О питании электронных устройств

June 26, 2010 by admin Комментировать »

О том, что трансформаторы вкупе с фильтрующими конденсаторами зачас­тую составляют основную часть массы и габаритов современных электрон­ных устройств, мы уже писали. Реальных альтернатив обычным линейным трансформаторным источникам питания всего, в сущности, две (экзотику вроде солнечных батарей мы рассматривать не будем) — либо электрохими­ческие источники тока (батареи и аккумуляторы), либо импульсные источни­ки питания, о которых мы кратко поговорим в конце главы.

Главное преимущество электрохимических (гальванических) элементов — мобильность, в чем им замены нет. Главный недостаток — они не обеспечи­вают долговременной эксплуатации для подавляющего большинства элек­тронных устройств, за исключением специально спроектированных малопо­требляющих либо редко используемых — таких, как наручные часы, пульты управления бытовой техникой или наши любимые мультиметры. В любом случае правильный выбор типа электрохимического источника — довольно важное дело.

Из всех электрохимических элементов для наших целей актуальнее всего ще­лочные «пальчиковые» батарейки. Вообще говоря, батарейками их называть неправильно— батарея, по определению, есть несколько элементов, соеди­ненных в единый источник: так, батарейка типоразмера «Крона» — это дей­ствительно батарейка, а «пальчиковая» АА-типа— всего лишь элемент (о типоразмерах различных гальванических элементов см. пршожение 2). Но в быту их принято называть именно так, и мы тоже будем следовать традиции, употребляя вперемешку слова «элемент» и «батарейка».

Номинальное напряжение щелочных (alkaline) элементов— 1,5 В (у свежих элементов без нагрузки — 1,62 В). Для некоторых целей (например, в качест­ве резервных источников питания) в радиолюбительской практике использу­ются литиевые батарейки-«монетки» с номинальным напряжением 3 В, но в качестве основных, кроме очень малопотребляющих устройств, их приме­нять не рекомендуется из-за более высокой стоимости. К тому же литиевые аналоги мощных щелочных элементов типоразмеров С или D на массовом рынке просто отсутствуют, а, например, литиевый аналог двух АА-элементов (CR-V3) при том же номинальном напряжении (3 В) имеет приблизительно на четверть-треть меньшую емкость. Зато литиевые элементы имеют исклю­чительно низкий саморазряд (срок хранения в 10—12 лет для них типичен), высокую морозоустойчивость (при -20 °С емкость снижается всего на треть по сравнению с емкостью при комнатной температуре) и могут быть реко­мендованы для малопотребляющих или относительно редко включающихся устройств в жестких условиях эксплуатации.

Важнейшей характеристикой электрохимических элементов является их энергоемкость. Для электрохимических источников ее традиционно измеря­ют в миллиампер-часах (мА-ч). Эта величина, умноженная на напряжение элемента или батареи, даст энергию элемента в милливатт-часах, то есть аб­солютное количество энергии, запасенное в элементе (если дополнительно умножить на коэффициент 3,6, то получится энергия в привычных джоулях). Но в джоулях, милливатт-часах или ватт-часах для наших нужд энергию из­мерять неудобно, так как само напряжение элемента в процессе разряда меняется, и существенно (см. графики на рис. 9.1 и 9.2, представляющие процесс разряда во времени). Зато выраженная в миллиампер-часах, энерго­емкость легко поддается измерению и расчету: достаточно поделить эту ве­личину на средний потребляемый устройством ток, и получится допустимое время работы устройства.

clip_image002

Рис. 9.1. Типовые разрядные кривые щелочного элемента типоразмера D при 20 °С и различных сопротивлениях нагрузки (по данным Duracell/Procter & Gamble)

clip_image004

Рис. 9.2. Типовые разрядные кривые щелочного элемента типоразмера АА при 20 °С и различных сопротивлениях нагрузки (по данным Duracell/Procter & Gamble)

Ориентировочная удельная энергоемкость щелочных элементов — примерно 300 мА-ч на см\ Таким образом, энергоемкость батареек типоразмера АА — около 2200—2500 мА-ч, типоразмера AAA— 1000—1200 мА-ч, примерно столько же дают «пальчиковые» (NiMh) аккумуляторы тех же размеров (о них далее). Для щелочного элемента типоразмера D энергоемкость составит 15—18 А-ч, для типоразмера С— вполовину меньше. Для аналогичных «обычных» батареек (их еще называют «солевыми» или «марганец-цинковыми» — хотя последнее неправильно, ибо щелочные тоже сделаны на основе цинка-марганца) — энергоемкость в три раза меньше, чем у щелоч­ных. Для щелочных 9-вольтовых батареек типоразмера «Крона» энергоем­кость составляет приблизительно 500—600 мА-ч, зато литиевый аналог (1604LC) имеет вдвое большую энергоемкость, и, несмотря на дороговизну, может быть всячески рекомендован для устройств вроде тестеров, которые в основном хранятся без дела.

Однако эти ориентировочные цифры являются лишь очень приблизительны­ми, так как энергоемкость элемента сильно зависит от условий разряда: так, если при разрядном токе 0,1 А считать емкость щелочного элемента за номи­нальную, то при разряде вдесятеро большим током (1 А) она может упасть в полтора-два, а то и в три раза (6 зависимости от типа элемента), а при сниже­нии тока до 1 мА, наоборот, возрастает на 30—50%. Самый выгодный режим разряда для щелочных элементов— прерывистый: если батарейке периоди­чески давать «отдохнуть», то даже при больших токах ее емкость почти не снижается. Кроме того, многое зависит от допустимого конечного напряже­ния. Например, если схема допускает минимальное напряжение питания 2,7 В, что при питании от трех щелочных элементов означает конечное на­пряжение 0,9 В на каждый элемент, то емкость окажется почти в полтора раза выше, чем при допустимом конечном напряжении 3,3 В (по 1,1 В на элемент). Надо также учитывать, что при снижении температуры до О ""С энергоемкость щелочных элементов падает на величину от 25 до 50%.

Заметки на полях

Энергоемкость можно уточнить по графикам, подобным рис. 9.1 и 9.2, которые приводятся производителями. При необходимости подобные данные несложно получить и самостоятельно, замкнув элемент на нужное сопротивление в нуж­ных условиях и периодически отмечая напряжение. Для того чтобы получить из этих данных энергоемкость в мА-ч, нужно поделить среднее за время раз­ряда значение напряжения на нагрузку в омах и умножить на время. Так, для элемента АА (рис. 9.2) при разряде до 0,9 В и нагрузке 43 Ом время разряда равно 100 часам, среднее значение напряжения составит примерно 1,2^ В, то есть средний ток разряда будет около 30 мА. Итого энергоемкость при этих ус­ловиях приблизительно равна 3000 мА-ч. А вот при нагрузке 3,9 Ом (средний ток — примерно 320 мА) энергоемкость будет всего около 2200 мА-ч.

При этом для щелочных элементов напряжение в начале разряда при посто­янной нагрузке очень быстро падает с начальных 1,5—1,6 В до 1,3—1,4 В, а затем снижается уже более плавно (для литиевых падение в процессе разряда меньше, зато в конце они разряжаются до нуля почти скачком). Для батареек типоразмера «Крона» напряжение в конце разряда составляет приблизитель­но 5—6 В. Внутреннее сопротивление щелочных батареек составляет внача­ле порядка 0,12—0,17 Ом (для «Кроны» — до 1,7 Ом) и быстро растет по ме­ре разряда.

По этим сведениям вы можете прикинуть необходимый тип питающих эле­ментов для вашей схемы. Следует добавить, что при включении электрохи­мических элементов последовательно их энергоемкости, выраженные в мил­лиампер-часах, естественно, не складываются, а остаются теми же (при этом их энергии, выраженные в ватт-часах, суммируются). А параллельное вклю­чение электрохимических элементов практикуется только в исключительных случаях, если нет другого выхода. Из-за разброса параметров по технологи­ческим причинам в этом случае они заметную часть времени будут работать друг на друга, особенно в конце разряда. У полностью разряженных щелоч­ных элементов даже возможна переполюсовка выводов (и такой режим опа­сен для сохранности устройства). Энергоемкость параллельно включенных элементов (естественно, одного типа и из одной партии) будет на четверть-треть меньше суммарной емкости тех же элементов отдельно. Развязка таких элементов через диоды помогает обезопасить устройство от протечек элек­тролита и деформации элементов при глубоком разряде, но зато вы будете терять драгоценные доли вольта падения на диодах (даже диоды Шоттки «съедают» не менее 0,3—0,4 В). В результате выигрыш окажется не настоль­ко большим, чтобы отказаться от идеи просто поставить элемент побольше размером.

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты