Бесіди по Електротехніці: Електрика - від простого до складного. Частина 5.

Батареї, як правило, являють собою або окремий, конструктивно завершений гальванічних елементів, або деяку комбінацію подібних елементів, саме в останньому випадку і можна говорити про електричні батареї. Ми згадували про таке поняття, як електрорушійна сила (ЕРС).

Зауважимо, що величина ЕРС визначається чисто хімічними, точніше, електрохімічними властивостями активних матеріалів, з яких виготовлені електроди, а також властивостями електроліту, і НЕ ЗАЛЕЖИТЬ від їх (електродів) розмірів! Залежність ЕРС від температури (в розумних межах) дуже невелика. Слід розрізняти такі поняття, як ЕРС батарейки та її НАПРУГУ. Тому що ЕРС - це така різниця електричних потенціалів на електродах, яка залежить тільки від хімічних властивостей застосовуваних матеріалів. Її вимірюють при розімкнутому зовнішньому ланцюзі. У той час як НАПРУГУ вимірюють виключно при замкнутому зовнішньому ланцюзі або, як прийнято говорити, під навантаженням.

Ця напруга залежить від ряду факторів, зокрема, від ЕРС батарейки (Е), струму навантаження (Iн) і так званого внутрішнього ОПОРУ батареї (Rвн) U = Е = IнRвн. Однак не слід думати, що цього достатньо, щоб однозначно визначити чисельну величину напруги, яке розвиває на навантаженні батарея. Це не так, оскільки Rвн НЕ Є величина постійна! Вона істотно залежить від ступеня експлуатації батарейки, отже, від ступеня її розряду.

Розрізняють ПОЧАТКОВЕ, СЕРЕДНЯ і КІНЦЕВЕ напруги. ВНУТРІШНЯ ОПІР (Rвн) залежить від застосовуваного електроліту, матеріалу електродів і сепараторів, тобто прокладок між електродами. Природно, чим Rвн менше, тим краще, оскільки тим більшим може бути розрядний струм при заданому напрузі на навантаженні.

Одним з найважливіших параметрів батареї є також її ЕЛЕКТРИЧНА ЕМКОСТЬ (Q). Якщо струм розряду можна вважати постійним протягом всього часу розряду, то електрична ємність являє собою твір: Q = IрТ, де Iр - струм розряду; Т - час розряду.

Якщо ж сила струму (в міру розряду батареї) змінюється, то користуються СЕРЕДНІМ значенням струму. Воно являє середнє арифметичне струмів відповідно на початку і в кінці розряду. Iср = (Iн.р + Iк.р) / 2. В останні роки на етикетках електричних батарей крім ЕРС прийнято вказувати, який струм розряду (інакше кажучи, який струм навантаження) є для даного типу батарейки (елемента) ОПТИМАЛЬНИМ. Крім того, вказують і величину електричної ємності.

Все вищесказане характерно і для такого класу джерел електричної енергії, як АКУМУЛЯТОРИ. В даний час вони (за певним винятком) випускаються в тому ж самому стандарті корпусів, що і електричні батареї, але коштують значно дорожче.

Однак ця відносна дорожнеча насправді обертається (при правильній експлуатації акумуляторів) колосальним виграшем як в сенсі економії, так і в сенсі практичності. Оскільки, на відміну від електричної батареї, яка вичерпавши свою ємність, перетворюється в утиль, акумулятори можна знову зарядити за допомогою зовнішнього джерела електричної енергії.

Сучасні побутові акумулятори, як правило, допускають від 700 до 1000 перезарядити! На рис.12 показана залежність струму від напруги при різній величині зовнішнього опору. Інакше кажучи, представлено РОДИНА ХАРАКТЕРИСТИК, наочно демонструють, що таке РЕЗИСТОР.

Знаючи конкретне значення опору резистора, дуже легко встановити, який струм буде йти через цей резистор при будь-якому, довільно заданому постійному напруженні, доданому до його (резистора) висновків. Але наша розповідь про найпростіші ланцюгах ПОСТІЙНОГО СТРУМУ буде неповним, якщо залишити без уваги той факт, що в цих ланцюгах використовуються (притому досить широко) і компоненти, характеристики яких дуже істотно ВІДРІЗНЯЮТЬСЯ від раніше наведених.

Розглянемо (рис.13) характеристику <1>. Вона складається з двох зовсім не схожих один на одного частин. Перша починається в точці <нуль> і закінчується в точці <А>. Вона цікава тим, що підвищення напруги від 0 до 5,6 В НЕ ПРОВОДЯТЬ до появи струму! Але в останній момент досягнення цієї критичної точки картина змінюється найістотнішим чином. Тому що протікає через цей ДИВОВИЖНИЙ компонент ток лавиноподібно наростає! Це при тому, що напруга на висновках цього компонента збільшується на дуже малу величину.

Таким чином, з повною підставою можна говорити про те, що при збільшенні струму через цей <дивний> компонент практично від 0 до 30 мА, падіння напруги на ньому МАЙЖЕ не змінюється! Ну а що трапиться, якщо струм перевищить 30 мА?

Виявляється, ніяких принципових змін не відбудеться і в цьому випадку. Але необхідно враховувати, що зі збільшенням струму через розглянутий компонент різко зростає і розсіюється в ньому електрична потужність! Але вона не може бути скільки завгодно великий! Тому при перевищенні ДОЗВОЛЕНО потужності відбувається ТЕПЛОВОЇ пробою компонента. Він, простіше кажучи, згорає! Відзначимо, що цей <дивовижний> компонент дуже широко застосовується в електротехніці і електроніці.

Реально він представляє досить складну напівпровідникові структури і називається стабілітронах. Нерідко запитують: стабілітрон підпорядковується Закону Ома чи ні? Якщо підпорядковується, то чому дорівнює його опір? Але про опір стабілітрона взагалі говорити не прийнято. Цей параметр в електротехніці і електроніці (щодо стабилитронов) ніколи не розглядають! Замість цього прийнято говорити про динамічний опір стабілітрона

(Rд.ст) Rд.ст = dU / dI.

Зазвичай Rд.ст не перевищує декількох десятків ом. Це у вельми посередніх примірників, у хороших стабилитронов кілька ом або навіть менше. На рис.13. приведена ще характеристика <2>. Її точка перелому <С> відповідає 9,5 В.

Це означає, що даний стабілітрон має НАПРУГУ СТАБІЛІЗАЦІЇ 9,5 В. Необхідно відзначити, що РЕАЛЬНІ характеристики стабілітронів відрізняються більш плавним зламом (рис.14). Тому реальні стабілітрони характеризуються не тільки напругою стабілізації, але і також мінімальний і максимальний струмом стабілізації. На рис.14. IСТ.МИН = 5 мА, IСТ.МАКС = 28 мА.

Далі розглянемо, як за допомогою стабілітрона здійснюється СТАБІЛІЗАЦІЯ НАПРУГИ і за- ніж це так необхідно.

Вишенайденние значення струмів I2мін і I2макс, відповідно рівні 6 і 14,6 мА, свідомо не досягає в даному прикладі паспортних значень мінімального і максимального струмів стабілізації для використовуваного стабілітрона (в даному випадку КС168).

Це означає, що прийнявши Uст незмінним, ми були абсолютно праві і анітрохи не погрішили проти істини. Отже, стабілітрон дозволяє підтримувати НЕЗМІННИМ напруга на навантаженні в тому випадку, якщо опір навантаження не постійно. А тепер уявімо іншу ситуацію, яка на практиці зустрічається дуже часто. Нехай напруга живлення нестабільності і змінюється в межах від 12 до 18 В. Що в цьому випадку відбудеться в точці "А" при Rмін = 680 Ом?

1) URб = Uмін - Uст = 12 - 6,8 = 5,2 В; I1 = 5,2 / 510 = 10,2 мА; Iн = 6,8 / 680 = 10 мА; I2 = I1 - Iн = 10,2 - 10 = 0,2 мА!

2) URб = Uмакс - Uст = 18 - 6,8 = 11,2 В; I1 = 11200/510 = 22 мА; Iн = 10 мА; I2 = 22 - 10 = 12 мА.

А що буде, якщо R н.макс = 5 кОм? При U хв = 12 В маємо U Rб = 5,2 В; I1 = 5,2 / 510 = 10,2 мА; Iн = 6,8 / 5 = 1,4 мА; I2 = 10,2 - 1,4 = 8,8 мА.

При U макс = 18 В маємо U Rб = 18 - 6,8 = 11,2 В; I1 = 11200/510 = 22 мА; Iн = 6,8 / 5 = 1,4 мА; I2 = 22 - 1,4 = 20,6 мА.

В цьому випадку можна стверджувати, що при U хв = 12 В і Rн.мін = 680 Ом спостерігається ПОРУШЕННЯ режиму стабілізації, оскільки струм стабілітрона стає менше, ніж 3 мА. У всіх інших випадках, тобто при Rн.макс = 5 кОм, а також при Uмакс = 18

В стабілітрон НЕ ВИХОДИТЬ за межі паспортного режиму стабілізації напруги. Від порушення стабілізації можна позбутися, якщо, наприклад, Rб = 390 Ом.

Провівши нескладні підрахунки, легко переконатися в тому, що ЯК ПРИ ЗМІНУ напруги харчування, ТАК І ПРИ ЗМІНУ Rн (в вищеназваних межах, зрозуміло) застосування стабілітрона дозволяє підтримувати напругу на навантаженні НЕЗМІННИМ і рівним Uст. Що стосується недоліків наведеної вище простої схеми стабілізації напруги, то варто перерахувати їх:

1) струм навантаження ЗАВЖДИ порівняємо за величиною зі струмом, поточним через стабілітрон. Це означає, що ККД простейше- го стабілізатора не досягає і 40%;

2) допустимий діапазон зміни струму навантаження не перевищує, як правило, 2 - 3 раз. Будь стабілітрон характеризується таким найважливішим параметром, як ТКН - температурний коефіцієнт напруги. Він обумовлюється в технічних параметрах на всі типи стабілітронів.

ТКН показує, наскільки змінюється напруга стабілізації даного типу стабілітронів ПРИ постійному струмі, якщо температура навколишнього середовища змінюється в деякому діапазоні температур. Цей діапазон залежить насамперед від того, чи призначений стабілітрон для побутової, промислової або спеціальної електроніки.

Зазвичай ТКН виражається як процентне відношення максимально допустимого температурного зміни напруги стабілізації dUст до паспортного напрузі стабілізації Uст.ном ТКН = dUст / Uст. ном. Залежно від величини ТКН стабілітрони діляться на звичайні і прецизійні.

У найпростішій схемі стабілізації (рис. 15) немає ніякого сенсу застосовувати прецизійні стабілітрони. Перш все го тому, що, як було показано вище, основа функціонування такої схеми - це саме зміна струму стабілітрона. Але в цьому випадку ні про яке фіксованому значенні ТКН говорити не доводиться. Звідси ще один недолік найпростішої схеми: не забезпечується достатня стабільність напруги в точці "А". "Вигул" цієї напруги досягає декількох десятків мілівольт, що, як буде показано надалі, неприпустимо для харчування більшості радіотехнічних схем. Відзначимо, що схеми, подібні найпростішої, називають параметричний стабілізатор напруги.

<< Попередня 1 2 3 4 [5] 6 7 Наступна >>