Главы из книги "Книга сельского радиолюбителя*
ИСТОЧНИКИ ПИТАНИЯ СЕЛЬСКИХ РАДИОУСТАНОВОК.
ПРИНЦИПЫ РАБОТЫ ГАЛЬВАНИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ
Устройство и работа электрохимических источников тока основаны на получении электрической энергии за счет химических реакций. Простейший гальванический элемент состоит из угольной и цинковой пластинок, опущенных в раствор нашатыря или поваренной соли, называемый электролитом . Благодаря химической реакции между цинком и электролитом на цинке получаются лишние электроны, заряжающие его отрицательно. Раствор, наоборот, заряжается положительно. Угольная пластинка, погруженная в раствор, также электризуется положительно. В результате получается электродвижущая сила в 1 в, которая сохраняется до тех пор, пока цепь не замкнута. При замыкании цепи пойдет ток и внутри элемента начнет выделяться водород, покрывающий поверхность угольной пластинки слоем пузырьков. Слой водорода уменьшает э.д.с. элемента. Такое явление носит название поляризации.
Чем сильнее ток, тем значительнее проявляется поляризация и тем быстрее уменьшается напряжение элемента. Для уничтожения поляризации в элемент вводят вещества, способные поглощать водород и называемые деполяризаторами. В качестве них в современных гальванических элементах наиболее часто применяется химическое вещество — перекись марганца. Поглощая водород, деполяризатор постепенно становится негодным. Но обычно раньше этого портится электролит, и под действием электролита разъедается цинковая пластина. Электрическая энергия получается в элементе за счет расхода цинка, электролита и деполяризатора, а потому каждый элемент обладает вполне определенным запасом энергии и может работать лишь определенное время.
Различные элементы характеризуются электродвижущей силой, максимальным разрядным током и емкостью.
Электродвижущая сила зависит от типа элемента, т. е. от материала его электродов, электролита и деполяризатора, и совершенно не зависит от размеров элемента, т. е. размеров электродов, а также от количества электролита и деполяризатора. У элементов, применяемых для питания радиоустановок, э.д.с. равна примерно 1,5 в. Во время работы элемента на замкнутую цепь напряжение на зажимах элемента всегда несколько меньше э.д.с, и оно уменьшается при увеличении тока.
Каждый элемент можно разряжать током не свыше определенной величины. Чрезмерно сильный ток вызовет ускоренную поляризацию, и напряжение быстро упадет до недопустимо низкой величины. Подобное явление в еще большей степени получается при коротком замыкании элемента, т. е. при соединении его полюсов проводником с малым сопротивлением. Поэтому следует работать с элементами, не допуская короткого» замыкания. Нельзя испытывать элементы на «искру», соединяя друг с другом провода, идущие от полюсов. У большинства элементов максимально допустимый разрядный ток составляет доли ампера. Чем больше размеры элемента, тем больше максимальный разрядный ток. Значительное превышение этого тока приводит к быстрому истощению элемента.
Емкость элемента — это количество электричества, которое он способен отдать при разряде током не свыше максимально допустимого. Обычно емкость элементов измеряют в ампер-часах (а-ч), т. е. произведением разрядного тока в амперах на число часов работы элемента. При этом элемент считают окончательно разряженным, если напряжение у нега уменьшилось на 50% по сравнению с первоначальной величиной. Один ампер-час есть количество электричества, протекающее в течение одного часа при токе в один ампер.
Нетрудна сообразить, что если элемент имеет, например, емкость 20 а-ч, а максимальный разрядный ток у него 100 ма, т. е. 0,1 а, то это значит, что его можно непрерывно разряжать током 100 ма в течение 200 часов, так как произведение величин 200 на 0,1 дает 20. Если разрядный ток будет вдвое меньше, т. е. 50 ма, то время разряда станет вдвое больше и составит 400 часов. Время работы элемента можно определить делением емкости в ампер-часах на величину разрядного тока в амперах, причем ток не должен превышать максимально допустимый.
Емкость элемента зависит от количества цинка, электролита и деполяризатора. Чем больше размеры элемента, тем больше количество входящих в ег,о состав веществ и тем больше емкость. Кроме того, емкость зависит от величины разрядного тока, а также от наличия перерывов во время разряда и от их длительности. Нормальная емкость элемента соответствует максимально допустимому разрядному току при непрерывном разряде. Если ток меньше максимального и если разряд происходит с перерывами, то емкость будет больше, а при токе свыше максимального емкость резко снижается. В силу этих обстоятельств расчет времени работы элемента по его нормальной емкости и величине разрядного тока всегда является приближенным.
ТИПЫ ЭЛЕМЕНТОВ
Наиболее широкое распространение получили элементы с деполяризатором в виде перекипи марганца. Они бывают наливные, сухие и водоналивные. Все три типа сходны по устройству. В последнее время наливные и водоналивные элементы встречаются редко.
Сухой элемент (рис. 15-2)
имеет цинковый сосуд прямоугольной или цилиндрической формы, являющийся отрицательным электродом. Внутри него расположен положительный электрод в виде угольной палочки или пластинки, находящейся в мешке, наполненном смесью перекиси марганца с порошком угля или графита. Весь положительный электрод, состоящий из угольного стержня и мешка с деполяризующей массой, называют агломератом.
Деполяризующая смесь обычно спрессовывается и мешок снаружи связывается ниткой. Для устранения возможности замыкания между агломератом и цинком на нитку в нескольких местах надевают стеклянные бусы или надевают на мешок резиновые кольца. К цинку припаивается провод, являющийся отрицательным полюсом элемента. На верхнем конце угольного стержня закрепляют металлический колпачок, к которому припаивается провод, служащий положительным полюсом. В качестве электролита применяется киселеобразная масса, составленная из нашатыря, крахмала и некоторых других примесей. Сверху элемент залит смолой, в которой оставлено маленькое отверстие для выхода газов. Напряжение сухого элемента несколько ниже, чем его э.д.с, равная 1,5 в. и составляет 1,3—1,4 в. При длительном разряде оно постепенно снижается и в конце разряда доходит до 0,7 в.
Сухие анодные батареи часто бывают собраны из так называемых галетных элементов. Они имеют положительный электрод в виде прессованного брикета из агломератной массы, обвернутого бумагой. Отрицательным электродом является цинковая пластинка. Между ней и агломератом проложен картонг пропитанный электролитом. Снаружи элемент покрыт хлорвиниловой пленкой. Для соединения друг с другом элементы просто накладывают один на другой. Чтобы цинк при этом* имел лучший контакт с агломератом, наружную поверхность цинка покрывают специальным токопроводящим слоем.
Водоналивной элемент устроен аналогично сухому, но только на заводе его заполняют не электролитной массой, а порошком нашатыря и древесными опилками. В смоляной заливке у него имеется еще одно широкое отверстие с пробкой, через которое наливают воду, необходимую для первоначального приведения элемента в действие. Сухой элемент с момента сборки на заводе находится уже в готовом к разряду состоянии, а подоналивной элемент начинает работать лишь после заливки его водой.
В каждом элементе, имеющем электролит, даже при разомкнутой внешней цепи происходит так называемый саморазряд, в результате которого разъедается цинк, а также истощаются электролит и деполяризатор. Поэтому сухой элемент при хранении и бездействии портится, а электролит у него высыхает. Водоналивной элемент, не залитый водой, может храниться без всякой порчи очень долгое время.
В наливных элементах имеется стеклянный сосуд с раствором нашатыря, в котором находятся цилиндр из листового цинка и агломерат. При отсутствии нашатыря применяют с несколько худшими результатами раствор поваренной соли. Уровень электролита должен быть такой, чтобы треть или четверть агломерата оставалась в воздухе. Полезно добавить в электролит немного сахара, без которого цинк и агломерат сильно загрязняются мелкими кристаллами. Когда сухие или водоналивные элементы полностью разряжаются, то агломераты у них обычно еще могут работать и их можно использовать для устройства наливных элементов.
Помимо обычных сухих элементов, применяются также элементы с марганцово-воздушной деполяризацией (МВД). Они устроены аналогично сухим элементам, но положительный электрод у них сделан так, что к перекиси марганца по особым каналам поступает наружный атмосферный воздух. Кислород воздуха возмещает потерю кислорода перекисью марганца. В результате деполяризация может происходить более долго и емкость элемента значительно увеличивается. В смоляной заливке такого элемента сделаны отверстия для воздуха, которые должны быть открыты во время работы элемента, а во время бездействия их следует закрывать пробками. Воду в них наливать нельзя. По сравнению с обычными сухими элементами элементы с воздушной деполяризацией дают несколько меньшие э.д.с. и максимальный разрядный ток. но зато емкость у них может достигать сотен ампер-часов.
СОЕДИНЕНИЕ ЭЛЕМЕНТОВ В БАТАРЕИ
Во многих случаях несколько элементов соединяют в батарею. Наиболее часто встречается последовательное соединение элементов, при котором положительный полюс одного элемента соединяется с отрицательным полюсом второго элемента, положительный полюс второго элемента—с отрицательным полюсом третьего и т. д. Отрицательный полюс первого элемента и положительный полюс последнего при этом остаются свободными и являются полюсами всей батареи (рис. 15-3)
На схемах принято изображать батарею последовательно соединенных элементов без соединительных проводов между ними. Если число элементов велико, то показывают только первый и последний элементы и между ними штриховую линию. При последовательном соединении элементов э.д.с. возрастает во столько раз, сколько взято элементов. Максимальный разрядный ток и емкость при этом остаются такими же, как у одного элемента. Например, если соединены последовательно четыре элемента, каждый из которых имеет э. д. с. 1,5 в, емкость 8 а-ч и максимальный разрядный ток 100 лш, то вся батарея будет иметь э. д. с. 6 в, емкость 8 а -ч и максимальный разрядный ток 100 ма. Последовательное соединение применяется всегда, когда требуется иметь большую э. д. с.
Реже встречается параллельное соединение, при котором соединяются вместе положительные полюсы всех элементов. образуя положительный полюс батареи, а отрицательный полюс батареи образуется путем соединения отрицательных полюсов всех элементов (рис. 15-4).
При параллельном соединении э. д. с. батареи не увеличивается, но зато возрастают емкость и максимальный разрядный ток. Поэтому параллельное соединение применяют в случаях, когда нужно получить боль-ший разрядный ток и большую емкость, чем у одного элемента. Пусть для примера соединены параллельно три элемента, имеющие э. д. с. 1,5 в, емкость 20 а - ч и максимальный разрядный ток 200 ма. Полученная батарея будет иметь э. д. с. 1,5 в, емкость 60 а - ч и максимальный разрядный ток 600 ма. ,
Иногда прибегают к смешанному соединению, при котором увеличиваются и э. д. с, и емкость, и максимальный разрядный ток. В этом случае обычно соединяют параллельно несколько групп элементов, а в каждой группе соединяют последовательно столько элементов, сколько нужно для получения необходимой э. д. с. Число параллельных групп определяется необходимой величиной максимального разрядного тока. Например, если нужна батарея на 4 в, дающая ток 200 ма, а имеются элементы с максимальным разрядным током в 100 ма, то следует взять шесть элементов и соединить их в две параллельные группы, по три элемента последовательно в каждой группе. Тогда батарея будет иметь э. д. с. 4,5 в и от нее можно будет получить ток в 200 ма (рис. 15 - 5). * Желательно вообще составлять батареи в виде последовательного соединения элементов с достаточным разрядным током. Включение дополнительных элементов по принципу смешанного соединения иногда применяют для повышения напряжения батареи, если элементы сильно истощились. Рис. 15-5. Смешанное соединение элементов
Во время бездействия батареи с параллельным или смешанным соединением рекомендуется разъединять друг от друга параллельные группы, так как за счет некоторой разницы в величине э. д. с. одна группа может разряжаться на другую.