Гальванические источники питания для маломощных датчиков

Для работы интегрированных датчиков в современных системах сбора данных и уда­ленного мониторинга необходимы надежные высокоэнергетичные источники пита­ния История гальванических источников питания началась во времена Вольта, и за последние десятилетия здесь достигнут значительный прогресс В настоящее время электрохимические источники питания мало напоминают старые, всем хорошо изве­стные Примерами таких источников являются алкалиновые, C-Zn, Zn-воздушные, Ni-Cd и свинцово-кислотные батареи Современные элементы питания Zn-воздуш­ные, Ni-металлгидридные и особенно литиевые, получили широкое распространение благодаря своим достаточно высоким напряжениям и длительному сроку службы Лидером на рынке являются Li-Mn0₂ батареи, выпускаемые разных габаритов от плос­ких миниатюрных элементов до устройств размера класса «D»

Глава 5. Интерфейсные электронные схемы

Все гальванические источники питания можно разделить на две группы: пер­вичные элементы (устройства одноразового использования) и вторичные элементы (перезаряжаемые устройства многоразового использования).

Важной характеристикой батарей является такой параметр, как энергия на единицу веса, однако для миниатюрных устройств часто используется другой пара­метр: энергия на единицу объема.

Как правило, количество энергии, выделяемое батареей, зависит от скорости по­требления мощности. Обычно с ростом тока количество вырабатываемой энергии уменьшается. Энергия и мощность гальванических источников питания зависит от конструкции батареи, ее размеров и рабочих циклов потребления тока. Производи­тели обычно указывают емкость элемента питания в ампер-часах или ватт-часах, пока­зывающих за какое время при определенной нагрузке батарея разрядится до заданного уровня напряжения полного разряда. Например, если С— это емкость батареи (в мАх-час), I-средний потребляемый ток (в мА), а n- рабочий цикл, время разряда батареи (срок службы первичного элемента) определяется выражением:

Тогда если С = 50 мА ч, I≈ 5 мА, а схема в каждом часу работает только 5 мин (т.е. рабочий цикл составляет 5/60), батарея будет работать:

Но следует помнить, что указанные производителем цифры являются весьма при­близительными и не годятся для точных расчетов. Поэтому на практике при разра­ботке схем необходимо определять срок службы конкретных батарей эксперимен­тально. При расчете электронных схем всегда требуется проводить оценку потреб­ления мощности во всех рабочих режимах при работе в разных температурных ди­апазонах. После этого по полученным значениям потребляемой мощности рас­считывают соответствующую им нагрузку и определяют время разряда батареи до заданного уровня напряжения. Бывают ситуации, когда схеме для работы требуют­ся короткие импульсы тока большой амплитуды. Если окажется, что данная бата­рея не способна работать в таком импульсном режиме, иногда может помочь па­раллельный электролитический конденсатор, служащий для накопления энер­гии.

Следует отметить, что для определения срока службы батарей не рекомендует­ся проводить ускоренные испытания, поскольку, как это было указано ранее, их полезная емкость сильно зависит от нагрузки, рабочего профиля тока и рабочего цикла.

Первичные элементы

От конструкции гальванических источников питания зависят их рабочие характе­ристики и стоимость. Большинство первичных элементов состоят из толстых элек­тродов прямой или концентрической формы, расположенных параллельно друг

5.10. Гальванические источники питания для маломощных датчиков 249

другу, залитых водным раствором электролита. Большая часть маленьких вторич­ных элементов устроена по другому: в них длинные тонкие электроды наматывают­ся в форме цилиндра и помещаются в металлический контейнер. Такой способ позволяет повысить плотность мощности, но при этом плотность энергии падает, а стоимость батареи возрастает. Благодаря низкой проводимости электролитов, некоторые литиевые первичные элементы также используют «свернутую» конст­рукцию [18].

C-Zn батареи. В таких элементах анод изготавливается из цинка. C-Zn батареи бывают двух типов. У одного типа в качестве катода используется натуральный диоксид марганца, а в качестве электролита — хлорид аммония. В другом типе C-Zn батарей катодом является электролитический диоксид марганца, а электролитом — хлорид цинка. Батареи этого вида до сих пор очень популярны, особенно на Востоке, где число их производителей составляет более 200. Их объем производ­ства равен половине объема производства алкалиновых батарей в Европе, но толь­ко 25% от объема производства алколиновых элементов в США. C-Zn батареи пред­почтительнее использовать в случаях, где требуется высокая плотность мощности, срок службы не является критичным параметром, а доминирующим фактором яв­ляется низкая стоимость.

Ланолиновые марганцевые батареи. Спрос на эти батареи в последние годы рез­ко возрос, особенно после того, как из цинкового анода исключили ртуть. Алкали-новые батареи способны вырабатывать высокий ток и имеют улучшенное соотно­шение мощности к плотности, но самым главным их достоинством является дли­тельный срок службы - не менее 5 лет.

Первичные литиевые батареи. Большинство таких батарей производятся в Япо­нии. Популярность элементов из лития и диоксида марганца объясняется их высо­кими рабочими напряжениями, широким диапазоном размеров и емкостей, а так­же продолжительным сроком службы. Литиево-йодные элементы обладают очень высокой плотностью энергии и способны работать до 10 лет в составе кардиостиму­ляторов. Однако в таких элементах применяется твердый электролит с низкой про­водимостью, что не дает возможности выдавать большие токи. Рабочие токи лити­евых батарей составляют несколько мкА, что часто бывает достаточным при работе с пассивными датчиками.

Количество лития в таких батареях очень мало, поскольку 1 г Li обеспечивает элементу емкость 3.86 Ахчас. Литиевые батареи не вредят окружающей среде, но считаются огнеопасными.

Поиск по сайту: