Чтобы рассчитать продолжительность работы батареи, мы должны определить потребление цепи, которую подключаем, то есть сколько тока она требует. Батареи сопоставимы с полным баком воды: чем выше емкость, темдольше она будет использоваться. Продолжительность также зависит от диаметра трубы, которую мы будем использовать для выкачки воды.
Предположим, у вас есть схема, которая потребляет 100 мА, и батарея на 3000 мАч.
Схема будет работать в течение времени:
Чтобы узнать потребляемый схемой ток, мы можем сделать расчеты или измерить его с помощью тестера. Продолжительность, которую мы рассчитали, является только теоретической, потому что в действительности электрохимические явления, происходящие в батарее, могут привести к ее повреждению.
Ток, который обеспечивает батарея, не может быть произвольно увеличен. Попробуем подумать: если батарея из предыдущего примера может предоставить 3 А в час, то может ли она предоставить более высокий ток за меньшее время? Например, мы могли бы запросить ток 6А за полчаса. Однако батарея не сможет обеспечить такой ток и будет перегреваться, что приведет к ее повреждению. Максимальный ток, который может подаваться, составляет около 3 А. Подача высоких токов, даже на короткий промежуток времени, связана с риском необратимо повредить батарею.
Достаточно непросто определить, заряжена батарея или нет. В щелочных батареях может быть измерено напряжение с помощью тестера, если напряжение составляет примерно 80 % от номинального значения, то батарея заряжена. Таким образом, напряжение должно быть примерно 1,2 В для батарей на 1,5 В и около 7,5 В для батарей на 9 В. Для аккумуляторных батарей этот эмпирический способ не может быть использован, поскольку они всегда поддерживают постоянное напряжение. Заряд батарейки должен быть оценен путем измерения напряжения с помощью подключения батарейки к цепи, которая собирает около половины максимального почасового тока, указанного на батарейке. Если мы хотим проверить состояние заряда батареи на 9 В, мы должны предполагать максимальный ток 250 мА, так как максимальный часовой ток составляет 500 мА. Используя эти данные, мы получаем сопротивление, которое должно быть подключено к батарее:
Через сопротивление протекает довольно большой ток, поэтому рассчитываем мощность, которую должно выдержать сопротивление:
P = I2 · R = 0,252 · 36 = 2,25 (Bt)
Сопротивление должно выдерживать мощность, превышающую 2,25 Вт. Теперь подключаем сопротивление к батарее и измеряем ток, протекающий через нее: чем ближе его значение к 250 мА, тем больше батарея будет заряжена.
Идеальные генераторы
Электрики и электронщики в своих расчетах часто используют теоретические «идеальные генераторы». Различают два типа идеальных генераторов: генераторы напряжения и генераторы тока. Идеальный генератор напряжения является устройством, способным обеспечить определенное напряжение с бесконечным наличием тока: это как батарея, которая никогда не разряжается и может подавать ток любой величины. Идеальный генератор тока обеспечивает точное значение тока и напряжение любого значения. Нам трудно представить себе такие явления, потому что, как правило, в качестве источников напряжения и тока мы имеем дело с батареями. Батареи и реальные генераторы можно рассматривать как комбинации генераторов напряжения, тока и сопротивления.
Рис. 7.4. Символ идеального генератора напряжения (слева) и идеального генератора тока (справа)
Когда мы делаем расчеты для схемы, как правило, мы предполагаем, что все элементы питаются от идеального генератора напряжения. Генераторы тока очень распространены и используются для моделирования, т. е. объяснения устройств и отдельных компонентов с помощью математических формул. Например, математическая модель биполярного транзистора включает в себя генератор тока.
Источники питания
Зависеть от батарей неудобно и дорого. Каждая уважающая себя лаборатория имеет один или несколько источников питания. Существуют источники питания как с фиксированным напряжением, так и регулируемые. Лабораторные блоки питания имеют регулировки для напряжения и тока. Если мы хотим ограничить ток в цепи на 1 А, мы можем выставить это значение по нашему желанию. Перед подключением цепи сначала устанавливаем необходимое напряжение и ток, а затем подключаем цепь. Если цепь будет требовать более высокого тока, чем обеспечивает блок питания, то включится предупреждающий индикатор. Профессиональные источники питания показывают заданные значения на цифровом дисплее или дисплее со стрелкой. Блоки питания могут обеспечить напряжение до 30–50 вольт и тока до десятков ампер. Некоторые «двойные» модели сочетают в себе два блока питания в одном и обеспечивают удвоенные напряжения, например +/− 12 вольт.
Как работает блок питания?
Блок питания (БП) подключается к сети переменного тока 220 В и преобразовывает его в постоянный ток пониженного напряжения. Для производства БП с течением времени использовались различные технологии. Самый простой способ состоит в использовании диода и трансформатора. Трансформатор необходим для уменьшения напряжения, например, с 220 В до 5 В. Диод пропускает только тот ток, который проходит в прямом направлении. Результатом является пульсирующий ток, который может быть выровнен при помощи электролитического конденсатора большой емкости. Конденсатор преобразует напряжение, которое подвержено внешним помехам. Такой стабилизатор называется однополупериодным выпрямителем.
До недавнего времени наиболее распространенным решением для создания источника питания было использование выпрямительного моста. Это устройство из четырех диодов, соединенных особым образом и способных выправить оба «изгиба» переменного тока, объединив их вместе. Его также называют диодный мост.
Рис. 7.5. Электрическая схема однополупериодного выпрямителя
Вы можете купить уже готовый мостовой выпрямитель с четырьмя диодами либо соорудить его с помощью диодов. Мост имеет четыре вывода: на два из них поступает переменный ток, а два других используются для вывода «выпрямленного» тока. Переменный ток в положительной фазе может протекать только через два диода; в отрицательной фазе он протекает через два других диода. Диоды подключены таким образом, чтобы предоставлять так называемый квазипостоянный ток (пульсирующий).
