Электроника:Постоянный ток/Батареи и системы питания/Батарейные конструкции

Содержание

Теория

Практика

Проверка знаний

Рецепты

Эксперименты

Резерв

Резерв

Резерв

Резерв

Перевод: Макаров В. (valemak)

Проверка/Оформление/Редактирование: Мякишев Е.А.

Батарейные конструкции

Слово батарея само по себе означает группу похожих компонентов. К примеру, в военном лексиконе «батарея» означает подразделение, состоящее из нескольких (множества) артиллерийских орудий. В электричестве «батарея» – это набор гальванических элементов, предназначенных для обеспечения большего напряжения и/или тока, чем это возможно с каждым элементом по-отдельности.

Обозначение элемента очень простое, состоит из одной длинной линии и одной короткой линии, параллельных друг другу, с примыкающими к ним соединительными проводами:

Рис. 1. Один элемент (питания), как он обозначается на электрических схемах.

На схемах батарея – это уже более одного символа элемента, символы расположены последовательно:

Рис. 2. Батарея – более одного элемента подряд.

Как уже говорилось, напряжение, создаваемое каждым конкретным типом элемента, определяется строго химическим составом этого типа элемента. Размер элемента не имеет отношения к создаваемому им напряжению. Чтобы получить большее напряжение, чем выходное напряжение одного элемента, несколько элементов нужно соединить последовательно. Полное напряжение батареи – это сумма напряжений всех элементов. Типичная автомобильная свинцово-кислотная аккумуляторная батарея состоит из шести элементов для номинального выходного напряжения 6×2,0 или 12,0 вольт:

Рис. 3. Батарея (аккумулятор) на 12 вольт.

Элементы автомобильного аккумулятора находятся в одном корпусе из твёрдой резины и соединены вместе толстыми свинцовыми стержнями, а не проводами. Электроды и растворы электролита для каждой ячейки содержатся в отдельных секциях корпуса батареи. В больших батареях электроды обычно имеют форму тонких металлических решёток или пластин, поэтому их часто называют просто пластинами, а не электродами.

Для удобства символы батареи обычно ограничиваются четырьмя чередующимися длинными/короткими линиями, хотя настоящая батарея, которую она представляет, может иметь намного больше элементов чем два. Однако иногда может встретиться символ батареи с нестандартно высоким напряжением, намеренно нарисованный с дополнительными линиями. Линии, конечно, представляют отдельные клеточные пластинки:

Рис. 4. Если напряжение источника питания явно выше среднего, на схеме изображают не один-два, а большее количество гальванических элементов.

Насколько важен размер батареи?

Если физический размер элемента не влияет на её напряжение, тогда на что он влияет? Ответ – на сопротивление, которое, в свою очередь, влияет на максимальное количество тока, которым может обеспечить элемент. Каждый гальванический элемент содержит некоторое количество внутреннего сопротивления из-за электродов и электролита. Чем в большем размере сконструирован элемент, тем больше площадь контакта электрода с электролитом и, следовательно, тем меньшее внутреннее сопротивление он будет иметь.

Мы обычно воспринимаем элемент или батарею в цепи как идеальный источник напряжения (дающий абсолютно постоянное напряжение), сила тока определяется исключительно внешним сопротивлением цепи, к которой он подключён – но такая идеальная картинка не совсем соответствует действительности. Поскольку каждый элемент цепи (в том числе и батарея) имеет внутреннее сопротивление, это сопротивление также должно влиять на силу тока в любой другой точке данной цепи:

Рис. 5. Идеальная и реальная батареи.

Настоящая батарея, обозначенная пунктирной линией, имеет внутреннее сопротивление 0,2 Ом, что влияет на её способность передавать ток до сопротивления нагрузки 1 Ом. Идеальная батарея слева не имеет внутреннего сопротивления, поэтому наши расчёты по закону Ома для силы тока (I= E/R) дают нам идеальное значение 10 ампер для тока с нагрузкой 1 Ом и питанием 10 вольт. Настоящая батарея с внутренним сопротивлением, дополнительно препятствует прохождению тока и может подавать только 8,333 А на то же сопротивление нагрузки.

Идеальная батарея в случае короткого замыкания с сопротивлением 0 Ом могла бы обеспечивать бесконечное количество тока. Настоящая батарея же, может подавать только 50 ампер (10 В / 0,2 Ом) на короткое замыкание с сопротивлением 0 Ом из-за своего внутреннего сопротивления. Химическая реакция внутри элемента может по-прежнему обеспечивать ровно 10 вольт, но напряжение падает на внутреннем сопротивлении по мере протекания тока через батарею, что снижает величину напряжения, доступного на выводах от батареи к нагрузке.

Как соединить элементы, чтобы минимизировать внутреннее сопротивление батареи?

Поскольку мы живем в несовершенном мире с несовершенными батареями, нам приходится учитывать такие факторы, как внутреннее сопротивление. Как правило, батареи используются там, где их внутреннее сопротивление незначительно по сравнению с сопротивлением нагрузки (где их ток короткого замыкания намного превышает их обычный ток нагрузки), и поэтому электрические характеристики такой батареи очень близки к характеристикам идеального источника напряжения.

Если нам нужно сконструировать батарею с меньшим сопротивлением, чем то, которое может обеспечить один элемент (чтобы увеличить электроёмкость), нам придётся соединить элементы вместе параллельно:

Рис. 6. Если элементы батареи соединять не последовательно, а параллельно, то внутреннее сопротивление батареи будет меньше, чем сопротивление любого из её элементов.

По сути, то, что мы здесь делаем, – это используем эквивалент Тевенена для пяти параллельных элементов (т.е. теперь эту батарею можно рассматривать как эквивалентная сеть из одного источника напряжения и одного последовательного сопротивления). Эквивалентная сеть имеет такое же исходное напряжение, но её сопротивление составляет лишь часть сопротивления любого отдельного элемента исходной сети. Общий эффект параллельного соединения ячеек заключается в уменьшении эквивалентного внутреннего сопротивления, (подобный эффект уменьшения общего сопротивления даёт подключение параллельных резисторов). Эквивалентное внутреннее сопротивление этой батареи из 5 элементов составляет 1/5 сопротивления каждого отдельного элемента. Общее напряжение остается прежним: 2,0 вольт. Если бы эта батарея элементов питала цепь, сила тока через каждый элемент составляла бы 1/5 от общей силы тока в цепи из-за равного разделения тока через параллельные ветви с равным сопротивлением.

Итог

• Батареи представляют собой кластер из элементов, соединённых друг с другом для повышения напряжения и/или силы тока и/или мощности.
• Элементы, соединённые последовательно (с учётом полярности), приводят к увеличению общего напряжения.
• Физический размер элемента влияет на сопротивление элемента, что, в свою очередь, влияет на способность элемента подавать ток в цепь. Как правило, чем больше размер элемента, тем меньше его внутреннее сопротивление.
• Параллельное соединение элементов приводит к меньшему общему сопротивлению и потенциально большей общей силе тока.