Elektrotechnika 1 – ELT1
8. Zdroje stejnosměrného proudu
Výroba elektřiny chemickými procesy • Využívá se chemických reakcí při nichž se uvolňuje nebo musí dodat energie. • Elektrody • Elektrolyt • Stejnosměrné zdroje – Galvanické články – Akumulátory – Vodíkové články
8. Elektrotechnika 1 – galvanické články Primární elektrochemické zdroje el. energie Existuje celá řada fyzikálních principů, které umožňují transformovat jiné formy energie na energii elektrickou. Nejširší uplatnění mezi těmito „náhradními zdroji“ mají zdroje elektrochemické, které buď nevratným způsobem (elektrochemické či galvanické články) nebo vratným způsobem (akumulátory), umožňují transformovat chemickou energii některých chemických reakcí na energii elektrickou. Každému je znám Leclancheův článek, který se využívá u kapesních baterii. Leclancheův článek (suchý článek) je elektrolytický systém, uspořádaný podle následujícího obrázku. Vložíme-li dva různé kovy do vhodného elektrolytu objeví se mezi nimi napětí odpovídající rozdílu jejich výstupních prací. Čím vzdálenější prvky z této řady vybereme, tím větší napětí dostaneme.
6. Elektrotechnika 1 – galvanické články Leclancheův článek je tvořen zinkovou anodou ve formě kalíšku v kterém je celý elektrochemický systém umístěn. Uvnitř kalíšku je elektrolyt což je v našem případě chlorid amonný (salmiak), a katodu tvoří uhlíková elektroda v ose článku. Každý kov vnořený do elektrolytu má tendenci vysílat do roztoku své kationty. Zabránit bychom tomu mohli vnějším napětím, které charakterizuje tzv. výstupní práci, která je pro každý kov jiná. Podle velikosti výstupní práce můžeme jednotlivé kovy Řez primárním článkem s kyselým uspořádat do určité řady. Na jejím elektrolytem začátku je hořčík, na jejím konci je uhlík (který vlastně není kov).
8. Elektrotechnika 1 – galvanické články Z technologického hlediska nejjednodušší je právě dvojice zinek – uhlík. Při činnosti článku vzniká na katodě plynný vodík, který pokrývá katodu jemnými bublinkami, dochází k tzv. polarizaci. Vznikne vlastně nový článek vodík – zinek, který má mnohem menší napětí. Proto je uhlíková katoda obalena tzv. depolarizátorem, zpravidla silným okysličovadlem. U těchto článků se zpravidla používá oxid manganičitý (burel), který reaguje s vodíkem za vzniku oxidu manganitého a vody. Tento článek poskytuje napětí 1,5 V. Elektrolyt je zahuštěn škrobem, takže má vlastnosti gelu, a proto se tyto články označují také jako suché články.
8. Elektrotechnika 1 – galvanické články V současné době se používá řady různých dalších typů článků, které mají výrazně větší kapacitu a řadu dalších výhod. (např. menší pokles kapacity článku s poklesem teploty). Jde zejména o alkalické rtuťové články, hořčíkové články atd. Složení elektrolytu je zpravidla výrobním tajemstvím výrobců, stejně jako i u technologie zpracování používaných materiálů. Kapacitou článku zde označujeme náboj, který můžeme z článku odebrat, než se zcela rozpustí anoda, nebo dojde ke spotřebování depolarizátoru a pronikavě se zvýší vnitřní odpor článku. Kapacita se zpravidla udává v ampérhodinách (Ah). Tyto galvanické články jsou určeny na jedno použití, článek nejde plně regenerovat opětným nabitím.
8. Elektrotechnika 1 – galvanické čllánky Základní typy primárních galvanických článků: a) S kyselým elektrolytem: - zinko – uhlíkové burelové, elektrolyt chlorid amonný nebo zinečnatý - zinko – uhlíkové se vzdušnou depolarizací b) S alkalickým elektrolytem: - zinko – uhlíkové burelové, elektrolyt KOH (hydroxid draselný) - lithiové, elektrolyt KOH Speciální články Zn – HgO, Zn – Ag2O, elektrolyt NaOH Ideální článek – měl by mít svorkové napětí nezávislé na době a podmínkách skladování a na velikosti zatěžovacího proudu při omezené bobě provozu. Tedy měl by byt ideálním zdrojem nepětí. Tyto vlastnosti jsou u skutečného článku nedosažitelné. Skutečný článek : - elktromotorická síla (vnitřní napětí) není po celou dobu používání článku konstantní
8. Elektrotechnika 1 – galvanické články Náhradní schéma článku – jako zdroj napětí
Náhradní schéma je možné znázornit sériovým zapojením vnitřního napětí U0 a vnitřního odporu Ri. Vnitřní napětí U0 se během vybíjení postupně snižuje a také velikost vnitřního odporu Ri není konstantní a jeho hodnota s vybíjením článku narůstá. Samozřejmě obě hodnoty jsou navíc teplotně závislé, zejména vnitřní odpor se stoupající teplotou znatelně klesá. Do vnitřního odporu ještě můžeme přičíst přechodový odpor na kontaktech.
8. Elektrotechnika 1 – galvanické články Články, které používají elektrolyt jako roztoku chloridu zinečnatého ZnCl2 jsou mimo jiné odolnější proti proděravění zink. kalíšku. Vybíjecí charrakteristiku článků typu AA (tj. tužkové baterie) při kontinuálním vybíjení je na předchozím obrázku. Zinkochloridový článek má označení R6 a jsou znázorněny charakteristiky pro dva články, typ R6S a typ R6G. Jak je patrno, článek při zatěžovacím odporu Rz = 10Ω je cca po 7 a ½ hodině vybitý. Pro porovnání je uvedena i charakteristika alkalického článku, označeného LR6. Napětí naprázdno (U0) plně nabitého, resp. čerstvého článku je cca 1,62 V. Po zatížení článku proudem do zátěže Rz klesne hodnota na cca 1,5 V a během počáteční části vybíjení rychle poklesne na 1,3 V a pak postupně klesá k hodnotě konečného napětí. Konečné napětí není přesnšě stanoveno a jeho hodnota se pro různé druhy zátěže pohybuje mezi 0,9 a 0,7 V. Zinko -chloridové články jsou označované písmenem R a číslicí, která udává velikost pouzdra
8. Elektrotechnika 1 – galvanické články alkalické Řez primárním článkem s alkalickým elektrolytem
b) Články zinko-uhlíkové Podstatnou změnou ve vlastnostech primárních článků bylo použití zásaditého elektrolytu a sice roztoku hydroxidu draselného KOH. Konstrukce zinkové záporné elektrody, na rozdíl od kyselého článku, je tvořena slisovaným zinkovým práškem a obal pouzdra je z ocelového plechu. Od klasického článku Leclancheova se odlišuji především vnitřním uspořádáním.
8. Elektrotechnika 1 – galvanické články alkalické Zinková záporná elektroda je z práškového zinku s vhodným pojidlem a je umístěna ve středové části článku. Kladná elektroda je ze směsi práškového uhlíku a oxidu manganičitého, kontakt kladného pólu je vytvořen plechovou čepičkou vnějšího pouzdra z pokoveného ocelového plechu. Toto provedení umožňuje několikanásobně vyšší využití aktivních hmot a tím také vyšší energetické výtěžnosti v porovnání s klasickým Leclancheovým článkem. Je to také patrné z vybíjecí charakteristiky na předchozím obrázku, je též vybíjecí charakteristika alkalického článku s označením LR6. Při stejné velikosti článků je získaná energie asi dvakrát větší!
8. Elektrotechnika 1 – galvanické články alkalické c) Speciální články – lithiové články. V posledních letech jsou v popředí zájmu výrobců primárních článků. Výhody: Jejich předností je nízká měrná hmotnost, vyšší napětí článku, výhodnější je i tvar zatěžovací charakteristiky a vysoká měrná kapacita vztažená na objem nebo hmotnost. Další výhodou je, že jsou použité ekologické materiály. Nevýhoda: vysoká oxidační aktivita samotného tithia a z ní vyplývající nebezpečí hoření při zvýšené teplotě a přítomnosti kyslíku.
8. Elektrotechnika 1 – galvanické články lithiové Vybíjecí charakteristiky lithiových článků jsou odlišné od ostatních, dříve zmíněných. Napětí naprázdno je asi 3,65 V, na počátku vybíjení klesne podle velikosti zatěžovacího proudu na 3,4 až 3,6V a pocelou dobu se téměř nemění. Na konci vybíjení rychle klesá a při poklesu asi na 3 V je článek prakticky úplně vybitý.
8. Elektrotechnika 1 – galvanické články lithiové
Vybíjecí charakteristika lithiového článku
8. Elektrotechnika 1 – akumulátory olověné 1.Akumulátory s kyselým elektrolytem Akumulátory jsou reversibilní galvanické články, které je možno po vybití opět energeticky zregenerovat, tedy nabít. V podstatě rozlišujeme dva typy akumulátorů tzv. olověné akumulátory a alkalické akumulátory. Velmi zjednodušeně lze říci, že olověný akumulátor je tvořen dvěma olověnými deskami ponořenými do zředěné kyseliny sírové (H2SO4). Při nabíjení se na anodě vytvoří tmavohnědý oxid olovičitý a na katodě tmavošedé olovo a elektrolyt zhoustne. Při vybíjení elektrolyt řídne a ve vybitém stavu je na anodě červenohnědý a na katodě tmavošedý síran olovnatý. Napětí na jednom článku se pohybuje od 2,2 V až 2,4V pro plně nabitý akumulátor. Pro úplně vybitý akumulátor napětí klesne na 1,7 V.
8. Elektrotechnika 1 – akumulátory olověné Olověný akumulátor má velmi malý vnitřní odpor (řádu 0,001Ω ). Proto se používá všude tam, kde potřebujeme velké proudy, např. pro startéry spalovacích motorů. Pro kapacitu olověného akumulátoru se udává, že na jednu Ah potřebujeme asi 36g aktivní hmoty elektrody. Doba života olověného akumulátoru odpovídá asi 350 nabíjecím cyklům. Při používání tekutého elektrolytu jsou však problémy s manipulací akumulátoru – hrozí vylití elektrolytu. Jiná varianta používá zahuštěného elektrolytu gelové konzistence. Při plnění se teplý a dobře tekutý elektrolyt naplní do článků, kde během chladnutí zpolymeruje a dále pak již udržuje gelovou konzistenci. Nevýhodou obou typů je poněkud vyšší hodnota vnitř. odporu.
8. Elektrotechnika 1 – akumulátory olověné Nabíjecí charakteristiky akumulátorů olověných Účelem nabíjení je obnovit náboj v akumulátoru – dodat akumulátoru určité množství energie, která se pak při vybíjení může odebírat do zátěže. Protože akumulátor i ve vybitém stavu představuje zdroj proti napětí, musí být napětí nabíjecího zdroje vždy vyšší než vnitřní napětí nabíjeného akumulátoru.
Nabíjení: - vybitého akumulátoru - trvalé dobíjení - speciální druhy nabíjení Nabíjecí charakteristiky:
8. Elektrotechnika 1 – akumulátory olověné Vybíjení akumulátorů Vnitřní odpor článků akumulátoru závisí na mnoha faktorech : - plocha a provedení desek - uspořádání separátorů - vodivost elektrolytu, teplota článků, vodivost slitin apod. Vybíjecí charakteristiky – parametrem je proud do zátěže- xCA
8. Elektrotechnika 1 – akumulátory olověné Jistým problémem je i skladování akumulátorů, neboť dochází k poměrně velkému úbytku energie a tedy své kapacity v závislosti na skladované době. Musíme počítat, že za rok poklesne náboj akumulátoru okolo 40%, záleží ještě od typu akumulátoru. Okrem vlastního samovybíjení ještě hodně závisí na skladovací teplotě, což ukazuje obrázek. Samovybíjení akumulátoru:
8. Elektrotechnika 1 – akumulátory alkalické 1 Akumulátory alkalické Jedná se poněkud početnou skupinu různých typů alkalických akumulátorů, jejichž alkalický elektrolyt u primárních článků je tvořen roztokem hydroxidu draselného KOH. U některých typů je doplňován dalšími přísadami. Podle materiálu aktivních elektrod rozeznáváme následující typy článků: - nikl- kadmiové NiCd - nikl-železné NiFe - nikl- metalhydridové NiMH - lithiové (iontové, polymerové) i- ion, i-polymer - stříbro-zinkové AgZn a další.
8. Elektrotechnika 1 – akumulátory alkalické 1 Nejrozšířenější jsou v současnosti akumulátory s články nikl- kadmiovými NiCd a sice v řadě kapacit od zlomku Ah/čl. až do stovek Ah/čl. Pro větší kapacity Ah byly dříve dosti používané akumulátory nikl-železné, ale dnes jsou již spíše vyjímkou a jsou nahrazovány NiCd akumulátory pro jejich lepší vlastnosti. Akumulátory nikl- metalhydridové se uplatňují spíše v oblasti menších Ah kapacit . Podobně tomu je i s akumulátory lithiovými. Stříbrozinkové akumulátory jsou výrobně dražší. U alkalických akumulátorů se jako elektrody používají páry kovů železo- nikl (NiFe akumulátory), nikl – kadmium (NiCd akumulátory), event. stříbro – zinek (AgZn akumulátory).
8. Elektrotechnika 1 – akumulátory alkalické 2 NiFe akumulátory a NiCd akumulátory poskytují jmenovité napětí 1,2 V na jeden článek. U stříbro-zinkových akumulátorů je počáteční napětí 1,8V, které později při vybíjení poklesne na 1,5V Vnitřní odpor alkalických akumulátorů je zpravidla o řád větší než u akumulátorů olověných. Vyrábějí se ale také speciální startovací alkalické akumulátory, které mají vnitřní odpor srovnatelný s vnitřním odporem olověných akumulátorů. NiFe akumulátory mají výrazně vyšší životnost ve srovnání s akumulátory olověnými. Na rozdíl od nich stříbro-zinkové akumulátory mají poměrně krátkou životnost, asi kolem 100 cyklů. Malé knoflíkové akumulátory pro napájení elektronických přístrojů jsou většinou alkalické akumulátory, buď stříbro-zinkové, rtuť – zinkové, nebo lithio – zinkové, ve všech se jako elektrolyt používá hydroxid draselný. Použitím speciálních typů katod se dá u těchto akumulátorů dosáhnout napětí až 3,5 V.
8. Elektrotechnika 1 – akumulátory alkalické 3 - NiCd Nikl-kadmiové akumulátory Článek NiCd se skládá ze systému kladných a záporných elektrod oddělených separátory a elektrolytu. U větších kapacit jsou elektrody deskové a u menších kapacit v těsném provedení ve tvaru svinutých pásků. Aktivním materiálem kladné elektrody v nabitém stavu je oxid niklitý, ve vybitém stavu hydroxid nikelnatý. Aktivním materiálem záporné elektrody je v nabité stavu kovové kadmium a ve vybitém stavu hydroxid kademnatý. Nosná konstrukce desek obou polarit je z oceli, která si zachovává svou pevnost během celé životnosti. Elektrolytem je vodní roztok hydroxidu draselného KOH s přídavkem asi 5% hydroxidu lithnatého LiOH. Funkcí zásaditého elektrolytu je pouze přenos iontů(na rozdíl od kyselého elektrolytu) a během činnosti článku nedochází k jeho chemickým změnám ani k jeho znehodnocení. Během nabíjení nebo vybíjení nedochází ke změně hustoty, takže tímto způsobem nelze indikovat stav nabití článku.
8. Elektrotechnika 1 – akumulátory alkalické 4 Typy NiCd akumulátorových baterií jsou označovány písmeny. Základní označení má K za nímž je písmeno L, M, H, nebo X podle typu předpokládaného vybíjecího režimu. Poté následuje číslo, udávající jmenovitou kapacitu C5A v Ah. U článků v plastových nádobách následuje ještě písmeno P. Vybíjecí režimy: L - dlouhodobý, vybíjecí proudy obvykle do 0,5 C5A M - střednědobý, vybíjecí proudy obvykle od 0,5 do 3,5 C5A H - krátkodobý, vybíjecí proudy obvykle od 3,5 do 7 C5A X - velmi krátký, vybíjecí proudy obvykle nad 7 C5A Zmíněné typové řady se mimo jiné liší ve velikosti vnitřního odporu a tím i energetickou účinností. Např. při odebíraném proudu 5 CA je použitelný již jen typ H s využitelnou kapacitou 65% CA.
8. Elektrotechnika 1 – akumulátory alkalické 5 V porovnání s baterií olověnou se životnost NiCd baterie zkracuje méně – viz obr.
Niklkadmiové články poměrně dobře snášejí skladování. Úbytek kapacity např. za 1 rok při pokojové teplotě 20°C znamená pokles pouze o 25%, při teplotě nižší ještě méně.
8. Elektrotechnika – alkalické akumulátory 6 - NiMH Nikl-metalhydridové akumulátory Jsou to akumulátory moderních konstrukcí - od niklkadmiových se liší materiálem záporné elektrody. Aktivním materiálem záporné elektrody jsou slitiny kovů (AB), které jsou schopny vytvářet hydridy, tedy vázat na sebe vodík, vznikající při nabíjecí reakci. Používají se slitiny TiFe, ZnMn, LaNi5, Mg2Ni a další. Přesné složení je zpravidla výrobci utajované. Uvolňovaný vodík při nabíjení se váže na kov a tím v článku vzniká jen malý přetlak plynu a může se použít stejná technologie pouzdření, jak je známá u plynotěsných článků niklkadmiových. Životnost akumulátorů Nikl- metalhydridových je proti NiCd téměř poloviční. Samovybíjení je o něco větší než u článků NiCd. Nabíjecí a vybíjecí charakteristiky těsných NiCd a NiMH aku. Způsoby nabíjení těsných válcových a prizmatických článků se liší od nabíjení velkých deskových článků. Pro tyto články je typické nabíjení konstantním proudem. Konstrukce těchto článků se vyznačuje podstatně nižším vnitřním odporem v porovnání s deskovými články i podstatně vyšších Ah kapacit.
8. Elektrotechnika 1 – alkalické akumulátory 7 Nabíjecí charakteristika těsného NiCd článku. Příklad vnitřního odporu: NiCd – článek velikosti D (jako velký monočlánek) s kapacitou 4Ah má vnitřní odpor 7mΩ NiMH – článek stejné velikosti s kapacitou 6,8Ah má vnitřní odpor 2mΩ Vybíjení akumulátorů NiCd je různé podle podmínek a podle velikosti vybíjecích proudů. Obrázek ukazuje vybíjecí charakteristiky uzavřených akumulátorů s kapsovými deskovými elktrodami pro různě velké vybíjecí proudy.
8. Elektrotechnika 1 – alkalické akumulátory 8
Vybíjení u těsných článků NiCd značně ovlivňuje velikost vybíjecího proudu. S narůstajícím proudem do zátěže dochází k většímu úbytku na vnitřním odporu článku, dochází tím k rychlejšímu poklesu napětí a do dosažení konečného napětí článku se podaří z článku získat méně energie než při pomalejším vybíjení menším proudem.
8. Elektrotechnika 1 – lithiové akumulátory 1 Lithium jako chemický prvek se vyznačuje pro elektrochemické zdroje vynikající vysokou hodnotou elektrochemického potenciálu. Prakticky použitelné primární články začaly být vyráběny po roce 1970 a asi o 10 let později byly na trh uvedeny články sekundární. – nabíjitelné, tedy jako akumulátory. To významně souviselo především s rozvojem mobilních telefonů. Konstrukce využívala kovového lithia jako záporné elektrody, kladnou elektrodou byl roztok SO2 nebo SO2Cl2. Při opakovaném nabíjení článků docházelo ke změnám krystalické struktury lithia na dendritický typ. Ostré okraje krystalů pronikaly materiálem separátoru a způsobovaly místní zkrat v článku, doprovázený nárůstem teploty.
8. Elektrotechnika 1 – lithiové akumulátory 2 A protože bod tání kovového lithia je velmi nízký (180°C), v důsledku zkratu přešlo lithium do tekutého stavu, v němž je prudce reaktivní a důsledkem byl výbuch článku. Ještě v roce 1989 s touto situací jsme se mohly setkat u uživatelů telefonů. To vedlo ke stažení asi 1,5 milionů přístrojů k výměně akumulátorů. Intenzivní práce na vývoji bezpečných typů kolem roku 1990 vyústily v nové uspořádání, v němž kovové lithium na záporné elektrodě bylo nahrazeno oxidem kobaltitolithným Li2O.CO2O3. Kladná elektroda je uhlíková. Elektrolytem je např. tetrafluoroboritan lithný LiBF4. Vyrábějí se v modifikaci s tekutým elektrolytem pod označením „lithium-iontové“ a s jiným typem konstrukce, event. s elektrolytem v pevné fázi pod označením „lithium polymerové“.
8. Elektrotechnika 1 – lithiové akumulátory 3 Lithium-iontové články s tekutým elektrolytem. Jmenovité napětí článků je 3,6V. Záporná elektroda, jak již bylo zmíněno, je tvořena oxidem kobaltolithným nebo také zejména z ekologických důvodů oxidem manganičitolithným LiMn2O4, př. Oxidem nikelnatolithnýmLiNiO2. Všechny tyto materiály jsou na vzduchu stálé! Kladná elektroda je z grafitu nebo z amorfního uhlíku a elektrolytem může být již zmíněný tetrafluoroboritan lithný. Akumulátorový článek se skládá ze systému kladných a záporných elektrod , oddělených separátory a elektrolytu. U akumulátorů ve válcových pouzdrech jsou elektrody ve tvaru svinutých pásků podobně jako u NiCd a NiMH akumulátorů. V plochých prizmati¨ckých pouzdrech jsou elektrody deskové v sendvičovém nebo meandrovém uspořádání. Vzhledem k tomu, že je potřeba chránit články před vznikem nadměrné teploty , je každý článek nebo originální paket s více články ve společném pouzdru (akupack) vybaven elektronickým spínačem, který je schopen přerušit přívod když by mohla být jeho činnost poškozena.
8. Elektrotechnika 1 – Li akumulátory 5, Li-ion a Li-pol Ochranné obvody mohou také hlídat nadproud, podpětí i přepětí. Tyto pomocné hlídací obvody jsou napájeny ze samotného článku, jejich energetický odběr bývá řádu jednotek až desítek mikroampérů.
Lithium-iontové a lithium polymerové články s pevným elektrolytem Li-iontové polymerové články jsou zřejmě přechodovým stadiem vývoje li-polymerových článků se suchým elektrolytem. Elektrolyt v gelové formě je spojen s porézním polymerem. Tím se mohla zjednodušit konstrukce absencí separátoru a vlastnosti jsou prakticky shodné s Li-iontovým článkem s tekutým elektrolytem. Tyto články jsou převážně v současnosti vyráběny pro použití v mobilních telefonech a podobných zařízeních. Předpokládá se, že v nejbližší době budou nahrazovány články se suchým polymerovým elektrolytem
8. Elektrotechnika 1 – lithiové články 6, Li-ion a Li-pol Napětí článků je stejné jako u článků s tekutým elektrolytem, tj. 3,6V. Lithium polymerové články vznikly dalším vývojem lithium-iontových článků. Avšak poměrně drahý oxid kobaltu byl na záporné elektrodě nahrazen jinými levnějšími oxidy kovů a tekutý elektrolyt byl nahrazen polymerem v pevném skupenství, současně zastávající funkci separátoru. Výrobní technologie umožňuje vyrábět celý elektrodový systém velmi tenký a flexibilní a lze jej stočit do válcového pouzdra, a tak složit do několikavrstvé sendvičové struktury a přizpůsobit tvar aplikaci (např. mob.telefony).
8. Elektrotechnika 1 – lithiové články 6, Li-ion a Li-pol Mohou se vyrábět i extrémně tenké články v síle 0,2 až 0,6 mm, které umožňují perspektivní využívání např. v aktivních čipových kartách, hodinkách se solárními články apod.. Nevýhodou lithiumpolymerových akumulátorů je v současnosti jejich menší životnost vyjadřovaná v počtu cyklů a vyšší samovybíjení oproti článkům s tekutým elektrolytem Nabíjecí charakteristika lithiového článku
8. Elektrotechnika 1 lithiové články 5, Li-ion, Li-pol Vybíjecí charakteristika článků Li-ion a Li-pol
V závěru vybíjení dochází k rychlejšímu poklesu napětí. Za konečné vybíjecí napětí se považují 3V ( u článků Li-ion s katodou z amorfního uhlíku – coke core - to je 2,5V). Pokud se článek vybije pod tuto hodnotu, je třeba při následujícím nabíjení nabíjet velmi malým proudem až do dosažení 3V, dále je možno pokračovat standardním postupem.
8. Elektrotechnika 1- Lithiové články 6,Li-ion, Li-pol Přípustná hodnota vybíjecího proudu se udává proud 5 až 6 CA a u jednotlivých typů může být omezena vnitřní elektronickou ochranou. Samovybíjení článků Li-ion činí za normální teploty 3 až 5 % CA za měsíc, takže to umožňuje skladování bez dobíjení více než 1 rok. U Li-polymerových je v současné době samovybíjení asi 3 až 5 krát rychlejší a tím je vyžadováno dobíjení v intervalu 3 až 6 měsíců podle typu článku. U článků Li-ion se udává, že životnost článků závisí do značné míry na konstrukci a je taková, že při hlubokém vybíjení/nabíjení klesne kapacita na 80% CA po 350 až 500 cyklech (vybíjení na 3V/čl., nabíjení proudem 0,7 CA)
8. Elektrotechnika 1- Lithiové články 7,Liion, Li-pol Životnost a provozní teplota – při nabíjení je doporučená teplota 0 až 45°C a při vybíjení od - 10°C až + 60°C, skladování - 20°C až + 45°C. Optimální je provozovat články při teplotách 20°C.
8. Elektrotechnika 1 – zdroje nepřerušovaného napájení UPS – Uninterruptible Power Sources V mnoha případech podmínkou normálního bezporuchového provozu technologických procesů nebo výpočetních systémů je zajištění nepřerušené dodávky elektrické energie (UPS). Pro rychlé zajištění převážně krátkodobých výpadků se používají zdroje elektronické s akumulátory jako zásobníky energie, pro vykrývání dlouhých výpadků se pak používá dieselagregátů.
Elektronické UPS
8. Elektrotechnika 1 – Elektronické UPS Elektronická UPS – pokud energetická síť dodává napětí a výkon požadované velikosti a frekvence, je zátěž napájená ze sítě. V okamžiku výpadku napětí sítě převezme její funkci střídač UPS napájený z akumulátoru. Zapojení UPS se liší tím, zda při předávání výkonu ze sítě na UPS, event. zpět po obnovení dodávky síťového napájení vzniká bezproudová pauza nebo dochází k přechodovým jevů (jsou způsobovány fázovými rozdíly mezi napětím sítě a UPS. V současné době jsou k dispozici 4 základní typy elektronických UPS, v kategoriích označovaných jako off-line a on- line. Kategorie off- line se vyznačuje tím, že výkonový střídač v době dodávky napětí ze sítě nepracuje a jsou zapnuty pouze vyhodnocovací obvody, které indikují situaci, v níž je třeba zahájit zálohování. Nejjednodušší uspořádání označované jako „Standby“ je určeno pouze ke kontaktnímu připojení střídače po indikaci výpadku sítě. Dochází ke krátké době bezproudové pauzy (cca 2 až 5 ms), napětí dodávané střídačem není ve fázi s původním napětím sítě (mohou nastat přechodové děje). Druhým systémem je kategorie typu „Line Interactive“. V porovnání s předchozím Standby je navíc vybaven blokem, umožňujícím korigovat poklesy nebo nárůsty napětí na síti.
8. Elektrotechnika 1 - Elektronické UPS Kategorie „On-line“ se liší od kategorie Off-line tím, že střídač je po celou dobu provozu v činnosti. Typ Double conversion dodává trvale do zátěže výkon ze střídače, v jehož stejnosměrném obvodu je mimo akumulátorů zapojen trvale pracující usměrňovač. Ten v normálním provozu dodává celý výkon přes střídač do zátěže. V případě výpadku napětí na síti bez jakékoliv prodlevy převezme dodávku výkonu akumulátorová baterie, takže nedojde k žádnému výpadku a změně napětí na zátěži. Tento systém má však malou účinnost (okolo 80% i méně při menších výkonech). Nevýhodu špatné účinnosti řeší uspořádání Single conversion. Existuje několik principů, jež mají ale společný znak v tom, že v případě normálního provozu je sice trvale v provozu střídač, ale není zatížen výkonem zátěže. Účinnost těchto typů se pohybuje v 90 až 95 %. Použití akumulátorů v UPS přináší některé provozní odlišnosti. Nejvýznamnější je skutečnost, že zejména u menších jednotek jsou UPS umístěny v bezprostřední blízkosti zálohovaných systémů, např. výpočetní techniky(serverovny, výpočetní centra apod.) tedy se zvýšenou teplotou okolí. Provozní teplota akumulátorů je často mezi 30 a 45°C.
8. Elektrotechnika 1- termočlánky Seebeckův jev se projevuje u dvou vodičů A a B, u kterých je udržována teplota jejich spojů na rozdílných teplotách T1 > T2. V obvodě (viz obrázek) se objeví napětí a začne jím protékat proud. Seebeckův jev se tedy projeví vznikem termoelektrického napětí. Pro elektromotorické napětí ΕAB a absolutní teploty spojů platí experimentálně zjištěný vztah: ΕAB = (aA - aB) (T2 - T1) + 0,5 (bA - bB) (T2 - T1)2 ΕAB - elektromotorické napětí a, b - Seebeckovy koeficienty T - teplota Seebeckovy koeficienty se udávají vzhledem k olovu.
8. Elektrotechnika 1 – termočlánky 2 Seebeckovy koeficienty Tabulka uvádí Seebeckovy koeficienty pro různé kovy:
KOV
a [µV/K]
b [µV/K2]
Antimon
35,6
0,145
Bizmut
-74,4
0,032
Konstantan
-38,1
-0,0888
Měď Nikl
2,71 -19,1
0,0079
Koeficienty a, b jsou mj. závislé na přesném složení materiálu a jeho struktuře. Hodnoty uvedené v tabulce je z tohoto důvodu třeba brát s rezervou.
-3,02
Platina
-3,03
-3,25
Železo
16,7
-0,0297
Termočlánky- termoelektrické články-
se používají hlavně pro měření teploty. Termočlánek bývá obvykle vyroben z tenkého vodiče o průměru 0,1 - 0,5 mm, které jsou na konci svařené a uložené v keramické dvojkapiláře. Napětí článku se obvykle měří kompenzátorem nebo jiným citlivým přístrojem na jednosměrný proud.
8. Elektrotechnika 1- termočlánky 3 Tabulka uvádí často používané termočlánky a rozsah měřených teplot:
Kovy
Min.teplota Max.teplota [°C] [°C]
Konstantan - měď
- 200
400
Konstantan – železo
- 200
950
Platina - platina + 6 nebo 10 % Rh
- 200
1300
APLIKACE solárních článků Fotovoltaické články bohatě stačí při běžném osvětlení napájet různé drobné elektronické přístroje, například kapesní kalkulačky apod. Sluneční kolektory vytvořené z fotovoltaických článků poskytují již nezanedbatelný elektrický výkon a již se hojně používají jako zdroje elektrické energie v odlehlých oblastech, kam nelze zavést síť (horské chaty, napájení dopravních značek, atd. Poznamenejme, že na dopravní fakultě ČVUT byl studenty zkonstruován elektromobil napájený těmito fotovoltaickými články, který se úspěšně účastnil různých mezinárodních závodů „slunečních automobilů“.
Elektrotechnika 1 – dobíjení baterie na Airbusu Dobíjení baterie na Airbusu : Využití logických obvodů (hradel) v obvodu, který kontroluje stav nabití akumulátorů (elektrické napětí) a řídí dobíjení. Baterie se dobíjí připojením na rozvod stejnosměrného napětí DC ESS BUS. Připojení je zajištěno pomocí spínacího relé SW, které je řízeno výstupem logické sítě.
Elektrotechnika 1 – dobíjení baterie na Airbusu Důležitým ukazatelem stavu nabití baterie je její napětí, které je sledováno obvodem nazvaným Low battery voltage (nízké napětí baterie). Výstup obvodu má hodnotu log. 1 právě tehdy, klesne- li napětí baterie pod určitou mez. Konkrétně, u tohoto systému je jmenovité napětí baterie 28V. Sledovací obvod reaguje, klesne-li hodnota napětí pod 26,5V. Připojí-li se nenabitá baterie na rozvod napětí, je zřejmé, že napětí na baterii okamžitě vzroste na hodnotu napětí sítě (28V) a začne jí protékat dobíjecí proud. Stav nabití již tedy není možné posoudit pomocí napětí baterie (to je možné pouze v případě, že baterie není nabíjena) a ukazatelem stavu nabití se stává velikost nabíjecího proudu. Proud je snímán např. rezistorem (Shunt) a sledován obvodem Low battery charge current (nízký nabíjecí proud). Výstup tohoto obvodu má hodnotu log. 1, klesne-li hodnota nabíjecího proudu pod určitou mez, zde jsou to 4 A.
Elektrotechnika 1 – dobíjení baterie Airbusu Analýza obvodu pravdivostní tabulkou: Označíme výstup z přepínače symbolem AUTO, výstupní signál z bloku Low battery charge current LBCC a výstupní signál z bloku Low battery voltage LBV. Logická rovnice obvodu je: (y je výstup). Dosazením všech možných kombinací vstupů do rovnice dostáváme pravdivostní tabulku T1. Tabulka T1:
AUTO
LBCC
LBV
y
0
0
0
0
0
0
1
0
0
1
0
0
0
1
1
0
1
0
0
1
1
0
1
1
1
1
0
0
1
1
1
1
Elektrotechnika 1 – dobíjení baterie Airbusu Z tabulky vyčteme – dobíjet se může jen tehdy, je-li signál AUTO v log. 1. V tomto případě je dobíjení aktivní, je-li napětí baterie nízké (LBV=1). Má-li baterie dostatečné napětí (LBV=0), dobíjí se pouze v případě LBCC=0, tj. dobíjecí proud není malý. Uvědomme si, že vstup odpovídající řádkům, kdy LBV=1 a LBCC=0, nemůže za normálních okolností nastat (nízké napětí baterie a velký dobíjecí proud). Je to proto, že nenulový dobíjecí proud prochází jen tehdy, když je baterie připnuta na rozvod napájení a v tom případě je na ní napětí této sítě (28V).
10. Elektrotechnika 1 – Ohmův zákon Představme si, že máme nabitý kondenzátor nábojem Q a mezi elektrodami je napětí U. Spojíme-li nyní vodivě obě elektrody, náboje na obou elektrodách se vyrovnají a vodičem proteče elektrický proud I. Jednotkou elektrického proudu je jeden Ampér (A). Je to právě takový proud , který by protékal vodičem, kdyby se náboj kondenzátoru o velikosti jednoho C vyrovnával po dobu jedné sekundy. Náboj tedy můžeme vyjádřit jako součin proudu a času, po který tento proud protéká - 1Coulomb = 1As (ampérsekunda). Aby protekl proud, museli jsme spojit obě elektrody kondenzátoru vodičem. Žádný materiál za normálních podmínek (při běžné teplotě okolí) nevede elektrický proud ideálně, ale klade mu jistý odpor. O fyzikální podstatě tohoto odporu se zmíníme dále. K tomu abychom tento odpor překonali musí být na obou koncích odporu potenciálový rozdíl – napětí. Mezi proudem, napětím a odporem platí nejdůležitější vztah v elektrotechnice, Ohmův zákon,
U I= R
nebo
U = R.I
Odpor vodiče měříme v jednotkách Ohm (Ω). Odpor 1Ω má vodič, kterým při napětí 1V prochází proud právě 1A.
10. Elektrotechnika 1 – vnitřní odpor zdroje, Thevenin Vnitřní odpor zdroje – Théveninův teorém Když jsme popisovali vlastnosti zdrojů stejnosměrného proudu používali jsme zatím bez bližšího vysvětlení pojmu vnitřní odpor zdroje. Pro řešení elektrických obvodů musíme tento pojem podrobněji vysvětlit. Představme si, že máme zdroj stejnosměrného proudu, např. akumulátor. Změříme-li napětí tohoto zdroje (voltmetrem s vysokým odporem, takže jím bude protékat zanedbatelný proud) dostaneme například hodnotu 12V. připojíme-li na tento zdroj nějaký spotřebič, například žárovku, která bude odebírat proud řekněme 20 A napětí na svorkách akumulátoru poklesne například na 9,6 V. Kdybychom akumulátor zkratovali, tedy spojili jeho svorky vodičem s nulovým odporem, budou obě svorky na stejném potenciálu a napětí na nich bude rovno nule. Přitom ovšem zmíněným vodičem bude protékat velmi značný proud, například 100 A. Napětí na svorkách akumulátoru, které jsme naměřili bez průtoku proudu označujeme jako napětí naprázdno U0 a proud, který jsme naměřili při nulovém napětí na svorkách akumulátoru nazýváme proudem nakrátko Ik.
10. Elektrotechnika 1 – vnitřní odpor zdroje, Thévenin Pro obvod s Ri bude platit:
URi Iz
U0 = Ik
UR i =
U0 Iz Ik
10. Elektrotechnika 1 – vnitřní odpor zdroje Poznámka: Náhradní schéma zdroje podle Théveninova teorému je dvojí: jednak jako zdroj napětí s ideálním napěťovým zdrojem U0 nebo jako zdroj proudu s ideálním proudovým zdroje Ik. Oba náhradní obvody jsou rovnocenné. Z daných hodnot na zatíženém akumulátoru, kde napětí naprázdno U0 = 12 V, proud do zátěže Iz = 20A a proud nakrátko Ik = 300A , může být vypočten vnitřní odpor akumulátoru.
10. Elektrotechnika 1 – řazení zdrojů Při sériovém spojení zdrojů ss napětí (článků) se vnitřní odpory sčítají, takže výsledný vnitřní odpor je větší. Při nabíjení i vybíjení protéká všemi články stejný proud. Složitější situace nastává při paralelním spojení článků.
Spojíme-li paralelně dva nestejně nabité články, budou se články lišit jak napětím naprázdno, tak vnitřním odporem. Článek s vyšším napětím se bude snažit protlačit vyrovnávací proud Iv přes článek s menším napětím. Mezi články mohou protékat velké vyrovnávací proudy.
10. Elektrotechnika 1 –řazení zdrojů Příklad paralelního spojení článků: Spojíme paralelně dva články podle předchozího obrázku. Napětí naprázdno u prvního článku U1 bude 2,1V zatímco napětí naprázdno u druhého článku bude 1,8V. Vnitřní odpor prvního článku bude Ri1 =0,08Ω, vnitřní odpor druhého článku Ri2 = 0,09Ω. Rozdílové napětí mezi oběma články bude ∆U = 2,1-1,8 = 0,3V. Výsledný vnitřní odpor bude tvořen sériově zapojenými oběma vnitřními odpory Ri = 0,09 +0,08 = 0,17 Ω. Vyrovnávací proud, který bude protékat uzavřeným obvodem bude Iv = ∆U/Ri = 0,3/0,17 = 1,76 A. Vyrovnávací proud bude protékat tak dlouho, pokud se první článek nevybije natolik, že jeho napětí poklesne a druhý článek nedobije, že jeho napětí stoupne na určitou rovnovážnou hodnotu, kdy budou mít oba články stejné napětí. Pokud chceme spojovat články paralelně, je třeba spojit články vybité a paralelně spojené články společně nabíjet.
Elektrotechnika 1 – příklad na Thévenina Příklad náhradního zdroje: Budiž dán zdroj ideálního napětí U0 s vnitřním odporem Ri a odporový T článek, který bude zatěžován odporem Rz. Je třeba stanovit velikost napětí U2 na zátěži Rz.
Řešení: Požijeme nahrazení zapojení podle Thévenina, kde náhradní zdroj UTh bude mít velikost výstupního napětí U20 naprázdno.
Elektrotechnika 1 – příklad na Thévenina
R3 U20 = U0 ----------------Ri + R 1 + R 3
Elektrotechnika 1- příklad na Thévenina
Elektrotechnika 1 – princip superpozice zdrojů Stanovme velikost napětí U3 v daném obvodu se dvěma zdroji napětí:
Příspěvek ze zdroje U1 :
Elektrotechnika 1 – princip superpozice zdrojů Příspěvek ze zdroje U2 :
Výsledné napětí U3 na odporu R3 je dáno superpozicí napětí : U3 = U31 + U32
Elektrotechnika 1 – princip superpozice s nelin. komponenty. Mějme podobný obvod, v němž je ale použita dioda :
Elektrotechnika 1 – princip superpozice s nelin. komponenty Řešení: a) Při záporném napětí U1 se prakticky žádné napětí U31 nepřipočítává a výsledkem je tedy jen vliv napětí U2.
b) Při kladném napětí U1 se přičítá příspěvek ze zdroje U1, kde se k odporu R1 připočítává vnitřní odpor diody, který se pohybuje v hodnotách desítek ohmů, takže lze použít v podstatě odvozený vzorec z předchozí úlohy.
