2.1.4 Малогабаритные источники тока

а - герметичные аккумуляторы.Для питания миниатюрных устройств понадобились малогаба­ритные источники электрической энергии. Более удобными, несмотря на их меньшую удельную энергию и удельную ёмкость по сравнению с серебряно-цинковыми, оказались малогабаритные герметич­ные никель – кадминевые аккумуляторы.

Герметичные аккумуляторы изготавливают в виде дисков и ци­линдров. Электролитом аккумулятора служит водный раствор едкого кали, который насыщается сепаратор. Края крышки завальцовываются стенками корпуса, создавая герметизацию.

С герметичными аккумуляторами можно обращаться как с обыч­ной радиодеталью, помещая его в любом положении. Выходное сопротивление герметичных аккумуляторов очень мало - сотые и деся­тые доли Ома ( чем больше ёмкость, тем меньше сопротивление). Эквивалентная электрическая ёмкость аккумулятора для переменной сос­тавляющей тока порядка тысячи микрофарад на частоте 100 Гц.

Разряжать герметичные аккумуляторы можно мгновенно (импульсном

режиме), в течение нескольких минут ( стартерный режим ) и медленно- в течение 10... 15 ч (длительный режим). Среднее раз­рядное напряжение в этих режимах составляет: 1,1...1,12 В, 1,16... 1,18 В и 1,22... 1,25 В. В конце разряда напряжение составляет 0,9... 1,1 В. Хранение заряженного аккумулятора сопровождается са­моразрядом (20... 25% ёмкости за первые 30 суток).

б- ртутно-цинковые герметичные первичные элементы. Помимо никель - кадминивые малогабаритные аккумуляторов вы­пускаются также схожие по конструкции герметичные малогабарит­ные ртутно-цинковые щелочные элементы - РЦ. Эти элементы от­личаются высокой удельной энергией, стабильностью напряжения, хорошей сохранностью (несколько лет) и высокой механической прочностью.

ЭДС элемента составляет 1,34... 1,37В.; начальное напряжение 1,22... 1,25 В.; конечное напряжение при разряде 1В при Т_окр от 20 °С до предельной и 0,9 В при Т_окр=0 °С.

14

РЦ элементы имеют довольно большое внутреннее сопротивле­ние (порядка нескольких Ом).

К недостаткам относится относительно высокая стоимость окиси ртути, применяемой в качестве положительного электрода.

в- литиевые первичные элементы. В последнее время большее внимание уделяется разработке ли­тиевых элементов. Анод этих элементов литиевый, катод - угольный, жидкий электролит (органический ) состоит из двуокиси серы, бромила лития и смеси ацетонитрила и пропиленкарбоната. Существуют элементы с твёрдым (неорганическим) электролитом с катодом из соли металла. Такой элемент имеет ЭДС 3.7 В.

Срок хранения литиевых элементов с жидким электролитом око­ло 20 лет; после 10 лет хранения они теряют лишь 50% первона­чальной ёмкости.

Благодаря высокому и стабильному напряжению под нагрузкой (рисунок 2.5 ), малому внутреннему сопротивлению, работе при низких температурах, удельной энергии по массе в 2,5 раза и по объёму в 3 раза больше, чем у элементов других систем.

а- литиевые ;

б- ртутно-цинковые; в- марганцево-цинковых со щелочным электролитом;

г- марганцево-цинковых с солевым электролитом. Рисунок 2.5 - Разрядные характеристики элементов различных систем при нагрузочном сопротивлении 280 Ом для литиевых и 140 Ом для остальных элементов

В настоящее время разрабатывают литиевые элементы с твёрдым электролитом, в частности на основе системы литий – тионилхлорид. Литий металл дорогой, поэтому литиевые элементы использовали в основном там, где требовалась долговременная надёжная работа, например, в резервных источниках питания микросхем памяти компьютеров и в космической техники.

16

Ранее литиевые элементы выпускали только в “пуговичном” ис­полнении для часов, калькуляторов, фотоаппаратов, компьютеров. Постепенно, по мире снижения их стоимости, литиевые элементы появляются не только для устройств с высоким энергопотреблени­ем.

К сожалению, единого обозначения элементов сегодня нет- есть американская система габаритов, есть международная - МЭК, и ведущие фирмы нередко на своих изделиях указывают сразу несколько обозначений. Буквой “ R“ по системе МЭК обозначают элемент цилиндрической формы, a “F” - прямоугольной. Добавление буквы “L” перед “R” или “F” означает, что этот элемент щёлочной. Две буквы LR или LF говорят об алкалической системе в цилиндри­ческой или прямоугольном исполнении соответственно. Последними буквами группы могут быть Р или С, которые указывают на более совершенную систему прибора по сравнению с теми, которые имеют обозначении буквы S.

Знаков третьей группы, определяющих размеры, тоже может быть один, два и или три. Так, R6 - элемент МЦ системы с соле­вым электролитом типа “карандашик”, выпускаемый под маркой 316. Так батарея “Корунд” имеет обозначение 6PLF22 - батарея из шести плоских элементов улучшенной алкалической системы со щелочным электролитом.

Обозначения могут быть выполнены по стандартам ANSI (Аме­риканского национального института стандарта), NEDA (Национальной ассоциации распространителей электроники), JIS (Японский про­мышленный стандарт), DIN (Немецкий инженерный стандарт) и российский стандарт.

Вопросы для самоконтроля

1. Назовите основные термины применяемые в средствах электропитания.

2. В чем отличие передвижной аппаратуры от переносной ?

3. В чем отличие гальванического элемента от аккумулятора ?

4. Перечислите и расскажите о параметров, которые характери­зуют ХИТ.

5. Расскажите об особенностях кислотных аккумуляторах .

6. Опишите о щелочных аккумуляторах. Нарисуйте обобщенную

структурную схему ИВЭП.

7 Нарисуйте структурную электрическую схему ИВЭП с

нерегулированным выпрямителем и поясните назначение

функциональных узлов.

8 Нарисуйте структурную схему с регулируемым выпрямителем и

поясните назначение функциональных узлов.

9 Нарисуйте структурную схему со стабилизатором и поясните

назначение функциональных узлов.

10 Нарисуйте структурную схему импульсного ИВЭП с регулированным

инвертором и поясните назначение функциональных узлов.

17

11 Нарисуйте структурную схему импульсного ИВЭП с регу­лируемым

сетевым выпрямителем и поясните назначение функциональных узлов.

12 Нарисуйте структурную схему многоканального ИВЭП с

индивидуальной стабилизацией и поясните назначение функциональных узлов.

13 Нарисуйте структурную схему многоканального, ИВЭП с групповой

стабилизацией и поясните назначение функцио­нальных узлов.

Примеры задач до темы лекции 14

Задача 1

Рассчитать химический источник питания при: максимальной и

минимальному напряжению Umax=9B; Umin=7.2B; сопротивление внешней цепи Rн=144Ом; длительность работы t_вр=10 часов и температура окружающей среды от +25 к –40, в режиме неизменного тока Iп=50ма=const; стоимость должна быть минимальная; исходное сопротивление на частоте 20 Гц не более 15 Ом.

Решение:

1. Выбираем марганцево-цинковый элемент с солевым электродом не создают вредных испарений и наиболее дешевые.

2. Из справочных материалов для элементов с солевым электролитом и щелочным выбираем ток элемента так, чтобы при заданном токе I_н=50ма, а длительность работы t_вр=10 часов напряжение U_k было не ниже 1 В (в противном случае значительно растет внутренне сопротивление элемента) ДСТ 12333-74 позволяет элементы типа 332, 336, 343, 373, 374, 376, 425, 465 и розряджувати до 0,85 В. Возможно выбор элемента типа 343.

Рисунок 2.6 - Кривая непрерывного разряда

елемента 343

Таблиця 2.1 - Номер кривой соответствует току разряда

Номер кривой	1	2	3	4	5	6	7	8
Разрядний ток, мА	200	150	100	80	60	40	20	10

По кривой, которая пошла бы между кривыми 5 и 6, получаем U_k=1.12 В.

Разрядный тока равен 50 мА

3. Определяем начальное напряжение элемента (значение U на осе ординат)

18

U_нач=1,5 В

4. Определяем количество последовательно включенных элементов N и округляем к ближайшему меньшему целому числу элементов

5. Определяем напряжение в конце разряда при напряжении

U_мин=7.2 В; U_мин < U_кб; 7,2 В > 6.72 В

Что превышает, следовательно, условие не выполняется. Переходим к элементу 373 с большим Q.

6 Данные перерасчёта

Рисунок 2.7 - Кривые непрерывного разряда НЦ типа 373

Таблица 2.2 - Номер кривой соответствует току разряда

Номер кривой	1		2		3		4		5		6		7		8		9		10
Разрядный ток, мА		300		250		200		150		100		80		60		40		20		10

Для элемента 373 при t=10 ч и I =50 ма получаем U=1,4 В и U_нач=1,55 В, откуда N=5

Для выполнения условия U_мин < U_к. ; U_кб=6,9 В ; U_кб = 5 · 1,4 = 7,0 В

7,0 В > 6,9 В.

Таким образом, не стоит переходить к элементам 374 и 376.

7 Даны перечисления при N=6. Элемента 373 могут подойти, если согласуется с превышением U_нач.б на 3%.

19

Учитывая точность расчетов, такое решение может считаться приемлемым

В; 8,28 В>7,2 В и условие выполняется.

выполняется условие Uмин < N·U_k и будет получен больший срок службы.

8 Уточняем срок службы по рисунку 2.7, для напряжения U_k=1,2 В и

I=50 ма, определяем часов.

9 Для элементов 373 выгодное сопротивление Z_вых=0,42 Ом; на частоте

f=20 Гц

Z_вых.б=0,426 Ом

Z_вых.б=2,52 Ом.

Был задан 15 Ом. Востребование выполнено.

10 Уводимо температурное исправление на напряжения батареи, ТНК для НЦ

элементов .

11 Определяем максимальное сопротивление в начале разряда

Задача 2

Определите максимальное значение напряжения сети U_с = 220 В.

Решение :

1 Напряжение сети имеет синусоидальное значение, следовательное коэффициент амплитуды равен к_а = 1,41.

U_m = 1,41 · U_с ,

U_m = 1,41 · 220 = 310,2 В.

Задача 3

Построить амплитудно – частотный спектр сигнала на выходе функционального узла выпрямителя, если основная частота сетевого напряжения равна f_осн. = 50 Гц , а максимальное значение напряжение на выходе выпрямителя равна U_m = 3,14 В.

Решение :

1 Форма напряжения на выходе выпрямителя двухполупериодная и ряд Фурье имеет вид

20

U = [ 2 U_m / π] ( 1 + 2/3 cos 2w₁t - 2/15 cos 4w₁t +2/35 cos 6w₁t +.....) ,

1.1 Амплитуда постоянной составляющей равна

u₀ = 2 U_m / π,

u₀ = 2· 3,14 / 3,14 = 2 В,

1.2 Вторая гармоника f₂ = 100 Гц, амплитуда сигнала равна

u₂ = 2/3 (2 U_m / π) ,

u₂ = 2/3· (2 ·3,14 / 3,14) = 1,33 В.

1.3 Четвертая гармоника f₄ = 200 Гц , амплитуда сигнала равна

u₄ = 2/15 (2 U_m / π) ,

u₄ = 2/15· (2 ·3,14 / 3,14) = 0,27 В.

1.4 Шестая гармоника f₆ = 300 Гц , амплитуда сигнала равна

u₆ = 2/35 (2 U_m / π) ,

u₆ = 2/35· (2 ·3,14 / 3,14) = 0,11 В

1.5 Амлитудно - частотный спектр на выходе выпрямителя

Рисунок 2. 8 - Амлитудно – частотный спектр сигнала

Задачи для самостоятельной работы

1 Построить амплитудно – частотный спектр сигнала на выходе функционального узла выпрямителя, если основная частота сетевого напряжения равна f_осн. = 60 Гц , а максимальное значение напряжение на

21

выходе выпрямителя равна U_m = 6,28 В.

2 Рассчитать химический источник питания при: максимальной и

минимальному напряжению U_max=12 B; U_min=9 B; сопротивление внешней цепи R_н=120 Ом; длительность работы t_вр=20 часов и температура окружающей среды от +25 к –40, в режиме неизменного тока I_п=50ма=const; стоимость должна быть минимальная; исходное сопротивление на частоте 20 Гц не более 10 Ом.

3 Определите максимальное значение напряжения сети U_с = 127 В.

Литература

1. Векслер Г.С., Пилинский В.В Электропитающие устройства

электроакустической и кинотехнической аппаратуры-К.:Вища школа, 1986.

С.8...36.

2. Прямышников В.А. Электроника: Полный курс лекций. -4-е изд.-СПб.:

КОРОНА принт. 2004.С.310...311, 317...321.

3 Добротворский И.Н. Теория электрических цепей: Учебник для

техникумов. – М.: Радио и связь, 1989.- 479 с. с.294…295.

22

Лекция 15

Экспресс - проверка знаний пройденного материал :

1 Нарисуйте обобщенную структурную схему с преобразованием напряжения

2 Нарисуйте обобщенную структурную схему ИВЭП

3 Нарисуйте структурную схему ИВЭП с трансформаторным входом

После изучения лекции 15 студент должен знать : основные характеристики и принцип работы основных схем выпрямления

Уметь: нарисовать схемы выпрямителей и их временные диаграммы. .

План ( логика ) изложения материала

2.3 Выпрямители. Основные схемы. Работа выпрямителя на активную схему

2.3.1 Общие сведения

2.3.2 Однофазная однополупериодная схема выпрямления

2.3.3 Двухфазная двухполупериодная схема выпрямления

2.3.4 Однофазная мостовая схема выпрямления ( схема Гретца )

Дополнительный материал к лекции 15 для самостоятельной работы

Трёхфазные схемы выпрямления

2.3 Выпрямители. Основные схемы. Работа выпрямителя на активную схему.

2.3.1 Общие сведения

Назначение выпрямительного устройства состоите преобра­зовании переменного напряжения питающей сети в постоянное, ко­торое используется для питания всевозможных электронных устройств.

Основным элементом выпрямительного устройства является электрический вентиль - нелинейный элемент, сопротивление которого для прямого направления тока в сотни - тысячи раз меньше, чем для обратного. В качестве электрических вентилей широко применяются электровакуумные приборы (кенотроны), газонаполненные (газотроны, тиратроны) и полупроводниковые вентили (диоды, тиристоры и т.д.).

Работу неуправляемых вентилей на чисто активную нагрузку, т.е. будем считать обмотки трансформатора без потерь, а вентиль идеальным ( R_{i пр}.=0 ;

R_{i обр} = ∞). Схемы выпрямления классифицируются по ряду признакам :

- по типу вентилей - электронные, газоразрядные и полупроводниковые;

- по характеру реакции нагрузки - с активной, ёмкостной, индуктивной

нагрузкой;

- по режиму нагрузки - работающие на непрерывную и импульсную

нагрузку ;

- по схеме выпрямления выпрямители можно подразделить:

- по числу фаз первичной обмотки силового трансформатора -

однофазные и трёхфазные;

- по форме выпрямленного напряжения - одно- и двухполупериодные ;

- по числу фаз вторичной обмотки трансформатора - однофазные,

23

двухфазные, трёхфазные и шестифазные.

Выпрямитель характеризуется большим количеством различных показателей. Основные параметры:

• среднее значение выпрямленного напряжения U_o;

• среднее значение выпрямленного тока I_о;

- коэффициент пульсации выпрямленного напряжения k_пк, кото­рый можно

определить по формуле

k_nk=U_mk/U_o, ( 2.2 )

где : U_o - постоянная составляющая выпрямленного напряжения ;

U_mk - амплитуда k-й гармоники.

- частота основной гармоники выпрямленного напряжения f_n .

Кривая выпрямленного напряжения представляет собой периодическую несинусоидальную функцию, которая содержит постоянную составляющую.

По схеме вентильного блока выпрямители с параллельным, последовательным и мостовым включением однофазных выпрямителей.