Меню

Гальванические источники питания постоянного тока

Химические источники тока — гальванические элементы

Если отсутствует электрическая сеть, то для питания электроприборов применяют гальванические элементы и аккумуляторы, называемые иначе химическими источниками тока. Рассмотрим принцип их работы на примере первого простейшего элемента – элемента Вольта (рис. 1). Он состоит из медной (Сu) и цинковой (Zn) пластинок, опущенных в раствор серной кислоты (H2SO4). Вследствие химической реакции, происходящей между цинком и серной кислотой, на цинке образуется излишек электронов. Цинк заряжается отрицательно и является отрицательным полюсом. Раствор и медная пластинка, в него погруженная, заряжаются положительно. В результате возбуждается ЭДС, равная примерно одному вольту, которая сохраняется все время, пока цепь не замкнута.
Если замкнуть цепь, пойдет ток и внутри элемента усиленно начнет выделяться водород, покрывающий поверхность пластинок слоем пузырьков. Этот слой уменьшает напряжение на полюсах элемента. Такое явление носит название поляризации. Чем больше ток, тем сильнее поляризация и тем быстрее уменьшается напряжение элемента.

Рис.1. Простейший гальванический элемент Вольта.
Для устранения поляризации в элемент вводят вещества, способные поглощать водород и называемые деполяризаторами. Чтобы напряжение на полюсах оставалось постоянным, деполяризатор должен быстро поглощать водород, образующийся при работе элемента. Поглощая водород, деполяризатор постепенно приходит в негодность. Но обычно раньше этого портится электролит и под действием электролита разъедается цинк. Вообще электрическая энергия получается в элементе за счёт расхода цинка, электролита и деполяризатора; поэтому каждый элемент обладает определенным запасом энергии и может работать лишь ограниченное время.
Работа гальванических элементов объясняется с помощью теории электролитической диссоциации, согласно которой молекулы вещества, растворенного в воде распадаются (диссоциируют) на, ионы. Такое явление характерно для всех электролитов, представляющих собой растворы кислот, щелочей и солей. В элементе Вольта молекула серной кислоты (H2SO4) в водном растворе распадаются на отрицательный ион кислотного остатка (SO4) и положительный ион водорода (H2), что показано на рис. 2.
Химическая реакция между цинком и серной кислотой состоит в том, что положительные ионы цинка переходят в раствор, притягиваясь к отрицательным ионам электролита. При этом цинковый электрод сам заряжается отрицательно. Между ним и электролитом возникает разность потенциалов, а следовательно, и электрическое поле, которое препятствует дальнейшему переходу положительных ионов цинка в раствор. Поэтому создается некоторое равновесие с определенной разностью потенциалов между цинком и раствором. Для других металлов и растворов значение разности потенциалов будет иное.
Чтобы использовать возникшую разность потенциалов, в электролит помещают второй электрод, выполненный из другого металла. Если второй электрод – цинковый, то между ним и растворов получится такая же разность потенциалов, как у первого электрода но она будет действовать навстречу, и результирующая разность потенциалов между электродами будет равна нулю. У элементов отрицательный электрод, как правило, цинковый, а положительный электрод обычно медный или угольный.
Если соединить электроды элемента проводником, т. е. создать замкнутую цепь, то под действием разности потенциалов по внешней цепи от цинка будут двигаться электроны. Так как они уходят с цинкового электрода, то его отрицательный потенциал начинает уменьшаться и электрическое поле между ним и раствором ослабевает. Но тогда новые положительные ионы цинка переходят в раствор. Тем самым поддерживается определенный отрицательный потенциал цинкового электрода.

Рис.2. Ионы в электролите элемента Вольта.
При работе элемента непрерывно происходит растворение цинка в электролите, который постепенно превращается в раствор сернокислого цинка (ZnSO4). Положительные ионы цинка, переходящие все время в электролит, притягивают к себе отрицательные ионы кислотного остатка. Эти ионы в электролите данжутся в направлении от медной пластинки к цинковой. Зато положительные ионы водорода отталкиваются положительными ионами цинка и движутся в обратном направлении, то есть от цинка к меди. Таким об разом, если во внешней цепи ток представляет собой движение электронов (как и всегда в металлических проводниках), то в электролите ток является перемещением положительных и отрицательных ионов в противоположных направлениях. Ионы водорода подходят к медной пластинке и отнимают от нее электроны, превращаясь в нейтральные атомы. Вследствие этого на медной пластинке поддерживается определенный положительный потенциал, несмотря на то, что к ней из внешней цепи прибывают электроны. Однако медная пластинка постепенно покрывается слоем водорода. Между этим слоем и электролитом возникает разность потенциалов, действующая навстречу основной разности потенциалов, имеющейся между электродами. Возникновение такой противоэлетродвижущей силы и называется поляризацией элемента. Вследствие поляризации результирующая разность потенциалов уменьшается и действие элемента ухудшается.
Гальванические элементы характеризуются разными параметрами и прежде всего электродвижущей силой, внутренним сопротивлением, максимальным допустимым разрядным током и емкостью.
Электродвижущая сила обусловливается типом элемента, то есть материалом его электродов, веществом электролита и деполяризатора. Она совершенно не зависит от размеров элемента (размеров его электродов), количества электролита и количества деполяризатора.
Внутреннее сопротивление элемента зависит не только от его типа, но и от его размеров, а также от того, как долго работал элемент. Чем больше размеры элемента, тем меньше его внутреннее сопротивление. По мере работы элемента внутреннее сопротивление растет. Оно особенно резко возрастает у истощившихся элементов. Внутреннее сопротивление у элементов в начале их работы обычно бывает от единиц ом до десятых долей ома. Когда элемент присоединен к замкнутой цепи, напряжение на его зажимах всегда несколько меньше ЭДС и снижается при увеличении тока, так как возрастает потеря части ЭДС на внутреннем сопротивлении элемента. Иногда для элементов указывают напряжение при максимальном разрядном токе в начале работы элемента (начальное напряжение).
Каждый элемент можно разряжать током до определённого значения. Чрезмерно большой ток вызовет ускоренную поляризацию и напряжение быстро станет недопустимо низким. Подобное же явление, но в ещё большей степени происходит при коротком замыкании элемента. У большинства элементов максимальный допустимый разрядный ток составляет доли ампера. Чем больше размеры элемента, тем больше этот ток. Превышение тока приводит и быстрому истощению элемента.
Емкостью элемента называют количество электричества, которое он способен отдать при разряде током не свыше максимального допустимого. Обычно емкость элементов измеряют в ампер-часах (а-ч), то есть произведением разрядного тока в амперах и числа часов работы элемента. Элемент считают разряженным, если его напряжение уменьшилось примерно на 50 % по сравнению с первоначальным значением.
Время работы элемента можно определить, разделив емкость в ампер-часах на разрядный ток в амперах. При этом ток не должен превышать максимального допустимого значения.
Емкость элемента зависит от количества цинка, электролита и деполяризатора. Чем больше размеры элемента, тем больше количество входящих в его состав веществ и тем больше емкость. Кроме того, емкость зависит от разрядного тока, а также от перерывов во время разряда и их длительности. Нормальная емкость элемента соответствует максимальному допустимому разрядному току при непрерывном разряде. Если ток меньше максимального и если разряд происходит с перерывами то емкость увеличивается, а при токе свыше максимального ёмкость снижается, так как часть деполяризатора не участвует в реакциях. Емкость также уменьшается с понижением температуры. Поэтому расчет времени работы элемента по его номинальной емкости и разрядному току является приближенным.
2. МАРГАНЦОВО – ЦИНКОВЫЕ
И ОКСИДНО – РТУТНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ.
Широкое распространение получили марганцово – цинковые (МЦ) сухие элементы с деполяризатором из диоксида марганца.
Сухой элемент стаканчикового типа (рис. 3) имеет цинковый сосуд прямоугольной или цилиндрической формы, являющийся отрицательным электродом. Внутри него помещён положительный электрод в виде угольной
палочки или пластинки, которая находится в мешке, наполненном смесью диоксида марганца с порошком угля или графита. Уголь или графит добавляют для уменьшения сопротивления. Угольный стержень и мешок с деполяризующей массой называют агломератом. В качестве электролита используется паста, составленная из нашатыря (NH4Cl), крахмала и некоторых других веществ. У стаканчиковых элементов центральный вывод является положительным полюсом.
Рабочее напряжение сухого элемента несколько ниже, чем его ЭДС, равная 1,5 В, и составляет примерно 1,3 или 1,4 В. При длительном разряде напряжение по степенно уменьшается, так как деполяризатор не успевает поглощать весь выделяемый водород, и к концу раз ряда оно достигает 0,7 В.


Рис.3. Устройство сухого элемента.
Другая конструкция сухого элемента, так называемого галетного типа, показана на рис. 4. В нем положительным электродом является деполяризующая масса (угольного электрода нет). Галетные элементы имеют значительно лучшие характеристики, нежели стаканчиковые.

Рис. 4. Устройство сухого галетного элемента.
1 – деполяризатор – положительный электрод; 2 – цинк – отрицательный электрод; 3 – бумага;
4 – картон, пропитанный электролитом; 5 – полихлорвиниловая плёнка.
В каждом элементе, имеющем электролит, даже при разомкнутой внешней цепи происходит так называемый саморазряд, в результате которого разъедается цинковый электрод, а также истощаются электролит и деполяризатор. Поэтому сухой элемент при хранении постепенно проходит в негодность и электролит у него высыхает.
Когда сухие элементы полностью разрядятся, их агломераты ещё работоспособны и могут быть использованы для устройства самодельных наливных элементов. Такие элементы имеют агломерат и электрод из листового цинка в растворе нашатыря, находящемся в стеклянном или керамическом или пластмассовом стаканчике. При отсутствии нашатыря можно с несколько худшими результатами применить раствор обычной поваренной соли с небольшой добавкой сахара. Помимо сухих элементов типа МЦ, широко применяются элементы с марганцово – воздушной деполяризацией (МВЦ). Они устроены аналогично элементам МЦ, но у них положительный электрод сделан так, что к диоксиду марганца по особым каналам поступает наружный атмосферный воздух. Кислород воздуха возмещает потерю кислорода диоксидом марганца при деполяризации. Поэтому деполяризация может происходить значительно дольше и емкость элемента увеличивается.
Физико-химические процессы в элементах с диоксидом марганца происходят следующим образом. Нашатырь, то есть хлористый аммоний (NH4Cl), в водном растворе образует положительные ионы аммония (NH4) и отрицательные ионы хлора (Cl). Положительные ионы цинка переходят в раствор и цинк приобретает отрицательный потенциал. При замыкании цепи, когда во внешней цепи электроны движутся в направлении от цинка к углю всё время происходит растворение цинка. Его ионы переходят в электролит, за счёт чего поддерживается отрицательный потенциал цинка. Ионы цинка соединяются с ионами хлора, образуя раствор хлористого цинка (ZnCl2). В то же время ионы NH4 движутся к угольному электроду, отнимают от него электроны и распадаются на аммиак (NH3) и водород. Это происходит по уравнению
2NH4 = 2NH3 + H2.
Выделяющийся водород вступает в соединение с деполяризатором, то есть диоксидом марганца, образуя оксид марганца и воду:
H2 + MnО2 = MnО2 + Н2О.
В последние годы выпускаются еще сухие герметичные МЦ-элементы со щелочным электролитом (КОН). Они бывают цилиндрические, дисковые и галетные, ёмкостъ у них в три – пять раз больше, чем у элементов с электролитом из нашатыря. Кроме того, они допускают несколько циклов подзаряда током с отдачей 10% емкости. У таких элементов центральный электрод цинковый и является минусом, то есть полярность выводов противоположна полярности выводов обычных МЦ-элементов. Элементы со щелочным электролитом применяются для длительной работы, например, в электронных часах. В обозначениях таких элементов впереди ставится буква А.
У всех элементов начальное напряжение составляет примерно 1,3 – 1,5 В, а конечное напряжение равно 0,7 – 1 В. Хранение сухих элементов или батарей в бездействующем состоянии перед их использованием не должно продолжаться более срока, указанного на них; в противном случае сохранение работоспособности не гарантируется. Однако при хранении в течение указанного срока происходит некоторое снижение емкости, но не больше, чем на одну треть.
В последнее время выпускаются ещё малогабаритные оксидно – ртутные (ртутно – цинковые) герметичные элементы, имеющие более высокие качества, нежели элементы типа МЦ. Устройство оксидно – ртутных элементов показано на рис. 5. Элемент имеет стальной корпус состоящий из двух половин, отделенных друг от друга герметизирующей изоляционной прокладкой из резины.
В одну половину корпуса впрессована активная масса из оксида ртути (HgO) с графитом, являющаяся положительным электродом. Отрицательным электродом служит цинковый порошок, впрессованный в другую половину корпуса. Щелочной электролит (КОН) пропитывает пористую прокладку, разделяющую электроды. Эти элементы выпускаются разных размеров и разной емкости (от десятых долей ампер-часа до нескольких ампер-
часов). ЭДС у них составляет примерно 1,35 В. Срок хранения этих элементов 2,5 года. Саморазряд не превышает 1 % в год. По сравнению с МЦ-элементами ртут-

Читайте также:  Пропускная способность электрического тока

Рис. 5. Устройство герметичного оксиднво-ртутного элемента;
1 – стальной корпус с положительным электродом; 2 – пористая прокладка; 3 – резиновая уплотняющая прокладка; 4 – крышка корпуса с отрицательным электродом.
но – цинковые элементы имеют большую емкость, меньшее внутреннее сопротивление, но более высокую стоимость. Они широко применяются в электронных часах, кардиостимуляторах, фотоэкспонометрах, измерительных приборах. У самых малогабаритных элементов размеры составляют всего лишь несколько миллиметров, а масса – десятые доли грамма.
Важной особенностью оксидно-ртутных элементов является стабильность напряжения при разряде. Только в самом конце разряда напряжение резко падает до нуля.
3. СОЕДИНЕНИЕ ЭЛЕМЕНТОВ В БАТАРЕИ.
Выше говорилось, что ЭДС обычного химического элемента приблизительно равна 1,5 В. Для увеличения ЭДС применяют батарею с последовательным соединением элементов. В этом случае “+” одного элемента соединяют с “–” другого и т. д. “Минус” первого и “плюс” последнего являются полюсами всей батареи (рис. 6.).
При последовательном соединении элементов ЭДС возрастает во столько раз, сколько соединено элементов.


Рис.6. Последовательное и параллельное соединение элементов в батарею.
Реже встречается параллельное соединение элементов, при котором положительные полюсы всех элементов соединяются вместе, образуя положительный полюс батареи, а отрицательный полюс батареи получается путем соединения отрицательных полюсов элементов (рис. 6). При параллельном соединении элементов ЭДС батареи не увеличивается, но возрастают емкость и максимальный разрядный ток. Поэтому параллельное соединение применяют, когда нужно получить больший разрядный ток и большую емкость, чем у одного элемента.
Значительно чаще прибегают к смешанному соединению, при котором увеличиваются и ЭДС, и емкость, и максимальный разрядный ток. В этом случае обычно соединяют параллельно несколько групп элементов, а в каждой группе соединяют последовательно столько элементов сколько нужно для получения необходимой ЭДС.


Рис. 7. Смешанное соединение элементов в батарею.
Число параллельных групп определяется необходимой величиной максимального разрядного тока (рис. 7). Вообще желательно составлять батареи из последовательно соединённых элементов с достаточным разрядным током. И только в случае, когда необходимо получить больший ток или увеличенную емкость, прибегают к смешанному соединению. Включение дополнительных элементов по принципу смешанного соединения применяется также для повышения напряжения, если элементы сильно разрядились.
Во время бездействия батареи параллельные группы элементов надо отсоединять друг от друга, так как за счет даже незначительной разницы в ЭДС одна группа может разряжаться на другую.

Источник



Источники постоянного тока

Постоянный ток — это такой ток, который почти (поскольку ничего идеального в мире нет) не изменяется во времени, ни по величине, ни по направлению. Исторически первые источники постоянного тока были исключительно химическими. Сначала они были представлены только гальваническими элементами, а позже появились и аккумуляторы.

Гальванические элементы и аккумуляторы имеют строго определенную полярность, и направление тока в них самопроизвольно не изменяется, поэтому химические источники тока — это принципиально источники постоянного тока.

Источники постоянного тока

Гальванический элемент

Пальчиковая батарейка АА — яркий пример современного гальванического элемента. Цилиндрическая щелочная батарейка ( которую любят называть алкалиновой, тогда как слово «alkaline» переводится как «щелочная») содержит внутри раствор гидроксида калия в качестве электролита. На положительном полюсе батарейки находится диоксид марганца, а на отрицательном — цинк в виде порошка.

Гальванические элементы

Когда внешняя цепь батарейки замыкается на нагрузку, на аноде (отрицательном полюсе) происходит химическая реакция окисления цинка, одновременно с этим на катоде (положительном полюсе) идет реакция восстановления оксида марганца четырехвалентного до оксида марганца трехвалентного.

В результате с отрицательного полюса электроны бегут в сторону положительного полюса через внешнюю цепь нагрузки. Так работает источник постоянного тока — гальванический элемент.

Химический процесс в гальваническом элементе не обратим, то есть пытаться заряжать его бесполезно. Напряжение между полюсами новой пальчиковой батарейки 1,5 вольта, что обусловлено потенциалами веществ, участвующих в химической реакции внутри нее.

Батарейка и лампочка

Аккумулятор

Литий-ионный аккумулятор, в отличие от батарейки, можно после разрядки снова заряжать, поскольку химический процесс в нем обратим. С виду аккумулятор работает как батарейка, то есть тоже дает в цепь нагрузки принципиально только постоянный ток, но емкость у аккумулятора обычно больше чем у батарейки примерно такого же размера.

Аккумуляторы

В ходе разрядки литиевого аккумулятора, химическая реакция на аноде (отрицательном электроде) состоит в отделении лития от углерода и его переходе в состав соли на катоде (положительном электроде). А при зарядке ионы лития вновь переходят к углероду на аноде.

Разность потенциалов между полюсами литий-ионного аккумулятора может доходить до 4,2 вольт. Максимальный ток зависит от площади взаимодействия электродов внутри аккумулятора с электролитом и соответственно друг с другом.

Генератор

В промышленных масштабах постоянный ток получают при помощи генераторов постоянного тока. Как правило, на статоре такой машины расположены неподвижные магниты либо электромагниты, наводящие во вращающихся контурах ЭДС по закону электромагнитной индукции.

Генераторы на электростанции

Вращающиеся контуры соединены каждый с контактными пластинами щеточно-коллекторного узла, через которые посредством неподвижных щеток и снимается в цепь нагрузки генерируемый ток. Поскольку контуры контактируют с положительной и отрицательной щетками только при прохождении мимо определенных магнитных полюсов статора, ток во внешней цепи получается выпрямленным переменным, то есть пульсирующим постоянным.

Величина тока зависит от сечения проводов, индукции магнитного поля статора и площади статора. Величина напряжения — от скорости вращения ротора генератора и от индукции магнитного поля статора.

Солнечный элемент

Солнечные батареи также дают постоянный ток. Фотоны солнечного света попадая на фотоэлемент вызывают движение положительно заряженных дырок и отрицательно заряженных электронов через p-n-переход, и во внешней цепи получается таким образом постоянный ток.

Солнечные элементы

Чем больше совокупная площадь фотоэлементов — тем больше электронов и дырок участвуют в образовании тока, тем больший ток можно получить от солнечной батареи. Генерируемое напряжение солнечной батареи зависит от интенсивности солнечного света и от количества соединенных последовательно фотоэлементов, входящих в конструкцию солнечной батареи.

Читайте также:  Взаимодействие контура с током с однородным магнитным полем

Трансформатор с выпрямителем

Раньше в электронной аппаратуре для получения постоянного тока, при питании от бытовой сети переменного тока, сплошь и рядом использовались блоки питания с трансформаторами на железе. Переменное сетевое напряжение понижалось при помощи трансформатора, а затем выпрямлялось при помощи лампового или диодного выпрямителя.

Трансформатор с выпрямителем

После выпрямителя в такой схеме всегда стоит фильтр, состоящий как минимум из конденсатора, а в лучшем случае — из конденсатора и дросселя, да еще и транзисторного стабилизатора напряжения, особенно если источник тока должен быть регулируемым.

Напряжение на выходе такого блока питания зависит от количества витков вторичной обмотки трансформатора, а максимальная величина тока — от номинальной мощности трансформатора.

Источник питания для светодиодной ленты

Импульсный блок питания

Сегодня в радиоэлектронной аппаратуре для получения постоянного тока почти не используют блоки питания с низкочастотными трансформаторами на железе, на замену им пришли импульсные блоки питания. В них выпрямленное сетевое напряжение сначала понижается при помощи высокочастотного трансформатора и транзисторных ключей, а затем выпрямляется. Ток направляется через фильтр в конденсатор фильтра.

Импульсный блок питания

Конструкция импульсного блока питания получается гораздо меньше размером, чем с трансформатором на железе. Но шумов в выходном токе больше. Поэтому особое внимание при конструировании импульсных блоков питания уделяют фильтрации тока на выходе к нагрузке.

Напряжение на выходе импульсного блока питания зависит от устройства электронной схемы, а максимальный ток — от размера высокочастотного трансформатора и качества находящихся на схеме радиоэлектронных компонентов.

Конденсатор и ионистор

Источником постоянного электрического тока можно назвать в определенном смысле электрический конденсатор. Конденсатор накапливает электрическую энергию в форме постоянного электрического поля между своими обкладками, а затем может отдавать эту энергию в форме постоянного тока или импульсного разряда. И то и другое по сути — постоянный ток, отличающийся лишь длительностью проявления.

Ионисторы

Но электролитические конденсаторы сегодня выпускаются на огромные емкости в тысячи и более микрофарад. Особая разновидность конденсатора — ионистор (суперконденсатор) — он занимает промежуточное место между аккумулятором и конденсатором.

Химические процессы в ионисторе протекают практически с такой же скоростью как в конденсаторе, но в отличие от аккумулятора, ионистор обладает меньшим внутренним сопротивлением, что позволяет получать от ионисторов большие постоянные токи на протяжении более длительного времени. Чем больше емкость конденсатора — тем больший по величине и более продолжительный ток можно получить с его помощью.

Источник

Источники постоянного тока: виды, характеристики, сферы применения

Постоянный ток существует только в замкнутой цепи и сохраняет свое направление и основные параметры неизменными во времени. Для его поддержания необходимо наличие постоянного напряжения. Это требование является неизменным для различных источников постоянного тока.

Источники постоянного электрического тока

Существует несколько основных видов источников энергии постоянного тока. Каждый из них основан на использовании разных физических принципов и используется в определенных условиях. К ним можно отнести следующие виды:

  • механические, превращающие механическую энергию вращения ротора в электрическую энергию;
  • тепловые, в которых в электрическую энергию преобразуется тепловая энергия;
  • химические, в которых в электрическую энергию преобразуется энергия, выделяющаяся в результате химического процесса;
  • световые, превращающие энергию солнечного света в электрическую энергию.

В основном электроэнергия вырабатывается электростанциями, от которых потребители получают не постоянный, а переменный ток, который затем преобразуется в постоянный. Но во многих сферах можно применять только тепловые, световые или химические источники постоянного электрического тока.

Тепловые источники

В этих источниках используется термоэлектрический эффект. Электрический ток в замкнутой цепи возникает благодаря разнице температур, контактирующих между собой, металлов или полупроводниковых структур. В месте контакта при нагреве возникает электродвижущая сила (термо-ЭДС). Электрический ток заряженных частиц направлен от нагретого участка в сторону холодного. Его величина пропорциональна разнице температур. В месте спая образуется термопара.

Приборы, которые для создания постоянного тока используют тепло, выделяющееся при распаде радиоактивных изотопных материалов, являются радиоизотопными термоэлектрическими генераторами.

Световые источники

Свойство полупроводников создавать ЭДС при попадании на них потока света используется при создании световых источников постоянного тока.

Солнечная батарея

Объединение большого количества кремниевых структур позволяет создавать солнечные батареи. Небольшие электростанции, созданные на базе таких солнечных панелей, имеют на сегодняшний день КПД не более 15%.

Химические источники

Получение положительных и отрицательно заряженных частиц в химических источниках постоянного тока осуществляется за счет химических реакций. По классификации химических источников они делятся на 3 группы:

  • гальванические элементы, являющиеся первичными источниками ;
  • электрические аккумуляторные батареи (АКБ), или вторичные ХИТ;

*ХИТ — химические источники тока.

Гальванические элементы используют принцип действия, основанный на взаимодействии двух металлов через среду электролита. Вид и характеристики ХИТ зависят от выбранной пары металлов и состава электролита. Два металлических электрода источника тока по аналогии с прибором односторонней проводимости получили название анода («+») и катода («-«).

Материалом для изготовления анода могут служить свинец, цинк, кадмий и другие. Катод изготавливают из оксида свинца, графита, оксида марганца, гидрооксида никеля. По составу электролита гальванические элементы разделяются на 3 вида:

  • солевые или «сухие»;
  • щелочные;
  • литиевые.

В элементах первых двух видов графито-марганцевый стержень (катод) помещен по оси цинкового цилиндрического стаканчика (анода). Свободное пространство между ними заполнено пастой на основе хлорида аммония (солевые) или гидрооксида калия (щелочные).

Батарейка одноразовая

В литиевых элементах цинковый анод заменен щелочным литием, что привело к значительному увеличению продолжительности работы. Материал катода в них определяет выходное напряжение батарейки (1,5-3,7) В. Первичные ХИТ являются источниками одноразового действия. Его реагенты, расходующиеся в процессе работы, не подлежат восстановлению.

Аккумуляторы представляют собой устройства, в которых производится преобразование электрической энергии внешнего источника тока в химическую энергию при заряде и ее накопление. В процессе работы (разряд) происходит обратное преобразование — химическая энергия служит источником постоянного электрического тока.

К основным видам аккумуляторов относятся:

  • свинцово-кислотные;
  • никель-кадмиевые щелочные;
  • литий-ионные.

Для создания химических процессов набор пластин помещен в раствор электролита. В АКБ, созданных по современным технологиям, раствор представляет собой не жидкость, а гелиевый состав (GEL) или сотовые сепараторы, пропитанные электролитом и помещенные между свинцовыми пластинами (AGM).

Аккумулятор автомобильный

Свинцово-кислотные и никель-кадмиевые щелочные аккумуляторы для работы в качестве источников постоянного тока для запуска двигателей автомобилей собирают из набора отдельных аккумуляторных элементов («банок»). Каждая «банка» обеспечивает на своих клеммах напряжение 2,1 В. Соединенные последовательно 6 элементов и помещенные в ударопрочный корпус, имеют на выходных клеммах аккумулятора необходимые для запуска двигателя 12 В.

В литий-ионных аккумуляторах носителями электрического тока служат ионы лития. Они образуются на катоде, изготовленному из соли лития. Анод может быть изготовлен из графита или оксидов кобальта. Напряжение постоянного тока на выходе аккумулятора может варьироваться в пределах (3,0-4,2) В в зависимости от используемых материалов. Эти аккумуляторы имеют низкое значение тока саморазряда и допускают большое количество циклов заряд/разряд. Благодаря этому все современные гаджеты используют аккумуляторы этого вида.

Механические источники постоянного тока

Устройствами, преобразующими механическую энергию в электрическую, являются турбо и гидро генераторы. Они вырабатывают переменный электрический ток. Для основной части бытовых приборов источником постоянного тока выступают их блоки питания. В них производится преобразование переменного напряжения генератора в постоянное напряжение, необходимое для работы устройств. Эту задачу выполняют выпрямители, которые должны обеспечивать необходимую мощность источника постоянного тока для их нагрузки и постоянное значение выходного напряжения, не зависящее от потребляемого тока.

Блоки питания могут быть линейными и импульсными. Линейные блоки выполняются по разным схемам, основу которых составляют:

  • однополупериодые выпрямители;
  • двухполупериодные выпрямители.

В выпрямителях используется свойство полупроводниковых диодов пропускать ток только в одном направлении. Выпрямленное таким образом напряжение еще не является постоянным. Емкости последующих за выпрямителем конденсаторов сглаживающего фильтра при своем быстром заряде и медленном разряде поддерживают величину положительного однополярного напряжения на определенном значении. Его величина определяется трансформатором, получающим напряжение от генератора переменного тока. Для однофазного напряжения домашней сети 220 В 50 Гц его стальной сердечник имеет значительные размеры и вес.

Схемы однополупериодных содержат всего один полупроводниковый диод, пропускающий только одну полуволну синусоидального переменного входного напряжения.

Выпрямитель одного периода

Двухполупериодные выпрямители выполняются по мостовой схеме или по схеме с общей точкой. В последнем случае вторичная обмотка сетевого трансформатора имеет вывод от своей середины. Эти выпрямители представляют собой параллельное включение двух однополупериодных выпрямителей. Они действуют на обе полуволны синусоиды переменного входного напряжения.

Выпрямитель со средней точкой

Мостовая схема выпрямителя является наиболее распространенной. Соединение 4-х диодов в ней напоминает «квадрат». К одной из диагоналей подключается переменное напряжение вторичной обмотки сетевого трансформатора. Нагрузка включается в другую диагональ «квадрата». Им будет входной элемент сглаживающего фильтра.

Мостовая схема выпрямления

Регулирование источника

Для обеспечения постоянного значения уровня выходного напряжения, не зависящего от потребляемого нагрузкой тока и колебаний входного переменного напряжения, все современные источники питания постоянного тока имеют ступень стабилизации и регулирования.

Схемы стабилизаторов

В ней выходное напряжение сравнивается с эталонным (опорным) значением.

При появлении различия между ними вырабатывается управляющий сигнал, который по цепи управления изменяет величину выходного напряжения. Величину значения опорного напряжения можно изменять в широких пределах, имея на выходе регулированного источника питания постоянного тока необходимое для работы напряжение.

Читайте также:  При увеличении силы тока в катушке магнитного поля не изменяется ослабевает исчезает усиливается

Импульсные источники

Схемы с использованием входных трансформаторов напряжения сети получили название линейных. В импульсных источниках питания производится двойное преобразование — сначала переменное напряжение выпрямителем преобразуется в постоянное, затем вырабатывается переменное импульсное напряжение более высокой частоты, которое в выходном каскаде снова преобразуется в постоянное напряжение необходимого значения.

Генераторы импульсов вырабатывают непрерывную импульсную последовательность с частотой (15-60) кГц. Регулирование выходного напряжения осуществляется посредством широтно-импульсной модуляции (ШИМ), при которой уровень сигнала на выходе блока питания определяется шириной импульсов, вырабатываемых генератором и значением их скважности. Регулированные источники питания постоянного тока импульсного типа все чаще используются при создании аппаратуры различного назначения.

Сравнение источников

Отсутствие мощного входного трансформатора в импульсных источниках питания позволяет создавать конструкции значительно более легкие и с меньшими линейными размерами. Их эффективность значительно выше источников, выполненных по линейным схемам. Коэффициент полезного действия доходит до значения 98%. В них широкое распространение получили микросхемы, выполняющие функции контроллеров.

Каждый из типов стабилизированных источников постоянного тока находит применение в своей сфере. А она весьма многообразна. Основой являются характеристики источников постоянного тока. Линейные источники обеспечивают низкий уровень пульсаций выходного напряжения и малое значение уровня собственного шума. Это достигается отсутствием переключений при их работе, которые создают большой уровень помех в широком частотном диапазоне. В импульсных источниках приходится применять сложные схемные решения для борьбы с ними, что приводит к удорожанию изделий, в которых они применяются.

Заключение

В статье был дан общий обзор существующих источников постоянного тока. Изложенный материал лишь знакомит читателей с основными принципами их работы. Из него можно сделать вывод, что каждый из видов источников постоянного тока используется в своей области.

Источник

Гальванические элементы и аккумуляторы — устройство, принцип работы, виды

Маломощные источники электрической энергии

Для питания переносной электро- и радиоаппаратуры применяют гальванические элементы и аккумуляторы.

Гальванические элементы — это источники одноразового действия, аккумуляторы — источники многоразового действия.

Гальванические элементы и аккумуляторы

Простейший гальванические элемент

Простейший элемент может быть изготовлен из двух полосок: медной и цинковой, погруженных в воду, слегка подкисленную серной кислотой. Если цинк достаточно чист, чтобы быть свободным от местных реакций, никаких заметных изменений не произойдет до тех пор, пока медь и цинк не будут соединены проводом.

Однако полоски имеют разные потенциалы одна по отношению к другой, и когда они будут соединены проводом, в нем появится электрический ток. По мере этого действия цинковая полоска будет постепенно растворяться, а близ медного электрода будут образовываться пузырьки газа, собирающиеся на его поверхности. Этот газ — водород, образующийся из электролита. Электрический ток идет от медной полоски по проводу к цинковой полоске, а от нее через электролит обратно к меди.

Простейший гальванический элемент

Постепенно серная кислота электролита замещается сульфатом цинка, образующимся из растворенной части цинкового электрода. Благодаря этому напряжение элемента уменьшается. Однако еще более сильное падение напряжения вызывается образованием газовых пузырьков на меди. Оба эти действия производят «поляризацию». Подобные элементы не имеют почти никакого практического значения.

Важные параметры гальванических элементов

Величина напряжения, даваемого гальваническими элементами, зависит только от их типа и устройства, т. е. от материала электродов и химического состава электролита, но не зависит от формы и размеров элементов.

Сила тока, которую может давать гальванический элемент, ограничивается его внутренним сопротивлением.

Очень важной характеристикой гальванического элемента является электрическая емкость. Под электрической емкостью подразумевается то количество электричества, которое гальванический или аккумуляторный элемент способен отдать в течение всего времени своей работы, т. е. до наступления окончательного разряда.

Отданная элементом емкость определяется умножением силы разрядного тока, выраженной в амперах, на время в часах, в течение которого разряжался элемент вплоть до наступления полного разряда. Поэтому электрическая емкость выражается всегда в ампер-часах (А х ч).

Пальчиковые батарейки

По величине емкости элемента можно также заранее определить, сколько примерно часов он будет работать до наступления полного разряда. Для этого нужно емкость разделить на допустимую для этого элемента силу разрядного тока.

Однако электрическая емкость не является величиной строго постоянной. Она изменяется в довольно больших пределах в зависимости от условий (режима) работы элемента и конечною разрядного напряжения.

Если элемент разряжать предельной силой тока и притом без перерывов, то он отдаст значительно меньшую емкость. Наоборот, при разряде того же элемента током меньшей силы и с частыми и сравнительно продолжительными перерывами элемент отдаст полную емкость.

Что же касается влияния на емкость элемента конечного разрядного напряжения, то нужно иметь в виду, что в процессе разряда гальванического элемента его рабочее напряжение не остается на одном уровне, а постепенно понижается.

Виды гальванических элементов

Распространенные виды гальванических элементов

Наиболее распространены гальванические элементы марганцево-цинковой, марганцево-воздушной, воздушно-цинковой и ртутно-цинковой систем с солевым и щелочным электролитами. Сухие марганцево-цинковые элементы с солевым электролитом имеют начальное напряжение от 1,4 до 1,55 В, продолжительность работы при температуре окружающей среды от -20 до -60 о С от 7 ч до 340 ч.

Сухие марганцево-цинковые и воздушно-цинковые элементы со щелочным электролитом имеют напряжение от 0,75 до 0,9 В и продолжительность работы от 6 ч до 45 ч.

Сухие ртутно-цинковые элементы имеют начальное напряжение от 1,22 до 1,25 В и продолжительность работы от 24 ч до 55 ч.

Наибольший гарантийный срок хранения, достигающий 30 месяцев, имеют сухие ртутно-цинковые элементы.

Устройство гальванического элемента

Аккумуляторы — это вторичные гальванические элементы. В отличие от гальванических элементов в аккумуляторе же сразу после сборки никакие химические процессы не возникают.

Чтобы в аккумуляторе начались химические реакции, связанные с движением электрических зарядов, нужно соответствующим образом изменить химический состав его электродов (а частью и электролита). Это изменение химического состава электродов происходит под действием пропускаемого через аккумулятор электрического тока.

Поэтому, чтобы аккумулятор мог давать электрический ток, его предварительно нужно «зарядить» постоянным электрическим током от какого-нибудь постороннего источника тока.

От обычных гальванических элементов аккумуляторы выгодно отличаются также тем, что после разряда они опять могут быть заряжены. При хорошем уходе за ними и при нормальных условиях эксплуатации аккумуляторы выдерживают до нескольких тысяч зарядов и разрядок. Аккумуляторы Устройство аккумулятора

В настоящее время наиболее часто на практике применяют свинцовые и кадмиево-никелевые аккумуляторы. У первых электролитом служит раствор серной кислоты, а у вторых — раствор щелочей в воде. Свинцовые аккумуляторы называют также кислотными, а кадмиево-никелевые — щелочными.

Принцип работы аккумуляторов основан на поляризации электродов при электролизе. Простейший кислотный аккумулятор устроен следующим образом: это две свинцовые пластины, опущенные в электролит. В результате химической реакции замещения пластины покрываются слабым налетом сернокислого свинца PbSO4, как это следует из формулы Pb + H2SO4 = PbSO4 + Н2.

Устройство кислотного аккумулятора

Такое состояние пластин соответствует разряженному аккумулятору. Если теперь аккумулятор включить на заряд, т. е. подсоединить его к генератору постоянного тока, то в нем вследствие электролиза начнется поляризация пластин. В результате заряда аккумулятора его пластины поляризуются, т. е. изменяют вещество своей поверхности, и из однородных (PbSO4) превращаются в разнородные (Pb и Р b О 2 ).

Аккумулятор становится источником тока, причем положительным электродом у него служит пластина, покрытая двуокисью свинца, а отрицательным — чистая свинцовая пластина.

К концу заряда концентрация электролита повышается вследствие появления в нем дополнительных молекул серной кислоты.

В этом одна из особенностей свинцового аккумулятора: его электролит не остается нейтральным и сам участвует в химических реакциях при работе аккумулятора.

Зарядка аккумуляторов

Как зарядить аккумулятор

Существует несколько способов заряда аккумуляторов. Наиболее простой — нормальный заряд аккумулятора, который происходит следующим образом. Вначале на протяжении 5 — 6 ч заряд ведут двойным нормальным током, пока напряжение на каждой аккумуляторной банке не достигнет 2,4 В.

Нормальный зарядный ток определяют по формуле I зар = Q/16

где Q — номинальная емкость аккумулятора, Ач.

После этого зарядный ток уменьшают до нормального значения и продолжают заряд и течение 15 — 18 ч, до появления признаков конца заряда.

Никель-кадмиевые аккумуляторы

Кадмиево-никелевые, или щелочные аккумуляторы, появились значительно позже свинцовых и по сравнению с ними представляют собой более совершенные химические источники тока. Главное преимущество щелочных аккумуляторов перед свинцовыми заключается в химической нейтральности их электролита по отношению к активным массам пластин. Благодаря этому саморазряд у щелочных аккумуляторов получается значительно меньше, чем у свинцовых. Принцип действия щелочных аккумуляторов также основан на поляризации электродов при электролизе.

Для питания радиоаппаратуры выпускают герметичные кадмиево-никелевые аккумуляторы, которые работоспособны при температурах от -30 до +50 о С и выдерживают 400 — 600 циклов заряд-разряд. Эти аккумуляторы выполняют в форме компактных параллелепипедов и дисков с массой от нескольких граммов до килограммов.

Выпускают никель-водородные аккумуляторы для энергоснабжения автономных объектов. Удельная энергия никель-водородного аккумулятора составляет 50 — 60 Вт ч кг -1 .

Источник