О питании. Часть третья.

Цикл статей состоит из трёх частей:

О батарейках и аккумуляторах.

Для питания перносной/передвижной конструкции обычно применяют батарейки или аккумуляторы.

Рис. 1. Гальванический элемент.

И батарейки и аккумуляторы являются химическими источниками питания, в которых энергия химической реакции превращается в электрический ток. Батарейка или аккумулятор (рис. 1) состоит из металлического стаканчика (цинк), заполненного электролитом (едкой жидкостью или пропитанным порошком). В электролит помещён стержень (графит, уголь). Частички электролита с положительным зарядом скапливаются у стержня, а с отрицательным зарядом - у стенок стаканчика. Таким образом стержень становится положительным полюсом батарейки, а станканчик - отрицательным.
В настоящее время для изготовления электролита и электродов батареек используются различные химические вещества. От этих веществ зависит, например, напряжение единичного элемента, оптималый режим работы, а в случае аккумулятора - и способ его заряда.

Рис. 2. Батарея элементов.

Так как напряжение одного элемента находится в пределах 0,9-1,9 вольта, а для питания конструкций требуется более высокое напряжение, используют последовательное соединение отдельных элементов в батарею. Суммарное напряжение при этом складывается (рис. 2).
Параллельное соединение элементов для получения большей суммарной ёмкости батареи крайне не рекомендуется. Так как в этом случае даже в неподключённой батарее может происходить разряд одного элемента на внутреннее сопротивление другого.

Рис. 3. Обозначение ёмкости в мА*ч.

Ёмкость батареек или аккумуляторов часто указывают на этикетках. Но эту обозначенную ёмкость источник может выдать лишь кратковременно, и использовать его в таких условиях не рекомендуется. Для успешного долговременного использования следует соблюдать максимально допустимые условия разряда, указанные в паспортных данных. Но в большинстве случаев ток "нормального" разряда приблизительно равен одной десятой части от указанной ёмкости батарейки. Например, если указанная ёмкость равна 2700 мА*ч (рис. 3), то максимально допустимый ток долговременной работы будет равен 270 миллиампер. При таком токе батарея или аккумулятор теоретически может прослужить около 10 часов. Но на самом деле в реальных условиях это время оказывается несколько меньше.
Нужно так же заметить, что указанная ёмкость часто является лишь маркетинговым трюком для стимуляции покупателей. Поэтому при выборе нужно быть осторожным, особенно с товаром неизвестных фирм.

В некоторых конструкциях удобно использовать аккумуляторы от мобильных телефонов или других устройств (рис. 4). Но для мобильных устройств с большим потреблением (с моторами или реле) такие аккумуляторы не подходят из-за их малой ёмкости, и аккумуляторы приходится заряжать каждые один-два часа работы устройства. При этом следует иметь ввиду, что количество циклов разряда-заряда для аккумулятора ограничено в пределах 1000 раз. Причём с каждым циклом ёмкость аккумулятора постепенно снижается. Для заряда таких аккумуляторов лучше использовать оригинальное зарядное устройство с контролем тока, напряжения и температуры, иначе срок службы аккумулятора резко сократится. А отдельные зарядные устройства для "мобильных" аккумуляторов встречаются в продаже довольно редко, что осложняет использование таких аккумуляторов в самоделках.

Рис. 4. Аккумуляторы мобильных телефонов.

Но лучше всего для питания портативных самодельных устройств подходят батарейки или аккумуляторы стандартных типоразмеров. Разнообразие размеров и ёмкости таких элементов предоставляет достаточную гибкость выбора нужного элемента. При использовании специальных кассет или батарейных отсеков (рис. 5) можно легко заменить батарейки на аккумуляторы или наоборот в таком же типоразмере, а старые батарейки или аккумуляторы можно в любой момент заменить на новые. Такие батарейные отсеки можно приобрести, например, в магазинах CHIP-DIP (CHIP-DIP.RU: Батарейные отсеки). Зарядку аккумуляторов стандартных размеров можно производить в зарядных устройствах, часто имеющихся в продаже.

Рис. 5. Батарейные отсеки.

При выборе суммарного напряжения батареи питания необходимо учесть, на сколько важно стоит вопрос сохранения работоспособности устройства при значительном разряде батареи. В среднем можно считать, что химический источник питания может быть разряжен максимум на 20%-30% от своего первоначального напряжения. Более глубокая степень разряда для аккумуляторов иногда недопустима, а у батареек при таком разряде резко повышается внутреннее сопротивление и они приходят в негодность ("теряют ёмкость").

Рис. 6. Пример со стабилизатором.

Батарейки или аккумуляторы в процессе работы разряжаются и напряжение на них падает. Но многие электронные схемы для нормальной работы требуют стабильного напряжения питания строго определённой величины. В таких случаях применяют стабилизаторы напряжения, описанные в первой части статьи. При таком построении питания (пример на рис. 6) стабилизатор будет компенсировать уменьшение напряжения на разряжающейся батарее и выдавать стабильное напряжение, а подключённая через стабилизатор схема будет продолжать нормально работать. При выборе схемы стабилизатора необходимо учесть минимальное и максимальное входное напряжение, необходимое для её работы.
Возможность раздельного питания, описанного во второй части статьи при таком включении тоже сохраняется; моторы, реле или другие некритичные к уровню питания части схемы можно запитать непосредственно от батареи.

Пути снижения токопотребления.

При питании конструкций от батареек или аккумуляторов всегда хочется, что бы конструкция максимально долго работала от одного комплекта батарей или от одной зарядки аккумуляторов. Это достигается уменьшением тока, потребляемого конструкцией.

Для начала вспомним, что электрическая энергия, как и любой вид энергии, никуда не тратится, а только лишь преобразуется из одного вида энергии в другой, то есть подчиняется основному природному закону о сохранении энергии:

Применив этот закон к электрическим схемам, можно сказать, что электроэнергия не теряется, а лишь используется в некоторых элементах неэффективно, не принося никакой пользы, то есть "впустую". Попробуем поискать, в каких элементах электроэнергия может быть преобразована безвозвратно.

Существуют всего три основных элемента, с помощью которых можно заместить электросхему любой сложности. Рассмотрим чуть подробнее принцип работы этих трёх основных элементов: конденсатор, индуктивность и резистор (рис. 7).

Рис. 7. Основные элементы схем.

Основным свойством конденсатора является способность запасать и отдавать электрическую энергию. Электрический ток через конденсатор на его обкладках превращается в электрическое поле, которое потом может преобразоваться снова в электрический ток. Следовательно, электроэнергия в конденсаторе использоваться "в пустую" не может, так как конденсатор отдаёт обратно весь запасённый электрический ток. Конденсатор в электрической схеме можно сравнить с пружиной в механике.

Протекающий по виткам катушки индуктивности ток, создаёт в центре витков магнитное поле. При отключении тока созданное магнитное поле начинает уменьшаться и наводить в витках катушки ток самоиндукции. То есть в катушке индуктивности энергия запасается в виде магнитного поля, а потом снова преобразуется в электрический ток. Получается, и в катушках индуктивности энергия не может быть использована "впустую". То есть и катушка индуктивности ведёт себя как пружина в механике, запасает энергию и отдаёт её.

Теперь посмотрим на резистор. Главная функция резистора создавать сопротивление электрическому току, мешать его прохождению. То есть резистор в электросхеме можно сравнить с трением в механике. Понятно, что нельзя запасать энергию во процессе трения, так же и нет возможности запасать электрическую энергию в резисторе. И самое главное: в местах сильного механического трения и в местах протекания большого электрического тока через большое сопротивление, энергия превращается в энергию тепловую, в тепло.
Но как не существует реальных механизмов абсолютно без трения, так и не существует собранных электрических схем совсем без сопротивлений. Очень часто трение в механизме или электрическое сопротивление в схеме вводится специально для достижения какой либо цели. А вот места неэффективного использования энергии и в механике и в электронике можно определить одинаково - по сильному тепловыделению. Чем больше греется деталь, тем большая часть энергии преобразуется в тепло, в обиходе говорят "энергия в этом месте теряется".

Для уменьшения трения в механике используются подшипники и смазочные вещества. Теперь посмотрим, где в наших электронных схемах происходит большое тепловыделение, какие детали греются сильнее всего. А потом рассмотрим, как уменьшить преобразование электрической энергии в тепловую заменой деталей.
В первую очередь греются те детали, через которые протекает большой ток и где падает большое напряжение, так называемые "силовые элементы". К таким элементам относятся электронные коммутирующие приборы (драйверы, транзисторы), к ним подключаются моторы, реле, лампы накаливания, мощные светодиоды.
Стабилизаторы тока или напряжения при некоторых условиях тоже выделяют достаточно много тепла.
Для уменьшения трения в механике применяют подшипники и смазочные вещества. В электронике для повышения энергоэффективности устройств тоже имеются свои пути.
Приведём несколько практических примеров.

Рис. 8. Варианты замены L293D.

Драйвер мотора L293 можно заменить на похожие по функциональности, но более экономичные микросхемы SI9986 или LB1836 (рис. 8). Микросхема LB1836 немного "слабее" чем L293D, но в некоторых схемах она будет лучшим выбором чем L293D. Две штуки SI9986 с успехом заменят L293D в схемах с высоким быстродействием. Но SI9986 или LB1836 будет сложнее найти в продаже и они будут несколько дороже чем L293D, зато такая заменя позволит сэкономить "заряд батарейки" приблизительно в два раза.

Рис. 9. Варианты замены стабилизатора 7805.

Микросхему стабилизатора LM7805 можно заменить, например, на TLE4271 (стабилизатор с низким падением напряжения). Альтернативой для LM7805 может быть и схема импульсного стабилизатора, например на LT1076-CR5 или на MC34063 (КР1156ЕУ5) (рис. 9). Такие замены немного усложнят схему, но при этом выигрыш в экономии заряда батареек будет значительный, ведь импульсный стабилизатор почти не греется при том же токе. Микросхема MC34063 стоит около 50 рублей, что в два раза больше чем LM7805, зато MC34063 ещё и более универсальна в применении.

Нужно сказать, что даже если L293 или LM7805 ощутимо не нагреваются, замена этих микросхем на экономные альтернативы так же сберегает заряд "батареек".

Рис. 10. Ток через светодиод.

Другим примером места экономии энергии в электронных устройствах могут быть индикаторные светодиоды: индикатор включения устройства или индикатор наличия какого либо сигнала.
Обычно светодиод включают через токоограничительный резистор, при этом ток через светодиод рассчитывают около 20 миллиампер. Но большинство светодиодов хорошо светятся и при более низком токе, 5-8 миллиампер иногда бывает достаточно (рис. 10). "Сэкономленный" ток в 12 миллиампер не так уж и велик, но при батарейном питании конструкции это может быть существенным.
А если таких светодиодов - несколько?


Увеличение энергоэффективности схемы не ограничивается просто заменой элементов на более экономичные. Иногда приходится пользоваться и более радикальным методом: отключать части схемы, когда их функционирование не требуются.
Так, в некоторых микросхемах имеется специальный вывод для отключения микросхемы или перевода её в экономичный режим. При подаче на такой вывод определённого напряжения микросхема перестаёт выполнять свою функцию и потребляемый ею ток может снижаться в 100 раз. Такой режим называют "DISABLE" (деактивация) или "SHOTDOWN" (выключение).
В микроконтроллерах тоже имеется мозможность программно перевести его в экономичный режим. В 8-битных микроконтроллерах семейства AVR, например, для этого служит комманда sleep. Кроме того во многих микроконтроллерах можно програмно отключать неиспользуемую периферию. Например, отключение аналогового компаратора в AVR экономит около 50 mкA.

Описанные выше способы снижения токопотребления являются лишь несколькими примерами, где и как можно "сэкономить" потребляемый ток. Глубина экономичности разрабатываемого устройства прежде всего зависит от опыта разработчика. Даже при богатом опыте иногда требуются недели, месяцы и даже годы кропотливого изучения, прежде чем конструкция будет до конца продуманной.
Не стоит пренебрегать энергоэффективностью и при проектировании устройств с питанием от сети. Ведь малое потребление тока - это не только уменьшение нагрева, но и уменьшение габаритов и веса блока питания. А это означает и общее уменьшение всей конструкции.

Смелых и Удачных Экспериментов!!!

Цикл статей состоит из трёх частей:

Дополнения и файлы:

• myURL: Стабилизация работы микроконтроллера. - Защита AVR-µC от помех.
  
• URL: Батареи и аккумуляторы. - Сборник пояснений для разных видов батарей.
  
• pdf-URL: О зарядке NiMH и NiCd - Доступно о терминах и зарядке NiMH и NiCd.
  
• URL: Аккумуляторы, батарейки и другие источники питания. - Большой сайт по химическим источникам питания.
  
• URL: WIKI:Батарейка.
  
• URL: Методика тестирования аккумуляторов и батареек.
  
• URL: Тестирование батареек формата АА.
  
• URL: Работа тока.
  

Размещение этой статьи на других сайтах как полностью, так и частично разрешено только