Введение в электронику

Литий сильно взаимодействует с водой. Конструкция литиевого элемента использует литий, двуокись марганца (МnO₂) и перхлорат лития (LiClO₄) в органическом растворителе (вода не может быть использована). Выходное напряжение литиевого элемента примерно 3 вольта. Литиевые элементы являются очень эффективными с плотностью энергии около 200 ватт-часов на килограмм. Наибольшее преимущество литиевых элементов в их исключительно долгом сроке хранения — от 5 до 10 лет.

Вторичные элементы — это элементы, которые можно подзаряжать приложением обратного напряжения. Примером является кислотно-свинцовая батарея, используемая в автомобилях (рис. 3-16).

Рис. 3-16. Пример вторичного элемента (в разрезе).

Она изготовлена из шести 12-вольтовых вторичных элементов, соединенных последовательно. Каждый элемент имеет положительный электрод из двуокиси свинца (РЬО₂) и отрицательный электрод из пористого свинца (РЬ). Электроды разделены пластиком или резиной и погружены в раствор электролита, состоящего из серной кислоты (H₂SO₄) и дистиллированной воды (Н₂0). Когда элемент разряжен, серная кислота взаимодействует с окисью свинца и пористым свинцом, превращая их в сульфат свинца, а электролит в воду. При перезарядке элемента применяется источник постоянного тока с напряжением большим, чем вырабатывает элемент. При протекании тока через элемент электроды превращаются опять в двуокись свинца и пористый свинец, а электролит опять превращается в серную кислоту и воду. Элементы этого типа также называются жидкостными элементами.

Другой тип вторичных элементов — никель-кадмиевые (NiCd) элементы (рис. 3-17).

Рис. 3-17. Никель-кадмиевая батарея (NiCd) в качестве другого примера вторичного элемента.

Это сухой элемент, который сохраняет свой заряд длительное время и может многократно перезаряжаться. Элемент состоит из положительного и отрицательного электродов, разделителя, электролита и корпуса. Электроды состоят из порошкообразного никеля, нанесенного на экран из никелевой проволоки, пропитанной раствором соли никеля для положительного электрода и раствором соли кадмия для отрицательного электрода. Разделитель сделан из поглощающего изолирующего материала.

Электролитом является гидроокись калия. Корпус изготавливается из стали и плотно закрывается. Типичное напряжение элементов этого типа 1,2 вольта.

Способность батареи непрерывно вырабатывать электроэнергию выражается в ампер-часах. Батарея в 100 ампер-часов может выдавать ток в 1 ампер в течение 1 часа (100 x 1 = 100 ампер·часов), либо 10 ампер в течение 10 часов (10 x 10 = 100 ампер-часов), либо 1 ампер в течение 100 часов (1 x 100 = 100 ампер·часов).

3–2. Вопросы

Элементы и батареи могут быть соединены вместе для увеличения напряжения и/или тока. Они могут быть соединены последовательно, параллельно или последовательно-параллельно.

При последовательном соединении элементы или батареи могут быть соединены либо в последовательно-дополняющей либо в последовательно-препятствующей конфигурации. В последовательно-дополняющей конфигурации положительный электрод первого элемента соединяется с отрицательным электродом второго элемента; положительный электрод второго элемента соединяется с отрицательным электродом третьего элемента и так далее (рис. 3-18).

Рис. 3-18. Элементы или батареи могут быть соединены последовательно для увеличения напряжения.

При последовательно-дополняющей конфигурации через все элементы или батареи протекает одинаковый ток. Это может быть выражено следующим образом:

I_T = I₁ = I₂ = I₃.

Индексы обозначают номера отдельных элементов или батарей. Полное напряжение равно сумме напряжений отдельных элементов и может быть выражено следующим образом:

E_T = E₁ + Е₂ + Е₃.

При последовательно-препятствующей конфигурации элементы или батареи соединяются друг с другом одноименными выводами, отрицательный вывод с отрицательным или положительный с положительным. Однако эта конфигурация очень мало применяется на практике.

При параллельном соединении все положительные выводы соединяются вместе и все отрицательные выводы также соединяются вместе (рис. 3-19).

Рис. 3-19. Элементы или батареи могут быть соединены параллельно для увеличения тока.

Общий возможный ток является суммой токов каждого элемента или батареи:

I_T = I₁ + I₂ + I₃.

Общее напряжение равно напряжению каждого отдельного элемента или батареи:

E_T = E₁ = Е₂ = Е₃.

Если желательно получить и наибольшее напряжение и наибольший ток, элементы или батареи могут быть соединены в последовательно-параллельной конфигурации. Помните, что последовательное соединение элементов или батарей увеличивает напряжение, а параллельное соединение увеличивает ток. На рис. 3-20 показаны четыре 3-вольтовых батареи, соединенные в последовательно-параллельной конфигурации. Эта конфигурация дает напряжение 6 вольт и обеспечивает ток в два раза больший, чем отдельная батарея.

Рис. 3-20. Элементы или батареи могут быть соединены последовательно-параллельно для увеличения выходного тока и напряжения.

Для получения 6 вольт необходимо соединить две 3-вольтовые батареи последовательно (рис. 3-21).

Рис. 3-21. Когда элементы соединяются последовательно, напряжение увеличивается.

Для увеличения тока, вторая пара 3-вольтовых батарей подсоединяется параллельно (рис. 3-22).

Рис. 3-22. Параллельное соединение последовательно соединенных элементов увеличивает выходной ток. Полученная цепь является последовательно-паралелльной конфигурацией.

В результате получается последовательно-параллельная конфигурация.

3–3. Вопросы