f9cd5ed46ef5c9d65ca4ca45ad876e7f

1. ЭЛЕКТРООБЕСПЕЧЕНИЕ МОБИЛЬНЫХ РОБОТОВ

ЭОМР
1

2.

Первичными называют источники, которые
вырабатывают
электрическую
энергию,
преобразуя в нее другие виды энергии –
тепловую, механическую, химическую, ядерную и
так далее.
2

3.

Вторичными называют источники, которые
преобразуют
электрическую
энергию
в
электрическую с соответствующей формой
представления – переменное напряжение в
постоянное, постоянное в переменное или
импульсное,
низкочастотное
или
высокочастотное и так далее.
3

4. Первичные источники электрической энергии

Электромагнитные – преобразуют
механическую энергию вращающихся масс в
электрическую (электромашинные генераторы):
1.Тепловые электростанции – на угле, мазуте,
газе и т.п.;
2. ГЭС;
3. Атомные ЭС;
4. Бензиновые (дизельные) генераторы: ~220
В, 50 Гц, мощность от 1 до 10 КВт.
4

5. Первичные источники электрической энергии

Химические источники электрической
энергии – преобразуют химическую энергию
окислительно-восстановительных процессов в
электрическую.
ХИТ вырабатывают энергию от мВт до КВт,
генерируют токи от мА до десятков КА, имеют
фиксированные выходные напряжения – 1,5; 3,0;
4,5; 6,0; 9,0; 12; 24 и т.д. вольт. Элементы легко
заменяются, аккумуляторы – заряжаются.
5

6. Первичные источники электрической энергии

Тепловые источники – преобразуют
тепловую энергию в электрическую
(термоэлектрические и термоэмиссионные
генераторы).
Имеют малый КПД и не высокие
энергетические характеристики.
6

7. Первичные источники электрической энергии

Ядерные, термоядерные, изотопные.
Имеют незначительные энергетические
характеристики, Используются для питания ЭКС –
до нескольких десятков лет.
7

8. Первичные источники электрической энергии

Солнечные батареи – широко
используются, имеют КПД не более 50%,
незначительный выходной ток, цикличность
выработки ЭЭ (ночь – день, ясно – облачно),
сложность в обслуживании и уходе. Широко
используется на космических станциях для
подзарядки аккумуляторов.
Энергия, излучаемая Солнцем на
поверхность Земли (на экваторе) – 1366 Вт/м2.
8

9. Первичные источники электрической энергии

Альтернативные источники ЭЭ –
ветрогенераторы, приливные ЭС, геотермальные
ЭС и …
9

10. Общие характеристики источников питания

Внешняя (нагрузочная) характеристика
Зависимость выходного напряжения
источника питания от выходного тока
Типичный вид внешней характеристики
10

11. Общие характеристики источников питания

Любой источник питания используется в
определенном диапазоне токов Imin ÷ Imax и
напряжений Umin ÷ Umax.
Токи и напряжения, соответствующие
среднему участку внешней характеристики
называются номинальными I0 , U0.
11

12. Общие характеристики источников питания

Внутреннее (выходное) сопротивление
источника питания.
Определяется в средней точке внешней
характеристики через приращения токов и
напряжений в нагрузке по формуле:
По внутреннему сопротивлению
классифицируют вид источника питания.
12

13. Общие характеристики источников питания

Источник напряжения должен
поддерживать постоянным напряжение при
изменении тока нагрузки в заданных пределах.
Для идеального источника напряжения
RВ →0.
13

14. Общие характеристики источников питания

Источник тока должен поддерживать
постоянным ток через нагрузку при изменении
напряжения в заданных пределах.
Для идеального источника тока
RВ →∞ .
14

15. Общие характеристики источников питания

Коэффициент пульсаций.
В общем случае определяется для каждой
гармоники пульсаций при номинальных
значениях токов и напряжений по формуле:
где UН (К ) – амплитуда k-й гармоники пульсаций
выходного напряжения.
15

16. Общие характеристики источников питания

Как правило, общий коэффициент
пульсаций определяется первой гармоникой.
16

17. Общие характеристики источников питания

Коэффициент нестабильности по
напряжению.
Отношение относительных изменений напряжений на
выходе и на входе в средней точке внешней характеристики:
где ΔUВХ, ΔUН – приращения напряжений на входе и выходе
источника питания соответственно.
17

18. Общие характеристики источников питания

Для источников питания могут определяться
также коэффициенты нестабильности по другим
параметрам, например по температуре:
где ΔT – приращение температуры
окружающей среды по сопротивлению нагрузки, для
солнечных батарей – по изменению светового
потока, а также по другим параметрам
изменяющихся внешних условий.
18

19. Общие характеристики источников питания

Коэффициент полезного действия.
Определяется как отношение мощностей
на входе и выходе источника питания по
формуле:
,
где PП – мощность потерь.
19

20. Общие характеристики источников питания

Удельные габаритно-массовые
показатели:
где V и М – объем и масса источника питания
соответственно.
20

21. Химические источники тока

Химическим источником тока (ХИТ)
называют устройство, в котором химическая
энергия взаимодействия активных веществ
непосредственно превращается в электрическую
энергию.
21

22. Химические источники тока

Основой работы ХИТ является химическая
реакция взаимодействия окислителя и
восстановителя.
В процессе взаимодействия окислитель,
восстанавливаясь, присоединяет электроны, а
восстановитель, окисляясь, отдает электроны.
22

23. Химические источники тока

Простейшая электрохимическая ячейка
состоит из двух электродов, разделенных
проводником второго рода, т.е. ионным
проводником или электролитом.
23

24. Химические источники тока

В общем виде ее можно описать в виде
электрохимической системы
(−) Восстановитель | Электролит | Окислитель (+)
в которой составляющие представлены
химическими формулами веществ,
участвующими в реакции.
24

25. Химические источники тока

Электрохимическим методом можно также
обратно преобразовать электрическую энергию в
химическую и таким образом накапливать,
аккумулировать электрическую энергию в
химической форме. Перезаряжаемую
электрохимическую ячейку многократного
действия называют также «аккумулятор».
25

26. Классификация ХИТ

26

27. Классификация ХИТ

Если хотя бы на одном электроде
окислительно-восстановительный процесс
протекает необратимо, то такой источник тока
называется
первичным химическим источником тока
(ПХИТ) или гальваническим элементом.
27

28. Классификация ХИТ

Гальванические элементы – это источники
питания одноразового использования.
В настоящее время применяют
исключительно сухие гальванические элементы
благодаря простоте эксплуатации, дешевизне и
способности работать в любом положении.
28

29. Классификация ХИТ

Если на обоих электродах окислительновосстановительный процесс протекает обратимо,
то такой источник тока называется
вторичным химическим источником тока
(ВХИТ) или аккумулятором.
29

30. Классификация ХИТ

Использование аккумуляторного источника
питания требует комплектования его зарядным
устройством, что приводит к удорожанию
прибора и необходимости систематического
обслуживания.
30

31. Классификация ХИТ

Топливные элементы обеспечивают
непосредственное преобразование энергии
химических реакций в электрическую энергию.
Их действие основано на
электрохимическом окислении топлива, которое
непрерывно поступает в зону протекания
реакции из вне, аналогичной горению топлива в
тепловых машинах.
31

32. Классификация ХИТ

Однако в отличие от тепловой машины
энергия реакций выделяется в виде
электрической энергии в нагрузке без
промежуточных преобразований с большим
коэффициентом использования топлива – до 90%.
32

33. Классификация ХИТ

Коэффициент полезного действия(КПД)
многоступенчатого преобразования не
превышает 20–45 %.
33

34. Классификация ХИТ

Герметичным химическим источником
тока (ГХИТ)
называют газонепроницаемые химические
источники тока, в которых обеспечена изоляция
внутреннего пространства от газового
пространства внешней среды.
Они являются необслуживаемыми.
34

35. Характеристики ХИТ

Помимо ранее рассмотренных, ХИТ имеют
свои собственные характеристики, отражающие
их электрические и эксплуатационные
возможности.
35

36. Характеристики ХИТ

Электрические параметры ХИТ
36

37. Характеристики ХИТ

Напряжение разомкнутой цепи (U0 =НРЦ)
– это напряжение источника тока без
нагрузки.
Его значение определяется видом
химической системы.
На состояние напряжения разомкнутой
цепи влияет также температура, концентрация
электролита и степень разряженности
химического источника тока.
37

38. Характеристики ХИТ

Номинальное напряжение (UH)
– это напряжение источника тока в
средней части его разрядной характеристики при
разряде в номинальном (стандартном) режиме,
который устанавливается согласно технической
документации на данный ХИТ.
38

39. Характеристики ХИТ

Номинальная емкость (CH=QH) – это
количество электричества, которое может отдать
химический источник тока во внешнюю цепь при
его разряде в номинальном режиме при
температуре 200 С.
Измеряется в А·час.
39

40. Характеристики ХИТ

Номинальный ток разряда (IP) – это ток
разряда, который регламентируется
документацией на химический источник тока.
Обычно он составляет долю от
номинальной емкости.
Например, 0,1СН – номинальный ток
составляет одну десятую от номинальной
емкости.
40

41. Характеристики ХИТ

Рабочее напряжение (UP)
– это напряжение источника тока под заданной
нагрузкой.
Оно существенно меньше напряжения
разомкнутой цепи (НРЦ) из-за потери энергии во
внутренних цепях ХИТ.
41

42. Характеристики ХИТ

В общем виде:
где RBH – полное внутреннее сопротивление
источника тока;
RΩ – сопротивление металлических
токопроводящих деталей и материала электродов;
RПОЛ – поляризационное сопротивление
электродов.
42

43. Характеристики ХИТ

Напряжение в конце разряда (UК)
– это минимальное напряжение разряда
ХИТ, ниже которого в нем происходят
необратимые изменения.
Разряжать ниже этого напряжения не
рекомендуется.
Разряд аккумуляторов до напряжений
ниже UК значительно сокращает срок их службы.
43

44. Характеристики ХИТ

Разрядная характеристика
– это изменение напряжения источника
тока во времени при разряде постоянным током.
Форма разрядной характеристики зависит
от электрохимической природы источника тока,
условий его разряда, технологии изготовления.
44

45. Характеристики ХИТ

Характерные формы разрядной
характеристики, в том числе:
I – плоская, II – пологая, III – линейная.
45

46. Характеристики ХИТ

Идеальная разрядная характеристика
имеет форму прямоугольника, т.е. весь разряд
происходит строго при одном постоянном
напряжении и резко заканчивается при 100%-ном
исчерпании активных веществ в электродах.
46

47. Характеристики ХИТ

Наиболее близка к такой форме плоская
разрядная кривая, характеризуемая выраженным
плато
– рабочим напряжением,
при котором происходит основная фаза
разряда.
Рабочее напряжение всегда меньше ЭДС и
НРЦ.
47

48. Характеристики ХИТ

Обычно разрядную характеристику снимают при
разных токах разряда и температуры окружающей
среды.
Разрядные кривые щелочного марганцево-цинкового гальванического элемента LR6
DURACELL
P – разряд при постоянной мощности 100 мВт;
I – разряд постоянным током 125 мА;
R – разряд на постоянное сопротивление 6,4 Ом;
U0 – напряжение разомкнутой цепи.
48

49. Характеристики ХИТ

Разрядные кривые щелочного марганцево-цинкового
гальванического элемента LR6 DURACELL
P – разряд при постоянной мощности 100 мВт;
I – разряд постоянным током 125 мА;
R – разряд на постоянное сопротивление 6,4 Ом;
U0 – напряжение разомкнутой цепи.
49

50. Характеристики ХИТ

Энергия ХИТ – это энергия, которая
отдается во внешнюю цепь при разряде до
заданного конечного напряжения.
Номинальную энергию источника тока
WHOM рассчитывают по формуле
50

51. Характеристики ХИТ

Если условия разряда отличаются от
номинального, то в общем случае
51

52. Характеристики ХИТ

При разряде на постоянное внешнее
сопротивление
При расчете энергии наряду с системной
единицей (кДж) часто используют традиционную
внесистемную единицу Вт-ч (ГОСТ 4.362—85).
Напомним, что 1 Вт-ч=3,6 кДж.
52

53. Характеристики ХИТ

Удельная энергия – характеризует энергию, которую
может отдать источник тока на единицу веса (Вт·час/кг)
или объема (Вт·час/м3)
Эта характеристика применяется для сравнительной
оценки различных источников тока.
53

54. Характеристики ХИТ

Зарядная характеристика
– это изменение напряжения источника тока во
времени при заряде его при различных токовых
режимах и температурных условиях.
Это характеристика используется только
для аккумуляторов и позволяет понять все
ограничения процесса заряда и возможности его
контроля.
54

55. Характеристики ХИТ

Зарядные характеристики литий-ионного
аккумулятора PANASONIC CGR18650H при
максимальном токе заряда равным 3СН и
постоянном напряжении 4,2 В.
55

56. Характеристики ХИТ

Коэффициент отдачи по емкости –
показывает эффективность зарядно-разрядного
цикла источника тока при различных режимах его
эксплуатации и определяется как:
CP
KC
100%,
C3
где СР – отдаваемая емкость;
СЗ – зарядная емкость.
10 и 11 параметры характерны только для
аккумуляторов.
56

57. Характеристики ХИТ

Основные эксплуатационные
характеристики ХИТ
57

58. Характеристики ХИТ

Срок службы
– это время, в течение которого химический
источник тока сохраняет свои характеристики,
регламентированные нормативно-технической
документацией.
Определяется продолжительностью
времени хранения и времени эксплуатации.
58

59. Характеристики ХИТ

Диапазон рабочих температур
– это диапазон температур, в пределах которого
возможна эксплуатация ХИТ при изменении их
электрических параметров в пределах
регламентированных нормативно-технической
документацией.
59

60. Характеристики ХИТ

Диапазон температур хранения
– это диапазон температур, в пределах которого
возможно хранение химических источников тока
без их работы на нагрузку при изменении их
электрических параметров в пределах
регламентированных нормативно-технической
документацией.
60

61. Характеристики ХИТ

Величина саморазряда, которая
определяется выражением:
где С0 – разрядная емкость свежеизготовленного или
свежезаряженного ХИТ;
Сt – разрядная емкость отдаваемая в электрическую
цепь после хранения ХИТ в течении времени
хранения t.
61

62. Характеристики ХИТ

Основные конструкционные
характеристики ХИТ
62

63. Характеристики ХИТ

Химические источники тока выпускаются в
трех конструктивных вариантах:
дисковые (кнопочные, таблеточные)
– у которых диаметр корпуса больше его
высоты;
цилиндрические;
призматические (прямоугольные).
63

64. Характеристики ХИТ

64

65. Характеристики ХИТ

По требованию Международной
электротехнической комиссии (МЭК),
герметические размеры ХИТ унифицированы на
основе типоразмерных рядов, что позволяет
сделать взаимозаменяемыми источники тока
различных производителей, но также и наиболее
распространенные первичные и вторичные
источники тока.
65

66. Характеристики ХИТ

Размеры цилиндрических элементов и их
обозначения, принятые международной
электротехнической комиссией, в России и США
(стандарт ANSI) представлены в таблице
66

67. Характеристики ХИТ

Основные размеры герметичных химических
источников тока дисковой конструкции согласно
стандарту ANSI (USA).
67

68. Характеристики ХИТ

Основные размеры герметичных
химических источников тока призматической
конструкции согласно стандарту ANSI (USA).
68

69. Коммутация ХИТ

Если напряжение или емкость одного
гальванического элемента или аккумулятора
недостаточна, несколько элементов соединяют в
батарею (гальваническую или аккумуляторную
батарею).
69

70. Коммутация ХИТ

Чаще всего используют
последовательное соединение,
при котором соединяются разноименные полюса
(минус к плюсу)
70

71. Коммутация ХИТ

При этом напряжение и ЭДС суммируются
U БАТ U i ,
EБАТ Ei .
i
В батарею можно соединять только
одинаковые элементы.
Надежность батареи ниже надежности
одного элемента.
i

72. Коммутация ХИТ

Общая емкость батареи из n элементов
равна емкости одного элемента:
U БАТ nU Э ,
CБАТ Сn .
Энергия же возрастает в n раз:
WБАТ U БАТ CБАТ nU ЭCЭ nWЭ .
72

73. Коммутация ХИТ

Параллельное соединение применятся
для увеличения емкости и силы тока.
При параллельном соединении допустимо
соединять вместе только одинаковые полюса
(плюс к плюсу, минус к минусу).
Здесь тем более все элементы должны
быть одинаковыми.
73

74. Коммутация ХИТ

При этом суммируются емкость и энергия,
а общее напряжение равно напряжению
единичного элемента
U БАТ U Э ,
CБАТ nCЭ ,
WБАТ nWЭ .
74

75. Коммутация ХИТ

Комбинированная коммутация
Для приведенной на рисунке схемы
Uбат=5Uэ, Cбат=2Cэ, Wбат=10Wэ.
75

76. Герметичные химические источники тока (ГХИТ)

Герметичный химический источник тока (ГХИТ)
–газонепроницаемый ХИТ, в котором обеспечена
изоляция внутреннего пространства от внешней
среды.
76

77. Герметичные химические источники тока (ГХИТ)

77

78. Герметичные химические источники тока (ГХИТ)

Солевые марганцево-цинковые элементы
(система Zn NH4Cl, ZnCl2 MnO2
(элемент Лекланше))
являются наиболее дешевыми из всех типов
гальванических элементов.
78

79. Герметичные химические источники тока (ГХИТ)

Основные параметры:
Е ≈ 1.7 В,
НРЦ ≈ 1.55 – 1.85 В.
Удельная энергия очень не высокая:
WУД m =50 – 85 Вт ч/кг
WУД V=100 – 165 Вт ч/л.
79

80. Герметичные химические источники тока (ГХИТ)

Энергетические
возможности
сильно
зависят от скорости разряда (от сопротивления
нагрузки) и температуры окружающей среды, а
напряжение существенно меняется на всем
протяжении разряда.
80

81. Герметичные химические источники тока (ГХИТ)

Разрядные кривые элемента 373 при
комнатной температуре
81

82. Герметичные химические источники тока (ГХИТ)

Разрядные характеристики элемента 373
при различных температурах (I = 10 мА).
82

83. Герметичные химические источники тока (ГХИТ)

Температурный предел работоспособности
–200С (ниже не работают).
Сохранность заряда (емкости) – от
нескольких месяцев до 1 – 3 лет.
При –200С могут храниться годами без
существенного снижения показателей.
83

84. Герметичные химические источники тока (ГХИТ)

Конструктивно Zn-MnO2 чаще всего
выпускаются в двух вариантах:
«цилиндрическом» и «дисковом».
1 – отрицательный электрод (Zn);
2 – положительный электрод – брикет из спрессованной активной массы
(MnO2 + углерод), увлажненный электролитом (NH4Cl + ZnCl2 + H2O + загуститель
(крахмал)), в центре которого расположен токоотвод;
3 – угольный стержень;
4 – бумажный сепаратор с электролитной пастой;
5 – газовая камера для сбора газов, выделяющихся при разряде и
саморазряде;
6 – изоляционная прокладка;
7 – полимерный или картонный футляр.
84

85. Герметичные химические источники тока (ГХИТ)

Обозначение типоразмеров
цилиндрических ХИТ:
85

86. Герметичные химические источники тока (ГХИТ)

Для цилиндрических и дисковых
(пуговичных) элементов используется также
система обозначений из 4 или 5 цифр, например:
типоразмер 1225 означает 12 мм,
h = 2.5 мм;
типоразмер 18650 = 18 мм,
h = 65.0 мм.
86

87. Герметичные химические источники тока (ГХИТ)

Щелочные марганцево-цинковые элементы
(система Zn KOH MnO2).
В сравнении с солевыми их характеристики
лучше:
Удельные: в 1.5 раза
WУД m=(80 – 125) Вт ч/кг;
WУД V=(180 – 330) Вт ч/л).
87

88. Герметичные химические источники тока (ГХИТ)

Разрядные (продолжительность работы):
- При малом токе – в 2,5 раза;
- При большой ток – в (4 – 5) раз.
Разрядные кривые солевых (а) и щелочных (б)
марганцево-цинковых гальванических элементов типа 316
(R6)
88

89. Герметичные химические источники тока (ГХИТ)

Используется щелочной электролит с
высокой концентрацией, что обеспечивает
высокую скорость химических реакций и
допускает эксплуатацию при низких
отрицательных температурах.
Зависимость температуры замерзания электролита от концентрации.
89

90. Герметичные химические источники тока (ГХИТ)

Саморазряд – меньше, срок годности – больше.
На корпусе изделия указано, если это щелочная
система.
Солевые элементы не обозначаются.
Следует помнить, что солевые и щелочные марганцево-цинковые
гальванические элементы имеют разную полярность корпуса: у солевых он является
отрицательным электродом, а у щелочных – положительным.
90

91. Герметичные химические источники тока (ГХИТ)

Медно-цинковые элементы
(система | Zn NaOH | CuO)
Вырабатывают:
ЭДС=1,058 В;
НРЦ=(0,9÷1,0) В;
UH=(0,6÷0,7) B.
91

92. Герметичные химические источники тока (ГХИТ)

Удельная энергия очень мала:
WУД V=(35 – 40) Вт·ч/л;
WУД m=(25 – 30) Вт·ч/кг.
Предназначены для длительных разрядов
малым током (до 3 мА/см2).
Разрядная характеристика Zn/CuO элемента
92

93. Герметичные химические источники тока (ГХИТ)

Медно-цинковые элементы выпускаются в
виде батарей большой емкости (до 1000 А·ч) для
систем железнодорожной сигнализации, связи и
т.д. Имеют баночную конструкцию.
93

94. Герметичные химические источники тока (ГХИТ)

Используются в больших количествах в
технике и на транспорте благодаря своей
безотказности при длительной работе,
стабильности напряжения и дешевизне.
Саморазряд их ничтожен и они могут
работать 10 – 15 лет при температурах до –100С.
94

95. Герметичные химические источники тока (ГХИТ)

Ртутно-цинковые (РЦ) элементы
(система Zn | KOH | HgO)
НРЦ= ЭДС = 1.352 В, очень стабильное,
почти не зависит от степени разреженности и от
температуры;
UP=(1,22…1,25) В (очень высокая
стабильность разрядного напряжения);
95

96. Герметичные химические источники тока (ГХИТ)

WУД V =(100 – 120) Вт·ч/кг (показатель
средний);
WУД m =(400 – 500) Вт·ч/л (самая высокая
среди традиционных ХИТ);
Диапазон рабочих температур от −30 до
+700С.
96

97. Герметичные химические источники тока (ГХИТ)

Разрядные характеристики Zn/HgO элемента при
разной токовой нагрузке
Высокая сохраняемость – 5 – 10 лет при
обычной температуре.
97

98. Герметичные химические источники тока (ГХИТ)

Элементы выпускаются в виде дисковых
герметичных элементов малой емкости
– от 0.05 А·ч и батарей емкостью до 15 А·ч.
Недостатки – высокая стоимость и токсичность ртутного
сырья.
Их производство либо сокращается, либо прекращено.
98

99. Герметичные химические источники тока (ГХИТ)

Серебряно-цинковые элементы
(система Zn KOH AgO (Ag2O)).
СЦ ХИТ по своей сути являются вторичными
источниками – аккумуляторами, так как в них не
протекают первичные окислительновосстановительные токообразующие реакции.
Элементы выпускаются в разряженном виде,
так что сначала делается первичный заряд.
99

100. Герметичные химические источники тока (ГХИТ)

НРЦ =1.86 В.
Удельные параметры:
WУД m=(90 – 130) Вт ч/кг;
WУД V=(180 – 200) Вт ч/л.
Работоспособны до –400С, заметное
снижение емкости начинается с –200С.
100

101. Герметичные химические источники тока (ГХИТ)

Разрядные характеристики СЦ элемента при
различных токовых нагрузках и температурах
101

102. Герметичные химические источники тока (ГХИТ)

СЦ элементы допускают разряд как
малыми, так и очень большими токами (в
последнем случае длительность разряда
ограничивается в основном перегревом
аккумулятора).
При увеличении тока разряда до 2С
емкость элемента меняется очень мало, что
является большим достоинством данного типа
ХИТ.
102

103. Герметичные химические источники тока (ГХИТ)

Серебряно-цинковые элементы хорошо
сохраняют работоспособность после хранения 1 –
2 лет (обычно сохраняются более 90% емкости
после одного года хранения при температуре
21°С).
Конструкция – дисковая различных
типоразмеров.
103

104. Герметичные химические источники тока (ГХИТ)

Воздушно-цинковые элементы
(система Zn NaOH O2)
Отличается весьма высокой удельной
энергоёмкостью :
Удельная энергоёмкость: более 450 Вт·ч/кг;
Максимальная мощность: 5000 Вт/кг;
ЭДС: 1.4-1.45 В ;
Рабочая температура: — 20…+35 °C.
104

105. Герметичные химические источники тока (ГХИТ)

При длительном разряде малым током
отличается постоянством напряжения на уровне
1,25 В:
Сравнение разрядных характеристик щелочных и воздушноцинковых батарей
105

106. Герметичные химические источники тока (ГХИТ)

Срок хранения в неактивном состоянии –
более 5 лет.
Активируются поступлением кислорода
воздуха во внутрь.
В активном состоянии имеют сильный
саморазряд и большое внутренне
сопротивление: малый ток разряда.
106

107. Герметичные химические источники тока (ГХИТ)

Конструкция: элементы выпускаются в
дисковом исполнении с цветовой маркировкой.
Применяются для питания слуховых
аппаратов.
107

108. Герметичные химические источники тока (ГХИТ)

ВЦ ХИТ средней и большой емкости (303300) А· ч выпускаются призматической формы в
виде готовых к употреблению или требующих
активации (резервных).
Ведутся активные работы по разработке
аккумуляторов.
108

109. Герметичные химические источники тока (ГХИТ)

ПЕРВИЧНЫЕ ЛИТИЕВЫЕ ИСТОЧНИКИ ТОКА
109

110. Герметичные химические источники тока (ГХИТ)

Литий обладает самым отрицательным
электродным потенциалом среди всех металлов:
–3.055;
самой высокой удельной энергией: до
11760 Вт·ч/кг;
высокой удельной емкостью: до 3860
А·ч/кг.
110

111. Герметичные химические источники тока (ГХИТ)

Все литиевые источники тока имеют
следующие особенности и недостатки:
1. Допустима небольшая плотность
разрядного тока (кроме водных):
- нормальный режим - умеренный разряд
на уровне 0.05С;
- максимально допускается нагрузка
примерно 0.5С.
111

112. Герметичные химические источники тока (ГХИТ)

2. Работа при повышенном внутреннем
давлении потенциально опасна
разгерметизацией ХИТ.
3. Небольшой начальный «провал
напряжения» после длительного хранения.
112

113. Герметичные химические источники тока (ГХИТ)

Система Li/SO2 (литий – диоксид серы)
НРЦ = 2.95 В;
UP =(2.7 –2.9) В. – в зависимости от
скорости разряда и температуры.
Высокие значения удельных параметров):
WУД m=(300 – 350) Вт·ч/кг;
WУД V=(500 – 550) Вт·ч/л.
113

114. Герметичные химические источники тока (ГХИТ)

Разрядные кривые очень плоские, почти
идеальные.
Температурным интервал
работоспособности: от –60°С до +70°С.
114

115. Герметичные химические источники тока (ГХИТ)

Сохраняемость ХИТ Li│SO2 более 10 лет, в
том числе они допускают хранение при
температуре до +80°С.
115

116. Герметичные химические источники тока (ГХИТ)

Система Li│LiAlCl4│SOCl2
Li/ТХ (SOCl2 – тионилхлорид) обладают
максимальной удельной энергией среди всех
разработанных ХИТ длительного действия:
W УД m – до 650 Вт·ч/кг;
WУД V – до 1300 Вт·ч/л.
116

117. Герметичные химические источники тока (ГХИТ)

ЭДС = НРЦ=3.67 В.
UP=(3.3 – 3.5) В – в зависимости от тока
разряда.
Разрядная характеристика такая же
чрезвычайно стабильная, как и у Li│SO2
элементов.
117

118. Герметичные химические источники тока (ГХИТ)

Температурный интервал
работоспособности от –70°С до +70°С,
выдерживает кратковременное повышение до
+100°С.
Сохраняемость элементов в залитом
состоянии 5 лет и более.
118

119. Герметичные химические источники тока (ГХИТ)

Достоинства и недостатки системы Li│SOСl2
примерно те же, что и системы Li│SO2, но более ярко
выражены.
Важно отметить следующую проблему:
Потенциальная опасность при эксплуатации –
возможность взрыва и возгорания; такие ХИТ
обязательно снабжаются защитными клапанами,
предохранителями, электронной защитой от
переразряда.
Полностью безопасные ЛИТ с SOСl2 пока не
созданы.
119

120. Герметичные химические источники тока (ГХИТ)

ЛИТ Li│SO2 и особенно Li│SOСl2 обладают
наивысшим характеристиками и выпускаются во
всех промышленно развитых странах в широких
масштабах в самых различных типоразмерах.
В России производятся в г. Новочеркасск.
120

121. Герметичные химические источники тока (ГХИТ)

Литиевые ХИТ с твердым электролитом
121

122. Герметичные химические источники тока (ГХИТ)

Литий-марганцевые элементы
(система Li│MnO2 – диоксид марганца)
WУД m=(200 – 250) Вт·ч/кг
WУД V=( 450 – 550) Вт·ч/л
НРЦ = 3.5 В.
Разрядное напряжение UP=(2.8 – 3.0) В.
122

123. Герметичные химические источники тока (ГХИТ)

Достоинства:
- низкая цена;
- хранение до 10 лет и более.
Недостатки:
- малая удельная мощность, обусловленная
слабыми разрядными токами (менее 1 мА/см2);
- ограниченный температурный интервал
работоспособности: от –20°С +50°С.
Эта систем появилась одной из первых и широко
применяется во всем мире. В России производятся в г. Саратов.
123

124. Герметичные химические источники тока (ГХИТ)

124

125. Герметичные химические источники тока (ГХИТ)

Литий-медные элементы
(система Li│CuO)
НРЦ = 2.4 В;
WУД m= 300 Вт·ч/кг;
WУД V=600 Вт·ч/л;
UP =1.5 В, что делает их
взаимозаменяемыми с традиционными
элементами Лекланше.
125

126. Герметичные химические источники тока (ГХИТ)

Рассчитаны на длительный разряд малыми
токами.
Обладают чрезвычайно высокой
сохранностью энергии (потери менее 2 % за 15
лет хранения).
126

127. Герметичные химические источники тока (ГХИТ)

Литий-йодный элемент
(система Li│LiJ│J2)
имеет :
НРЦ = 2.8 В,
WУД V =(700 – 1000) Вт·ч/л.
Основным недостаток: высокое внутреннее
сопротивление, которое возрастает по мере разряда.
127

128. Герметичные химические источники тока (ГХИТ)

Разряд: только чрезвычайно малыми токами
(1 – 2 мкА/см2), а разрядная кривая имеет
падающий вид из-за непрерывного роста
внутреннего сопротивления.
128

129. Герметичные химические источники тока (ГХИТ)

Основное применение – питание
имплантируемых кардиостимуляторов и
нейростимуляторов.
Как и у других ЛИТ – высокая надежность,
сохранность более 10 лет.
Эти ЛИТ также производятся в России в г.
Саратове.
129

130. Герметичные химические источники тока (ГХИТ)

Литий-полифторуглеродный элемент (Li/CFX)
НРЦ=(3,2÷3,3) В.
Рабочее напряжение стабильно во время разряда,
но зависит от температуры:
– 2,2 В при -400С;
– 3,0 В при + 850С.
Диапазон рабочих температур составляет:
-40…+850С.
Срок хранения достигает 10 лет при саморазряде не
более 20 %.
130

131. Резервные батареи

Резервные, или активируемые – это ,
батареи ХИТ, в которых электроды в период
хранения
не
контактируют
с
жидким
электролитом и приводятся в рабочее состояние
(активируются)
непосредственно
перед
разрядом.
131

132. Резервные батареи

Отрезок
времени,
приведения
батареи
называют
временем
достигается
в
необходимый
рабочее
активации,
заданное
для
состояние,
при
этом
напряжение
при
включенной токовой нагрузке.
132

133. Резервные батареи

В
резервных
батареях
сочетаются
многолетний срок хранения с интенсивным
разрядом, при котором вся емкость элемента
реализуется за время от секунд до нескольких
часов.
133

134. Резервные батареи

Их подразделяют на:
Водоактивируемые;
Ампульные;
Тепловые
134

135. Резервные батареи

Водоактивируемые батареи
В водоактивируемых батареях электролитом
служит природная вода:
пресная,
соленая (морская).
Преимущество такого электролита —
доступность и неагрессивность.
Недостаток — невысокая электрическая
проводимость.
135

136. Резервные батареи

Блок электродов размещают в
негерметичном корпусе с отверстиями или
щелями для заполнения батарей водой, или
вообще без дна.
Вода начинает поступать немедленно
после погружения батареи и через некоторое
время приходит в рабочее состояние.
136

137. Резервные батареи

Режимы
разряда
водоактивируемых
батарей нестабильны и лежат в интервале тока от
I1 до I10 при температуре от —1 до + 50°С.
137

138. Резервные батареи

Серебряно-магниевые батареи
(система Mg|NaCl|AgCl)
Обладают самыми высокими характеристиками:
UP=(1,6 – 1,3);
Время активации - 1/60;
Время работы - (0,1 – 500) час;
WУД m=(100 – 150) Вт·ч/кг;
WУД V=(180 – 300) Вт·ч/л.
138

139. Резервные батареи

Из-за дефицитности и высокой стоимости
серебра
серебряно-магниевые
батареи
применяют только в ответственных изделиях,
например
для
энергопитания
торпед,
мин,
акустических буев.
139

140. Резервные батареи

Водно-литиевый элемент
(система (–) Li│LiOH │ H2O (Me) (+)),
где МЕ - инертный катод, не участвующий
в токообразующей реакции.
Электролитом является щелочной раствор
гидрооксида лития, который образуется сам за
счет реакции лития с водой.
140

141. Резервные батареи

В неактивном состоянии может храниться
длительное время (более 10 лет).
Источник Li/H2O может работать несколько
часов, обеспечивая очень высокие плотности тока
(до 0.5 А/см2)
и очень большую удельную энергию (до
3000 Вт·ч/кг).
141

142. Резервные батареи

Система Li-H2O – одна из самых
энергоемких, но кратковременного действия.
Основное применение – морское
(гидроакустические буи, погружные аппараты,
торпеды).
142

143. Резервные батареи

Ампульные резервные батареи
В период хранения в нерабочем состоянии
электролит заключен в отдельную емкость—
ампулу, которая является составной частью
источника тока.
143

144. Резервные батареи

Используют агрессивные электролиты (как
правило, концентрированные кислоты или
щелочи), обладающие высокой электрической
проводимостью.
Заливка электролита производится под
давлением очень быстро, за доли секунды, с
немедленным достижением максимальной
мощности разряда.
144

145. Резервные батареи)

Устройство ампульной серебряно-цинковой
батареи Фирмы Eagle — Pieher
Предохранительный клапан 1, отстойник 2, блок
элементов 3, металлическая ампула 4, металлические
диафрагмамы 5, пиропатрон с электровоспламенителем 6.
145

146.

Типичная разрядная характеристика
ампульной серебряно-цинковой батареи фирмы
Eagle— Picher.
146

147. Резервные батареи

Из разрядной характеристика видно, что
активация батареи прошла за 2 с, а разрядное
напряжение отличается стабильностью, это
является характерной особенностью серебряноцинковых источников тока.
Батарея может работать в диапазоне
температуры окружающей среды от —48 до
+70°С.
147

148. Резервные батареи

Тепловые батареи
Тепловые химические источники тока
(ТХИТ) – резервные ХИТ, в которых активация
(приведение в действие) достигается быстрым
(0,1 – 3 с) нагревом электролита до температуры
выше точки его плавления (400 – 600 °С).
148

149. Резервные батареи

В качестве электролитов в ТХИТ используют
расплавленные соли, которые при температуре
окружающей среды в твердом состоянии
являются диэлектриками.
Саморазряд ТХИТ при обычных
температурах практически отсутствует, они имеют
длительный срок хранения – от 10 до 25 лет.
149

150. Резервные батареи

Благодаря высокой удельной
электрической проводимости расплавленного
электролита и малой поляризуемости электродов
тепловые элементы могут разряжаться
чрезвычайно интенсивно
с плотностью тока до 7 кА/м2
при напряжении выше 2 В.
150

151. Резервные батареи

Оптимальная продолжительность их
разряда составляет
примерно от 0,5 с до 5мии;
разряд дольше 15 мин
невозможен из-за остывания батареи и
затвердевания электролита.
151

152. Резервные батареи

Активация осуществляется встроенными
химическими нагревателями (пиротехническими
смесями) или источниками внешней теплоты.
Пиросмеси обеспечивают активацию даже
при температурах ниже -70°С.
152

153. Резервные батареи

Лучшими характеристиками обладают
тепловые источники тока
системы Ca |LiCl+КСl|СаСгO4.
При НРЦ, равном 3,2 В,
рабочее напряжение элемента лежит в
интервале 1,7—2,5 В
153

154. Резервные батареи

Характер разрядной кривой зависит от
режима разряда, а также конструкционных
особенностей элемента, которые определяют
время активации и запас емкости.
154

155. Резервные батареи

Типичные разрядные характеристики
тепловых батарей в расчете на элемент:
I — быстроактивируемая батарея,
рассчитанная на кратковременный разряд; 2 —
батарея, разряжаемая номинальным режимом.
155

156. Резервные батареи

Промышленностью выпускается ТХИТ с
характеристиками, изменяющимися в широком
диапазоне:
- разрядное напряжение от 7 до 250 В;
- ток разряда от 0,005 до 26 А;
- время выхода на режим от 0,4 до 1,5 с;
- время работы от 10 до 1000 с;
- емкость (полезная) от 3,5 до 5000 А·с;
- температура окружающей среды от -60 до +108 °С;
- масса от 0,1 до 6 кг;
- гарантийный срок хранения от 8,5 до 18 лет.
156

157. Вторичные ХИТ – аккумуляторы

Режимы эксплуатации аккумуляторов.
Аккумуляторы могут эксплуатироваться
в трех режимах: переключения (циклический),
буферный и аварийный.
Схемы эксплуатации аккумуляторов в различных режимах: переключения (а), буферном (б) и
аварийном (в);
1 – зарядное устройство, генератор постоянного тока, солнечная батарея; 2 – аккумуляторная
батарея; 3 – нагрузка; 4 – переключатель; 5 – преобразователь.
157

158.  РЕЖИМЫ ЭКСПЛУАТАЦИИ АККУМУЛЯТОРОВ

РЕЖИМЫ ЭКСПЛУАТАЦИИ АККУМУЛЯТОРОВ
а) В режиме переключения (циклическом)
аккумулятор поочередно заряжается
и разряжается.
В этом режиме эксплуатируются,
например, аккумуляторы электрокар, шахтных
электровозов, электромобилей и портативных
приборов.
158

159. РЕЖИМЫ ЭКСПЛУАТАЦИИ АККУМУЛЯТОРОВ

б) в буферном («плавающем») режиме
аккумуляторная батарея работает параллельно
с другим (основным) источником электроэнергии.
Такой режим используется при переменном
графике нагрузки:
- при периодической работе основного
источника энергии, например
ветроэлектрогенератора или электрогенератора
автомобиля;
- при недостаточной мощности основного
генератора в периоды пиковых нагрузок.
159

160. РЕЖИМЫ ЭКСПЛУАТАЦИИ АККУМУЛЯТОРОВ

При малых нагрузках на основной
генератор его напряжение выше
НРЦ аккумуляторной батареи и последняя
заряжается. При больших нагрузках или
неработающем основном генераторе
аккумуляторная батарея разряжается.
Для буферного режима характерны
неглубокие разряды аккумуляторов.
160

161. РЕЖИМЫ ЭКСПЛУАТАЦИИ АККУМУЛЯТОРОВ

в) при аварийном режиме работы
аккумуляторная батарея включается на разряд при
отключении основного источника электроэнергии.
В режиме ожидания аккумуляторная батарея
не соединена с потребителем,
включается с помощью реле при отключении
основного источника.
Компенсационный подзаряд батареи
производится через преобразователь, напряжение
которого выше напряжения основного источника.
161

162. СВИНЦОВО-КИЛОТНЫЙ АККУМУЛЯТОР

Свинцовый аккумулятор (СА) является
наиболее распространенным в настоящее время
вторичным ХИТ. Широкое распространение этих
аккумуляторов обусловлено их относительной
дешевизной и довольно хорошими показателями
в работе.
162

163. СВИНЦОВО-КИЛОТНЫЙ АККУМУЛЯТОР

Они обладают высоким и стабильным
напряжением, мало меняющимся с температурой
и с токами нагрузки.
Ресурс составляет от 100 до 1000 циклов, а
для некоторых типов СА – более 1000 циклов.
163

164. СВИНЦОВО-КИЛОТНЫЙ АККУМУЛЯТОР

НРЦ = ЭДС = 2.047 В при 250С и сильно
зависит от концентрации электролита в
соответствии с уравнением Нернста
Плотность электролита служит точным
средством определения степени заряженности
аккумулятора.
Для стартерных аккумуляторов:
– летом ρ(г/см3)=1,25;
– зимой ρ(г/см3)=1,28.
164

165. СВИНЦОВО-КИЛОТНЫЙ АККУМУЛЯТОР

165

166. СВИНЦОВО-КИЛОТНЫЙ АККУМУЛЯТОР

Удельная энергия невелика:
Wуд m= (10 – 40) Вт ч/кг;
Wудv=(50 – 90) Вт ч/л (для различных типов).
Ресурс:
стартерных СА составляет обычно 3 – 5 лет
(200 – 400 циклов);
тяговых и стационарных – до 1000 – 2000
циклов.
166

167. СВИНЦОВО-КИЛОТНЫЙ АККУМУЛЯТОР

При полном разряде концентрация
электролита падает до 12 – 20 масс.%, < 1.15
г/см3, НРЦ 2 В.
Степень саморазряда свинцово-кислотного
аккумулятора составляет 2…3 % в месяц, но
сильно возрастает по мере его эксплуатации.
167

168. СВИНЦОВО-КИЛОТНЫЙ АККУМУЛЯТОР

Зарядные и разрядные характеристики СА
при различной токовой нагрузке
Вторая половина заряда может сопровождаться
выделением О2 на положительном электроде. Для
достижения полного заряда его продолжают после
скачка напряжения до 2.6 – 2.7 В при обильном
выделении Н2 и О2 на обоих электродах.
168

169. СВИНЦОВО-КИЛОТНЫЙ АККУМУЛЯТОР

Конечное напряжение разряда ниже
начального на 0.2 В и составляет 1.8 В для малых
токов и 1.2 – 1.5 В для больших.
169

170. СВИНЦОВО-КИЛОТНЫЙ АККУМУЛЯТОР

Недостатки СА: емкость довольно сильно зависит
от тока. Изменение емкости весьма заметно даже при j =
0.05 – 0.2 C (см. рисунок вверху) и температуры
Разрядные характеристики СА при различной температуре
В стартерном режиме аккумуляторы работоспособны до –300С.
170

171. СВИНЦОВО-КИЛОТНЫЙ АККУМУЛЯТОР

Аккумуляторы заряжают в
многоступенчатом режиме с уменьшением тока,
так как активная масса электродов портится от
сильного газовыделения. Можно заряжать и
потенциостатически при U = 2.2 – 2.5 В.
Нормальное состояние свинцового
аккумулятора – полностью заряженное. Хранить
СА разряженным недопустимо. Глубокий разряд
свинцового аккумулятора очень вреден для него.
171

172. СВИНЦОВО-КИЛОТНЫЙ АККУМУЛЯТОР

До недавнего времени СА требовали
обслуживания в виде доливки воды в электролит
(в электролит можно доливать только
дистиллированную воду взамен испарившейся и
разложившейся).
В последние годы выпускаются
герметизированные необслуживаемые СА.
172

173. СВИНЦОВО-КИЛОТНЫЙ АККУМУЛЯТОР

Конструкция – призматический баночный
пластиковый моноблок. Моноблок разделен на
отдельные ячейки, соединенные
последовательно. 12 В-аккумулятор состоит из 6
таких ячеек. В каждой находится электродный
блок, состоящий из вертикальных положительных
и отрицательных пластин, погруженных в
электролит.
173

174. СВИНЦОВО-КИЛОТНЫЙ АККУМУЛЯТОР

Конструкция стартерного свинцового аккумулятора:
1 – электрод отрицательный крайний; 2 – электрод положительный; 3
– сепаратор; 4 – электрод отрицательный; 5 – полублок электродов
отрицательных; 6 – полублок электродов положительных; 7 – блок электродов;
8 – опорная призма; 9 – моноблок; 10 – борн; 11 – щиток предохранительный;
12 – мостик; 13 – крышка аккумулятора; 14 – пробка вентиляционная; 15 –
межэлектродные соединения; 16 – полюсной вывод.
174

175. ГЕРМЕТИЗИРОВАННЫЕ СВИНЦОВО-КИСЛОТНЫЕ АККУМУЛЯТОРЫ

ГЕРМЕТИЗИРОВАННЫЕ СВИНЦОВОКИСЛОТНЫЕ АККУМУЛЯТОРЫ
Создать герметичные свинцово-кислотные
аккумуляторы удалось только в 70-х годах
прошлого века, что связано с трудностью
осуществления полной рекомбинации газов:
кислорода и водорода, которые выделяются при
их хранении и эксплуатации.
175

176. ГЕРМЕТИЗИРОВАННЫЕ СВИНЦОВО-КИСЛОТНЫЕ АККУМУЛЯТОРЫ

ГЕРМЕТИЗИРОВАННЫЕ СВИНЦОВОКИСЛОТНЫЕ АККУМУЛЯТОРЫ
Преимуществами герметизированных
свинцово-кислотных аккумуляторных батарей
следующие:
Дешевизна;
Простора в обслуживании;
Малый саморазряд;
Отсутствие «эффекта памяти»;
Допустимы высокие токи разряда.
176

177. ГЕРМЕТИЗИРОВАННЫЕ СВИНЦОВО-КИСЛОТНЫЕ АККУМУЛЯТОРЫ

ГЕРМЕТИЗИРОВАННЫЕ СВИНЦОВОКИСЛОТНЫЕ АККУМУЛЯТОРЫ
К недостаткам таких батарей следует отнести:
Не допускается хранение в разряженном
состоянии;
Низкая энергетическая плотность (большой
вес);
Допускается лишь ограниченное число циклов
полного разряда;
Кислотный электролит и свинец оказывают
вредное воздействие на окружающую среду.
177

178. ГЕРМЕТИЗИРОВАННЫЕ СВИНЦОВО-КИСЛОТНЫЕ АККУМУЛЯТОРЫ

ГЕРМЕТИЗИРОВАННЫЕ СВИНЦОВОКИСЛОТНЫЕ АККУМУЛЯТОРЫ
Портативные герметизированные свинцовокислотные аккумуляторы выпускаются в виде
батарей номинальным напряжением 6, 12 и 24 В,
которые собраны в едином призматическом корпусе
из пластмассы или резины.
Клапанное устройство для сброса газа при
излишнем давлении состоит из резинового клапана
и отражателя, служащего для улавливания капель
электролита.
178

179. ГЕРМЕТИЗИРОВАННЫЕ СВИНЦОВО-КИСЛОТНЫЕ АККУМУЛЯТОРЫ

ГЕРМЕТИЗИРОВАННЫЕ СВИНЦОВОКИСЛОТНЫЕ АККУМУЛЯТОРЫ
Типичная конструкция
герметизированной свинцовокислотной батареи приведена на
рисунке.
Конструкция
герметизированной
свинцово-кислотной батареи
1 – корпус; 2 – крышка; 3 –
клемма; 4 – верхняя крышка; 5 –
аварийный клапан;
6 – отрицательная пластина;
7 – сепаратор;
8 – положительная пластина
179

180. ГЕРМЕТИЗИРОВАННЫЕ СВИНЦОВО-КИСЛОТНЫЕ АККУМУЛЯТОРЫ

ГЕРМЕТИЗИРОВАННЫЕ СВИНЦОВОКИСЛОТНЫЕ АККУМУЛЯТОРЫ
Электрические характеристики
Герметизированные свинцово-кислотные
аккумуляторные батареи изготавливаются на
номинальное напряжение 6, 12 и 24 В и состоят
из 3, 6 или 12 элементов, однако контролировать
напряжение одного элемента в них невозможно.
Напряжение полностью заряженной
батареи составляет 2,2 В на элемент, т.е. 6,6 В,
13,2 В и 26,4 В, соответственно.
180

181. ГЕРМЕТИЗИРОВАННЫЕ СВИНЦОВО-КИСЛОТНЫЕ АККУМУЛЯТОРЫ

ГЕРМЕТИЗИРОВАННЫЕ СВИНЦОВОКИСЛОТНЫЕ АККУМУЛЯТОРЫ
Номинальной емкостью таких батарей
считается емкость, полученная при разряде током
0,05СН в течение 20 часов. Однако ток разряда
может достигать и нескольких СН.
Разрядные характеристики
герметизированной свинцовокислотной батареи типа НР6,5-12
КОВЕ номинальной емкостью 6,5
А.ч и номинальным напряжением
12 В
181

182. ГЕРМЕТИЗИРОВАННЫЕ СВИНЦОВО-КИСЛОТНЫЕ АККУМУЛЯТОРЫ

ГЕРМЕТИЗИРОВАННЫЕ СВИНЦОВОКИСЛОТНЫЕ АККУМУЛЯТОРЫ
От величины тока разряда зависит и
конечное напряжение разряда, которое
составляет от 1,8 В на элемент (при малых токах
разряда) до 1,35 В на элемент (при больших токах
разряда). Следует отметить, что увеличение тока
разряда снижает срок службы батарей.
182

183. ГЕРМЕТИЗИРОВАННЫЕ СВИНЦОВО-КИСЛОТНЫЕ АККУМУЛЯТОРЫ

ГЕРМЕТИЗИРОВАННЫЕ СВИНЦОВОКИСЛОТНЫЕ АККУМУЛЯТОРЫ
Герметизированные свинцово-кислотные
аккумуляторы работоспособны в диапазоне
температур от -30 до +500С, хотя чаще
гарантируется их работа при температуре не
ниже -150С. При более низких температурах
происходит замерзание электролита.
183

184. ГЕРМЕТИЗИРОВАННЫЕ СВИНЦОВО-КИСЛОТНЫЕ АККУМУЛЯТОРЫ

ГЕРМЕТИЗИРОВАННЫЕ СВИНЦОВОКИСЛОТНЫЕ АККУМУЛЯТОРЫ
Саморазряд в герметизированных
свинцово-кислотных аккумуляторах составляет 40
% в год при хранении при 200С. Хранить
свинцово-кислотные аккумуляторы следует в
заряженном состоянии, с периодической
подзарядкой 1 раз в 8 месяцев в течении 6-12
часов при постоянном напряжении 2,45 В на
элемент.
184

185. СПОСОБЫ ЗАРЯДА СВИНЦОВО-КИСЛОТНЫХ АККУМУЛЯТОРОВ

СПОСОБЫ ЗАРЯДА СВИНЦОВОКИСЛОТНЫХ АККУМУЛЯТОРОВ
Время заряда свинцово-кислотных батарей
составляет 12…16 часов.
Заряд нестабилизированным током
Источник питания в данном случае
нестабилизированный. Как правило, это трансформатор
и выпрямительный диодный мост. Реостатом R1
устанавливается ток заряда.
185

186. СПОСОБЫ ЗАРЯДА СВИНЦОВО-КИСЛОТНЫХ АККУМУЛЯТОРОВ

СПОСОБЫ ЗАРЯДА СВИНЦОВОКИСЛОТНЫХ АККУМУЛЯТОРОВ
Достоинством этого устройства является простота
и, соответственно, низкая стоимость.
Недостатки:
зависимость тока заряда от напряжения в сети и
степени заряженности аккумулятора;
необходимость постоянного контроля процесса
заряда и регулировки тока заряда;
возможность перезаряда или недозаряда
аккумулятора с вытекающими отсюда последствиями;
невысокий КПД из-за рассеивания избыточной
мощности на реостате.
186

187. СПОСОБЫ ЗАРЯДА СВИНЦОВО-КИСЛОТНЫХ АККУМУЛЯТОРОВ

СПОСОБЫ ЗАРЯДА СВИНЦОВОКИСЛОТНЫХ АККУМУЛЯТОРОВ
Заряд стабилизированным током
Устройство управления измеряет напряжение на
клеммах аккумулятора и, если оно оказывается ниже нижнего
порогового значения, включается ключ и происходит заряд
установленным током. При достижении верхнего порога
устройство управления отключает ключ и заряд прекращается.
В случае понижения напряжения весь процесс повторяется.
187

188. СПОСОБЫ ЗАРЯДА СВИНЦОВО-КИСЛОТНЫХ АККУМУЛЯТОРОВ

СПОСОБЫ ЗАРЯДА СВИНЦОВОКИСЛОТНЫХ АККУМУЛЯТОРОВ
Достоинства:
отсутствует зависимость величины тока
заряда от колебаний напряжения сети и степени
заряженности аккумулятора;
как правило, более высокий КПД;
автоматизация процесса заряда.
188

189. СПОСОБЫ ЗАРЯДА СВИНЦОВО-КИСЛОТНЫХ АККУМУЛЯТОРОВ

СПОСОБЫ ЗАРЯДА СВИНЦОВОКИСЛОТНЫХ АККУМУЛЯТОРОВ
Недостатки:
более сложное и, соответственно,
дорогостоящее устройство;
не всегда возможно зарядить аккумулятор
до 100% емкости, особенно при большом
зарядном токе;
не исключена возможность перезаряда
189

190. СПОСОБЫ ЗАРЯДА СВИНЦОВО-КИСЛОТНЫХ АККУМУЛЯТОРОВ

СПОСОБЫ ЗАРЯДА СВИНЦОВОКИСЛОТНЫХ АККУМУЛЯТОРОВ
Поясним более подробно два последних
недостатка.
При заряде большим током напряжение на
клеммах аккумулятора растет относительно быстро и до
отключения аккумулятор не успевает набрать
необходимую емкость.
При малом токе напряжение на клеммах растет
более медленно, аккумулятор при этом может набрать
100% емкости. Но этого тока может не хватить для
достижения верхнего порога отключения. Аккумулятор
начинает кипеть и, если не отключить зарядное
устройство, возможен перезаряд
190

191. СПОСОБЫ ЗАРЯДА СВИНЦОВО-КИСЛОТНЫХ АККУМУЛЯТОРОВ

СПОСОБЫ ЗАРЯДА СВИНЦОВОКИСЛОТНЫХ АККУМУЛЯТОРОВ
Заряд стабилизированным напряжением
Этот способ заряда применяется, как
правило, на автомобилях, когда необходимо
быстро восстановить заряд аккумулятора.
191

192. СПОСОБЫ ЗАРЯДА СВИНЦОВО-КИСЛОТНЫХ АККУМУЛЯТОРОВ

СПОСОБЫ ЗАРЯДА СВИНЦОВОКИСЛОТНЫХ АККУМУЛЯТОРОВ
Достоинства:
короткое время заряда;
автоматически уменьшается ток заряда по
мере роста степени заряженности батареи.
Недостатки:
требуется точная установка напряжения
источника зарядного тока во избежании
систематического недозаряда или перезаряда;
большой начальный зарядный ток.
192

193. СПОСОБЫ ЗАРЯДА СВИНЦОВО-КИСЛОТНЫХ АККУМУЛЯТОРОВ

СПОСОБЫ ЗАРЯДА СВИНЦОВОКИСЛОТНЫХ АККУМУЛЯТОРОВ
Двухступенчатое зарядное устройство.
Заряд по методу IU
Заряд АБ происходит в два этапа.
Первый этап - заряд стабилизированным
током до напряжения 2,3 В (I).
Второй этап - заряд стабилизированным
напряжением до полного заряда (U).
193

194. СПОСОБЫ ЗАРЯДА СВИНЦОВО-КИСЛОТНЫХ АККУМУЛЯТОРОВ

СПОСОБЫ ЗАРЯДА СВИНЦОВОКИСЛОТНЫХ АККУМУЛЯТОРОВ
Первый этап заряда позволяет относительно
быстро набрать основную емкость аккумулятора, не
доводя электролит до кипения.
На втором этапе ток начинает постепенно падать и
через некоторое время уменьшается до величины, равной
току саморазряда аккумулятора.
194

195. СПОСОБЫ ЗАРЯДА СВИНЦОВО-КИСЛОТНЫХ АККУМУЛЯТОРОВ

СПОСОБЫ ЗАРЯДА СВИНЦОВОКИСЛОТНЫХ АККУМУЛЯТОРОВ
Достоинства:
минимуму процесс сульфатации;
исключает перезаряд;
позволяет зарядить аккумулятор до 100 %
емкости.
Недостатки:
более продолжительное время заряда;
более высокую цену зарядного устройства.
195

196. СПОСОБЫ ЗАРЯДА СВИНЦОВО-КИСЛОТНЫХ АККУМУЛЯТОРОВ

СПОСОБЫ ЗАРЯДА СВИНЦОВОКИСЛОТНЫХ АККУМУЛЯТОРОВ
Заряд асимметричным током
196

197. СПОСОБЫ ЗАРЯДА СВИНЦОВО-КИСЛОТНЫХ АККУМУЛЯТОРОВ

СПОСОБЫ ЗАРЯДА СВИНЦОВОКИСЛОТНЫХ АККУМУЛЯТОРОВ
Ускоренный заряд
Ускоренным зарядом называется режим
заряда, при котором ток заряда превышает величину
10 % от номинальной емкости кислотной АБ. Время
заряда при этом сокращается.
К недостаткам ускоренного заряда следует
отнести повышенный износ АБ.
197

198. СПОСОБЫ ЗАРЯДА СВИНЦОВО-КИСЛОТНЫХ АККУМУЛЯТОРОВ

СПОСОБЫ ЗАРЯДА СВИНЦОВОКИСЛОТНЫХ АККУМУЛЯТОРОВ
Заряд при длительном хранении
В случае, когда АБ продолжительное время не
используется (например, на время зимнего периода),
можно применять так называемый заряд уравнительным
током, суть которого сводится к следующему. Заряд АБ
производится малым током, равным току саморазряда
аккумулятора. Такой режим заряда исключает саморазряд
за счет компенсации внутренних утечек АБ. В зимнее
время предотвращается замерзание электролита.
Зарядное устройство представляет собой
стабилизированный источник питания на напряжение 13,5
- 13,8 В с ограничением тока заряда до 100 - 150 мА.
198

199. СПОСОБЫ ЗАРЯДА СВИНЦОВО-КИСЛОТНЫХ АККУМУЛЯТОРОВ

СПОСОБЫ ЗАРЯДА СВИНЦОВОКИСЛОТНЫХ АККУМУЛЯТОРОВ
В зимнее время предотвращается замерзание
электролита.
Зарядное устройство представляет собой
стабилизированный источник питания на напряжение
13,5 - 13,8 В с ограничением тока заряда до 100 - 150 мА .
Применение стабилизатора напряжения позволяет
исключить возможность сульфатации и перезаряда
аккумулятора.
199

200. СПОСОБЫ ЗАРЯДА СВИНЦОВО-КИСЛОТНЫХ АККУМУЛЯТОРОВ

СПОСОБЫ ЗАРЯДА СВИНЦОВОКИСЛОТНЫХ АККУМУЛЯТОРОВ
Контрольно-тренировочные циклы
Контрольно-тренировочный цикл зарядаразряда проводится для предотвращения
сульфатации и определения емкости
аккумулятора.
Проводятся не реже одного раза в год.
200

201. СПОСОБЫ ЗАРЯДА СВИНЦОВО-КИСЛОТНЫХ АККУМУЛЯТОРОВ

СПОСОБЫ ЗАРЯДА СВИНЦОВОКИСЛОТНЫХ АККУМУЛЯТОРОВ
Алгоритм:
1.
Заряжают АБ нормальным током (любым
из описанных способов) до полного заряда;
2.
Выдерживают АБ 3 часа после
прекращения заряда;
3.
Корректируют плотность электролита;
4.
Включают зарядку на 20-30 минут для
перемешивания электролита;
201

202. СПОСОБЫ ЗАРЯДА СВИНЦОВО-КИСЛОТНЫХ АККУМУЛЯТОРОВ

СПОСОБЫ ЗАРЯДА СВИНЦОВОКИСЛОТНЫХ АККУМУЛЯТОРОВ
5. Проводят контрольную разрядку
постоянным нормальным током 10-часового
режима;
6.
Контролируют время полного разряда до
напряжения 1,7 В на банку (10,2 В на АБ);
7.
емкость батареи определяют как
произведение величины разрядного тока и
времени разряда.
202

203. СПОСОБЫ ЗАРЯДА СВИНЦОВО-КИСЛОТНЫХ АККУМУЛЯТОРОВ

СПОСОБЫ ЗАРЯДА СВИНЦОВОКИСЛОТНЫХ АККУМУЛЯТОРОВ
После контрольного разряда батарею сразу
же ставят на зарядку и полностью заряжают.
Если оказалось, что емкость АБ меньше
50% номинальной, она считается неисправной.
203

204. ЩЕЛОЧНЫЕ НИКЕЛЬ-КАДМИЕВЫЕ И НИКЕЛЬ-ЖЕЛЕЗНЫЕ АККУМУЛЯТОРЫ

(системы Cd KOH NiOOH и Fe KOH NiOOH)
имеют много общего и являются
распространенными и относительно дешевыми
видами перезаряжаемых источников тока. В
настоящее время объем выпуска НКА снижается
из-за токсичности и высокой цены кадмия.
Характеристики НЖА ниже, чем у НКА.
204

205. ЩЕЛОЧНЫЕ НИКЕЛЬ-КАДМИЕВЫЕ И НИКЕЛЬ-ЖЕЛЕЗНЫЕ АККУМУЛЯТОРЫ

Для НКА:
ЭДС= 1.30 В;
НРЦ =( 1.30 – 1.34) В;
WУД m=(30 – 50) Вт ч/кг;
WУД v=(60 – 150) Вт ч/л.
205

206. ЩЕЛОЧНЫЕ НИКЕЛЬ-КАДМИЕВЫЕ И НИКЕЛЬ-ЖЕЛЕЗНЫЕ АККУМУЛЯТОРЫ

Для НЖ:
ЭДС=1.37 В;
НРЦ=(1.37 – 1.41) В;
WУД m =20 – 35) Вт ч/кг;
WУД v =(40 – 70) Вт ч/л.
206

207. ЩЕЛОЧНЫЕ НИКЕЛЬ-КАДМИЕВЫЕ И НИКЕЛЬ-ЖЕЛЕЗНЫЕ АККУМУЛЯТОРЫ

Электролит – раствор KOH.
При работе:
до –150С употребляют 20% КОН ( = 1.2
г/см3) с добавкой 10 г/л LiOH;
до –400С, применяют 28% КОН ( = 1.27
г/см3).
207

208. ЩЕЛОЧНЫЕ НИКЕЛЬ-КАДМИЕВЫЕ И НИКЕЛЬ-ЖЕЛЕЗНЫЕ АККУМУЛЯТОРЫ

Ресурс работы для разных типов составляет
от 500 до (2000 – 5000) циклов.
Срок службы – 10 лет, а для некоторых
типов – 25 лет и более.
Для НЖ характерен высокий саморазряд,
до 25 – 35% в месяц при 200С.
208

209. ЩЕЛОЧНЫЕ НИКЕЛЬ-КАДМИЕВЫЕ И НИКЕЛЬ-ЖЕЛЕЗНЫЕ АККУМУЛЯТОРЫ

Герметичные НК аккумуляторы
изготавливают:
дисковые;
цилиндрические;
призматические баночные.
209

210. ЩЕЛОЧНЫЕ НИКЕЛЬ-КАДМИЕВЫЕ И НИКЕЛЬ-ЖЕЛЕЗНЫЕ АККУМУЛЯТОРЫ

Конструкции дисковых щелочных никель-кадмиевых
аккумуляторов
а – буртиковый двухэлектродный; б – буртиковый
четырехэлектродный; в – безбуртиковый четырехэлектродный.
1 – корпус; 2 – сепаратор; 3 – положительный электрод; 4 –
отрицательный электрод; 5 – крышка; 6 – пружина; 7 –
уплотнительная прокладка; 8 – изолирующая прокладка; 9 –
токоотвод.
210

211. ЩЕЛОЧНЫЕ НИКЕЛЬ-КАДМИЕВЫЕ И НИКЕЛЬ-ЖЕЛЕЗНЫЕ АККУМУЛЯТОРЫ

Цилиндрическая конструкция аккумуляторов
обладает лучшими энергетическими характеристиками и
повышенной герметизацией.
1 – аварийный клапан;
2 – герметизирующая прокладка;
3 – положительный электрод;
4 – сепаратор;
5 – отрицательный электрод;
6 – никелированный корпус
211

212. ЩЕЛОЧНЫЕ НИКЕЛЬ-КАДМИЕВЫЕ И НИКЕЛЬ-ЖЕЛЕЗНЫЕ АККУМУЛЯТОРЫ

В призматической конструкции
выпускаются никель-кадмиевые аккумуляторы с
емкость от 1,5 до 200 А·час.
В донную часть обычно закладывается
активированный уголь, необходимый для поглощения
кислорода, выделяемого при перезаряде.
На крышке аккумуляторов больших емкостей
(более 50 А·час) устанавливается сильфонный датчик
давления, контакт которого позволяет обеспечить
отключение аккумуляторов от заряда при увеличении
внутреннего давления внутри аккумулятора выше 1 атм.
212

213. ЩЕЛОЧНЫЕ НИКЕЛЬ-КАДМИЕВЫЕ И НИКЕЛЬ-ЖЕЛЕЗНЫЕ АККУМУЛЯТОРЫ

Конструкция призматического щелочного
никель-кадмиевого аккумулятора большой емкости
1 – корпус; 2 – крышка;
3 – отрицательный борн;
4 – положительный борн;
5 – отрицательный электрод;
6 – положительный электрод;
7 – сепаратор;
8 – изоляционная прокладка;
9 – сильфонный датчик давления
213

214. ЩЕЛОЧНЫЕ НИКЕЛЬ-КАДМИЕВЫЕ И НИКЕЛЬ-ЖЕЛЕЗНЫЕ АККУМУЛЯТОРЫ

Разрядные параметры:
U H =1,2 В.
I H = 0,2СН (до минимального напряжения
разряда 1 В).
С увеличением тока разряда до 2…5СН
значение минимального напряжения разряда может
достигать 0,9 В.
Современные цилиндрические аккумуляторы
с рулонными электродами допускают разрядные
токи до 7…10СН.
214

215. ЩЕЛОЧНЫЕ НИКЕЛЬ-КАДМИЕВЫЕ И НИКЕЛЬ-ЖЕЛЕЗНЫЕ АККУМУЛЯТОРЫ

Типичный вид разрядных характеристик
цилиндрического щелочного никель-кадмиевого
аккумулятора
215

216. ЩЕЛОЧНЫЕ НИКЕЛЬ-КАДМИЕВЫЕ И НИКЕЛЬ-ЖЕЛЕЗНЫЕ АККУМУЛЯТОРЫ

Заряд
Стандартный режим – заряд разряженного до
1 В аккумулятора номинальным током заряда 0,1СН в
течение 14…16 часов.
Ускоренный заряд – током до 0,3СН в течение
5 часов.
Критерием окончательного заряда является
достижение напряжения 1,35…1,55 В.
216

217. ЩЕЛОЧНЫЕ НИКЕЛЬ-КАДМИЕВЫЕ И НИКЕЛЬ-ЖЕЛЕЗНЫЕ АККУМУЛЯТОРЫ

При заряде повышается температура
корпуса:
стандартным током на 10…150;
при больших токах заряда перегрев может
составить до 400.
217

218. ЩЕЛОЧНЫЕ НИКЕЛЬ-КАДМИЕВЫЕ И НИКЕЛЬ-ЖЕЛЕЗНЫЕ АККУМУЛЯТОРЫ

Типичный вид зарядных характеристик
цилиндрического щелочного никель-кадмиевого
аккумулятора
а – ток заряда 0,1СН; б – ток заряда 0,3СН;
218

219. ЩЕЛОЧНЫЕ НИКЕЛЬ-КАДМИЕВЫЕ И НИКЕЛЬ-ЖЕЛЕЗНЫЕ АККУМУЛЯТОРЫ

Никель-кадмиевые аккумуляторы
устойчивы к перезаряду, но аккумуляторы разной
конструкции обладают разной способностью к
перезаряду.
Наиболее устойчивы к перезаряду
аккумуляторы цилиндрической конструкции.
219

220. ЩЕЛОЧНЫЕ НИКЕЛЬ-КАДМИЕВЫЕ И НИКЕЛЬ-ЖЕЛЕЗНЫЕ АККУМУЛЯТОРЫ

Герметичные никель-кадмиевые
аккумуляторы обладают достаточно высокой
степенью саморазряда, которая зависит от
температурных условий.
Рис.17.21 Саморазряд цилиндрического щелочного никель-кадмиевого аккумулятора при разных
температурах хранения
220

221. ЩЕЛОЧНЫЕ НИКЕЛЬ-КАДМИЕВЫЕ И НИКЕЛЬ-ЖЕЛЕЗНЫЕ АККУМУЛЯТОРЫ

При заряде повышается температура
корпуса:
стандартным током на 10…150;
при больших токах заряда перегрев может
составить до 400.
221

222. ЩЕЛОЧНЫЕ НИКЕЛЬ-КАДМИЕВЫЕ И НИКЕЛЬ-ЖЕЛЕЗНЫЕ АККУМУЛЯТОРЫ

Феномен «эффекта памяти»
При небольшой глубиной разряда (не
более 30 %) и последующем заряде возникает
феномен «эффекта памяти». В результате такой
эксплуатации на разрядной кривой появлялась
вторая площадка более низкого напряжения, и
емкость, которую можно было снять до момента
достижения разряда в 1 В, уменьшается.
222

223. ЩЕЛОЧНЫЕ НИКЕЛЬ-КАДМИЕВЫЕ И НИКЕЛЬ-ЖЕЛЕЗНЫЕ АККУМУЛЯТОРЫ

Влияние эффекта памяти на разрядную
характеристику щелочного никель-кадмиевого
аккумулятора
1 – начальная характеристика; 2 – после
циклирования с малой глубиной разряда; 3 – после
восстановительных циклов разряд-заряд
223

224. ЩЕЛОЧНЫЕ НИКЕЛЬ-КАДМИЕВЫЕ И НИКЕЛЬ-ЖЕЛЕЗНЫЕ АККУМУЛЯТОРЫ

Этот процесс ускоряется при низких токах разряда
и повышенных температурах, что характерно для
буферного режима работы аккумулятора.
Процесс является обратимым.
Восстановление происходит при разряде
аккумулятора до напряжения 1 В с последующим зарядом,
что необходимо проводить не реже 1 раза в месяц.
Если аккумулятор эксплуатируется в режиме
глубокого разряда, то «эффект памяти» вообще не
возникает.
224

225. ЩЕЛОЧНЫЕ НИКЕЛЬ-КАДМИЕВЫЕ И НИКЕЛЬ-ЖЕЛЕЗНЫЕ АККУМУЛЯТОРЫ

Второй причиной снижения разрядного
напряжения является систематический перезаряд
аккумулятора.
Для такого чтобы такой эффект не
возникал, достаточно контролировать заряд
аккумуляторов, не допуская их длительного
перезаряда, особенно при больших токах заряда.
225

226. ЩЕЛОЧНЫЕ НИКЕЛЬ-КАДМИЕВЫЕ И НИКЕЛЬ-ЖЕЛЕЗНЫЕ АККУМУЛЯТОРЫ

Таким образом, при использовании
герметичного никель-кадмиевого аккумулятора в
буферном режиме необходимо не допускать его
перезаряда и регулярно (1 раз в месяц) проводит
его разряд нормальным током до конечного
напряжения 1 В с последующим зарядом
(восстановительный цикл).
226

227. ЩЕЛОЧНЫЕ НИКЕЛЬ- МЕТАЛЛОГИДРИДНЫЕ АККУМУЛЯТОРЫ

ЩЕЛОЧНЫЕ НИКЕЛЬМЕТАЛЛОГИДРИДНЫЕ АККУМУЛЯТОРЫ
(система MH KOH NiOOH) – (Ni – MH2)
имеют более высокие энергетические
характеристики по сравнению с никелькадмиевыми.
НРЦ=(1,32…1,35) В;
W УД m =(40 – 80) Вт ч/кг;
W УД v =(100 – 250) Вт ч/л.
227

228. ЩЕЛОЧНЫЕ НИКЕЛЬ- МЕТАЛЛОГИДРИДНЫЕ АККУМУЛЯТОРЫ

ЩЕЛОЧНЫЕ НИКЕЛЬМЕТАЛЛОГИДРИДНЫЕ АККУМУЛЯТОРЫ
Сравнение никель-кадмиевой и никельметаллогидридной систем
228

229. ЩЕЛОЧНЫЕ НИКЕЛЬ- МЕТАЛЛОГИДРИДНЫЕ АККУМУЛЯТОРЫ

ЩЕЛОЧНЫЕ НИКЕЛЬМЕТАЛЛОГИДРИДНЫЕ АККУМУЛЯТОРЫ
Достоинства:
1.
Высокие скорости разряда:
– до 5С постоянным током;
– до 10С импульсным.
2.
Большой ресурс (типично 400 – 1500
циклов при 100%-ной глубине циклирования),
срок службы – 5 лет.
229

230. ЩЕЛОЧНЫЕ НИКЕЛЬ- МЕТАЛЛОГИДРИДНЫЕ АККУМУЛЯТОРЫ

ЩЕЛОЧНЫЕ НИКЕЛЬМЕТАЛЛОГИДРИДНЫЕ АККУМУЛЯТОРЫ
3. Способность МН-электрода к быстрому
заряду.
4. Отсутствие токсичных материалов, более
экологически чистое производство.
5. Отсутствует «эффект памяти».
230

231. ЩЕЛОЧНЫЕ НИКЕЛЬ- МЕТАЛЛОГИДРИДНЫЕ АККУМУЛЯТОРЫ

ЩЕЛОЧНЫЕ НИКЕЛЬМЕТАЛЛОГИДРИДНЫЕ АККУМУЛЯТОРЫ
Недостатки:
1.
Более узкий диапазон рабочих температур
(обычно –10…+400С;
2.
Более высокую степень саморазряда;
231

232. ЩЕЛОЧНЫЕ НИКЕЛЬ- МЕТАЛЛОГИДРИДНЫЕ АККУМУЛЯТОРЫ

ЩЕЛОЧНЫЕ НИКЕЛЬМЕТАЛЛОГИДРИДНЫЕ АККУМУЛЯТОРЫ
Батареи герметичных щелочных НМН и
НК аккумуляторов
Для получения необходимого напряжения
(до 24 В) используется последовательное
соединение отдельных аккумуляторов в батареи.
Параллельное соединение аккумуляторов
для увеличения разрядного тока и емкости не
рекомендуется.
232

233. ЩЕЛОЧНЫЕ НИКЕЛЬ- МЕТАЛЛОГИДРИДНЫЕ АККУМУЛЯТОРЫ

ЩЕЛОЧНЫЕ НИКЕЛЬМЕТАЛЛОГИДРИДНЫЕ АККУМУЛЯТОРЫ
Для продолжительной работоспособности
батареи необходимо обеспечить идентичность
функционирования ее аккумуляторов, что
достигается их подбором.
233

234. ЩЕЛОЧНЫЕ НИКЕЛЬ- МЕТАЛЛОГИДРИДНЫЕ АККУМУЛЯТОРЫ

ЩЕЛОЧНЫЕ НИКЕЛЬМЕТАЛЛОГИДРИДНЫЕ АККУМУЛЯТОРЫ
Наиболее распространенные конструкции
аккумуляторных батарей цилиндрического типа.
Обычно плюсовый вывод батареи
выполняется проводом красного, а
отрицательный – черного цвета.
234

235. МЕТОДЫ ЗАРЯДА ГЕРМЕТИЧНЫХ ЩЕЛОЧНЫХ NI - МН И NI - CD АККУМУЛЯТОРОВ

МЕТОДЫ ЗАРЯДА ГЕРМЕТИЧНЫХ ЩЕЛОЧНЫХ NI МН И NI - CD АККУМУЛЯТОРОВ
Для заряда щелочных герметизированных
аккумуляторов и батарей используется
следующие виды заряда:
Нормальный или медленный (Slow Charge);
Быстрый заряд (Quick Charge);
Скоростной заряд (Fast Charge);
Струйный заряд – подзаряд
аккумуляторной батареи малыми токами для
компенсации саморазряда.
235

236. МЕТОДЫ ЗАРЯДА ГЕРМЕТИЧНЫХ ЩЕЛОЧНЫХ NI - МН И NI - CD АККУМУЛЯТОРОВ

МЕТОДЫ ЗАРЯДА ГЕРМЕТИЧНЫХ ЩЕЛОЧНЫХ NI МН И NI - CD АККУМУЛЯТОРОВ
Нормальный заряд с контролем конечного
напряжения заряда или времени заряда.
Pаряде зарядное устройство представляет
собой источник постоянного тока, в выходную цепь,
которого последовательно включено сопротивление,
обеспечивающее ограничение тока заряда до
необходимой величины.
236

237. МЕТОДЫ ЗАРЯДА ГЕРМЕТИЧНЫХ ЩЕЛОЧНЫХ NI - МН И NI - CD АККУМУЛЯТОРОВ

МЕТОДЫ ЗАРЯДА ГЕРМЕТИЧНЫХ ЩЕЛОЧНЫХ NI МН И NI - CD АККУМУЛЯТОРОВ
Временная характеристика нормального
режима.
Окончание заряда определяется либо по
времени (обычно 14…16 часов), либо по
достижении напряжения заряда равного 1,4…1,55
В на элемент батареи.
237

238. МЕТОДЫ ЗАРЯДА ГЕРМЕТИЧНЫХ ЩЕЛОЧНЫХ NI - МН И NI - CD АККУМУЛЯТОРОВ

МЕТОДЫ ЗАРЯДА ГЕРМЕТИЧНЫХ ЩЕЛОЧНЫХ NI МН И NI - CD АККУМУЛЯТОРОВ
Нормальный заряд с
отключением по таймеру.
Зарядное устройство
работает в два этапа:
1. Pаряд батареи током 0,2СН в течении
6 часов;
2. Переход в режим струйной
подзарядки малым током порядка 0,05
СН для компенсации саморазряда
батареи.
238

239. МЕТОДЫ ЗАРЯДА ГЕРМЕТИЧНЫХ ЩЕЛОЧНЫХ NI - МН И NI - CD АККУМУЛЯТОРОВ

МЕТОДЫ ЗАРЯДА ГЕРМЕТИЧНЫХ ЩЕЛОЧНЫХ NI МН И NI - CD АККУМУЛЯТОРОВ
Использование такого режима позволяет в
2 раза уменьшить время заряда и увеличить срок
службы аккумуляторной батареи.
239

240. МЕТОДЫ ЗАРЯДА ГЕРМЕТИЧНЫХ ЩЕЛОЧНЫХ NI - МН И NI - CD АККУМУЛЯТОРОВ

МЕТОДЫ ЗАРЯДА ГЕРМЕТИЧНЫХ ЩЕЛОЧНЫХ NI МН И NI - CD АККУМУЛЯТОРОВ
Быстрый заряд.
Используется только для заряда никелькадмиевых батарей.
1. Заряд осуществляется достаточно
большими токами (около 0,3СН) с отключением
аккумуляторной батареи после достижения
заданного конечного напряжения.
2. Переключение в режим струйной
подзарядки.
240

241. МЕТОДЫ ЗАРЯДА ГЕРМЕТИЧНЫХ ЩЕЛОЧНЫХ NI - МН И NI - CD АККУМУЛЯТОРОВ

МЕТОДЫ ЗАРЯДА ГЕРМЕТИЧНЫХ ЩЕЛОЧНЫХ NI МН И NI - CD АККУМУЛЯТОРОВ
Временная характеристика
быстрого режима заряда
Для защиты батареи от перегрева и
перезаряда используют предохранительные
устройства в виде термопредохранителя и таймера.
Применяется достаточно редко, поскольку
возможен как перезаряд, так и недозаряд батареи.
241

242. МЕТОДЫ ЗАРЯДА ГЕРМЕТИЧНЫХ ЩЕЛОЧНЫХ NI - МН И NI - CD АККУМУЛЯТОРОВ

МЕТОДЫ ЗАРЯДА ГЕРМЕТИЧНЫХ ЩЕЛОЧНЫХ NI МН И NI - CD АККУМУЛЯТОРОВ
Скоростной заряд.
(Метод отрицательного ΔV-заряда (Negative Delta V)).
Наиболее оптимальным является метод
скоростного заряда, который не допускает как
перезаряда, так и недозаряда батареи и продлевает
ее срок службы.
В этом методе управление зарядом
осуществляется с помощью микроконтроллера,
который осуществляет контроль напряжения батареи
и отключает ее при характерном изменении
напряжения.
242

243. МЕТОДЫ ЗАРЯДА ГЕРМЕТИЧНЫХ ЩЕЛОЧНЫХ NI - МН И NI - CD АККУМУЛЯТОРОВ

МЕТОДЫ ЗАРЯДА ГЕРМЕТИЧНЫХ ЩЕЛОЧНЫХ NI МН И NI - CD АККУМУЛЯТОРОВ
Такими характерными изменениями
является снижение напряжения в конце заряда:
- на 10…30 мВ на элемент для никелькадмиевых аккумуляторов;
- около 16 мВ на элемент для никельметаллогидридных аккумуляторов.
243

244. МЕТОДЫ ЗАРЯДА ГЕРМЕТИЧНЫХ ЩЕЛОЧНЫХ NI - МН И NI - CD АККУМУЛЯТОРОВ

МЕТОДЫ ЗАРЯДА ГЕРМЕТИЧНЫХ ЩЕЛОЧНЫХ NI МН И NI - CD АККУМУЛЯТОРОВ
244

245. МЕТОДЫ ЗАРЯДА ГЕРМЕТИЧНЫХ ЩЕЛОЧНЫХ NI - МН И NI - CD АККУМУЛЯТОРОВ

МЕТОДЫ ЗАРЯДА ГЕРМЕТИЧНЫХ ЩЕЛОЧНЫХ NI МН И NI - CD АККУМУЛЯТОРОВ
1. Для никель – кадмиевых аккумуляторов:
Инициирующий заряд током около 0,2СН в течении 5
мин.
Особенно он необходим для сильно
разряженных батарей.
2. Скоростной заряд током 0,5 СН.
В конце заряда на батарее наблюдается падение
напряжения из расчета 15…20 мВ на элемент, которое
служит сигналом для выключения режима скоростного
заряда.
245

246. МЕТОДЫ ЗАРЯДА ГЕРМЕТИЧНЫХ ЩЕЛОЧНЫХ NI - МН И NI - CD АККУМУЛЯТОРОВ

МЕТОДЫ ЗАРЯДА ГЕРМЕТИЧНЫХ ЩЕЛОЧНЫХ NI МН И NI - CD АККУМУЛЯТОРОВ
3. Переход в режим струйного заряда током 0,05
СН в течении 15 часов.
Предусмотрено также принудительное
отключение батареи, если напряжение на
батарее превышает 1,95 В на элемент.
246

247. МЕТОДЫ ЗАРЯДА ГЕРМЕТИЧНЫХ ЩЕЛОЧНЫХ NI - МН И NI - CD АККУМУЛЯТОРОВ

МЕТОДЫ ЗАРЯДА ГЕРМЕТИЧНЫХ ЩЕЛОЧНЫХ NI МН И NI - CD АККУМУЛЯТОРОВ
Наиболее совершенные зарядные устройства
имеют термодатчик с помощью которого
контролируют скорость нарастания температуры
батареи (ΔТ). Отключение батареи происходит в том
случае, если скорость нарастания температуры
составляет более 1 0С/мин. При этом абсолютный
порог срабатывания по температуре устанавливается
равным 600 С.
Суть метода заключается в том, что в конце
заряда происходит интенсивный нагрев батареи.
247

248. МЕТОДЫ ЗАРЯДА ГЕРМЕТИЧНЫХ ЩЕЛОЧНЫХ NI - МН И NI - CD АККУМУЛЯТОРОВ

МЕТОДЫ ЗАРЯДА ГЕРМЕТИЧНЫХ ЩЕЛОЧНЫХ NI МН И NI - CD АККУМУЛЯТОРОВ
Изменение напряжения (U), температуры (Т) и
давления (Р) при заряде никель-кадмиевых батарей
248

249. МЕТОДЫ ЗАРЯДА ГЕРМЕТИЧНЫХ ЩЕЛОЧНЫХ NI - МН И NI - CD АККУМУЛЯТОРОВ

МЕТОДЫ ЗАРЯДА ГЕРМЕТИЧНЫХ ЩЕЛОЧНЫХ NI МН И NI - CD АККУМУЛЯТОРОВ
Эффективность заряда стандартных
никель-кадмиевых батарей при:
скоростном методе заряда 91 %;
медленном – только 71 %.
Время заряда при:
скоростном методе – около 1 часа;
медленном достигает 14…16 часов.
249

250. МЕТОДЫ ЗАРЯДА ГЕРМЕТИЧНЫХ ЩЕЛОЧНЫХ NI - МН И NI - CD АККУМУЛЯТОРОВ

МЕТОДЫ ЗАРЯДА ГЕРМЕТИЧНЫХ ЩЕЛОЧНЫХ NI МН И NI - CD АККУМУЛЯТОРОВ
Для никель – металлогидридных
аккумуляторов:
1. Инициирующий заряд током 0,2…0,3СН в течении
10 мин. до напряжения на одном элементе 0,8 В.
2. Скоростной заряд током 0,5…1,0СН .
Для прекращения заряда по отрицательному
перепаду напряжения его величина должна
составлять не менее 5…10 мВ на элемент.
250

251. МЕТОДЫ ЗАРЯДА ГЕРМЕТИЧНЫХ ЩЕЛОЧНЫХ NI - МН И NI - CD АККУМУЛЯТОРОВ

МЕТОДЫ ЗАРЯДА ГЕРМЕТИЧНЫХ ЩЕЛОЧНЫХ NI МН И NI - CD АККУМУЛЯТОРОВ
Для прекращения заряда по увеличению
скорости нарастания температуры батареи ее
значение должно составлять 1…2 0С/мин.
3. Струйный заряд током 0,05СН.
251

252. СЕРЕБРЯНО-ЦИНКОВЫЕ (СЦ) АККУМУЛЯТОРЫ

(система Zn | KOH | AgO (Ag2O))
получили распространение в основном в
специальных областях: в авиации, ракетной и
космической технике и др.
Причина – высокая стоимость.
Серебряно-цинковые аккумуляторы (СЦА)
содержат примерно 4 – 5 г Ag на 1 А·ч.
Электролит – 40% KOH, насыщенный
K2ZnO2.
252

253. СЕРЕБРЯНО-ЦИНКОВЫЕ (СЦ) АККУМУЛЯТОРЫ

Выпускаются в виде элементов и
аккумуляторов разряженном виде, так что
сначала делается первичный заряд. Процесс
заряда достаточно сложен и состоит из двух
ступеней.
I ступень (I)
E = 1.6 В (ЭДС= НРЦ) –
частично разряженный;
II ступень (II)
E = 1.86 В (ЭДС= НРЦ) –
полностью заряженный.
253

254. СЕРЕБРЯНО-ЦИНКОВЫЕ (СЦ) АККУМУЛЯТОРЫ

Заряд прекращают при достижени (2 – 2,05) В.
Изменение напряжения серебряно-цинкового
аккумулятора нрн заряде (1) и разряде (2) током
0,1 С ном
254

255. СЕРЕБРЯНО-ЦИНКОВЫЕ (СЦ) АККУМУЛЯТОРЫ

Допускают разряд как малыми, так и очень
большими токами (до 2С, что соответствует
полному разряду за ½ часа).
В последнем случае длительность разряда
ограничивается в основном перегревом
аккумулятора.
255

256. СЕРЕБРЯНО-ЦИНКОВЫЕ (СЦ) АККУМУЛЯТОРЫ

Удельные параметры очень высокие и
составляют:
WУД m=90 – 130 Вт ч/кг;
WУД v=180 – 200 Вт ч/л.
Ресурс СЦА составляет от 30 до 200 зарядноразрядных циклов.
Срок службы до 2 лет.
Работоспособны до –400С, заметное снижение
емкости начинается с –200С.
256

257. СЕРЕБРЯНО-ЦИНКОВЫЕ (СЦ) АККУМУЛЯТОРЫ

Конструкция
– дисковое(элементы) или призматическое
баночное (аккумуляторы) исполнение.
Например, фирма Yardny (США) выпускает 19
типоразмеров СЦ аккумуляторов емкостью от 0,5 до
525 А-ч, которые применяют более чем в 50 видах
различных изделий.
Особенность эксплуатации СЦА – он должен
храниться в разряженном состоянии. Опасен
перезаряд.
257

258. СЕРЕБРЯНО-ЦИНКОВЫЕ (СЦ) АККУМУЛЯТОРЫ

Устройство и
характеристики
серебряно-цинкового
аккумулятора
Для СЦ аккумуляторов
прямоугольная форма
корпуса,
плоскопараллельное
расположение электродов
и матричный электролит.
Устройство серебряно-цинкового
аккумулятора:
1 — положительный электрод;
2 — отрицательный электрод;
3 — сепаратор; 4 — корпус;
5 — токоотвод; 6 — бори;
7 — клапан; 8 — крышка.
258

259. СЕРЕБРЯНО-ЦИНКОВЫЕ (СЦ) АККУМУЛЯТОРЫ

Разрядные
характеристики СЦ
аккумуляторов, отличаются
стабильностью, если не
считать начальный участок
напряжения, который тем
короче, чем выше
разрядный ток.
Возрастание тока мало
влияет на емкость и
разрядное напряжение.
Разрядные характеристики
СЦ аккумулятора при
температуре 20 °С и разряде
тока:
1 – 0,1 Сном; 2 – 0,5 Сном; 3 –
1 Сном; 4 – 2 Сном
259

260. СЕРЕБРЯНО-ЦИНКОВЫЕ (СЦ) АККУМУЛЯТОРЫ

СЦ аккумуляторы обладают сравнительно
низким саморазрядом, который не превышает
2—4% в месяц.
На лучших образцах этот показатель снижен
до 15% в год.
260

261. СЕРЕБРЯНО-ЦИНКОВЫЕ (СЦ) АККУМУЛЯТОРЫ

Основной недостаток СЦ аккумуляторов —
малый ресурс: чем на больший ток разряда
рассчитан аккумулятор, тем короче срок службы.
Поэтому аккумуляторы, рассчитанные на ток
2I1, имеют гарантированный ресурс 10—15
циклов, а те, которые предназначены для
длительных разрядов, могут работать в течение
80—100 циклов.
261

262. СЕРЕБРЯНО-ЦИНКОВЫЕ (СЦ) АККУМУЛЯТОРЫ

СЦА заряжают:
1. Стабилизированным током (10—20) часового заряда до напряжения не выше 2,05 В;
2. Стабилизированным напряжением (1,96—
2,00) В в течение ~ 16 ч.
Хранить аккумуляторы лучше в разряженном
состоянии.
262

263. ЛИТИЙ-ИОННЫЕ АККУМУЛЯТОРЫ

Процесс разряда и заряда литий-ионного
аккумулятора сводится к переносу ионов лития из
матричного анода в катод матричного типа.
Металлический литий в системе отсутствует.
263

264. ЛИТИЙ-ИОННЫЕ АККУМУЛЯТОРЫ

Реакции в случае наиболее распространенных
электродных материалов имеют вид:
разряд →
Li+ + e− + 6C ↔ LiC6
← заряд
разряд→
LiСоО2 ↔ Li+ + е− + CоО2
← заряд
264

265. ЛИТИЙ-ИОННЫЕ АККУМУЛЯТОРЫ

Электрические характеристики
НРЦ=(4,1…4,2) В, UP= (3,5…3,7) В.
Энергетические характеристики
Емкость – до 100 А*час.
Удельные характеристики
W УД m=(100…180) Вт·ч/кг;
W УД v=(250…400) Вт·ч/м3.
265

266. ЛИТИЙ-ИОННЫЕ АККУМУЛЯТОРЫ

а)
б)
Разрядные характеристики литий-ионного
аккумулятора PANASONIC CGR18650H при разных токах разряда
и температуре 200С (а), и разной температуре при токе разряда
1СН (б)
266

267. ЛИТИЙ-ИОННЫЕ АККУМУЛЯТОРЫ

Саморазряд составляет 10…20 % в год.
Ресурс работы составляет 500…1000
циклов.
Диапазон рабочих температур (−20…+60)0С.
267

268. ЛИТИЙ-ИОННЫЕ АККУМУЛЯТОРЫ

Обозначения литий-ионных аккумуляторов.
В соответствии с системой МЭК обозначение
литий-ионных аккумуляторов следующее:
Первая буква отражает электрохимическую
систему (I, G).
Вторая буква обозначает материал катода (С –
кобальт, N - никель, М – марганец).
Третья буква обозначает конструктивное
исполнение (R - цилиндрические, Р призматические).
268

269. ЛИТИЙ-ИОННЫЕ АККУМУЛЯТОРЫ

Следующие за буквами цифры в
цилиндрических аккумуляторах обозначают диаметр
в мм (первые две цифры) и высоту в десятых мм (3
цифры).
В призматических аккумуляторах цифры
обозначают длину, ширину и высоту в мм.
Однако многие компании вводят свои
буквенные обозначения, но цифры в наименовании
соответствуют требованиям МЭК.
CGR18650H
269

270. ЛИТИЙ-ИОННЫЕ АККУМУЛЯТОРЫ

Методы заряда литий-ионных аккумуляторов.
Заряд производится по принципу
ограничения до напряжения 4,2 В без режима
струйной подзарядки.
При заряде током 1СН время заряда
составляет 2…3 часа.
В процессе заряда они не нагреваются.
270

271. ЛИТИЙ-ИОННЫЕ АККУМУЛЯТОРЫ

Полный заряд:
напряжение достигает 4,2 В;
ток снижается до 3 % от начального.
Увеличение тока заряда не приводит к
существенному снижению времени заряда.
271

272. ЛИТИЙ-ИОННЫЕ АККУМУЛЯТОРЫ

Типовая зарядная характеристика литий-ионного
аккумулятора
272

273. ЛИТИЙ-ИОННЫЕ АККУМУЛЯТОРЫ

Для сокращения времени зарядки до 1
часа этап 2 зарядки исключается, но батарея
достигает только 70 % заряда.
Для компенсации саморазряда производят
подзарядку большим током через 500 часов или
20 суток.
Перезаряд и разборка не допустимы, так
как могут вызвать воспламенение.
273

274. ЛИТИЙ-ПОЛИМЕРНЫЕ АККУМУЛЯТОРЫ

В основе литий-полимерного аккумулятора
лежит явление перехода некоторых полимеров в
полупроводниковое состояние в результате
внедрения в них ионов электролита.
Проводимость полимеров при этом
возрастает более чем на порядок.
274

275. ЛИТИЙ-ПОЛИМЕРНЫЕ АККУМУЛЯТОРЫ

К настоящему времени серийно
выпускаются источники тока со следующими
группами электролитов:
Сухие полимерные электролиты;
Гель-полимерные гомогенные
электролиты;
Неводные растворы солей лития,
сорбированные в микропористой полимерной
матрице.
275

276. ЛИТИЙ-ПОЛИМЕРНЫЕ АККУМУЛЯТОРЫ

Удельные характеристики сравнимы с
характеристиками литий-ионных аккумуляторов.
В то же время они:
безопаснее в эксплуатации;
более компактны;
могут быть выполнены в любой
конфигурации.
276

277. ЛИТИЙ-ПОЛИМЕРНЫЕ АККУМУЛЯТОРЫ

Процесс заряда литий-полимерных
батарей подобен заряду литий-ионных батарей.
Время их заряда составляет обычно 3…5 часов.
277

278. ЛИТИЙ-ПОЛИМЕРНЫЕ АККУМУЛЯТОРЫ

Батареи из литий-ионных
и литий-полимерных аккумуляторов
Литиевые батареи большой емкости и с
большим напряжением реализуются в виде
сложной системы параллельнопоследовательных соединений аккумуляторов
малой емкости.
278

279. ЛИТИЙ-ПОЛИМЕРНЫЕ АККУМУЛЯТОРЫ

В этом случае необходима система
электронной защиты от перезаряда и
переразряда отдельных аккумуляторов,
составляющих батарею.
Обычно в схеме защиты литиевых батарей
используется ключи на полевых транзисторах (Т1
и Т2), которые контролируют процессы заряда и
разряда.
279

280. ЛИТИЙ-ПОЛИМЕРНЫЕ АККУМУЛЯТОРЫ

Примерная схема защиты литий-ионного аккумулятора от
перезаряда и переразряда
280

281. ЛИТИЙ-ПОЛИМЕРНЫЕ АККУМУЛЯТОРЫ

Кроме того, имеющийся
термопредохранитель при нагреве батареи до 900 С
отключает цепь ее нагрузки, обеспечивая тем самым
ее тепловой режим.
Помимо этого в каждый элемент
аккумулятора встраивается защитный выключатель,
который при достижении порогового давления
внутри корпуса, равного 1034 кПа (10 кг/м2),
разрывает цепь нагрузки.
Вся система управляется микроконтроллером.
281

282. ТОПЛИВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ

Топливный элемент (ТЭ) — это химический
источник тока, в котором активные вещества
поступают к электродам извне по мере их
расходования при непрерывном отводе
продуктов разряда.
.Скорость поступления веществ, как и
скорость отвода продуктов токообразующих
реакций, пропорциональна токовой нагрузке на
элемент.
282

283. ТОПЛИВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ

Топливный элемент (или электрохимический
генератор – ЭХГ ) сложное устройство, в который
кроме батареи ТЭ входят системы хранения,
подготовки и подачи активных веществ, отвода
теплоты и продуктов реакций, а также системы
автоматического контроля и регулирования
параметров.
283

284. ТОПЛИВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ

Первоначальная идея топливного элемента,
выдвинутая известным физико-химиком В. Оствальдом
(1894), заключалась в получении дешевой электроэнергии
при «электрохимическом сжигании» угля. Получение
энергии постоянного тока без машинным способом
непосредственно из угля и кислорода воздуха сулило
гигантскую экономию топлива, поскольку на начальном
этапе развития ТЭ предполагался КПД превращения
ΔH→ΔW близкий теоретическому.
Однако ряд непреодолимых проблем привел к
тому, что к середине 1950-х годов от идеи экономичной
электрохимической переработки природного топлива
пришлось отказаться.
284

285. ТОПЛИВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ

В тоже время работы над источниками тока длительного
действия с непрерывной подачей активных веществ, за
которыми закрепилось название «топливный элемент»,
получили новый стимул.
Исследование и техническое воплощение в реальной
конструкции электродных пар:
водород — кислород;
гидразин— пероксид водорода;
метанол — кислород
и других показало, что подобные источники тока обладают
непревзойденным сочетанием высокой удельной энергии со
значительной мощностью при непрерывном разряде 1000—
5000 ч.
285

286. ТОПЛИВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ

Особое значение они приобрели как
автономные источники питания для космических
и подводных исследований.
В частности, топливные батареи позволили
успешно реализовать американскую программу
полетов на Луну, они же служат блоками питания
космических кораблей многоразового
использования программы «Шаттл» (США).
286

287. ТОПЛИВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ

Электрохимические системы, применяемые
в топливных элементах, отличаются высоким
термодинамическим КПД, для некоторых из них
ήT> 1 (dЕ/dТ> 0 ).
Эффективный (фактический) КПД
значительно ниже и для лучших образцов ТЭ
лежит в пределах 50—75%.
287

288. Источники электропитания МР

При выборе и разработке источника питания
(ИП) необходимо учитывать ряд факторов,
определяемых условиями эксплуатации,
свойствами нагрузки, требованиями к
безопасности и т.д.:
- напряжение питания;
- потребляемый ток;
- требуемый уровень стабилизации
напряжения питания;
288

289. ИСТОЧНИКИ ВТОРИЧНОГО ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ.

Основная задача: преобразование энергии
первичного источника в комплект выходных
напряжений, которые могут обеспечить
нормальное функционирование электронного
устройства.
289

290. ИСТОЧНИКИ ВТОРИЧНОГО ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ.

Устройство управления и контроля используется для изменения
характеристик ИВЭП при различных сигналах внешнего или внутреннего
управления (дистанционного включения или выключения, перевода в
ждущий режим, формирования сигналов сброса и др.).
290

291. ИСТОЧНИКИ ВТОРИЧНОГО ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ.

Устройство защиты и коммутации
позволяет сохранить работоспособность ИВЭП
при возникновении различных нестандартных
режимов (короткого замыкания в нагрузке, ее
внезапного отключения, резкого повышения
окружающей температуры и др.).
291

292. КЛАССИФИКАЦИЯ ИВЭП

1. По типу питающей цепи:
1.1. Однофазная сеть переменного тока;
1.2. Трехфазная сеть переменного тока;
1.3. Автономные источники постоянного
тока (ХИТ).
292

293. КЛАССИФИКАЦИЯ ИВЭП.

2. По роду тока нагрузки:
2.1 ИП с выходом на переменном токе;
2.2 ИП с выходом на постоянном токе;
2.3 ИП с выходом на переменном и
постоянном токе.
293

294. КЛАССИФИКАЦИЯ ИВЭП

3. По числу выходов:
3.1 одноканальные ИП, имеющие один
выход постоянного или переменного тока;
3.2 многоканальные ИП, имеющие два или
более выходных напряжений.
294

295. КЛАССИФИКАЦИЯ ИВЭП.

4. По стабильности напряжения на нагрузке:
4.1. Стабилизированные ИП;
4.2. Нестабилизированные ИП.
Стабилизированные источники питания
быть разделены:
295

296. КЛАССИФИКАЦИЯ ИВЭП

а) по характеру стабилизации напряжения:
- ИП с непрерывным регулированием;
- ИП с импульсным регулированием.
б) по характеру обратной связи:
- параметрические;
- компенсационные;
- комбинированные.
296

297. ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ИВЭП

Все характеристики ИВЭП можно
разделить на:
входные;
выходные;
эксплуатационные.
297

298. ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ИВЭП

К входным характеристикам ИВЭП относят:
1. Номинальное значение питающего
напряжения U.
2. Относительная нестабильность
питающего напряжения, характеризующая
возможные пределы изменения его значения
относительно номинального
– верхний предел:
298

299. ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ИВЭП

,
– нижний предел
где
Uп.макс и Uп.мин – максимальное и минимальное
значение напряжения питающей сети.
299

300. ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ИВЭП

,
3. Внутреннее сопротивление первичного
источника питания.
4. Уровень пульсаций напряжения на выходе
источника первичного электропитания (для ПИП
постоянного тока), который характеризует
амплитуду (или эффективное значение)
переменной составляющей напряжения.
300

301. ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ИВЭП

,
К выходным характеристикам ИВЭП
обычно относят:
1. Номинальные значения выходных
напряжений и токов.
2. Нестабильность выходных напряжений в
процессе эксплуатации.
3. Максимальная, минимальная и
номинальная мощность по каждой из выходных
цепей ИП.
301

302. ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ИВЭП

,
4. Номинальное значение тока, потребляемого от
первичного источника питания.
5. Коэффициент полезного действия в
номинальном режиме
где n–число выходов (выходных цепей) ИП.
Р нi.ном – номинальная мощность, передаваемая в
нагрузку по i-му выходу,
Р п.ном – номинальная потребляемая мощность.
302

303. ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ИВЭП

,
6. Внутреннее дифференциальное
сопротивление ИП
Нагрузочная характеристика
ИП
1–идеального;
2–реального .
303

304. ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ИВЭП

,
7. Уровень пульсаций выходного
напряжения Uп и/или коэффициент пульсаций Кп
Кп =Uп/Uo,
где Uп, Uо – переменная и постоянная
составляющие выходного напряжения.
304

305. ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ИВЭП

,
К эксплуатационным характеристикам
относят:
1.
Диапазон рабочих температур;
2.
Допустимую относительную влажность;
3.
Диапазон допустимых давлений
окружающей атмосферы;
4.
Допустимые механические нагрузки;
305

306. ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ИВЭП

,
5. Удельную мощность
где Рном – номинальная мощность,
передаваемая в нагрузку;
V – объем ИВЭП (обычно измеряемый в дм3);
6. Надежность ИВЭП, которая обеспечивается
мероприятиями, выполняемыми на этапах
разработки, изготовления и эксплуатации.
306

307. ЛИНЕЙНЫЕ И ИМПУЛЬСНЫЕ ИВЭП

Учитывая, что в качестве ПИП используются
ХИТ (гальванические элементы и аккумуляторы),
будем считать, что на вход ВИП поступает
постоянное напряжение, значение которого
определяется параметрами ХИТ.
Задача ВИП состоит в том, что бы
преобразовать его в постоянное или переменное
напряжение или ток с заданными
характеристиками.
307

308. ЛИНЕЙНЫЕ И ИМПУЛЬСНЫЕ ИВЭП

ВИП принято делить на линейные и
импульсные.
Выбор того или иного вида зависит от
стоящими перед ВИП задачами.
308

309. ЛИНЕЙНЫЕ И ИМПУЛЬСНЫЕ ИВЭП

309

310. ЛИНЕЙНЫЕ И ИМПУЛЬСНЫЕ ИВЭП

Анализ данных, приведенных в таблице,
позволяет сделать следующие выводы:
1. Линейные ВИП, обладающие низкими
КПД и удельной мощностью, но имеющие
хорошие показатели по стабильности, низкий
уровень пульсаций и отсутствию импульсных
помех целесообразно использовать для питания
маломощных прецизионных узлов, сенсоров и
датчиков.
310

311. ЛИНЕЙНЫЕ И ИМПУЛЬСНЫЕ ИВЭП

2. Импульсные ВИП, обладающие
высокими показателями КПД и удельной
мощности, возможностью инвертирования и
повышения напряжения, но имеющие не
высокую стабильность и высокий уровень
импульсных помех можно применить для
питания цифровых элементов схемы и
исполнительных устройств.
311

312. ЛИНЕЙНЫЕ И ИМПУЛЬСНЫЕ ИВЭП

В этом случае речь будет идти о двух типах
электронных устройств, используемых в качестве
ВИП:
1. Преобразователь постоянного
напряжения в постоянное (DC – DC конвертор);
2. Преобразователь постоянного
напряжения в переменное (DC – АC конвертор
или инвертор).
312

313. ЛИНЕЙНЫЕ И ИМПУЛЬСНЫЕ ИВЭП

DC – DC
(direct current-direct current –
постоянный ток - постоянный ток) –
преобразователи постоянного напряжения в
постоянное другого значения.
DC – AC
(direct current-alternating current–
постоянный ток - переменный ток) –
преобразователи постоянного напряжения в
переменное.
313

314. ЛИНЕЙНЫЕ ИВЭП

Линейные ИВЭП целесообразно использовать
для питания сенсоров и датчиков,
высокочувствительных усилительных схем с
низким энергопотреблением.
314

315. ЛИНЕЙНЫЕ ИВЭП

В линейных ВИП выходное напряжение всегда
меньше входного и имеет такую же полярность.
Разница между входным и выходным напряжениями
создается за счет падения напряжения на
регулирующем (гасящем) элементе, в качестве
которого могут быть использованы активное
сопротивление, индуктивность или емкость( на
переменном токе) или полупроводниковый прибор
(транзистор или тиристор)
315

316. ЛИНЕЙНЫЕ ИВЭП

При этом на регулирующем элементе
выделяется энергия, которая рассеивается в
пространстве в виде тепла
Линейные ВИП можно разделить на
нерегулируемые, регулируемые и
стабилизированные.
316

317. ЛИНЕЙНЫЕ ИВЭП

Простейший нерегулируемый ВИП может
быть представлен обычным резистивным
делителем, выходное напряжение которого
равно
317

318. ЛИНЕЙНЫЕ ИВЭП

При выполнении выше приведенного
условия ток в нагрузке будет очень мал и равен
U2
ER2
IH
.
RH ( R1 R2 ) RH
318

319. ЛИНЕЙНЫЕ ИВЭП

Для увеличения выходного тока можно
использовать транзистор, управляющее
напряжение на базу которого подается со
средней точки делителя.
Выходное напряжение равно
а максимальный ток в нагрузке будет ограничен базовым
током транзистора и его предельными параметрами.
319

320. ЛИНЕЙНЫЕ ИВЭП

Для регулирования выходного напряжения
и в первом и во втором случае можно R2 сделать
переменным или установить переменный
резистор между R1 и R2 или так
320

321. ЛИНЕЙНЫЕ ИВЭП

В заключение следует отметить, что,
- во первых, выходное напряжение
повторяет все изменения входного;
- во вторых, зависит от параметров
нагрузки.
321

322. ЛИНЕЙНЫЕ СТАБИЛИЗАТОРЫ

Устройства, автоматически
поддерживающие неизменным напряжение (ток)
на своем выходе, называются стабилизаторами
напряжения (тока).
Стабилизированные ВИП можно разделить
на две группы:
−
параметрические;
−
компенсационные.
322

323. ЛИНЕЙНЫЕ СТАБИЛИЗАТОРЫ

Параметрические стабилизаторы строятся
на основе нелинейных элементов
(стабилитронов, варисторов и др.), параметры
которых изменяются непосредственно под
воздействием дестабилизирующих факторов.
Вольтамперные характеристики
нелинейных элементов:
а−стабилизатор напряжения;
б−стабилизатор тока.
323

324. ЛИНЕЙНЫЕ СТАБИЛИЗАТОРЫ

Компенсаторные стабилизаторы имеют
обратную связь по напряжению, благодаря
которой выходное сопротивление стабилизатора
существенно уменьшается и выходное
напряжение остается более стабильным.
324

325. ЛИНЕЙНЫЕ СТАБИЛИЗАТОРЫ

Работает стабилизатор следующим образом: в
измерительном элементе происходит сравнение
выходного напряжения с опорным и вырабатывается
сигнал рассогласования. В преобразующем
устройстве сигнал рассогласования усиливается и
преобразуется в управляющий сигнал для
регулирующего элемента. Под действием этого
управляющего сигнала изменяется внутреннее
состояние регулирующего элемента так, чтобы
поддерживать выходное напряжение равное
опорному.
325

326. ЛИНЕЙНЫЕ СТАБИЛИЗАТОРЫ

1)
Основные параметры стабилизированных
ВИЭП.
коэффициент стабилизации:
где Uвх, Uвых – входное и выходное
напряжения;
∆Uвых – приращение выходного напряжения
обусловленное изменением напряжения на входе
∆Uвх.
326

327. ЛИНЕЙНЫЕ СТАБИЛИЗАТОРЫ

В упрощенном варианте принимают
327

328. ЛИНЕЙНЫЕ СТАБИЛИЗАТОРЫ

Различают интегральный и
дифференциальный коэффициенты
стабилизации:
−
интегральный Кст определяет
стабилизацию в заданном диапазоне изменения
дестабилизирующего фактора (входного
напряжения);
−
дифференциальный Кст − в бесконечно
малом диапазоне изменения этой величины.
328

329. ЛИНЕЙНЫЕ СТАБИЛИЗАТОРЫ

К определению интегрального коэффициента
стабилизации.
329

330. ЛИНЕЙНЫЕ СТАБИЛИЗАТОРЫ

Практическое значение имеет интегральный Кст:
где
−коэффициент передачи напряжения в
номинальном режиме;
330

331. ЛИНЕЙНЫЕ СТАБИЛИЗАТОРЫ

2) коэффициент нестабильности по
напряжению:
KнU определяется как отношение
производной выходного напряжения по
входному напряжению к выходному
напряжению;
331

332. ЛИНЕЙНЫЕ СТАБИЛИЗАТОРЫ

3) коэффициент нестабильности по току:
KнI определяется как относительное
изменение выходного напряжения при
изменении выходного тока в заданном интервале
значений;
332

333. ЛИНЕЙНЫЕ СТАБИЛИЗАТОРЫ

4) выходное сопротивление:
Выходным сопротивлением стабилизатора
называется отношение изменения напряжения на
выходе стабилизатора к вызвавшему его
изменению тока нагрузки при постоянном
входном напряжении;
333

334. ЛИНЕЙНЫЕ СТАБИЛИЗАТОРЫ

5) коэффициент подавления (сглаживания)
пульсаций – отношение напряжения пульсаций
на входе стабилизатора к напряжению пульсаций
на его выходе
U П . ВХ
K ПП
.
U П . ВЫХ
334

335. ЛИНЕЙНЫЕ СТАБИЛИЗАТОРЫ

6) коэффициент полезного действия КПД
определяется как отношение мощности
отдаваемой стабилизатором в нагрузку к
мощности, потребляемой самим стабилизатором.
РВЫХ
.
РВХ РВЫХ
335

336. ЛИНЕЙНЫЕ СТАБИЛИЗАТОРЫ

Параметрический стабилизатор
336

337. Линейные стабилизаторы

Параметрический стабилизатор
R1 =
UBX – UСТ
=
I
1
UBX – UСТ
UСТ
Е
I
U
IСT + UСТ/RH
А
I1= IСТ + IН
IСТ>> IН – примерно в 10 раз
UBX = UR1 + UСТ
Е
RБ
Недостатки: – низкий KСТ при изменении Е и RН ;
– высокое RВЫХ .
Для снижения RВЫХ используется ЭП
337

338. Линейные стабилизаторы

Компенсационный на транзисторе
– с последовательным регулирующим элементом;
– с параллельным регулирующим элементом.
RБ
RР
IПР
=U
UCT
RН
IПР
=U
RР
RН
UCT
RР – транзистор
UCT U U RP
∆U = UОП – UСТ
РЭ
UОП
UОП
+
- UCT
∆U
K
1. =U
UYC
UCT
Uст
∆U
UYC = K (UОП – UСТ)
UYC
RP
UСТ
2. Uст ↓ → ΔU↑ →UYC ↑ → RP ↓ → Uст ↑
Цикл регулирования от +∆UСТ до -∆UСТ
338

339. Линейные стабилизаторы

vT1
+
+
RК
=U
vT2
VD
-
R1
R2
RБ
Uст
=U
IК2
+∆ Uст
=UR1
UК2
IБ1
(UБЭ2= UR1 – UOП)
IБ2
(-∆UСТ)
UОП
-
339

340. Линейные стабилизаторы

Защита от КЗ на выходе
При отсутствии КЗ транзистор VT1 заперт и опорное
напряжение со стабилитрона VD3 через R3 поступает на
базу VT2 (VT2 и VT3 – составной транзистор).
При КЗ эмиттер VT1 замыкается на землю и транзистор
открывается, шунтируя стабилитрон. Опорное напряжение
падает, транзисторы VT2 и VT3 запираются.
340

341. Линейные стабилизаторы

Защита от перенапряжения на выходе
Высокое напряжение на выходе может
возникнуть при скачке входного напряжения
(стабилизатор не может его компенсировать),
при пробое регулирующего транзистора или
выходе из строя элементов управления
341

342. Линейные стабилизаторы

При нормальной работе стабилизатора (UВЫХ
>UСТ) стабилитрон VD1 закрыт, ток через резистор R
не протекает и тиристор VD2 закрыт, т.к. к
управляющему
электроду не приложено открывающее напряжение.
При недопустимом увеличении выходного
напряжения стабилитрон VD1 открывается и через
резистор R протекает ток. На резисторе R создается
падение напряжения, которое прикладывается к
управляющему электроду тиристора. Тиристор VD2
открывается и шунтирует выход стабилизатора.
342

343. Линейные стабилизаторы

Интегральные схемы-датчики перенапряжения
Данные микросхемы следят за выходным
напряжением стабилизатора и напрямую управляют
тиристором.
- МС3425 имеет регулируемый порог и время
срабатывания, а также имеет вывод для сигнализации о
недопустимом уменьшении напряжения питания.
-МС3425 содержит встроенный источник опорного
напряжения, несколько компараторов и драйверов.
Для работы ИМС требуется подключение только двух
внешних резисторов.
343

344. Линейные стабилизаторы

Модули защиты от перенапряжения.
Выпускаются различными фирмами-изготовителями ИМС
(Lambda, Motorola и др.). Модули защиты имеют всего два
вывода и подключаются параллельно выходу
стабилизатора.
L-6-0V-5 (фирма Lambda) выдерживают ток 2 А и имеют
фиксированные значения напряжения срабатывания 5, 6,
12, 15, 18, 20, 24 В.
Серия МРС200 (фирма Motorola) выпускается на
напряжения 5, 12 и 15 В и рассчитаны на ток 7,5, 15, 35 А.
344

345. Линейные стабилизаторы

С регулирующим ОУ
ОУ включен по схеме неинвертирующего усилителя
(для опорного напряжения Uоп) с отрицательной обратной
связью по напряжению. Сигнал обратной связи снимается
с положительного полюса нагрузки Rн, и ОУ таким образом
«отрабатывает» выходное напряжение в соответствии с
зависимостью:
Uвых = Uоп⋅(1+R2 / R1).
345

346. Линейные ИВЭП

Необходимый ток нагрузки обеспечивается
проходным транзистором VT, включенным по
схеме эмиттерного повторителя.
Достоинства:
- высокий коэффициент стабилизации;
- эффективное подавление пульсаций.
Можно дополнить схемами защиты.
346

347. Интегральные стабилизаторы

Выполняются на одном кристалле, где
располагаются ОУ, источник опорного
напряжения, выходной транзистор, схемы
защиты.
347

348. Интегральные стабилизаторы

Практически все интегральные стабилизаторы
имеют встроенные цепи защиты:
1) от короткого замыкания в нагрузке;
2) от перегрева;
3) коррекцию области безопасной работы
проходного транзистора.
348

349. Интегральные стабилизаторы

Различают стабилизаторы напряжения:
- положительного (на рисунке);
- отрицательного;
- двуполярные симметричные;
- многоканальные (на несколько
напряжений).
349

350. Интегральные стабилизаторы

Различают также:
- трехвыводные – на фиксированные
напряжения (например: 5, 6, 9, 10, 12, 15 В и т.д;
- четырех- и более выводные – позволяют
регулировать выходное напряжение и реализуют
некоторые дополнительные функции (включение,
выключение).
350

351. Интегральные стабилизаторы

Типовая схема включения трехвыводного
стабилизатора
На вход ИМС стабилизатора подается постоянное
напряжение несколько большее по величине
выходного напряжения (на 0,5 – 3 В). Конденсаторы
С1 и С2 сглаживают пульсации, гасят броски
напряжения, вызванные переходными процессами,
и предотвращают возбуждение ИМС.
351

352. Интегральные стабилизаторы

Четырехвыводной стабилизатор
имеет вход регулировки выходного напряжения.
Регулировка осуществляется за счет
изменения внешних сопротивлений R1 и R2.
U ВЫХ U ОП (1
R2
R1
)
352

353. Интегральные стабилизаторы

Повышение выходного напряжения
в трехвыводном стабилизаторе
достигается включением стабилитрона в цепь
общего вывода ИМС.
При этом UВЫХ=UстVD +UстDA.
Ток стабилизации стабилитрона определяется:
а) током потерь ИМС;
б) значением Rб.
353

354. Интегральные стабилизаторы

Источник питания на трехвыводном
стабилизаторе с регулируемым выходным
напряжением.
Элементы R1, VD, R2 образуют параметрический
стабилизатор с регулируемым выходным
напряжением. Uвых изменяется в интервале от
UстDA до UстDA + UстVD.
354

355. Интегральные стабилизаторы

Функциональное изменение выходного напряжения
Если по определенному закону изменять
потенциал вывода СОМ относительно общего
провода схемы, можно осуществлять
функциональное управление выходным
напряжением.
355

356. Интегральные стабилизаторы

Выходное напряжение в момент включения
схемы равно
UВЫХ 0 =UстDA+Uкэ нас,
где Uкэ нас – напряжение между коллектором и
эмиттером транзистора VT в режиме насыщения.
В момент включения схемы конденсатор С2
начинает заряжаться через резистор R3.
Транзистор VT открывается и шунтирует резистор
R2.
356

357. Интегральные стабилизаторы

Затем по мере заряда конденсатора С2
сопротивление перехода коллектор-эмиттер
транзистора увеличивается, и выходное
напряжение возрастает.
U ВЫХ max U CT DA (1
R1
R2
357
)

358. Интегральные стабилизаторы

Отечественной и зарубежной
промышленностью выпускаются ИС с выходным
током до 5 – 10 А. Однако они относительно
дороги, и использование их затруднительно, так
как максимальная рабочая температура для таких
кристаллов меньше, чем для мощных
транзисторов, а допустимая рассеиваемая
мощность отличается от аналогичного параметра
для транзисторов примерно на порядок.
358

359. Интегральные стабилизаторы

Повышение нагрузочной способности
интегральных стабилизаторов.
Так как максимальный выходной ток ИС ограничен
(1 – 2 А), то при необходимости получения больших
выходных токов дополнительно к ИС подключают
мощные проходные транзисторы .
359

360. Интегральные стабилизаторы

Выбор сопротивления резистора R
При IH< IВКЛ, (например 100 мА), транзистор VT
закрыт и весь ток течет через ИМС.
При IH> IВКЛ транзистор VT открывается и
через него начинает протекать ток
IVT=IН−IВКЛ,
то есть он включается параллельно ИМС,
разгружая ее.
360

361. Интегральные стабилизаторы

Транзистор открывается, когда падение
напряжения на резисторе станет ≥ напряжения
открывания транзистора UБЭ ≈0,9 В.
То есть R находят из условия
I ВКЛ R 0,9 В
361

362. Интегральные стабилизаторы

Отечественные ИС серии 142, К142, КР142
142 ЕН1, 142 ЕН2 – регулируемые
однополярные
(3÷12) В, (3÷30) В, (5÷30) В, (1,2÷15);
142 ЕН 5 – фиксированное однополярное 5 В и
6 В;
аналог MC78XX
142 ЕН6 – фиксированное двуполярное ±15 В;
143ЕН 8 – фиксированное однополярное 9 В,
12 В, 15 В;
аналог MC78XX
362

363. Интегральные стабилизаторы

142 ЕН 9 – фиксированное однополярное: 20
В, 24 В, 27 В;
аналог MC78XX
142 ЕН 10, 142 ЕН 11 – регулируемое
однополярное отрицательное: -(3÷30) В, -(1,2÷37)
В;
аналог LM337
142 ЕН 12 – (1,2÷37) В;
аналог LM317T
142 ЕН 15 – фиксированное двуполярное ±15
В.
363

364. Интегральные стабилизаторы

Более эффективными являются ИС,
выполненные по технологии Lou Drop,
работающие при более низком соотношении
напряжений на входе и выходе:
142 ЕН 17 – однополярный 5 В;
142 ЕН 24/25/26 – однополярный 3,3 В, 2,9
В, 2,5 В,
аналог LT1886;
364

365. Источники опорного напряжения (ИОН)

Применяются для задания и поддержания
заданных уровней напряжения с высокой точностью
и стабильностью – в стабилизаторах напряжения и
тока, уровней сравнения при компарировании, в
АЦП и ЦАП и др.
Два типа:
1. На основе стабилитронов;
2. “Bandgap” ИОН – UБЭ-стабилитроны.
365

366. Источники опорного напряжения (ИОН)

ИОН на стабилитронах
Простейший ИОН на одном стабилитроне имеет
большую погрешность из-за:
- непостоянства тока стабилизации;
- влияния температурной нестабильности.
366

367. Источники опорного напряжения (ИОН)

Кроме того стабилитроны:
- имеют ограниченный значений напряжения
стабилизации и большой допуск на это
напряжение;
- создают значительный шум.
367

368. Источники опорного напряжения (ИОН)

Задание тока стабилизации
Повысить точность ИОН можно стабилизировав
ток через стабилитрон, используя источник
стабильного тока, например, на основе ОУ.
Для Uст ОУ включен как неинвертирующий усилитель с
К=(1+R2/R3).
Выходное напряжение Uоп = Uст (1+ R2/R3) используется
для получения постоянного тока обратного смещения
стабилитрона Iст=(Uвых – Uст)/ R1
368

369. Стабилитронные ИМС

В связи с тем, что простой стабилитрон не
отвечает требованиям, предъявляемым к
опорным источникам напряжения, были
разработаны ИМС, имеющие два (иногда три)
вывода и выполненные как обычный
стабилитрон, хотя в действительности они
являются интегральными микросхемами,
содержащими различные активные и пассивные
элементы.
369

370. Стабилитронные ИМС

Все выпускаемые СИМС можно разделить на
три группы:
• температурно-компенсированные
стабилитронные ИМС;
• температурно-стабилизированные
источники опорного напряжения;
• опорные источники с напряжением
запрещенной зоны.
370

371. Стабилитронные ИМС

Температурно-компенсированные СИМС
содержат стабилитроны, транзисторы, диоды и
пассивные элементы, обеспечивающие
стабилизацию тока и температурную
компенсацию. Обычно такие ИМС оформлены
как стабилитроны и имеют всего два вывода.
371

372. Стабилитронные ИМС

Стабилитронная ИМС 1009ЕН1.
Она состоит из трех групп симметричных
транзисторов. Каждая группа рассчитана на
стабилизацию напряжения около 10 В. Стабилизация
тока питания выполняется транзистором VT1.
Выходные транзисторы VT8 и VT9 работают в
режиме усилителей тока.
Микросхема обеспечивает стабилизацию
напряжения 31...35 В (в зависимости от группы),
дифференциальное сопротивление 10 Ом при токе
Iст = 5 мА и температурный коэффициент
напряжения ТКН = 0,006 % / °С.
372

373. Стабилитронные ИМС

373

374. Стабилитронные ИМС

Опорные источники с напряжением
запрещенной зоны.
Идея такого источника основана на создании
опорного напряжения с положительным
температурным коэффициентом, численно
равным отрицательному температурному
коэффициенту напряжения «база-эмиттер»
транзистора.
374

375. Стабилитронные ИМС

Свое название эти источники получили потому,
что выходное напряжение при нулевом значении
ТКН равно напряжению запрещенной зоны
кремния, т. е. примерно 1,22 В.
375

376. Стабилитронные ИМС

На этом принципе выполнен регулируемый
прецизионный интегральный стабилитрон типа
142ЕН19 (аналог микросхемы TL 431)
376

377. Стабилитронные ИМС

Основные элементы ИМС: источник опорного
напряжения, операционный усилитель ОУ,
позволяющий устанавливать необходимое выходное
напряжение.
Схема включения позволяет получить опорное
напряжение в интервале от 2,5 до 36 В.
377

378. Стабилитронные ИМС

Температурно-стабилизированные
источники опорного напряжения
содержат интегральный стабилитрон,
выполненный по одной из рассмотренных схем, и
прецизионный термостат, управляемый датчиком
температуры на переходе «база-эмиттер»
транзистора. Термостат обеспечивает постоянную
температуру кристалла интегрального
стабилитрона при помощи нагревательной
схемы, дополненной датчиком температуры.
378

379. Стабилитронные ИМС

Такие микросхемы имеют температурный
коэффициент напряжения до 0,00002 %/ °C, что на
порядок меньше, чем у любого интегрального
стабилитрона.
Источник опорного напряжения типа 2С483
(аналог ИМС LM199) и его схема включения.
379

380. Стабилитронные ИМС

Микросхема состоит из интегрального
стабилитрона ИС, стабилизатора температуры
кристалла и датчика температуры ДТ. Все
перечисленные функциональные узлы выполнены
на одном кристалле и имеют глубокую тепловую
связь. Интегральный стабилитрон имеет
дифференциальное сопротивление меньше 0,5 Ом,
исключительно низкий уровень шума и
исключительно высокую долговременную
стабильность. Время выхода на рабочий режим
(время разогрева) составляет всего 3 с.
380

381. Импульсные ИП

Принцип действия импульсного
преобразователя напряжения заключается в
преобразовании постоянного входного
напряжения в переменное, накоплении в пером
такте энергии в индуктивности или в емкости
(реже) и отдаче во втором такте накопленной
энергии в нагрузку. Чем больше энергии будет
накоплено, тем выше будет выходное
напряжение.
381

382. Импульсные ИП

По способу управления регулирующим
элементом различают преобразователи:
- с широтно-импульсной (ШИМ) или частноимпульсной (ЧИМ) модуляцией;
- с релейным управлением.
382

383. Импульсные ИП

Преобразователь с ШИМ
РЭ – регулирующий элемент;
ФВН – формирователь выходного напряжения;
МУ – модулирующее устройство;
УПТ – усилитель постоянного тока (ОУ);
ИОН – источник опорного напряжения.
383

384. Импульсные ИП

Преобразователь с ШИМ
В – выпрямитель;
Ф – низкочастотный сглаживающий фильтр;
РЭ – регулирующий элемент;
ФВН – формирователь выходного напряжения;
МУ – модулирующее устройство;
УПТ – усилитель постоянного тока (ОУ);
ИОН – источник опорного напряжения.
384

385. Импульсные ИП

После выпрямления и фильтрации высокое (≈310
В) входное напряжение через регулирующий
элемент (транзисторный электронный ключ)
передается в формирователь выходного
напряжения (ФВН).
Выходное напряжение Uвых сравнивается с
опорным напряжением Uоп и сигнал разности
∆U=Uвых-Uоп
через УПТ поступает на модулирующее устройство,
преобразующее сигнал постоянного тока в импульсы
с различной длительностью и постоянным
периодом.
385

386. Импульсные ИП

Сигнал ошибки ΔU сравнивается с линейноизменяюшимся сигналом (пилой).
Пока ΔU>Uлин, ключевой транзистор открыт и
энергия поступает в накопитель. Чем дольше
открыт РЭ, тем больше энергии пройдет через
него.
386

387. Импульсные ИП

Длительность импульсов управляющего
напряжения Uупр связана с сигналом ошибки ∆U.
С МУ сигнал поступает на РЭ, который
периодически переключается. Таким образом,
выходное напряжение ИП зависит, при
неизменном периоде, от длительности
управляющих импульсов.
387

388. Импульсные ИП

Преобразователь с релейным управлением
В пороговом модуляторе выходное
напряжение сравнивается с UВЫХ МИН и
UВЫХ МАКС.
Если транзистор открыт, то конденсатор
заряжается через Rб, и напряжение на нем
растет.
388

389. Импульсные ИП

Когда UВЫХ станет больше UВЫХ МАКС, транзистор
закроется и конденсатор начнет разряжаться
через RH, напряжение на нем станет
уменьшаться.
При UВЫХ <UВЫХ МИН транзистор вновь
откроется и процесс повторится.
389

390. Импульсные ИП

Частота переключения в процессе работы
меняется зависит от Rб, Rн, С и разности
∆U=Uвых.макс – Uвых.мин.
390

391. Импульсные ИП

-
Преобразователи с ШИМ
Различают 2 вида:
прямоходовый;
обратноходовый.
391

392. Импульсные ИП

Основное отличие от в том, что в
обратноходовых передача энергии в выходную
цепь происходит во время разомкнутого
(транзистор закрыт), а в прямоходовых – как во
время замкнутого состояния ключа (транзистор
открыт), так и разомкнутого.
392

393. Импульсные ИП

Обратноходовой преобразователь
Когда транзистор открыт (интервалы времени
t0-t1, t2-t3 и т.д.), ток I1 в первичной обмотке
трансформатора увеличивается по линейному
закону и трансформатор накапливает в себе
значительную энергию.
393

394. Импульсные ИП

Когда транзистор закрывается (t1-t2, t3-t4, t5-t6),
магнитный поток в сердечнике трансформатора
начинает уменьшаться, что вызывает ток I2,
текущий в цепи вторичной обмотки. Ток I2
протекает через нагрузку и конденсатор С2,
заряжая его.
394

395. Импульсные ИП

Если нагрузка на ИП увеличивается, то для
поддержания постоянного значения Uвых,
необходимо увеличить длительность
включенного состояния транзистора, во время
которого ток I1 достигает более высокого
значения, что создает в результате более высокий
ток I2 во вторичной и приведет к увеличению
Uвых. И, наоборот, при уменьшении нагрузки
длительность открытого состояния следует
уменьшить.
395

396. Импульсные ИП

Прямоходовый преобразователь
В отличие от обратноходового ИП
прямоходовый преобразователь накапливает
энергию не в трансформаторе, а в выходной
катушке индуктивности L (дросселе).
396

397. Импульсные ИП

Когда ключевой транзистор открыт, ток
вторичной обмотки протекает через диод VD5,
дроссель, конденсатор С2 и нагрузку. Диод VD6
при этом закрыт.
Когда ключевой транзистор закрывается, ток
дросселя протекает через конденсатор C2,
заряжая его, и возвращается через диод VD6.
Накопителем энергии является дроссель L.
397

398. Импульсные ИП

Таким образом, ток реактивного элемента,
запасающего энергию, течет во время обоих
частей цикла (периода) переключения
транзистора. Поэтому прямоходовый
преобразователь имеет более низкое
напряжение выходных пульсаций.
398

399. Импульсные ИП

Обратноходовый преобразователь с
несколькими выходами
399

400. Импульсные ИП

При необходимости вторичную обмотку
трансформатора можно сделать многосекционной и
получить несколько напряжений с разными значениями.
Сигнал обратной связи снимается только с одного
выхода (обычно +5 В) и подается на ШИМ-модулятор и
этим, осуществляется стабилизация всех напряжений.
Дополнительные выходы стабилизируются хуже, чем
главный выход (+5 В).
Поэтому при необходимости на соответствующие
выходы устанавливают дополнительные линейные
интегральные стабилизаторы (ИС).
400

401. DC-DC конверторы

(direct current-direct current –
постоянный ток - постоянный ток) –
преобразователи постоянного напряжения в
постоянное другого значения.
401

402. DC-DC конверторы

По отношению к входному напряжению
существует четыре типа DC – DC конверторов:
1. повышающая (выходное напряжение выше
входного);
2. понижающая (выходное напряжение ниже
входного);
3. инвертирующая (выходное напряжение
имеет противоположную по отношению к
входному полярность);
402

403. DC-DC конверторы

4. преобразователь с любым выходным
напряжением. Они способны производить как
повышенное, так и пониженное напряжение на
для поддержания постоянного уровня
напряжения на выходе вне зависимости от
уровня входного напряжения (в допустимых
пределах).
403

404. DC-DC конверторы

По поддержанию уровня выходного
напряжения:
- стабилизированные;
- не стабилизированные, требуют
дополнительного стабилизатора.
404

405. DC-DC конверторы

По возможности изоляции от промышленной
сети:
- с гальванической развязкой
(трансформаторная);
- без гальванической развязки (использование
дросселя или конденатора для накопления
энергии).
405

406. DC-DC конверторы

По конструктивному исполнению:
- навесным монтажом на печатной плате;
- гибридные;
- интегральные управляющие МСконтроллеры (драйверы);
- интегральные (маломощные).
406

407. DC-DC конверторы

Понижающий прямоходовый DC-DC
конвертор (Buck)
Регулирующий транзистор управляется от
схемы управления, которая обеспечивает
заданный уровень выходного напряжения и его
стабилизацию за счет ШИМ.
Схема управления+VT=ШИМ-контроллер
407

408. DC-DC конверторы

В прямоходовом преобразователе (Buck)
управляемый ключ периодически подключает вход
LC - фильтра к источнику входного напряжения. Во
время замкнутого состояния ключа ток индуктора и
выходное напряжение увеличиваются по
величине. Когда управляемый ключ разомкнут,
индуктор отдает часть накопленной энергии нагрузке
и выходному конденсатору через блокирующий
диод. Выходное напряжение прямоходового
преобразователя всегда меньше входного.
408

409. DC-DC конверторы

409

410. DC-DC конверторы

Повышающий обратноходовый DC – DC
конвертор (Boost)
Регулирующий транзистор подключен
параллельно нагрузке и отделен от нее диодом.
При открывании транзистора через дроссель
протекает ток, который увеличивается по линейному
закону. Дроссель при этом запасает
электромагнитную энергию, диод VD закрыт (на его
катоде положительный потенциал). Конденсатор
разряжается через нагрузку.
Схема управления+VT=
ШИМ-контроллер
410

411. DC-DC конверторы

После закрытия транзистора
электромагнитная энергия, накопленная в
дросселе, через открывшийся диод передается в
нагрузку и в конденсатор в дополнение к
энергии, поступающей от источника входного
напряжения.
Напряжение на нагрузке будет равно
UН= UВХ+ ΔUL,
где ΔUL – приращение напряжения,
образованного накопленной в дросселе
энергией.
411

412. DC-DC конверторы

Регулировочные характеристики –
зависимости отношения выходного
напряжения к входному Uн/Uвх от
коэффициента заполнения управляющих импульсов
γ=tи/T
при различных значениях
независимого параметра
ρ=rL/(rL+Rн),
где rL – сопротивление дросселя
фильтра,
Rн – сопротивление нагрузки.
412

413. DC-DC конверторы

Инвертирующий обратноходовый DC – DC
конвертор (Buck – Boost)
Схема управления+VT=
ШИМ-контроллер
При открытом состоянии транзистора
дроссель накапливает электромагнитную
энергию. Диод VD при этом закрыт, нагрузка
вместе с конденсатором фильтра отключена от
источника питания.
413

414. DC-DC конверторы

При закрытии транзистора открывается диод
VD и энергия, накопленная в дросселе,
передается в конденсатор фильтра и в нагрузку.
Полярность выходного напряжения при этом
оказывается противоположной полярности
входного, а амплитуда по абсолютному значению
может быть больше или меньше.
414

415. DC-DC конверторы

Интегральные управляющие МС для
DC – DC конверторов
Для построения миниатюрных маломощных
преобразователей выпускаются
специализированные ИМС, содержащие схему
управления и, очень часто, ключевой транзистор
– ШИМ-контроллеры.
415

416. DC-DC конверторы

Понижающий конвертор на ИМС МАХ 638
Частота преобразования – 65 КГц.
Выходное напряжение - +5 В.
Максимальный выходной ток – 100 мА.
КПД – 85%.
416

417. DC-DC конверторы

При подключении внешнего резистивного
делителя к выводу 1 получают конвертор с
регулируемым выходным напряжением.
417

418. DC-DC конверторы

Двуполярный повышающий DC – DC
конвертор
418

419. DC-DC конверторы

Повышающий DC – DC конвертор на ИМС
КР 1156 ЕУ1
Является аналогом ИМС МС 3506
419

420. DC-DC конверторы

DC – DC конверторы с переключаемыми
конденсаторами.
Упрощенная схема ИМС ICL7662 фирмы Intersil
с двумя внешними конденсаторами С1 и С2.
ICL7662 имеет внутренний генератор и несколько
ключей на МОП-транзисторах. Входная и
выходная пары ключей управляются в
противофазе.
420

421. DC-DC конверторы

Если входная пара ключей замкнута, С1
заряжается до напряжения Uвх. Затем во время
второго полупериода следования управляющих
импульсов конденсатор С1 отсоединяется от
входа и подключается к выходу (но с
противоположной полярностью). Конденсатор С2
при этом заряжается и имеет
отрицательный потенциал относительно земли.
421

422. DC-DC конверторы

Достоинство :небольшое количество внешних
элементов и отсутствие индуктивности.
Недостатки:
1. Выходное напряжение не стабилизировано;
2. Выходное напряжение можно изменять
только дискретно, ратно UBX.
422

423. DC-DC конверторы

Двуполярный DC –DC конвертер на ИМС
МАХ 680
Можно использовать для двуполярного
питания ОУ на плате с однополярным
напряжением +5 В.
423

424. Интегральные DC-DC конверторы

Модуль ISL8203M – двухканальный
понижающий DC/DC регулятор
ISL8203M является законченной системой
питания в герметизированном модуле, содержащей
ШИМ-контроллер, синхронные ключевые MOSFET,
индуктивности и пассивные компоненты.
424

425. Интегральные DC-DC конверторы

Особенности и технические характеристики ISL8203M:
Два 3-амперных или один 6-амперный импульсный источник
питания;
Высокий КПД, достигающий 95%;
Широкий диапазон входных напряжений: 2.85 В … 6 В;
Выходное напряжение, регулируемое в диапазоне
от 0.8 В до 5 В;
Управляемое или фиксированное время мягкого запуска;
Внешний источник синхронизации с максимальной частотой 4
МГц;
Защита от перегрузки по току;
Размеры 9.0 × 6.5 × 1.83 мм;
425