Соединение источников питания

Соединение источников питания

К химическим источникам питания относятся источники эдс, в которых энергия протекающих химических реакций преобразуется в электрическую энергию. К химическим источникам относятся гальванические элементы, аккумуляторы и «батарейки» и пр.

Необходимость соединения элементов питания возникает в том случае, когда требуемое напряжение и ток потребителя превышают соответствующие значения источника питания.

Важным условием соединения химических источников питания в единую цепь, является равенство их эдс и внутреннего сопротивления.

Существует три способа подключения химических источников питания:

• • последовательно;
  • параллельно;
  • смешанно.

  Соединенные между собой любым способом источники питания образуют так называемую батарею, рассматриваемую в цепи как единое целое.

  Последовательное соединение источников питания

  При последовательном подключении химических источников питания отрицательный полюс одного источника соединяется с положительным полюсом следующего источника и т.д. Положительный и отрицательный полюсы последнего и первого источника батареи подключаются к нагрузке внешней цепи (рисунок 1).

  Рис. 1. Последовательное соединение источников питания

  Общая эдс батареи при последовательном соединении химических источников питания равна сумме эдс всех входящих в нее элементов

  

  Если учесть, что эдс всех источников одинаковая, предыдущее выражение может быть записано в виде

  

  где E_i – эдс каждого источника питания в батарее.

  При последовательном соединении внутренне сопротивление полученной батареи будет равно сумме сопротивлений каждого источника питания

  

  

  где R_i – внутреннее сопротивление каждого источника питания в батарее.

  При последовательном соединении источников питания, емкость батареи будет равна емкости каждого из источников питания.

  Последовательное соединение химических источников питания применяется в том случае, когда ток нагрузки не превышает номинальный ток одного элемента, а напряжение – больше эдс одного источника.

  Параллельное соединение источников питания

  При параллельном соединении положительные полюсы источников питания соединяются в один общий узел, а отрицательные – в другой узел (рисунок 2).

  

  Рис. 2. Параллельное соединение источников питания

  При данном способе соединения эдс батареи равна эдс одного любого источника, включенного в ее состав

  

  где E_i – эдс каждого источника питания в батарее.

  Внутреннее сопротивлении батареи уменьшается во столько раз, сколько источников входит в ее состав, и вычисляется по формуле

  

  где R_i – внутреннее сопротивление каждого источника питания в батарее.

  Параллельное соединение химических источников питания применяется в том случае, когда напряжение потребителя равно напряжению одного источника питания, а сила тока потребителя (нагрузки) значительно превосходит разрядный ток источника.

  Смешанное соединение источников питания

  При смешанном соединении элементы объединяются в группы последовательно соединенных элементов с равным числом источников питания. Положительные контакты каждой группы источников питания соединяются в один общий узел, а отрицательные – в другой узел (рисунок 3).

  

  Рис. 3. Смешанное соединение источников питания

  Смешанное соединение применяется тогда, когда необходимо обеспечить нагрузку напряжением и током, большим чем у входящих в состав батареи источников питания.

  Параллельное соединение резисторов.

  

  При параллельном соединении напряжения на проводниках равны:

  А для токов справедливо следующее выражение:

  То есть общий ток разветвляется на две составляющие, а его значение равно сумме всех составляющих. По закону Ома:

  Подставим эти выражения в формулу общего тока:

  А по закону Ома ток:

  Приравниваем эти выражения и получаем формулу для общего сопротивления цепи:

  Данную формулу можно записать и несколько иначе:

  Таким образом, при параллельном соединении проводников величина, обратная общему сопротивлению цепи, равна сумме величин, обратных сопротивлениям параллельно включенных проводников.

  Аналогичная ситуация будет наблюдаться и при большем количестве проводников, соединенных параллельно:

  

  Расчёт ограничительного резистора

  Взглянув на вольт-амперную характеристику светодиода, становится понятно: насколько важно не ошибиться при расчёте ограничительного резистора. Даже небольшой рост номинального тока приведёт к перегреву кристалла и, как следствие, к снижению рабочего ресурса. Выбор резистора производят по двум параметрам: сопротивлению и мощности. Сопротивление рассчитывают по формуле:

  • U – напряжение питания, В;
  • U_LED – прямое падение напряжения на светодиоде (паспортное значение), В;
  • I – номинальный ток (паспортное значение), А.

  Полученный результат следует округлить до ближайшего номинала из ряда Е24 в большую сторону, а затем рассчитать мощность, которую должен будет рассеивать резистор:

  R – сопротивление резистора, принятого к установке, Ом.

  Более подробную информацию о расчётах с практическими примерами можно получить в статье о расчете резистора для светодиода. А тот, кто не желает погружаться в нюансы, может быстро рассчитать параметры резистора с помощью онлайн-калькулятора.

  Последовательное соединение проводников

  При­бор, ос­но­ван­ный на со­про­тив­ле­нии про­вод­ни­ка, на­зы­ва­ет­ся ре­зи­сто­ром. Глав­ное свой­ство про­вод­ни­ка – это на­ли­чие у него элек­три­че­ско­го со­про­тив­ле­ния. По­это­му под сло­ва­ми «по­сле­до­ва­тель­ное со­еди­не­ние ре­зи­сто­ров», «по­сле­до­ва­тель­ное со­еди­не­ние про­вод­ни­ков» и «по­сле­до­ва­тель­ное со­еди­не­ние со­про­тив­ле­ний» мы будем по­ни­мать одно и то же.

  По­сле­до­ва­тель­ным со­еди­не­ни­ем на­зы­ва­ет­ся со­еди­не­ние, когда эле­мен­ты идут друг за дру­гом, че­ре­ду­ют­ся. Есте­ствен­но, в элек­три­че­ских цепях обыч­но ис­поль­зу­ет­ся сме­шан­ное со­еди­не­ние, то есть ком­би­на­ция по­сле­до­ва­тель­но­го и па­рал­лель­но­го со­еди­не­ний. Но на этом уроке речь пой­дет имен­но о по­сле­до­ва­тель­ных со­еди­не­ни­ях. Нужно на­учить­ся рас­счи­ты­вать элек­три­че­ские цепи, то есть вы­чис­лять на­пря­же­ние, силу тока в цепи, чтобы знать, какие при­бо­ры и как можно вклю­чать в цепь. Об этом и пой­дет речь в даль­ней­шем.

  2. Электрическая схема последовательного соединения проводников

  

  Рис. 1. По­сле­до­ва­тель­ное со­еди­не­ние ре­зи­сто­ров

  На ри­сун­ке 1 пред­став­ле­ны три ре­зи­сто­ра, ко­то­рые со­еди­не­ны друг за дру­гом. Это и есть так на­зы­ва­е­мое «по­сле­до­ва­тель­ное со­еди­не­ние». В даль­ней­шем мы будем рас­смат­ри­вать всего два ре­зи­сто­ра, ко­то­рые со­еди­не­ны по­сле­до­ва­тель­но, но смысл от этого не из­ме­нит­ся, и по­лу­чен­ные фор­му­лы будут также спра­вед­ли­вы для лю­бо­го числа про­вод­ни­ков, со­еди­нен­ных по­сле­до­ва­тель­но.

  

  2 — источник питания

  Рис. 2. По­сле­до­ва­тель­ное вклю­че­ние двух ламп в элек­три­че­скую цепь

  На ри­сун­ке 2 изоб­ра­же­но по­сле­до­ва­тель­ное вклю­че­ние двух ламп (1а и 1б). Мы за­ме­ни­ли ими про­вод­ни­ки, но суть от этого не по­ме­ня­ет­ся, так как лампы также имеют свое со­про­тив­ле­ние. Также в цепи при­сут­ству­ет ам­пер­метр (А) для из­ме­ре­ния силы тока в цепи. Есть еще 2 важ­ных эле­мен­та: это вольт­мет­ры V₁ и V₂, ко­то­рые из­ме­ря­ют на­пря­же­ние (или па­де­ние на­пря­же­ния) со­от­вет­ствен­но на лам­пах 1а и 1б. Еще есть ис­точ­ник пи­та­ния (2) и ключ (3). Если ключ разо­мкнут, то ток в цепи не течет. Если же его за­мкнуть, то с по­мо­щью при­бо­ров можно из­ме­рить силу тока и на­пря­же­ние в цепи. При­ме­ром та­ко­го со­еди­не­ния яв­ля­ет­ся ёлоч­ная гир­лян­да, по­сколь­ку на самом деле она пред­став­ля­ет собой по­сле­до­ва­тель­но со­еди­нен­ные лампы (рис. 3).

  

  

  Рис. 3. Ёлоч­ная гир­лян­да

  3. Измерения силы тока и напряжения в цепи при последовательном соединении

  Те­перь по­смот­рим, что же про­изой­дет, если за­мкнуть ключ. Рас­смот­рим схему на рис. 4, ко­то­рая от­ли­ча­ет­ся от схемы, изоб­ра­жен­ной на рис. 2 толь­ко тем, что ам­пер­метр рас­по­ло­жен между лам­па­ми.

  

  2 — источник питания

  3- замкнутый ключ

  Рис. 4. Вклю­че­ние ам­пер­мет­ра между лам­па­ми

  Ам­пер­метр из­ме­нил свое по­ло­же­ние в цепи. Но если смот­реть на его по­ка­за­ния, то они не из­ме­нят­ся при пе­ре­ме­ще­нии ам­пер­мет­ра в любое место на схеме по­сле­до­ва­тель­но­го со­еди­не­ния. Зна­чит, можно ска­зать, что сила тока в лампе 1а (I₁) будет равна силе тока в лампе 1б (I₂) и равна об­ще­му току, про­те­ка­ю­ще­му в элек­три­че­ской цепи. То есть I₁ = I₂ = I. Это можно срав­нить с те­че­ни­ем реки: ко­ли­че­ство воды, про­те­ка­ю­щее за одно и то же время в раз­ных ме­стах этой реки, будет оди­на­ко­во.

  Стоит также учесть, что, хоть и вольт­мет­ры со­еди­не­ны па­рал­лель­но с лам­па­ми, это при­бо­ры выс­ше­го ка­че­ства с очень вы­со­ким со­про­тив­ле­ни­ем. Зна­чит, ток через них будет идти ми­ни­маль­ный, и такое ис­ка­же­ние можно не учи­ты­вать.

  Те­перь рас­смот­рим схему, когда вольт­метр из­ме­ря­ет на­пря­же­ние сразу на двух лам­пах (рис. 5):

  

  Рис. 5. Из­ме­ре­ние на­пря­же­ния на двух лам­пах

  На рис. 4. вольт­мет­ра­ми V₁ и V₂ из­ме­ря­лось на­пря­же­ние на каж­дой из ламп 1а и 1б. На дан­ном ри­сун­ке вольт­метр V из­ме­ря­ет на­пря­же­ние (или па­де­ние на­пря­же­ния) сразу на двух лам­пах. Ока­зы­ва­ет­ся, что по­ка­за­ния вольт­мет­ра V, можно вы­чис­лить как сумму по­ка­за­ний вольт­мет­ров V₁ и V₂. То есть общее па­де­ние на­пря­же­ния на двух лам­пах (U) равно сумме па­де­ний на­пря­же­ния на каж­дой лампе в от­дель­но­сти (U₁ и U₂). Тогда U = U₁ + U₂.

  Стоит об­ра­тить вни­ма­ние, что все рас­суж­де­ния от­но­си­тель­но силы тока, на­пря­же­ния верны лишь при усло­вии, что мы ис­поль­зо­ва­ли одни и те же лампы, ис­точ­ни­ки тока, вольт­мет­ры.

  4. Эквивалентное сопротивление последовательно соединенных проводников

  За­вер­ша­ю­щим зве­ном в ис­сле­до­ва­нии по­сле­до­ва­тель­но­го со­еди­не­ния про­вод­ни­ков яв­ля­ет­ся фор­му­ла для об­ще­го со­про­тив­ле­ния: R_общ = R₁ + R₂.

  До этого мы рас­смат­ри­ва­ли зна­че­ния силы тока, на­пря­же­ния на раз­лич­ных участ­ках цепи. Но ис­сле­до­ва­ли мы про­вод­ни­ки (лампы, ре­зи­сто­ры), а их глав­ной ха­рак­те­ри­сти­кой яв­ля­ет­ся со­про­тив­ле­ние. Обыч­но во всех элек­три­че­ских цепях пы­та­ют­ся опре­де­лить эк­ви­ва­лент­ное (общее) со­про­тив­ле­ние цепи, о ко­то­ром мы го­во­ри­ли на преды­ду­щем уроке. То есть это такое со­про­тив­ле­ние, что можно за­ме­нить те­ку­щую цепь из по­сле­до­ва­тель­ных про­вод­ни­ков дру­гим про­вод­ни­ком, но с этим эк­ви­ва­лент­ным со­про­тив­ле­ни­ем. В дан­ном слу­чае это со­про­тив­ле­ние со­от­вет­ству­ет со­про­тив­ле­нию двух ламп, ко­то­рые со­еди­не­ны по­сле­до­ва­тель­но.

  Рас­смот­рим, как была по­лу­че­на фор­му­ла для эк­ви­ва­лент­но­го со­про­тив­ле­ния. Для этого сле­ду­ет об­ра­тить­ся к за­ко­ну Ома: . От­сю­да можно по­лу­чить вы­ра­же­ние для со­про­тив­ле­ния: . Те­перь сле­ду­ет вспом­нить, что в слу­чае по­сле­до­ва­тель­но­го со­еди­не­ния (в про­стей­шем слу­чае – двух ламп) общее на­пря­же­ние скла­ды­ва­лось из на­пря­же­ний на от­дель­ной лампе: U = U₁ + U₂. Учи­ты­вая, что сила тока при по­сле­до­ва­тель­ном со­еди­не­нии на всех участ­ках цепи оди­на­ко­вая, то можно раз­де­лить на нее обе части ра­вен­ства:

  

  Можно уви­деть, что каж­дая дробь есть не что иное, как со­от­вет­ству­ю­щее со­про­тив­ле­ние. Тогда R = R₁ + R₂, где R – эк­ви­ва­лент­ное со­про­тив­ле­ние. Зна­чит, чтобы узнать эк­ви­ва­лент­ное со­про­тив­ле­ние про­вод­ни­ков, со­еди­нен­ных по­сле­до­ва­тель­но, надо сло­жить зна­че­ния их со­про­тив­ле­ний. При этом общее со­про­тив­ле­ние будет все­гда боль­ше лю­бо­го из со­про­тив­ле­ний, вклю­чен­ных в такую цепь.

  В за­клю­че­ние урока стоит от­ме­тить, что если в цепи про­вод­ни­ков, ламп или дру­гих при­бо­ров, ко­то­рые со­еди­не­ны по­сле­до­ва­тель­но, пе­ре­го­рит один из при­бо­ров, то цепь разо­мкнет­ся. Осталь­ные при­бо­ры также пе­ре­ста­нут ра­бо­тать. При­ме­ром этому яв­ля­ет­ся все та же елоч­ная гир­лян­да: если пе­ре­го­ра­ет одна лам­поч­ка, то вся гир­лян­да пе­ре­ста­ет све­тить­ся. Это яв­ля­ет­ся ос­нов­ным недо­стат­ком по­сле­до­ва­тель­но­го со­еди­не­ния.

  Плюсы и минусы последовательного соединения светодиодов

  Плюс один и большой — дешевизна в конструкции.

  Минусов же при последовательном соединении как минимум два:

  1. Если выйдет из строя хотя бы один светодиод, естественно погаснет и вся цепочка. Тут, правда, можно еще один плюс найти… Если диод закоротит, то цепь не оборвется и остальные чипы продолжат свою работу.
  2. Если светодиодов много, то низковольтное питание реализовать архисложно. А это уже проблема. Особенно, если необходимо иметь безопасность в первую очередь.

  § 2.8. Электрические цепи. Последовательное и параллельное соединения проводников

  Очень часто в электрических цепях в одной точке сходятся несколько (больше двух) проводников. Например, при включении вольтметра для измерения напряжения на зажимах лампы (рис. 2.18) в точках 1 и 2 сходятся по три проводника. Такие точки называются точками разветвления или узлами.

  

  На рисунке 2.19 в точке разветвления А сходятся пять проводников. Обозначим силу тока в них I₁, I₂, I₃, I₄ и I₅. Из рисунка видно, что токи I₁, I₂, I₃ направлены к узлу и за произвольный промежуток времени At приносят в этот узел суммарный заряд (I₁ + I₂ + I₃) Δt.

  

  Токи I₄ и I₅ направлены от узла и уносят за это же время заряд (I₄ + I₅) Δt. Полное изменение заряда в узле за промежуток времени Δt равно:

  

  В цепи постоянного тока потенциалы всех точек цепи, а значит, и узлов, должны оставаться неизменными. Следовательно, в этих узлах не могут накапливаться электрические заряды ни положительного, ни отрицательного знака. В частности, для узла А изменение заряда Δq должно равняться нулю для любого интервала времени, т. е.

  

  Рассматривая силу тока как алгебраическую величину, имеющую знак «плюс», если ток подходит к узлу, и знак «минус», если ток направлен от узла, последнее равенство можно записать так:

  

  Если в узле сходятся N токов, то

  

  Это равенство называется первым правилом Кирхгофа: алгебраическая сумма сил токов в проводниках, сходящихся в узле, равна нулю.

  Последовательное соединение проводников

  Последовательным соединением проводников называется такое их соединение, при котором конец первого проводника соединяется с началом второго, конец второго — с началом третьего и т. д. На рисунке 2.20 показано последовательное соединение трех проводников, имеющих сопротивления R₁, R₂, R₃.

  

  При последовательном соединении проводников выполняется ряд простых соотношений.

  1. Сила тока во всех последовательно соединенных проводниках одинакова:

  

  2. Напряжение (или разность потенциалов) на концах рассматриваемого участка цепи равно сумме напряжений на отдельных проводниках:

  

  В справедливости равенства (2.8.4) можно убедиться и непосредственным измерением при помощи вольтметра напряжений на всем участке цепи и на отдельных проводниках.

  3. Согласно закону Ома напряжения на отдельных проводниках равны:

  

  Отсюда следует, что

  

  

  При последовательном соединении напряжения на проводниках пропорциональны их сопротивлениям.

  4. Разделив равенство (2.8.4) почленно на силу тока I, получим:

  

  

  где R — сопротивление всего рассматриваемого участка цепи. Таким образом, сопротивление участка цепи, состоящего из нескольких последовательно соединенных проводников (общее сопротивление), равно сумме сопротивлений отдельных проводников.

  5. Умножив теперь все члены равенства (2.8.4) на силу тока I, получим:

  

  

  Мощность тока на всем участке цепи равна сумме мощностей тока на отдельных последовательно соединенных проводниках.

  Все изложенные выше выводы справедливы не только для трех, но и для любого числа последовательно соединенных проводников.

  Параллельное соединение проводников

  Параллельным соединением проводников называется такое их соединение, когда одни концы всех проводников соединяются в один узел (A), а другие концы — в другой (В) (рис. 2.21). При параллельном соединении различают ветви — отдельные проводники между узлами, разветвление — часть цепи между двумя узлами, неразветвленную часть цепи, лежащую вне разветвления.

  

  При параллельном соединении выполняются следующие соотношения:

  1. Напряжения на всех ветвях и на разветвлении одинаковы, так как все они равны разности потенциалов точек А и В:

  

  2. По первому правилу Кирхгофа

  

  Сила тока в неразветвленной части цепи равна сумме сил токов в ветвях.

  3. По закону Ома

  

  Отсюда следует, что

  

  Силы токов в ветвях обратно пропорциональны сопротивлениям этих ветвей.

  4. Сопротивлением разветвления R называют сопротивление такого проводника, которым можно заменить разветвление без изменения силы тока в неразветвленной части цепи и напряжения между узлами.

  Заменив в равенстве (2.8.9) значения сил токов, согласно закону Ома, получим:

  

  Разделив обе части равенства на U, будем иметь:

  

  Величина, обратная сопротивлению разветвления, равна сумме величин, обратных сопротивлениям отдельных ветвей.

  Если учесть, что величина, обратная сопротивлению, представляет собой проводимость проводника, то равенство (2.8.11) можно записать так:

  

  Проводимость разветвления равна сумме проводимостей ветвей.

  Заметим, что сопротивление разветвления меньше наименьшего из сопротивлений его ветвей. В самом деле, пусть сопротивление i-й ветви является наименьшим, тогда из равенства

  

  следует, (сумма больше каждого из отдельных слагаемых). Отсюда R < R_i.

  Если разветвление состоит из двух ветвей, то

  то

  

  Сопротивление двух параллельно соединенных проводников равно произведению сопротивлений этих проводников, деленному на их сумму.

  Если сопротивления отдельных ветвей равны между собой:

  

  

  

  Общее сопротивление п одинаковых параллельно соединенных проводников равно сопротивлению одного проводника, деленному на их число.

  5. Умножив обе части равенства (2.8.9) на напрязкение U на разветвлении, получим:

  

  

  Мощность тока в разветвлении равна сумме мощностей тока в отдельных ветвях.

  Смешанное соединение проводников

  На рисунке 2.22 в качестве примера приведена схема смешанного соединения проводников. В цепи имеются два последовательно соединенных участка: участок АВ, состоящий из одного резистора R1, и участок ВС, состоящий из двух параллельных ветвей.

  Так как одна параллельная ветвь имеет сопротивление R₂ + R₃ (ветвь содержит два последовательно соединенных резистора R2 и R3), а вторая — R₄ то сопротивление участка ВС

  Параллельное и последовательное соединение элементов давно известно и применяется в практической схемотехнике, для получения заданных номиналов элементов. На примере соединения резисторов это выглядит так:

  Но резистор или конденсатор имеет только один основной параметр — номинал и вариант соединения просто изменяет их результирующую (суммарную) величину.

  На практике часто используется параллельное (иногда электрохимических) и последовательное соединение источников питания.

  Последовательное соединение используется для увеличения результирующего напряжения, а параллельное — для увеличения суммарного потребляемого тока.

  Последовательное соединение электрохимических источников питания

  При последовательном соединении параметры ( E и Ri) просто суммируются,

  Самое главное, Вы должны знать:

  Как я уже говорил, каждый источник питания (любого типа) имеет свои характеристики которые можно свести к статическим и полностью определяющим его характеристики — Ri, U( E ); Эти характеристики химических источников тока могут меняться от экземпляра к экземпляру или со временем случайным образом (они зависят от множества параметров на каждом этапе технологического процесса их производства);

  Не бывает двух абсолютно одинаковых источников питания, как вообще любых электронных компонентов. (хотя для того чтобы как-то ограничить разброс применяется группировка компонентов, по ряду номиналов и ряду точности).

  Поэтому при последовательном соединении продолжительность работы химических источников тока определяется худшим в цепочке. Когда он потеряет емкость, его внутреннее сопротивление возрастет и ограничит потребляемый нагрузкой ток.

  При параллельном соединении все много сложнее.

  Отсюда вытекают большинство возникающих проблем.

  Параллельное соединении электрохимических источников питания

  При параллельном соединении электрохимических элементов (источников) питания, если не принимать мер возникают проблемы.

  Дело в том что эти элементы обладают сразу несколькими параметрами определяющими их характеристики.

  Напряжение (ЭДС) — E , и внутреннее сопротивление — Ri .

  Сразу стоит уточнить, что эти параметры сугубо индивидуальны и поэтому достаточно редко даже в одной партии они повторяются.

  Посмотрим рисунок 3, при параллельном соединении двух разных источников питания (электрохимический элемент), имеющих равное внутренне сопротивление (Например 0,25 ом, суммарное 0,5 ) и разное выходное напряжение ( U ₁ =2,2 В, U ₂ =2,1 В, Δ U= 0,1 В ) между ними появляется ток перетекания I _пер равный 0,2 А.

  Этот ток будет существовать даже при выключенной нагрузке, пока напряжение на источниках не сравняется. Когда лучший электрохимический элемент разряжается на худший — это потеря их суммарной емкости.

  Поэтому параллельное соединение отдельных элементов электрохимических источников тока не рекомендуется. Возможно параллельное соединение (резервирование) последовательных батарей элементов с применением специальных устройств защиты (см. рис. 6) от токов перетекания или коммутаторов.

  Фотоэлектрические элементы — элементы солнечных батарей

  Немного иная ситуация получается при параллельном соединении элементов солнечных батарей, которая определяется свойствами самого солнечного элемента. Это генерация тока под действиями квантов света попадающих на плоский p-n переход достаточно большой площади. Солнечный элемент имеет вольт-амперную характеристику подобную полупроводниковому диоду с соответствующими отклонениями присущими p-n переходам большой площади.

  Поэтому для солнечного элемента токи перетекания отсутствуют. Но наличие в параллельно соединенных элементах Δ U, приводит к тому что при малом отборе тока элемент с меньшим напряжением просто отключается. А при высоком отборе мощности ток нагрузки каждого элемента разный и определяется током нагрузки на каждом элементе при данном напряжении нагрузки U. см. рис. 5.

  

  Посмотрим на примере вольт амперной характеристики элемента солнечной батареи, что происходит при их параллельном соединении, как показано на Рис. 1б. Примерный график вольт амперной характеристики приводится ниже.

  

  На рис. 5 видим, что при равном напряжении U н элемент SC3 генерирует ток I ₁ меньший тока генерируемого элементом SC4 равного I ₂ . В результате суммарный ток нагрузки равен:

  То есть при данном U н отдаваемая соединенными параллельно элементами мощность равна:

  Этот требует, чтобы не перегружать лучшие элементы, группировать при параллельном соединении элементы с близкими токами (характеристиками в рабочих точках).

  А еще лучше формировать последовательно соединенные группы элементов на номинальное напряжение с последующим их соединением в параллельные группы заданной мощности.

  Совместная работа батарей химических элементов

  Часто рекомендуют при параллельном подключении батареи электрохимических источников использовать включенные последовательно с каждой батареей диоды, которые предотвратят токи перетекания. Но условия равенства их выходного напряжения (максимальной близости) сохраняется. Это особенно важно именно для электрохимических источников питания, которые имеют ограничения по разрядному току. В случае его превышения сокращается ресурс. Схема включения показана на рис. 6.

  Здесь необходимо учитывать, что выходное напряжение такой батареи меньше на 0,3 -:- 0,8В (падение напряжения на p-n переходе диода при его прямом смещении) чем у батареи без защитных диодов. Как видно из величины потери напряжения использовать эту схему для параллельного соединения отдельных элементов не экономично. Велики потери мощности.

  Диоды так же позволяют использовать горячую замену батареи, поскольку при подключении свеже заряженной батареи диод разряженной просто будет заперт.

  Блоки питания

  Свои особенности при параллельном соединении имеют и блоки питания работающие на общую нагрузку.

  Все типы блоков (сетевые 50 Гц и импульсные — в том числе повышающие и понижающие преобразователи постоянного тока в постоянный) содержат в своем составе преобразователь напряжения (трансформатор или электронный импульсный преобразователь с трансформатором) и выпрямляющее устройство на выходе — диодные выпрямители. На рис. 7 показано такое соединение.

  

  В данной схеме, как при параллельном соединении солнечных элементов, не существует статических токов перетекания, они пресекаются диодными выпрямителями которые, как известно, имеют очень большое обратное сопротивление.

  Обязательное условие при таком включении блоков питания это: равенство напряжений и наличие соединения общих точек обоих источников питания показанных на рис. 7 пунктирной линией красного цвета. Это условие определяется, как понятно из сказанного выше, а равномерной нагрузкой каждого источника питания.

  Но она, как любая система, имеет свои особенности.

  Это импульсные токи перетекания при зарядке фильтрующего конденсатора с меньшим напряжением (например U2 ) от БП1, где напряжение больше. После выравнивания напряжения ток перетекания уменьшается до нуля.

  В реальности напряжение на выходе БП1 и БП2 разное. И поэтому рассматриваем работу такой связки учитывая дополнительные параметры показанные на рис 8 .

  

  Известно, что каждый блок питания имеет свое внутреннее сопротивление Ri, а за счет системы стабилизации его величина существенно снижается. Практически Ri определяет КПД блока питания и желательно чтобы соотношение Rн/ Ri было максимальным. Поскольку ток нагрузки блока питания определяется суммой Ri и Rн, а как мы уже знаем Ri -> min, то можно считать, что он целиком определяется R н.

  В связке двух параллельно включенных блоков питания нагружается только тот БП который имеет более высокое выходное напряжение. То есть I н = I ₁ . Это будет продолжаться до тех пор пока выходное напряжение (за счет падения напряжения на Ri ) не начнет падать (система стабилизации не сможет его поддерживать, когда ток нагрузки достигнет максимального, в этом случае начнет расти внутреннее сопротивление нагруженного блока питания Ri. ). Второй БП будет до этого будет работать в режиме холостого хода.

  Такой режим работы нельзя считать нормальным.

  Кроме выравнивания выходного напряжения — известно другое решение проблемы, это включение последовательно с выходом каждого БП небольшого выравнивающего резистора, который как бы увеличивает его внутреннее сопротивление, в результате чего выходное напряжение падает и включается в работу блок питания имеющий меньшее напряжение. Причем их величина одинакова для обоих.

  Величина этого сопротивления от 1% до 10% от R н и зависит от разницы выходных напряжений и мощности нагрузки.

  Недостаток данного решения потери мощности в выравнивающих резисторах.

  Но, для равномерной загрузки, требование максимального сближения U1 и U2 остается.

  Заключение

  В Интернет форумах множество публикаций посвященных параллельному включению и только единичные сообщения о фатальных результатах. эти единичные случаи возможны из-за скрытых неисправностей блоков питания или большой разницы выходных напряжений.

  Параллельное соединение выходных цепей блоков импульсных питания возможно. Но при этом для равномерной загрузки их выходные напряжения должны быть максимально близки. В случае невыполнение этого условия возможна перегрузка БП с большим напряжением.

  голоса

  Рейтинг статьи
  Читайте так же:

  Проходной выключатель для трех лампочек