Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Электронная лаборатория на IBM PC. Инструментальные средства и моделирование элементов практических схем
.pdf
1.6. Имитаторы генераторов
à)
á)
Рис. 1.37. Результаты измерения фазо-частотной
характеристики
â)
1.6. Имитаторы генераторов
Такие имитаторы представлены функциональным генератором
(архив fgen.zip на сайте CityRadio.ru размером 36,7 Кбайт) и
свип-генератором синусоидального сигнала (архив sinegen.zip,
116 Кбайт).
Функциональный генератор (файл fg.exe размером 70524 байт,
лицевая панель на рис. 1.39) рассчитан на формирование периодических сигналов в диапазоне 1...20000 Гц синусоидальной
(Sine), пилообразной (Sawtooth) и прямоугольной (Square) формы,
а также последовательности коротких импульсов (Pulse). Испытания генератора проводились с применением осциллографа и спектроанализатора из разд. 1.3. Полученные результаты показывают,
что по своим параметрам он близок к генератору из разд. 1.3.
Свип-генератор (файл sine.exe размером 276736 байт, лицевая
панель на рис. 1.40) рассчитан на формирование синусоидальных
61
1. Инструментальные средства на базе аудио карты IBM PC
à)
á)
62
Рис. 1.38. Спектры аудио сигнала с искажениями
Рис. 1.39. Функциональный генератор
1.7. Другие программы
Рис. 1.40. Свип-генератор
сигналов в диапазоне 4...40000 Гц. Испытания генератора, проведенные с применением осциллографа из разд. 1.3, показали, что
по своим параметрам в диапазоне до 20 кГц он близок к генератору из разд. 1.3; в диапазоне 20—40 кГц по мере повышения частоты существенно ухудшается форма сигнала и уменьшается его
уровень. Настройку прибора (выбор частоты и уровня выходного
сигнала) целесообразно проводить в выключенном состоянии
(кнопка Mute утоплена): несоблюдение этого условия может приводить к зависанию компьютера. В этой части наиболее опасен
свип-режим (Sweep), включаемый опцией On; в этом случае зависание настолько «крепкое», что единственным выходом является
выключение компьютера или использование кнопки Reset.
1.7. Другие программы
Приведем краткие сведения по другим программам, размещенными на сайте CityRadio.ru
1. Программа Audiotester (архив audiotester.zip, 570 Кбайт) с реа-
лизацией спектроанализатора, осциллографа и генератора сигнала
различной частоты и формы; язык интерфейса — немецкий; каких-либо преимуществ перед рассмотренными выше не имеет.
2. Программа Unilogic (архив ulogic.rar, 82,1 Кбайт) реализует
4-канальный логический анализатор, осциллограф и частотомер с
63
1. Инструментальные средства на базе аудио карты IBM PC
выходами/входами на LPT порт (схема подключения приведена в
файле Read.me и показана на рис. 1.39) с параметрами:
— запоминание логических сигналов TTL уровня (до 5 В) по
четырем каналам (входы D0—D3 с защитными резисторами
300 Ом на рис. 1.41) с возможностью последующего просмотра и записи на диск;
— декодирование запомненных сигналов последовательных
протоколов I2C, SPI и др.;
— воспроизведение записанных сигналов;
— измерение частоты до 800 КГц (определяется быстродейст-
âèåì ÏÝÂÌ);
Рис. 1.41. Схема LPT адаптера
3. Программа SB Analyzer (архив sba_1_0.zip, 994 Кбайт) пред-
ставляет собой виртуальный измерительный комплекс в составе
осциллографа, спектроанализатора, измерителей АЧХ, нелинейных искажений и шумовых характеристик с возможностью использования нескольких измерительных инструментов одновременно. Автор программы Иванов È. Â. (домашняя страница
http://home.skif.net/∼iiv/) обещает в ее последующих версиях реализовать стробоскопический эффект для расширения рабочего
диапазона частот измерительных приборов. Существенным недостатком программы является то, что она разработана под ПК с материнской платой ASUS SP98AGP-X Smart ATX с интегрированной (встроенной) звуковой картой, что, как оказалось в результате
испытаний, исключает возможность ее применения в ПК со стандартной комплектацией, т. е. с использованием отдельной звуковой карты.
64
2. Химические источники тока (ХИТ)
Химическими источниками тока называются устройства, пре-
вращающие химическую энергию окислительно-восстановительных процессов в электрическую; для такого превращения необходимо, чтобы окислительный и восстановительный процессы, связанные с изменением зарядов у электродов, были разделены в
пространстве, а сами электроды подключены к внешней цепи нагрузки [5—10].
История создания ХИТ связана в первую очередь с именем
итальянского ученого Луиджи Гальвани, который при проведении
электрофизиологических опытов в 1780 г. обнаружил сокращение
мышц препарированной лягушки при соприкосновении с металлическими предметами, находящимися вблизи электрофорной машины. В дальнейшем имя ученого было увековечено в названии
электрохимических превращений (гальванизм) и в основанных на
их применении приборах — гальванических элементах.
Заинтересовавшись опытами Гальвани, его соотечественник
Алессандро Вольта продолжил исследования в этой области, но, в
отличие от своего предшественника, стал искать объяснение открытого явления не в физиологии животных, а в физике. Путем
многократных опытов он пришел к выводу, что гальванический
эффект создается при использовании пары разнородных металлов.
Дальнейшие исследования А. Вольта были посвящены поискам
наиболее подходящей пары, в результате чего им был создана батарея из отдельных элементов с электродами из меди и цинка в каждом и раствора серной кислоты в качестве электролита. В отличие
от кратковременного (импульсного) действия существовавших в то
время накопителей электричества (например, лейденской банки),
гальванический столб-батарея, по словам его изобретателя, «создавал неуничтожимый заряд, который восстанавливается сам собой».
Приглашенный во Францию, А. Вольта продемонстрировал
Наполеону, ученым и горожанам свой столб-батарею, получивший в дальнейшем название «Вольтов столб». Заслуга создания
принципиальной схемы и работоспособной конструкции гальванического элемента увековечена в названии единицы измерения
напряжения — вольт (В).
В дальнейшем исследования ученых были направлены на усо-
вершенствование гальванических элементов путем поиска новых
65
2. Химические источники тока (ХИТ)
электродных пар и электролитов. Такие элементы, как правило,
назывались по именам их создателей. Так, элемент Даниеля
(1836 г.) имел медный и цинковый электроды, подобно элементу
Вольта, но отличался применением двух электролитов: цинковый
электрод был погружен в раствор серной кислоты (или сернокислотного цинка), а медный — в раствор сернокислой меди, при
этом электроды были разделены пористой перегородкой. В элементе Грене электролит состоял из смеси растворов серной кислоты и двухромовокислого калия. Один их электродов этого элемента был по-прежнему цинковым, а второй — из угля. До настоящего времени широко используется конструкция элемента,
предложенная Лекланше (1865 г), в котором отрицательный электрод был традиционно цинковым, а положительный был выполнен
из двуокиси марганца с добавками; электролит содержал хлористые соли калия, магния и кальция. Предложение Лаланда
(1882 г.) использовать щелочной электролит до сих пор широко
используется в марганцево-цинковых элементах.
Для увеличения длительности работы гальванических элемен-
тов использовались специальные деполяризаторы, призванные
противодействовать нежелательному взаимодействию материала
электрода и электролита. Впервые деполяризатор применил Грове
в 1833 г.; Бунзен использовал хромовый деполяризатор и искусственный угольный электрод. В 1879 г. Меш предложил применять
для деполяризации электродов кислород воздуха, что удалось реализовать Фери в 1914 г.
На некоторое время усовершенствование гальванических эле-
ментов было приостановлено изобретением динамо-машины. Однако XX век принес новые изобретения и открыл другие области
применения таких элементов, в частности, в портативных радиоприемниках, радиостанциях, в часах, в фото- и кинотехнике, в качестве резервных источников электропитания и т. п. Все эти спутники человека требуют автономного электропитания, что явилось
мощным стимулом совершенствования гальванических элементов
и разработки новых электрохимических систем для их построения.
2.1. Классификация и параметры ХИТ
По характеру работы все известные разновидности ХИТ разде-
ляют на первичные или гальванические (сухие) и вторичные или
66
2.1. Классификация и параметры ХИТ
аккумуляторы. Первичные источники допускают лишь одноразовое использование содержащихся в них активных материалов:
полностью разряженные гальванические элементы в большинстве
случаев к дальнейшей работе не пригодны. В отличие от первичных аккумуляторы являются источниками электрической энергии
многоразового действия. В аккумуляторах активные вещества, израсходованные в процессе протекания реакции, дающей электрическую энергию, должны восстанавливаться (регенерироваться)
при пропускании через разряженный аккумулятор постоянного
тока, направление которого противоположно направлению разрядного. При этом на отрицательном электроде реакция окисления заменяется реакцией восстановления, а на положительном реакция восстановления — реакцией окисления.
Физическое объяснение токообразования как результата дейст-
вия контактной разности потенциалов восходит к А. Вольта. Своими опытами он установил связь между возникающим электрическим эффектом и используемыми материалами электродов. Совершение работы по переносу заряда через замкнутую внешнюю
цепь требует подвода тепловой энергии извне или изменения
внутренней энергии. В первом случае, характерном для тепловых
элементов (см. разд. 2.3), тепловой эквивалент À
токообразующей
Ò
реакции и генерируемая электродвижущая сила (ЭДС) Е связаны
уравнением Гиббса—Гельмгольца
Å = À
/nF + αÒ,
Ò
ãäå n — валентность металла электрода; F = 94600 Êë — число Фарадея; α — коэффициент, учитывающий температурную зависимость ЭДС; Ò — абсолютная температура окружающей среды, Ê.
Во втором случае вся цепь находится при одинаковой темпера-
туре и работает без подогрева. Таким образом, работа по переносу
заряда через цепь, состоящую из элемента, соединительных проводов и нагрузки, может совершаться только за счет изменения
внутренней энергии, вызванного химическими превращениями,
при которых из материала растворяющегося электрода в электролит переходят ионы металла, уносящие положительный заряд. Избыток остающихся электронов приводит к тому, что по отношению к электролиту металл оказывается отрицательно заряженным.
В соответствии с законом Кулона процессу разделения зарядов
начинает препятствовать электрическое поле, собирающее в
основном свободные заряды на границе раздела электролита и
67
2. Химические источники тока (ХИТ)
электрода. Такая цепь обладает способностью совершать работу,
т. е. обладает потенциалом. По теории Нернста этот потенциал
связан с видом электрода и поэтому называется электродным.Из
сказанного следует, что электродный потенциал характеризует
способность металлического электрода отдавать ионы в электролит и является постоянной величиной для данного металла в изолированных условиях. Однако с учетом влияния электролита электродный потенциал конкретного металла зависит также от соотношения концентрации С ионных образований, возникающих при
токообразующей реакции, и их валентностей. Таким образом, результирующий электродный потенциал ϕ может быть представлен
в виде суммы двух потенциалов — постоянного ϕ
онного ϕ
:
i
ϕ = ϕ
+ ϕi(C, n). (2.1)
o
и концентраци-
o
Совместное действие обоих электродов приводит к тому, что
между ними возникает ЭДС
Å = ϕ
– ϕ–, (2.2)
+
обусловленная разностью потенциалов положительного и отрицательного электродов.
Из формулы (2.2) видно, почему электроды должны быть вы-
полнены из разных материалов: только такое сочетание дает ненулевую ЭДС, а из (2.1) и (2.2) следует важнейший конструктивный
параметр ХИТ — электрохимическая система, определяемая совокупностью применяемых активных веществ (электродов) и электролита. Этот параметр имеет словесное описание и условное обозначение, в котором между двумя вертикальными черточками пишется химическая формула электролита, а слева и справа —
химические формулы активных веществ до разряда. Так, например, серебряно-цинковая электрохимическая система записывается следующим образом:
(–)Zn|KOH|AgO(+),
откуда видно, что электрохимическая система состоит из двух типов проводников: первого рода (металлы Zn и AgO) и второго
рода (электролит КОН), причем для тока во внешней цепи AgO
считается положительным электродом, а Zn — отрицательным,
что отвечает принятому в электротехнике понятию положительного направления тока во внешней цепи для данного источника (от
68
2.1. Классификация и параметры ХИТ
«+» к «–»). Однако с «точки зрения» самой электрохимической
системы все выглядит наоборот: AgO считается катодом, принимающим из внешней цепи электроны для своего восстановления, а
Zn — анодом, инжектирующим электроны во внешнюю цепь при
его окислении. При таком подходе выполняется условие непрерывности тока в замкнутом контуре из ХИТ и его нагрузки, а также данному в начале главы определению ХИТ, согласно которому
процесс токообразования (восстановления/окисления) в идеальном случае возможен только при наличии внешней цепи с нагрузкой. Некоторые авторы (с «физико-химическим мышлением»)
принимают «точку зрения» электрохимической системы и в приведенной формуле меняют знаки на обратные.
К другим важным параметрам ХИТ, определяемым в основном
электрохимической системой, относятся:
1. Емкость (Q) — способность элемента хранить определенное
количество электричества; оценивается электрическим зарядом,
который может быть перенесен через внешнюю цепь; зависит от
условий разряда (температуры среды, тока разряда); определяется
обычно опытным путем при фиксированных параметрах разряда;
измеряется в ампер-часах (А⋅ч) или кулонах (1 А⋅ч = 3600 Кл); различают следующие разновидности этого параметра:
1.1. Номинальная (Q
) — минимальная гарантированная тех-
Í
ническими условиями емкость, которая может быть получена
при стандартных условиях разряда.
1.2. Остаточная (Q
) — емкость элемента по истечении гаран-
Á
тийного срока хранения; меньше фактической и номинальной.
1.3. По сопротивлению нагрузки (Q
) — емкость при разряде
R
на постоянную нагрузку.
1.4. Ïî òîêó (Q
) — емкость при разряде постоянным током,
I
À⋅÷.
1.5. По энергии (Q
средним напряжением U
= А/UСР) — определяется работой А и
À
,Âò⋅÷àñ.
ÑÐ
1.6. Теоретическая (Q) — емкость, рассчитанная при 100 %-ном
использовании всех активных веществ; значительно больше номинальной и фактической емкостей; недостижима из-за неполного использования этих веществ вследствие конструктивных
особенностей, из-за нежелательного химического изменения
части активных веществ в процессе разряда и т. п.
69
2. Химические источники тока (ХИТ)
1.7. Удельная массовая (Qm= Q/m) — емкость, отдаваемая элементом единичной массы m.
1.8. Удельная объемная (Q
= Q/V) — емкость, отдаваемая эле-
V
ментом единичного объема V.
1.9. Фактическая (Q
) — реально получаемая от свежеизготов-
Ô
ленного элемента (при стандартных условиях разряда).
2. Коэффициент использования активного вещества (К = (Q
Q
)⋅100%) — показывает степень использования активной массы
Ò
Ô
(активного вещества с учетом примесей).
3. Кривая разряда — показывает изменение напряжения на
электродах элемента в зависимости от длительности разряда или
от емкости (только для разряда при постоянном разрядном токе);
снимается экспериментально и соответствует усредненным значениям для нескольких элементов из разных партий.
4. Мощность — энергия, отдаваемая элементом в единицу вре-
ìåíè:Ð=I
, Вт; различают следующие разновидности этого
ÑÐUÑÐ
параметра:
4.1. Удельная массовая — мощность, отдаваемая элементом
единичной массы: Р
= Ð/m, Âò/êã.
m
4.2. Удельная объемная — мощность, отдаваемая ГЭ единичного объема: P
5. Внутреннее сопротивление R
= P/V, Âò/ì3.
V
; зависит от электропроводно-
i
сти электролита, геометрии электродов (формы, размеров, взаимного расстояния), а также от целого ряда факторов (контактные и
переходные явления, поляризация); обычно значение R
äëÿ ìàëî-
i
мощных ХИТ находится в пределах единиц-десятков Ом; измеряется как на переменном, так и постоянном токе.
6. Напряжение — разность потенциалов электродов при проте-
кании через них тока; определяется законом Ома для полной цепи
(с учетом падения напряжения на внутреннем сопротивлении R
U=E⋅R
/(Rн+Ri); различают следующие разновидности этого
í
i
параметра:
6.1. Начальное (U
) — напряжение на электродах в момент
Í
включения элемента на разряд, но не более чем через 5 мин
после включения.
6.2. Конечное (U
) — напряжение на электродах, по достиже-
Ê
нии которого дальнейшая эксплуатация элемента становится
нецелесообразной или невозможной (около 60 % от U
); èç-
Í
вестно также под названием «напряжение отсечки».
/
):
70
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]