Химические источники тока

September 18, 2012 by admin Комментировать »

Автономные источники питания радиоэлектронных устройств (как правило с напряжением не более 12 В и током до 1 А) пользуются огромной популярностью радиолюбителей.

Все, что не требует вложения денег (например, как в элементы питания – батарейки), а получает энергию от самой природы (вет- рогенераторы, солнечные батареи, химические источники питания) выгодно в наш XXI век постоянно растущих пен за услуги, в том числе услуги ЖКХ, и услуги «бессовестных» энергетиков-монопо- листов.

Химические источники тока (ХИТ) – это основные источники тока для портативных электронных устройств (радиостанций, дикто­фонов, фонариков, аудиоплейеров и др). Самые популярные – конеч­но, батарейки и аккумуляторы. Но, первые постоянно провоцируют увеличение расходной статьи семейного бюджета, а вторые – требуют зарядного устройства, и, к слову, тоже имеют ограниченный ресурс работы (циклы заряд/разряд).

Одним из особенных, и заслуживающих пристального внимания потребителя, свойств химических источников тока, являются специ­альные водоактивируемые батареи. Это сухие законсервированные и герметично упакованные в целлофановую пленку батареи, кото­рые дают ток 2—10 А (зависит от типа) при попадании на химичес­кие элементы воды.

Главное назначение таких батарей – это морские и речные (а также озерные) устройства навигации, сигнализации, освещения и спасения.

Химические источники питания, работающие под воздействи­ем воды, предназначены производителями для всех подобающих случаев, например, для огней спасательных жилетов (к примеру, ЖСМ), светящихся буев (БС-2), спасательных плотов, огней поиска (ЭОСС-98ПВ) и самозажигающихся огней спасательных кругов. На рис. 3.3 представлен светодымящийся аварийный буй БСД-02.

Рис. 3.3. Буй светодымящий аварийный БСД-02

Буй светодымящий БСД-02 ( буй светодымящийся аварийный) предназначен для обнаружения круга спасательного, как в ночное, так и в дневное время, за счет подачи светового и оранжевого ды­мового сигнала.

Он состоит из поплавка и корпуса, в котором размещен водоакти­вируемый источник питания (приводится в действие автоматически, при падении в воду) и дымящий состав. На поплавке, с противопо­ложных сторон, находятся две электрические лампочки.

Время действия светового сигнала не менее 2 ч в непрерывном режиме, а в вариантах со светодиодным исполнением – до 12 ч.

Рассмотренные источники питания по своему принципу действия относятся к водоактивируемым химическим источникам тока. Водо­активируемые батареи изготовлены с применением магния (отрица­тельный электрод) – раствор NaCl. (электролит) – хлорид свинца (положительный электрод). Иногда вместо меди применяют другой цветной металл (серебро, медь), что придает такому ХИТ еще боль­шую стоимость.

Внутренняя начинка водоактивиоуемых батарей

При производстве на лист магния толщиной 1,4…2 vim (объемный пористый электрод из металлического магния марки ГЛА8 или МА2) напрессовывают на проводящую каркасную сетку хлоридов в смеси с проводящими (графит) и связующими (бутилкауч/к, целлюлоза, декстрин) добавками.

Хлоридный электролит пропитывает целлюлозные (стекловоло­конные) сепараторы и высушивается.

Так батарея хранится в целлофановой, приближенной к вакууму упаковке, длительное время. При поступлении воды (расконсер­вации и применении) химсостав батареи реагирует, и между 2-мя противоположными полюсами – выводами (через несколько минут после воздействия воды с температурой 1-40° С) появляется разни­ца потенциалов. Как правило напряжение между полюсами такого элемента не велико – не превышает 6 В (в разных ХИТ), но ток, отдаваемый в нагрузку существенен. Он может достигать единиц Ампер в течение 10-30 мин, а ток короткого замыкания порядка 8-10 А.

Одной из таких ХИТ является популярная батарея типа «Дымок» (выпускаемая отечественной промышленностью в Липецке), фото которой представлено на рис. 3.4.

Рис 3 4 Фото ХИТ «Дымок»

Электрические параметры позволяют применять ХИТ типа «Ды­мок» в различных специальных конструкциях, в радиолюбитель­ских устройствах, а главное – в полевых условиях, на природе, в экстремальных ситуациях, там, где нет и не может быть осветитель­ной сети 220 В, а иные источники тока (например, автомобильные аккумуляторы, автономные дизель-генераторы или ветро-электро- станции) вышли из строя или недоступны.

Основные технические характеристики батарей серии «Дымок»

Для того, чтобы понять, насколько универсально можно применять в различных условиях (как правило, вдали от дома) ХИТ рассмот­рим их электрические параметры.

В табл. 3-1 рассмотрены основные электрические характеристики ХИТ типа «Дымок».

Таблица 3.1. Основные электрические характериэвщм ХИТ типа «Дымок»

Примечание к табл. 3.1.

* ГСХ – гарантированный срок хранения в режиме консервации. Продолжительность работы без перерыва любых модификаций ХИТ типа «Дымок» не менее 8 ч.

Модификации батареи «Дымок» – это «Дымок-М», «Дымок-3», «Дымок-2М», «Дымок-2У» и другие. Кроме батареи «Дымок» оте­чественной промышленностью выпускаются также батареи аналогич­ного класса и назначения типа «Лиман», «Прибой», «Маячок-1 М», «Маячок-2М» и другие водоактивируемые батареи.

Отличие ХИТ типа «Дымок» от, например, батареи «Лиман» в том, что у первой энергоемкость, выходное напряжение и ток прак­тически не зависят от типа воды (морская, пресная) и ее темпе­ратуры (см. табл. 3.1). В то время, как у батарей типа «Лиман», «Прибой» и аналогичных им, эта зависимость прослеживается от­четливо. Например, батареи типа «Лиман» при сходном выходном напряжении, работают длительное время в импульсном режиме (от­дача тока в нагрузку и затем период его накопления). Это их ка­чество с успехом применяется в портативных маяках и сигнальных ракетах, а также электронных огнях для поиска (спасения на водах). В таком режиме рассматриваемые батареи типа «Лиман» работают сутками (24 часа).

Главное условие эффективной работы – чтобы нагрузка не была подключена к батарее постоянно, то есть ее цепь питания должна периодически автоматически размыкаться на несколько единиц и десятков минут.

Кроме того, батареи типа «Лиман», «Прибой» и аналогичные им главным образом рассчитаны для работы с морской водой (хотя чуть менее длительно и эффективно будут полезны при заполнении пре­сной).

Идеальный случай использования таких батарей – в сигнальных, поисковых и иных системах судов класса «Река-море», то есть там, где возможен и тот и другой химический состав воды. Технические данные и электрические характеристики батарей типа «Прибой» и «Лиман» (с аналогами) можно получить на сайте производителя.

Таким образом, из табл. 3.1 следует, что для эффективной работы ХИТ типа «Дымок» (и аналогичных по электрическим характерис­тикам), не требуется вода определенной плотности или химического состава. Эти батареи работают практически в любых условиях, тем и могут быть полезны радиолюбителям и специалистам, оказавшим­ся по воле рока вдали от благ цивилизации. Стоимость батарей не превышает 1200 руб.

Но и этот параметр «цена-качество» не является препятствием для их приобретения или получения. Ведь согласно той же табл. 3.1 (составленной, кстати, производителем батарей) срок гарантирован­ного хранения не менее 5 лет. Затем, как правило, батареи списы­вают и на этом этапе они попадают в руки радиолюбителей и всех желающих по «бросовой цене» или даром.

Все авторские эксперименты, осуществленные и описанные ниже, произведены с батареями снятыми с гарантированного хранения (консервации), хотя и новыми, но произведенными в 1999-2000 гг. (что ясно следует из обозначения на корпусе батарей).

Представьте себе, что на результаты авторских экспериментов, касательно выдающихся параметров этих устройств, теперь мож­но рассчитывать только как на минимум. Соответственно, новые и «гарантийные» батареи аналогичного класса дадут в аналогичных экспериментах результаты, намного превышающие те, что дали их списанные «собратья».

Практика применения и эксперименты

Для эффективного применения ХИТ типа «Дымок» требуется ос­вободить их от целлофановой герметичной упаковки и откупорить две заглушки с помощью веревочного шнура. Это хорошо видно на рис. 3.5.

Рис 3 5. Фото ХИТ Дымок со стороны заглушек и веревочного шнура

Поскольку устройство предназначено производителем для рабо­ты в воде, совершенно понятно, что для питания буев, световой сиг­нализации спасательных кругов, плотов и им подобных устройств достаточно, откупорив две заглушки рывков шнура, бросить под­ключенное (например, к бую) устройство в воду.

Вода поступит в отверстия, которые освободили заглушки, и начнет реагировать с сухим химическим источником (см. выше). Спустя всего 2-3 мин на электрических контактах батареи можно зафиксировать напряжение 4,3-4,8 В (в разных экземплярах, экспе­рименты проведены в июле 2009 г. с 8 однотипными ХИТ).

Это, возможно, не вписывается в сведения, отраженные произво­дителем ХИТ (табл. 3.1), но реальные эксперименты важнее.

«Залитая» водой батарея в течение 15 минут держит ток в на­грузке 5,5 А. Нагрев корпуса батареи не превышает +50° С. При отключении (после 15 мин.) нагрузки от ХИТ нагрев доходит до комнатной температуры.

Итак, нагрузка (резистор ВЗР с мощностью рассеяния 25 Вт и сопротивлением 1 Ом) отключена. Следующий замер напряжения на выводах «Дымка» произведен через 30 мин.

Результат:

Напряжение батареи снизилось 3,9 В. При подключении той же нагрузки напряжение падает до 3,3 В. Но и это, заметьте, неплохо, учитывая еще и тот факт, что в руках экспериментатора списанная, хоть и новая батарея.

Держим батарею под нагрузкой еще 15 мин. Она снова нагрева­ется, и напряжение на ее выводах падает до 3 В.

Теперь, если выдержать батарею без нагрузки, ее температура вер­нется к комнатной (окружающей среды), а напряжение останется в пределах 3 В.

А что, если слить воду?

Это следующий этап эксперимента. С момента его начала прошло более 3 ч.

«Слитый» ХИТ (для этого достаточно повернуть его на ту сторо­ну, где открыты отверстия без заглушек) показывает на своих кон­тактах разницу потенциалов 2,78 В, и держит под выше обозначен­ной нагрузкой напряжение 2,66 В в течение 15 мин. Затем нагрузку снова отключаем. Впечатляет ток 2,66 А?

Понятно, что так может продолжаться еще 3-4 ч (согласно табл. 3.1, составленной производителем).

Новый эксперимент

Попробуем изменить эксперимент. Теперь осушим батарею без нагрузки (пусть вся вода стечет, а ее внутри совсем, мало). Заме­рим напряжение на контактах через 2 часа. Оно «в пустой» от воды батарее составляет опять 2,78 В.

Это говорит о том, что химическая реакция произошла и до пол­ного высыхания батарея и без воды сохранит свои свойства.

Следующим этапом эксперимента является полное осушение ба­тареи с тем, чтобы понять, может ли она впоследствии (через 1 сут­ки) быть реанимирована новой порцией воды?

Спустя 24 ч возобновляем эксперимент. Батарея без нагрузки имеет на выходных контактах разницу потенциалов 2, 22 В. Под нагрузкой напряжение падает до 1,2 В.

Это впечатляет.

При заливании свежей (пресной) воды внутрь осушенного ХИТ выясняется, что напряжение (без нагрузки) не поднимается выше 2,3 В. Под нагрузкой оно снова падает до 1,2 В.

Далее уже не принципиально, будет ли находится батарея без воды, или в залитом состоянии, так как проведенный на третьи сут­ки замер напряжения на контактах батареи (с учетом того, что в пер­вые 48 часов она практически не разряжалась и была подключена к различной нагрузке лишь временно) показал, что оно (напряжение) упало до 0,4 В. Применение в электронных конструкциях такой ба­тареи уже нецелесообразно.

Вывод

ХИТ типа «Дымок» может быть успешно применен в нетрадици­онном виде для аварийного питания любых электронных устройств малой и средней мощности, где требуется род тока постоянный в течение длительного времени.

Батарея не является восстанавливаемой, а скорее одноразовой. Однако, даже в этом случае, вариантов применения рассмотренного ХИТ очень много, а практика применения поистине безгранична.

Практика применения

ХИТ «Дымок», также, как и любые батареи с постоянным родом тока, можно соединять последовательно и параллельно. В первом случае (согласно Закона Ома) общее напряжение пропорционально увеличивается, во втором случае – пропорционально увеличивается ток.

Поэтому батарею из 4 однотипных элементов типа «Дымок» (эк­вивалентное напряжение 12-14 В) и аналогичных можно применить в качестве питания любого электронного устройства с током потреб­ления до 2 А длительное время (см. описание экспериментов).

Для соединения нескольких однотипных батарей в общую бата­рею потребуется электрический провод сечением не менее 1 мм2, о котором (перед поездкой в удаленные и забытые уголки природы) надо позаботится заранее.

Сами батареи приматывают друг к другу изолентой, скотчем или стяжками.

Этим устройством может быть, радиоприемник (в том числе пор­тативная радиостанция), мобильный телефон, фонарь, фотоаппарат, электроудочка, и все что угодно другое в соответствии с током и напряжением, выдаваемыми батареей (батареями).

Рассмотренный ХИТ в виде батарей типа «Дымок» и аналогичных – это сегодня незаслуженно замалчиваемый участок практического применения радиолюбительских навыков.

Такие батареи могут в трудный момент (без преувеличения) спас­ти жизнь.

Как подключить

ХИТ типа «Дымок» имеет выводы (на корпусе батареи помечен «плюс» и «минус») с расстоянием между ними 12 мм. Для опти­мального контакта экспериментально проверены, и подходят сразу несколько стандартных разъемов. Они представлены на рис. 3.6.

Рис. 3.6 Разъемы для безпайкового подключения к контактам водоактивируемых батарей

Эти разъемы помогут и отлично послужат даже при подключении ХИТ по прямому назначению – с погружением оного в воду.

Рассмотрим разъемы на рис. 3.6.

Сверху, слева направо – разъем для лампы дневного света малой (до 20 Вт) мощности, применяемой в аквариумах. Затем два разъ­ема от шнуров сетевого (220 В) питания кассетных магнитофонов (старого образца).

Второй сверху ряд – слева – одиночные разъемы для питания пушек ЭЛТ телевизоров (применяется, соответственно, два любых разъема из трех), справа – разъем подключения высокочастотного дополнительного динамика в телевизорах 3-5 поколения.

Кроме этого, могут быть применены и любые другие подходящие (под расстояние между выводами батареи) разъемы. Применение разъемов (против пайки) сделает конструкцию наиболее безопас­ной и удобной.

Предостережения

После залития батареи водой не закрывайте заглушки, иначе ХИТ после 30-40 мин работы под нагрузкой раздует, и она взорвется от внутренних газов (химической реакции).

Если по каким-либо причинам батарея вынимается из воды, или меняет свое положение в безводном пространстве (например, в поле, дома, в горах) не допускайте такого поворота ее корпуса, чтобы сме­шанная с химсоставом вода вылилась через не закрытые заглушками отверстия. Опасно не осушение внутренних химэлементов, а сама вода из батареи. Это готовый электролит, который может испортить (разъесть) вашу одежду, мягкие покрытия, облицовку машины и т.д. Последствия пролития электролита могут быть заметны не сразу, а через несколько дней – будет заметно разложение ткани, изменение окраски и иначе.

Для питания бытовой и радиолюбительской аппаратуры чаще дру­гих используют марганцево-цинковые элементы и батареи с раз­личными электролитами (солевым, хлоридным или щелочным) и воздушной деполяризацией. Широкое распространение получили также ртутно-цинковые, серебряно-цинковые и литиевые ХИТ; именно из этих элементов получаются столь знакомые всем «эле­менты» – батареи питания разных размеров, в частности пальчико­вые, типоразмера АА и ААА.

Обозначение этих элементов включает в себя:

•  одну букву, определяющую электрохимическую систему (L – ал­калиновая, S – серебряно-цинковая, М или N – ртутно-цинковая и др.);

•  букву R (от английского Ring – круг), говорящую о форме элемента;

•  число от 03 до 600, условно определяющее размеры элемента. Применяя ХИТ той или иной системы важно знать их возмож­ности и особенности эксплуатации.

Марганцево-цинковые и угольно-цинковые элементы и батареи

Электрохимическая система: цинк-двуокись марганца-электрод.

Это батареи Лекланше (угольно-цинковые), с солевым электро­литом (водным раствором хлорида аммония и хлорида цинка). Они могут эксплуатироваться при температурах от -5° С до +50° С. Име­ют заметный саморазряд и недостаточно хорошую герметичность.

Другой тип – угольно-цинковые ХИТ с водным раствором хло­рида цинка. Энергетические показатели этих источников примерно в 1,5 раза выше, чем у элементов и батарей предыдущей группы. Могут эксплуатироваться при температурах от -15° С до +70° С. Имеют, меньший саморазряд и лучшую герметичность. Допускают больший разрядный ток.

Алкалиновые элементы и батареи

Электрохимическая система аналогична электрохимической систе­ме марганцево-цинковых элементов, но в качестве электролита здесь используется щелочь в виде водного раствора гидроокиси калия. Алкалиновый элемент можно перезаряжать до 10… 15 раз, но его повторная отдача не превысит 35% от начальной. Для перезарядки годятся элементы, сохранившие герметичность и имеющие напря­жение не менее 1,1 В.

Алкалиновые ХИТ могут эксплуатироваться при температурах от -25° С до +55° С. Допускают значительные разрядные токи.

Элементы и батареи с воздушной деполяризацией

Электрохимическая система: цинк-воздух-гидрат окиси калия. Для подвода и удержания воздуха (кислорода) используют специальные конструкции и материалы катода (элемент активизируется лишь после извлечения пробки, открывающей доступ воздуху). ХИТ с воздушной деполяризацией могут работать при температурах от -15° С до +50° С. Они обладают высокими энергетическими показа­телями. Рекомендованы при значительных импульсных нагрузках.

Ртутно-цинковые элементы и батареи

Электрохимическая система: цинк-окись ртути-гидрат окиси натрия. Источники тока имеют высокие энергетические показатели. Работос­пособны при положительных температурах (0…+500 С). При малых токах разряда и стабильной температуре напряжение на элементе ос­тается почти неизменным.

Практически не имеют газовыделения. Из-за наличия ртути такие батареи экологически вредны, и поэтому к применению не рекомен­дуются.

Серебряно-цинковые элементы и батареи

Электрохимическая система: цинк-одновалентное серебро-гидрат оки­си калия или натрия. Источники обладают малым саморазрядом, име­ют выдающиеся энергетические характеристики и почти неизменное напряжение в процессе работы (при неизменной температуре). Тем­пературный диапазон – 0…+550 С.

Литиевые элементы и батареи с органическим электролитом

Сюда входят более десятй электрохимических систем. Напряжение на элемент – от 1,5 до 3,6 В. Энергетические показатели лучше, чем у ртутно- и серебряно-цинковых элементов: по массе – меньше в 3 раза, по объему – в 1,5-2 раза. Наглядный пример – АКБ для сото­вых телефонов и портативной радиотехники.

Литиевые источники обладают исключительно малым саморазря­дом (сохраняют более 85% емкости после 10 лет хранения).

Они герметичны и имеют довольно стабильное напряжение. В микромощных устройствах, где важна надежность контактов, ис­пользуют литиевые источники с выводами под пайку.

Элементы питания дисковые Renata с номинальным напряжением 1,5 В

Элементы питания дисковые типа «Renata» с номинальным напря­жением 1,5 В представлены в табл. 3.2.

Таблица 3.2. Элементы питания дисковые типа «Renata» с номинальным напряжением 1,5 В

Дисковые элементы питания типа LR с номинальным напряжением 1,5 В

Дисковые элементы питания типа LR представлены в табл. 3.3.

АКБ Energizer

АКБ Energizer представлены в табл. 3.4.

Таблица 3.4. (альванические элементы и батареи элементов Energizer

АКБ GP-Greencell

АКБ GP-Greencell представлены в табл. 3.5.

Таблица 3 5. (альванические элементы и батареи GP-Greencell

Кодировка и параметры АКБ с различной энергоемкостью

Таблица 3 6 продолжение

Таблица 3 6. продолжение

Таблица 3 6. Разные элементы и батареи

Таблица 3.6. продолжение

Элементы питания и АКБ большой емкости

Таблица 3.7 Параметры элементов питания и АКБ большой емкости относительно типоразмера

Маркировочные надписи на АКБ

О               некоторых особенностях элементов и батарей зарубежного про­изводства, преимущественном их назначении можно судить по сде­ланным на них надписям:

Alkaline – элемент (батарея) со щелочным электролитом;

Camera – для фотокиноаппаратуры;

Cigarette Lighter – для карманной зажигалки;

Communication Device – для средств связи;

Fishing Float – для поплавка;

Game – для электронной игрушки;

Hearing Aid – для слухового аппарата;

Lighter – к зажигалке;

Lithium – литиевый элемент (батарея);

Marganese-Zinc – марганец-цинковый элемент (батарея); Measuring Equipment – для измерительных приборов;

Medical Instrument – для медицинских приборов;

Mercuric Oxide – ртутно-цинковый элемент (батарея); Microphone – для микрофона;

Mini Radios – для миниатюрного радиоприемника;

Nickel-Zinc – никель-цинковый элемент (батарея);

Photographic Light Meter – для фотоэкспонометра;

Pocket Bell – для карманного будильника

Silver Oxide – серебряно-цинковый элемент (батарея);

Standart – универсальный элемент (батарея);

Watch – для часов;

Wristwatch – для наручных часов.

Источник: Кашкаров А. П., Ветрогенераторы, солнечные батареи и другие полезные конструк¬ции. – М.: ДМК Пресс, 2011. – 144 с.

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