий КПД.

В бытовой технике линейные ИП малой мощности используются для питания плат управления стиральных машин, микроволновок, отопительных котлов.

Импульсный ИВП.

Импульсный блок питания устроен принципиально иначе и имеет более сложную конструкцию.

Он содержит:

  • выпрямитель (входное напряжение сначала выпрямляется – преобразуется из переменного в постоянное);
  • блок широтно-импульсной модуляции – ШИМ (преобразует постоянное напряжение в импульсы определенной частоты и скважности);
  • частотный фильтр (в блоках без гальванической развязки);
  • трансформатор (в блоках с гальванической развязкой от сети).

В импульсных источниках вторичного напряжения стабилизация реализуется посредством обратной связи, что позволяет поддерживать выходное напряжение на заданном уровне независимо от скачков входных параметров.

Например, в блоках с гальванической развязкой в зависимости от величины выходного сигнала изменяется скважность (отношение частоты следования импульсов к их длительности) на выходе ШИМ-контроллера.

Достоинства импульсных источников питания:

  • малый вес и небольшие размеры;
  • высокий КПД (до 98%);
  • широкий диапазон допустимого входного напряжения;
  • встроенная защита от короткого замыкания и других форс-мажоров;
  • невысокая цена;
  • по надежности сравнимы с трансформаторными ИП.

Недостатки:

  • являются источниками высокочастотных помех, которые нельзя полностью устранить;
  • имеют ограничение по минимальной мощности нагрузки: не включаются, если она ниже требуемой.

Импульсные источники – это зарядки мобильных телефонов, блоки питания компьютеров, оргтехники, бытовой электроники.

БЕСПЕРЕБОЙНЫЕ И РЕЗЕРВНЫЕ ИСТОЧНИКИ

Источники бесперебойного и резервного энергоснабжения необходимы при краткосрочных и длительных отключениях электроэнергии. При отсутствии таких устройств частный дом может остаться без света, отопления и всей электротехники на неопределенный срок.

Бесперебойные.

Эти устройства обеспечивают работоспособность подключенных электроприборов и техники при кратковременных перебоях в поставках электроэнергии. Также они выполняют функцию защиты от скачков напряжения и помех.

Бесперебойники делятся на три категории:

Имеют самую простую конструкцию, высокий КПД и низкую стоимость. При отключении электроэнергии или выходе параметров напряжения за допустимые пределы источник автоматически включает встроенный аккумулятор.

Line-interactive.

Имеют аналогичную конструкцию плюс встроенный стабилизатор. Аккумулятор включается только тогда, когда стабилизатор неспособен справиться со стабилизацией входного напряжения. Его основные недостатки, как и у предыдущего устройства – это наличие промежутка времени, требуемого на переключение режимов работы, и невозможность корректировать частоту сети.

У таких источников самое высокое качество и стоимость. Они работают по принципу двойного преобразования: входное напряжение сначала преобразуется в постоянное, а затем с помощью инвертора обратно в переменное. Здесь не требуется время на переключение на питание от внешнего аккумулятора, он подключен в цепь и при стабильном энергоснабжении находится в буферном режиме.

Бесперебойные источники могут обеспечить кратковременную работу электротехники на протяжении от нескольких минут до суток и используются:

  • для безопасного отключения устройств при перебоях в сети;
  • в охранно пожарной сигнализации, видеонаблюдении, контроле доступа;
  • для оборудования системы умный дом.

Резервные источники питания.

Эти устройства необходимы для питания электроприборов при длительных отключениях электроэнергии или когда объект находится далеко от линии электропередач.

Автономные электростанции бывают следующих видов:

Эффективны, но потребляют много топлива. Работают бесшумно, хорошо запускаются в зимний период.

Работают практически в любых условиях, но также требуют значительных финансовых вложений. Целесообразно их использование при суммарной потребляемой мощности свыше 6 кВт.

Используют природный источник энергии – солнечный свет. Их применение выгодно в условиях климата с большим количеством солнечных дней. Станции не имеют подвижных частей и отличаются высокой надежностью.

Они должны размещаться на возвышенности и в местности с регулярным движением воздуха, желательно в одном направлении. Конструкция имеет большой вес, осложняет ситуацию наличие подвижных частей.

Использование солнечных и ветряных генераторов целесообразно при их постоянной эксплуатации как альтернативных систем электроснабжения, так как они требуют значительных затрат на приобретение и установку и окупаются не сразу.

© 2014-2021 г.г. Все права защищены.
Материалы сайта имеют ознакомительный характер и не могут использоваться в качестве руководящих и нормативных документов.

Источник

Типы первичных Химических Источников Тока

В 50-х годах XX в, на рынке появились марганцево-цинковые источники тока с щелочным электролитом, характеристики которых существенно лучше солевых батареек, а за последние годы они значительно улучшились. Суммарный выпуск и доля щелочных марганцево-цинковых батареек в общем производстве первичных химических источников тока непрерывно увеличиваются. Выпуск их в 2001 г. составил примерно 28 млрд шт., что составляет 61% выпуска всех первичных источников тока. Суммарный выпуск марганцево-цинковых источников тока в 2001 г. — примерно 46 млрд шт., что составляет 90% штучного выпуска всех химических источников тока.

В 40-х годах XX в. началось производство серебряно-цинковых, в 50-х — ртутно-цинковых, а в 60-х — воздушно-цинковых источников тока. В конце 60-х и начале 70-х годов было организовано изготовление первичных литиевых источников тока, удельная энергия которых значительно выше удельной энергии других первичных химических источников тока (ХИТ), за исключением воздушно-цинковых. Объем производства и доля литиевых источников тока в совокупном выпуске первичных ХИТ быстро возрастают.

Типы и характеристики основных первичных Химических Источников Тока

Марганцево-цинковые источники тока с солевым электролитом. Анодом служит цинк, являющийся корпусом источника тока, активным веществом катода — электролитический диоксид марганца или химический диоксид марганца, электролитом — хлорид аммония, хлорид цинка или хлорид аммония с хлоридом цинка. Электролит находится либо в загущенном состоянии, либо в порах микропористого сепаратора. Для снижения скорости или предотвращения коррозии в цинк и в электролит добавляют ингибиторы коррозии. К достоинствам этих батареек относятся невысокая стоимость и большое количество выпускаемых типоразмеров, к недостаткам — падающая разрядная кривая, относительно невысокая удельная энергия, значительное ухудшение характеристик при повышенных нагрузках и низких температурах. Батарейки солевые и щелочные

Читайте также:  Ток через катушку нарастает

Марганцево-цинковые источники тока с щелочным электролитом. Анодом служит порошкообразный цинк, а катодом — диоксид марганца. Электролитом является гелеобразный раствор КОН или КОН в матрице. В состав анода и электролита включают ингибиторы коррозии. В сравнении с марганцево-цинковым источником тока с солевым электролитом батарейки с щелочным электролитом имеют более высокие емкость и удельную энергию, в особенности при повышенных нагрузках и низкой температуре, но они более дорогие. Батарейки солевые и щелочные

Ртутно-цинковые источники тока. Анодом является порошкообразный цинк, катодом — оксид ртути, электролитом — раствор КОН. Характеризуется горизонтальной разрядной кривой, высокой удельной энергией, низким саморазрядом. К недостаткам относятся плохие характеристики при пониженных температурах, высокая стоимость и, самое главное, высокая токсичность ртути. Применялись в медицинских устройствах, точных приборах и других устройствах. В последние годы из-за токсичности ртути в некоторых странах выпуск прекращен, в других странах существенно сокращен.

Ртутно-кадмиевые источники тока. Анодом служит порошкообразный кадмий, катодом — оксид ртути, электролитом — раствор КОН. Рабочие температуры окружающей среды от -55 до 80 °С. Они имеет горизонтальную разрядную кривую, очень низкий саморазряд, что обеспечивает сохранность заряда до 10 лет. Даже при температуре 60 °С саморазряд не превышает 1% в месяц. К недостаткам относятся токсичность и высокая цена компонентов. Изготавливаются в ограниченных масштабах в дисковой, цилиндрической и призматической формах. Применяются в устройствах контроля бурения нефтяных и газовых скважин, телеметрии двигателей внутреннего сгорания, сигнальных устройствах тревоги, спасательном-оборудовании, устройствах мониторинга в отдаленных районах и т.д. Из-за токсичности производство этих источников тока сокращается.

Серебряно-цинковые первичные источники тока. В качестве анода применяется порошкообразный цинк, катода — оксиды серебра, электролита — раствор КОН или NaОН (загущенные или матричные). Имеют гладкую разрядную кривую, высокую удельную энергию, низкий саморазряд, могут работать при больших токах, однако дороги. Производятся в дисковой форме емкостью до 200 мА·ч. Применяются в часах, фотоаппаратах, слуховых аппаратах и других устройствах.

Медно-цинковые источники тока. Производство этих химических источников тока началось еще в 1889 г. В настоящее время они выпускаются в небольших масштабах в виде элементов емкостью от 250 до 1000 А·ч. Гладкие цинковые пластины и пластины из смеси оксида меди, меди и связующего помещают в стеклянный или металлический сосуд с 20%-ным раствором NaОН. Элементы имеют напряжение 0,6-0,7 В и удельную энергию 25-30 Вт·ч/кг. К их достоинствам относится постоянство разрядного напряжения, очень малый саморазряд, безотказность в работе и невысокая цена. Применялись в системах сигнализации и связи на железных дорогах.

Воздушно-цинковые первичные источники тока. Активным веществом катода служит кислород воздуха, поэтому катод является нерасходуемым, он содержит катализатор восстановления кислорода (активированный уголь или диоксид марганца). В качестве электролита применяется раствор КОН. К достоинствам источника тока относятся очень высокая удельная энергия и относительно невысокая цена, к недостаткам — влияние окружающей среды (влажности воздуха и диоксида углерода) на характеристики источника тока. Производятся две разновидности: призматические с высокой емкостью (до 1000 А·ч) и дисковые с малой емкостью. Используются для питания средств связи, в слуховых аппаратах, медицинских и других устройствах.

Литиевые первичные источники тока с твердыми катодами и апротонным электролитом. Восстановителем является литий, окислителями — оксиды, сульфиды металлов или фтороуглерод. Электролитами служат растворы солей лития (LiClO 4 , LiBF 4 или LiBr) в апротонных растворителях: пропиленкарбонате (ПК), диоксолане (ДОЛ), γ-бутиролактоне (БЛ), тетрагидрофуране (ТГФ), диметоксиэтане (ДМЭ) и др. В зависимости от типа используемого окислителя источник тока имеет разрядное напряжение около 1,5В (CuO, CuS, FeS, Bi 2 O 3 или FeS 2 ) или 2,5-3,2В (MnO 2 , (CF)n, Ag 2 V 4 O 11 , Ag 2 CrO 4 , Cu 4 O(PO 4 ) 2 и др.). Литиевые первичные источники тока имеют более высокую емкость и удельную энергию, более широкий интервал рабочих температур, лучшую работоспособность при пониженных температурах и меньшую скорость саморазряда по сравнению с этими же параметрами марганцево-цинковых источников тока. Однако они дороже марганцево-цинковых элементов. Литиевые источники тока с напряжением 1,5В заменяют марганцево-цинковые батарейки одинакового типоразмера, источники тока с напряжением 2,5-3,2В заменяют батареи марганцево-цинковых элементов. Они используются в медицинской, бытовой, промышленной и военной электронике. Литиевые Батарейки

Литиевые источники тока с жидким или растворенным окислителем. В этих источниках тока используются диоксид серы (SO 2 ), растворяющийся в органическом растворителе, жидкие тионилхлорид (SOCl 2 ) и сульфурилхлорид (SO 2 Cl 2 ). Катоды в источнике тока нерастворимые и изготавливаются из углеродистых материалов, нанесенных на алюминиевую (для SO 2 ), никелевую основу или нержавеющую сталь. Электролитом в элементе системы литий — диоксид серы является LiBr, растворенный в ацетонитриле, в элементах с тионилхлоридом и сульфурилхлоридом — LiAlCl 4 в SOCl 2 или в SO 2 Cl 2 с добавками. Эти источники тока имеют очень высокую удельную энергию, высокие скорости разряда и удельную мощность, горизонтальную разрядную кривую, способность функционировать при низких температурах (до -55 °С), длительный ресурс. К недостаткам следует отнести сравнительно высокую стоимость, работу под давлением, потенциальную взрывоопасность, присутствие токсичных компонентов. Используются в тех областях, где требуются высокие удельная энергия и мощность, длительная сохранность, способность работать при низких температурах (в космической и военной технике, системах сохранения памяти, и других устройствах). Литиевые Батарейки

Йодно-литиевые источники тока с твердым электролитом. Окислителем является йод, растворенный в твердом поливинилпиридине (ПВП), электролитом — твердая соль LiI, толщина которой непрерывно возрастает в результате токообразующей реакции. Эти источники тока могут храниться очень продолжительное время, имеют высокую удельную энергию, широкий диапазон рабочих температур, но очень низкие скорость разряда и удельную мощность. Используются в основном в кардиостимуляторах и производятся для этих целей в специальной D-образной форме. Литиевые Батарейки

Параметры первичных химических источников тока


Система Напряжение, В, среднее/конечное Удельная энергия*, Вхч/кг / Вхч/л Удельная мощность Рабочая температура, °С Рекомендуемая температура хранения, °С Саморазряд при 20 °С, % в год
Zn|ZnCl2, NH4Cl|MnO2 1,25-1,1/0,9 65/100 Низкая -5 — 45 0 — 20 10
Zn|ZnCl2|MnO2 1,25-1,1/0,9 85/165 От низкой до средней -10 — 50 0 — 20 7
Zn|КОН|МnО2 1,25-1,15/0,9 125/330 Средняя -20 — 50 -20 — 25 4
Zn|КОН|HgO 1,3-1,2/0,9 105/325 Средняя 0 — 55 -20 — 25 3
Zn|КОН|Ag2O 1,6-1,5/1,0 (120/500)** Средняя 0 — 55 -20 — 25 6
Zn|КОН|воздух 1,3-1,1/0,9 (340/750)** Низкая 0 — 50 -20 — 25 2
Li|LiClO4,ДОЛ| CuO2 1,5-1,4/0,9 285-300/480-600 Низкая -20 — 60 -20 — 40 1 — 2
Li|LiClO4,ПК,ДМЭ|MnO2 3,0-2,7/2,0 230/550 Средняя -20 — 55 -20 — 40 1- 2
Li|LiBF4,БЛ+ТГФ|(CF)n 2,7-2,6/2,3 220/410 От низкой до средней -20 — 50 -20 — 40 0,5 — 1
Li|LiBr,AH|SO2 2,9-2,7/2,0 300/415 Высокая -55 — 70 -20 — 40 2
Li|LiAlCl4,SOCl2 |SOCl2 3,5-3,2/3,0 320-650/700-1000 От средней до высокой -55 — 85 -20 — 40 1 — 6
Li|LiCl|I2,ПВП 2,8-2,6/2 300/900 Очень низкая 0 — 200 0 — 4 1

* — для цилиндрических элементов
** — для дисковых элементов

Сравнение характеристик первичных химических источников тока. Разрядное напряжение первичных источников тока лежит в диапазоне 1,1-3,5 В (см. рисунок). Практически горизонтальную разрядную кривую имеют воздушно-цинковые, оксидносерно-литиевые и тионилхлоридно-литиевые источники тока, т.е. элементы с не расходуемым катодом. У остальных первичных источников тока, за исключением серебряно-цинковых (с Ag 2 O), напряжение при разряде заметно понижается (см. рисунок), в особенности при высоких скоростях разряда. С понижением температуры напряжение источников тока падает. Кривая зависимости удельной энергии от рабочей температуры проходит через максимум (см. рисунок). Такую же зависимость имеет и емкость. При отрицательных температурах резко уменьшаются электрические характеристики марганцево-цинковых источников тока с солевым электролитом, воздушно-цинковых, серебряно-цинковых и ртутно-цинковых источников тока, поэтому рекомендуемые для них рабочие температуры находятся выше 0 °С. Наиболее высокие удельные энергии при комнатной температуре имеют воздушно-цинковые и тионилхлоридно-литиевые источники тока, наименьшие значения удельной энергии — медно-цинковые элементы. Высокие удельные мощности характерны для источников систем диоксид серы-литий, тионилхлорид-литий и оксид серебра-цинк. Минимальный саморазряд отмечается у литиевых источников питания с твердыми восстановителями, литиевых источниках с твердым электролитом и ртутно-кадмиевых источниках питания, максимальный саморазряд — у марганцево-цинковых источниках тока с солевым электролитом (см. рисунок). По стоимости первичные источники можно выстроить в следующий ряд: Zn|NH 4 Cl|MnO 2 2 2 2 2 2 O/Zn 2 . Однако по удельной стоимости (на единицу запасенной энергии) источники питания будут располагаться в другой ряд: Zn/воздух 4 Cl|MnO 2 2 2 2 2 2 2 O/Zn.

Приведенные ряды имеют оценочный характер. Реальная стоимость зависит от типоразмера и формы источника питания, объема производства и прочих факторов.

Разрядные кривые источников тока при 20 °С:
1- Zn|NH4Cl|MnO2, 2- Zn/воздух, 3-Zn|КОН|МnО2, 4-Li/FeS2, 5- Zn/Ag2O, 6- Li/(CF)n, 7- Li/MnO2, 8- Li/SO2, 9- Li/SOCl2

Зависимость потери емкости источников тока от температуры:
1-Li/MnO2, 2-Li/SO2, 3-Li/SOCl2, 4-Zn|КОН|МnО2, 5-Zn/Ag2O, 6-Zn|NH4Cl|MnO2

Зависимость массовой удельной энергии источников тока от температуры:
1- Zn|NH4Cl|MnO2, 2- Zn|КОН|МnО2, 3-Zn/Ag2O, 4-Li/MnO2, 5-Li/SO2, 6-Zn/воздух, 7- Li/SOCl2

Зависимость объемной удельной энергии источников тока от температуры:
1- Zn|NH4Cl|MnO2, 2- Zn|КОН|МnО2, 3-Li/SO2, 4-Zn/Ag2O, 5-Li/MnO2, 6-Li/SOCl2, 7-Zn/воздух

Источник

ТИПЫ ИСТОЧНИКОВ ТОКА

Источниками электрического тока называют приборы, превращающие в электрическую энергию другие виды энергии, источники делятся на два класса: химические и физические.

Химические источники тока преобразуют химическую энергию в электрическую. Они состоят из одного источника или множества первичных или вторичных источников тока, объединенных в батарею. Превращение химической энергии в электрическую энергию выполняется в них непосредственно, без участия других видов энергий. Химические источники тока имеют разную степень многократного использования. В зависимости от возобновляемости введено разделение на два типа.

Первичные источники – батарейки. Их невозможно использовать повторно из-за необратимости химических реакций протекающих во время работы.
Вторичные источники – аккумуляторы. Перед использованием они заряжаются специальными приборами. Накопленный заряд транспортируется вместе с аккумуляторами. Во время эксплуатации аккумуляторов химическая энергия веществ, образовавшихся в процессе зарядки, преобразуется в электрическую энергию. После окончания заряда аккумулятора возможна регенерация веществ, необходимых для его работы путем зарядки.
Топливные элементы – аналогичны батарейкам, но для прохождения химической реакции вещества поступают в них снаружи, а продукты реакции удаляются, что дает возможность элементам эффективно работать долгое время.
Полутопливные элементы содержат одно из реагирующих веществ, второе при функционировании все время поступает в элемент. Срок службы установлен запасом не возобновляемого вещества. Если возможна регенерация не возобновляемого вещества путем зарядки, то полутопливный элемент восстанавливает работоспособность как аккумулятор.
Возобновляемые элементы – механически или химически перезаряжаемые элементы. В них предусмотрена возможность замены после окончания разряда израсходованных веществ. В отличие от топливных эти элементы работают с периодическим возобновлением реагентов.
Следует учитывать некоторую условность разделения на аккумуляторы и батарейки. Свойства аккумуляторов проявляются у щелочных батареек, их можно реанимировать при степени разряда 24-40 %. Некоторые аккумуляторы, как и батарейки, используются один раз.
По типу используемого электролита химические источники тока делятся на: cолевые, щелочные, кислотные.
Физические источники тока преобразуют механическую, световую, тепловую, ядерную и другие виды энергии кроме химической в электрическую.

ПУТАНИЦА В ТЕРМИНАХ

Источником тока принято называть множество приборов питания: батарейки, электрогенераторы, лабораторные блоки питания, источники питания системных блоков персональных компьютеров и многие другие. Перечисленные источники питания характеризуются выходным напряжением. Выбирая батарейку или блок питания, мы, прежде всего, ориентируемся на рабочее выходное напряжение, которое обязан поддерживать источник в пределах небольшого отклонения. Электрический ток изменяется в зависимости от сопротивления нагрузки в широких пределах, на некоторых источниках электроэнергии указан максимально возможный ток, который может отдать источник в нагрузку в зависимости от его мощности. Если основной параметр для выбора источника питания напряжение, то почему батарейки называются источниками тока, ведь правильнее их было бы называть источниками напряжения? Так сложилось исторически, принято называть источники питания источниками тока.
На этом путаница не заканчивается. В электротехнике существуют четко обозначенные понятия источник тока и источник напряжения. Учитывая все это, нам приходится иметь дело с терминологией сложившейся исторически и терминологией принятой в электротехнике, подкрепленной четкими определениями.
Идеальный источник напряжения обладает бесконечно малым внутренним сопротивлением, что дает возможность ему поддерживать напряжение на подключенной нагрузке, не зависимо от сопротивления нагрузки. Батарейки, аккумуляторы, источники питания компьютеров все это реальные источники напряжения. При подключении нагрузки соответствующей области применения, например для батарейки фонарика это небольшая лампа накаливания, напряжение уменьшается на незначительную величину, так как мы имеем дело с реальным, а не идеальным источником напряжения, внутренне сопротивление источника не равно нулю, но имеет очень малую величину.
А что же такое источник тока с точки зрения электроники и электротехники? Идеальный источник тока обладает бесконечно большим внутренним сопротивлением и способен поддерживать на нагрузке постоянный ток независимо от сопротивления нагрузки. При изменении сопротивления нагрузки изменяется напряжение на клеммах источника тока. Реальный источник тока это специальный электронный прибор, электрическая схема которого поддерживает стабильный ток в нагрузке независимо от сопротивления нагрузки. Такие приборы применяются мало, но в некоторых случаях они не заменимы. Наиболее часто источники стабильного тока применяются при зарядке аккумуляторов. Для правильной зарядки аккумуляторов их необходимо заряжать стабильным током, соответствующим паспортным данным. Интересное и очень ценное свойство источника стабильного тока – при замыкании выходных клемм не происходит выхода из строя прибора, так как ток остается стабильным, даже если сопротивление нагрузки около нуля. Это свойство лежит в основе источника стабильного тока, а не обеспечивается различными электронными защитами как у источников напряжения.

Источник



Первичные источники питания

Первичный источник питания преобразует неэлектрические виды энергии в электрическую. Наиболее широко известны такие первичные источники питания как батарейки, бензогенераторы или теплоэлектростанции. Любые радиотехнические устройства и системы с точки зрения обеспечения электрической энергией могут быть представлены в виде схемы, приведенной на рисунке 1.

Рисунок 1. Структурная схема питания радиоэлектронных устройств

На этом рисунке обозначено: ПИП — первичный источник питания — преобразует неэлектрические виды энергии в электрическую; ВИП — вторичный источник питания — преобразует электрическую энергию к виду удобному для потребителя (нагрузки) и собственно нагрузка — радиоэлектронная аппаратура (РЭА).

К первичным источникам питания обычно относят:

  1. Химические источники
  2. Термогенераторы
  3. Солнечные батареи
  4. Атомные батареи
  5. Топливные элементы
  6. Электрические машины (постоянного и переменного тока)

Химические источники тока

Это сухие гальванические элементы, кислотные и щелочные аккумуляторы. Наибольшее распространение получили кислотные аккумуляторные батареи (АБ). Типовые зарядно-разрядные характеристики одного кислотного элемента приведены на рисунке 2.

Рисунок 2. Зарядно–разрядные характеристики кислотного элемента

В процессе разряда напряжение быстро уменьшается до 2 В, а затем медленно спадает до 1,8 В. Разряд ниже 1,8 В на один элемент нежелателен, так как в нём начинаются необратимые процессы. Номинальным считается напряжение U = 2 В.

При заряде кислотного аккумулятора его напряжение быстро растёт до , а затем медленно до 2,4 В, т.е. восстановление активной массы аккумулятора закончено и начинается бурное выделение кислорода и водорода, заряд окончен. Для герметичных аккумуляторов это недопустимо, поэтому их помещают в специальный, прочный корпус «панцирь», выдерживающий высокое давление, добавляют газопоглотители и строго выдерживают режим заряда. Номинальная ёмкость аккумулятора — количество электричества, которое может отдать аккумулятор при 10-часовом режиме разряда (С10), неизменном токе и температуре.

Солнечные батареи

Работа солнечных батарей основана на вентильном фотоэффекте в полупроводниках (фото–ЭДС на p–n переходе). Под действием света электроны переходят на более высокий энергетический уровень, поддерживая ток во внешней цепи. Спектральные характеристики некоторых источников приведены на рисунке 3.

Рисунок 3. Спектральные характеристики солнечного света и солнечных батарей

Максимальная чувствительность кремниевого (Si) фотоэлемента находится на границе инфракрасного (ИК) излучения ( ). Селеновые (Se) фотоэлементы лучше согласуются по длине волны с солнечным светом и охватывают видимую часть спектра (0,4 мкм — фиолетовый цвет, 0,55 мкм — зелёный, 0,65 мкм — красный), что не всегда удобно. Поэтому используют кремний, который значительно шире распространён на земле.

Известно, что энергетическая освещённость Земли в солнечной системе составляет примерно 1 кВт/м 2 , но это на экваторе. В средних широтах около 300 Вт/м 2 , но это летом, а зимой примерно 80 Вт/м 2 . Извлечь эту энергию можно при помощи кремниевых фотоэлементов с коэффициентом полезного действия (теоретический КПД равен 22,5%, у арсенид–галиевых фотоэлементов теоретический КПД — 33,3%). Для получения 5В, 40мА требуется около фотоэлементов, поэтому о больших мощностях для промышленности речи пока не идёт. Их используют на космических летательных аппаратах с поверхностью солнечных батарей в сотни квадратных метров, а также для зарядки АБ в местах, удалённых от населённых пунктов.

Существует мнение, что солнечная энергия является экзотической и её практическое использование — дело отдалённого будущего. Стоимость солнечных элементов составляет , а стоимость электроэнергии . При использовании солнечных батарей возникает проблема суточного и сезонного накопления энергии, которая решается с помощью аккумуляторной батареи.

Топливные элементы

Топливные элементы преобразуют энергию химического топлива в электрическую энергию, без реакции горения. Действие этих элементов основано на электрохимическом окислении углеводородного топлива (водород, пропан, метан, керосин) в среде окислителя. Другими словами Топливные элементы представляют собой «неистощимые батарейки», к которым непрерывно подводится топливо и окислитель (воздух).

Различают следующие основные типы топливных элементов:

  • фосфорнокислые. Их КПД составляет около 40 %, а при совместном использовании и электричества и попутного тепла — около 80 %. Рабочая температура находится в пределах . Эти топливные элементы требуют некоторого времени для выхода на рабочий режим при холодном старте, но отличаются простой конструкцией и высокой стабильностью. На базе этих элементов созданы энергоустановки мощностью сотни киловатт.
  • твердополимерные. Они отличаются компактностью, высокой надёжностью и экологической чистотой. КПД составляет примерно 45 %, рабочая температура — около . В качестве топлива используется водород. Но здесь применяются катализаторы из платины и её сплавов. Поэтому стоимость энергии относительно высокая. Тем не менее, обладая уникальными качествами, они имеют хорошую перспективу для широкого применения.
  • Топливные элементы на расплавленном карбонате. Данный тип топливных элементов относится к высокотемпературным устройствам. Рабочая температура порядка . В качестве топлива используется природный газ. КПД достигает 55 %. В связи с большим количеством выделяемого тепла, успешно применяются для создания стационарных источников электрической и тепловой энергии.
  • твердооксидные. Здесь, вместо жидкого электролита применяется твердый керамический материал, что позволяет достигать высоких рабочих температур . КПД твердооксидных топливных элементов достигает 50 % и они могут работать на различных видах углеводородного топлива, что создаёт перспективу для использования в промышленных установках большой мощности.

Топливные элементы имеют разную рабочую температуру и у каждого своя область применения.

Поскольку напряжение и ток единичного топливного элемента невелики при плотности тока до 500 мА/см 2 , то для получения заданных характеристик топливные элементы соединяют в батареи. Для постоянного получения электроэнергии следует в батарею непрерывно подводить окислитель и топливо.

Топливные элементы отличает высокая надёжность (нет подвижных частей как в двигателе внутреннего сгорания) и термостабильность, а удельная энергия вдвое выше, чем у аккумуляторных батарей. По этой причине современные электромобили используют именно топливные элементы.

Термогенераторы

Работа термогенераторов основана на термоэлектрическом эффекте — нагреве контакта двух проводников или полупроводников, что приводит к появлению на их свободных (холодных) концах ЭДС, называемой термо–ЭДС. Величина этой термо–ЭДС , где — разность температур холодного и горячего концов термопары, — коэффициент термо-ЭДС, зависящий от материала термопары. Термоэлементы соединяют последовательно в батареи. На рисунке 4 приведена обобщенная схема термобатареи, а на рисунке 5 — зависимость термо–ЭДС некоторых термопар от температуры.

Рисунок 4. Обобщенная схема термобатареи

Рисунок 5. Зависимость термо–ЭДС некоторых термопар от температуры

На этом рисунке приведена величина термо–ЭДС термопар: 1 — Платина и медь; 2 — Платина и железо; 3 — Медь и железо. Из зависимостей термо-ЭДС, приведенных на рисунке 5 видно, что величины термо–ЭДС довольно малы, а создать большую разность температур для металлов проблематично из-за их высокой теплопроводности, поэтому чаще используют полупроводники с ЭДС около 1мв/°C. Современные термогенераторы выпускают на напряжение до 150 В и ток до 500 А при общем КПД порядка .

Внешний вид термобатареи
Рисунок 6. Внешний вид термобатареи

Атомные батареи

Принцип построения атомных батарей известен из курса общей физики. Одним из электродов является радиоактивный изотоп, вторым электродом служит металлическая оболочка. Под действием излучения на электродах создаётся разность потенциалов в несколько киловольт при токе единицы миллиампер. Срок службы атомных элементов — несколько лет. В настоящее время созданы низковольтные атомные батареи, работающие по принципу фотоэлементов, причём их излучение не превышает уровня общего фона.

Рисунок 7. Низковольтная атомная батарея: 1 — радиоактивный изотоп; 2 — полупроводник; 3 — отрицательный электрод; 4 — нагрузка, потребитель энергии

Рассмотрим принцип работы низковольтной атомной батареи. На поверхности полупроводника наносится слой радиоактивного вещества, излучаемый этим слоем, поток бета частиц бомбардирует атомы полупроводника, выбивая из него очень большое количество медленных электронов.Так как выбитые электроны могут двигаться только в одном направлении, они накапливаются на металлическом коллекторе, приваренном к другой стороне полупроводника и образующим с полупроводником контакт Шотки, обладающий односторонней проводимостью. Между коллектором и полупроводником возникает разность потенциалов. Для повышения кпд батареи часто вместо чистого полупроводника используют p-n переход в качестве контакта с односторонней проводимостью. Также существуют батареи использующие для генерации электронов эффект термоэлектронной эмиссии, так называемые термоэмиссионные генераторы. Принцип действия таких батарей аналогичен работе высоковольтных атомных батарей, описанных выше. В данных батареях используются изотопы, ядерные реакции в которых приводят к разогреву катода. Горячий катод испускает медленные электроны, которые, достигая анод, заряжают его отрицательно, в то время как катод заряжается положительно.Одним из веских оснований к применению данных источников энергии служит ряд преимуществ перед другими источниками энергии (практическая необслуживаемость, компактность и др), и решающим основанием явилась громадная энергоемкость изотопов. Практически по массовой и объемной энергоемкости распад используемых изотопов уступает лишь делению ядер урана, плутония и др в 4-50 раз, и превосходит химические источники энергии (аккумуляторы, топливные элементы и др.) в десятки и сотни тысяч раз.

Внешний вид миниатюрного ядерного элемента питания
Рисунок 8. Внешний вид миниатюрного ядерного элемента питания

Большинство современных ядерных батарей используют для сбора частиц полупроводники. Увы, но со временем «ловушка» приходит в негодность. Ученые из Университета Миссури заменили твердый полупроводник жидким, что и позволило не только сделать батарею миниатюрной, но и долговечной. Ее внешний вид приведен на рисунке 9.

Внешний вид миниатюрного ядерного элемента питания
Рисунок 9. Внешний вид миниатюрного ядерного элемента питания

Электрические машины

Преобразуют механическую энергию движения (поступательного или вращательного) в электрическую и наоборот. Выпускаются на большой диапазон токов и напряжений. Электрические машины делятся на электрические машины постоянного и переменного тока. При одинаковой мощности электрические машины переменного тока имеют в лучшие массо-объёмные показатели, чем машины постоянного тока. Поэтому 98% электроэнергии в мире вырабатывается электрическими машинами переменного тока. Их недостатками считается присутствие акустических шумов, а наличие подвижных частей определяет надёжность системы электроснабжения. Но инерционность электрических машин делает невозможными кратковременные провалы напряжения сети, что положительно сказывается на качестве электроснабжения.

В зависимости от того, чем вращают генератор переменного тока различают:

  1. гидро–генераторы (привод от водяной турбины гидроэлектростанции). Это тихоходные генераторы большой мощности при скорости вращения до 1500 об/мин;
  2. турбо–генераторы (привод от паровой турбины тепловой электростанции). Это скоростные генераторы с числом оборотов в минуту до 3000 и более;
  3. дизель–генераторы (привод от двигателя внутреннего сгорания бензинового или дизельного). Правильнее называть двигатель–генераторная установка (ДГУ), хотя исторически называют “дизелем”. Дизельные двигатели более неприхотливы, надёжны и широко используются в резервных источниках электропитания на предприятиях связи, радиопередающих и телевизионных центрах и для электроснабжения небольших населённых пунктов;
  4. газо–генераторы. Это двигатель внутреннего сгорания, работающий на газообразном топливе, которое по сравнению с другими сгорает при малом количестве воздуха без дыма и копоти. Его легко транспортировать на любые расстояния. Природный газ получают на газовых месторождениях, а попутный газ — на нефтепромыслах;
  5. ветро–генераторы. Ветер — неиссякаемый источник энергии. Однако надёжность такого электроснабжения зависит от силы ветра и поэтому пригодно не во всех географических зонах. Ветро–генераторы выпускаются промышленностью на мощности от 200 Вт до 1000 кВт при необходимой скорости ветра от 6 до 14 м/сек, но они создают акустические шумы, влияние которых на флору и фауну далеко не однозначно. В нашей стране широкого применения пока не нашли, хотя считаются перспективными;
  6. био–генераторы. Генераторы, приводимые в действие мускульной силой человека. На первых полярных станциях «Северный Полюс» зарядка аккумуляторных батарей для радиостанции проводилась “велотренажёром”, нагрузкой которого был автомобильный генератор постоянного тока. Если одна лошадиная сила равна примерно 730 Вт электрической мощности, то тренированный человек может вырабатывать порядка 50 Вт в течение (езда в гору на велосипеде!). Затем нужен отдых. Отсюда можно сделать вывод, что производство электрической энергии является далеко не лёгкой задачей.

Внешний вид дизель-генераторной установки
Рисунок 10. Внешний вид дизель-генераторной установки

Дизель-генераторные установки обычно обладают большей мощностью и применяются для электропитания крупных предприятий связи, в составе которых применяется более энергопотребляющая радиоэлектронная аппаратура.

Внешний вид бензогенератора
Рисунок 11. Внешний вид бензогенератора

Бензогенераторы могут применяться для гарантированного электроснабжения базовых станций сотовых систем связи, ретрансляторов, ремонтных служб или автомастерских.

Источник