Меню

Способ соединения источников который позволяет увеличить напряжение



Последовательное и параллельное соединение источников питания

Содержание

  1. Что такое источник питания
  2. Источник питания на примере гидравлики
  3. Последовательное соединение источников питания
  4. Параллельное соединение источников питания
  5. Последовательно-параллельное соединение источников питания
  6. Пару слов о BMS (Battery Management System)

Что такое источник питания

Источник питания – это специальное устройство, которое может генерировать ЭДС. К источникам питания постоянного тока можно отнести аккумуляторы, батарейки, различные генераторы постоянного тока (лабораторный блок питания), элементы Пельтье и тд. То есть это все те устройства, которые создают ЭДС.

Источник питания на примере гидравлики

Давайте рассмотрим водобашню, в которой есть автоматическая подача воды. То есть сколько бы мы не потребляли воды из башни, ее уровень воды будет неизменным.

Схематически это будет выглядеть вот так:

Башню с автоматической подачей воды можно считать источником питания. В химических же источниках питания происходит разряд, что ведет к тому, что уровень напряжения понижается при длительной работе. А что такое напряжение по аналогии с гидравликой? Это тот же самый уровень воды)

Давайте отпилим у водобашни верхнюю часть для наглядности. У нас получится цилиндр, который заполнен водой. Возьмем за точку отсчета уровень земли. Пусть он у нас будет равняться нулю.

Теперь вопрос на засыпку. В каком случае давление на дно будет больше? Когда в башне немного воды

либо когда башня полностью залита водой так, что даже вода выходит за ее края

Разумеется, когда башня наполнена только наполовину водой, на дне башни давление меньше, чем тогда, когда в башне воды под завязку.

Думаю, не надо объяснять, что если в башне вообще нет воды, то никакого давления на дне башни не будет.

По тому же самому принципу работает батарейка или аккумулятор

На электрических схемах ее обозначение выглядит примерно вот так:

Также, чтобы получить необходимое напряжение, одноэлементные источники питания соединяют последовательно. На схеме это выглядит вот так:

Любой аккумулятор или источник постоянного тока имеет два полюса: “плюс” и “минус”. Минус – это уровень земли, как в нашем примере с водобашней, а плюс – это напряжение, по аналогии с гидравликой это и будет тот самый уровень воды.

Последовательное соединение источников питания

Теперь давайте представим вот такую ситуацию. Что будет, если в нашей обрезанной водобашне полной воды добавим еще одну такую же сверху полную воды? Схематически это будет выглядеть примерно вот так:

Как вы думаете, уменьшится давление на землю, или увеличится? Понятное дело, что увеличится! Да еще и ровно в два раза! Почему так произошло? Уровень воды стал выше, следовательно, давление на дно увеличилось.

Если “минус” одной батарейки соединить с “плюсом” другой батарейки, то их общее напряжение суммируется.

Полностью заряженная батарейка будет выглядеть как башня, полностью залитая водой с учетом того, что работает насос автоматической подачи воды. По аналогии, насос – это ЭДС.

Наполовину разряженная батарейка будет уже выглядеть примерно вот так:

Можно сказать, насос уже не справляется.

Батарейка посаженная в “ноль” будет выглядеть вот так:

Насос автоматической подачи воды сломался.

Естественно, что если вы соедините полностью заряженную и наполовину дохлую батарейку последовательно, то их общее напряжение будет выглядеть примерно вот так:

Давайте все это продемонстрируем на практике. Итак, у нас есть 2 литий-ионных аккумулятора. Я их пометил цифрами 1 и 2. С плюса каждого аккумулятора я вывел красный провод, а с минуса – черный.

Давайте замеряем напряжение аккумулятора под №1 с помощью мультиметра. Как это сделать, я еще писал в статье Как измерить ток и напряжение мультиметром.

На первом аккумуляторе у нас напряжение 3,66 Вольт. Это типичное значение литий-ионного аккумулятора.

Таким же способом замеряем напряжение на аккумуляторе №2

О, как совпало). Те же самые 3,66 Вольт.

Для того, чтобы соединить последовательно эти аккумуляторы, нам надо сделать что-то подобное:

Также как и в башнях, нам надо соединить основание одной башни с верхушкой другой башни. В источниках питания, типа аккумуляторов или батареек, нам надо соединить минус одной батарейки с плюсом другой. Так мы и сделаем. Соединяем плюс одной батарейки с минусом другой и получаем… сумму напряжений каждой батарейки! Как вы помните, на первой батарейке у нас было напряжение 3,66 В, на второй тоже 3,66 В. 3,66+3,6=7,32 В.

Мультиметр показывает 7,33 В. 0,01В спишем на погрешность измерений.

Это свойство прокатывает не только с двумя аккумуляторами, но также с их бесконечным множеством. Думаю, не стоит говорить, что если выставить в ряд штук 100 таких аккумуляторов, соединить последовательно и коснуться крайних полюсов голыми руками, то все это может завершиться даже летальным исходом.

Читайте также:  Обмотка низшего напряжения трансформатора с литой изоляцией

Параллельное соединение источников питания

Но что будет, если источники питания соединить параллельно? Давайте же рассмотрим это с точки зрения той же самой гидравлики. Имеем те же самые башни, в которых воды до самых краев:

Нет, здесь мы не будет извращаться. Мы просто соединим наши башни у самого основания трубой:

Давление на дно у каждой башни изменится? Думаю, нет. Оно останется таким же, как в одной из башен. А что поменялось? Поменялся просто объем воды. Ее стало в 2 раза больше.

Но вы можете сказать, что в первом случае у нас тоже воды стало в 2 раза больше!

Да, все оно так, но здесь важное значение имеет именно то, что давление на дно башни изменилось и стало также в два раза больше. Если сделать врезку одинакового диаметра прямо у подножия водобашни, то в случае, когда водобашни стоят одна на другой сила потока воды будет в два раза быстрее, чем если бы мы делали точно такую же врезку на картинке, где мы соединяли водобашни трубой. Более подробно эту мысль я еще озвучивал в статье про Закон Ома.

Если всю эту мысль спроецировать на наши источники питания, то получается, что при последовательном соединении у нас суммировалась напряжение, а при параллельном должна суммироваться сила тока. Но это не значит, что нагрузка, которая кушала, к примеру, 1 Ампер, после того, как мы ее цепанем к двум параллельным источникам питания, будет кушать 2 Ампера. При параллельном соединении у нас напряжение остается таким же, а вот емкость батарей увеличивается. Но нагрузка все равно будет кушать тот же самый 1 Ампер, иначе бы все это противоречило закону Ома.

Настало время все это рассмотреть на реальном примере. Итак, замеры мы уже делали. Осталось соединить два источника питания параллельно, в нашем случае это аккумуляторы li-ion:

Как вы видите, напряжение не изменилось.

При параллельном соединении источников питания должно соблюдаться условие, что на них должно быть одинаковое напряжение.

Вот сами подумайте, что может произойти, если одна из башен будет пустая?

Думаю, нетрудно догадаться, что вода из одной башни будет перетекать в другую башню, пока их уровень не выровняется (закон сообщающихся сосудов), если у одной башни сломался насос и она пустая.

То же самое и с источниками питания. Нельзя соединять источники питания разных напряжений параллельно. Это чревато тем, что вы убьете здоровые аккумуляторы, а дохлые так и останутся дохлыми или чуток зарядятся. Если разница между напряжениями аккумулятора большая, то в такой цепи может течь бешеная сила тока, которая вызовет нагрев и даже возгорание аккумуляторов.

Нельзя соединять источники питания разных напряжений параллельно

Последовательно-параллельное соединение источников питания

А кто вам мешает соединять аккумуляторы или батарейки сразу и последовательно и параллельно? Но разве так можно? Можно). На примере с водобашнями это может выглядеть вот так:

Здесь мы видим две башни, каждая из которых состоит их двух башенок, и эти две большие башни соединены с помощью трубы.

Очень часто последовательно-параллельное соединение используется в электротранспорте. Недавно я делал батарею для своего электровелосипеда из li-ion аккумуляторов 18650. Для моего электробайка требовалось напряжение в 36 Вольт. Итак, теперь включаем логику. Один аккумулятор выдает 3,6 Вольт. Чтобы получить 36 Вольт, мне надо соединить 10 аккумуляторов последовательно.

Чтобы было проще для понимания, я их нарисую не по ГОСТу:

Ура! Я получил 36 Вольт для своего электровелосипеда. Но вот проблема в том, что один такой аккумулятор может отдать в нагрузку силу тока 2800 миллиАмпер в течение 1 часа или 2,8 Ампер в течение 1 часа. Такой параметр указывается на аккумуляторах как mAh. Об этом я подробно писал в этой статье “Как измерить ток и напряжение мультиметром“.

То, что я все аккумуляторы соединил последовательно, не означает, что их емкость возросла в 10 раз. В 10 раз возросло только напряжение, так как я их соединил последовательно. То есть общая сумма получилась 36 Вольт и все те же самые 2800 mAh как и у одного аккумулятора.

Поэтому, чтобы увеличить емкость, я должен в параллель этой ветви соединить точно такую же ветвь из аккумуляторов, иначе мой электровелосипед не проедет и пару тройку километров. Я ведь хочу кататься весь день!

Сказано – сделано. Цепляем еще одну ветвь в 36 Вольт. Вы ведь не забыли правило, что при параллельном соединении у нас напряжение должно быть одинаково? В результате мы получаем что-то типа этого:

Итого, мы получили те же самые пресловутые 36 Вольт, но вот емкость увеличилась в два раза. 2800 mAh +2800 mAh = 5600 mAh. Ну вот, с такой батареей можно проехать уже чуть дальше. Но мне этого тоже показалось мало, поэтому я добавил еще 2 ветви. В результате моя самопальная батарея для электровелосипеда схематически, по идее, должна выглядеть вот так:

Читайте также:  Пид регулятор напряжения что это

Пару слов о BMS (Battery Management System)

Дело в том, что для того, чтобы управлять зарядом, предохранять от короткого замыкания и управлять силой выдаваемого тока к такой батарее надо приделать плату BMS ( Battery Managment System). Самые простые выглядят вот так:

Чуть получше и дороже:

10S 36V на BMS говорит нам о том, что эта BMS рассчитана для 10 аккумуляторов, включенных последовательно. Если на каждом аккумуляторе будет по 3,6 В, следовательно, 10х3,6=36 Вольт что и написано на самой BMS.

Discharge current – ток разрядки, то есть максимальный выдаваемый ток

Charge current – ток зарядки, то есть максимальный ток заряда

Внутри такой платы имеется все, чтобы полностью управлять состоянием батареи.

Схемы подключения таких BMS выглядят примерно вот так:

Как вы видите, у нас BMS вроде как должна заряжать только 10 банок в ряд. Но в нашей самопальной батарее их 40. Что же делать? Почему бы вместо одной банки не поставить в параллель 4 банки и не обмануть BMS?

Получается, схема с BMS 10s4p под плату с BMS будет выглядеть вот так:

В сообществе электронщиков и самоделкиных такая батарея называется 10S4P. Расшифровывается очень просто:

S – serial – с англ. – последовательный.

P – parallel – параллельный.

В нашем случае 10 аккумуляторов последовательно и 4 в параллель – 10S4P. Все до боли просто)

А вот выглядит моя самопальная батарея для электровелосипеда пока что без модуля BMS.

Источник

Как повысить переменное и постоянное напряжение?

В быту и на производстве широко используются электрические и электронные приборы различного назначения. Необходимое условие их функционирования — подключение к электрической сети или иному источнику электрической энергии. Из соображений упрощения создания и последующей эксплуатации сети или источника целесообразно, чтобы выходное напряжение имело определенное значение. Например 220 В бытовой сети переменного тока и 12 В автомобильной сети постоянного тока.

На практике применяются сети как постоянного, так и переменного тока. Например, бытовая 220-вольтовая сеть функционирует на переменном токе, а бортовая автомобильная сеть использует постоянный ток. В зависимости от разновидности сети повышение напряжения до нужного значения решается в них по-разному.

При обращении к современной микроэлектронной элементной базе реализующие эти функции устройства при солидной выходной мощности обладают очень хорошими массогабаритными показателями. Для иллюстрации этого положения на рисунке 1 показан пример платы со снятым корпусом повышающего преобразователя постоянного тока.

В этой статье мы рассмотрим, как повысить напряжение постоянного и переменного тока и как это делать правильно.

Повышение переменного напряжения

Разновидности трансформаторов

Наиболее простой способ увеличения переменного напряжения – установка между выходом сети и питаемой нагрузкой повышающего трансформатора. Применяемые на практике устройства делятся на две основные разновидности. Первая — классические трансформаторы, вторая — автотрансформаторы. Схемы этих устройств приведены на рисунке 2.

Классический трансформатор содержит две обмотки: первичную или входную с числом витков W1, а также вторичную или выходную с числом витков W2. Для трансформатора действует правило U выхода = K×U входа, где K = W2/W1 – коэффициент трансформации. Таким образом, в повышающем трансформаторе количество витков вторичной обмотки превышает таковое у первичной.

Повышающий авторансформатор содержит единственную обмотку с W2 витками. Сеть подключается на часть W1 ее витков. Повышение U происходит за счет того, что магнитное поле, создаваемое при протекании тока через входную часть общей обмотки, наводит ток уже во всей обмотке W2. Расчетная формула автотрансформатора аналогична обычному: U выхода = K×U входа, где K = W2/W1 – коэффициент трансформации.

Особенности трансформаторов

Эффективность функционирования трансформаторов наращивают применением сердечника из электротехнической стали. Этот компонент

  • увеличивает КПД устройства за счет уменьшения рассеяния магнитного поля в окружающем пространстве;
  • выполняет функцию несущей силовой основы для обмоток.

Неизбежные потери на вихревые тока уменьшают тем, что сердечник представляет собой наборный пакет из тонких профилированных изолированных пластин.

При прочих равных условиях целесообразно использовать трансформатор. Это связано с тем, что не пропускает постоянный ток, т.е. обеспечивает гальваническую развязку сети от приемника, позволяя добиться большей электробезопасности.

Особенность трансформатора — его обратимый характер, т.е. в зависимости от ситуации он может одинаково успешно выполнять функции повышающего и понижающего устройства. Единственное серьезное ограничение — необходимость соблюдения штатных режимов работы первичной и вторичной обмоток.

В отличие от компьютерных розеток, называемых RJ45, в различных странах при устройстве бытовых сетей электроснабжения устанавливают различные типа розеток. Известны, например, розетки, немецкого, французского, английского и иных стандартов или стилей. Поэтому на трансформатор малой мощности целесообразно возложить функции адаптера, который за счет разных типов вилок и гнезд обеспечивает механическое согласование сети и нагрузки. Пример такого устройства изображен на рисунке 3.

Читайте также:  F 00m 144 109 регулятор напряжения генератора

Лабораторные автотрансформаторы ЛАТР

Сильная сторона автотрансформатора – простота регулирования выходного напряжения простым перемещением токосъемного контакта по обмотке. Устройства, допускающие выполнение этой опции, известны как лабораторные автотрансформаторы ЛАТР. Отличаются характерным внешним видом за счет наличия регулятора напряжения и вольтметра для его контроля, рисунок 4.

ЛАТР востребованы не только в лабораториях. Они массово применяются в гаражах, на садовых участках и других местах, где из-за перегрузки и износа линии напряжение в розетке оказывается ниже минимально допустимого.

При колебаниях сетевого напряжения вместо обычного ЛАТР целесообразно использовать стабилизатор, куда он входит в виде одного из блоков.

Источник

Способы соединения источников тока.

В данной схеме «плюс» одного источника соединяется с «минусом» другого.

При этом ЭДС источников складываются Е0бщ = Е1 + Е2,поэтому данный способ

используется для увеличения общего напряжения Uобщ = U1 + U2. Применяется тогда, когда напряжение для потребителя недостаточно, но один источник тока способен выдержать весь ток нагрузки.

Прим. Т.к. общий ток в цепи (в том числе и в самих источниках увеличивается), то время их работы становится меньше (быстрей расходуется емкость).

При параллельном соединении «плюс» одного источника соединяется с «плюсом» другого (соответственно соединяются и «минусы»).

При равенстве ЭДС, ток через потребитель не изменяется, но уменьшается ток через каждый из источников, что позволяет поддержать большой ток нагрузки (если для одного источника потребитель слишком мощный). Но при этом очень важно чтобы источники имели одинаковые параметры (то есть были одного и того же типа — Е1 = Е2, r 1 =r 2), иначе между ними будут проходить вредные уравнительные токи, которые могут повредить их.

Параллельное соединение применяется, когда мощный потребитель нужно запитать от маломощных источников.

Прим. За счет меньшего тока, проходящего через каждый источник, расход электроэнергии на них уменьшается, а время работы увеличивается.

Выполняется, когда нужно увеличить и напряжение и поддержать большой ток нагрузки.

Т.е. когда ЭДС одного источника не хватает для напряжения на потребитель

и один источник не способен выдержать весь ток нагрузки

Работа и мощность электрического тока

Работа тока – это энергия, которая выделяется при прохождении тока по проводнику. Работа электрического тока равна произведению напряжения, тока и времени. Работа электрического тока измеряется в Вт· сек, кВт· час ( kW · h )

А = U · I · t , [Вт · сек ]. 1 кВт · ч = 3600000 Вт · сек

Мощность – это работа (энергия), совершенная (выделенная) за единицу времени. P = А/t ;

Электрическая мощность равна произведению напряжения на силу тока. P = U · I , [Вт, W ], (Ватт)

Мощность любой электрической машины определяет:

1) способность машины преодолевать механическую нагрузку на валу;

2) расход электроэнергии;

3) силу тока в цепи.

Прим. При включении в бытовую электрическую сеть напряжением 220В электрического прибора мощностью в 1 кВт в цепи протекает ток около 4,5 А.

Тепловое действие тока.

Количество тепловой энергии, которая выделяется при прохождении тока по проводнику, определяется законом Джоуля – Ленца.

Q = I ² · R · t , [Дж] (Джоуль).

Прим. 1 Дж = 1 Вт · сек, 1л.с .(лошадиная сила)≈760Вт

1.20. Плотность тока.

Плотность тока определяет силу тока на один квадратный миллиметр площади сечения проводника.

δ (дельта(греческий)) = I / S, [А/ мм² ]

В зависимости от материала проводника, класса изоляции, типа проводки и условий охлаждения определяют номинальную и допустимую (предельную) плотность тока, превышение которой может повредить изоляцию

Пример (для алюминиевых проводов) : δ ном ≈ 6 —— , δ доп ≈ 9 ——

при большей плотности тока плавится изоляция. Это значит, что стандартная алюминиевая проводка сечением 2.5 мм² рассчитана на ток 16А (мощность около 3,5кВт). Предельный ток 23 – 24 А (около 5 кВт). Для медного провода данные значения выше на 30-40%.

Упрощенно, для подбора сечения проводов, используется следующее соотношение: для алюминия – 1 мм² сечения на 1кВт. Для меди — 1 мм² на 2 кВт мощности потребителей.

Это повышенное сопротивление контактов из–за их подгара, малой площади контакта, силы нажатия, окисления и т.п. Из-за недостаточной эффективной площади контакта увеличивается плотность тока и происходит переброс тока по воздуху в виде искрения. Нагрев контактов ускоряет процесс окисления, качество контакта еще более ухудшается.

Для уменьшения переходного сопротивления контакты зачищают, облуживают, вставляют в наконечники, соединяют клеммами, спаивают, выполняют посеребрение контактных поверхностей

Источник