Источники тока

Любой транзисторный приемник или усилитель можно питать как от химических источников постоянного тока— гальванических элементов, аккумуляторов или батареи, так и от электроосветительной сети переменного тока. Все зависит от того, какой это приемник или усилитель. Если, например, приемник малогабаритный, как часто говорят карманный, и рассчитан на питание от источника постоянного тока напряжением 4,5 9 В, для него обычно используют гальванические элементы или батареи. А если транзисторный усилитель предназначен для воспроизведений звукозаписи при совместной работе с сетевым электропроигрывающим устройством, то его целесообразно питать от электроосветительной сети. Что оке касается радиоаппаратуры на электронных лампах с катодом косвенного накала, для их питания используется только сеть переменного тока.

Как устроены и работают химические источники постоянного тока? Как транзисторный приемник, усилитель или иное радиотехническое устройство или прибор питать от сети переменного тока?

Вот на эти и некоторые другие вопросы, связанные с источниками тока для питания конструируемых тобой радиотехнических устройств, я и хочу ответить в этой беседе.

Гальванические элементы и батареи

С устройством простейшего гальванического элемента я знакомил тебя еще в первой беседе (см. рис. 7). Электродами такого элемента служат разнородные металлические пластинки, а электролитом раствор кислоты. Это вполне работоспособный химический источник постоянного тока. Но он имеет два существенных недостатка. Первый недостаток заключается в том, что электролит элемента едкая жидкость, которую можно пролить, расплескать. Второй недостаток заметное влияние на работу элемента явления поляризации. Сущность поляризации заключается в следующем: в результате непрерывного разложения электролита током, протекающим внутри элемента, на положительном электроде оседают в виде пузырьков положительные ионы водорода, образуя на нем газовую пленку, препятствующую движению электрических зарядов. Оба эти недостатка простейшего жидкостного элемента устранены в тех сухих гальванических элементах, которыми ты уже пользовался и будешь использовать для питания своих конструкций.

Ты, уверен, не раз разбирал разрядившуюся батарею 3336Л, чтобы посмотреть, что находится под защитным слоем бумаги. Там три элемента, которые изолированы один от другого картонными прокладками. Сверху элементы защищены мастикой черного цвета смолкой. Удалив смолку, ты увидишь графитовые стержни с металлическими колпачками, выступающие из цинковых стаканчиков. Графитовые стержни это выводы положительных электродов, а цинковые стаканчики отрицательные электроды элементов.

Чтобы рассмотреть внутреннее устройство элемента, придется осторожно разрезать по длине и отогнуть края цинкового стаканчика. Графитовый стержень находится в мешочке, наполненном спрессованной смесью толченого угля, порошка графита и двуокиси марганца. Это деполяризатор. А электролитом служит студенистая паста, заполняющая пространство между деполяризатором и стенками стаканчика, представляющая собой раствор нашатыря с примесью крахмала и муки. Во время работы элемента выделяющийся водород соединяется с кислородом, содержащимся в двуокиси марганца деполяризатора, в результате чего поляризация не наступает. Сухой элемент работает до тех пор, пока от действия химической реакции не разрушится цинковый электрод и не изменится химический состав электролита и деполяризатора.

Наша промышленность выпускает более десятка типов цилиндрических ста канчиковых элементов, предназначаемых для питания маломощных электродвигателей, различной осветительной и радиоэлектронной аппаратуры. Для питания же промышленных и радиолюбительских транзисторных переносных приемников, магнитофонов, измерительных приборов наиболее широко используются элементы 373, 343, 332 и 316 (рис. 160). От элементов 336, из которых состоит батарея 3336Л, они отличаются только размерами.

Один гальванический элемент независимо от его конструкции развивает напряжение около 1,5 В. Ток же, который можно потреблять, от элемента, определяется главным образом размерами его электродов и обычно не превышает 0,2 0,3 А.

Для обозначения гальванических элементов и батарей, составляемых из гальванических элементов, применяют в основном цифровую систему. Первые две цифры в обозначении стаканчиковых элементов (от 20 до 49) в зашифрованной форме характеризуют форму, габариты и электрохимический состав элемента. Третья цифра служит шифром высоты элемента. Но учти, эти цифры являются только условным шифром и не могут служить указателем на конкретные размеры в единицах длины.

Обозначение батареи, образованной последовательным соединением элементов, состоит из шифра элементов и числа элементов в батареи. При этом цифру, соответствующую числу элементов в батарее, ставят перед шифром обозначения ее элементов. Батарея 3336Л, например, состоит из трех элементов 336, поэтому в ее обозначении перед шифром элементов стоит цифра 3. Для некоторых батарей за цифрами обозначения ставят букву У, X или Л, указывающую на рекомендуемый температурный режим эксплуатации батарей: У универсальная, Х хладостойкая, Л летняя. Батарея 3336Л, следовательно, летняя, эксплуатировать ее рекомендуется при окружающей температуре 0 плюс 50°С, а батарею ЗЗЗбХ до минус 40°С. При пониженной температуре гальванические элементы и батареи разряжаются быстрее, чем при нормальной. Продолжительность работы батареи 3336Л при температуре минус 10°С и батареи 3336Х при температуре минус 20°С в 3 4 раза меньше, чем в рекомендуемых температурных условиях.

В некоторых батареях, например в батарее Крона ВЦ, элементы имеют форму галеты, поэтому их называют элементами галетного типа. Внешний вид такой батареи й устройство ее элементов изображены на рис. 161. Отрицательным электродом элемента служит цинковая пластинка, а положительным поляризационная масса, состоящая из смеси двуокиси марганца и графита, которая обернута тонкой пористой бумагой. Между электродами имеется картонная прокладка. Галету пропитывают электролитом и прочно стягивают тонкой пленкой эластичного пластиката.

При сборке батареи отдельные галеты укладывают в виде столбика и сжимают. При этом края пластиковых пленок плотно прилегают одна к другой, образуя сплошную оболочку столбика, предохраняющую от испарения воды из электролита. В батарее Крона ВЦ семь соединенных последовательно элементов, начальное напряжение батареи 9 В.

Справочную таблицу гальванических элементов, наиболее широко используемых радиолюбителями для питания конструкций, ты найдешь в конце книги (см. приложение 4). Поясню основные сведения, касающиеся начальных характеристик и режима разрядки элементов и батарей.

Начальное напряжение U_нач это напряжение между полюсами свежеизготовленного, не бывшего в употреблении элемента (батареи) при подключении к нему внешней цепи (нагрузки R_н) сопротивлением, указанным в графе Режим разрядки. Продолжительность работы, выраженная в часах, характеризует время, в течение которого напряжение источника тока, разряжаемого на нагрузку заданного сопротивления, уменьшается до конечного напряжения U_кон. Например, начальное напряжение элемента 343 при подключении к нему внешней цепи сопротивлением 20 Ом равно 1,4 В. Это напряжение при непрерывной разрядке элемента в течение 12 ч уменьшается до конечного напряжения, соответствующего 0,85 В; Элемент (батарея), напряжение которого снизилось до конечного U_кон, считается разряженным и для дальнейшей эксплуатации непригодным.

По сопротивлению внешней цепи, указанному в графе Режим разрядки, можно судить о токах элементов и батарей, при которых они наиболее эффективно отдают свои электрические емкости (в ампер часах) нагрузкам. Например, элемент 343 в внешней цепи сопротивлением 20 Ом создает в ней (по закону Ома) ток, равный: 1 = = 1,55/20 ≈ 0,08 А, т.е. 80 мА. Разряжаясь таким током до конечного напряжения, элемент сможет работать непрерывно 12 ч. При подключении нагрузки меньшего сопротивления ток разрядки элемента пропорционально увеличивается, из за чего длительность его работы уменьшается. Кроме того, при интенсивной разрядке элемент не отдаст всей своей электрической емкости. И наоборот, с увеличением сопротивления нагрузки ток разрядки элемента уменьшается, а длительность непрерывной работы возрастает.

Но приемник или усилитель работает не непрерывно, да и потребляемый им ток даже во время работы не постоянен, а изменяется с частотой и амплитудой усиливаемого сигнала, поэтому и длительность действия питающего его источника постоянного тока практически всегда больше, чем та, что значится в таблице.

В предпоследней графе этой таблицы указаны сроки сохранности элементов и батарей. Имей в виду, что к концу этих сроков их напряжения и электроемкость за счет саморазряда снижаются на 15 20%.

Для питания подавляющего большинства конструируемых тобой транзисторных приемников и измерительных приборов, потребляющих при напряжении 4,5 9 В сравнительно небольшие токи, годятся батареи 3336Л, Крона ВЦ, а также элементы, которые можно соединять в батареи. Все они вполне подойдут по разрядному току. Надо лишь выбрать те их них, которые обеспечивают нужные напряжения. Но для некоторых конструкций, как, например, туристский радиоузел, переносная радиола, требуются источники питания напряжением до 12 В и, кроме того, позволяющие потреблять от них токи, превышающие допустимые разрядные. В таких случаях приходится прибегать к соединению элементов в соответствующие батареи.

Существует три способа соединения элементов в батареи: последовательное, параллельное и смешанное.

Последовательное соединение элементов в батарею показано на рис. 162, а. Здесь положительный полюс правого элемента плюс батареи, а отрицательный полюс левого элемента минус батареи. Именно так соединены элементы батарей 3336Л. При последовательном соединении элементов напряжение батареи равно сумме напряжений всех входящих в нее элементов. Если, например, соединить последовательно три элемента, каждый из которых дает напряжение 1,5 В, то напряжение батареи будет 4,5 В. От такой батареи можно потреблять ток значением не больше, чем может дать каждый в отдельности взятый элемент. Когда нужно получить больший ток, чем может дать один элемент, их соединяют в батарею одноименными полюсами параллельно, как показано на рис. 162,6. Такая батарея может дать во столько раз больший ток, чем один элемент, сколько элементов соединено в батарею. Если, например, один элемент может отдавать ток 0,1 А, а требуется ток 0,5 А, нужно параллельно соединить пять таких элементов. Напряжение такой батареи равно напряжению одного элемента.

Когда требуется одновременно увеличить и напряжение, и ток, прибегают к смешанному соединению элементов в батарею: элементы сначала соединяют последовательно в группы до требуемого напряжения, а затем эти группы соединяют параллельно (рис. 162, в). Возможен и другой способ смешанного соединения элементов: сначала элементы соединяют параллельно по нескольку штук в группы, а потом эти группы соединяют последовательно.

Теперь хочу дать два полезных совета:

Никогда не испытывай годность элементов или батарей на искру. Такие испытания даже при кратковременном замыкании источников тока резко снижают их запас энергии!

Часто в сухом элементе высыхает электролит и он перестает давать ток. Такой элемент можно оживить. Для этого в его верхней смоляной заливке просверли два отверстия и через одно из них налей в элемент дистиллированной или дождевой воды. Если стакан цинкового электрода не разъеден и не пропускает воду, в элементе образуется электролит и он снова будет давать ток. Доливать воду можно несколько раз, пока не разрушится цинковый стакан.