Первичные источники тока

ИСТОЧНИКИ ПИТАНИЯ

Общие сведения

Источник питания — радиоэлектронное устройство, предназначенное для обеспечения различных устройств электрическим питанием.

Различают первичные и вторичные  источники питания. К первичным  относят преобразователи различных  видов энергии в электрическую, примером может служить аккумулятор, преобразующий химическую энергию. Вторичные источники сами не генерируют электроэнергию, а служат лишь для её преобразования с целью обеспечения требуемых параметров (напряжения, тока, пульсаций напряжения и т. п.)

Для работы большинства электронных  устройств необходимо наличие одного или нескольких источников питания (ИП) постоянного тока.

Все ИП можно разделить на две  группы: источники первичного электропитания и источники вторичного электропитания. РЭА может иметь в своем составе: ИП первой группы; ИП второй группы; ИП первой и второй групп одновременно.

Источники первичного электропитания

К данной группе ИП относятся:

1. химические источники тока (гальванические элементы, батареи и аккумуляторы);
2. термобатареи;
3. термоэлектронные преобразователи;
4. фотоэлектрические преобразователи (солнечные батареи);
5. топливные элементы;
6. биохимические источники тока;
7. атомные элементы;
8. электромашинные генераторы.

 

Химические источники тока (ХИТ) широко используются для питания маломощных устройств и аппаратуры, требующей автономного питания.

Батареи и аккумуляторы являются также  вспомогательными и (или) резервными источниками энергии в устройствах, питающихся от сети переменного тока. Выходное напряжение таких источников практически не содержит переменной составляющей (пульсаций), но в значительной степени зависит от величины тока, отдаваемого в нагрузку, и степени разряда. Поэтому в устройствах, критичных к напряжению питания, химические источники тока используются совместно со стабилизаторами напряжения.

Гальванические источники питания (ГИП) являющиеся первичными химическими источниками энергии постоянного тока, преобразуют химическую энергию активных веществ непосредственно в электрическую энергию. К ним относятся собственно гальванические элементы и составленные на основе этих элементов батареи.

Следовательно, батарея содержит два  и более гальванических элементов, включенных последовательно. С позиции химии гальванические элементы подразделяются на одноразовые и многоразовые. Элементы (батареи), которые нельзя перезаряжать, называются одноразовыми, а элементы (батареи), которые подлежат перезарядке, т.е. многоразовые, называются аккумуляторами.

Главным недостатком одноразовых  элементов и батарей является невозможность их использования после разряда. Аккумуляторы же, напротив, можно перезаряжать многократно.

Следует отметить, что аккумуляторы не производят электрическую энергию, они ее накапливают при заряде и отдают подключенной нагрузке при разряде. В аккумуляторах сначала электрическая энергия превращается в химическую, а затем химическая — в электрическую.

 

Рассмотрим основные параметры  одноразовых элементов (батарей).

1. Электродвижущая сила (ЭДС) элемента — это разность потенциалов, определяемая химическими свойствами активных материалов электролита и электродов и не зависящая от их размеров. Температура элемента почти не влияет на значение ЭДС: только при температурах, близких к температуре замерзания электролита, ЭДС элемента резко снижается. После размерзания элементы восстанавливаются.
2. Напряжение элемента (батареи), измеряемое при замкнутой внешней цепи, т. е. под нагрузкой, зависит от ЭДС (Е), внутреннего сопротивления элемента (r) и тока нагрузки (I_н):

U = Е- I_н *r.

3. Внутреннее сопротивление элемента (батареи) складывается из сопротивления электролита, электродов и сепараторов — прокладок между электродами. Чем меньше внутреннее сопротивление элемента, тем больше может быть разрядный ток при заданном напряжении на нагрузке.
4. Емкость элемента (батареи) определяется количеством электричества, отдаваемого при определенных условиях разряда. Следовательно, если сила разрядного тока остается постоянной в течение всего разряда, то емкость

С = I_рt_р

Где I_р - сила тока разряда, А;

t_р- время разряда, ч.

Если же сила разрядного тока изменяется, то используется среднее его значение, определяемое как среднее арифметическое значение токов в начале и конце  разряда.

Скорость, с которой расходуется  электричество аккумулятора, зависит  в основном от потребляемого тока конкретного устройства. Так, например, аккумулятор емкостью 1000 мА ч, будет давать ток 1000 мА в течение 1 ч, а аккумулятор емкостью 500 мА ч — в течение 2 ч и т.д.

5. Удельные характеристики элемента (батареи) представляют собой отношения соответственно их емкости, мощности и энергии к объему или массе. Эти характеристики позволяют оценить источник тока по его массе и объему.
6. Саморазряд элементов (батарей) — это вредное явление, приводящее к снижению их емкости и преждевременной порче. Саморазряд происходит независимо от того, работает или не работает элемент на нагрузку. При повышении температуры окружающей среды саморазряд увеличивается, поэтому при выборе элементов для работы необходимо обращать внимание на дату их изготовления, так как производитель на этикетке или в паспортных данных обязан указывать определенный срок, в течение которого элемент сохраняет свои характеристики.
7. Сохранность элемента (батареи) характеризуется временем, в течение которого все его показатели остаются на уровне, оговоренном в технических условиях.

Срок годности любого аккумулятора ограничен. За два года его емкость может снизиться на 20...30 % от номинального значения за счет чисто физического износа составляющих элементов и эффекта памяти (более подробно это явление будет описано при рассмотрении никель- кадмиевых и никель-металлгидридных аккумуляторов). Сроки «жизни» химических источников питания сокращаются в результате различных повреждений, ударов, перегрева, нарушения режима заряда и т.д. Кроме того, аккумуляторы не рекомендуется долго хранить незаряженными и держать в устройствах, которые не будут использоваться в ближайшее время. Дело в том, что практически все ИП склонны разряжаться самопроизвольно, т.е. за полгода-год бездействия аккумулятор может впасть в состояние «глубокого разряда», после чего реанимировать его вряд ли удастся.

8. Удельная плотность элемента (батареи) — это отношение ее емкости к массе (размеру). Чем выше удельная плотность, тем большее количество энергии может вырабатывать элемент определенных размера и массы, и соответственно тем больше такой элемент востребован.
9. Размер элемента питания, определяемый типом происходя- шей химической реакции, влияет на силу вырабатываемого тока. Чем больше размер элемента, тем больший ток он способен вырабатывать, поэтому для сверхмощных устройств зачастую требуются достаточно крупные элементы питания.

Термобатареи состоят из последовательно соединенных термопар.

Термобатареи используются в качестве ИП малой мощности, например для питания радиоприемников.

В простейшем виде термоэлектрический генератор представляет собой батарею  термопар, у которых одни концы  спаев нагреваются, а другие имеют  достаточно низкую температуру, благодаря  чему создается термо-ЭДС и во внешней цепи протекает ток. Каждая термопара может состоять из двух разнородных полупроводников или из проводника и полупроводника. Большая теплопроводность металлических термопар не позволяет создавать значительную разность температур спаев, а, следовательно, не дает возможность получить большую термо-ЭДС. Лучшие результаты дает использование в термогенераторах полупроводниковых термопар, или комбинированных, состоящих из проводника и полупроводника.

В термопаре, состоящей из полупроводников  с n- и p- проводимостями, при нагревании спая количество электронов в полупроводнике n-типа и число дырок в полупроводнике p-типа увеличивается. Электроны и дырки вследствие диффузии в полупроводниках движутся от горячего слоя термопары к холодному. Перемещение дырок приводит к тому, что горячий конец полупроводника p-типа заряжается отрицательно, а холодный конец - положительно. В полупроводнике n-типа электроны, переходя от горячего конца к холодному, так же как, и в металле, заряжают горячий конец положительно, а холодный конец — отрицательно. Термо-ЭДС полупроводниковой термопары значительно больше термо-ЭДС металлической пары.

Термоэлектронные преобразователи представляют собой вакуумные или газовые приборы с твердыми нагреваемыми катодами. Преобразование тепловой энергии в электрическую осуществляется за счет использования термоэлектронной эмиссии нагретых тел. Эмитированные катодом электроны движутся к аноду под действием разности температур. Для обеспечения этой разности температур необходимо охлаждение анода. В зависимости от температуры нагрева катода термоэлектронные преобразователи делятся на низкотемпературные (1200 - 1600°С) и среднетемпературные (1900 - 2000°С). У

среднетемпературных преобразователей КПД достигает 20%, что более чем  в 2 раза превышает КПД термобатарей.

Фотоэлектрические преобразователи осуществляют преобразование тепловой и световой энергии солнечных лучей в электрическую. Солнечные батареи представляют собой ряд фотоэлементов, соединенных между собой определенным образом. Фотоэлектрические преобразователи используются в качестве источника электрической энергии для питания маломощной радиоаппаратуры, а также для питания радиотехнической и телеметрической аппаратуры на спутниках Земли и на автоматических межпланетных станциях.

Солнечные батареи просты, имеют очень большой срок службы и работают в большом диапазоне изменения температур.

К недостаткам солнечных батарей  относятся:

1. низкий КПД, составляющий 5...8 %, так как не вся поверхность батареи является светочувствительной;
2. чувствительность к проникающей радиации, т.е. при облучении солнечной батареи потоком радиоактивных частиц резко сокращается время жизни носителей заряда, что приводит к уменьшению выходного тока;
3. зависимость параметров фотодиодов от температуры;
4. небольшие удельные мощностные характеристики, т. е. отношение выходной мощности солнечных батарей к их массе и занимаемой площади достигает соответственно 200 Вт/кг и 1 кВт/м², что значительно хуже, чем у химических ИП;
5. возможность работы в качестве ИП только при освещении естественным или искусственным светом, т. е. работа их при пасмурной погоде или в ночное время невозможна (часто используется совместная работа СБ и аккумулятора).

/

Топливные элементы осуществляют непосредственное преобразование энергии химических реакций в электрическую энергию. Действие таких элементов основано на электрическом окислении вещества (топлива), которое подобно реакции горения топлива. Однако в отличие от горения в этих элементах окисление топлива и восстановление кислорода происходит на разных электродах. Поэтому энергия выделяется в нагрузке без промежуточного преобразования в энергию иного вида, что обеспечивает высокий КПД преобразователя. В топливных элементах химическая реакция протекает при взаимодействии активных веществ, которые в твердом, жидком или газообразном состоянии непрерывно поступают к электродам.

Топливные источники питания надежно  работают при низких температурах.

Основным недостатком метаноловых  элементов является токсичность  топлива, т.е. в процессе работы метаноловых батарей образуются вода и углекислый газ, который попадает в атмосферу. Высокая стоимость ТИП обусловлена еще неотработанной технологией их производства.

Биохимические источники тока можно рассматривать как разновидность топливных элементов, так как в них протекают подобные окислительно-восстановительные процессы. Отличие биохимических элементов от топливных состоит в том, что активные вещества (или одно из них) создаются с помощью бактерий или ферментов из различных углеводов и углеродов.

Атомные элементы применяются для питания маломощных устройств. Конструкция таких ИП различна в зависимости от принципа их действия. В элементах, использующих β - излучение, на внутреннем электроде размещается радиоактивный изотоп стронция (90). Вторым электродом является металлическая оболочка. Между электродами находится твердый диэлектрик или вакуум. Под действием β -лучей на электродах создаются заряды. Напряжение в таких элементах может достигать нескольких киловольт, а внутреннее сопротивление очень велико (порядка 1013 Ом). Разрядный ток не превышает одного миллиампера. Достоинством таких элементов является очень большой срок службы.

В элементах, использующих контактную разность потенциалов, применяются электроды в виде пластинок из различных материалов. Одна из пластин покрыта двуокисью свинца, другая изготовлена из алюминия.

Между электродами находится смесь  инертного газа и радиоактивного трития. Под действием излучения происходит образование ионных пар.

Напряжение между электродами  определяется контактной разностью  потенциалов. Под действием этого  напряжения положительно и отрицательно заряженные ионы перемещаются к электродам.

В элементах с облучаемыми полупроводниками радиоактивное вещество наносится на поверхность полупроводника (кремния). Излучаемые электроны, имеющие большую скорость, выбивают из атомов полупроводника большое количество электронов. В результате односторонней проводимости между полупроводником и коллектором, приваренным к нему, возникает ЭДС величиной нескольких десятых долей вольта. Внутреннее сопротивление таких элементов 100 - 1000 Ом, КПД может достигать нескольких процентов. Недостатком является малый срок службы вследствие разрушения полупроводника под действием радиации.

Электромашинные генераторы преобразуют механическую энергию в электрическую. Они делятся на генераторы постоянного и переменного тока. Машины переменного тока могут быть как однофазными, так и многофазными. Наиболее широкое применение нашли трехфазные синхронные и асинхронные генераторы, действие которых основано на использовании вращающегося магнитного поля. В синхронных машинах процесс преобразования энергии происходит при синхронной частоте, то есть когда частота вращения ротора равна частоте вращения магнитного поля.