Электроника:Постоянный ток/Батареи и системы питания/Батареи специального назначения

Материал из Онлайн справочника
Перейти к навигацииПерейти к поиску

Перевод: Макаров В. (valemak) Контакты:</br>* Habr: @vakemak</br>* Сайт: www.valemak.com</br>Перевёл статей: 656.
Проверка/Оформление/Редактирование: Мякишев Е.А.


Батареи специального назначения[1]

Стандартный ртутный элемент

Еще на заре технологий электрических измерений в качестве эталона для калибровки напряжения широко использовался специальный тип батареи, известный как эталонный ртутный элемент. В русскоязычной электротехнической литературе их принято называть ртутно-кадмиевыми гальваническими элементами. Выходное напряжение ртутного элемента составляло от 1,0183 до 1,0194 вольт при постоянном токе (в зависимости от конкретной конструкции элемента) и было чрезвычайно стабильным во времени. Объявленный дрейф (т.е. постепенное уменьшение выходного напряжения в результате износа батареи) составлял около 0,004% номинального напряжения в год. Стандартные ртутно-кадмиевые элементы иногда назывались элементами Вестона или просто кадмиевыми элементами.

Рис. 1. Стандартный ртутно-кадмиевый гальванический элемент.
Рис. 1. Стандартный ртутно-кадмиевый гальванический элемент.

К сожалению, ртутные элементы довольно нетерпимы к каким-либо токовым нагрузкам и потому исключено измерение аналоговым вольтметром без снижения точности. Производители обычно требовали, чтобы ток через элемент не превышал 0,1 мА, и даже в данном случае ток должен быть максимально краткосрочным! Следовательно, стандартные элементы могут быть измерены только с помощью потенциометрического устройства с нуль-балансом, в котором сила потребляемого тока практически нулевая. Короткое замыкание для ртутного элемента под запретом, ибо после короткого замыкания показания данного элемента уже не будут вызывать никакого доверия.

Типы стандартных ртутно-кадмиевых элементов

Стандартные ртутные элементы также были восприимчивы к незначительным изменениям напряжения при физическом или термическом воздействии. Для различных целей калибровки были разработаны два разных типа стандартных ртутных элементов: насыщенные и ненасыщенные. Насыщенные стандартные элементы обеспечивают максимальную стабильность напряжения во времени за счёт тепловой нестабильности. Другими словами, их напряжение очень мало менялось с течением времени (всего несколько микровольт за десятилетие!), однако имело тенденцию меняться с изменениями температуры (десятки микровольт на один градус Цельсия). Эти элементы лучше всего функционировали в лабораторных условиях с контролируемой температурой, где долговременная стабильность имеет первостепенное значение. Ненасыщенные элементы обеспечивали термическую стабильность за счёт стабильности во времени, напряжение оставалось практически постоянным при изменении температуры, но неуклонно снижалось примерно на 100 мкВ каждый год. Эти элементы лучше всего работали как «полевые» калибровочные устройства, где температура окружающей среды не контролируема. Номинальное напряжение для насыщенного элемента составляло 1,0186 вольт, и 1.019 вольт для ненасыщенного.

В качестве лабораторных и полевых эталонов напряжения стандартные аккумуляторные ртутные батареи уступили место стабилитронам – современным регуляторам полупроводникового напряжения.

Топливные элементы

Интересным устройством, тесно связанным с батареями первичных элементов, является топливный элемент, названный так потому, что он для генерации электрического тока использует химическую реакцию горения. Процесс химического окисления (когда возникает ионная связь кислорода с другими элементами) способен создавать ток между двумя электродами, а также любой комбинации металлов и электролитов. Топливный элемент можно рассматривать как батарею с внешним источником химической энергии.

Рис. 2. Водородно-кислородный топливный элемент.
Рис. 2. Водородно-кислородный топливный элемент.

На сегодняшний день наиболее удачными конструкциями топливных элементов считаются те, которые работают на водороде и кислороде, хотя также было много исследований по элементам, использующим углеводородное топливо. При «сжигании» водорода единственными побочными продуктами топливных элементов являются вода и небольшое количество тепла. При работе на углеродсодержащем топливе двуокись углерода также выделяется как побочный продукт. Поскольку рабочая температура современных топливных элементов намного ниже температуры обычного горения, оксиды азота (NOx) не образуются, что делает их гораздо более экологически чистыми при прочих равных условиях.

Эффективность преобразования энергии в топливном элементе из химической в ​​электрическую намного превышает теоретический предел Карно для КПД двигателя внутреннего сгорания, что является очень перспективным вообще для производства электроэнергии и для разработки гибридных электромобилей, в частности.

Солнечные элементы

Другой тип – это солнечный элемент, побочный продукт революции в области полупроводников в электронике. Фотоэлектрический эффект, в результате чего электроны выбиваются из атомов под воздействием света, был известен в физике ещё 100 лет назад. Но только благодаря достижениям в области полупроводниковых технологий, появилось устройство, могущее практически использовать данный эффект. Эффективность преобразования кремниевых солнечных элементов по-прежнему весьма низка, но их преимуществ в качестве источников энергии хватает: нет движущихся частей, нет шума, нет отходов или загрязнения (хотя само производство и утилизация солнечных элементов, по сей день довольно-таки «грязная» отрасль) и неограниченный срок службы.

Рис. 3. Солнечный элемент.
Рис. 3. Солнечный элемент.

Удельная стоимость технологии солнечных элементов (в долларах за киловатт) всё ещё очень высока, и перспективы ее значительного снижения невелики, если не произойдёт какой-то революционный прогресс в технологиях. В отличие от электронных компонентов, изготовленных из полупроводникового материала, которые можно делать всё с меньшим и меньшим количеством отходов в результате лучшего контроля качества, для производства одного солнечного элемента по-прежнему требуется такое же количество сверхчистого кремния, как и тридцать лет назад. Превосходный контроль качества не даёт такого же прироста производства, как при производстве микросхем и транзисторов (где отдельные частички примесей могут испортить множество микроскопических схем на одной кремниевой пластине). Такое же количество примесей мало влияет на общую эффективность 3-дюймового солнечного элемента.

Элементы с химическим детектором

Еще один тип специализированной «батареи» - элемент с химическим детектором. Проще говоря, такие элементы химически реагируют с определёнными веществами в воздухе, создавая напряжение, прямо пропорциональное концентрации этого вещества. Обычно речь идёт об обнаружении и измерении концентрации кислорода. Многие портативные анализаторы кислорода разработаны на основе таких миниатюрных элементов. Химический состав элементов проектируется таким образом, чтобы соответствовать конкретному веществу (веществам), которое должно быть обнаружено. Элементы данного типа достаточно быстро «изнашиваются», поскольку материалы их электродов истощаются или загрязняются при использовании.

Итог

  • Стандартные ртутно-кадмиевые гальванические элементы – это особые типы батарей, которые когда-то использовались в качестве эталонов для калибровки напряжения до появления прецизионных полупроводниковых регуляторов.
  • Топливный элемент является своего рода аккумулятором, который использует горючие окислители в качестве реагентов для выработки электроэнергии. Они являются перспективными источниками электроэнергии в будущем, так как сжигание топлива происходит с очень низким уровнем выбросов.
  • Солнечные батареи используют энергию света для переноса электронов от одного электрода к другому, производя напряжение (и/или ток, если есть внешняя цепь).
  • Элемент с химическим детектором представляет собой особый тип гальванического элемента, который производит напряжение, пропорциональное концентрации приложенного вещества (как правило, замеряется уровень наличия специфических газов в окружающем воздухе).

См.также

Внешние ссылки