Тема урока - добрать некоторые недосказанности по источникам питания, кратко пройтись по элементам питания, аккумуляторам, солнечным панелям.
Также разобрать основные принципы построения преобразователей (или инверторов) постоянного напряжения в переменное (самое распространенное - бытовые преобразователи 12/220 В, позволяющие питать от автомобильного аккумулятора 12 В бытовые устройства переменным током 220 В).
Электрохимические источники постоянного тока
В электрохимических источниках постоянного тока химическая энергия окислительно-восстановительной реакции превращается в электрическую энергию. По возможности или невозможности повторного использования электрохимические источники тока делятся на:
- Гальванические элементы (первичные). Из-за необратимости протекающих в них химических реакций их невозможно перезарядить.
- Электрические аккумуляторы (вторичные). Перезаряжаемые гальванические элементы, которые с помощью внешнего источника тока (зарядного устройства) можно перезарядить.
Основу любого электрохимического источника тока составляют два электрода, которые контактируют с электролитом:
- отрицательно заряженный анод;
- положительно заряженный катод.
Гальванические элементы и батареи
Гальванический элемент - химический источник электрического тока, основанный на взаимодействии двух металлов и/или их окислов в электролите, что приводит к возникновению во внешней замкнутой цепи электрического тока.
Гальваническая батарея - это батарея из нескольких гальванических элементов. Электродвижущая сила (ЭДС) гальванической батареи, составленной из последовательно соединенных гальванических элементов, равно сумме ЭДС отдельных элементов.
Гальванические элементы и батареи характеризуются:
- электродвижущей силой (ЭДС), измеряемой в вольтах (В);
- электрической емкостью, измеряемой в ампер-часах (А-ч) или миллиампер-часах (мА-ч);
1 А-ч=1000 мА-ч. В ампер-часах принято измерять емкость автомобильных аккумуляторов (также батарей питания), в миллиампер-часах емкость батарей мобильных телефонов и прочих малогабаритных устройств (также малогабаритных элементов питания).
- энергией в джоулях (Дж), которую элемент или батарея могут отдать во внешнюю цепь.
Пример расчета: батарея напряжением 4,5 В емкостью 0,5 А-ч нагружена на лампочку накаливания, потребляющую ток 0,28 А. Полностью свою емкость батарея отдаст за время T=0,5/0,28=1,8 (ч) = 6400 c, т.е. запаса энергии в батарее хватит на время несколько меньше чем 2 часа.
Мощность нагрузки (лампочки) P=U*I=3,5*0,28=0,98 (Вт)
Отданная батареей энергия A=P*T=0,98*6400=6200 (Дж)= 6,2 кДж.
Форма и размеры элементов питания не выбираются произвольно, а определяются форм-фактором.
Примечание: Форм-фактор (англ. form factor) — стандарт, задающий габаритные размеры технического изделия. Понятие уже употреблялось ранее на примере форм-фактора ATX компьютерного блока питания (Урок 15), что предусматривает строго заданные размеры, число и расположение крепежных отверстий.
ЭДС элемента питания определяется лишь материалом электродов и электролита, а емкость определяется размерами (весом) и материалами электродов, электролита, оттого емкость и даже соотношение емкость/цена у элементов одного форм-фактора существенно различается, что усиленно эксплуатируется рекламой. Емкость солевых элементов обычно в 2,5 раза ниже емкости аналогичных по размеру алкалиновых.
Наиболее распространены элементы с ЭДС 1,5 В следующих форм-факторов:
- «Пальчиковые» (AA);
- «Мизинчиковые» (AAA);
- C
- D Сатурн, Марс, Орион-М;
- «Крона» - батарея в виде прямоугольного параллелепипеда, ЭДС 9 В (внутри 6 элементов). Источник питания, например, для мультиметров;
- «Таблетка». Дисковые элементы питания имеют плоскую круглую форму с разными диаметрами и толщиной, для наручных часов, калькуляторов, электронных термометров и пр.
Ниже в масштабе перечисленные выше элементы питания.
Элементы цилиндрической формы с ЭДС 1,5 В устанавливаются в фонарики, настенные и настольные часы, детские игрушки, пульты дистанционного управления бытовой техникой, бытовые устройства медицинского назначения (измерители артериального давления, напольные и кухонные весы, спортивные тренажеры и пр.). Полевой телефонный аппарат ТА-88 питается от 6 элементов A-316 форм фактора AA.
Поскольку все эти элементы (исключая батарею Крона) имеют одинаковую ЭДС 1,5 В, вполне допустимо заменять набор элементов питания ААА или АА (которых в бытовых устройствах хватает ненадолго) на внешние блоки питания из аналогичного числа элементов С или D.
Для полевого телефонного аппарата ТА-57 выпускается 10-вольтовая батарея питания АТ Элемс-10Т емкостью 2200 А-ч, которой хватает на полгода работы аппарата.
Электрические аккумуляторы
Электрические аккумуляторы - вторичные химические источники тока многоразового действия, многократно заряжаемые после разряда вплоть до полного исчерпания ресурса.
С целью унификации размеры аккумуляторов для бытовой техники следуют форм-факторам ААА, АА, С и D гальванических элементов, особняком стоит форм-фактор 18650 с размерами Ø18 х 65 мм). 18650 обычно применяются в съемных аккумуляторах ноутбуков. При замене аккумулятора ноутбука старый может быть разобран, а еще исправные элементы после тестирования вновь использованы для питания устройств.
У литий-полимерных аккумуляторов стандартных форм-факторов нет, они могут быть любой формы и размера. Также следует считаться с тем, что совпадение геометрических параметров накопителей энергии не означает, что и электрические характеристики у них эквивалентны. Так, литий-ионные аккумуляторы обычно имеют ЭДС 3,7 В, т.е. заведомо выше 1,5 В, что повредит устройства при прямой замене элементов на аккумуляторы.
Для возможности замены элементов ААА и АА на Li-Ion аккумуляторы аналогичных размеров в аккумуляторы встроены преобразователи напряжения 3,7 В/1,5 В; также на корпусе аккумулятора предусмотрено подключение стандартного USB -зарядного устройства.
У никель кадмиевых и никель-металл-гидридных (Ni-MH) аккумуляторов ЭДС составляет всего 1,2 В и они непригодны для замены аналогичных по размеру гальванических элементов - вместо 4 гальванических элементов необходимо устанавливать 5 аккумуляторов.
Заряжаются все эти аккумуляторы зарядными устройствами (ЗУ) согласно своим техническим характеристикам.
Особо следует коснуться автомобильных аккумуляторов напряжением 12 В и емкостью обычно 45-66 А-ч. Заряжаются они также зарядными устройствами согласно своим техническим характеристикам, в режиме нормального или ускоренного заряда. Обычный режим предполагает зарядку в течение 12 часов током (в амперах) в 10% от численного значения емкости в А-ч.
Пример: аккумулятор емкостью 60 А-ч заряжается током 0,1*60=6 (А).
Промышленные ЗУ обычно снабжены защитой от ошибочной переполюсовки аккумуляторов, короткого замыкания (КЗ, жарг. Коза, коротыш), и отключают режим зарядки после полного заряда аккумулятора.
Солнечные панели
Солнечные батареи или солнечные фотоэлектрические панели - объединение п/п фотоэлектрических преобразователей (фотоэлементов), напрямую преобразующих солнечную энергию в постоянный электрический ток. На фото ниже солнечные панели на крыше жилого помещения.
С учетом КПД солнечных панелей и неизбежных потерь, в самых благоприятных условиях с 1 кв. метра солнечной батареи можно получить порядка 50–100 Вт электроэнергии.
Ввиду непостоянства солнечного освещения, смены дня и ночи, неравномерности потребления электроэнергии, и питания бытовых потребителей от переменного напряжения 220 В, в комплект домашней солнечной электростанции входят аккумуляторы и инверторы (с преобразованием постоянного напряжения в переменное напряжение 220 В, см. ниже).
Избыток генерируемой энергии обычно может быть продан энергоснабжающей компании.
Стабилизаторы напряжения на регулирующем транзисторе
В уроке 10 мы разобрали схему стабилизатора напряжения на стабилитроне. Для стабилитрона приведенной схемы потребляемой нагрузкой ток не должен превышать допускаемый максимальный ток стабилитрона согласно даташиту. (При этом в отсутствие нагрузки через стабилизатор протекает наибольший ток).
При необходимости питания устройства с потребляемым током выше допускаемого стабилитроном, схема стабилизатора усложняется введением транзистора, называемого в данной схеме, приведенной ниже, регулирующим транзистором.
Резистор R1 и стабилитрон VD1 образуют параметрический стабилизатор напряжения по уроку 10, поддерживающий на базе регулирующего транзистора VT1 постоянное напряжение, равное напряжению стабилизации стабилитрона. Схема на транзисторе является эмиттерным повторителем (Урок 13), и стабилизированное напряжение на эмиттере транзистора (выходное напряжение Uвых) равно напряжению стабилизации стабилитрона минус падение напряжения на переходе база/эмиттер транзистора (порядка 0,1-0,2 В при германиевом транзисторе и 0,6-0,8 В при кремниевом).
Резистор R2 выбирается с расчетом на пропускание через него тока 5-10 мА, чтобы исключить работу транзистора в неуправляемом режиме при отключении нагрузки. Транзистор VT1 должен быть достаточной мощности, при необходимости он устанавливается на радиаторе.
При необходимости регулировать выходное напряжение стабилизатора применяется иная схема, в которой напряжение на базе регулирующего транзистора изменяется потенциометром. Схема ниже, принцип действия ясен из схемы.
Отличие в том, что на базу транзистора VT2 напряжение подается не со стабилитрона, а с выхода эмиттерного повторителя на транзисторе VT1. Напряжение на базу VT1 подается с движка потенциометра R2, тем самым перемещением движка регулируется выходное напряжение.
Стабилизаторы по приведенным выше схемам не выдерживают короткого замыкания (КЗ) на выходе, транзистор в этом случае выходит из строя. Существуют и специальные схемы с защитой от КЗ, с дополнительными для этого элементами.
Преобразователи (инверторы) постоянного напряжения в переменное
Инвертор, или преобразователь - это устройство для преобразования постоянного тока в переменный с изменением величины действующего значения напряжения. Как правило, в быту под этим понимают преобразователь постоянного напряжения (12 В автомобильного аккумулятора) в переменное 220 В.
Проблема же в одном. В сети переменное напряжение близкой к синусоидальному формы, и бытовые приборы рассчитаны именно на подобное питание. И именно преобразователи постоянного напряжения в синусоидальное переменное наиболее сложны в исполнении и обладают наиболее низким КПД. Наиболее же просты и дешевы преобразователи, выдающие на выходе напряжение прямоугольной формы (меандр). Как промежуточный компромиссный вариант, конструируются преобразователи с напряжением типа "модифицированный синус" или квазисинусоида.
Ниже графики выходных напряжений всех 3 видов.
Чистое синусоидальное напряжение частотой 50 Гц пригодно безо всяких ограничений для любых потребителей электроэнергии, рассчитанных на питание от бытовой электросети.
Получение чистого синуса для питания установок большой мощности осложнено, но для нормальной работы сложных технических устройств, чувствительных к качеству напряжения питающей сети (медицинская и прочая сложная техника, автоматика газового и иного оборудования, сложные бытовые приборы) иных альтернатив не существует.
Ниже пример структурной схемы одного из вариантов инвертора, самой простой, наиболее понятной и наименее редко применяющейся.
Источник постоянного (пребразуемого) напряжения (предположим, 12 или 24 В) питает задающий генератор (по любой известной вам схеме, например с мостом Вина, урок 12) и усилитель мощности (как правило, 2-тактный каскад, схожий с каскадом УНЧ, Урок 13). Переменное напряжение нужного напряжения с выхода усилителя через трансформатор подается на нагрузку.
С целью выработки синусоидального напряжения наиболее распространены импульсные инверторы с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ). Синусоидальное напряжение задающего генератора (например, на операционном усилителе с мостом Вина, Урок 14) модулирует ширину импульсов, как на рисунке ниже.
Модулированные по ширине импульсы поступают на усилитель мощности, с выхода которого после прохождения через фильтр НЧ формируют синусоидальное напряжение, поступающее на нагрузку.
Более просты по принципиальной схеме преобразователи с прямоугольным выходным напряжением, которое может вырабатываться мультивибратором, (Урок 12, выходные напряжения которого управляют мощными ключами, нагруженными на силовой трансформатор. Одна из подобных схем ниже.
Прямоугольное напряжение вырабатывается мультивибратором на транзисторах КТ315. С коллекторов транзисторов напряжение поступает на затворы мощных полевых транзисторов IRF3205, нагрузкой которых служит силовой трансформатор, со вторичной обмотки которого переменное напряжение 220 В поступает на нагрузку.
Принято считать, что мультивибратор вырабатывает прямоугольное напряжение. По факту же генерируется меандр с заваленными фронтами, что вызывает срабатывание ключевых транзисторов с некоторой задержкой во времени, и на выходе инвертора формируется некоторое подобие модифицированного синусоидального напряжения, что более благоприятно в плане реакции нагрузки.
Модифицированный синус - это прямоугольные импульсы с амплитудой (при требуемом выходном напряжении 220 В) порядка 270-280 В, с промежутками между импульсами и общей площадью равной площади синусоиды.
Инверторы подобного вида пригодны для питания телефонных зарядок, большинства импульсных источников питания (в т.ч. и компьютерных блоков питания), ламп накаливания, люминесцентных и светодиодных ламп.
От инверторов с модифицированной синусоидой работает практически все, но менее эффективно, чем с чистой синусоидой. Некоторые устройства могут перегреваться, гудеть и работать с пониженной мощностью. Подобные инверторы нежелательны для работы с электродвигателями и компрессорами, а также чувствительной радиоаппаратурой с трансформаторами на входе питания. Длительная работа оборудования на импульсном напряжении приводит к его ускоренному износу и отказу.
Однако существуют и инверторы с аппроксимацией синуса многоступенчатым напряжением, которое легко фильтруется с приближением к чистому синусу.
Ниже, в качестве примера, схема мощного полосового фильтра на 50 Гц, включаемого между выходом промышленного инвертора мощностью 6,5 кВА и нагрузкой, с целью фильтрации высших гармоник. На выходе фильтра присутствует практически чистый синус, по качеству превышающий качество сетевого напряжения.
Оба LC-фильтра, последовательный и параллельный, собраны на одинаковых элементах, индуктивности 2 дросселей и емкости 2 конденсаторов равны. Дроссели выполнены с воздушными зазорами, требуемая индуктивность подгоняется толщиной картонных прокладок. (Чем толще прокладка, тем меньше индуктивность, и наоборот).
Графики напряжений на выходе инвертора (искаженный меандр) ниже слева, после фильтра справа.
Ниже конструкция описанного выше фильтра, достаточно громоздкая, и оттого редко применяющаяся.