Схема аккумуляторной батареи: Три схемы соединения аккумуляторных батарей для электропитания

Три схемы соединения аккумуляторных батарей для электропитания

Аккумуляторные батареи (АКБ) в зависимости от их назначения собираются из определенного количества аккумулирующих энергию элементов. Схема соединения

аккумуляторных батарей при этом зависит от того, какая преследуется цель. Это может быть увеличение емкости батареи, повышение напряжения либо сочетание обеих этих параметрических характеристик устройства.

В основном батареи собирают последовательно-параллельно, а сами сборки служат для промежуточного или резервного хранения электроэнергии

Известны и повсеместно применяются 3 варианта соединения отдельных аккумуляторов в батарею: последовательное, параллельное и смешанное или комбинированное.

Повышение рабочего напряжения батареи

Аккумуляторы электрической энергии имеют различное рабочее напряжение. Варьироваться оно может в очень широком диапазоне: от 0,5 до 48 Вольт. В то же время, для обеспечения автономного питания приборов, запуска двигателей внутреннего сгорания, питания электроприводной техники требуется другой диапазон напряжений.

Повысить рабочее напряжение автономного источника тока можно последовательным соединением нескольких аккумуляторов в батарею.

Схемы и формулы при последовательном соединении батарей

При последовательном соединении коммутируются разнополярные клеммы аккумулятора. Плюсовой вывод предыдущего устройства соединяется с минусовым выводом последующего. Суммарное рабочее напряжение батареи при таком способе будет равно сумме рабочих напряжений коммутированных источников тока. Это значит, что для получения АКБ с рабочим напряжением 12 В необходимо последовательно соединить 4 трехвольтных источника либо 10 аккумуляторов с рабочим напряжением 1,2 В. Емкость скомплектованной последовательным соединением источников не изменяется и остается равной емкости каждого включенного в схему аккумулятора.

Очевидным и наглядным примером такого способа комплектации батареи могут служить автомобильные АКБ. В них отдельные источники, именуемые банками, объединены в общем корпусе и последовательно соединены свинцовыми шинами. Выбор в качестве материала для соединительных шин свинца объясняется просто: аккумуляторные электроды также изготавливаются из свинца. Шины, интегрированные в коммуникационную схему, соединяются с электродами на молекулярном уровне, а не механически. Это позволят избежать возникновения электрохимических коррозионных процессов.

Увеличение емкости источника питания

Нередки технические условия, когда от источника питания при сохранении рабочего напряжения требуется повышенная емкость. В таких случаях для комплектования батареи применяется параллельное соединение аккумуляторов. Такой способ коммутирования позволяет в разы, а в особо ответственных случаях – в десятки раз увеличить суммарную емкость питающего устройства.

Параллельное соединение батарей с формулами

Параллельное соединение осуществляется путем коммутации однополюсных выводов источников тока: плюсовой и минусовой выводы предыдущего аккумулятора соединяются с одноименными выводами последующего. Суммарная электрическая емкость скомпонованной таким способом коммутации батареи будет равна сумме электрических емкостей входящих в схему отдельных источников.

Это значит, что при соединении трех аккумуляторных батарей с номинальной емкостью 60 А*ч получится устройство, имеющее электрическую емкость 180 А*ч.

В качестве примера подключения аккумуляторных батарей параллельной коммутацией можно привести источники бесперебойного либо аварийного питания приборов и аппаратуры. Параллельно подключаются АКБ большегрузных автомобилей и тяжелой специальной техники с большим объемом двигателя. Большой распространение параллельная коммутация получила на флоте: здесь параллельно соединенные устройства питания применяются для запуска вспомогательных дизелей, работы освещения, систем связи и жизнеобеспечения в аварийных ситуациях.

Повышение напряжения с одновременным увеличением емкости АКБ

Ярким примером смешанного или комбинированного соединения аккумуляторов в комплекс с необходимыми показателями рабочего напряжения и электрической емкости служат источники питания машин с электрическим приводом.

ВАЖНО! При увеличении емкости аккумуляторных батарей увеличиваются и токи. Правильно подбирайте сечения проводов! Используйте негорючие или самозатухающие провода.

Тяговые аккумуляторные батареи для обеспечения работы приводных и управляющих двигателей электроприводных машин и механизмов комплектуются именно по такой схеме. Достаточно подробно о способах соединения АКБ изложено в этом видео:

Комбинированное соединение подразумевает использование в коммутационной схеме одновременно последовательного и параллельного способов подключения. Возможны два варианта:

1. Сначала методом последовательного соединения источников подготавливаются батареи с требуемым рабочим напряжением. На втором этапе параллельно коммутируется необходимое количество подготовленных сборок для обеспечения потребной электрической емкости.

2. Во втором варианте параллельной коммутацией предварительно набираются батареи с требуемой емкостью. После этого устройства соединяются последовательно до достижения необходимого рабочего напряжения.

Схема последовательно-параллельного соединения аккумуляторных батарей наиболее часто применяемая, так как современные батареи для автономного энергообеспечения домов имеют номинальное напряжение 3,4 В

Комплектование АКБ комбинированным способом позволяет формировать источники питания, напряжение и электрическая емкость которых ограничивается только занимаемым ими рабочим пространством.

Особенности комплектования батарей аккумуляторов

Все три способа соединения отдельных источников питания в комплекс подчиняются не сложным, но важным для эффективной и долгосрочной эксплуатации правилам.

Последовательно-параллельная схема подключения на примере литий-ионных батарей

Пролонгированная работа батареи и ее экономическая целесообразность может быть обеспечена при соблюдении следующих правил:

• электрическая емкость включаемых в комплекс источников не должна отличаться на величину, превышающую 5% от номинальной;
• рабочие напряжения отдельных элементов батареи должны находиться в разумном соотношении;
• эксплуатационное техническое состояние включаемых в комплекс автономного питания элементов должно быть максимально сбалансированным;
• сечение коммутационных линий и шин должно быть рассчитано с учетом токовых нагрузок как внутри батареи, так и во внешних электрических цепях.

Ассортимент предлагаемых рынком источников питания при грамотном подходе позволяет создавать аккумуляторные батареи со всеми необходимыми для надежного использования характеристиками.

Как правильно соединять аккумуляторы последовательно и параллельно

Коротко разберём распространённое мнение – «при последовательном соединении двух аккумуляторов (АКБ), их ёмкость не меняется, она остаётся такой же, как у одного аккумулятора, поэтому время автономной работы при таком соединении будет меньше».

Но как же закон сохранения энергии? Да, при последовательном соединении аккумуляторов, формально ёмкость считается как у одного аккумулятора, а напряжение удваивается (или утраивается, учетверяется и т.д., в зависимости от количества последовательно соединённых АКБ). При параллельном же соединении АКБ – ёмкость удваивается (утраивается и т.д.), а напряжение остаётся тем же.

Варианты соединения аккумуляторов

Противоречия здесь нет.

Когда люди говорят об аккумуляторе (обычно об автомобильном), то сообщают его ёмкость, но не уточняют вольтаж. Просто все привыкли, что аккумуляторы имеют напряжение 12В, и подразумевается, что упоминать об этом глупо. Но в вообще-то, ёмкость без указания вольтажа не имеет физического смысла. Существуют аккумуляторы самой разной ёмкости и на разное напряжение – на 2В, и на 6В, и на 12В, и, редко, на 24В. Кроме того, любые одинаковые АКБ можно соединять последовательно, параллельно, или последовательно-параллельно одновременно.

Но стоит только указать после величины ёмкости её вольтаж, как всё встаёт на свои места. Ведь энергоёмкость в любом случае, как бы мы не соединяли аккумуляторы, останется прежней.

Итак, если, например, два АКБ по 200Ач 12В (например, Аккумулятор Delta GEL 12-200), соединить последовательно, то получится энергоёмкость 200Ач 24В. А если эти же два АКБ соединить параллельно, то получится – 400Ач 12В.
Проверим:
200Ач * 24В = 480Ач * В = 400Ач * 12В

Но для расчётов токов (обычно, номинальным током заряда считается ток 0,1С, где С –величина равная ёмкости аккумулятора), С берут именно по цифре слева, т. е. в нашем примере, при последовательном соединении С = 200, а при параллельном С = 400. Легко заметить, что и мощность зарядного устройства в обоих случаях будет одинаковой.

Для первого случая, зарядный ток будет 0,1*200 = 20А, но при напряжении 24В. Т.е. зарядная мощность, Р = 20А 24В = 480Вт

Для второго случая, зарядный ток будет 0,1*400 = 40А, но при напряжении 12В. Т.е. зарядная мощность, Р = 40А 12В = 480Вт

Если рассматривать одиночные аккумуляторы, то, например, один аккумулятор 600Ач 2В (см. раздел Аккумуляторные батареи FAAM) по своей энергоёмкости соответствует одному аккумулятору 100Ач 12В (например, Аккумулятор DELTA GEL 12-100).

Чтобы получить из этих аккумуляторов (600Ач 2В) большую аккумуляторную батарею, например, на 24В, нужно соединить последовательно 12 шт таких АКБ с помощью перемычек (Перемычка для аккумуляторов 250 мм). Общая итоговая ёмкость получится 600Ач 24В. Эта энергоёмкость, если сравнивать её с 12-и вольтовыми АКБ по 200Ач (а такие применяются в грузовиках), соответствует 6-и штукам (три соединённых параллельно цепочки аккумуляторов, где каждая цепочка состоит из двух, соединённых последовательно, аккумуляторов):

(600Ач*2В)*12 = 600Ач*24В = (200Ач*24В) + (200Ач 24В) + (200Ач 24В)

Обратите внимание – на всех рисунках специально показано, что если минус инвертора подключён к условно первому АКБ, то плюс – к последнему. Так его следует подключать, чтобы компенсировать сопротивление даже толстых медных проводов, соединяющих аккумуляторы. Иначе, из-за их сопротивления, при огромных токах, «дальний» от выводов инвертора аккумулятор, окажется и не «дозаряжаем», и не «доразряжаем».

Итак, ёмкостью (читайте «энергоёмкостью») аккумулятора (объединённой группы аккумуляторов), называется количество электричества (т.е. мощности, равной току умноженного на НАПРЯЖЕНИЕ), которое аккумулятор отдает при разряде до наименьшего допустимого напряжения.

Чтобы аккумулятор служил долго, его нельзя разряжать более чем на 80%. Для 12-и вольтового АКБ, это соответствует напряжению на его клеммах примерно 11,5В. Но тут важно каким током относительно емкости АКБ мы его разряжаем.

Чем больше сила разрядного тока, тем ниже напряжение, до которого может разряжаться аккумулятор. Это потому что при быстром разряде большими токами относительно маленькой ёмкости аккумулятора электролит не успевает перемешиваться, и разряженный слой скапливается вокруг пластин. Напряжение АКБ падает и нагрузку снимают. Однако, спустя несколько десятков минут, электролит перемешивается и ёмкость (и, соответственно, напряжение аккумулятора) повышается.

Если же разряжать малым током относительно ёмкости, то можно вычерпать всю энергию, что плохо для долговечности АКБ. Всегда надо оставлять не менее 20% ёмкости. Подробнее об этом далее.

Отметим, что во время заряда, зарядное устройство постепенно повышает напряжение на АКБ, а затем, после снятия заряда, напряжение уменьшается, возвращаясь к спокойному состоянию (так, на 12-и вольтовом аккумуляторе, в зависимости от типа АКБ, оно обычно растёт до 14,1 – 14,5 В, а после снятия заряда, даже без нагрузки, в течении получаса возвращается к 12,5 – 12,8 В).

Схемы соединения аккумуляторов: параллельное и последовательное подключение, как сделать правильно

Объединенная группа аккумуляторов называется батареей элементов или просто гальванической батареей. Существуют два основных способа соединения элементов в батареи: последовательное и параллельное соединения.

В рамках данной статьи рассмотрим особенности последовательного и параллельного соединения аккумуляторов. Есть разные ситуации, когда может потребоваться увеличить общую емкость или поднять напряжение, прибегнув к параллельному или последовательному соединению нескольких аккумуляторов в батарею, и всегда нужно помнить о нюансах.

Параллельное соединение предполагает объединение положительных клемм аккумуляторов с общей плюсовой точкой схемы, а всех отрицательных — с общим минусом, т. е. все положительные выводы элементов присоединить к одному общему проводу, а все отрицательные выводы — к другому общему проводу. Концы общих проводов такой батареи присоединяются к внешней цепи — к приемнику.

Сущность последовательного способа соединения аккумуляторов, как это вытекает из самого его названия, заключается в том, что все взятые элементы соединяются между собою в одну последовательную цепочку, т. е. положительный полюс каждого элемента соединяется с отрицательным полюсом каждого последующего элемента.  

В результате такого соединения получается одна общая батарея, у которой у одного крайнего элемента остается свободным отрицательный, а у второго — положительный выводы. При помощи их батарея и включается во внешнюю цепь — в приемник. Далее поговорим об этом более подробно.

Параллельное соединение аккумуляторов дает объединение емкостей, и при равном исходном напряжении на каждом из аккумуляторов, входящих в собираемую из них батарею, емкость составной батареи оказывается равной сумме емкостей этих аккумуляторов. При равных емкостях объединяемых аккумуляторов, для нахождения емкости батареи достаточно умножить количество составляющих батарею аккумуляторов на емкость одного аккумулятора в сборке.

Параллельное соединение:

Сколько бы элементов мы ни соединяли параллельно, общее их напряжение всегда будет равно напряжению одного элемента, но зато сила разрядного тока может быть увеличена во столько раз, сколько элементов будет входить в состав батареи, если только все элементы в батарее однотипные.

Соединяя аккумуляторы последовательно, получают батарею той же емкости, что и емкость одного из аккумуляторов, входящих в батарею, при условии, что емкости равны. При этом напряжение батареи будет равно сумме напряжений каждого из составляющих батарею аккумуляторов.

Ежели последовательно соединяются аккумуляторы равной емкости и равного на момент соединения напряжения, тогда напряжение батареи, полученной путем последовательного соединения, будет равно произведению напряжения одного аккумулятора и количества аккумуляторов, составляющих последовательную цепь.

Последовательное соединение:

При последовательном соединении элементов складываются и величины их внутренних сопротивлений.

Поэтому от составленной батареи независимо от величины ее напряжения можно потреблять только такой же силы ток, на какой рассчитан один элемент, входящий в состав данной батареи.

Это и понятно, так как при последовательном соединении через каждый элемент проходит тот ток, какой проходит и через всю батарею.

Таким образом, путем последовательного соединения элементов, увеличивая их общее количество, можно повысить напряжение батареи до любых пределов, но сила разрядного тока батареи останется такой же, как и у одного отдельного элемента, входящего в ее состав.

И при параллельном, и при последовательном соединении, общая энергия батареи оказывается равной сумме энергий всех аккумуляторов, составляющих батарею.

Итак, для чего же аккумуляторы объединяют в батареи? Все дело в том, что в любой схеме существуют потери, связанные с нагревом проводников. И при одном и том же сопротивлении проводника, если требуется передать определенную мощность, гораздо выгоднее передавать мощность при высоком напряжении, тогда ток потребуется меньший, и омические потери будут меньше.

По этой причине мощные источники бесперебойного питания используют батареи последовательно соединенных аккумуляторов на общее напряжение в несколько десятков вольт, а не параллельную цепь на 12 вольт. Чем выше напряжение источника, тем выше КПД преобразователя.

Когда нужен значительный ток, а одного имеющегося в наличии аккумулятора для поставленной цели не достаточно, увеличивают емкость батареи, прибегая к параллельному соединению нескольких аккумуляторов.

Не всегда экономически выгодно заменять аккумулятор на новый, обладающий большей емкостью, и иногда достаточно присоединить параллельно еще один, и повысить емкость источника до необходимой. Некоторые источники бесперебойного питания имеют отсеки для установки дополнительных аккумуляторов параллельно уже имеющемуся, с целью повысить энергетический ресурс преобразователя.

Что следует учитывать при объединении аккумуляторов в последовательную цепь? Аккумуляторы различной емкости (изготовленные по одной и той же технологии, например свинцово-кислотные) отличаются внутренним сопротивлением. Чем выше емкость, тем меньше внутреннее сопротивление, зависимость здесь почти обратно пропорциональная.

По этой причине, если последовательно соединить аккумуляторы разной емкости, и замкнуть цепь нагрузки или зарядную цепь, то ток по цепи пойдет везде одинаковый, а вот падения напряжений будут разными.

И на каком-то из аккумуляторов батареи напряжение при зарядке окажется намного выше номинала, что опасно, а при разрядке — намного ниже нижнего предела, что вредно.

Рассмотрим далее пример, покажем, чем это чревато.

Пусть в нашем распоряжении 10 аккумуляторов, номинальное напряжение каждого 12 вольт, 9 из них имеют емкость 20 ампер-часов, а один — 10 ампер-часов.

Мы решили соединить их последовательно, и заряжать от зарядного устройства с контролем зарядного тока, выставили ток на 2 ампера.

Зарядное устройство настроено так, что прекратит зарядку когда напряжение батареи пересечет отметку в 138 вольт, исходя из среднего значения в 13,8 вольт на каждый аккумулятор последовательной батареи. Что произойдет?

Для каждого аккумулятора производитель предоставляет зарядную характеристику, где можно увидеть, каким током и на протяжении какого времени нужно заряжать аккумулятор.

Очевидно, аккумулятор в 2 раза меньшей емкости при токе в 2 ампера примет столько же энергии, что и аккумуляторы большей емкости, но рост напряжения на нем будет идти примерно втрое быстрее. Так, уже через 3 часа маленький аккумулятор возьмет свое, в то же самое время большие аккумуляторы еще 6 часов должны будут заряжаться.

Но напряжение на маленьком аккумуляторе уже пошло через край, его бы нужно перевести в режим стабилизации напряжения, на наш зарядный прибор этого не делает. В конце концов система рекомбинации газов в аккумуляторе вдвое меньшей емкости не выдержит, клапаны сорвет, и аккумулятор начнет терять влагу, терять емкость, при этом большие аккумуляторы все еще будут недозаряжены.

Вывод: заряжать последовательно можно только аккумуляторы равной емкости, одной и той же технологии, одного и того же состояния разряда.

Теперь допустим, что мы разряжаем эту же последовательную цепь. Изначально на каждом аккумуляторе 13,8 вольт, а разрядный ток составляет 2 ампера.

Защита от глубокого разряда разомкнет цепь при 72 вольтах, то есть предполагается не менее 7,2 вольт на аккумулятор.

Через 4 часа маленький аккумулятор полностью разрядится, а на больших еще будет по 12 вольт, и защита от глубокого разряда не уследит подвоха. Маленький аккумулятор уже необратимо потеряет часть своей емкости.

Вот почему последовательно можно соединять лишь аккумуляторы равных емкостей, если не хотите их испортить. Лучше всего последовательно соединять аккумуляторы из одной партии, и проверить предварительно их емкости тестером АКБ, дабы убедиться, что емкости аккумуляторов, из которых вы собираетесь собрать последовательную батарею, почти равны.

А вот параллельно соединять аккумуляторы разной емкости допустимо. Разумеется, при условии равенства напряжений на их клеммах. При параллельном соединении емкости аккумуляторов не будут играть роли, поскольку внутренние сопротивления аккумуляторов окажутся подключены параллельно, и максимальный ток заряда или разряда будет у каждого аккумулятора свой, они будут работать синхронно.

Однако для клемм аккумуляторов и для каждого конкретного аккумулятора ограничения по току имеются, клеммы могут и не выдержать длительный ток, который в принципе способен дать аккумулятор, об этом важно не забывать. В технической документации к аккумулятору эти параметры указаны.

Если в момент соединения двух аккумуляторов, сильно различающихся по емкости, их напряжения отличаются значительно, неизбежна кратковременная перегрузка по току одного из аккумуляторов. Если напряжение выше у аккумулятора меньшей емкости, то перераспределение заряда в момент соединения вызовет кратковременный ток короткого замыкания в нем, и может быстро привести к его разрушению.

Если напряжение выше у аккумулятора большей емкости, то опять же под угрозой аккумулятор меньшей емкости, ибо он станет принимать заряд в режиме перегрузки. Поэтому лучше всего соединять параллельно аккумуляторы, предварительно выровняв напряжения на них, а уже следующим шагом объединять в батарею.

Надеемся, что наша статья была для вас полезной, и теперь вы знаете, как можно, а как нельзя соединять аккумуляторы и для каких целей это обычно делают.

Андрей Повный 

Параллельное и последовательное соединение аккумуляторов

При параллельном соединении, аккумуляторы соединяют так, чтобы положительные клеммы всех аккумуляторов были подключены к одной точке электрической схемы (″плюсу″), а отрицательные клеммы всех аккумуляторов были подключены к другой точке схемы (″минусу″).

Получившаяся при паралельном соединении аккумуляторная батарея имеет то же напряжение, что и у одиночного аккумулятора, а емкость такой аккумуляторной батареи равна сумме емкостей входящих в нее аккумуляторов. Т.е. если аккумуляторы имеют одинаковые емкости, то емкость аккумуляторной батареи равна емкости одного аккумулятора, умноженной на количество аккумуляторов в батарее.

Для последовательного соединения аккумуляторов, к ″плюсу″ электрической схемы подключают положительную клемму первого аккумулятора. К его отрицательной клемме подключают положительную клемму второго аккумулятора и т.д. Отрицательную клемму последнего аккумулятора подключают к ″минусу″ электрической схемы.

Получившаяся при последовательном соединении аккумуляторная батарея имеет ту же емкость, что и у одиночного аккумулятора, а напряжение такой аккумуляторной батареи равно сумме напряжений входящих в нее аккумуляторов. Т.е. Если аккумуляторы имеют одинаковые напряжения, то напряжение батареи равно напряжению одного аккумулятора, умноженному на количество аккумуляторов в аккумуляторной батарее.

Электрическая энергия, накопленная в аккумуляторной батарее равна сумме энергий отдельных аккумуляторов (произведению энергий отдельных аккумуляторов, если аккумуляторы одинаковые), независимо от того, как соединены аккумуляторы — параллельно или последовательно.

2. Зачем соединять аккумуляторы в аккумуляторную батарею?

В любых электрических системах или устройствах есть омические потери: часть электрической энергия превращается в тепло, не производя полезной работы. Чем больше напряжение электросистемы, тем (при той же мощности) меньше ток, меньше омические потери и меньше цена системы. Т.е. выгодно иметь электрические системы высокого напряжения.

Причем, чем больше мощность системы, тем больше выигрыш высоковольтной системы по сравнению с низковольной.

Поэтому в небольших UPS (на несколько сотен ВА) обычно стоит один аккумулятор на 12 вольт (так получается дешевле), в UPS на несколько кВА используется аккумуляторная батарея напряжением в десятки вольт, а в мощных ИБП на десятки киловатт напряжение аккумуляторной батареи может превышать 500 В.

Следовательно, цель использования аккумуляторных батарей с последовательным соединением аккумуляторов — уменьшение потерь и увеличение коэффициента полезного действия (КПД).

Иногда емкости одного аккумулятора недостаточно, и нужно увеличить емкость. Иногда удобнее не ставить взамен аккумулятор большей емкости, а поставить еще один такой же аккумулятора параллельно, чтобы суммарная емкость аккумуляторной батареи аккумуляторной батареи удвоилась.

Например, для увеличения времени работы высококлассного ИБП Eaton Powerware 9130 от аккумуляторной батареи параллельно существующей батарее подключают еще одну или несколько таких же аккумуляторных батарей.

3. Можно ли соединять последовательно свинцовые аккумуляторы разной емкости?

Известно, что внутреннее сопротивление аккумуляторов, изготовленных по одной технологии, примерно обратно пропорционально емкости аккумулятора.

Поэтому, при протекании тока через последовательную аккумуляторную батарею, на свинцовых аккумуляторах разной емкости будут разные напряжения.

Опасно ли это для отдельных аккумуляторов и для аккумуляторной батареи в целом? Рассмотрим по-отдельности режимы разряда и зарядки свинцовых аккумуляторов.

Предположим, мы заряжаем последовательную аккумуляторную батарею, состоящую из семи 12-вольтовых свинцовых аккумуляторов емкостью по 10 А*час и одного 12-вольтового свинцового аккумулятора емкостью 8 А*час. В начале все аккумуляторы разряжены. Зарядное устройство реализует алгоритм зарядки I-U с начальным током 1 А и конечным напряжением 110 В (13.8 В в среднем на аккумулятор).

По данным производителя, при зарядке аккумуляторов постоянным током, напряжение на аккумуляторе изменяется в соответствии с графиком справа. В начале процесса зарядки, зарядное устройство поддерживает ток 1 А, а суммарное напряжение на аккумуляторной батарее сложится из напряжений на отдельных аккумуляторах, напряжение для каждого аккумулятора можно определить по его зарядной характеристике (графику зависимости напряжения аккумулятора от времени, который приводится производителем в его технических характеристиках). В начале зарядки на свинцовом аккумуляторе в 8 А*час будет около 12.3 В, а на всех аккумуляторах емкостью 10 А*час — примерно по 12 В на каждом. Начало зарядки абсолютно безопасно для всех 8 аккумуляторов.

Примерно через 10 часов напряжение на аккумуляторе емкостью 8 А*час достигнет 13.8 вольт. Аккумулятор в этот момент будет заряжен примерно на 80%. Остальные аккумуляторы будут заряжены примерно на 70%, а напряжение на каждом из них будет около 13.2 В.

Аккумулятор емкостью 8 А*час уже нужно переводить в режим стабилизации напряжения, но это невозможно — ведь суммарное напряжение на аккумуляторной батарее еще не достигло конечного напряжения 110 В, а составляет примерно 13.2 * 7 + 13.8 = 106.2 В.

Поэтому все аккумуляторы емкостью 10 А*час будут продолжать заряжаться, суммарное напряжение продолжит расти, а вместе с ним и напряжение на аккумуляторе емкостью 8 А*час.

Еще через 3-4 часа, напряжение на аккумуляторной батарее достигнет предела — 110 В. Это напряжение разделится следующим образом: на аккумуляторах емкостью 10 А*час будет чуть больше 13.5 В, а на аккумуляторе емкостью 8 А*час — больше 15 В.

Система рекомбинации газов, выделяющихся в этом аккумуляторе, перестанет справляться c нагрузкой, предохранительные клапаны аккумулятора откроются, аккумулятор начнет терять воду, а с ней и емкость. В то же время, все аккумуляторы емкостью 10 А*час будут недозаряжены.

Следовательно, при зарядке свинцовых аккумуляторов соединенные последовательно аккумуляторы разной емкости будут все больше и больше расходиться по своим параметрам — ″разбегаться″.

Рассмотрим теперь разряд все той же аккумуляторной батареи из 8 свинцовых аккумуляторов током 1 А. Пусть система построена так, что при уменьшении напряжения до 84 В срабатывает защита от глубокого разряда, и разряд прекращается. Начальное состояние всех свинцовых аккумуляторов — ″полностью заряжены″.

Через 7-8 часов после начала разряда, аккумулятор емкостью 8 А*час полностью разрядится. Напряжение на нем составит 10.5 В. Напряжение на остальных аккумуляторах батареи будет в это время чуть больше 11 В на каждом. Значит суммарное напряжение на аккумуляторной батарее еще далеко от конечного напряжения разряда 84 В и составляет примерно 10.5 * 7 + 11.

1 = 88,2 В. Поэтому вся аккумуляторная батарея продолжит разряжаться, в том числе и многострадальный аккумулятор емкостью 8 А*час. Напряжение на нем будет очень быстро падать, в то время, как остальные свинцовые аккумуляторы практически не будут разряжаться.

Когда напряжение на нем достигнет примерно 7 В, система отключит нагрузку, но будет уже поздно — аккумулятор будет в состоянии глубокого разряда и потеряет часть емкости.

Теперь становится понятно, что последовательно можно соединять только свинцовые аккумуляторы одинаковой емкости, иначе аккумуляторная батарея будет быстро выходить из строя.

Рекомендуется использовать для последовательного соединения свинцовые аккумуляторы одного типа, одного завода и из одной партии.

Если в аккумуляторную батарею предполагается объединить более двух свинцовых аккумуляторов последовательно, очень желателен еще и предварительный подбор аккумуляторов по емкости и напряжению с помощью тестеров аккумуляторов

Для параллельно соединенных свинцовых кислотных аккумуляторов нет опасности появления на клеммах аккумулятора разных напряжений. Напряжения на всех параллельно соединенных аккумуляторах одинаковы в силу самого характера соединения. Значит параллельно соединенные аккумуляторы не могут «разбежаться» — они будут разряжаться или заряжаться синхронно.

Но у свинцовых аккумуляторов есть ограничение не только по максимальному и минимальному напряжению, но и по токам. Например, для аккумулятора CSB GP 1272 (GP1272) производителем установлены следующие ограничения по токам.

Максимальный разрядный ток не должен превышать 100 А для аккумуляторов с клеммами шириной 3/16″ (4.75 мм) и 130 А для аккумуляторов с клеммами 1/4″ (6. 35 мм) — 130 А (18С).

Протекание такого большого тока через аккумулятор емкостью всего 7.2 А*час ограничено и по времени: не более 5 с.

Почему ограничен разрядный ток, понятно — клеммы аккумулятора не могут надежно передать больший ток (хотя сам аккумулятор, вероятно, мог бы).

Если мы посмотрим технические характеристики аккумуляторов разных производителей (правда не все указывают максимально допустимый ток), нам откроется довольно пестрая картина. Для стационарных (промышленных) свинцовых аккумуляторов, максимальный ток ограничен значением, которое численно (в амперах) составляет от 5 до 25 емкостей аккумулятора (в А*час).

Некоторые производители указывают еще и ток короткого замыкания (иногда с ограничением времени — 0.1 с) — он численно составляет от 15 до 70 емкостей аккумулятора (15С….70С).

Суммируя эти данные, можно сказать, что свинцовый аккумулятор может безопасно разряжаться очень большими токами, вплоть до десятков С, причем чем меньше время разряда, тем больше допустимый ток.

Жесткого ограничения максимального зарядного тока производитель CSB GP 1272 (GP1272) не дает, он только рекомендует ограничить максимальный ток зарядного устройства значением 2.16 А (это численно равно 30% емкости аккумулятора — 0.3С).

Это ограничение совершенно точно не связано с возможностями проводников (клемм и решетки пластин аккумулятора), — проводники этого аккумулятора, как мы уже знаем, могут передать в 50 раз больший ток.

Тогда с чем же связано это ограничение?

В процессе зарядки свинцового аккумулятора, сернокислый свинец превращается в свинец или окись свинца (в зависимости от того, на положительной или отрицательной пластине происходит реакция), а сера, входившая в состав сернокислого свинца, переходит в электролит.

Для эффективного протекания электрохимической реакции зарядки свинцового аккумуляторав, нужно все время подводить в поверхности, на которой происходит реакция, свежий электролит и отводить продукты реакции (все тот же электролит, но уже содержащий больше серы).

Активная масса пластины свинцового аккумулятора имеет пористую структуру (это увеличивает активную поверхность и емкость свинцового аккумулятора).

К открытой части активной поверхности очень легко подводить (и отводить) вещества, участвующие в реакции, а перенос свежего электролита вглубь пористой пластины затруднен — по мере удаления от поверхности, поры становятся все уже и глубже.

Поэтому в начале зарядки свинцового аккумулятора, электрохимическая реакция происходит главным образом на открытой поверхности пластин и только потом распространяется вглубь активной массы.

В начале зарядки, аккумулятор способен безопасно воспринять довольно большой зарядный ток — ведь к поверхности пластины можно быстро доставить сколько угодно свежего электролита. Но по мере того, как процесс зарядки перемещается вглубь активной масыы, зарядный ток нужно уменьшать, иначе вместо электрохимической реакции зарядки аккумулятора будет происходить разложение электролита (аккумулятор «закипит»). Свинцовый аккумулятор может быть и не выйдет из строя сразу, но его старение ускорится и он раньше потеряет емкость.

Соблюдение общего ограничения тока зарядного устройства (2.16 А для аккумулятора CSB GP 1272 (GP1272), установленного производителем, позволяет безопасно заряжать аккумулятор, независимо от глубины и характера его разряда и температуры (в определенных производителем пределах). Тем не менее, в начале зарядки свинцового аккумулятора, допустим и больший зарядный ток.

Вернемся теперь к параллельно соединенным свинцовым аккумуляторам. Понятно, что, если суммарный ток через параллельную аккумуляторную батарею не превышает ограничений, установленных для каждого аккумулятора батареи, то никакой опасности для аккумуляторов нет.

Понятно также, что, если мы соединим параллельно 5 аккумуляторов CSB GP 1272 (GP1272) из одной партии и будем их заряжать током 5 х 2 = 10 А, то опять-таки нет никакой опасности — аккумуляторы абсолютно одинаковые, токи разделятся поровну, и ток через каждый аккумулятор не превысит установленного производителем ограничения.

Но если мы соединим в параллельную батарею разные аккумуляторы, и суммарный разрядный или зарядный ток заметно превысит ограничения, установленные для отдельного свинцового аккумулятора, то через какой-то аккумулятор может потечь ток, превышающий возможности этого аккумулятора. Посмотрим теперь, как распределяются токи между свинцовыми аккумуляторами параллельной аккумуляторной батареи, составленной из аккумуляторов разных типов.

В начале зарядки или разряда параллельной аккумуляторной батареи, токи (зарядный или разрядный) разделятся между аккумуляторами обратно пропорционально их внутреннему сопротивлению.

Если свинцовые аккумуляторы сильно различаются по емкости, конструкции, составу пластин или технологии изготовления, то внутреннее сопротивление аккумуляторов может оказаться не совсем обратно пропорциональным их емкости.

В этом случае, и токи в начале разряда или зарядки свинцовых аккумуляторов могут распределиться не совсем пропорционально их емкости.

Соединенные параллельно свинцовые аккумуляторы имеют одинаковое напряжение на своих клеммах. Поэтому их разряд или зарядка происходят синхронно: невозможна ситуация, когда один из параллельно соединенных аккумуляторов разрядился (или зарядился) наполовину, а другой — полностью.

Поэтому, через некоторое время после начала разряда или зарядки, токи начинают перераспределяться между аккумуляторами так, чтобы компенсировать возможно имевшую в начале процесса место диспропорцию.

В конечном счете (или, вернее сказать, в среднем), токи распределяются между аккумуляторами пропорционально их реальной емкости, даже если внутреннее сопротивление аккумуляторов не совсем обратно пропорционально емкости аккумуляторов.

Следовательно, потенциальную опасность представляет начало разряда или зарядки свинцовых аккумуляторов, соединенных параллельно.

Но в начале разряда или зарядки, как мы уже выяснили, свинцовые аккумуляторы могут без вреда для себя разряжаться или заряжаться токами, которые превышают установленные производителем ограничения.

Поэтому можно было бы сказать, что параллельное соединение разнородных аккумуляторов не представляет опасности.

Но мы будем осторожнее, и скажем, что такой опасности почти нет — но при параллельном соединении свинцовых аккумуляторов разной емкости или изготовленных по разным технологиям нужно избегать ситуаций, когда зарядный или разрядный ток аккумуляторной батареи в несколько раз превышает установленное производителем предельное значение зарядного или разрядного тока одного аккумулятора.

Схемы соединения аккумуляторных батарей для электропитания

66008 Опубликовано 26 апреля 2017

Аккумуляторные батареи (АКБ) в зависимости от их назначения собираются из определенного количества аккумулирующих энергию элементов. Схема соединения

аккумуляторных батарей при этом зависит от того, какая преследуется цель. Это может быть увеличение емкости батареи, повышение напряжения либо сочетание обеих этих параметрических характеристик устройства.

В основном батареи собирают последовательно-параллельно, а сами сборки служат для промежуточного или резервного хранения электроэнергии

Известны и повсеместно применяются 3 варианта соединения отдельных аккумуляторов в батарею: последовательное, параллельное и смешанное или комбинированное.

Повышение рабочего напряжения батареи

Аккумуляторы электрической энергии имеют различное рабочее напряжение. Варьироваться оно может в очень широком диапазоне: от 0,5 до 48 Вольт.

В то же время, для обеспечения автономного питания приборов, запуска двигателей внутреннего сгорания, питания электроприводной техники требуется другой диапазон напряжений.

Повысить рабочее напряжение автономного источника тока можно последовательным соединением нескольких аккумуляторов в батарею.

Схемы и формулы при последовательном соединении батарей

При последовательном соединении коммутируются разнополярные клеммы аккумулятора. Плюсовой вывод предыдущего устройства соединяется с минусовым выводом последующего. Суммарное рабочее напряжение батареи при таком способе будет равно сумме рабочих напряжений коммутированных источников тока.

Это значит, что для получения АКБ с рабочим напряжением 12 В необходимо последовательно соединить 4 трехвольтных источника либо 10 аккумуляторов с рабочим напряжением 1,2 В.

Емкость скомплектованной последовательным соединением источников не изменяется и остается равной емкости каждого включенного в схему аккумулятора.

Очевидным и наглядным примером такого способа комплектации батареи могут служить автомобильные АКБ. В них отдельные источники, именуемые банками, объединены в общем корпусе и последовательно соединены свинцовыми шинами.

Выбор в качестве материала для соединительных шин свинца объясняется просто: аккумуляторные электроды также изготавливаются из свинца. Шины, интегрированные в коммуникационную схему, соединяются с электродами на молекулярном уровне, а не механически.

Это позволят избежать возникновения электрохимических коррозионных процессов.

Увеличение емкости источника питания

Нередки технические условия, когда от источника питания при сохранении рабочего напряжения требуется повышенная емкость. В таких случаях для комплектования батареи применяется параллельное соединение аккумуляторов. Такой способ коммутирования позволяет в разы, а в особо ответственных случаях – в десятки раз увеличить суммарную емкость питающего устройства.

Параллельное соединение батарей с формулами

Параллельное соединение осуществляется путем коммутации однополюсных выводов источников тока: плюсовой и минусовой выводы предыдущего аккумулятора соединяются с одноименными выводами последующего.

Суммарная электрическая емкость скомпонованной таким способом коммутации батареи будет равна сумме электрических емкостей входящих в схему отдельных источников.

Это значит, что при соединении трех аккумуляторных батарей с номинальной емкостью 60 А*ч получится устройство, имеющее электрическую емкость 180 А*ч.

В качестве примера подключения аккумуляторных батарей параллельной коммутацией можно привести источники бесперебойного либо аварийного питания приборов и аппаратуры.

Параллельно подключаются АКБ большегрузных автомобилей и тяжелой специальной техники с большим объемом двигателя.

Большой распространение параллельная коммутация получила на флоте: здесь параллельно соединенные устройства питания применяются для запуска вспомогательных дизелей, работы освещения, систем связи и жизнеобеспечения в аварийных ситуациях.

Повышение напряжения с одновременным увеличением емкости АКБ

Ярким примером смешанного или комбинированного соединения аккумуляторов в комплекс с необходимыми показателями рабочего напряжения и электрической емкости служат источники питания машин с электрическим приводом.

ВАЖНО! При увеличении емкости аккумуляторных батарей увеличиваются и токи. Правильно подбирайте сечения проводов! Используйте негорючие или самозатухающие провода.

• Тяговые аккумуляторные батареи для обеспечения работы приводных и управляющих двигателей электроприводных машин и механизмов комплектуются именно по такой схеме. Достаточно подробно о способах соединения АКБ изложено в этом видео:
• Комбинированное соединение подразумевает использование в коммутационной схеме одновременно последовательного и параллельного способов подключения. Возможны два варианта:

1. Сначала методом последовательного соединения источников подготавливаются батареи с требуемым рабочим напряжением. На втором этапе параллельно коммутируется необходимое количество подготовленных сборок для обеспечения потребной электрической емкости.

2. Во втором варианте параллельной коммутацией предварительно набираются батареи с требуемой емкостью. После этого устройства соединяются последовательно до достижения необходимого рабочего напряжения.

Схема последовательно-параллельного соединения аккумуляторных батарей наиболее часто применяемая, так как современные батареи для автономного энергообеспечения домов имеют номинальное напряжение 3,4 В

Комплектование АКБ комбинированным способом позволяет формировать источники питания, напряжение и электрическая емкость которых ограничивается только занимаемым ими рабочим пространством.

Особенности комплектования батарей аккумуляторов

Все три способа соединения отдельных источников питания в комплекс подчиняются не сложным, но важным для эффективной и долгосрочной эксплуатации правилам.

Последовательно-параллельная схема подключения на примере литий-ионных батарей

Пролонгированная работа батареи и ее экономическая целесообразность может быть обеспечена при соблюдении следующих правил:

• электрическая емкость включаемых в комплекс источников не должна отличаться на величину, превышающую 5% от номинальной;
• рабочие напряжения отдельных элементов батареи должны находиться в разумном соотношении;
• эксплуатационное техническое состояние включаемых в комплекс автономного питания элементов должно быть максимально сбалансированным;
• сечение коммутационных линий и шин должно быть рассчитано с учетом токовых нагрузок как внутри батареи, так и во внешних электрических цепях.

Ассортимент предлагаемых рынком источников питания при грамотном подходе позволяет создавать аккумуляторные батареи со всеми необходимыми для надежного использования характеристиками.

Последовательная и параллельная конфигурация соединения аккумулятров

Категория: Поддержка по аккумуляторным батареям Опубликовано 10.04.

2016 14:30
Abramova Olesya

Электрические батареи могут достигать необходимого рабочего напряжения путем последовательного подсоединения нескольких элементов — каждый элемент добавляет свой показатель напряжения к общему напряжению всей системы.

Параллельное же соединение обеспечит более высокий показатель емкости и силы тока — суммарная емкость такой системы будет равна сумме емкостей всех подключенных элементов, сила тока также будет равняться сумме значений всех элементов.

Некоторые системы могут состоять из нескольких параллельных или последовательных соединений.

Аккумуляторы для портативных компьютеров обычно состоят из четырех 3,6 В литий-ионных элементов, соединенных последовательно для обеспечения напряжения 14,4 В и двух соединенных параллельно для увеличения емкости от 2400 мАч до 4800 мАч.

Такая конфигурация называется 4S2P, что соответственно и расшифровывается как 4 Serial 2 Parallel (что в переводе с английского — 4 последовательных и 2 параллельных соединения). Между такими элементами в аккумуляторе обязательно присутствует изоляционный материал, во избежание короткого замыкания.

Элементы большинства электрохимических систем способны к последовательному и параллельному соединению.

Важно использовать элементы одного типа, с одинаковым напряжением и емкостью, и никогда не формировать соединение из элементов разных марок и размеров, так как более слабый элемент вызовет дисбаланс всей системы.

Это особенно важно при последовательном соединении, так как вся система будет зависеть от самого слабого элемента. В этом случае уместна аналогия с цепью, где слабое звено нивелирует прочность всей цепи (рисунок 1).

Рисунок 1: Сравнение последовательного соединения электрических батарей с цепью. Каждое звено этой цепи можно сравнить с электрохимическим элементом питания в последовательно соединенной системе, слабость звена или элемента приведет к коллапсу всей системы.

Слабый элемент может выявиться не сразу, при щадящих режимах работы нагрузка на него не велика, однако при возрастании нагрузки он исчерпывает свой ресурс очень быстро.

При зарядке такой элемент полностью заряжается быстрее других, следовательно, остальное время на него действует излишняя зарядка, что приводит к вредному перезаряду. При разряде же он выходит из строя первым, заставляя остальные элементы питать нагрузку, уже превышающую номинал всей системы.

Элементы в аккумуляторных системах обязательно должны иметь одинаковые характеристики, особенно в условиях высоких нагрузок.

1. Области применения одиночных элементов питания

Система из одного электрохимического элемента питания является простейшим примером электрической батареи. Такая система не требует предварительного согласования, а защитная схема, в случае если это литий-ионная технология, крайне проста.

Типичными примерами таких систем являются 3,60 В литий-ионные аккумуляторы для мобильных телефонов и планшетов. Другим примером использования одноэлементных батарей являются настенные часы, где чаще всего используется 1,5 В щелочная батарейка.

Номинальное напряжение элемента на основе никеля составляет 1,2 В, щелочной — 1,5 В, серебряно-оксидной — 1,6 В, а свинцово-кислотной — 2,0 В. Первичные литиевые элементы обеспечивают напряжение в диапазоне от 3,0 до 3,9 В, в их числе литий-ионные — 3,6 В, литий-фосфатные — 3,2 В, литий-титанатные — 2,4 В.

Литий-марганцевая и другие электрохимические системы на основе лития часто могут обеспечить напряжение элемента на уровне 3,7 В и выше.

Это связано не столько с электрохимическими аспектами, сколько является следствием оптимизации под более высокий показатель количества ватт-часов путем уменьшения внутреннего сопротивления элемента.

Но в основном, элементы этой электрохимической системы производятся со стандартным показателем напряжения в 3,6 В.

2. Последовательное соединение

Портативное оборудование, требующее высоких значений напряжения, использует в качестве источника питания два или больше электрических элемента, соединенных последовательно. На рисунке 2 показан батарейный блок из четырех 1,2 В никелевых элементов, соединенных последовательно.

Такой блок создан для получения напряжения 4,8 В и известен как 4S. Для сравнения, свинцово-кислотный аккумулятор с шестью 2 В элементами (“банками”) будет генерировать 12 В, а четыре 3,6 В литий-ионных элемента дадут 14,4 В.

(BU-303: Номинальное напряжение аккумулятора)

Рисунок 2: Последовательное соединение четырех элементов (4S). Последовательное присоединение элемента увеличит напряжение, сила тока останется неизменной.

Если вам нужно особое значение напряжения, например, 9,5 вольт, последовательно подключите пять свинцово-кислотных, восемь никель-металл-гидридных или никель-кадмиевых, или три литий-ионных элемента.

Конечное напряжение батарейного блока может быть немного большим, чем номинальное устройства, приложение 12 В вместо 9,5 В позволит его эксплуатировать.

Большинство устройств, рассчитанных на питание электрическими батареями, могут выдерживать некоторое превышение номинального напряжения, но не следует этим злоупотреблять, слишком большое превышение напряжения может повредить устройство.

Использование электрической батареи с высоким напряжением позволяет уменьшить потери и увеличить КПД. Беспроводные инструменты работают на 12 В и 18 В аккумуляторах, более высококлассные используют даже 24 В и 36 В. Большинство электровелосипедов комплектуются 36 В литий-ионным аккумулятором, некоторые даже идут с 48 В.

Существуют инициативы в автомобильной промышленности по поводу увеличения напряжения стартерного аккумулятора с 12 В (14В) до 36 В (42 В), путем размещения в аккумуляторе 18 свинцово-кислотных элементов (“банок”).

Но этой инициативе препятствует необходимость изменения свойств электрических компонентов в автомобиле и повышенный риск возникновения искр в механических переключателях.

Некоторые гибридные автомобили работают на 48 В литий-ионном аккумуляторе и в дополнение к этому используют преобразователь напряжения для получения стандартных 12 вольт для электрической системы автомобиля.

Также возможен вариант с отдельной установкой стандартного стартерного аккумулятора для запуска двигателя внутреннего сгорания. Первые гибридные автомобили использовали 148 В аккумуляторы, электромобили имеют аккумуляторную систему напряжением 450-500 В.

Такая система состоит из более чем 100 литий-ионных элементов, соединенных последовательно.

Аккумуляторные системы высокого напряжения требуют тщательного согласования элементов, особенно при подключении к сильной нагрузке или при работе в низкотемпературных условиях.

Так как в таких последовательно соединенных системах выход из строя всего лишь одного элемента приводит к коллапсу всей системы, существуют специальная система защиты, которая выявляет неисправный элемент и позволяет “обходить” его.

Такой метод конечно же уменьшает общее напряжение системы, но как временное решение весьма практичен, и главное позволяет всей системе сохранить работоспособность.

Согласование элементов становится проблемой при необходимости замены неисправного элемента в устаревшей аккумуляторной системе.

Более современные элементы, как правило, имеют более высокую емкость, в результате чего в такой системе может возникнуть дисбаланс.

Сварная конструкция аккумуляторной системы также усложняет ремонт, и в связи с этим чаще всего вся аккумуляторная система меняется полностью.

В электромобилях, где цена аккумуляторной системы составляет весомую часть от стоимости всего транспортного средства, полная замена этой системы видится абсурдной. Поэтому производители делят аккумуляторную систему на модули, каждый из которых состоит из определенного числа элементов.

И если такой элемент выйдет из строя, замена будет необходима не всей системе, а определенному модулю. Возникновение трудностей возможно в случае, если доступны только новые модули, укомплектованные более современными элементами.

(Смотрите: Как восстановить аккумуляторную систему).

На рисунке 3 показан батарейный блок, в котором элемент-3 производит только 0,6 В вместо 1,20 В. С пониженным общим напряжением этот батарейный блок разрядится раньше обычного. Напряжение будет проседать, и в конце концов питаемое устройство отключится.

Рисунок 3: Последовательное соединение с неисправным элементом. Неисправный элемент-3 понижает общее напряжение и приводит к преждевременному прекращению работы подключенного устройства.

Аккумуляторные системы в беспилотных летательных аппаратах или других устройствах, требующих высокие токи нагрузки, часто демонстрируют неожиданное падение напряжения, если один элемент в системе является слабым.

Пиковые нагрузки увеличивают стресс на аккумуляторную систему, вызывая коллапс еще быстрее.

Измерение напряжения сразу после зарядки не поможет для идентификации слабого элемента — его напряжение без нагрузки будет относительно нормальным; для решения этой проблемы существуют специальные анализаторы электрических батарей.

3. Параллельное соединение

Если для устройства требуется высокое значение силы тока и удовлетворить это требование одним элементом невозможно, следует использовать параллельное соединение элементов.

Большинство электрохимических систем позволяют использование параллельной конфигурации подсоединения, но с некоторыми побочными эффектами. На рисунке 4 показаны четыре параллельно соединенных элемента, такая конфигурация еще называется 4P (4 Parallel).

Напряжение этой системы остается 1,20 В, но сила тока и емкость увеличены в четыре раза.

Рисунок 4: Параллельное соединение четырех электрических элементов. Благодаря параллельной конфигурации подсоединения сила тока и емкость увеличиваются, напряжение же остается неизменным.

Выход из строя единичного элемента при параллельном соединении не столь критично, как при последовательном. Такая проблема конечно уменьшит нагрузочные характеристики всей системы, но хотя бы не выведет ее из строя.

Можно провести аналогию с цилиндрами двигателя внутреннего сгорания — автомобиль сможет ехать и на трех цилиндрах, даже если у него их всего четыре.

С другой стороны, при наличии неисправного элемента в параллельных системах существует больший риск возникновения короткого замыкания, так как такой элемент как бы высасывает энергию из других, в результате чего возрастает риск возгорания. Большинство таких коротких замыканий довольно умеренны и проявляются в виде повышенного саморазряда.

Причиной короткого замыкания может быть поляризация или возникновение дендритов в элементе. Большие аккумуляторные системы часто снабжены предохранителем, который отключает неисправный элемент из параллельной цепи, если он был закорочен. На рисунке 5 показана параллельная конфигурация с одним неисправным элементом.

Рисунок 5: Параллельное соединение с одним неисправным элементом. Слабый элемент не повлияет на напряжение всей системы, но уменьшит общее время работы за счет уменьшения емкости системы. Закороченный элемент может вызвать перегрев и стать причиной возникновения пожара.

4. Последовательно-параллельное соединение

Последовательно-параллельная конфигурация подсоединения элементов, показанная на рисунке 6, предоставляет большую гибкость конструкции, с ее помощью можно создать систему с желаемыми значениями напряжения и тока, используя стандартные элементы.

Суммарная мощность будет произведением значений напряжения и силы тока, например, четыре 1,2 В элемента емкостью 1000 мАч производят 4,8 Вт мощности. Четыре элемента типоразмера 18650 емкостью 3000 мАч каждый могут быть соединены последовательно-параллельно для достижения 7,2 В и 12 Вт.

Использование тонких элементов позволит сконструировать гибкую аккумуляторную систему, но ей будет необходима система защиты.

Рисунок 6: Последовательно-параллельное соединение четырех элементов (2S2P). Такая конфигурация обеспечивает максимальную гибкость конструкции. Параллельные элементы помогают в управлении напряжением.

Литий-ионные элементы отлично подходят для последовательно-параллельных конфигураций, но необходим мониторинг каждого элемента — для соответствия значений напряжения и силы тока.

Такой мониторинг реализуется аппаратно — путем создания электронного устройства, стандартный образец которого может контролировать систему из 13 литий-ионных элементов.

Для больших аккумуляторных систем создаются специальные схемы, например, как в электромобиле Tesla, где аккумуляторная система состоит из 7000 элементов типоразмера 18650, суммарная мощность которых достигает 90 кВт/ч.

5. Рекомендации по использованию первичных батарей

• Держите контакты элементов в чистоте. Конфигурация с четырьмя элементами имеет восемь контактов и каждый добавляет сопротивление.
• Никогда не смешивайте разнотипные элементы, если вышел из строя один, и ему нет аналогичной замены, то необходимо заменить все. Общая производительность настолько хороша, насколько этому соответствует самый слабый элемент.
• Соблюдайте полярность. Неправильно размещенный элемент уменьшает общее напряжение системы.
• Для предотвращения утечки электролита и коррозии, извлекайте элементы из устройства, когда оно не используется. Особенно это касается угольно-цинковых элементов.
• Не храните электрические батареи в металлических коробках. Элементы следует по отдельности помещать в полиэтиленовые пакеты, во избежание короткого замыкания. Не стоит носить батареи в карманах.
• Держите батареи подальше от детей. Помимо риска попадания в дыхательные пути, что может вызвать удушение, ток электрохимической батареи при попадании в желудочно-кишечный тракт может вызвать язву, а при разрыве оболочки — отравление. (Смотрите: Влияние электрохимических батарей на здоровье человека).
• Не заряжайте первичные (неперезаряжаемые) электрические батареи, так как накопление водорода может привести к взрыву. Экспериментировать с зарядкой можно лишь контролируя этот процесс.

6. Рекомендации по использованию вторичных батарей

• Соблюдайте полярность при зарядке вторичных элементов. Несоблюдение может привести к короткому замыканию.
• Извлекайте полностью заряженные элементы из зарядного устройства. Обычное зарядное устройство не имеет встроенной системы индикации заряда, следовательно, аккумулятор может перегреться.
• Производите зарядку при комнатной температуре.

Последнее обновление 2016-02-29

Как правильно соединять аккумуляторы последовательно и параллельно

Коротко разберём распространённое мнение – «при последовательном соединении двух аккумуляторов (АКБ), их ёмкость не меняется, она остаётся такой же, как у одного аккумулятора, поэтому время автономной работы при таком соединении будет меньше».

Но как же закон сохранения энергии? Да, при последовательном соединении аккумуляторов, формально ёмкость считается как у одного аккумулятора, а напряжение удваивается (или утраивается, учетверяется и т.д., в зависимости от количества последовательно соединённых АКБ). При параллельном же соединении АКБ – ёмкость удваивается (утраивается и т.д.), а напряжение остаётся тем же.

Варианты соединения аккумуляторов

Противоречия здесь нет. Когда люди говорят об аккумуляторе (обычно об автомобильном), то сообщают его ёмкость, но не уточняют вольтаж. Просто все привыкли, что аккумуляторы имеют напряжение 12В, и подразумевается, что упоминать об этом глупо. Но в вообще-то, ёмкость без указания вольтажа не имеет физического смысла.

Существуют аккумуляторы самой разной ёмкости и на разное напряжение – на 2В, и на 6В, и на 12В, и, редко, на 24В. Кроме того, любые одинаковые АКБ можно соединять последовательно, параллельно, или последовательно-параллельно одновременно. Но стоит только указать после величины ёмкости её вольтаж, как всё встаёт на свои места.

Ведь энергоёмкость в любом случае, как бы мы не соединяли аккумуляторы, останется прежней.

Итак, если, например, два АКБ по 200Ач 12В (например, Аккумулятор Delta GEL 12-200), соединить последовательно, то получится энергоёмкость 200Ач 24В. А если эти же два АКБ соединить параллельно, то получится – 400Ач 12В.

Проверим:

200Ач * 24В = 480Ач * В = 400Ач * 12В

Но для расчётов токов (обычно, номинальным током заряда считается ток 0,1С, где С –величина равная ёмкости аккумулятора), С берут именно по цифре слева, т.е.

в нашем примере, при последовательном соединении С = 200, а при параллельном С = 400. Легко заметить, что и мощность зарядного устройства в обоих случаях будет одинаковой.

Для первого случая, зарядный ток будет 0,1*200 = 20А, но при напряжении 24В. Т.е. зарядная мощность, Р = 20А 24В = 480Вт

Для второго случая, зарядный ток будет 0,1*400 = 40А, но при напряжении 12В. Т.е. зарядная мощность, Р = 40А 12В = 480Вт

Если рассматривать одиночные аккумуляторы, то, например, один аккумулятор 600Ач 2В (см. раздел Аккумуляторные батареи FAAM) по своей энергоёмкости соответствует одному аккумулятору 100Ач 12В (например, Аккумулятор DELTA GEL 12-100).

Чтобы получить из этих аккумуляторов (600Ач 2В) большую аккумуляторную батарею, например, на 24В, нужно соединить последовательно 12 шт таких АКБ с помощью перемычек (Перемычка для аккумуляторов 250 мм). Общая итоговая ёмкость получится 600Ач 24В.

Эта энергоёмкость, если сравнивать её с 12-и вольтовыми АКБ по 200Ач (а такие применяются в грузовиках), соответствует 6-и штукам (три соединённых параллельно цепочки аккумуляторов, где каждая цепочка состоит из двух, соединённых последовательно, аккумуляторов):

(600Ач*2В)*12 = 600Ач*24В = (200Ач*24В) + (200Ач 24В) + (200Ач 24В)

Обратите внимание – на всех рисунках специально показано, что если минус инвертора подключён к условно первому АКБ, то плюс – к последнему.

Так его следует подключать, чтобы компенсировать сопротивление даже толстых медных проводов, соединяющих аккумуляторы.

Иначе, из-за их сопротивления, при огромных токах, «дальний» от выводов инвертора аккумулятор, окажется и не «дозаряжаем», и не «доразряжаем».

Итак, ёмкостью (читайте «энергоёмкостью») аккумулятора (объединённой группы аккумуляторов), называется количество электричества (т.е. мощности, равной току умноженного на НАПРЯЖЕНИЕ), которое аккумулятор отдает при разряде до наименьшего допустимого напряжения.

Чтобы аккумулятор служил долго, его нельзя разряжать более чем на 80%. Для 12-и вольтового АКБ, это соответствует напряжению на его клеммах примерно 11,5В. Но тут важно каким током относительно емкости АКБ мы его разряжаем.

Чем больше сила разрядного тока, тем ниже напряжение, до которого может разряжаться аккумулятор.

Это потому что при быстром разряде большими токами относительно маленькой ёмкости аккумулятора электролит не успевает перемешиваться, и разряженный слой скапливается вокруг пластин. Напряжение АКБ падает и нагрузку снимают.

Однако, спустя несколько десятков минут, электролит перемешивается и ёмкость (и, соответственно, напряжение аккумулятора) повышается.

Если же разряжать малым током относительно ёмкости, то можно вычерпать всю энергию, что плохо для долговечности АКБ. Всегда надо оставлять не менее 20% ёмкости. Подробнее об этом далее.

Отметим, что во время заряда, зарядное устройство постепенно повышает напряжение на АКБ, а затем, после снятия заряда, напряжение уменьшается, возвращаясь к спокойному состоянию (так, на 12-и вольтовом аккумуляторе, в зависимости от типа АКБ, оно обычно растёт до 14,1 – 14,5 В, а после снятия заряда, даже без нагрузки, в течении получаса возвращается к 12,5 – 12,8 В).

Схемы подключения аккумуляторов

У любого аккумулятора выделяют следующие основные характеристики:

• Номинальное напряжение (В ― Вольт)
• Емкость (Ач – Ампер*час)
• Максимальное количество запасенной энергии = Номинальное напряжение умноженное на Емкость (кВт*ч – киловатт*час)

Существует три возможных варианта соединения аккумуляторов между собой – последовательно, параллельно или последовательно-параллельно.    В зависимости от схемы соединения аккумуляторов в Банк Аккумуляторов может меняться Номинальное напряжение или Емкость системы, при этом максимальное количество запасенной энергии всех аккумуляторов останется неизменным.

Рассмотрим каждый из возможных вариантов соединения аккумуляторов в Банк Аккумуляторов:

1)  Последовательное соединение аккумуляторов

• При таком соединении минусовая клемма первого аккумулятора соединяется с плюсом второго, минус второго с плюсом третьего и так далее.
• В случае такого соединения Емкость системы остается неизменной, но напряжение системы является суммой всех соединенных последовательно аккумуляторов.
• Например:

Имеем 4 аккумулятора емкостью 200Ач и номинальным напряжением 12В. Подключив их последовательно, мы получим номинальное напряжение равное 12В*4=48В и емкость равную 200Ач.

При этом максимальное количество запасенной энергии определяется как сумма максимального запаса энергии всех аккумуляторов – 200Ач*12В*4=9600Вт*ч=9,6кВт*ч, или, что то же самое, как максимальный запас энергии всего банка аккумуляторов – 200Ач*48В=9600Вт*ч=9,6кВт*ч.

Такая схема включения используется для поднятия напряжения системы.

2) Параллельное соединение аккумуляторов

При таком соединении плюсовые клеммы аккумуляторов поочередно соединяются между собой. Минусовые клеммы также соединяются поочередно между собой.

В случае такого соединения напряжение системы остается неизменным, при этом емкость Банка Аккумуляторов является суммой всех соединенных параллельное аккумуляторов.

Например:

Имеем те же 4 аккумулятора емкостью 200Ач и номинальным напряжением 12В. Подключив их параллельно, мы получим номинальное напряжение равное 12В, а емкость при этом будет равна 4*200Ач=800Ач.

При этом максимальное количество запасенной энергии определяется как сумма максимального запаса энергии всех аккумуляторов – 200Ач*12В*4=9600Вт*ч=9,6кВт*ч, или, что то же самое, как максимальный запас энергии всего банка аккумуляторов – 800Ач*12В=9600Вт*ч=9,6кВт*ч.

 Такая схема включения используется для увеличения емкости (тока заряда) системы.

3) Последовательно-параллельное соединение аккумуляторов

1. Такое соединение является самым востребованным при сборке Банков Аккумуляторов для различных целей.
2. При таком соединении цепочки последовательно соединенных аккумуляторов соединяются параллельно.
3. Например:

Снова обратимся к нашим 4 аккумуляторам емкостью 200 Ач и номинальным напряжением 12В.

Соединив по 2 аккумулятора последовательно и затем объединим их параллельно, мы получим номинальное напряжение равное 12В*2=24В и емкость равную 200Ач*2=400Ач.

При этом максимальное количество запасенной энергии определяется как сумма максимального запаса энергии всех аккумуляторов – 200Ач*12В*4=9600Вт*ч=9,6кВт*ч, или, что то же самое, как максимальный запас энергии всего банка аккумуляторов – 400Ач*24В=9600Вт*ч=9,6кВт*ч.

Примечание: обратите внимание, что максимальное количество запасенной энергии ― не зависит от схемы соединения аккумуляторов! 

Различные схемы подключения аккумуляторов нужны для оптимизации работы комплекса оборудования используемого вместе с аккумуляторами. Выбирая различные схемы соединения, мы устанавливаем необходимые токи и напряжения для всей системы.

Источник: oporasolar.ru

Эта статья прочитана 12146 раз(а)!

Продолжить чтение

Схемы соединения аккумуляторных батарей

Существует три схемы соединения аккумуляторных батарей – последовательная, параллельная и комбинированная.

Давайте рассмотрим каждую схему более подробно.

Последовательная схема соединения батарей, служит для увеличения напряжения.
При последовательном соединении объединяются разнополярные клеммы аккумулятора. Плюсовой вывод соединяется с минусовым выводом следующей батареи. Суммарное рабочее напряжение данной схемы будет равно сумме всех батарей в цепи. К примеру, чтобы получить напряжение 24 В, из одной батареи с номинальным напряжением 12В, нам необходимо соединить 2 батареи последовательно. Емкость же данной системы будет равна емкости одной батареи. При данной схеме соединения нельзя использовать батареи разной емкости, типа технологии и состояния заряда.

Параллельная схема соединения батарей, служит для увеличения емкости системы.
Параллельное соединение осуществляется путем объединения однополюсных выводов. Плюсовой вывод соединяется с плюсовым выводом другой батареи и так далее, аналогично минусовые выводы соединяются у каждой батареи.
Емкость данной системы будет равна сумме емкости всех батарей в данном подключении. К примеру, чтобы получить емкость с номиналом 66 Ач, нам потребуется соединить 2 батареи по 33ач параллельно.

Комбинированное соединение батарей подразумевает использование в коммутационной схеме одновременно последовательного и параллельного способов подключения. Данная схема служит для одновременного повышения емкости и напряжения.
Давайте рассмотрим конкретный пример:
Соединив аккумуляторные батареи delta dtm1233 по 2 аккумулятора последовательно и затем объединим их параллельно с двумя другими последовательно соединенными аккумуляторами, мы получим номинальное напряжение равное 24В и емкость равную 66Ач

Схемы подзарядки маломощных аккумуляторных батарей для питания МК

Аккумулятор (лат. «accumulator» — собиратель) представляет собой устройство для накопления энергии с целью её последующего использования. Следует отличать электрические аккумуляторы от гальванических батарей (Табл. 6.7).

Аккумуляторы требуют периодической подзарядки энергии при помощи зарядных устройств (ЗУ). ЗУ можно разделить на внешние и внутренние. Первые из них подключаются к устройству через отдельный разъём и берут питание от сети 220 В, автомобильного аккумулятора, солнечной батареи и т.д. Характерным примером внешних ЗУ могут служить обычные «зарядки» для мобильных телефонов. Схемотехника подобных устройств — это отдельная и достаточно сложная тема.

Применительно к МК, более актуальными являются внутренние ЗУ, позволяющие восстанавливать энергию «на лету» от основного источника питания устройства. Методы заряда аккумуляторов бывают следующие:

• медленный заряд током, не превышающим 0.1С, где «С» — это штатная ёмкость аккумулятора в ампер-часах;
• заряд током 0.5… 1С с остановкой в момент начала спада напряжения;
• быстрый заряд большим током 2…4С с контролем температуры перегрева;
• «интеллектуальный» заряд по сложному графику со стабилизацией зарядного тока и напряжения.

При выборе типа аккумулятора следует учитывать разнообразие геометрических размеров (Табл. 6.8). Общее правило — чем больше физический объём элемента, тем больше его энергоёмкость, масса и, разумеется, цена.

На Рис. 1, а…д показаны схемы подзарядки аккумуляторов от внутреннего (основного) источника питания МК.

Рис. 1. Схемы внутренней подзарядки аккумуляторов.

На рисунке 1 приведены следующие схемы зарядных устройств:

• а) стандартная схема резервирования питания от источников +5 и +3 В дополняется резистором R1. Через него осуществляется постоянная подзарядка аккумулятора GB1 током примерно 0.1 мА. Столь низкий ток выбран для компенсации саморазряда аккумулятора во времени;
• б) подзарядка NiCd, NiMH аккумуляторов GB9, GB10 типоразмера АА/ААА от панели солнечных элементов GB1…GB8. Ток заряда в яркий солнечный день может достигать 50 мА;
• в) ток заряда аккумулятора GB1 обратно пропорционален сопротивлению резистора RI. Диод VD1 не позволяет разряжаться аккумулятору GB1 через внешние цепи при снятии основного питания +6 В. Диоды VD2, VD4 в сумме дают падение напряжения примерно 0.8… 1 В. Диод VD3 открывается только при снижении напряжения основного источника +6 В ниже +4.6 В;
• г) аккумулятор GB1 подзаряжается от энергии ветрогенератора G1. Диодный мост VD1…VD4 преобразует переменное напряжение, поступающее от ветрогенератора, в пульсирующее одно-полярное. Конденсатор C1 сглаживает пульсации. Аккумулятор стабилизирует выходное напряжение и служит буферным накопителем энергии;
• д) подзарядка аккумулятора GB1 от «интеллектуального» драйвера DA1. Заряд производится в три этапа с оптимальными режимами, специально разработанными для литиевых аккумуляторов. Максимальное напряжение заряда составляет 4.2 В, после чего микросхема DA I отключается и светодиод HL1 гаснет.

Источник: Рюмик С.М. 1000 и одна микроконтроллерная схема.

цоколевка аккумуляторной батареи и схема контроллера АКБ

Благодаря аккумуляторной батарее ноутбук стал мобильным устройством. Пользователи нередко встречаются с различными проблемами, связанными с АКБ.

Эти неприятности отличаются своей сложностью, и в некоторых ситуациях приходится посещать сервисный центр. Однако некоторые недостатки могут быть устранены самостоятельно, но для этого необходимо знать распиновку аккумулятора ноутбука.

Типы аккумуляторов

Все АКБ работают по одному принципу – обратимости протекающих в них реакций. Говоря проще, химическая реакция проходит в одном направлении, а заряд идет в противоположном.

Сегодня в лэптопах используется 2 типа аккумуляторов:

1. Литий-ионные, или Li-Ion.
2. Литий-полимерные, или Li-Pol.

Второй вид АКБ является более современным и используется производителями все чаще. В начале эры мобильных устройств активно использовались никель-кадмиевые батареи.

Однако в их состав входит кадмий, обладающий высокой токсичностью. В результате возникали серьезные проблемы с утилизацией вышедших из строя аккумуляторов.

Им на замену пришли никель-металлогидридные батареи, лишенные некоторых недостатков никель-кадмиевых. Но показатель их энергоемкости все же был невелик, как и число циклов перезарядки.

Литий-ионные АКБ обладают высокой энергетической плотностью и низким показателем саморазряда. Однако и они не лишены недостатка: литий постепенно разрушается, и уже через год емкость батареи снижается. На практике срок эксплуатации аккумуляторов этого типа составляет 2-3 года, а не заявленные производителями 5 лет.

Устройство батареи

Современные АКБ лэптопов подключаются с помощью интерфейса SMBus. Они имеют минимум 5 контактов, два из которых предназначены для передачи напряжения. Еще два пина позволяют обмениваться информацией об уровне заряда батареи, отработанных циклах перезарядки и т. д.

Аккумулятор состоит из следующих элементов:

• термостат;
• контроллер;
• аккумуляторные элементы;
• контактная площадка;
• предохранители.

Контроллер предназначен для отключения АКБ от зарядного устройства при достижении максимального заряда или при падении напряжения до 2,5 вольт.

Во втором случае отключение необходимо для предотвращения необратимых химических изменений в аккумуляторных батареях. В современных АКБ установлено большое количество датчиков, призванных обеспечить надежную защиту источника питания.

Схемы распиновки

Современные батареи имеют от 5 до 9 контактов. Распиновка аккумулятора ноутбука Samsung или другого лэптопа может отличаться в зависимости от модели. Именно поэтому пользователи ищут схему для своего мобильного девайса на официальных сайтах компаний-производителей.

Если в батарее установлен семипиновый разъем, то его цоколевка может иметь следующий вид:

• ID.
• NC.
• SCL/SDA — используется для связи микросхем.
• BATT_IN — передача сигнала о подключении.
• SMB — линия, предназначенная для передачи информации о состоянии АКБ.
• DATA- — ноль.
• DATA+ — основное питание.

Однако следует помнить, что в зависимости от модели распиновка аккумулятора ноутбука Acer, Lenovo, Toshiba и других производителей, может отличаться в зависимости от конкретной модели.

Схема распиновки батареи a32 на 9pin для лэптопов Asus.

Чтобы найти распиновку батареи ноутбука HP, Dell или другой компании, пользователю придется посетить официальный сайт производителя.

Если там отыскать нужную информацию не удастся, то предстоит зайти на форму владельцев лэптопов конкретного производителя.

В качестве примера можно привести распиновку mu06 notebook battery, используемой в устройствах компании НР.

Сброс контроллера

Даже если распиновка батареи ноутбука Acer или другого производителя известна, этого может оказаться недостаточным для устранения неисправности. Не менее важно иметь представление о контроллере аккумулятора — это микросхема, которая взаимодействует с контроллером материнской платы самого лэптопа и передает ОС всю необходимую информацию о работе и состоянии АКБ.

Вот схема контроллера батареи ноутбука, основанного на микросхеме DW 01-З.

Если контроллер начинает работать некорректно, то ОС получает неверную информацию. В результате могут возникнуть различные неприятности, например, лэптоп отключится быстрее, чем положено при 100% заряда. Такое поведение девайса необязательно говорит о выходе АКБ из строя, и проблема может быть решена с помощью сброса контроллера ноутбуковой батареи (калибровки).

Решить задачу можно двумя способами:

• Программным.
• Ручным.

В первом случае используется специальный софт, например, программа Battery EEPROM Works. Это мощная утилита, которая зачастую буквально реанимирует батарею.

Однако для ее использования необходимо разбираться в микросхемах.

В домашних условиях для большинства пользователей лучшим выбором станет ручная калибровка.

Если есть возможность, то можно использовать специальные утилиты для управления питанием ноутбука от производителя устройства.

После ее запуска необходимо выбрать опцию сброса контроллера и строго следовать инструкциям.

Если такая программа не была найдена, калибровку можно провести вручную. Для этого ноутбук отключается от сети и переводится в режим БИОС. После этого устройство необходимо оставить включенным до полного разряда АКБ, не выключая лэптоп, его необходимо поставить на зарядку и дождаться полного восстановления емкости батареи. Если эти манипуляции не вернули аккумулятор к жизни, то его придется заменить.

Схема аккумулятора ноутбука

Относительно простая схема аккумулятора ноутбука позволяет восстановить его своими силами, заменив поврежденные элементы питания на новые. Эта работа позволяет восстановить емкость аккумулятора и при этом обойтись без больших затрат на покупку новой батареи питания. Чтобы разобраться в схеме, нужно понять, как работает аккумуляторная батарея ноутбука и какие элементы чаще всего нуждаются в замене.

Устройство АКБ ноутбука

Аккумуляторная батарея ноутбука состоит из нескольких групп «банок» – литий-ионных аккумуляторов, соединенных последовательно-параллельным подключением. Емкость элементов питания со временем уменьшается, что приводит к уменьшению времени автономной работы и необходимости ремонта. Кроме того, их приходится менять после глубокого разряда, когда аккумулятор некоторое время лежит без дела.

В схему заряда аккумулятора ноутбука также входит контроллер – это микросхема, обеспечивающая равномерное распределение заряда, а также защиту от перезаряда, перегрева и других нарушений работы. Литий-ионные аккумуляторы считаются достаточно капризными: любое отклонение в процессе зарядки может привести к возгоранию и взрыву. Контроллер также хранит информацию о количестве циклов зарядки и разрядки.

Для ремонта аккумуляторной батареи необходимо выявить, какие элементы питания в схеме вышли из строя, и провести замену пострадавших аккумуляторов на новые. Для этого необходимо приобрести элементы питания того же типа с аналогичными характеристиками. Ремонт контроллера чаще всего не проводится – это сложная работа, не гарантирующая успешного результата. Если сгорел именно он, его проще заменить целиком или купить новую АКБ.

Ремонт аккумуляторной батареи

Схема аккумулятора ноутбука Asus и других современных переносных компьютеров включает в себя 4, 6, 9 или 12 элементов питания, при замене необходимо обеспечить их правильное положение. Неверная сборка приводит к нарушению работы и перегреву аккумулятора – это может даже привести к взрыву и возгоранию. Процесс ремонта аккумуляторной батареи:

• Батарею предварительно нужно разрядить. Она отключается от ноутбука, после чего нужно аккуратно разобрать клееный корпус с помощью острого инструмента.
• Необходимо замерить тестером напряжение на каждом элементе. Чаще всего приходится менять все элементы питания, а не только те, на которых наименьшее напряжение. Это необходимо для одинакового заряда с учетом меняющейся во время длительного использования емкости аккумуляторов.
• Элементы по очереди отсоединяются от системы и заменяются новыми, их устанавливают от «минуса» к «плюсу». Необходимо проверить правильность сборки, после чего крышка батареи закрывается.

Одним из важных этапов при восстановлении становится калибровка батареи. После включения ее нужно зарядить полностью, разрядить до нуля и зарядить снова. Эта работа позволяет устранить неполадки контроллера и обеспечить максимальную емкость установленных аккумуляторов.

Стоит ли проводить ремонт самостоятельно?

Хотя схема аккумулятора ноутбука HP и других востребованных марок кажется достаточно простой, самостоятельный ремонт может привести к неприятным последствиям. Любые ошибки при соединении элементов питания или сбои в работе контроллера способны привести к перезаряду, в результате которого установленные элементы питания могут просто взорваться.

Намного более надежное решение – покупка нового оригинального аккумулятора, который гарантированно проработает не один месяц. В нашем магазине вы найдете все необходимое для замены батареи питания на любом современном ноутбуке.

Как сделать схему

Вы когда-нибудь задумывались о разнице между батареями и электричеством от розеток или о том, как сделать электрическую цепь?

На этой странице вы узнаете об электронах и электрическом токе, батареях, схемах и многом другом!

Проекты схемотехники

Построить схему

Как сделать схему? Цепь — это путь, по которому течет электричество. Он начинается с источника питания, такого как батарея, и течет по проводу к лампочке или другому объекту и обратно к другой стороне источника питания.Вы можете построить свою собственную схему и посмотреть, как она работает с этим проектом!

Что вам понадобится:

* Чтобы использовать фольгу вместо проволоки, отрежьте 2 полоски длиной 6 дюймов и шириной 3 дюйма. Плотно согните каждую по длинному краю, чтобы получилась тонкая полоска.)
** Чтобы использовать скрепки вместо держателей батарей, прикрепите один конец скрепки для бумаг к каждому концу батареи, используя тонкие полоски ленты. Затем подсоедините провода к скрепкам.

Часть 1 — Создание схемы:

1. Подсоедините один конец каждого провода к винтам на основании патрона лампы.(Если вы используете фольгу, попросите взрослого помочь вам открутить каждый винт настолько, чтобы под ним поместилась полоска фольги.)
2. Подключите свободный конец одного провода к отрицательному («-») концу одной батареи. Что-нибудь случилось?
3. Присоедините свободный конец другого провода к положительному («+») концу батареи. Что теперь происходит?

Часть 2 — Дополнительная мощность

1. Отключите аккумулятор от цепи. Поставьте одну батарею так, чтобы конец со знаком «+» был направлен вверх, затем установите другую батарею рядом с ней так, чтобы плоский конец со знаком «-» был направлен вверх.Обмотайте середину батарей липкой лентой, чтобы удерживать их вместе.
2. Прикрепите скрепку к батареям так, чтобы она соединяла конец «+» одной батареи с концом «-» другой. Закрепите скрепку узкой лентой (не заклеивайте концы металлических батарей).
3. Переверните батарейки и приклейте один конец скрепки к каждой батарейке. Теперь вы можете подключить к каждой скрепке по одному проводу. (В нижней части аккумуляторного блока должна быть только одна канцелярская скрепка — не подключайте к ней провод.)
4. Подсоедините свободные концы проводов к лампочке.

(Примечание: вместо шагов 1-3 вы можете использовать две батареи в держателях батарей и соединить их вместе одним проводом.)

Что случилось:

В первой части вы узнали, как сделать схему с батареей, чтобы зажечь лампочку.

Электроэнергия подается от аккумуляторов. Когда они подключены должным образом, они могут «запитать» такие вещи, как фонарик, будильник, радио… даже робота!

Почему не загорелась лампочка, когда вы подключили ее к одному концу аккумулятора с помощью провода?

Электричество от батареи должно проходить через один конец (отрицательный или «-») и обратно через положительный («+») конец, чтобы работать.

То, что вы построили с батареей, проводом и лампочкой на шаге 3, называется разомкнутой цепью .

Для того, чтобы электричество пошло, нужна замкнутая цепь . Электричество вызывается крошечными частицами с отрицательным зарядом, называемыми электронами .

Когда цепь замкнута или замкнута, электроны могут течь от одного конца батареи по всем проводам к другому концу батареи.По пути он будет переносить электроны к подключенным к нему электрическим объектам — например, к лампочке — и заставлять их работать!

Во второй части вы добавили еще одну батарею. Это должно было заставить лампочку гореть ярче, потому что две батареи вместе могут обеспечить больше электричества, чем одна!

Скрепка в нижней части батарейного блока позволяла электричеству течь между батареями, делая поток электронов сильнее.

Вы видите, как работают замкнутые и разомкнутые цепи, чтобы позволить или остановить электричество?

Изолятор или проводник?

Материалы, через которые может проходить электричество, являются проводниками вызова.Материалы, препятствующие протеканию электричества, называются изоляторами.

Вы можете узнать, какие предметы в вашем доме являются проводниками, а какие — изоляторами, используя схему, которую вы создали в последнем проекте, чтобы проверить их!

Что вам понадобится:

• Цепь с лампочкой и 2 батареями
• Дополнительная проволока с зажимом типа «крокодил» (или проволока из алюминиевой фольги *)
• Объекты для испытаний (из металла, стекла, бумаги, дерева и пластика)
• Рабочий лист (необязательно)

Чем вы занимаетесь:

1. Отсоедините один из проводов от аккумуляторной батареи.Подключите один конец нового провода к батарее. У вас должно получиться два провода со свободными концами (между лампочкой и аккумулятором).
2. Произошел разрыв цепи, лампочка не должна загореться. Затем вы протестируете объекты, чтобы увидеть, являются ли они проводниками или изоляторами. Если объект является проводником, лампочка загорится. Это изолятор, он не горит. Для каждого объекта угадайте, думаете ли вы, что каждый объект замкнет цепь и загорится лампочка или нет.
3. Подсоедините концы свободных проводов к объекту и посмотрите, что произойдет. Вот некоторые предметы, которые вы можете проверить: скрепку, ножницы (попробуйте лезвия и ручки по отдельности), стакан, пластиковую посуду, деревянный кубик, вашу любимую игрушку или что-нибудь еще, о чем вы можете подумать.

Что случилось:

Перед тем, как тестировать каждый объект, угадайте, загорится он лампочкой или нет. Если это так, то объект, к которому вы прикасаетесь проводами, является проводником.

Лампочка загорается, потому что проводник замыкает цепь, и электричество может течь от батареи к лампочке и обратно к батарее! Если он не загорается, объект является изолятором и останавливает поток электричества, как это делает разомкнутая цепь.

Когда вы настраивали цепь на шаге 1, это была разомкнутая цепь. Электроны не могли двигаться по кругу, потому что два провода не соприкасались. Электроны были прерваны.

Когда вы помещаете металлический предмет между двумя проводами, металл замыкает или замыкает цепь — электроны могут течь через металлический объект и переходить от одного провода к другому! Объекты, замыкающие цепь, заставили лампочку загореться. Эти объекты — проводники. Они проводят электричество.

Большинство других материалов, таких как пластик, дерево и стекло, являются изоляторами. Изолятор в разомкнутой цепи не замыкает цепь, потому что электроны не могут проходить через него! Лампочка не загоралась, когда между проводами вставлялся изолятор.

Если вы используете провода или зажимы из крокодиловой кожи, внимательно посмотрите на них. Внутри они металлические, а снаружи пластик. Металл — хороший проводник. Пластик — хороший изолятор. Пластик, обернутый вокруг провода, помогает удерживать электроны, протекающие по металлической проволоке, блокируя их передачу на другой объект за пределами проводов.

Урок схемотехники

Что такое электричество?

Все вокруг вас состоит из крошечных частиц, называемых атомами.

Атомы содержат внутри еще более мелкие частицы, называемые электронами . Электроны всегда имеют отрицательный заряд.

Когда электроны движутся, они производят электричество!

Электричество — это движение или поток электронов от одного атома к другому. Не волнуйтесь, если это покажется сложным. Это!

Электроны называются субатомными частицами , что означает, что то, что они делают, происходит внутри атомов, так что это довольно сложная наука.

Вы помните, как узнали о магнитах? У них есть положительный и отрицательный заряды, а противоположные заряды (+ »и« — ») притягиваются друг к другу. То же самое и с электрическими зарядами. Отрицательно заряженные электроны пытаются сопоставить положительные заряды в других объектах.

Как электроны перемещаются от одного атома к другому?

Они плавают вокруг своих атомов до тех пор, пока не получат достаточно электроэнергии, чтобы их толкнуть.

Энергия, которая заставляет их двигаться, исходит от источника питания, такого как батарея или электрическая розетка.

Это работает примерно так же, как вода течет по шлангу, когда вы открываете кран.

Когда вы включаете выключатель или подключаете прибор, электроны проходят по проводам и выходят в виде электричества, которое мы иногда называем «мощностью».

Вы, наверное, знаете, что в некоторых электронных устройствах используются батарейки, а некоторые могут быть подключены к розетке.

В чем разница? Электричество, которое исходит из розеток в вашем доме, очень мощное — в нем много электронов, протекающих с большим количеством энергии.

Он называется переменным током , или переменным током. Электроны в переменном токе очень быстро перемещаются вперед и назад (со скоростью света) по проводам на сотни миль от больших электростанций к розеткам, встроенным в стены домов и зданий.

Поскольку переменный ток очень силен, он также может быть очень опасным. Никогда не прикасайтесь к линии электропередачи, не вставляйте пальцы или предметы, кроме электрических вилок, в розетки. Вы можете получить сильный удар, который может нанести вам вред из-за сильных токов, протекающих по проводам и розеткам.

Батареи вырабатывают гораздо менее мощную форму электричества, называемую постоянным током или DC. В постоянном токе электроны движутся только в одном направлении — от отрицательного (-) конца или вывода к положительному (+) выводу, через батарею и обратно обратно через «-» конец.

Ток, протекающий по проводам, подключенным к батареям, намного безопаснее переменного тока.

Он также очень полезен для питания небольших предметов, таких как сотовые телефоны, радио, часы, игрушки и многое другое.

Все о схемах

Цепь — это путь, по которому течет электричество. Если путь нарушен, это называется разомкнутой цепью, и электроны не могут двигаться полностью. Если цепь замкнута, это замкнутая цепь, и электроны могут течь от одного конца источника питания (например, батареи) через провод к другому концу источника питания. В цепи батареи положительный и отрицательный концы батареи должны быть соединены через цепь, чтобы обмениваться электронами с лампочкой или другим объектом, подключенным к цепи.

Переключатель — это то, что позволяет размыкать и замыкать цепь. Если вы включаете выключатель света в своем доме, вы замыкаете или замыкаете цепь. Внутри стены выключатель замыкает цепь, и электричество течет к свету. Когда вы выключаете свет, цепь отключается (теперь это разомкнутая цепь ), электроны перестают течь, и свет гаснет.

Отрицательно заряженные электроны, о которых мы говорили выше, не могут «прыгать», чтобы соответствовать положительным зарядам — ​​они могут перемещаться только от одного атома к другому.Вот почему цепи должны быть замкнутыми, чтобы работать.

Жизнь без электричества

Отключалось ли когда-нибудь электричество там, где вы живете?

Иногда сильный ветер и шторм могут повредить линии электропередач (высокие столбы, удерживающие толстые провода, по которым течет электричество), нарушая поток электричества.

Когда это происходит, электроны перестают течь и не могут добраться туда, куда бы они ни направлялись. Когда в ваш дом не подается электричество, ни свет, ни розетки не будут работать!

Если на улице темно, то и внутри будет темно.

Компьютеры, телефоны, микроволновые печи, радио и другие устройства, которые необходимо подключить для работы, перестанут работать.

Если вы раньше теряли силу, можете ли вы описать, на что это было похоже?

Вы делали что-нибудь, что было прервано?

Вам приходилось использовать свечи, чтобы видеть?

Если вы никогда раньше не сталкивались с перебоями в подаче электроэнергии, постарайтесь подумать обо всех делах, которые вы делаете каждый день, для чего требуется электричество.

Как бы изменился ваш день, если бы у вас не было электричества? Есть ли вещи, которые вы могли бы использовать вместо этого, работающие от батарей?

• Прочтите этот урок естествознания, чтобы узнать больше об энергии и различных видах электричества.

Научные слова

Электроны — крошечные частицы внутри атомов, которые всегда имеют отрицательный заряд. Именно они вызывают электричество.

Текущий — электроны текут, чтобы произвести электричество.

Обрыв цепи — прерванный путь, по которому электроны не могут течь.

Замкнутая цепь — непрерывный путь, по которому электроны могут течь от источника питания обратно к другому концу источника питания.

Батареи, схемы и трансформаторы — Управление энергетической информации США (EIA)

Батареи производят электроэнергию

Электрохимическая батарея вырабатывает электричество из двух разных металлов в химическом веществе, называемом электролитом . Один конец батареи прикреплен к одному из металлов, а другой конец — к другому металлу. Химическая реакция между металлами и электролитом освобождает больше электронов в одном металле, чем в другом.

Источник: адаптировано из Национального проекта развития энергетического образования (общественное достояние)

Металл, который высвобождает больше электронов, приобретает положительный заряд, а другой металл — отрицательный. Если электрический провод или провод соединяет один конец батареи с другим, электроны проходят через провод, чтобы сбалансировать электрический заряд.

Электрическая нагрузка — это устройство, которое использует электричество для выполнения работы или выполнения работы.Если электрическая нагрузка — например, лампа накаливания — размещена вдоль провода, электричество может работать, поскольку оно течет через провод и лампочку. Электроны текут от отрицательного конца батареи через провод и лампочку и обратно к положительному концу батареи.

Электроэнергия передается по цепям

Электричество должно пройти полный путь, или электрическая цепь , прежде чем электроны смогут двигаться. Выключатель или кнопка включения-выключения на всех электрических устройствах замыкает (включает) или размыкает (выключает) электрическую цепь в устройстве.Выключение или выключение света размыкает цепь, и электроны не могут проходить через свет. Включение света замыкает цепь, что позволяет электричеству течь от одного электрического провода через лампочку, а затем через другой провод.

Лампа накаливания излучает свет, когда электричество проходит через крошечный провод в лампочке, который становится очень горячим и светится. Лампа накаливания перегорает, когда крошечный провод внутри лампы обрывается, что приводит к размыканию цепи.

Источник: адаптировано из Национального проекта развития энергетического образования (общественное достояние)

Трансформаторы помогают эффективно перемещать электроэнергию на большие расстояния

Чтобы решить проблему отправки электричества на большие расстояния, Уильям Стэнли разработал устройство под названием трансформатор .Трансформатор изменяет электрическое напряжение в проводнике или линии электропередачи. Линии передачи высокого напряжения, например те, которые проходят между высокими металлическими башнями, переносят электричество на большие расстояния туда, где это необходимо. Электроэнергия более высокого напряжения более эффективна и менее дорога для передачи электроэнергии на большие расстояния. Электричество более низкого напряжения безопаснее для использования в домах и на предприятиях. Трансформаторы повышают (повышают) или снижают (понижают) напряжение по мере того, как электроэнергия перемещается от электростанций в дома и на предприятия.

Последнее обновление: 8 января 2020 г.

Как на самом деле работает электрическая цепь?

Напряжение батареи определяет содержащийся в ней электрический потенциал. Однако мы должны выпустить эту энергию через цепь, чтобы получить электричество, которое мы можем использовать. Эта цепь должна содержать материалы, способные проводить это электричество. Если электрическая цепь содержит изоляционный материал, это предотвратит возникновение процесса.

Как электрическая цепь позволяет электричеству течь

Электроэнергия перетекает от более высокого напряжения к более низкому напряжению. Вот почему положительный вывод всегда имеет немного большее напряжение, чем отрицательный. Если мы вставим устройство подходящего номинала в провод между ними, то электрическая энергия будет питать это устройство.

Производители аккумуляторов четко маркируют свои клеммы отрицательными или положительными. Потому что, если мы подключим батарею неправильно, электричество не будет течь, и устройство не будет работать.Следовательно, простейшая электрическая цепь состоит из батареи, проводящего провода между клеммами и устройства, рассчитанного соответственно, чтобы оно могло работать должным образом.

Нагрузки, разомкнутые цепи и короткие замыкания

Мы называем эти устройства нагрузками, потому что они представляют собой нагрузку, которая потребляет часть потока. Если номинальная нагрузка слишком высока, она может замедлить поток электронов и не работать должным образом, если вообще не будет работать.

И наоборот, если нагрузка слишком легкая, электричество будет проходить через нее быстрее, чем должно, и может повредить ее.Соединение клемм аккумулятора без промежуточных устройств создает электрическую цепь без нагрузки. Вот так литиевые батареи загораются при выходе из строя изоляции и коротком замыкании внутри.

Электричество всегда идет по пути наименьшего сопротивления. Электричество коротко замыкается в человеческих телах, когда это возможно, потому что они прекрасные проводники. Это происходит, когда ребенок проглатывает батарейку для пенни и не может разорвать электрическую цепь, вынув ее.

Связанные

Понимание воздействия тепла и нагрузки на аккумулятор

Потенциально смертельная опасность, связанная с батарейками-таблетками

Изображение для предварительного просмотра: Определение тока цепи с использованием законов Ома и Кирхгофа

Ссылка для обмена видео: https: // youtu.be / VnnpLaKsqGU

Модули защитных цепей

для пользовательских блоков литиевых батарей

Защита от перегрева — важнейший компонент каждой литиевой аккумуляторной батареи. Хотя это правда, что UL имеет очень конкретные правила, касающиеся безопасности литиевых аккумуляторных батарей, ничто не может заменить значительный опыт в развертывании электроники и других физических средств защиты для обеспечения безопасной работы вашего конечного продукта.

---

Первичные цепи безопасности

Первичные цепи безопасности управляют всеми основными функциями безопасности: перенапряжением, пониженным напряжением, перегрузкой по току, а иногда и повышением или понижением температуры.Кроме того, большинство производимых нами конструкций мирового класса также включают в себя вторичную цепь безопасности, которая предназначена для защиты элемента от заряда в случае выхода из строя первичной цепи безопасности.

Цепи защиты

Цепи защиты содержатся в так называемом модуле схемы защиты (PCM). Хотя есть много готовых модулей PCM, которые вы можете купить, для каждого отдельного приложения требуются уникальные параметры, поэтому не рекомендуется использовать эти готовые модули для чего-либо, кроме лабораторных прототипов.

PCM является частью системы управления батареями (BMS), которая управляет электроникой аккумуляторной батареи, отслеживая ее состояние, сообщая эти данные, балансируя элементы вместе с защитой батареи и контролируя ее окружающую среду.

Схемы защиты аккумуляторных батарей для наиболее требовательных приложений работают в основном с помощью интегральных схем (ИС), обычно использующих полевые МОП-транзисторы для включения и выключения литиевых элементов. Защита от перегрузки по току обычно обеспечивается, когда ИС определяет верхний предел тока батареи и затем прерывает цепь.

Отказоустойчивые среды

Многие из этих защит могут быть сброшены, но в отказоустойчивых средах они могут быть спроектированы таким образом, что это не так. Двумя ключевыми производителями этих микросхем являются Texas Instruments (TI) и Sieko, обе микросхемы требуют системного программирования, основанного на функциональности конкретных аккумуляторных блоков. Вот почему так важно работать с опытной компанией, у которой есть история этих проектов, которая будет включать библиотеку программного обеспечения и микропрограмм, которые можно перенести в любое приложение.

Важность модулей схемы защиты

Поскольку многие из крупнейших производителей аккумуляторных элементов уходят от небольших приложений, чтобы сосредоточиться на рынке электромобилей, многие новые и небольшие компании теперь предоставляют элементы для критически важных приложений. Вот почему PCM, использующие первичный и вторичный механизмы безопасности, имеют первостепенное значение для любой компании, которая хочет сделать свое устройство портативным и безопасным в использовании.

цепей: один путь к электричеству — Урок

Быстрый просмотр

Уровень оценки: 4 (3-5)

Требуемое время: 45 минут

Зависимость урока: Нет

Тематические области: Физические науки

Ожидаемые характеристики NGSS:

---

Резюме

Учащиеся начинают понимать явление электричества, изучая электрические схемы.Учащиеся используют основную дисциплинарную идею использования доказательств для построения объяснения, поскольку они узнают, что движение заряда по цепи зависит от сопротивления и расположения компонентов схемы. Студенты также изучают основные дисциплинарные идеи и сквозные концепции энергии и передачи энергии в контексте энергии от батареи. В одном из связанных практических занятий студенты создают и исследуют характеристики последовательных цепей. В другом задании студенты конструируют и собирают фонарики. Эта инженерная программа соответствует научным стандартам нового поколения (NGSS).

Инженерное соединение

Принципиальная схема — это язык электрического проектирования и инженерии. Эти диаграммы представляют собой карты, которые каждый может прочитать, чтобы увидеть, как построить схему. Когда инженеры проектируют или строят любую электрическую схему, они либо создают новую принципиальную схему, либо используют существующую. Интерпретация принципиальных схем — важный навык для инженеров-электриков и многих других инженеров.После постройки эти электрические цепи используются для освещения наших домов, питания компьютеров, запуска автомобилей и почти всех современных устройств, использующих электричество.

Цели обучения

После этого урока учащиеся должны уметь:

• Опишите, как изменяется ток в последовательной цепи, когда лампочка или аккумулятор добавляются или удаляются из цепи
• Понимать, что химическая энергия в батарее преобразуется в электрическую энергию в цепи, которая преобразуется в тепловую энергию и свет в лампочке.Кроме того, звуковая энергия может вырабатываться из электричества посредством движущегося диффузора динамика. В этом примере электричество преобразуется в механическое движение (для перемещения динамика), которое затем производит звуковую энергию в виде движущихся воздушных волн.
• Опишите связи между представлениями символов схем.
• Найдите напряжение последовательно соединенных батарей, суммируя напряжения отдельных батарей.

Образовательные стандарты

Каждый урок или задание TeachEngineering соотносится с одним или несколькими научными дисциплинами K-12, образовательные стандарты в области технологий, инженерии или математики (STEM).

Все 100000+ стандартов K-12 STEM, охватываемых TeachEngineering , собираются, обслуживаются и упаковываются сетью стандартов достижений (ASN) , проект D2L (www.achievementstandards.org).

В ASN стандарты иерархически структурированы: сначала по источникам; например , по штатам; внутри источника по типу; например , естественные науки или математика; внутри типа по подтипу, затем по классу, и т. д. .

NGSS: научные стандарты нового поколения — наука

Ожидаемые характеристики NGSS
4-ПС3-2. Проведите наблюдения, чтобы доказать, что энергия может передаваться с места на место с помощью звука, света, тепла и электрического тока.(4 класс) Вы согласны с таким раскладом? Спасибо за ваш отзыв!
Нажмите, чтобы просмотреть другие учебные программы, соответствующие этим ожиданиям от результатов.
Этот урок посвящен следующим аспектам трехмерного обучения NGSS:
Наука и инженерная практика	Основные дисциплинарные идеи	Сквозные концепции
Доказательства использования (например,g., измерения, наблюдения, закономерности) для построения объяснения. Соглашение о выравнивании: Спасибо за ваш отзыв!	Энергия может передаваться с места на место с помощью движущихся объектов, звука, света или электрического тока. Соглашение о выравнивании: Спасибо за ваш отзыв! Свет также передает энергию с места на место. Соглашение о выравнивании: Спасибо за ваш отзыв! Энергия также может передаваться с места на место с помощью электрического тока, который затем может использоваться локально для создания движения, звука, тепла или света.Токи, возможно, возникли с самого начала путем преобразования энергии движения в электрическую. Соглашение о выравнивании: Спасибо за ваш отзыв!	Энергия может передаваться различными способами и между объектами. Соглашение о выравнивании: Спасибо за ваш отзыв!

Международная ассоциация преподавателей технологий и инженерии — Технология

ГОСТ

Колорадо — наука

• Покажите, что электричество в цепях требует замкнутого контура, по которому может проходить ток. (Оценка 4) Подробнее

  Посмотреть согласованную учебную программу

  Вы согласны с таким раскладом? Спасибо за ваш отзыв!

• Опишите преобразование энергии, происходящее в электрических цепях, в которых возникают световые, тепловые, звуковые и магнитные эффекты. (Оценка 4) Подробнее

  Посмотреть согласованную учебную программу

  Вы согласны с таким раскладом? Спасибо за ваш отзыв!

Предложите выравнивание, не указанное выше

Какое альтернативное выравнивание вы предлагаете для этого контента?

Больше подобной программы

Цепи

Студенты знакомятся с несколькими ключевыми понятиями электронных схем.Они узнают о некоторых физических принципах схем, ключевых компонентах схемы и их распространении в наших домах и повседневной жизни.

Параллельная схема и закон Ома: много путей для электричества

Студенты изучают состав и практическое применение параллельной схемы по сравнению с последовательной схемой.Студенты проектируют и строят параллельные схемы, исследуют их характеристики и применяют закон Ома.

Электроны в движении

Студенты узнают о текущем электричестве и необходимых условиях для существования электрического тока. Учащиеся конструируют простую электрическую схему и гальванический элемент, чтобы помочь им понять напряжение, ток и сопротивление.

Сила еды

Студенты воображают, что они застряли на острове и должны создать как можно более яркий свет с помощью скудных принадлежностей, которые у них есть под рукой, чтобы привлечь внимание спасательного самолета. В небольших группах ученики создают схемы, используя предметы из своих «наборов для выживания», чтобы создать максимальное напряжение, измеряемое…

Предварительные знания

Батарея, простая схема, ток электричества, сопротивление, напряжение, ток

Введение / Мотивация

Рисунок 1. Схема простой схемы. Авторское право

Copyright © 2012 Карли Самсон, Университет Колорадо в Боулдере

Спросите студентов, были ли у них когда-нибудь электронная игра или игрушка, для которых требуются батарейки? (Многие ответят утвердительно.) Спросите сколько батареек нужно для игры или игрушки? (Возможные ответы: одна, две, три или четыре батарейки.) Попросите учащихся подумать, почему для некоторых электронных игр или игрушек требуется больше батарей, чем для других игр или игрушек? (Возможные ответы: некоторым игрушкам нужно больше энергии, некоторым играм нужно больше электричества.) Три батареи AA, соединенные последовательно, могут обеспечить большее напряжение, чем одна батарея AA. Это связано с тем, что химическая энергия в батарее преобразуется в электрическую в цепи, и в цепи с тремя батареями AA «последовательно» доступно больше химической энергии, чем в цепи только с одной батареей AA.Электрические цепи, а также батареи могут быть «последовательно» или «параллельно». В ходе сегодняшнего урока мы узнаем, что означает «последовательно» и «параллельно».

Откуда инженеры-электрики знают, сколько батарей необходимо для работы электронной игры или игрушки? Один из способов определить необходимое напряжение и ток — это создать карту цепи. Инженеры-электрики могут использовать карту или принципиальную схему , чтобы определить, сколько энергии требуется устройству для работы.

Спросите студентов, почему в некоторых устройствах используются батареи, а в других — розетка? (Ответ: Батареи вырабатывают ток другого типа, чем стенная розетка.) Ток, который исходит от батареи, называется постоянный ток (DC). Ток, который исходит от розетки в наших домах или школах, называется переменным током (AC). Объясните учащимся, что многие телевизоры, компьютеры, DVD-плееры и стереосистемы имеют внутри устройства оборудование (оборудование), которое преобразует переменный ток (AC) в постоянный (DC) для работы устройства.

Предпосылки и концепции урока для учителей

Что такое принципиальные схемы?

Принципиальные схемы представляют собой графические изображения цепей или электрических устройств.Каждому компоненту схемы соответствует соответствующий стандартный символ (см. Рисунок 2). При отрисовке эти символы соединяются вместе, чтобы показать построение цепи; получившаяся диаграмма представляет собой карту, которую каждый может прочитать, чтобы увидеть, как построить схему. Фактически, принципиальная схема — это язык электрического проектирования и инженерии. Когда инженеры проектируют или строят любую электрическую схему, они либо создают, либо используют существующую принципиальную схему. Интерпретация принципиальных схем — важный навык для инженеров-электриков и многих других инженеров.

Рис. 2. Выбор графических символов принципиальной схемы. Авторское право

Авторское право © Дарья Котис-Шварц, Лаборатория ITL, Университет Колорадо в Боулдере, 2004 г.

Провода с очень низким сопротивлением представлены прямыми или угловыми линиями, соединяющими электрические компоненты. Резистор — это устройство, используемое для регулирования силы тока в цепи. Существует множество различных резисторов с сопротивлением от нескольких Ом до миллионов Ом.Резистор обозначен зигзагообразной линией. Есть разные способы изобразить лампочку в цепи. В этом устройстве символ, используемый для лампочки, представляет собой круг с «x», как показано на рисунке 2. Ячейка, или электрохимическая ячейка, представлена ​​двумя линиями разной длины, расположенными перпендикулярно проводной линии, чтобы показать, что между положительной и отрицательной клеммами есть напряжение; более короткая линия — отрицательная клемма аккумулятора. Батарея состоит из нескольких ячеек.Обратите внимание, что символ батареи выглядит как две ячейки подряд или последовательно. Символ переключателя показывает, что электрическое соединение может быть разомкнутым и замкнутым на контакте.

Чтобы нарисовать принципиальную схему существующей последовательной цепи, нарисуйте макет схемы и соответствующий символ по мере того, как вы встречаетесь с каждым элементом схемы. Хотя провода в цепи обычно изогнуты, нарисуйте провода на принципиальной схеме в виде прямых или угловых, изогнутых линий.

Как электрические элементы соединяются в цепи?

В схемах можно использовать множество компонентов: батареи, лампочки, провода и переключатели.Части схемы могут быть соединены двумя разными способами. Когда они соединены так, что между ними есть один проводящий путь, говорят, что они соединены последовательно. Схема слева на Рисунке 3 показывает два последовательно включенных резистора. Когда элементы схемы соединены через общие точки, так что через цепь проходит более одного проводящего пути, они подключаются параллельно . Схема справа на рисунке 3 показывает два резистора, включенных параллельно.Обратитесь к упражнению «Лампочки и батарейки в ряд», чтобы научить студентов строить свои собственные схемы из нескольких компонентов. Типичное электрическое устройство состоит из множества более мелких последовательных и параллельных частей. В общем, только очень простые цепи могут быть полностью последовательными. Рисунок 3. Два резистора, включенных последовательно (слева) и два резистора, включенных параллельно (справа). Авторское право

Авторские права © 2012 Карли Самсон, Университет Колорадо в Боулдере

Закон Ома и последовательные цепи

Закон Ома — это фундаментальное математическое уравнение, описывающее взаимосвязь между напряжением, током и сопротивлением.Фактически, закон Ома определяет сопротивление: R = V / I, где R = сопротивление элемента схемы, V = общее напряжение, подаваемое в схему источником питания (например, аккумулятором), а I = ток через схема. Уравнение можно изменить (V = I * R), чтобы спрогнозировать падение напряжения на элементе схемы с известным сопротивлением и известным током, проходящим через него. Напряжение, подаваемое в цепь, V, и полное падение напряжения во всей цепи V _T должны быть равными и противоположными.Это означает, что V + V _T = 0. Общее падение напряжения в цепи равно: I * R _T = V _T , где R _T — полное сопротивление в цепи. Мы рассмотрим, как найти полное сопротивление R _T , в этом уроке для последовательных цепей, а также в следующем уроке и упражнениях этого модуля для цепей с параллельными элементами.

Последовательная цепь и ее схема согласования показаны на рисунке 4. Поскольку существует только один путь для движения заряда по цепи, ток во всей цепи одинаков.Когда электроны движутся по цепи, их потоку препятствует каждая лампочка, так что полное сопротивление движению заряда является суммой всех сопротивлений на пути. Из закона Ома (записанного в виде I = V / R) мы знаем, что полный ток равен напряжению, деленному на общее сопротивление. На каждой лампочке есть падение напряжения. Сумма падений напряжения равна напряжению источника питания, которым в данном случае является аккумулятор. Поскольку ток одинаков во всей последовательной цепи, падение напряжения на каждой лампочке прямо пропорционально сопротивлению этой лампочки (путем перестановки уравнения закона Ома V = I * R).

Рис. 4. Последовательная схема (слева) и соответствующая принципиальная схема (справа). Авторское право

Авторские права © Джо Фридрихсен, Программа и лаборатория ITL, Университет Колорадо в Боулдере, 2003.

Когда батареи соединены последовательно, общее напряжение является суммой напряжений каждой батареи. Итак, если мы сделаем схему с тремя последовательно включенными батареями 1,5 В в качестве источника напряжения, общее напряжение составит 4,5 В, как показано на рисунке 5. Вот как производители батарей делают батареи с более высоким напряжением; они просто соединяют несколько батарей (с одинаковым потенциалом) последовательно.

Рис. 5. Когда батареи соединены последовательно, общее напряжение является суммой напряжений каждой батареи. Авторское право

Авторские права © 2012 Карли Самсон, Университет Колорадо в Боулдере

В чем разница между постоянным и переменным током?

Постоянный ток или постоянный ток означает движение заряда в цепи только в одном направлении. Батареи, фотоэлементы и некоторые генераторы обеспечивают постоянный ток. Например, в фонарике с батарейным питанием электроны покидают отрицательную клемму батареи и перемещаются по цепи фонарика к положительной клемме.Попросите учащихся создать свой собственный фонарик с помощью действия «Осветите свой путь: проектирование-создание серийного фонаря». Многие повседневные портативные устройства работают на постоянном токе. Предложите учащимся применить свои знания о таких устройствах для проектирования и сборки своих собственных игрушек в упражнении «Построить мастерскую игрушек».

В переменном или переменном токе электроны движутся вперед и назад по цепи. Из-за этого электроны перемещаются только на небольшое расстояние вокруг относительно фиксированного положения в цепи.Хотя генераторы переменного и постоянного тока похожи, переменный ток оказался более эффективным способом передачи электроэнергии. Каждый раз, когда вы подключаете электрическое устройство к розетке, вы используете переменный ток. Направление тока меняется, потому что направление напряжения на электростанции меняется. В США мы используем ток, который меняет направление 60 раз в секунду, называемый током 60 Гц.

Сопутствующие мероприятия

Закрытие урока

На классной доске нарисуйте пример последовательной схемы, которая включает в себя несколько компонентов (например, см. Рисунок 4).Качественно сравните ток и напряжение в разных частях схемы. Попросите учащихся сравнить ток в трех последовательно соединенных лампочках с увеличивающимся сопротивлением. (Ответ: ток везде одинаковый во всей последовательной цепи.) Затем сравните напряжение на каждой из этих трех лампочек. (Ответ: напряжение падает, когда оно встречается с сопротивлением лампочки, поэтому первая лампочка будет иметь наибольшее напряжение, а каждая последующая лампочка будет испытывать меньшее напряжение.) Что происходит с общим напряжением при последовательном подключении аккумуляторов? (Ответ: общее напряжение — это сумма напряжений каждой батареи.)

Рисунок 4. Последовательная принципиальная схема, показывающая провод, три лампочки, батарею и выключатель. Авторское право

Авторские права © Джо Фридрихсен, Программа и лаборатория ITL, Университет Колорадо в Боулдере, 2003.

Словарь / Определения

переменный ток: электрический ток, который через определенные промежутки времени меняет направление на обратное.Сокращенно AC.

принципиальная схема: графическое представление схемы с использованием стандартных символов для представления каждого компонента схемы.

постоянный ток: электрический ток только в одном направлении. Сокращенно DC.

передача энергии: движение энергии в системе. Может включать преобразование одного вида энергии в другой (с некоторыми потерями). Соответствующие примеры включают электричество для движения (вентилятор), электричество для света и тепла (лампочки) и электричество для звука и движения (звуковая система).

нагрузка: устройство или сопротивление устройства, на которое подается электричество.

параллельная цепь: электрическая цепь, обеспечивающая более одного проводящего пути.

резистор: устройство, используемое для управления током в электрической цепи путем обеспечения сопротивления.

последовательная цепь: электрическая цепь, обеспечивающая единственный проводящий путь, так что ток проходит через каждый элемент по очереди без разветвлений.

Оценка

Оценка перед уроком

Вопрос для обсуждения: Запрашивайте, объединяйте и обобщайте ответы студентов:

• Почему в некоторых устройствах используются батареи, а в других — розетка? (Ответ: Батареи вырабатывают ток [постоянный ток], отличный от стенной розетки [переменного тока])

Оценка после введения

Голосование: Задайте вопрос «правда / ложь» и попросите учащихся проголосовать, подняв палец вверх за истину и вниз за ложь.Подсчитайте голоса и запишите итоги на доске. Дайте правильный ответ.

• Верно или неверно: три батареи AA, соединенные последовательно, обеспечивают большее напряжение, чем одна батарея AA. (Ответ: Верно.)
• Верно или неверно: Батареи могут быть включены «последовательно» или «параллельно». (Ответ: Верно.)
• Верно или неверно: инженеры-электрики используют принципиальную схему, чтобы определить, сколько энергии необходимо устройству для работы. (Ответ: Верно.)
• Верно или неверно: батареи вырабатывают ток того же типа, что и настенная розетка.(Ответ: Неверно. Батареи вырабатывают ток [постоянный] другого типа, чем стенная розетка [переменный ток].)
• Верно или неверно: ток, который исходит от батареи, называется переменным током. (Ответ: Неверно. Ток, который выходит из розетки в наших домах или школах, называется переменным током [AC]. Батареи имеют постоянный ток [DC].)
• Верно или неверно: (Звуковая энергия может быть получена от электричества или удара по вашему столу? Ответ: Верно, электрические источники, такие как батареи, могут питать небольшие динамики, и ваша рука может создавать звуковые волны, ударяясь о твердую поверхность стола.)

Итоги урока Оценка

Быстрый опрос: Дайте студентам лист бумаги и попросите их записать ответы на следующие три вопроса.

• Что вам больше всего понравилось в уроке?
• Что можно было сделать лучше?
• Что вы узнали, чего не знали раньше?

Пронумерованные главы: Попросите учеников каждой команды выбрать числа (или числа), чтобы у каждого члена был свой номер.Задайте учащимся вопросы, указанные ниже (при желании, дайте им временные рамки для решения). Члены каждой команды должны работать вместе над вопросом. Все в команде должны знать ответ. Позвоните по номеру наугад. Студенты с этим номером должны поднять руки, чтобы ответить на вопрос. Если не все ученики с этим номером поднимают руки, дайте командам поработать еще немного. Спросите у студентов:

• Если вы удалите одну лампочку из последовательной цепи с тремя лампочками, цепь станет (n) _________ цепью.Открытый или закрытый? (Ответ: Открыто.)
• Что произойдет с другими лампочками в последовательной цепи, если одна лампочка перегорит? (Ответ: Все гаснут.)
• Когда в последовательную цепь добавляются другие лампы, каждая лампа становится _____________. Ярче или тусклее? (Ответ: Диммер.)
• При последовательном соединении аккумуляторов напряжение на них ____________. Увеличивается, уменьшается или остается неизменным? (Ответ: Увеличивается.)
• Нарисуйте принципиальную схему последовательной цепи с двумя батареями и тремя лампочками.(Ответ: он должен выглядеть, как на Рисунке 4, с переключателем, замененным на вторую батарею.)

Рисунок Рисунок Гонки: Напишите символы схемы на доске. Разделите класс на команды по четыре человека так, чтобы у каждого члена команды был другой номер, от одного до четырех. Позвоните по номеру и попросите учеников подбежать к доске, чтобы нарисовать правильную принципиальную схему. Дайте очко команде, чей товарищ по команде первым закончит розыгрыш правильно. Попросите учащихся нарисовать принципиальные схемы следующего:

• Последовательная цепь с одной батареей и двумя лампочками
• Последовательная цепь с двумя батареями, одной лампочкой и одним выключателем
• Последовательная цепь с одной батареей, одной лампочкой и одним резистором
• Последовательная цепь с тремя батареями, двумя лампочками и двумя резисторами
• Последовательная цепь с одной батареей, двумя резисторами, двумя лампочками и одним переключателем
• Последовательная цепь с тремя батареями, четырьмя лампочками и одним выключателем
• Последовательная цепь с одной батареей, тремя чередующимися лампочками и резисторами и одним переключателем

Домашнее задание / Независимая практика:

• Попросите учащихся подсчитать количество трансформаторов в их домах.Дополнительную информацию о трансформаторах см. В разделе «Упражнения для продолжения урока».

Мероприятия по продлению урока

Изучите историю развития фонарика. В Музее фонарей есть много фотографий старинных фонариков и портативных осветительных приборов по адресу: http://www.flashlightmuseum.com/.

Узнайте о трансформаторах: трансформатор — это электрическое устройство, используемое для преобразования мощности переменного тока с определенным уровнем напряжения в мощность переменного тока с другим напряжением, но с той же частотой.Значительное количество энергии теряется при передаче энергии по распределительной сети. Дополнительная энергия потребляется трансформаторами на подстанциях. Для многих бытовых электронных устройств требуются трансформаторы, которые всегда включены и потребляют электроэнергию, даже если никто не использует электрическое устройство.

• Попросите учащихся подсчитать количество трансформаторов, имеющихся у них дома . Трансформаторы могут быть прикреплены к компьютерам, принтерам, сканерам, динамикам, автоответчикам, беспроводным телефонам, зарядным устройствам для мобильных телефонов, электрическим отверткам, электродрелям, радионяням, модемам и видеокамерам.Трансформеры не всегда легко распознать; Очевидно, трансформаторы выглядят как коробки большего размера (обычно того же цвета, что и шнур), прикрепленные к концу шнуров в том месте, где вы подключаете устройство к электрической розетке.
• Если вы дотронетесь до трансформатора, и он теплый, вы почувствуете, что электрическая энергия (потраченная впустую) превращается в тепловую. Попросите учеников подсчитать количество энергии, ежегодно теряемой трансформаторами в их доме. . Потребляемая мощность невелика — порядка от 1 до 5 Вт на трансформатор, но в сумме все равно.Допустим, у вас есть пять трансформаторов, каждый из которых потребляет 5 Вт. Это означает, что 25 Вт постоянно тратятся впустую. Если в вашем районе киловатт-час стоит 10 центов, это означает, что вы тратите 10 центов на каждые 1000 ватт-часов / 25 Вт = 40 часов. В году 8760 часов, поэтому 8760 часов / 40 часов = 21,90 доллара в год.
• Попросите учащихся подсчитать общее количество энергии, теряемой трансформаторами по всей стране . В Америке 100 миллионов семей. Если каждое домохозяйство тратит на эти трансформаторы 25 Вт, это 2.5 миллиардов ватт. По цене 10 центов за киловатт-час, это 2 500 000 000 ватт / 1000 ватт или 250 000 долларов в час. Это 2 190 000 000 долларов (2 миллиарда долларов), потраченных впустую каждый год.

Рекомендации

Берг, Эрик. Старший специалист по машиностроению, Колорадская горная школа, «Как работает трансформатор?» http://www.physlink.com/ Проверено 28 апреля 2004 г.

Хьюитт, Пол Г. Концептуальная физика . 8-е издание. Нью-Йорк, штат Нью-Йорк: Addison Publishing Co., 1998. Ралофф, Джанет. «Мы должны вытащить вилку?» Новости науки. 25 октября 1997 г.

Ропейк, Дэвид. MSNBC — Как сеть поддерживает континент . 23 января 2001 г. MSNBC News. http://www.msnbc.msn.com/id/3077316/ns/technology_and_science-science/t/how-grid-powers-continent/#.T4M6w_WfzTo, по состоянию на 7 апреля 2004 г.

Шнайдер, Стюарт. Музей фонарей . Wordcraft.net. По состоянию на 7 апреля 2004 г.

Зильберман, Стив. Wired News: подготовка к электросети . 14 июня 2001 г. Журнал Wired. www.wired.com По состоянию на 7 апреля 2004 г.

Авторские права

© 2004 Регенты Университета Колорадо

Авторы

Ксочитл Замора Томпсон; Сабер Дурен; Джо Фридрихсен; Дарья Котыс-Шварц; Малинда Шефер Зарске; Дениз В. Карлсон; Карли Самсон

Программа поддержки

Комплексная программа преподавания и обучения, Инженерный колледж, Университет Колорадо в Боулдере

Благодарности

Содержание этой учебной программы по электронной библиотеке было разработано за счет грантов Фонда улучшения послесреднего образования (FIPSE), U.S. Департамент образования и Национальный научный фонд (грант ГК-12 № 0338326). Однако это содержание не обязательно отражает политику Министерства образования или Национального научного фонда, и вам не следует предполагать, что оно одобрено федеральным правительством.

Последнее изменение: 1 мая 2021 г.

Понимание вашей схемы

Теперь, когда вы построили схему, пришло время изучить, как она работает.

Как правило, схема состоит из источника питания, такого как батарея, который подключен через проводящий материал — материал, через который легко проходит электричество — с другой электроникой, такой как фонари, двигатели, переключатели или датчики. В построенной вами схеме вы использовали батарейку типа «таблетка», светодиодную лампу и мягкую проводящую нить для соединения.

ТОК, НАПРЯЖЕНИЕ И ЭНЕРГИЯ

Светодиод в вашей цепи включается, когда через нее проходит электричество.Этот поток называется электрическим током . Электрический ток измеряется в амперах. В вашей цепи ток течет со стороны (+) батареи через проводящую нить, затем через светодиод, затем по проводящей нити и, наконец, обратно к стороне (-) батареи.

Все батареи имеют два важных номинала. У них есть номинальное напряжение и номинальная мощность в ампер-часах. Номинальное напряжение говорит вам, сколько вольт может подавать ваша батарея, а рейтинг в ампер-часах говорит вам, какой ток она может обеспечивать в течение какого времени.Вместе эти два рейтинга говорят вам, сколько энергии хранится в батарее.

Батарея типа «таблетка», которую вы используете в этом проекте, представляет собой 3-вольтовую батарею с номинальной мощностью 0,25 ампер-часа. Это значение
означает, что батарея может подавать ток 0,25 А при напряжении 3 В в течение 1 часа, прежде чем она разрядится. Созданная вами схема потребляет около 0,025 ампер тока во включенном состоянии (1/10 от 0,25 ампера). Это означает, что вашей батареи должно хватить примерно на 10 часов. Если вы использовали батарею большего размера с более высоким номиналом ампер-часов — например, аккумулятор камеры с расширением.Номинальная мощность 75 ампер-часов — дольше прослужит. Вот таблица, показывающая их сравнение:

Если вы умножите номинальную мощность в ампер-часах на номинальное напряжение, вы получите меру общего количества энергии, хранящейся в батарее. Энергия измеряется в ватт-часах. Батарейка типа «таблетка» накапливает 0,75 ватт-часа энергии (3 вольта * 0,25 ампер-часа), а батарея камеры — 2,25 ватт-часа энергии. Для сравнения: типичный автомобильный аккумулятор имеет номинал 50-100 ампер-часов и напряжение 12 вольт.Он может хранить 1200 ватт-часов энергии — в 1600 раз больше, чем ваша монетная ячейка!

РЕЙТИНГИ ЭНЕРГОПОТРЕБЛЕНИЯ ДЛЯ РАЗНЫХ АККУМУЛЯТОРОВ

Номинальное напряжение батареи показывает разницу в напряжении на ее (+) и (-) сторонах. Сторона (-) любой батареи всегда находится под напряжением 0 вольт. Когда аккумулятор полностью заряжен, на стороне (+) должно быть номинальное напряжение. Таким образом, сторона (+) заряженной батарейки типа «таблетка» должна быть на 3 В, сторона (+) автомобильного аккумулятора должна быть на 12 В, а сторона (+) батареи AA должна быть на 1.5 вольт.

НАПРЯЖЕНИЕ: СИМВОЛЫ, ЗНАЧЕНИЯ И НАЗВАНИЯ ДЛЯ АККУМУЛЯТОРА 3 В

На языке электроники сторона (+) батареи называется power или HIGH . Сторона (-) называется земля или LOW . Красный цвет используется для обозначения мощности, а черный — для обозначения заземления на электрических схемах.

КОРОТКОЕ ЗАМЫКАНИЕ

Что произойдет, если вы подключите (+) и (-) стороны аккумулятора напрямую? То есть, что, если вы пришили токопроводящую нить прямо через выступы светодиодов (+) и (-).

Представьте, что вы соединяете вместе (+) и (-) стороны автомобильного аккумулятора. Или, что еще хуже, подключите два разъема к розетке на стене. Когда стороны (+) и (-) источника питания, такого как батарея или электрическая розетка, напрямую соединены друг с другом с помощью проводящего материала, такого как соединительный кабель, шпилька или кусок проводящей нити, это называется короткое замыкание или просто короткое замыкание . Когда происходит короткое замыкание, источник питания схемы выделяет огромный всплеск энергии.Когда это происходит, большая часть энергии, хранящейся в батарее, сразу высвобождается. Если вы «закоротите» батарейку типа «таблетка»,
полностью разрядит 0,75 ватт-часа в мгновение ока.

Этот взрыв может быть очень опасным и разрушительным. Это может разрушить вашу батарею, так как она очень быстро истощает всю энергию батареи и может привести к поражению электрическим током или ожогу, если источник питания достаточно мощный (например, автомобильный аккумулятор или розетка).
К счастью, батарейки, которые вы используете для проектов, описанных в этой книге, не сотрясут и не сожгут вас, даже если вы создадите короткое замыкание.Но если вы его создадите, напрямую соединив стороны (+) и (-) батареи, ваш проект не будет работать, и вы быстро испортите батарею.

Короткие замыкания в коммутационных цепях легко создать. Ослабленная нить, распустившийся узел, неряшливая строчка или сложенный кусок ткани могут привести к соприкосновению (+) и (-) батареи.

При разработке, шитье и устранении неполадок в проектах важно продумывать и проверять наличие коротких замыканий. Ниже приведены примеры проблем, которые могут вызвать короткое замыкание.Слева направо: свободная нить касается печатной платы, две дорожки пересекаются, длинные хвосты узлов соприкасаются.

ВЫКЛЮЧАТЕЛИ

Электрический ток протекает через цепь только тогда, когда есть полный путь, ведущий от (+) на батарее через цепь и обратно к (-) на батарее; от мощности к земле. Если на этом пути есть обрыв, электричество перестает двигаться. Если вы заделаете разрыв пути проводящим материалом, электричество снова сможет течь.

Так работают переключатели. Переключатель размыкает цепь, а затем замыкает ее. Когда вы щелкаете выключателем на стене, это то, что он делает. То же самое происходит, когда вы нажимаете переключатель на держателе батареи.

<< ПРЕДЫДУЩИЙ СЛЕДУЮЩИЙ >>

Электрические цепи

Эта основная идея исследована через:

Противопоставление взглядов студентов и ученых

Ежедневный опыт студентов

Студенты имеют большой опыт использования бытовой техники, в работе которой используются электрические цепи (фонарики, мобильные телефоны, плееры iPod).Скорее всего, у них появилось ощущение, что вам нужно включить аккумулятор или выключатель питания, чтобы все «работало», и что батареи могут «разрядиться». Они склонны думать об электрических цепях как о том, что они называют «током», «энергией», «электричеством» или «напряжением», причем все эти названия они часто используют как синонимы. Это неудивительно, учитывая, что все эти ярлыки часто используются в повседневном языке с неясным значением. Какой бы ярлык ни использовали учащиеся, они, вероятно, увидят в электрических цепях «поток» и что-то «хранимое», «израсходованное» или и то, и другое.Некоторые повседневные выражения, например о «зарядке батарей», также могут быть источником концептуальной путаницы для учащихся.

В частности, ученики часто считают, что ток равен напряжению, и думают, что ток может храниться в батарее, и этот ток может быть использован или преобразован в форму энергии, такую ​​как свет или тепло.

Есть четыре модели, которые обычно используются учениками для объяснения поведения простой схемы, содержащей батарею и лампочку. Они были описаны исследователями как:

В частности, студенты часто видят, что ток равен напряжению, и думают, что ток может храниться в батарее, и этот ток может быть использован или преобразован в форму энергии, например свет. или тепло.

Есть четыре модели, которые обычно используются учениками для объяснения поведения простой схемы, содержащей батарею и лампочку. Исследователи описали их как:

Четыре модели простых схем
«униполярная модель» — точка зрения, согласно которой на самом деле нужен только один провод между батареей и лампочкой, чтобы в цепи был ток.
«модель сталкивающихся токов» — вид, согласно которому ток «течет» от обоих выводов батареи и «сталкивается» в лампочке.
«модель потребляемого тока» — представление о том, что ток «расходуется» по мере «обхода» цепи, поэтому ток, «текущий к» лампочке, больше, чем ток, «утекающий» от нее обратно к лампочке. аккумулятор.
«научная модель» — точка зрения, что ток одинаков в обоих проводах.

Ежедневный опыт учеников с электрическими цепями часто приводит к путанице в мышлении. Учащиеся, которые знают, что вы можете получить удар электрическим током, если дотронетесь до клемм пустой розетки домашнего освещения, если выключатель включен, поэтому иногда считают, что в розетке есть ток, независимо от того, касаются ли они ее или нет. (Точно так же они могут полагать, что есть ток в любых проводах, подключенных к батарее или розетке, независимо от того, замкнут ли переключатель.)

Некоторые студенты думают, что пластиковая изоляция проводов, используемых в электрических цепях, содержит и направляет электрический ток так же, как водопроводные трубы удерживают и регулируют поток воды.

Исследования: Осборн (1980), Осборн и Фрейберг (1985), Шипстоун (1985), Шипстоун и Ганстон (1985), Уайт и Ганстон (1980)

Научная точка зрения

Термин «электричество» (например, «химия») ) относится к области науки.

Модели играют важную роль, помогая нам понять то, что мы не можем видеть, и поэтому они особенно полезны при попытке разобраться в электрических цепях.Модели ценятся как за их объяснительную способность, так и за их способность к прогнозированию. Однако модели также имеют ограничения.

Модель, используемая сегодня учеными для электрических цепей, использует идею о том, что все вещества содержат электрически заряженные частицы (см. Макроскопические свойства в сравнении с микроскопическими). Согласно этой модели, электрические проводники, такие как металлы, содержат заряженные частицы, которые могут относительно легко перемещаться от атома к атому, тогда как в плохих проводниках, изоляторах, таких как керамика, заряженные частицы перемещать гораздо труднее.

В научной модели электрический ток — это общее движение заряженных частиц в одном направлении. Причина этого движения — источник энергии, такой как батарея, который выталкивает заряженные частицы. Заряженные частицы могут перемещаться только при наличии полного проводящего пути (называемого «контуром» или «петлей») от одного вывода батареи к другому.

Простая электрическая цепь может состоять из батареи (или другого источника энергии), лампочки (или другого устройства, использующего энергию) и проводящих проводов, соединяющих две клеммы батареи с двумя концами лампочки.В научной модели такой простой схемы движущиеся заряженные частицы, которые уже присутствуют в проводах и в нити накала лампочки, являются электронами.

Электроны заряжены отрицательно. Батарея отталкивает электроны в цепи от отрицательной клеммы и притягивает их к положительной клемме (см. Электростатика — бесконтактная сила). Любой отдельный электрон перемещается только на небольшое расстояние. (Эти идеи получили дальнейшее развитие в основной идее «Разобраться в напряжении»).Хотя фактическое направление движения электронов — от отрицательного к положительному полюсу батареи, по историческим причинам обычно описывают направление тока как от положительного к отрицательному полюсу (так называемый « обычный ток »). ‘).

Энергия батареи хранится в виде химической энергии (см. Главную идею преобразования энергии). Когда он подключен к полной цепи, электроны перемещаются, и энергия передается от батареи к компонентам цепи.Большая часть энергии передается световому шару (или другому пользователю энергии), где она преобразуется в тепло и свет или в какую-либо другую форму энергии (например, звук в iPod). В соединительных проводах очень небольшое количество преобразуется в тепло.

Напряжение батареи говорит нам, сколько энергии она передает компонентам схемы. Это также говорит нам кое-что о том, насколько сильно батарея подталкивает электроны в цепи: чем больше напряжение, тем больше толчок (см. Идею фокусировки Используя энергию).

Критические идеи обучения

• Электрический ток — это общее движение заряженных частиц в одном направлении.
• Чтобы получить электрический ток, должна быть непрерывная цепь от одного вывода батареи к другому.
• Электрический ток в цепи передает энергию от батареи к компонентам цепи. В этом процессе ток не «расходуется».
• В большинстве схем движущиеся заряженные частицы представляют собой отрицательно заряженные электроны, которые всегда присутствуют в проводах и других компонентах схемы.
• Батарея выталкивает электроны по цепи.

Исследование: Loughran, Berry & Mulhall (2006)

Количественные подходы к обучению (например, с использованием закона Ома) могут препятствовать развитию концептуального понимания, и их лучше избегать на этом уровне.

Язык, на котором говорят учителя, очень важен. Использование слова «электричество» следует ограничить, поскольку его значение неоднозначно. Говоря о «текущем» токе вместо движения заряженных частиц, можно усилить неверное представление о том, что ток — это то же самое, что и электрический заряд; поскольку «заряд» — это свойство веществ, например масса, лучше называть «заряженные частицы», чем «заряды».

Идея фокуса Введение в научный язык предоставляет дополнительную информацию о развитии научного языка со студентами.

Использование моделей, метафор и аналогий жизненно важно для развития понимания учащимися электрических цепей, потому что для объяснения того, что мы наблюдаем в цепи (например, зажигание лампочки), необходимо использовать научные идеи о вещах, которые мы не можем видеть, например об энергии. и электроны. Поскольку все модели / метафоры / аналогии имеют свои ограничения, важно использовать их множество.Не менее важно четко понимать сходства и различия между любой используемой моделью / метафорой / аналогией и рассматриваемым явлением. Общее ограничение физических моделей (в том числе приведенных ниже) состоит в том, что они подразумевают, что любой заданный электрон перемещается по цепи.

Изучите взаимосвязь между идеями об электричестве и преимуществами и ограничениями моделей в Карты развития концепции — Электричество и магнетизм и модели

Вот некоторые полезные модели и аналогии:

• аналог велосипедной цепи — это полезно для развития идеи потока энергии, для отличия этого потока энергии от тока и для демонстрации постоянства тока в данной цепи.Движение велосипедной цепи аналогично движению тока в замкнутой цепи. Движущаяся цепь передает энергию от педали (т. Е. «Аккумулятор») к заднему колесу (т. Е. «Компоненты схемы»), где энергия преобразуется. Эта модель имеет лишь ограниченную полезность и требует от учащегося осознать, что заднее колесо — это компонент, выполняющий преобразование энергии.

• модель мармелада — это помогает развить идею о том, что движение электронов в цепи сопровождается передачей энергии.Студенты играют роль «электронов» в цепи. Каждый из них собирает фиксированное количество мармеладов, представляющих энергию, когда они проходят через «батарею», и отдают эту «энергию», когда достигают / проходят через «лампочку». Эти студенческие «электроны» затем возвращаются в «батарею» для получения дополнительной «энергии», которая включает в себя получение большего количества мармеладов.

Еще одно описание этого вида деятельности представлено в виньетке PEEL. Ролевая игра с мармеладом. Эта модель может быть очень мощной, но важным ограничением является представление энергии как субстанции, а не как изобретенной человеческой конструкции.

• модель веревки — эта модель помогает объяснить, почему в электрической цепи происходит нагрев. Учащиеся образуют круг и свободно держат непрерывную петлю из тонкой веревки горизонтально. Один ученик действует как «батарея» и тянет веревку так, чтобы она скользила через руки других учеников, «компоненты схемы». Студенты чувствуют, как их пальцы нагреваются, поскольку энергия преобразуется, когда веревка тянется студенческой батареей

Для получения дополнительной информации о развитии идей об энергии см. Фокусную идею Использование энергии.

• модель водяного контура — это часто используется в учебниках и на первый взгляд кажется моделью, которая легко понятна учащимся; однако важно, чтобы учителя знали о его ограничениях.

В этой модели насос представляет батарею, турбину — лампочку, а водопроводные трубы — соединительные провода. Важно указать учащимся, что этот водяной контур на самом деле отличается от бытового водоснабжения, потому что в противном случае они могут, опираясь на свой повседневный опыт, сделать неправильный вывод, например, что электрический ток может вытекать из проводов контура таким же образом, как и вода может вытечь из труб.

Исследование: Лофран, Берри и Малхолл (2006)

Преподавательская деятельность

Открытое обсуждение через общий опыт

Упражнение POE (прогнозировать-наблюдать-объяснять) — полезный способ начать обсуждение. Дайте ученикам батарейку, лампочку фонарика (или другую лампочку с нитью накала) и соединительный провод. Попросите их угадать, как следует подключить цепь, чтобы лампочка загорелась. Примечание: НЕ предоставляйте патрон лампы. Это должно спровоцировать обсуждение необходимости создания полного контура для тока и пути тока в лампочке.Это задание можно расширить, поощряя студентов использовать другие материалы вместо проводов.

Испытайте некоторые существующие идеи

Ряд POE (Прогноз-Наблюдение-Объяснение) можно построить, изменив элементы существующей схемы и попросив учащихся сделать прогноз и их обоснование этого прогноза. Например, попросите учащихся предсказать изменения, которые могут произойти в яркости лампочки, когда она подключена к батареям с разным напряжением.

Разъяснение и объединение идей для / путем общения с другими

Попросите учащихся изучить модели и аналогии для электрических цепей, представленных выше.Студенты должны оценить каждую модель на предмет ее полезности для разъяснения представлений об электрических цепях. Студентов также следует поощрять к выявлению ограничений моделей.

Сосредоточьте внимание студентов на недооцененной детали

Попросите студентов изучить работу фонаря и нарисовать картинку, чтобы показать путь тока, когда выключатель замкнут.

No related posts.