- Да нет там никакого вычитания, - скажете вы. Но есть несколько очень похожих случаев, важных для практики и одинаково рассчитывающихся.
1. ЗАРЯДКА АККУМУЛЯТОРОВ. Схема проста - аккумулятор присоединяется через сопротивление к источнику тока с большим напряжением. Сопротивление резистора рассчитывается по следующей формуле:
Поскольку при этом на резисторе будет выделяться значительная мощность, то надо определить и ее.
Вообще, практическую важность комплекта из законов Ома и Джоуля-Ленца можно определить следующим образом: есть 4 величины - напряжение, сила тока, сопротивление и мощность. Этот комплект законов позволяет, если известны любые 2 из этих величин, определить остальные 2 величины.
Какой брать ток? Если на аккумуляторе не указана рекомендованная величина, то для старых никель-кадмиевых и никель-металлогидридных следует брать их емкость, деленную на 10. Время полной зарядки при этом получится около 12 часов. Что же касается всякого рода "ускоренных" зарядок, то это дело нехитрое - достаточно установить больший ток. Но при этом бурно выделяющиеся при зарядке газы будут разрушать электроды и не будут успевать ими впитываться. Результаты для параметров и долговечности аккумуляторов - соответственные.
Впрочем, сейчас уже давно более популярны более мощные литий-ионные и литий-железо-фосфатные аккумуляторы. Не насилуя их и не гробя их долговечности, можно рассчитывать на получение ими полной емкости за 2,5 - 3 часа. Однако бывает, что ток зарядки ограничивается не со стороны аккумулятора, а ограниченной мощностью источника питания.
Давайте-ка всё это испробуем на практике. Вот, например, в радиомагазине можно купить такую замечательную вещь - литий-ионный аккумулятор с платой защиты. Его напряжение при работе - около 4 В. Полностью разряженный аккумулятор садится до 3,5 В, а полная зарядка - 4,2 В. Так что он может использоваться в большинстве наших опытов вместо одноразовых батареек. Такие аккумуляторы продаются на разные емкости, мы возьмем один из недорогих - на 2,2 Ач.
Его электронная схема защиты отключает аккумулятор при полном разряде или коротком замыкании. Обратное включение происходит при начале подзарядки аккумулятора. Также аккумулятор выключается при зарядке по достижении максимального напряжения. Удобно - вам не нужно постоянно следить за вольтметром и рисковать взрывом при перезаряде.
Из сказанного выше ясно, что ток заряда такого аккумулятора должен быть около 1 Ампера. Однако предположим, что у вас для его зарядки есть только старый советский блок питания от радиоприемника или кассетного магнитофона напряжением 9 В и с максимальной силой тока в 0,4 А. В таком случае придется брать за основу именно эту силу тока. Чтобы не превысить максимально допустимую силу тока возьмем минимальное напряжение аккумулятора, при котором разница напряжений, а значит и ток в цепи будут максимальными. Впрочем, подставим в формулу не 3,5, а где-то 3,7 В, так как при подключении зарядки напряжение на аккумуляторе сразу же несколько подскочит. Попытайтесь сделать этот расчет сами. Сверим ответы: получилось сопротивление 13, 25 Ома. Округляем до ближайшего стандартного номинала 13 или же 15 Ом. Тепловая мощность выделяемая на резисторе - 2,12 Вт. Увы, распространенные резисторы на 2 Вт будут перегреваться, особенно если условия охлаждения будут не очень. Что делать? - Или искать резистор на большую мощность, скажем 5 Вт, или соединять два двухваттных резистора: либо два по 30 Ом параллельно, либо два по 7,5 Ома последовательно. Мощность используемых резисторов всегда следует округлять в сторону увеличения от расчетной.
Вот формула определения тока в цепи.
"Поиграйтесь" в расчетах с разными величинами избытка напряжения, с разными напряжениями на аккумуляторе. Думаю, вы уловите следующие закономерности: чем больше избыток напряжения, тем более стабилен ток зарядки, несмотря на изменение напряжения на аккумуляторе или у источника питания. Но в то же время большой избыток напряжения - это большая тепловая мощность, выделяющаяся на токоограничивающем резисторе, и меньшая экономичность системы.
Пару слов о подключении аккумуляторов. Такие цилиндрические аккумуляторы выпускаются в типоразмерах 18650, а меньшие по емкости - в АА ("пальчиковые батарейки") и в ААА ("мизинчиковые батарейки"). Для них продаются готовые батарейные отсеки на разное количество элементов. Однако эти типоразмеры соответствуют самим аккумуляторам без схем защиты (продаются и такие). Подложенная под минусовый электрод плата увеличивает их длину. Так что если ваш аккумулятор не входит в отсек - не пытайтесь силой его туда запрессовать. Так вы раздавите плату и полностью выведете прибор из строя. В таких случаях лучше просто распилить батарейный отсек поперек и привинтить половинки на кусок фанеры так, чтобы расстояние между ними было около 4 мм.
Впрочем, можно сделать и кое-что еще другое, в некоторых обстоятельствах жизненно важное. Возьмем 3 таких аккумулятора максимально возможной емкости (а они выпускаются до 4 Ач) и соединим последовательно. Получившаяся батарея будет давать около 12 В. Соединим с нею несколько выходов - обычных клемм, гнезд для автомобильного прикуривателя и т.д. От такого источника можно питать 12-вольтовые светодиодные ленты и лампочки. В гнездо прикуривателя можно воткнуть переходник - USB-зарядку или массу других устройств имеющих подобные переходники для работы или подзарядки.
Важно только, чтобы аккумуляторы в батарее были одинаковы. Купите их сразу комплектом из одной партии и точным вольтметром проверьте, одинаково ли на них напряжение. Те, у которых оно выше, разрядите до уровня остальных, например с помощью лампочки. Причем напряжение проверять надо уже при отключенной нагрузке.
А заряжаться мы сможем даже при разрушенной электросети, достаточно приобрести какую-нибудь солнечную панель 12-вольтовой серии.
Хотя такие панели и называются "12-вольтовыми", но это указывает на напряжение аккумулятора, который с ними работает. Сами такие батареи дают около 17 В при достаточной для данного потребляемого тока освещенности. Этого излишка вполне достаточно для работы схем управления зарядом. Учтите, что при совсем уж холостом ходу солнечная панель может разогнаться примерно до 21 Вольта. Показанная на фото солнечная панель типа Chinaland Solar Energy модель: CHN20-36M имеет размер 54х35 см и при чистом небе и расположении перпендикулярно солнечным лучам может дать до одного ампера. Впрочем, подобных солнечных батарей так называемой "12-вольтовой серии" выпускается множество, как большей, так и меньшей мощности. Так что на скорую руку можно собрать что-то подобное.
В данном случае не бойтесь чрезмерно уменьшить сопротивление резистора. Солнечная панель - это не простейший выпрямитель. При попытке перегрузки она просто выдает ток, какой может выработать. Для надежности желательно иметь не одну, а несколько солнечных панелей, так как их элементы соединены последовательно. В результате, например, лист с дерева, упавший на панель и затенивший один элемент, снижает ток всей батареи. Поскольку при малой освещенности панель может стать не источником, а потребителем тока, то их следует включать через диоды, пропускающие ток только в одном направлении. Диоды должны быть с барьером Шоттки - у них ниже потери напряжения. Кроме указанных на схеме годятся SR360, SB540 и им подобные. Ну, вы поняли: первая цифра - максимально допустимый ток диода в амперах, две последние - максимально допустимое обратное напряжение. О полезности конденсаторов, подключенных параллельно источникам питания, мы писали здесь. Их емкость может в несколько раз отличаться от указанной на схеме.
Для грамотного и эффективного использования подобных систем необходимы контрольные приборы. В схеме показан готовый цифровой вольтметр. К сожалению, его ток потребления слишком велик для такой маломощной системы, чтобы оставлять его постоянно включенным. Поэтому он включен через кнопку, нажимаемую на время измерения. Для ориентира: полностью заряженная батарея дает 12,6 В, а если напряжение упало меньше 11,3 В, то это значит, что большая часть емкости батареи уже израсходована. Полная разрядка - 10, 5 В.
Было бы очень здорово, если бы вы нашли амперметр на предел измерения в 3 - 5 А с нулем посредине шкалы и подключили аккумулятор через него. Тогда бы вы видели, какой идет заряд или разряд батареи.
Если же вам придется использовать "голые" аккумуляторы, т.е. без платы защиты, то автоматику, защищающую батарею от чрезмерного заряда или разряда вам придется паять самим. Все это вполне доступно любителям. Один из вариантов описан в журнале "Моделист-конструктор" №10 за 2019 г.
2. ВКЛЮЧЕНИЕ СВЕТОДИОДОВ. Посмотрите-ка на вольтамперную характеристику светодиода. Как видите, в диапазоне рабочих токов напряжение на нем также меняется довольно незначительно, а это значит, что мы можем применять ту же самую формулу.
Напряжение на красном светодиоде будет около 2 В, зеленом - 2,5, белом или синем - 2,7 - 3 В. Остается узнать допустимую для данного светодиода силу тока. Если у вас нет никаких сведений об имеющемся светодиоде, то для начала для крупных, сантиметрового диаметра светодиодов можно принять 20 мА (0,02 А), а для маленьких 3-мм - 1 мА (0,001 А).
Разумеется, необязательно всегда устанавливать силу тока, близкую к максимально допустимой. Ведь часто вам достаточно не освещать что-то, а всего лишь индицировать включение. Да и экономия энергии батарей иногда заставляет поджиматься.
- Минуточку! Вот у вас на характеристике сила тока через светодиод меняется вдвое. Скажем, из-за разрядки питающей батареи. А напряжение меняется куда меньше. Так что же это, выходит, у нас на светодиоде получается стабилизированное напряжение? - Совершенно верно! Вы можете, например, совместить подсветку шкалы самодельного приемника со стабилизацией напряжения смещения транзисторов. И тогда ваш приемник лучше сохранит чувствительность и громкость при разрядке питания. Но лучше всего это делать с помощью специально предназначенных для этого деталей - стабилитронов.
3. ВКЛЮЧЕНИЕ СТАБИЛИТРОНОВ. В прямом включении стабилитрон - заурядный кремниевый диод, достаточно свободно пропускающий ток.
Самое интересное происходит при подаче на него напряжения обратной полярности. До некоторого напряжения он, как обычный диод, не пропускает тока. Но затем "пробивается" и сила тока через него резко нарастает. Куда резче, чем через светодиод. Это напряжение называется напряжением стабилизации. Распространенные стабилитроны имеют напряжение примерно от 2,4 до 200 В. Понятно, что резистор должен вкачивать в эту цепь ток, равный потреблению нагрузки стабилизатора плюс некоторый ток через стабилитрон. Нагрузка снизит потребляемый ток - излишек пойдет через стабилитрон, а напряжение на нем при этом почти не поднимется. Подсядет батарейка, ток через резистор уменьшится, но стабилитрон станет брать меньше, и нагрузка стабилизатора останется в прежнем режиме.
Конденсатор необходим еще и потому, что стабилитрон создает в цепи некоторое напряжение шумов. Конструируя свой стабилизатор вы должны указанными выше расчетами проверить, что он не попадает в два крайних режима. Первый худший режим - когда напряжение источника питания максимально, а потребление нагрузки минимально. В этом случае есть риск, что ток через стабилитрон превысит максимально допустимый (указан в справочниках) и он выгорит. Второй режим не так опасен - минимальное напряжение питания и максимальное потребление нагрузки. Ток через резистор окажется недостаточным, ток через стабилитрон в этом случае может вовсе прекратиться и напряжение на нагрузке окажется нестабилизированным и упадет ниже нормы. "Поиграйтесь" с этими расчетами и сами уловите, что и к чему.
Данный стабилизатор не особо эффективен и экономичен. Как бы ни падал ток нагрузки, эта схема не снизит своего потребления - излишки уйдут в стабилитрон. И как быть если ток нагрузки скачет в пределах, больших, чем допустимый ток через стабилитрон? Так что для более мощных цепей давно уже используются микросхемы - готовые стабилизаторы, собранные по более сложным схемам. Но в маломощных стабилизаторах, например для питания стабильного гетеродина высококлассного приемника, такая простейшая схемка вполне уместна.
Впрочем, если вы не найдете подходящей микросхемы, а сделать достаточно мощный и экономичный источник со стабилизированным напряжением надо, то примените эмиттерный повторитель на мощном транзисторе (само собой, транзистор надо будет ставить на хороший радиатор). Это позволит уменьшить ток через стабилитрон пропорционально коэффициенту усиления транзистора. Только учтите, что (при применении современных кремниевых транзисторов) стабилитрон надо будет выбирать с напряжением стабилизации на 0,6 В выше требуемого выходного напряжения.
