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
2.1. Классификация и параметры ХИТ
6.3. Среднее (UСР) — среднее значение напряжения на заданном временном интервале, по которому рассчитывают нормальную работоспособность используемой аппаратуры.
6.4. Напряжение холостого хода — напряжение на внешних зажимах источника при отсутствии отбора тока; практически равно его ЭДС.
7. Поляризация — изменение электродного потенциала относи-
тельно равновесного при прохождении электрического тока. Приводит к снижению напряжения на электродах элемента в процессе
разряда. Зависит от плотности протекающего тока, температуры,
состава и конструкции электрода, состава и концентрации электролита. Учитывается как компонент внутреннего сопротивления.
Определяется разницей между напряжением холостого хода и напряжением в текущий момент разряда. Зависимость поляризации
от силы тока называется поляризационной кривой.
8. Саморазряд — потеря емкости при разомкнутой внешней
цепи; основной причиной саморазряда является взаимодействие
активных масс электродов и электролита; количественно оценивается величиной уменьшения емкости за сутки и определяется по
формуле:
–Q2)/z⋅Q1]⋅100%,
1
ãäå Q
S = [(Q
— емкость до и после хранения; z — количество суток.
1,Q2
9. Сохранность — промежуток времени, в течение которого га-
льванический элемент при нормальных условиях (20°C) сохраняет
90% первоначальной емкости.
10. Рабочий диапазон температур.
11. Режим разряда (постоянный или импульсный).
Для аккумуляторов дополнительными параметрами являются:
1. Коэффициент отдачи (КО) — отношение количества элект-
ричества, отданного аккумулятором при полном разряде (до U
Ê
к количеству электричества, полученному при заряде.
2. Коэффициент полезного действия (КПД) — отношение ко-
личества электричества, отданного аккумулятором при разряде до
значения его нормальной работы, к полученному при заряде.
3. Зарядная емкость Q
глощенное аккумулятором при зарядном токе I
=IЗt — количество электричества, по-
Ç
и времени заряда
Ç
t. Зарядный ток зависит от способа зарядки (см. разд. 2.5) и в наиболее часто рекомендуемом режиме I
= 0,1QН. Поскольку заряд-
Ç
71
),
2. Химические источники тока (ХИТ)
ная емкость с учетом коэффициента отдачи QЗ=QН/КО, то при
= 0,1QНи КО = 0,7 (70%) получаем, что необходимое время за-
I
Ç
ряда составляет 14...15 часов, что и рекомендуется на практике для
стандартного режима зарядки.
4. Цикл — совокупность одного заряда аккумулятора и следую-
щего за ним разряда.
5. Срок службы — количество циклов, которое может выдер-
жать аккумулятор до тех пор, пока его разрядная емкость не станет меньше 90% номинальной.
6. Срок хранения — время с момента изготовления аккумулято-
ра до ввода его в эксплуатацию, в течение которого находящийся
в определенных условиях аккумулятор сохраняет свои основные
эксплуатационно-технические характеристики.
7. Минимально допустимое напряжение разряда — напряже-
ние, при котором возможна переполюсовка аккумулятора и невозможность его восстановления.
2.2. Электрохимические системы
гальванических элементов
В первичных ХИТ используются следующие электрохимиче-
ские системы:
1. Марганцево-цинковые элементы и батареи (электрохимическая система — цинк-хлорид аммония-двуокись марганца) с номинальным напряжением 1,5 В в составе:
1.1. Элементы и батареи Лекланше (угольно-цинковые) с соле-
вым электролитом (водным раствором хлорида аммония и хлорида цинка). Характеризуются невысокими энергетическими
показателями, могут эксплуатироваться при температурах от –5
до +50 °С, имеют заметный саморазряд и невысокую герметичность, плохо работают при больших токах разряда и низких
температурах. Просты и дешевы в производстве и эксплуатации,
чем обусловлено их широкое распространение. За счет совершенствования технологических приемов и введения специальных ингридиентов в активные материалы достигаются дополнительные градации по емкости.
1.2. Угольно-цинковые элементы и батареи с водным раство-
ром хлорида цинка. Энергетические показатели примерно в 1,5
раза выше, чем у элементов предыдущей группы. Могут экс-
72
2.2. Электрохимические системы гальванических элементов
плуатироваться при температурах от –15 до +70 °C, имеют
меньший саморазряд и лучшую герметичность, удовлетворительно работают при больших токах разряда. Дороже в производстве и в эксплуатации, но из-за лучших энергетических параметров получили более широкое применение в малогабаритной
переносной аппаратуре с малыми и средними токами потребления.
2. Алкалические элементы и батареи (электрохимическая система аналогична марганцево-цинковым элементам, но с электролитом в виде водного раствора гидроокиси калия) с номинальным
напряжением 1,4 В; отличаются минимальным газовыделением
при разряде. Допускают до 10—50 перезарядок асимметричным
током (см. разд. 2.5) с отдачей энергии (после перезарядки) в 3—4
раза меньше, чем у свежеизготовленного элемента. Для перезарядки могут использоваться элементы с напряжением не менее 1,1 В
без дефектов герметизации корпуса и с поставкой на заряд сразу
после разряда. Хорошо работают при больших токах разряда в
диапазоне температур от –25 до +55 °C, имеют лучшую герметичность и меньший ток саморазряда, чем марганцево-цинковые элементы с солевым электролитом, однако дороже в производстве и
эксплуатации. При перезарядке требуется строгое соблюдение токового режима и стабилизации напряжения заряда.
3. Элементы и батареи с воздушной деполяризацией (цинк-воздух-гидрат окиси калия), в которых для подвода воздуха и удержания его внутри элемента используются специальные конструкция
и материалы катода. Перед началом эксплуатации необходимо
освободить отверстие воздуховода удалением специальной пробки,
обламыванием тонкостенной конусообразной трубки или удалением герметизирующей (обычно цветной) пленки. Элементы и батареи с воздушной поляризацией обладают достаточно высокими
энергетическими показателями в диапазоне температур от –15 до
+50 °C. В малогабаритных пуговичных элементах положительный
электрод выполнен в виде политетрафторэтиленовой пленки с активированным углем в качестве катализатора, а отрицательный —
из высокочистого цинка со специально обработанной поверхностью.
4. Ртутно-цинковые элементы и батареи (цинк-окись ртути-гидрат окиси натрия). Обладают высокими энергетическими
показателями, работоспособны только при положительных температурах (0 ... +50 °C), характеризуются (при малых токах разряда и
73
2. Химические источники тока (ХИТ)
постоянной температуре) практически плоской кривой разряда;
номинальное напряжение ртутного элемента примерно на 0,15 В
ниже, чем у алкалического. Практически не имеют газовыделения.
Затраты на производство и эксплуатацию весьма высоки, не рекомендуются к эксплуатации при низких (около нуля) температурах.
5. Серебряно-цинковые элементы и батареи (цинк-одновалентное серебро-гидрат окиси калия или натрия). Работоспособность
гарантируется при температурах от 0 до +55 °C. Обладают малым
током саморазряда, хорошими энергетическими характеристиками
и (при малых токах разряда и стабильной температуре помещения)
имеют практически плоскую кривую разряда. Небольшой налет
соли (карбоната) на уплотнительном кольце после хранения существенно не влияет на работоспособность. В производстве и эксплуатации дороги, но высокие энергетические показатели делают
целесообразной их эксплуатацию во многих случаях, в том числе и
вместо ртутно-цинковых элементов (из-за токсичности и дефицита ртути).
6. Литиевые элементы и батареи с органическим электролитом с
использованием разных электрохимических систем (более десятка),
поэтому рабочее напряжение может колебаться от 3,6 до 1,5 В на
один элемент. Для бытовой аппаратуры используются элементы с
электрохимическими системами литий-хромат серебра и литий-двуокись марганца с рабочим напряжением 3 В на один элемент, а с системами литий-окись меди и литий-соединение свинца
с висмутом — 1,5 В на элемент и являются взаимозаменяемыми с
серебряно-цинковыми элементами. Отличаются высокими энергетическими показателями при втрое меньшей массе, чем ртутно- и
серебряно-цинковые, и в 1,5—2 раза по объему для элементов средних размеров (типа элементов 316, 373). Для миниатюрных элементов емкостью до 0,2 А⋅ч разница в энергетических показателях существенно уменьшается из-за роста относительной доли конструктивных элементов по отношению к активным веществам, однако с
сохранением таких достоинств как высокая степень герметичности,
исключительно малый ток саморазряда (литиевые элементы сохраняют 85 % и более емкости после 10 лет хранения), возможность
хранения и работы в очень широком диапазоне отрицательных и
положительных температур, существенно меньший дефицит лития
по сравнению с серебром или ртутью, весьма малый наклон кривой
разряда, возможность выполнения в виде очень тонких дисков, что
создает ряд конструктивных удобств. Их недостатки обусловлены
74
2.2. Электрохимические системы гальванических элементов
более сложной, чем у других элементов, технологией изготовления
и высокой стоимостью эксплуатации (как у серебряно-цинковых
элементов). Высокие показатели по саморазряду и долговечности
способствуют их распространению во многих областях техники,
включая кардиостимуляторы, ПЭВМ и др.
Конструктивное оформление гальванических элементов и батарей сводится к двум формам: цилиндрической и прямоугольной.
Цилиндрические элементы и батареи выполняются в виде тонких
(часто называемых пуговичными), средних и высоких цилиндров,
у которых отношение высоты к диаметру составляет 0,05 . . . 0,6;
0,7 ... 1,5; 1,5 ... 8,5. В настоящее время наибольшее распространение получили элементы типоразмера АА (R6 или LR6; ∅14,5 ×
50,5 ìì), AAA (R03 èëè LR03; ∅10,5 × 44,5 ìì), R1 èëè LR1
(∅12 × 30 ìì), R14 èëè LR14 (∅26,2 × 50 ìì), R20 èëè LR20
(∅34,2 × 61,5 ìì), 2R10 (∅21,5 × 74 ìì), 3R12 èëè 3LR12 (22 × 62 ×
67 ìì), 6F22 èëè 6LF22 (17,5 × 26,2 × 49,2 ìì).
Согласно рекомендациям Международной электротехнической
комиссии (МЭК) цилиндрические элементы и батареи содержат в
обозначениях:
— одну букву, определяющую электрохимическую систему
(L — алкалическая, S — серебряно-цинковая, М или N —
ртутно-цинковая);
— букву R (от английского Ring — круг), определяющую фор-
му элемента;
— число (от 03 до 600), определяющее размеры элемента.
Прямоугольные и квадратные элементы и батареи (в частности,
галетного типа) имеют в обозначении букву F (от английского
Flat — плоский), определяющую форму элемента, и одну букву,
определяющую электрохимическую систему (как у цилиндрических элементов).
Наряду с рекомендациями МЭК для обозначений используются государственные и фирменные стандарты страны-изготовителя.
Наиболее известными являются следующие стандарты:
1. Стандарт ANSI (American National Standart Institute — Американский национальный институт стандартов). Обозначение состоит из двух групп символов: одной-двух букв (назначение и электрохимическая система) и одной-трех цифр (габаритные размеры)
для пуговичных элементов и целого числа или дроби (отношение
75
2. Химические источники тока (ХИТ)
к исходному типоразмеру) и одной-трех букв (обозначение типоразмера) для цилиндрических элементов.
2. Стандарт NEDA (National Electric Distributors Association —
национальная ассоциация дистрибьюторов по изделиям электроники). Обозначение состоит из трех групп символов: одной-четырех цифр (типоразмер элемента или батареи), одной буквы (обозначение электрохимической системы), нуля (обозначение особых
свойств серебряно-цинковых элементов).
3. Стандарт JIS (Japanese Industrial Standart — японский промышленный стандарт). Используются две системы обозначений —
старая и новая. В старой системе обозначение состоит из двух
групп символов: двух букв (типоразмер и электрохимическая система), цифры и буквы (число элементов в батарее и типоразмер).
В другом варианте обозначение тоже состоит из двух групп символов: одной-двух букв (электрехимическая система), одной-двух
цифр (типоразмер). В новой системе обозначение состоит из четырех групп символов: цифры (число элементов в батарее), одной-трех букв (электрохимическая система и отдача) и одной-четырех цифр (типоразмер, чаще всего указывается в виде шифра),
одной буквы (дополнительные данные об отдаче).
4. Стандарт DIN (Deutsche Ingenieuring Normen — немецкий
инженерный стандарт). Используется цифровая система обозначений в виде пятизначного числа и одной цифры (после косой черты). Пятизначное число обозначает типоразмер элемента (последние три цифры) и электрохимическую систему (цифра после косой черты: 1 — серебряно-цинковая, 2 — алкалическая, 3и4—
ртутно-цинковые разновидностей NR и MR).
К стандартному или фирменному обозначению часто добавляют буквы или целые фразы, по которым можно оценить параметры элемента. Элементы и батареи с щелочным электролитом (алкалические) имеют обозначение LR перед номером типоразмера и
пояснения Alka, Alkaline, Alkali Mangan, Alkaline Phis, Super Energy, Professional. Некоторые фирмы дополнительно помещают на
этикетке 5 звездочек.
Элементы и батареи Лекланше с солевым электролитом, кроме
буквы R перед номером типоразмера, могут иметь фразы Normal
или Standard или одну звездочку на этикетке.
Усовершенствованные элементы и батареи Лекланше могут
иметь такие надписи и символы: Score, Super, Plus, Power(PE), Super Life, NormalDuty (ND), Extra(E), **, Super Power(S), Langer Ser-
76
2.2. Электрохимические системы гальванических элементов
vice Life, Duty Energie (DE), High Power, Heavy Duty èëè Higt Performance, Super Dry, Computer Energy, Super Plus, *** èëè ****, Power Plus(PP), Top, Heavy Duty (HD), Super(S), Super Duty(SD),
Professional(P), King Power(K), Ultra King Power(U), Extra Long Discharge Perfomance (NE), Super Heavy Duty, Super, Super Energy è äð.
Отсутствие стандартизации таких обозначений, использование
одинаковых слов, фраз или аббревиатур затрудняет реальную оценку работоспособности элемента или батареи, что усугубляется частыми изменениями маркировки, не всегда отражающими реальный рост качества таких изделий.
Кроме аббревиатур и словесных пояснений, многие фирмы используют цветовую кодировку. Эта кодировка периодически меняется и в какой-то мере отражает изменение технических параметров. Оценить особенности упомянутых кодировок можно на примерах ряда ведущих фирм, таких как:
1. Вегес(ФРГ). Алкалические элементы и батареи (серии LR)
выпускаются в черных корпусах с желто-золотистыми надписями
и этикеткой, а элементы и батареи Лекланше серий РР, РЕ обычной конструкции (например, R20PP, R20PE, R20) — в черных,
желто-золотистых и светло-синих корпусах с серебристой или (для
двух последних) красной этикеткой.
2. National (Япония). Литиевые элементы обычных типоразмеров (R20, R14 и т. п.) выпускаются в золотистых корпусах, ртутные — в светло-голубых с пятью синими полосами снизу, алкалические — в светлых металлических корпусах с черной этикеткой,
элементы и батареи Лекланше серий NEO Hi-Top и Hi-Top — в
черных и красных корпусах с сиреневыми этикетками и полосами
в нижней части корпуса.
3. Philips (Нидерланды). Элементы и батареи Лекланше серий
SuperDuty(**** или SD), Heavy Duty (*** или HD) и Normal Duty
(** или ND) имеют верхнюю часть корпуса без окраски, а нижнюю — черного, светло-коричневого и красного цветов соответственно.
4. SAFT Mazda (Франция). Алкалические элементы и батареи
(серии LR) выпускаются в черных корпусах с желто-золотистыми
наклонными полосами, ширина которых составляет 2/3 высоты
корпуса, элементы и батареи Лекланше серий Super Plus(FP),
Plus(GS) и Standard(NR) — в черных, серебристых и красных корпусах соответственно. В обозначениях элементов и батарей для
фото- и киноаппаратуры часто добавляется буква В (Bouton).
77
2. Химические источники тока (ХИТ)
5. Sunrise (Япония). Алкалические элементы (серии AM) выпускаются в серебристых корпусах с черной этикеткой; элементы и
батареи Лекланше серий Super Heavy Duty (дополнительное обозначение N: например, UM-1N), Heavy Duty(S) и High Power
(A) — в золотистых корпусах с черной этикеткой, в синих корпусах с серебристой этикеткой и в красных корпусах с золотистой
этикеткой. На всех этикетках стилизованное изображение восходящего красного солнца.
6. Toshiba (Япония). Алкалические элементы и батареи (серии
LR) выпускаются в синих корпусах, элементы и батареи Лекланше
серий Ultra King Power (дополнительное обозначение U: например, UM-Ш), King Power (K) и Super Power (S) — в золотистых
(UM-4U и UM-5U— в черном) корпусах с серебристой зигзагообразной линией в нижней части корпуса на черном, красном и зеленом фоне соответственно. Такой же узор в виде синей линии на
серебристом фоне и у алкалических элементов.
Малогабаритные батареи 4SR44 выпускаются в светло-зеленых
корпусах, а ртутные элементы и батареи (кроме малогабаритных) — в голубых.
7. Varta (ФРГ). Серия алкалических элементов и батарей с повышенной отдачей энергии Energie 2000 (4001, 4003, 4006, 4014,
4018, 4020 и 4022) выпускается в черных корпусах, серии Superdry
(3006, 3014, 3020 и 3022), Super (2006, 2010, 2012, 2014, 2020 и
2022) и Standard (1014, 1020) — в корпусах золотистого, серого и
голубого цветов соответственно.
Ртутные и алкалические элементы и батареи для фото- и киноаппаратуры выпускаются в черных корпусах или (при малых габаритных размерах) вообще без окраски. Такую же цветовую кодировку имеют элементы для слуховых аппаратов (кроме элемента
Лекланше 245 светло-серого цвета).
Литиевые окрашенные элементы имеют белый цвет с черными
надписями.
8. Wonder (Франция). Алкалические элементы и батареи (серии
KLR) выпускаются в черно-голубых корпусах, элементы и батареи
Лекланше серий Top, Standard (Viper, Ultra, Tonic и Batri) и Score
(SKO) — соответственно в коричневых (цвета какао) или фисташковых, красных с изображением головы льва в круге и красных
корпусах.
Окраска корпусов алкалических элементов и батарей обязате-
льно выполняется с применением черного цвета, малоемких эле-
78
2.3. Электрохимические системы аккумуляторов
ментов и батарей Лекланше, как правило, — красного цвета, элементов и батарей повышенной отдачи энергии — с серебристым и
золотистым фоном. В качестве дополнительных используются
красный, синий и коричневый цвета.
Кроме перечисленных, к широко известным производителям
гальванических и литиевых элементов относится также фирма Duracel (США) (в Европе ее заводы находятся в Бельгии). Разработанная этой фирмой технология EXRA-POWER с применением
двуокиси титана позволила существенно улучшить параметры
марганцево-цинковых элементов.
2.3. Электрохимические системы
аккумуляторов
Наибольшее распространение в аппаратуре разного назначения
получили следующие типы аккумуляторов:
1. Свинцово-кислотные (электрохимическая система — (–) Pb |
H
аккумулятор был создан французским ученым Г. Планте (1859 г.).
Электроды этого аккумулятора были изготовлены из листового
свинца, а сепаратором (межэлектродным разделителем) служило
полотно. Вся эта конструкция сворачивалась в спираль и вставлялась в сосуд с 10-процентным раствором серной кислоты. Для увеличения электрической емкости за счет увеличения эффективной
поверхности пластин проводились многократные циклы заряд/разряд, которые занимали от 1000 часов до двух лет (впоследствии пластины начали формировать гальваническим способом).
Заряд аккумулятора осуществлялся от единственно имеющихся в
то время первичных элементов (в основном это были элементы
Бунзена). Значительно увеличить емкость аккумулятора удалось К.
Фору (1880 г.) за счет нанесения на поверхность пластин окислов
свинца (так называемые намазные электроды). Год спустя Э. Фолькмар предложил конструкцию электродов в виде намазной решетки, а Селлон — материал для такой решетки в виде сплава сурьмы и свинца.
в 1881 г. и уже в 1884-м на Неве прошел испытание электрический
катер. Он мог пройти 30 миль при скорости до 6 узлов.
| PbO2(+)). Первый работоспособный свинцово-кислотный
2SO4
В Кронштадте разработки конструкции аккумулятора начались
79
2. Химические источники тока (ХИТ)
Начиная с 1890 г., в промышленно развитых странах свинцово-кислотные аккумуляторы уже выпускались серийно. Пионерами в этой области были компании Electrical Power Storage Company, VARTA (поставщик с 1900 г. стартерных аккумуляторов для заводов «Мерседес», «Фольксваген», «Ауди» и «Опель»), Baren
(1938 г.), FIAMM (1942 г.) и др. С появлением электростанций постоянного тока понадобились мощные стационарные аккумуляторы в качестве буферных источников энергии в моменты пиковых
нагрузок (в 1927 г. мощность батарей таких аккумуляторов составляла 80000 кВт в Берлине и 95000 кВт в Нью-Йорке).
Свинцово-кислотные аккумуляторы характеризуются номинальным напряжением 2 В на элемент, 2,4 В в конце заряда и 1,8 В в
конце разряда.
2. Герметизированные свинцово-кислотные (SLA — Sealed Lead
Acid) — наиболее перспективные аккумуляторы для применения в
аппаратуре различного назначения, особенно в аппаратуре с вахтовым обслуживанием; характеризуется количеством циклов заряд/разряд N = 600—800 при саморазряде 0,1% в день; отличаются
самой низкой стоимостью; применяются в основном в устройствах большой мощности, для которых массогабаритные характеристики несущественны (например, в блоках бесперебойного питания, охранных системах или системах резервного освещения).
Разновидностью SLA-аккумуляторов являются гелевые (gelcell) с
пониженным газовыделеннием, выполненные по технологии GEL
(Gelled Electrolite) с добавлением в электролит двуокиси кремния
для придания ему консистенции желе, а также по технологии
AGM (Absorptive Glass Mat) с пористым заполнителем из стекловолокна, пропитанного жидким электролитом. К недостаткам
SLA-аккумуляторов относятся невозможность быстрого заряда
(зарядный ток не более (0,1—0,3)Q при времени заряда не менее
8—16 часов) и недопустимость глубокого разряда из-за сульфатации пластин.
Производством SLA-аккумуляторов занимаются компании
VARTA, Bosch, FIAMM, Baren, Sonnenschein, входящей в группу
европейских производителей CEAC, и др. Емкости выпускаемых
аккумуляторов находятся в диапазоне 1—12000 А⋅ч. Ведущим производителем AGM-аккумуляторов является компания FIAMM.
Как и в случае традиционных кислотных аккумуляторов заряд
SLA-аккумуляторов целесообразно проводить в так называемом
компенсационном режиме: на первом 10-часовом этапе заряд про-
80
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]