Беседы по Электротехнике: Электричество - от простого к сложному
Главная   >>   Беседы по Электротехнике: Электричество - от простого к сложному

Беседы по Электротехнике: Электричество - от простого к сложному

Электричество - от простого к сложному. Часть 5.

Батареи, как правило, представляют из себя либо отдельный, конструктивно завершенный ГАЛЬВАНИЧЕСКИЙ ЭЛЕМЕНТ, либо некоторую комбинацию подобных элементов, именно в последнем случае и можно говорить об ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ БАТАРЕЕ. Мы упоминали о таком понятии, как ЭЛЕКТРОДВИЖУЩАЯ СИЛА (ЭДС).

Заметим, что величина ЭДС определяется чисто химическими, точнее, электрохимическими свойствами активных материалов, из которых изготовлены электроды, а также свойствами электролита, и НЕ ЗАВИСИТ от их (электродов) размеров! Зависимость ЭДС от температуры (в разумных пределах) очень невелика. Следует различать такие понятия, как ЭДС батарейки и ее НАПРЯЖЕНИЕ. Потому что ЭДС - это такая разность электрических потенциалов на электродах, которая зависит только от химических свойств применяемых материалов. Ее замеряют при РАЗОМКНУТОЙ внешней цепи. В то время как НАПРЯЖЕНИЕ измеряют исключительно при ЗАМКНУТОЙ внешней цепи или, как принято говорить, под нагрузкой.

Это напряжение зависит от ряда факторов, в частности, от ЭДС батарейки (Е), тока нагрузки (Iн) и так называемого ВНУТРЕННЕГО СОПРОТИВЛЕНИЯ батареи (Rвн) U = Е = IнRвн. Однако не следует думать, что этого достаточно, чтобы однозначно определить численную величину напряжения, которое развивает на нагрузке батарея. Это не так, поскольку Rвн НЕ ЕСТЬ величина постоянная! Она существенно зависит от степени эксплуатации батарейки, следовательно, от степени ее разряда.

Различают НАЧАЛЬНОЕ, СРЕДНЕЕ и КОНЕЧНОЕ напряжения. ВНУТРЕННЕЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ (Rвн) зависит от применяемого электролита, материала электродов и сепараторов, т.е. прокладок между электродами. Естественно, чем Rвн меньше, тем лучше, поскольку тем большим может быть РАЗРЯДНЫЙ ТОК при заданном напряжении на нагрузке.

Одним из важнейших параметров батареи является также ее ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ЕМКОСТЬ (Q). Если ток разряда можно считать постоянным в течение всего времени разряда, то электрическая емкость представляет собой произведение: Q = IрТ, где Iр - ток разряда; Т - время разряда.

Если же сила тока (по мере разряда батареи) изменяется, то пользуются СРЕДНИМ значением тока. Оно представляет среднее арифметическое токов соответственно в начале и в конце разряда. Iср = (Iн.р + Iк.р) / 2. В последние годы на этикетках электрических батареек помимо ЭДС принято указывать, какой ток разряда (иначе говоря, какой ток нагрузки) является для данного типа батарейки (элемента) ОПТИМАЛЬНЫМ. Кроме того, указывают и величину электрической емкости.

Все вышесказанное характерно и для такого класса источников электрической энергии, как АККУМУЛЯТОРЫ. В настоящее время они (за определенным исключением) выпускаются в том же самом стандарте корпусов, что и электрические батареи, но стоят существенно дороже.

Однако эта относительная дороговизна в действительности оборачивается (при правильной эксплуатации аккумуляторов) колоссальным выигрышем как в смысле экономии, так и в смысле практичности. Поскольку, в отличие от электрической батареи, которая исчерпав свою емкость, превращается в утиль, аккумуляторы можно вновь зарядить с помощью внешнего источника электрической энергии.

Современные бытовые аккумуляторы, как правило, допускают от 700 до 1000 перезарядов! На рис.12 показана зависимость тока от напряжения при различной величине внешнего сопротивления. Иначе говоря, представлено СЕМЕЙСТВО ХАРАКТЕРИСТИК, наглядно демонстрирующих, что такое РЕЗИСТОР.

Зная конкретное значение сопротивления резистора, очень легко установить, какой ток будет идти через этот резистор при любом, произвольно заданном постоянном напряжении, приложенном к его (резистора) выводам. Но наш рассказ о простейших цепях ПОСТОЯННОГО ТОКА будет неполным, если обойти вниманием тот факт, что в этих цепях используются (притом достаточно широко) и компоненты, характеристики которых очень существенно ОТЛИЧАЮТСЯ от ранее приведенных.

Рассмотрим (рис.13) характеристику <1>. Она состоит из двух совершенно не похожих друг на друга частей. Первая начинается в точке <нуль> и заканчивается в точке <А>. Она интересна тем, что повышение напряжения от 0 до 5,6 В НЕ ПРИВОДИТ к появлению тока! Но в момент достижения этой КРИТИЧЕСКОЙ точки картина меняется самым существенным образом. Потому что протекающий через этот УДИВИТЕЛЬНЫЙ компонент ток лавинообразно нарастает! Это при том, что напряжение на выводах этого компонента увеличивается на очень малую величину.

Таким образом, с полным основанием можно говорить о том, что при увеличении тока через этот <странный> компонент практически от 0 до 30 мА, падение напряжения на нем ПОЧТИ не меняется! Ну а что случится, если ток превысит 30 мА?

Оказывается, никаких принципиальных изменений не произойдет и в этом случае. Но необходимо учитывать, что с увеличением тока через рассматриваемый компонент резко возрастает и рассеиваемая в нем электрическая мощность! Но она не может быть сколько угодно большой! Поэтому при превышении МАКСИМАЛЬНО ДОПУСТИМОЙ мощности происходит ТЕПЛОВОЙ пробой компонента. Он, проще говоря, сгорает! Отметим, что этот <удивительный> компонент очень широко применяется в электротехнике и электронике.

Реально он представляет достаточно сложную ПОЛУПРОВОДНИКОВУЮ СТРУКТУРУ и называется СТАБИЛИТРОНОМ. Нередко задают вопрос: стабилитрон подчиняется Закону Ома или нет? Если подчиняется, то чему равно его сопротивление? Но о сопротивлении стабилитрона вообще говорить не принято. Этот параметр в электротехнике и электронике (касательно стабилитронов) никогда не рассматривают! Вместо этого принято говорить о ДИНАМИЧЕСКОМ СОПРОТИВЛЕНИИ стабилитрона

(Rд.ст) Rд.ст = dU / dI.

Обычно Rд.ст не превышает нескольких десятков ом. Это у весьма посредственных экземпляров, у хороших стабилитронов несколько ом или даже меньше. На рис.13. приведена еще характеристика <2>. Ее точка перелома <С> соответствует 9,5 В.

Это означает, что данный стабилитрон имеет НАПРЯЖЕНИЕ СТАБИЛИЗАЦИИ 9,5 В. Необходимо отметить, что РЕАЛЬНЫЕ характеристики стабилитронов отличаются более плавным изломом (рис.14). Поэтому реальные стабилитроны характеризуются не только напряжением стабилизации, но и также МИНИМАЛЬНЫМ и МАКСИМАЛЬНЫМ током стабилизации. На рис.14. Iст.мин = 5 мА, Iст.макс = 28 мА.

Далее рассмотрим, как с помощью стабилитрона осуществляется СТАБИЛИЗАЦИЯ НАПРЯЖЕНИЯ и за- чем это так необходимо.

Вышенайденные значения токов I2мин и I2макс, соответственно равные 6 и 14,6 мА, заведомо НЕ ДОСТИГАЮТ в данном примере паспортных значений минимального и максимального токов стабилизации для используемого стабилитрона (в данном случае КС168).

Это означает, что приняв Uст неизменным, мы были полностью правы и нисколько не погрешили против истины. Следовательно, стабилитрон позволяет поддерживать НЕИЗМЕННЫМ напряжение на нагрузке в том случае, если сопротивление нагрузки непостоянно. А теперь представим другую ситуацию, которая на практике встречается очень часто. Пусть напряжение питания НЕСТАБИЛЬНО и изменяется в пределах от 12 до 18 В. Что в этом случае произойдет в точке "А" при Rмин= 680 Ом?

1) URб = Uмин - 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 что будет, если R н.макс = 5 кОм ? При U мин = 12 В имеем 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 имеем 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 этом случае можно утверждать, что при U мин = 12 В и Rн.мин = 680 Ом наблюдается НАРУШЕНИЕ режима стабилизации, поскольку ток стабилитрона становится меньше, чем 3 мА. Во всех остальных случаях, т.е. при Rн.макс = 5 кОм, а также при Uмакс= 18

В стабилитрон НЕ ВЫХОДИТ за пределы паспортного режима стабилизации напряжения. От нарушения стабилизации можно избавиться, если, например, Rб = 390 Ом.

Произведя несложные подсчеты, легко убедиться в том, что КАК ПРИ ИЗМЕНЕНИИ напряжения питания, ТАК И ПРИ ИЗМЕНЕНИИ Rн (в вышеназванных пределах, разумеется) применение стабилитрона позволяет поддерживать напряжение на нагрузке НЕИЗМЕННЫМ и равным Uст. Что касается недостатков приведенной выше ПРОСТЕЙШЕЙ схемы стабилизации напряжения, то стоит перечислить их:

1) ток нагрузки ВСЕГДА сравним по величине с током, текущим через стабилитрон. Это означает, что КПД простейше- го стабилизатора не достигает и 40%;

2) допустимый диапазон изменения тока нагрузки не превышает, как правило, 2 - 3 раз. Любой стабилитрон характеризуется таким важнейшим параметром, как ТКН - температурный коэффициент напряжения. Он оговаривается в технических параметрах на все типы стабилитронов.

ТКН показывает, насколько изменяется напряжение стабилизации данного типа стабилитронов ПРИ НЕИЗМЕННОМ ТОКЕ, если температура окружающей среды изменяется в некотором диапазоне температур. Этот диапазон зависит прежде всего от того, предназначен ли стабилитрон для бытовой, промышленной или специальной электроники.

Обычно ТКН выражается как процентное отношение максимально допустимого температурного изменения напряжения стабилизации dUст к паспортному напряжению стабилизации Uст.ном ТКН = dUст / Uст. ном. В зависимости от величины ТКН стабилитроны делятся на обычные и прецизионные.

В простейшей схеме стабилизации (рис. 15) нет никакого смысла применять прецизионные стабилитроны. Прежде все го потому, что, как было показано выше, основа функционирования такой схемы - это именно изменение тока стабилитрона. Но в этом случае ни о каком фиксированном значении ТКН говорить не приходится. Отсюда еще один недостаток простейшей схемы: не обеспечивается достаточная стабильность напряжения в точке "А". "Выгул" этого напряжения достигает нескольких десятков милливольт, что, как будет показано в дальнейшем, недопустимо для питания большинства радиотехнических схем. Отметим, что схемы, подобные простейшей, называют ПАРАМЕТРИЧЕСКИМИ стабилизаторами напряжения.