8. Проектирование устройств отображения, регистрации, трансляции данных и питания

…

8.4. ВОПРОСЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ УСТРОЙСТВА ПИТАНИЯ (УП)

Введение в тему.

Устройство питания (УП) – ответственная часть электрической схемы СИ КПКЭ. Правильный выбор её структуры и характеристик не в последнюю очередь определяет пользовательские характеристики изделия в целом: внешний облик, удобство эксплуатации, надёжность, себестоимость и цена, стабильность метрологических свойств и др.

УП состоит из источника (ов) первичного питания и вторичных преобразователей электрической энергии. Источником первичного питания для СИ КПКЭ, как правило, являются электрохимические источники энергии (ЭИЭ) - аккумулятор, батарея, топливный элемент или напряжения электрических сетей, постоянного или переменного тока. В ряде случаев в качестве источника первичной энергии могут выступать локальные источники возобновляемой энергии – ветра, солнца, водяного потока и более экзотические – электромеханическая энергия вибрации, диссипированного электромагнитного поля, термоэлектрических источников; энергия света, передаваемая по оптическому волокну. В качестве редко используемого источника можно рассматривать энергию, запасаемую в электрических ёмкостях большого объёма – ионисторах (суперконденсаторах). На рисунке представлена классификация источников первичной энергии для СИ КПКЭ.

Далее мы дадим первичный обзор ЭИЭ, рекомендации по их выбору и особенностям применения в СИ КПКЭ.

Место эиэ в проектируемых си кпкэ, преимущества и особенности применения эиэ

Электрохимические источники электрической энергии используются в СИ КПКЭ как основной или резервный источник энергии. Основным источником ЭИЭ является в портативных измерителях – в встроенном виде. В ряде случаев батареи используется и как наружные источники питания, например, для организации долговременного аудита электрических сетей.

При выборе источников обычно интересуются следующими характеристиками:

- конструктивные (цилиндрические, дисковые, призматические);

- диапазон генерируемых напряжений (в начале и конце жизненного цикла);

- ёмкость (мАчас);

- максимальный отдаваемый ток;

- ток саморазряда;

- диапазон рабочих температур;

- цена.

О фирмах-производителях эиэ

Изучать номенклатуру представленных на рынке ЭИЭ мы будем по технической документации производителей, которые хорошо представлены в России: GP batteries, Varta, Panasonic, Duracell, Verbatim [7–9]. Наряду с такими фирмами, производящими массовую продукцию в первую очередь для бытовых изделий, надо иметь в виду также изделия менее известных фирм, производящих аналогичную продукцию для профессионального применения. Это изделия могут иметь другие форм-факторы и характеристики, наиболее подходящие для ответственных применений. Такими фирмами являются швейцарская Renata batteries и китайская EEMB batteries.

Обзоры ЭИЭ

Конструктивные варианты.

Электрохимические источники питания представляют собой контейнер, в котором находится электролит, абсорбируемый активным материалом сепаратора и электроды (анод и катод). Различают: цилиндрические, призматические и дисковые; впаиваемые, с винтовым креплением и без крепления.

Типовые формы и габаритные размеры ЭИЭ сложились исторически: хорошо известны «пальчиковые» и «мизинчиковые» батареи, батареи типа «Крона», батареи-таблетки (дисковые). Широко известен образ цилиндрических батарей типа С и D, а также уже менее используемых плоских 4,5-вольтовых батарей.

В таблице представлены конструктивные параметры батарей известных форм-факторов семейства GP Ultra Alkaline.

Таблица 8.6. Сравнительные параметры батарей GP Ultra Alkaline

Тип	ААА (R03) микро	АА (R6) мигнон	С (R14) бэби	D (R20) моно	“Крона» (6А22)
Диапазон вых. напряжений, В	0,9…1,6				8,4…11,5
Диаметр, мм	10,5	14,5	25,4	34,2	48,526,517,5
Высота, мм	44,5	50,5	49,5	61,5
Ёмкость, мАчас	1350	3100	8 000	14300	600

При проектировании конструктивные особенности батарей выбираются в соответствии с возможностями выбираемых приборных корпусов и выбранного способа крепления батарей в корпусе. Цилиндрические батареи типа N, ААА, AA, C, D могут предварительно размещаться в т.н. боксах, либо закрепляются непосредственно на печатной плате посредством впаиваемых держателей. Важно: экспериментально не проверено, какое качество контакта обеспечивают держатели при малых отдаваемых токах и низких температурах! Для жёстких условий эксплуатации (экстремальные температуры, вибрация …) правильно использовать батареи с впаиваемыми контактами.

Для ответственных применений следует приобретать батареи профессионального класса – с гарантированными характеристиками. При использовании батарей в измерителях, предназначенных для долговременной регистрации, когда параметры окружающей среды могут меняться в широких пределах, следует обращать внимание:

-на гарантируемую ёмкость батарей и зависимость её от температуры эксплуатации;

-на максимальный отдаваемый ток и его зависимость от температуры;

-на принципиальную способность батареи работать при отрицательных температурах;

-на диапазон генерируемых напряжений в заряженном и разряженном состоянии.

Следует иметь в виду, что значение ёмкости имеет условный характер - она во многом зависит от режима разряда и температуры окружающей среды, типа электролита (см. далее). В этой связи часто батарейки характеризуются не ёмкостью, а некой усреднённой продолжительностью работы на типовую нагрузку в нормальных условиях окружающей среды. Для ответственных применений желательно иметь надёжного поставщика сертифицированных батарей, которые полезно протестировать на серийно выпускаемых изделиях в крайних точках рабочего температурного диапазона