2. Первичные и вторичные источники электропитания.

Понятие о химических источниках тока (ХИТ) и их основные характеристики.

Химическими источниками тока называются устройства, в которых химическая энергия активных веществ превращается в электрическую. В современных средствах связи химические источники тока широко применя­ются в качестве основных и резервных источников питания.

Конструктивное выполнение химических источников тока может быть самым различным, но во все ХИТ входят:

-положительные электроды, выполняемые из меди, двуокиси марганца, свинца, гидрата закиси никеля, серебра и других активных веществ ;

-отрицательные электроды, выполняемые из цинка, губчатого свинца, окиси кадмия, окиси железа, окиси цинка и других активных веществ ;

-электролит, которым служат водные растворы кислот, щелочей, со­лей ;

-сосуд, изготовленный из стали, пластмассы, стекла.

Разность потенциалов в ХИТ образуется вследствие того, что при погружении металлического электрода в раствор электролита под влияни­ем сил электролитической упругости происходит растворение металла. При переходе в раствор каждый атом металла теряет некоторое количест­во электронов, расположенных на его внешней орбите, образуя положительный ион, который переходит в электролит и располагается вблизи поверхности электродов на границе электрод - электролит.

В связи с тем, что электроны атомов, вышедших из металла, оста­лись в электроде, а электролит пополнился положительными ионами ме­талла, электрод приобретает отрицательный заряд, а прилегающий к элек­троду слой электролита - положительный.

Разность потенциалов между электролитом и электродом называет­ся электродным потенциалом.

При погружении в электролит разнородные металлы будут отдавать в раствор разное количество ионов в зависимости от активности ме­талла; это приведет к тому, что каждый из металлов-электродов будет обладать различным электродным потенциалом.

В результате разности потенциалов между электродами создается э.д.с. химического источника Е=Ф-Ф , где Ф и Ф - электродные потенциалы.

При замыкании электродов проводником на одном из них происходит процесс окисления (отдача электронов), а на втором - восстановление (получение электронов). Первый электрод считается отрицательным, а второй - положительным.

По характеру работы все известные ХИТ делятся на две группы:

первичные и вторичные.

Первичные химические источники тока допускают лишь однократ­ное использование заключенных в них активных веществ. Вторичные химические источники тока - электрические аккумуляторы - допускают многократное использование.

Основные типы первичных ХИТ

К первичным ХИТ относятся элементы следующих типов: марганцово-цинковые, ртутно-цинковые и медно-магниевые. Кроме того первичные ХИТ делятся на две группы по виду электролита: на элементы с жидким электролитом и сухие элементы, содержащие вязкий невыливающийся электролит.

Марганцово-цинковые элементы являются наиболее распространен­ными сухими элементами. Положительным электродом в марганцово-цинковых элементах служит двуокись марганца, отрицательным - металличес­кий цинк. Электролит состоит из раствора соли (хлористого алюминия) или щёлочи (едкого кали).

марганцово-цинковые элементы и батареи имеют сравнительно ма­лую стоимость, сохраняют работоспособность в широком диапазоне тем­ператур, просты в эксплуатации и хранении, находят широкое применение в качестве источников питания телефонной, измерительной и различного рода вспомогательной аппаратуры и приборов.

Представителями марганцово-цинковых элементов питания являются: элементы 373, 343, 334 и т.д., батареи питания - 337, "Крона", ГБ-10-У-1,3, ЭЛЕМС-10Т.

Ртутно-цинковые элементы по конструкции подобны марганцово-цинковым. Активная масса положительного электрода состоит из оки­си ртути и графита. Отрицательный электрод изготавливается из порош­ка цинка и ртути. Электролитом служит раствор едкого кали и окиси цинка.

Ртутно-цинковые элементы и батареи имеют высокую стоимость, хуже работают при отрицательных температурах. Вследствие того, что размеры этих элементов малы, они применяются в малогабаритных переносных радиостанциях.

К указанному типу относится батарея "Акция", предназначенная для питания радиостанции P-I47.

Медно-магниевые (медно-хлормагниевые) элементы и батареи при­водятся в действие электролита непосредственно перед использованием. Элементы обладают большие сроком

суток. Вслед­ствие этого, медно-магниевые элементы применяются в качестве резервных источников тока.

К этому типу, например, относится батарея ЗМХМ-7.

Основные типы вторичных ХИТ

По составу электролита аккумуляторы делятся на две группы: щелоч­ные и кислотные.

К группе щелочных относятся: никель-кадмиевые, никель-железные, серебряно-цинковые аккумуляторы. К группе кислотных относятся свин­цовые аккумуляторы.

Щелочные никель-кадмиевые (НК) аккумуляторы обладают большим сроком службы, конструктивно прочны, сравнительно просты в эксплуа­тации и хранении, имеют небольшой саморазряд, хорошо работают при пониженных температурах, имеют относительно высокую стоимость, малую величину напряжения разряда ( Up = 1,25 В), большее по сравне­нию с другими типами внутреннее сопротивление.

Щелочные никель-железные аккумуляторы используются в тех областях, где такие их недостатки, как узкий температурный интервал работоспособности, значительный саморазряд и несколько более слож­ное эксплуатационное обслуживание не имеют существенного значения.

Щелочные серебряно-цинковые (СЦ) аккумуляторы обладают при не­больших габаритах и массе большей емкостью, малым внутренним сопротивлением, большим по сравнению с НК аккумуляторами напряжением разряда ( Up =1,5 В), имеют высокую стоимость, малый срок службы, худшие эксплуатационные возможности при низких температурах.

Кислотные (свинцовые) аккумуляторы обладают малым внутренним сопротивлением, большим напряжением разряда ( Up =2 В), относи­тельно низкой стоимостью, меньшей механической прочностью, неболь­шим сроком службы, большим саморазрядом, сложны в уходе и хранении, выделяют вредные пары кислот.

Для питания аппаратуры связи получили наибольшее распростра­нение щелочные НК аккумуляторы.

Для всех химических источников тока присущи следующие электрические характеристики:

Электродвижущая сила (Е)-разность потенциалов между выводами ХИТ при разомкнутой внешней цепи. Значение э.д.с. зависит только от хи­мического состава электродов и не зависит от количества активных масс.

Внутреннее сопротивление Rвн- сопротивление, оказываемое ХИТ проходящему через него постоянному току.

Напряжение U- это напряжение, измеряемое на зажимах ХИТ при замкнутой внешней цепи.

U= E-Ip*R

где Е - э.д.с. ( В), I - ток разряда (A), Rвен -внутреннее сопротив­ление источника(Ом). Из уравнения видно, что напряжение при разряде всегда меньше э.д.с. на величину падения напряжения на внутреннем сопротивлении источника тока. По величине напряжения судят о степе­ни заряженности ХИТ.

Емкость (Q) - количество электричества, отдаваемое ХИТ при разряде до минимально допустимого напряжения. Емкость измеряется в ампер-часах, определяется по формуле

Qн=Iр*tр

где Iр - ток разряда ( А), tр - время разряда (ч).

Номинальная емкость Q - ёмкость, которую должен отдать новый ХИТ в номинальном режиме разряда. Она зависит от количества активных веществ.

Саморазряд - потеря ёмкости за счет токов внутри ХИТ и между его электродами при разомкнутой внешней цепи. Оценивается уменьшением ёмкости ХИТ в процентах от номинальной в месяц (за сутки).

Сохранность (срок хранения) элементов - время, на протяжении кото­рого элемент

сохраняет определенную часть номинальной ёмкости.

Так как аккумуляторы обеспечивают функционирование только после предварительного заряда, то они дополнительно имеют следующие электрические характеристики:

Ток заряда_Iз

Напряжение заряда : Uз=Е+Iз*Rвн

Ток разряда Iр: (максимально допустимый ток разряда).

Напряжение разряда Uр (рабочее или номинальное напряжение)

Зарядная ёмкость аккумулятора Qз - количество электричества, поглощенное аккумуяятором при заряде.

Срок службы - количество циклов (заряд-разряд), которое акку­мулятор может отдать при сохранении им не менее половины номиналь­ной ёмкости.

В случае необходимости, получить напряжение или емкость больше по величине, чем может дать один гальванический элемент или аккумулятор, химические источники тока соединяются в батареи. При последовательном соединении ХИТ их напряжение и внутреннее сопротивление суммируется, а величина емкости и разрядного тока не изменяются.

При параллельном соединении ХИТ суммируются разрядные токи и емкости. Напряжение батареи равно напряжению одного элемента, а внутреннее сопротивление уменьшается по закону параллельного соединения сопротивлений:

Следует отметить, что последовательно соединяются ХИТ только одинаковой емко­сти, а параллельно – одинаковой ЭДС. Батареи в свою очередь могут соединяться последовательно и параллельно.

Рассмотрим подробнее гальванические элементы. В них происходит необратимый электрохимический процесс преобразования химической энергии в электрическую, а активные вещества в результате реакции приходят в негодность, что не позволяет использовать такие элементы повторно.

Устройство, маркировка, классификация и принцип действия щелочных аккумуляторов.

Никель-кадмиевые аккумуляторы

Щелочной никель-кадмиевый аккумулятор состоит из полублоков положительных и отрицательных электродных пластин, помещенных в сварной никелированный корпус (сосуд) с электролитом. Между собой электродные пластины разделены эбонитовыми палочками или сепарато­рами, то есть изолирующими прокладками из эбонита или специальных щелочестойких тканей и бумаги. В аккумуляторах некоторых типов корпуса (сосуды) изготовляют­ся из пластмассы. В этом случае блоки электродов помещаются в спе­циальную металлическую обойму.

Полублоки положительных и отрицательных электродов набираются из пластин, которые соединяются между собой мостиками. К мостику приваривается полюсной вывод (борн).

Активная масса положительных пластин представляет собой смесь гидрата окиси никеля Ni(ОН) с добавкой (16-18%) графита для улучшения электропроводности. Положительные пластины изготовляются более толстыми, чем отрицательные, а число их на одну больше.

Активная масса отрицательных пластин состоит из смеси порошкообразного кадмия, железа и их окислов.

В качестве электролита никель-кадмиевых аккумуляторов исполь­зуются водные растворы щелочей едкого кали КОН или едкого натра NaOН в чистом виде или с добавкой моногидрата лития LiOH.

Существует несколько типов никель-кадмиевых аккумуляторов, от­личающихся внешним видом, конструкцией сосудов, электродов и други­ми признаками. Они подразделяются:

- по конструкции пластин (электродов) - на ламельные и безламельные ;

- по способу исполнения - на негерметичные, непроливаемые, герметич­ные.

Никель-кадмиевые аккумуляторы в зависимости от способа изго­товления электродов бывают ламельными и безламельными. В наиболее распространенных - ламельных электродах активная масса заключена в ме­таллические пакеты с перфорированными стенками - ламели.

В безламельных аккумуляторах электроды изготовляются в виде металлокерамических пластин, фольговых пластин, прессованных плас­тин, намазных пластин.

Непроливаемость электролита в непроливаемых аккумуляторах до­стигается его строгой дозировкой и применением специальной вентиль­ной пробки, снабженной резиновыми вентильным и уплотнительными коль­цами .

Рис. 4. Устройство аккумуляторной батареи типа 2НКБ-15У2:

1—положительный вывод; 2—непроливаемая вентильная пробка; 3—крышка:

4 — отрицательный вывод; 5 — полублок отрицательных пластин; 6 — сепарация из щелочестойкой бумаги; 7—сепарация из капроновой ткани; 8—прокладка из винипласта: 9 — стальной корпус; 10 — полублок положительных пластин.

Такое устройство пробки предотвращает проникновение в аккумулятор воздуха и позволяет выходить газам наружу при их скоплении. Верхнее отверстие, которое при эксплуатации всегда должно быть закрыто ре­зиновым кольцом, служит для отвода газов. Нижнее отверстие предназ­начено для выхода газов при заряде. Во время заряда вентильная пробка вывинчивается только до нижней резьбы.

Щелочной электролит обладает способностью поглощать углекислый газ из воздуха и образовывать карбонаты ("ползучие"соли), засоряющие поры пластин и понижающие ёмкость аккумулятора. Поэтому резина вен­тильного и уплотнительного колец должна быть всегда эластичной и целой.

Герметичные никель-кадмиевые аккумуляторы.

Герметичные аккумуляторы и батареи используются для питания малогабаритной и переносной аппаратуры, в осветительных приборах и т.д. В отличие от обычных ламельных и безламельных аккумуляторов они на протяжении всего срока службы не требуют заливки, смены и корректировки плотности электролита, удаления налета солей с поверх­ности сосуда.

В настоящее время в герметичном исполнении выпускают только щелочные никель-кадмиевые аккумуляторы. В процессе заряда эти ак­кумуляторы не выделяют газов и паров. Следовательно, они могут ус­танавливаться непосредственно в блоках, приборах, аппаратах. Герме­тичные аккумуляторы могут крепиться путем пайки, сварки или с по­мощью винтов и гаек.

Электрические процессы, протекающие в герметичных аккумулято­рах, аналогичны процессам в ламельных и безламельных НК аккумулято­рах.

Герметичные аккумуляторы на номинальное напряжение 1,25 В ис­пользуются в схемах питания с потреблением тока, значение которого численно не превышает 0,1-0,2 номинальной емкости аккумулятора. Для аккумуляторов этого типа характерно сравнительно низкое зарядное напряжение (1,35-1,45 В), мало изменяющееся в процессе заряда.

По форме герметичные аккумуляторы бывают дисковые, цилиндрические и прямоугольного сечения. Серьёзным недостатком герметичных аккумуляторов является потеря работоспособности при "переполюсовке".

Никель-кадмиевые аккумуляторы обладают следующими электричес­кими характеристиками:

- U - номинальное напряжение 1,25В ;

- Uкp - напряжение в конце разряда 1,0 В ;

- Uнз ^- напряжение в начале заряда 1,4 В ;

- Uкр - напряжение в конце заряда 1,8 В ;

- Е - электродвижущая сила 1,36 В;

- Rвн - внутреннее сопротивление ;

- tнз -.время нормального заряда 6-7 ч. ;

- tнр - время нормального разряда 8 ч. ;

- Iнз - ток нормального заряда Q/4 (или по инструкции) ;

- Iнр - ток нормального разряда Q /8 (или по инструкции).

Маркировка никель-кадмиевых аккумуляторов

Все аккумуляторы маркируются с помощью букв и цифр, нанесенных на крышке, например: HK-I3, НК-80, НКП-20 и т.п. Первые буквы НК обозначают никель-кадмиевую электрохимическую сис­тему.

Третьи буквы обозначения указывают на технологическую осо­бенность изготовления аккумуляторов и их электродов, а именно:

Б - безламельные ;

П – безламельные с прессованными электродами;

Н - намазные пластины;

Т - электроды таблеточной конструкции ;

Г – герметичное исполнение.

Отсутствие третьей буквы указывает на то, что аккумулятор является ламельным.

Цифры после букв обозначают номинальную ёмкость в ампер-часах.

Например, маркировка HK-I3 указывает на ламельный никель-кадмиевый аккумулятор ёмкостью 13 ампер-часов ;

НКП-20 - никель-кадмиевый аккумулятор, безламельный с прессо­ванными пластинами ёмкостью 20 ампер-часов. , -

Условные обозначения аккумуляторных батарей состоят из обозна­чения типа входящих в батарею аккумуляторов и цифр перед ними, пока­зывающих число последовательно соединенных в батарее аккумуляторов, например: 4KH-I3-IK, 5НК-55, 10KH-28KT, 5НК-125-КТ и др.

Буквы и цифры, стоящие в конце обозначения батареи, использу­ются:

К - для обозначения батарей, смонтированных в металлическом каркасе;

Т - для обозначения батарей с выводными клеммами на торце каркаса;

С - для обозначения сухозаряженных батарей ;

Цифры I и П (I и 2) - для обозначения расположения в рамках (в один или в два ряда по длине).

Так, например, обозначение 5 HK-I25 КТ указывает на батарею из пяти никель-кадмиевых ламельных аккумуляторов ёмкостью 125 ампер-часов, смонтированных в металлическом каркасе с клеммами на торце каркаса. При этом зная, что напряжение одного никель-кадмиевого аккумулятора 1,25 В, напряжение батареи 5HK-I25KT составит 6 В.

В маркировке герметичных аккумуляторных батарей, например 10НКГЦ-1Д, 10НКГ-0,45, цифры и буквы обозначают:

10 - количество аккумуляторов в батарее ;

НК - никель-кадмиевая электротехническая система ;

Г - герметичные ; -

Ц - цилиндрический корпус аккумуляторов ;

I ; 0,45 - электрическая ёмкость в ампер-часах ;

Д - длительный режим разряда (малым током).

Например маркировка 10 НКГЦ-1Д указывает на батарею из десяти никель-кадмиевых герметичных аккумуляторов цилиндрической формы ем­костью 1 ампер-час, предназначенных для длительных режимов разряда.

Источники электропитания имеют большое значение в обеспечении работоспособности средств связи. Длительность непрерывной работы средств, как правило, зависит от времени непрерывной работы источников тока.

Все автомобильные радиостанции имеют в качестве основного источника электропитания бензоэлектрические агрегаты, время работы которых зависит от емкости бензобака и составляет 4-6 часов, после чего необходимо переключиться на другой электроагрегат, а первый- обслужить и заправить.

Переносные радиостанции питаются от щелочных, в основном никель-кадмиевых аккумуляторов, время разряда которых находится в пределах 6-10 часов.

В некоторых командно штабных машинах для обеспечения связи в движении и на коротких остановках используется генератор отбора мощности, которых непосредственно подключается к двигателю автомобиля и при необходимости подзарядки аккумуляторов дополнительно включается водителем.