Генрих Кардашев - Радиоэлектроника-с компьютером и паяльником

Напомним, что за положительное (расчетное) направление тока во внешней цепи принимают движение условного положительного заряда. Этот заряд будет двигаться противоположно электронному току, т. е. от плюса к минусу во внешней цепи источника при его разрядке (работе).

Наиболее простыми и дешевыми являются первичные источники тока как бы однократного действия, в которых при работе (прерывистой или непрерывной) протекают необратимые (или частично обратимые) окислительно-восстановительные реакции. Эти источники — гальванические элементы, после исчерпания токообразующих реагентов подлежат замене. По поводу этих источников радиолюбители шутят: «Купил. Поставил. Поработал. Сели — выбрасывай и беги за новыми».

В гальванических элементах используют следующие электрохимические системы, аббревиатуры (или химические символы) которых используются при маркировке: Л (Li) — литиевые; МЦ (MnZn) — марганцево-цинковые; РЦ (HgZn) — ртутно-цинковые; СЦ (AgZn) — серябрено-цинковые.

Некоторые из гальванических элементов допускают относительно небольшое число циклов перезаряда. Примером могут служить алкалиновые (от англ. alkaline — щелочной) элементы. Их можно подзарядить, если корпус не имеет механических дефектов (выделяется газ!) и емкость снизилась не более чем наполовину.

Более сложными являются вторичные источники, которые создаются с обратимо работающими электродами. Это перезаряжаемые ХИТ, или аккумуляторы. Они допускают до тысячи циклов перезаряда (от дополнительного источника постоянного тока), восстанавливающих их работоспособность. В аккумуляторах используют следующие электрохимические системы: никель-кадмиевые (NiCd) и никель-металлогидридные (NiMH); свинцово-кислотные (Sealed Lead Acid, SLA); литий-ионные (Li-Ion) и литий-полимерные (Li-Polimer).

Основными электрическими характеристиками ХИТ являются: напряжение на его зажимах, внутреннее (омическое) сопротивление и емкость. Напряжение на зажимах ХИТ зависит от типа и состояния его электрохимической системы и характера нагрузки.

При холостом ходе (разомкнутый источник) напряжение на нем равно его электродвижущей сипе (ЭДС); последняя характеризует работу, производимую химическими реакциями по разделению зарядов на электродах.

Внутреннее сопротивление характеризует потери в самом источнике при его работе. Емкость ХИТ — количество электричества (заряд) в ампер-часах (А·ч) или миллиампер-часах (мА·ч), которое отдается при его разряде до заданного напряжения. Обратите внимание на то, что размерность «емкости ХИТ» кулон, а не кулон/Вольт = Фарад, как у «электрической емкости конденсатора», ибо это разные физические понятия.

Соединяя отдельные гальванические или аккумуляторные элементы в группы, последовательно для увеличения напряжения, параллельно для увеличения тока или смешанным образом, образуют соответствующие батареи. На радиожаргоне или в быту зачастую любой ХИТ называют просто батарейкой.

Конструктивно, гальванические элементы и аккумуляторы выпускают в трех видах исполнения: дисковые (так называемые «пуговичные» или «кнопочные»), цилиндрические («пальчиковые» или «стаканчиковые») и призматические («галетные», и т. п.). Корпуса батарей из них, как правило, имеют вид параллелепипеда, зачастую со скругленными гранями, например плоские батареи (рис. 1, а ).

На УГО (условно-графических обозначениях) ХИТ, как правило, показывают полярность выводов (см. рис. 1, б, в ). На конкретных схемах в программе EWBуказывают рядом с ним позиционное обозначение компонента и величину ЭДС, например Е1 = 9 В (см. рис. 1, г ).

Рис. 1. Химические источники тока:

а— внешний вид; б, в— УГО на принципиальных схемах; г— модельный компонент EWB

Общие сравнительные характеристики ХИТ таковы.

Солевые МЦ элементы наиболее дешевы, но их энергетические характеристики сильно зависят от скорости разряда, а напряжение существенно меняется за время разряда; срок их годности не превышает 5 лет с момента выпуска.

Щелочные МЦ элементы более стабильны и работоспособны; срок их сохранности (не работы) доходит до 10 лет.

Литиевые элементы имеют еще более высокие показатели по всем перечисленным параметрам.

Щелочные аккумуляторы в отличие от щелочных элементов обладают большей стабильностью рабочего напряжения. «Перезарядка» этих аккумуляторов может быть проведена за время от 16 ч до 1 ч (а для некоторых за 15 мин.). При хранении в разряженном состоянии они длительное время не теряют работоспособности: никель-металлогидридные — до 1 года, а никель-кадмиевые аккумуляторы (НКА) — до 10 лет. Последние пользуются большой популярностью у любителей портативных радиостанций, так как они переносят «ударные» нагрузки при работе в режиме передатчика. Радиолюбители ласково прозывают их «НКАшками». К основным недостаткам НКА относится «эффект памяти», заключающийся в уменьшении его полезной емкости при неполной разрядке. НКА необходимо периодически полностью разряжать.

Никель-металлогидридные аккумуляторы имеют более высокую емкость и значительно меньший «эффект памяти».

Свинцово-кислотные аккумуляторы имеют более высокое напряжение, чем щелочные, и выпускаются, как правило, в виде батарей из 3 или 6 аккумуляторов, соединенных последовательно и соответственно с напряжением 6 и 12 В. Примером могут служить стартерные батареи для мотоциклов и автомобилей. Жизнь автолюбителей, особенно в зимний период, во многом разнообразится капризами этих батарей, особенно при неряшливой эксплуатации. Эти батареи нашли применение также в источниках бесперебойного питания, системах охраны и сигнализации.

Литий-ионные аккумуляторы имеют самое высокое напряжение среди других ХИТ и наилучшие удельные характеристики. Однако они и дороже, так как обязательно (из-за возможного воспламенения электролита) оснащаются дополнительно устройствами защиты по току и напряжению от перезаряда. Этого недостатка лишены литий-полимерные аккумуляторы, но они имеют повышенное внутреннее сопротивление.

В последние годы появились компоненты, которые являются как бы гибридом ХИТ и конденсатора — ионисторы, они будут рассмотрены далее наряду с другими конденсаторами.

Перспективными являются также так называемые топливные элементы, в которых благодаря каталитической химической реакции генерируется электрическая энергия. Эти элементы для зарядки необходимо доливать, например, метанолом (метиловым спиртом), хотя исследователи с успехом угощали их этанолом, водкой и даже джином…