Впервые с электричеством человечество столкнулось ещё на заре развития. Это было проявление биоэлектричества у угрей и скатов.
С открытием электростатики человек понял, что электроэнергию можно получать искусственно. Постепенно он понял природу электричества, явление электромагнетизма, а также сделал прорывные открытия в физике, химии и материаловедении.
Всё это позволило человечеству прийти вначале к созданию химических источников электротока, а затем разработке электрогенераторов.
Сегодня электричество плотно вошло в нашу жизнь. Мы применяем его для питания бытовых электроприборов, компьютерной, а также мобильной техники.
Теперь нас не сильно интересуют принципы генерации электроэнергии. Нам, как потребителям, полезнее сведения о методах его преобразования, для достижения требуемого напряжения и мощности.
Время чтения: 15 минут
Нередко приходится сталкиваться с несоответствием выходных характеристик источника питания (ИП) и потребителя. Причины этого - оригинальные параметры энергопотребителя, а также отсутствие ИП, характеристики которого соответствовали бы заданным. При этом изменить параметры нагрузки зачастую очень сложно, а иногда просто невозможно. Главные причины - это сохранность гарантийных обязательств, сохранение целостности и эстетичности, и ещё ряд факторов. Поэтому приходится производить корректировку ИП.
Как изменять параметры?
Если параметры нагрузки и ИП различаются кратно, то вполне логичным решением выступает объединение нескольких ИП в единую группу. Наиболее часто источники тока (ИТ) соединяют последовательно или параллельно. Также возможно и смешанное присоединение, однако его практикуют гораздо реже.
В зависимости от вида используемых ИП разнятся и особенности их объединения. Разберёмся в этом.
Химические электроисточники
Устройства, в которых электрогенерация основана на электрохимических процессах окисления и восстановления, называют химическими источниками тока (ХИТ). К ним относятся гальванические элементы (ГЭ), а также аккумуляторные батареи (АКБ).
ХИТ - это удобный переносной аккумулятор электроэнергии, применяемый для электропитания разных типов оборудования. Он обеспечивает автономное функционирование многих установок без необходимости их прямого подключения к стационарной электрической сети.
Вот примеры, где установки этого типа наиболее востребованы:
- Портативная электроника: наушники, пульты дистанционного управления, игровые приставки, фотоаппараты, видеокамеры, переносные аудиоплееры;
- Мобильные телефоны и планшеты;
- Ноутбуки, неттопы и планшетные компьютеры;
- Классические автомобили, электромобили, а также специализированный автономный электрифицированный транспорт: электрокар, электротележка, электротягач;
- Электронные игрушки: роботы, радиоуправляемые автомобили, другие развивающие и обучающие интерактивные игрушки;
- Ручные и стационарные фонари, светильники, прожекторы;
- Бытовая техника: часы, беспроводные мыши и клавиатуры, пульты управления бытовой техникой, термометры, метеостанции;
- Медицинские приборы: слуховые аппараты, глюкометры, тонометры, а также портативные мониторы сердечного ритма.
Это лишь некоторые области применения химических ИТ. При этом очень часто в приборах используется несколько однотипных элементов, объединённых в единое устройство. Для определения необходимости сооружения такой сборки вначале оценивают параметры потребителя. Если они не соответствуют друг другу, то пользуясь основными законами электротехники, делают необходимые расчёты, а затем сооружают необходимый тип присоединения.
Последовательное присоединение ХИТ
Этот вид объединения является самым часто встречающимся. Это связано с тем, что для электропитания большинства потребителей, номинального ЭДС батареи бывает недостаточно. Так, для зажигания светодиода нужно подавать от 2 до 4 вольт, а для питания микромоторов - от 3 до 9 В.
Так как классическая батарея имеет невысокий ЭДС, всего 1,5 В, то увеличить его можно, достаточно подключить их друг за другом. Аналогично объединяют и аккумуляторные батареи. При этом нужно помнить, что общая емкость аккумуляторов при последовательном соединении не изменяется и будет равна ёмкости одиночного ГЭ.
Параллельное присоединение химических ИТ
Основная цель включения в параллель - это увеличение отдаваемой мощности. Суммарная величина ЭДС при параллельном соединении остаётся неизменной, а отдаваемая сила тока кратно увеличивается. При этом параллельное соединение батареек очень редко используется. Причина этому - разнообразие их типоразмеров, от G13 до D. Такое многообразие дает возможность подобрать батарейку с требуемой отдаваемой мощностью.
В случае с аккумуляторными батареями запараллеливание встречается чаще. Оно увеличивает суммарную ёмкость АКБ соответственно числу присоединённых ГЭ.
Смешанное соединение источников тока
Смешанная сборка ГЭ на практике никогда не выполняется. В первую очередь это обусловлено разнообразием их типоразмеров. Объединение АКБ по смешанной схеме используют чаще. Это позволяет не только нарастить ёмкость общей сборки, но и её ЭДС, а также сохранить компактность в одном из габаритных размеров аккумулятора.
Наиболее часто такую сборку можно увидеть в АКБ ноутбуков, электромобилей, а также в тяговых аккумуляторах электропогрузчиков.
Особенности соединения ХИТ
При сооружении последовательной сборки химических ИТ должно соблюдаться одно простое правило. Оно заключается в том, что плюс первой батареи присоединяется к минусу второй, а плюс второй - с минусом третьей и так далее. Это правило выполняют с каждым последующим ХИТ, независимо от их числа.
При запараллеливании правила присоединения несколько иные. При такой схеме в один узел объединяют все одноимённые полюса источников электротока.
При сооружении смешанной сборки всегда должно использоваться одинаковое число запараллеленных ГЭ.
Также общими для всех способов объединения считаются условия:
- Один тип используемых ХИТ. Это связано с тем, что элементы могут обладать различным номинальным и зарядным напряжением, иметь различие в границах рабочих напряжений, а также различные допустимые токи заряда и разряда;
- Иметь одинаковый уровень заряда.Это относится не только к АКБ, но и ГЭ. Из-за различия в уровнях заряда легко допустить переразряд одного из компонента сборки, что привёдет к его выходу из строя, протечке электролита, а также нарушению функционирования всей конструкции;
- Одинаковая емкость. Существенное несовпадение ёмкостей приводит к постоянной недозарядке аккумулятора, имеющего большую ёмкость. А длительная работа в таком режиме ведёт к его быстрой деградации;
- Совпадение номинального ЭДС. Объединение ИП отличающихся номинальных напряжений приводит к тому, что элемент сборки, имеющий меньший ЭДС, будет постоянно находиться в режиме заряда. При этом подаваемый на него потенциал, существенно превышает допустимый, что быстро выведет его из строя.
- Подключение через проводники достаточного сечения. Для выполнения любого типа соединения нужно знать, какие токи будут протекать по проводникам. В соответствии с этим и выбирать проводники соответствующего размера, пропускная способность которых будет достаточной. В противном случае велика вероятность перегрева проводов с риском образованием пожара.
Вторичные электроисточники
ИТ называют вторичными, потому что не генерируют, а только преобразовывают электроэнергию, поступающую от первичного ИТ - электрической сети. К ним относятся: блоки питания, а также преобразователи AC-AC и AC-DC.
Основными задачами вторичного источника тока (ВИТ) являются:
- передача заданной мощности;
- преобразование напряжения (величины, формы, частоты);
- стабилизация параметров;
- защита потребителя.
Из-за высокой доступности этих устройств часто возникают вопросы о возможности объединения ВИТ. Давайте разбираться возможно ли это.
Создание цепей резервирования
Резервирование (или резервное электропитание) используется для обеспечения непрерывного функционирования потребителей в случае длительных или кратковременных сбоев в основном ИП. Вот некоторые причины, по которым используется резервирование:
- Предотвращение потери данных при внезапном прекращении электропитания у персональных компьютеров, серверов, а также сетевого оборудования;
- Обеспечение непрерывности работы в некоторых критически важных системах, например, телекоммуникационного оборудования, медицинских устройств, станков и промышленных процессов
- Защита от повышенного или пониженного напряжения, его скачков, а также других дестабилизирующих факторов, возникающих в электрической сети;
- Аварийное питание систем безопасности, аварийного и эвакуационного освещения, на случай появления нештатных ситуаций, таких, например, как пожар, землетрясение или другие чрезвычайные ситуации.
Резервное электроснабжение обеспечивает надёжность, непрерывность работы и защиту от потерь данных в различных сферах, где питание играет важную роль.
Для организации резервирования требуется минимум два ИП. Постоянно задействован только один из них, второй же включается только в случае отключения первого. При такой топологии блоки не оказывают друг на друга никакого влияния, а за их переключением следит специализированное устройство автоматического включения резерва (АВР).
Параллельное включение
Топология включения двух и более БП в параллель - широко распространена и применяется в целях увеличения выходной мощности. Она позволяет организовать объединение БП в единую цепь постоянного тока.
Их параллельная работа увеличивает величину отдаваемого тока за счёт перераспределения нагрузки между ними.
Однако применение такой топологии предполагает ряд ограничений, влияющих на общую эффективность. В первую очередь это наличие схем, способных контролировать равномерное перераспределение электротока между блоками. На неравномерность распределения влияют: внутреннее устройство ВИТ, параметры используемых проводников (длина, сечение, материал), а также конфигурация внешних цепей.
Некоторые производители в своих устройствах сразу реализуют перераспределяющие схемы. Их наличие позволяет объединять такие БП без особых проблем. Если же у ВИТ отсутствуют встроенные цепи распределения, то необходимо организовывать внешние, обладающие не меньшей эффективностью.
Наличие таких цепей обеспечит высокую стабильность работы.
Одним из основных условий допуска ВИТ в такую топологию - совпадение выходных ЭДС.
Последовательное включение
Присоединение БП друг за другом - это ещё один способ нарастить отдаваемую нагрузке мощность. Такая топология увеличивает выходное напряжение, за счет того, что на выходе образуется сумма ЭДС всех ВИТ.
При этом необязательно совпадение выходных напряжений входящих в схему блоков. Что более важно, так это значение максимального тока единичного блока.Так как электроток, протекающий через каждый ВИТ одинаков, то каждый блок должен обладать способностью выдержать его. В идеале все объединяемые ВИТ, должны быть идентичны друг другу.
Также есть два условия стабильного функционирования такого присоединения. Первое - выходные цепи должны быть настроены так, чтобы выдержать возникающее напряжение смещения. Для этого цепи заземления устройств должны быть изолированы.
Второе - объединяемые устройства должны иметь защиту от обратного потенциала. Такая ситуация возможна, если все ИТ включены, а один из них выключен. В таком случае на его выходе может появиться обратный потенциал, что способно повредить выходные электроцепи БП. Элегантным решением - выступает установка диода.
Для своей эффективной работы диод должен иметь напряжение пробоя выше, чем у отдельного ИП.
Наиболее популярный метод, позволяющий увеличить мощность, отдаваемую потребителю от химических элементов - это их последовательное включение. При этом смешанный вариант используется значительно реже, только для электропитания специализированных механизмов. Запараллеливание ХИТ - практически никогда не применяется. Причина этому - существенное разнообразие их типоразмеров.
Варианты конфигурирования БП ненамного меньше. Помимо того, что их используют в цепях резервирования, ещё с их помощью организуют присоединение по последовательной схеме, а также в параллель. При этом если в БП отсутствуют электрические цепи согласования совместной работы, то сооружение внешних является обязательным.
