 |
|
МАТЕРИАЛЬНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ
1. Раздаточный материал – на каждого студента
ЛИТЕРАТУРА:
1. Быстренков В.П. «Химические устройства тока».
2. Варламов Р.Г. и др. “Малогабаритные источники тока”., 1988г.
ЦЕЛИ:
1. Изучить классификацию источников питания СБУС РВСН.
2. Изучить основные типы химических источников тока.
3. Изучить меры безопасности при эксплуатации ХИТ.
4. Воспитывать у студентов чувство ответственности за овладение военной специальностью офицера - связиста.
УЧЕБНЫЕ ВОПРОСЫ:
1. Классификация источников электропитания.
2. Основные типы химических источников тока, их электрические характеристики.
3. Первичные химические источники тока.
| Учебные вопросы, их содержание и время | Методические приемы и порядок использования ТСО | |
I. ВВОДНАЯ ЧАСТЬ - 5 минут.
· Принять доклад дежурного по взводу;
· проверить наличие личного состава и готовность взвода к занятию;
· заполнить журнал;
· объявить название темы занятия, время, отводимое для изучения темы, отчетность по изучаемому учебному материалу;
· объявить цели, учебные вопросы и порядок проведения занятия;
· довести до студентов список необходимой литературы по изучаемой теме;
II. Основная часть – 80 минут.
Введение
Военная связь составляет техническую основу системы управления Вооруженными силами Российской Федерации, является важнейшим элементом военной инфраструктуры, который определяет эффективность применения войск (сил) и оружия. Для работы современных военных установок и систем необходима электрическая энергия, вырабатываемая и преобразуемая различными автономными энергетическими устройствами.
Надежность работы средств связи во многом определяется надежностью источников электрической энергии. Выход из строя хотя бы одного источника электрической энергии или отклонение его параметров от допустимых, как правило, нарушает работу аппаратуры и, следовательно, прерывает связь. Кроме того, качественная работа любого средства связи возможна только при обеспечении его электроэнергией требуемого количества и качества.
От любого офицера связиста требуется не только знание того или иного средства связи, но и знание принципов построения, работы и эксплуатации элементов электропитающих устройств и систем электропитания в целом.
1. Классификация источников питания.-20 мин.
Электропитающими называются все устройства, которые вырабатывают электрическую энергию транспортируют её к месту потребления, преобразовывают по роду тока, регулируют и стабилизируют по величине.
Электропитание средств связи может осуществляться от следующих источников питания:
-химических источников тока (хит);
-выпрямительных устройств;
-полевых электроустановок.
Классификация электропитающих устройств приведена в таблице 1.
таблица 1
Вывод по вопросу:
В настоящее время в Вооруженных Силах используют несколько типов электропитающих устройств в зависимости от выполняемой задачи
2. Основные типы химических источников тока, их электрические характеристики. – 30 мин.
Химическими источниками тока (ХИТ) называются устройства, в которых химическая энергия активных веществ преобразуется в электрическую.
Все химические источники тока состоят из двух электродов, разделенных слоем электролита (водного раствора кислот, щелочей, солей). Совокупность активных веществ электродов и электролита, на основе которых основан химический источник тока, называется его электрохимической системой.
По характеру работы все химические источники тока подразделяются на первичные и вторичные.
Первичные химические источники тока– допускают только одноразовое использование заключенных в них активных материалов, которые, с выделением определенного количества электричества, приходят в негодность, и дальнейшее использование таких элементов невозможно. К таким источникам относятся гальванические элементы. Существенным преимуществом всех гальванических элементов является то, что они весьма просты в эксплуатации, портативны и всегда готовы к действию. Однако возможность только одноразового использования, высокое внутреннее сопротивление и сравнительно малый срок хранения существенно ограничивают их применение.
Вторичные химические источники тока– допускают многократное их использование. У таких ХИТ активные вещества, израсходованные в процессе их работы, могут быть восстановлены. К ним относятся аккумуляторы. В аккумуляторах происходит поочередное преобразование сначала электрической энергии от постороннего источника в химическую, а затем химической энергии в электрическую.
Превращение химической энергии в электрическую энергию активных масс внутри аккумулятора путем пропускания через него электрического тока от внешнего источника называется зарядом аккумулятора.
Процесс расходования запасенной (аккумулированной) энергии аккумулятора называется разрядом аккумулятора.
Соответственно ток, протекающий через аккумулятор при заряде, называется током заряда, а при разряде – током разряда.
Поскольку химические источники тока широко применяются в устройствах электропитания военной аппаратуры, то к ним предъявляются довольно жесткие требования с точки зрения высокой надежности в работе, длительности срока службы и хранения, невысокой стоимости, малого саморазряда (разряда без полезного использования электрической энергии), безопасности для питаемой аппаратуры и обслуживающего персонала.
Кроме того, специфичность использования некоторой аппаратуры связи обуславливает еще ряд дополнительных требований. К ним относятся:
- высокие значения удельных показателей;
- малые габариты и вес;
- широкий интервал рабочих температур;
- малое внутреннее сопротивление;
- возможность работы при любой пространственной ориентации;
- удобство эксплуатации.
Устройство и принцип действия химических источников тока.
Исходя из основных определений химических источников тока, каждый ХИТ должен состоять из следующих частей (рис. 1):
Рис. 1. Устройство ХИТ.
- положительного электрода, который обычно изготавливается из
активного вещества, но может быть также изготовлен только из электропроводного материала;
- Отрицательного электрода, выполненного из активного вещества, представляющего собой твердое тело;
- Электролита – водного раствора солей, кислот или щелочей. Электролит может быть как жидким, так и вязким;
- Сосуда, заполненного электролитом, в котором закреплены электроды.
 Условно на схемах химические источники тока изображаются следующим образом:
Равность потенциалов в ХИТ образуются вследствие того, что при погружении металлического электрода в раствор электролита под влиянием сил электролитической упругости происходит растворение металла. При переходе в раствор каждый атом металла теряет некоторое количество электронов, расположенных на его внешней орбите, образуя положительный ион, который переходит в электролит и располагается вблизи поверхности электродов на границе электрод-электролит. В связи с тем, что электроны атомов, вышедших из металла, остались в электроде, а электролит пополнился положительными ионами металла, электрод приобретает отрицательный заряд, прилегающий к электроду слой электролита положительный.
Разность потенциалов между электролитом и электродом называется электродным потенциалом. Величина разности потенциалов зависит только от состава и концентрации электролита, вещества электрода и не зависит от размеров и формы последнего.
При погружении в электролит разнородные металлы будут отдавать в раствор разное количество ионов в зависимости от активности металла. Это приведет к тому, что каждый из металлов-электродов будет обладать различным электродным потенциалом. Таким образом, если в электролит погрузить два электрода из различных веществ, то между каждым электродом и электролитом установится своя определенная разность потенциалов.
Потенциал положительного электрода (полюса) будет выше потенциала отрицательного электрода (полюса). Разность потенциалов между электродами химического источника тока, не замкнутых внешней электрической цепью, называется электродвижущей силой (ЭДС). Е=UА-UБ
Е– ЭДС химического источника тока;
UА– электродный потенциал первого электрода (положительного);
UБ – электродный потенциал второго электрода (отрицательного).
Используя для изготовления ХИТ различные материалы и электролит, можно получить много систем химических источников тока. Однако на практике применяют ограниченное число электрохимических систем или гальванических пар.
Основные параметры первичных химических источников тока.
1)Электродвижущая сила (Е) – разность потенциалов между выводами ХИТ при разомкнутой цепи.
2) Внутреннее сопротивление (r0) – сопротивление, оказываемое проходящему через него току.
3) Напряжение разряда (Up) – напряжение, измеряемое на зажимах ХИТ при замкнутой внешней цепи.
Если электролиты ХИТ соединить проводником с нагрузкой, то электроны во внешней цепи будут перемещаться от отрицательного полюса к положительному. В цепи устанавливается электрический ток, причиной которого являетсяЭДС источника. Условно направление тока во внешней цепи принято считать от положительного полюса источника к отрицательному. Равенство  выражает закон Ома для замкнутой цепи, содержащий источник с внутренним сопротивлением r0 и нагрузку с сопротивлением r. Это выражение можно представить в следующем виде: E=I× r+I× r0. Т.е. ЭДС источника компенсирует падение напряжения на нагрузкеU=I×r и падение напряжения в самом источнике тока на его внутреннем сопротивлении I×r0 Напряжение U – это и есть напряжение разряда Up, которое используется для работы потребителей, питающихся от ХИТ. ВыражениюE=I×r+I×r0 можно придать вид: Up=E - I×r0, из которого следует, что напряжение на зажимах источника тока меньше его ЭДС на величину падения напряжения на внутреннем сопротивлении источника. Таким образом, чем меньше внутреннее сопротивление источника, тем меньше напряжение на его зажимах отличается от ЭДС.
Отдача электрической энергии химическим источником тока во внешнюю цепь может продолжаться до тех пор, пока его активные вещества способны вступать в токообразующую реакцию. По величине напряжения разряда судят о степени заряженности ХИТ. Начальное напряжение ХИТ Uнр – напряжение на зажимах ХИТ в начале разряда при замкнутой внешней цепи. Конечное напряжение разряда Uкр– заданное напряжение, ниже которого ХИТ считается разряженным.
4) Емкость (Q) – химического источника тока – способность ХИТ аккумулировать электрическую энергию и отдавать ее затем потребителям. Таким образом, емкость Q – величина, соответствующая количеству электричества в ампер-часах, которое ХИТ может отдать при разряде от начального до конечного напряжения (минимального допустимого).
Эксплуатационные возможности ХИТ оцениваются его удельной емкостью по массе Qm(отношение емкости ХИТ к полной массе) и удельной емкость по объему Qv (отношение емкости ХИТ к полному объему).
Применительно к аккумуляторам введены понятия разрядной и зарядной емкости.
Количество электричества, которое можно получить от аккумулятора при предельных условиях его работы, называют разрядной емкостью аккумулятора и обозначают Qp. Qp=Ip∙tp, где Ip – разрядный ток, tp– время разряда.
Зарядной емкостью аккумулятора QЗ называют количество электричества, поглощенного аккумулятором при его заряде и определяютQЗ по формуле: QЗ=IЗ∙tЗ где IЗ – зарядный ток, tЗ– время заряда.
Для заряда аккумулятора необходимо к его выводам приложить напряжение, превышающее ЭДС аккумулятора и падение напряжения на его внутреннем сопротивлении. Это напряжение называют напряжением заряда Uз.
Совокупность одного заряда аккумулятора и следующего за ним разряда называется циклом. Количество циклов, которое аккумулятор может проработать до того времени, пока его разрядная емкость не станет меньше установленной для аккумулятора номинальной емкости, называется сроком службы данного аккумулятора.
5) Саморазряд (S) ХИТ– потеря электроэнергии ХИТ, обусловленная протеканием в нем самопроизвольных процессов даже при разомкнутой внешней цепи. Эти потери обусловлены протекающими в ХИТ вредными побочными процессами: электрохимическими, химическими, электрическими и физическими.
Эти процессы могут протекать в ХИТ независимо от того, работает он на внешнюю полезную нагрузку, или нет. Таким образом, даже в неработающем источнике имеет место бесполезный расход электроэнергии, источник работает как бы сам на себя. Поэтому все эти процессы имеют общее название саморазряда. С количественной стороны саморазряд Sоценивается уменьшением величины емкости ХИТ за сутки  где Q1иQ 2 емкости химического источника тока до и после хранения , τ-продолжительность хранения в сутках.С эксплуатационной точки зрения саморазряд характеризует срок хранения ХИТи определяет период времени, в течение которого он может быть еще годен к использованию потребителем.
Величина саморазряда существенно зависит от температуры окружающей среды. Так как при увеличении температуры повышается химическая активность веществ, входящих в состав электрохимической системы, то, очевидно, что саморазряд при этом также будет расти. Поэтому ХИТ необходимо хранить в сухих прохладных помещениях.
Вывод по вопросу:
В настоящее время все носимые радиостанции используют вторичные химические источники тока.
3. Первичные химические источники тока
Гальванические элементы и батареи. – 30 мин.
Гальваническим элементом называется источник электрической энергии, в котором электрическая энергия получается за счет расхода химической энергии активных веществ. В гальваническом элементе происходит необратимый электрохимический процесс преобразования химической энергии в электрическую.
При изготовлении гальванического элемента в него закладываются в готовом виде активные вещества, которые он расходует при работе. По мере расхода активных веществ емкость элемента убывает и, когда она достигает некоторого предельного минимума, гальванический элемент становится непригодным для дальнейшей эксплуатации.
По видам применяемых электрохимических систем различают следующие основные типы гальванических элементов, широко используемых для электропитания малогабаритной аппаратуры в войсках связи:
- марганцево-цинковые;
- ртутно-цинковые.
Марганцево-цинковые элементы.
Марганцево – цинковые элементы наиболее распространены в
войсках. Элементы марганцево-цинковой системы изготавливаются
стаканчиковой или галетной конструкции.
а) В элементах стаканчиковой конструкции (рис 2.) отрицательный (цинковый) электрод (9) как правило, служит одновременно и сосудом элемента, имеющим прямоугольную или цилиндрическую форму. Он изготавливается из химически чистого цинка. Внутри цинковой коробки установлен положительный электрод (6) из двуокиси марганца MnO2. Для токоотвода в положительный электрод вставлен угольный стержень (7).
Чтобы улучшить проводимость, двуокись марганца механически смешивается с 20% графита. Эта смесь называется агломератором – деполяризатором.
Пространство между агломератором, заключенным в мешочек из пористой ткани и стенками цинковой коробки, заполнено электролитом (8), представляющим собой раствор соли (хлорида аммония NH4Cl). Для уменьшения саморазряда элемента, а также загущения электролита в него вводится сулема и мука. В зависимости от характера основных добавок электролит подразделяется на летний, зимний (хладостойкий) и универсальный, что соответственно обозначается на этикетке буквами Л, Х, У.
В верхней части цинковой коробки находится картонная прокладка (4), верх которой залит смолкой (3), закупоривающей элемент и скрепляющей его детали. Между верхней частью агломерата и картонной прокладкой оставлено свободное пространство, где происходит сосредоточение газов (5). Снаружи цинковая коробка защищена картонным футляром (10), на котором указываются основные данные элемента: его марка, ЭДС, емкость и др.ЭДС элемента в начале разряда равна примерно 1.5 В. внутреннее сопротивление зависит от размеров и степени использования элемента и колеблется от 0.25 Ом до нескольких Ом в конце разряда.
Конструктивный разрез элемента марганцево-цинковой системы изображен на рис. 2.
1 – выводы; 2 – латунный колпачок; 3 – смолка; 4 – картонная прокладка; 5 – газовая камера; 6 – агломерат – деполяризатор (положительный электрод); 7 – угольный стержень; 8 – электролит; 9 – цинковый стакан (отрицательный электрод); 10 – картонный футляр. б) В марганцево-цинковых элементах галетной конструкции одновременно решаются две задачи: - рационально используется весь заданный для источника тока объем; - наиболее полно используется активное вещество положительного электрода (двуокись марганца) с помощью рационального конструктивного устройства самой галеты. Устройство элемента галетно - пленочной конструкции показано на рис. 3.
1 – положительный электрод; 2-бумага, 3 – прокладка ( диафрагма); 4 – цинковая пластина (отрицательный электрод); 5 – электропроводящий слой; 6 – хлорвиниловое кольцо (пленка).
Положительный электрод галетно-пленочной конструкции представляет собой брикет (1) из спрессованной агломератной массы с добавкой графита. К нему приложена картонная прокладка – диафрагма (3), пропитанная раствором электролита (хлорид аммония), на которую накладывается цинковая пластина (4), являющаяся отрицательным электродом. На другую сторону пластины нанесен электропроводный слой (5) толщиной 0.5 мм, состоящий из специальной смеси. Этот слой хорошо пропускает электрический ток, но совершенно не пропускает раствор солей, т.е. электролита. На все эти детали, сложенные, как показано на рисунке, надевается в слегка нагретом состоянии кольцо из тонкой (0.2 мм) хлорвиниловой пленки (6), которое при охлаждении сжимается и прочно стягивает детали галеты. Пленка изолирует элемент с боковых сторон и не дает вытекать электролиту, но пропускает через себя образующиеся в элементе газы. Собранные элементы накладываются друг на друга и стягиваются бандажами, образуя блоки из последовательно соединенных элементов. Внутри батареи элементы соединяются при помощи соединительных проводников. Таким образом, из отдельных галет получают батареи гальванических элементов с необходимыми параметрами. Разновидностью марганцево-цинковых элементов являются воздушно – марганцево-цинковые элементы, в которых активным веществом положительного электрода служит как диоксид марганца, так и кислород воздуха. Условные обозначения марганцево-цинковых элементов состоят из букв и цифр (например, А336). Буква А обозначает, что элемент имеет щелочной электролит. Первые две цифры (33) характеризуют габаритные размеры и электрохимическую систему: - 01– 09 – воздушно – марганцево-цинковые элементы и батареи; - 10 – 19 – марганцево-цинковые стаканчиковые прямоугольной формы; - 20 – 49 – стаканчиковые цилиндрические; - 50 – 79 – галетные батареи; Конкретные значения цифр в указанных пределах – это шифры ширины, длины (или диаметра), (например, цифра 33 указывает, что стаканчиковый цилиндрический, диаметр стаканчика 20 мм). Третья цифра (в нашем примере – 6) – шифр высоты элемента (цифра 6 указывает, что высота элемента 58 мм). После цифр может стоять дополнительная буква. Например, буква Т в конце указывает на то, что элемент пригоден для эксплуатации в районах с тропическим климатом, буква Л – на то, что элемент или батарея летнего типа, буква У – на то, что элемент или батарея универсального типа. Обозначение типа батареи при последовательном соединении элементов составляется из цифры, соответствующей числу элементов в батарее и обозначения элемента. При параллельном соединении элементов их число указывается через тире после обозначения типа элемента. Элементам и батареям могут быть присвоены торговые наименования (например, “УРАН”, “КРОНА ВЦ”, “ПЛАНЕТА 1” и др.).
Достоинства марганцево-цинковых элементов:
- работоспособность в широком диапазоне температур; - малое внутреннее сопротивление; - просты в производстве, эксплуатации и хранении; - низкая стоимость. Недостатки: - относительно большой саморазряд; - удовлетворительная сохранность (12 – 15 месяцев); - значительные пределы изменения напряжения при разряде; - низкие удельные характеристики на единицу массы и объема.
Марганцево-цинковые элементы находят самое широкое применение для электропитания малогабаритных радиоустройств, полевых телефонных аппаратов и коммутаторов, электроизмерительных приборов.
|
Рис 2. Разрез элемента марганцево-цинковой системы.
Рис 3. Устройство элемента галетно - пленочной конструкции