ПОДКЛЮЧЕНИЕ ИСТОЧНИКОВ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ К АККУМУЛЯТОРАМ

Upload

Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.

9_Законы постоянного тока

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.

В
тех случаях, когда номинальное напряжение
или номинальный ток и мощность источника
электрической энергии оказываются
недостаточными для питания приемников,
вместо одного используют два или больше
источников. Существуют два основных
способа соединения источников:
последовательное и параллельное.

Последовательное
соединение (рис. 1.18) осуществляется
обычно таким образом, чтобы ЭДС источников
были направлены в одну сторону. Характерным
для последовательного соединения
является один и тот же ток I
всех источников, на который каждый их
них должен быть рассчитан.

По
второму закону Кирхгофа

Соединяя
источники последовательно, можно
получить более высокое напряжение U
на выходных выводах а и b,
для чего и используется данный способ
соединения.

Электрическая
цепь рис. 1.18 может быть заменена цепью
с эквивалентным генератором, имеющим
параметры Еэ и r0э
(рис. 1,19). Согласно методу эквивалентного
генератора ЭДС Еэ при холостом ходе (r
= ∞, I
= 0) должна быть равна напряжению холостого
хода, Еэ = Ux.
Учитывая это, на основании второго
закона Кирхгофа для цепи рис. 1.18 получим

При
параллельном соединении источников
(рис. 1.20) соединяются между собой
положительные выводы всех источников,
а также их отрицательные выводы.
Характерным для параллельного соединения
является одно и то же напряжение U
на выводах всех источников. Для
электрической цепи рис 1.20 можно написать
следующие уравнения:

Как
видно, при параллельном соединении
источников ток и мощность внешней цепи
равны соответственно сумме токов и
мощностей источников. Параллельное
соединение источников применяется в
первую очередь тогда, когда номинальные
ток и мощность одного источника
недостаточны для питания приемников.
На параллельную работу включают обычно
источники с одинаковыми ЭДС, мощностями
и внутренними сопротивлениями. Используя
метод узлового напряжения, нетрудно
показать, что в этом случае при отключенной
внешней цепи токи источников будут
равны нулю, а при подключенной внешней
цепи они будут одинаковыми.

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).

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).

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).

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

Журнал РАДИОЛОЦМАН, июль 2016

Arthur Russell, Vicor Corporation

Существует множество причин, которые могут побудить разработчика к параллельному включению источников питания постоянного тока. Некоторые из них обусловлены экономическими и логистическими аспектами, другие направлены на обеспечение требуемого тока системы, уровня характеристик и надежности.

Если рассматривать вопрос с непроектной стороны, возможность параллельного включения источников питания может позволить использовать одну модель блока питания во всей номенклатуре выпускаемых изделий, как отдельно, так и в различных комбинациях. Это может упростить поиск комплектующих, увеличить объем закупок однотипных устройств и оптимизировать управление запасами.

С технической точки зрения обосновать необходимость параллельного включения источников питания, конечно же, сложнее. Во-первых, это может быть своеобразной «страховкой» на случай, если выяснится, что реальный ток, требуемый продукту, превышает планируемый. Такое может произойти, например, из-за отсутствия компонентов с более низким потреблением мощности, или же после дополнительных маркетинговых исследований, показавших необходимость добавления новых функций. Во-вторых, параллельное соединение может обеспечить избыточность N+1, и даже N+2 для защиты от одиночных отказов, или возможность горячей замены отказавшего источника без воздействия на систему. В-третьих, можно использовать известные, проверенные источники питания с хорошо изученными характеристиками и типоразмерами, чтобы снизить неопределенность и проектные риски. Наконец, это позволяет «перераспределять тепло» за счет дополнительной гибкости в физическом размещении преобразователей энергии, если одно более мощное устройство в ограниченном объеме рассеивает слишком много тепла.

Из гибкости и потенциальных преимуществ соединения нескольких источников вытекает очевидный вопрос: всякий ли блок питания без изменений, «как есть» может быть использован в параллельной конфигурации? Ответом будет «нет». Это зависит от конструкции источников, технологии соединения, а также от причин, побуждающих включать их параллельно.

На первый взгляд, самым очевидным и легким способом параллельного объединения источников будет простое соединение их выходов. Но в большинстве случаев это работать не будет, так как каждый блок питания имеет свою схему стабилизации выходного напряжения, которая не только будет стремиться восстановить это напряжение при изменениях нагрузки, но и попытается противодействовать контурам регулирования других источников.

Простое параллельное соединение традиционных источников питания с внутренним опорным напряжением и усилителем ошибки, сравнивающим это напряжение с выходным, не приведет к повышению выходной мощности всего массива. Различия в параметрах блоков питания всегда будут приводить к тому, что только один из них, с наибольшим относительно выходного опорным напряжением, будет стремиться отдавать весь ток в нагрузку, в то время как остальные не будут нагружены вовсе.

В этом случае, как только нагрузка превысит возможности этого «ведущего» источника питания, он может либо войдет в режим ограничения тока (который может быть, а может и не быть предусмотрен его конструкцией), либо будет интерпретировать перегрузку как аварийный режим, и отключится. В зависимости от типа источника, эта ситуация может привести к дисбалансу системы питания, особенно, если она возникает во время обычной работы устройства. В дальнейшем, в случае отключения источника из-за перегрузки, всю нагрузку примет на себя следующий источник с наибольшим опорным напряжением, и он точно также отключится. Это быстро приведет к обрушению всей шины питания.

Связка соединенных напрямую источников питания может функционировать нормально лишь в том случае, когда один источник работает в режиме стабилизации напряжения (CV – constant-voltage mode), а остальные – в режиме стабилизации тока (СС – constant-current mode) с чуть бóльшим выходным напряжением. Отметим, что далеко не во всех источниках питания предусмотрена возможность выбора выходного режима. Источники питания, на выходах которых установлено более высокое выходное напряжение, обеспечат постоянство выходного тока, а напряжение на выходе каждого из них будет снижаться до тех пор, пока не сравняется с напряжением источника CV. Нагрузка должна потреблять ток, достаточный для того, чтобы гарантировать, что источники, которые должны работать в режиме CC, будут оставаться в этом режиме. Следует обратить внимание, что использование двух режимов означает, что источники уже не являются строго идентичными, и тем самым одно из преимуществ параллельной конфигурации сводится на нет.

Прямое соединение становится практичным, если источники питания специально разработаны для поддержки такой топологии, или если имеется единый усилитель ошибки петли обратной связи, вырабатывающий сигнал рассогласования для всех остальных источников питания, чтобы позволить им распределить между собой отдаваемую в нагрузку мощность. Однако такой метод требует наличия «общей шины» для передачи сигналов управления от ведущего источника питания к ведомым.

Другой подход заключается в добавлении небольших балластных резисторов последовательно с выходом каждого источника питания (Рисунок 1), которые выравнивают распределение токов нагрузки между источниками в группе даже тогда, когда их схемы управления отслеживают разные выходные напряжения. Балластные резисторы несколько ухудшают качество стабилизации нагрузки, причем степень этого ухудшения зависит от величины разброса ошибок уставок, для компенсации которых используются резисторы. Однако эти балластные резисторы также рассеивают тепло, что ухудшает КПД системы.

Кто здесь главный?

Чтобы надежно и предсказуемо функционировать в общей группе, источники питания, как правило, должны специально проектироваться для параллельной работы. Необходимы синхронизация при запуске, координация цепей защиты от неисправностей и стабильность контура обратной связи.

Для группы источников питания, соединенных параллельно с целью увеличения полезного тока нагрузки, требуется использование таких методов управления петлей обратной связи, которые учитывают совместную работу источников. Распространенной стратегией является включение источников питания без внутренних усилителей сигналов ошибки, когда вместо этого все источники объединяются в группу с общим входом управления, подключенным к одному усилителю ошибки. Этот усилитель регулирует выходное напряжение системы, а затем его сигнал обратной связи распределяется между всеми источниками питания в системе.

Основным преимуществом этой популярной стратегии управления является отличная стабилизация выходного напряжения. Кроме того, ошибки распределения уходят на второй план перед производственным разбросом коэффициентов усиления широтно-импульсных модуляторов преобразователей. С другой стороны, использование одного усилителя ошибки и однопроводной шины управления создает уязвимую для неисправностей точку, которая может стать источником проблем в некоторых высоконадежных системах. Кроме того, параметрические отклонения в модуляторе трудно контролировать, что вынуждает производителя к компромиссному решению в пользу управления распределением токов нагрузки.

В варианте с общей петлей регулирования ошибки распределения токов можно сделать минимальными, если жестко ограничить разброс параметров цепей управления источников. Во избежание перегрузки какого-либо источника в группе из-за больших ошибок распределения необходимо либо снизить расчетную нагрузку группы, либо использовать определенные меры противодействия. Для выравнивания ошибок распределения токов, обусловленных разбросом параметров цепей управления, может использоваться заводская регулировка для калибровки выходных ошибок (дорогостоящий метод), или добавление в каждый источник массива локального контура стабилизации тока (что увеличит сложность схемы и количество компонентов). Для измерения тока этих локальных петель, как правило, к источнику питания добавляют резистивный шунт.

Еще один проблемой, возникающей в случае группирования изолированных источников питания, имеющих собственные узлы управления с опорными уровнями на первичной стороне DC/DC преобразователя, является передача сигнала усилителя ошибки через изолирующий барьер между первичной и вторичной частями схемы. Использование изоляции часто увеличивает стоимость решения, отбирает существенную часть ценной площади печатной платы и, в зависимости от используемых для изоляции компонентов, может неблагоприятно влиять на надежность.

Шунтирование амперметра.

Важным
примером применения последовательного
и параллельного соединения проводов
являются различные схемы включения
электроизмерительных приборов. Допустим,
что имеется некоторый амперметр,
рассчитанный на максимальный ток I _max
,
а требуется измерить большую силу тока.
В этом случае параллельно к амперметру
присоединяют малое сопротивление r, по
которому направится большая часть тока.
Его называют обычно шунтом. Сопротивление
амперметра – R, и пусть R/r=n. Сила тока в
цепи, амперметре и в шунте равны
соответственно I, I _а

и I _ш
.
Тогда,

=

=
n или I _ш

= I _а
n
Полный
ток I в цепи равен I = I _а

+ I _ш

= I _а

+ I _а
n
= I _а
(n+1)
или I _а

= I

r =

П
араллельное
присоединение шунта к измерительному
прибору с целью изменения его
чувствительности называют шунтированием.

Схема
шунтирования амперметра добавочным
малым сопротивлением r.

Этот «ИЛИ» тот?

Казалось бы, «простое» решение дилеммы прямого подключения состоит в том, чтобы всего лишь использовать диод между каждым источником питания и общей точкой, объединяющей все источники. Такой метод (Рисунок 2) обычно называют диодным «ИЛИ». Диодное «ИЛИ» очень эффективно тогда, когда нужно исключить возможность протекания тока вне общей нагрузки, но, как правило, недостаточно для устранения ошибок распределения между источниками питания с независимыми усилителями ошибки, поскольку излом характеристики проводимости диода достаточно резок для того, чтобы параметрические различия в уставках по-прежнему оставались причиной значительного дисбаланса источников.

Как правило, диодное «ИЛИ» требуется для работающих независимо источников питания, выходные токи которых могут быть как вытекающими, так и втекающими (работа в двух квадрантах). Эффект прямого параллельного соединения таких источников питания без использования диодов будет намного хуже, чем в случае одноквадрантных источников. В то время как одноквадрантные источники питания лишь теряют точность при подключении к общей нагрузке, двухквадрантные источники будут активно бороться за контроль над общим выходным напряжением. Это приведет к превышению токов, циркулирующих в группе источников питания, над током в нагрузке, и, возможно, станет причиной немедленной перегрузки одного или нескольких источников.

Кроме того, если диоды имеют отрицательный температурный коэффициент порога проводимости, они даже будут способствовать нарушению распределения токов в группе источников. Один из способов смягчения этой проблемы заключается в использовании выпрямителей с положительным температурным коэффициентом – на диодах Шоттки, или на полевых транзисторах, выполняющих функции диодов в схеме активного «ИЛИ», однако диоды могут снизить общий КПД за счет прямого падения напряжения, а активное «ИЛИ» может увеличить стоимость и сложность схемы.

В некоторых случаях диодное «ИЛИ» может способствовать повышению надежность на системном уровне. Особенно интересен случай, когда в одном из блоков питания происходит короткое замыкание выходного полевого транзистора или конденсатора, что может поставить под угрозу работу общей шины выходного напряжения. Диоды схемы «ИЛИ» быстро отсекут короткое замыкание от общей выходной шины и обеспечат устойчивость и надежность системы.

Лекция №23. Ток в электролитах. Электролиз и его законы.

Кроме
металлов существуют жидкие проводники

это водные растворы солей, кислот и
щелочей. В отличие от металлов, обладающих
электронной проводимостью, их
электропроводность возникает за счет
движения ионов.

Ионы – это атомы, у которых существует
избыток или недостаток валентных
электронов. Жидкие проводники, в которых
носителями электрического заряда
являются только ионы, назвали
электролит
ами
.
Ни дистиллированная вода, ни растворяемое
вещество в твердом состоянии (ионный
кристалл) свободных ионов не содержат,
и потому все они 
хорошие изоляторы. Следовательно, ионы
возникают только в процессе взаимодействия
молекул растворенного вещества с
молекулами воды. Процесс распада молекул
растворенного вещества на ионы под
воздействием растворителя называется
электролитической
диссоциацией.

Не все растворы являются электролитами,
например раствор сахара ток не проводит.

Чтобы
выяснить, каким образом происходит
диссоциация, рассмотрим полярную
молекулу, например NaCl
.
В растворе каждая молекула растворенного
вещества находится в окружении молекул
растворителя. Если молекулы растворителя
являются также полярными, они будут
испытывать вблизи молекулы растворенного
вещества ориентирующее действие
создаваемого ею электрического поля.
Поэтому молекулы растворителя повернутся
к положительно заряженной части молекулы
растворенного вещества своими
отрицательными «концами», а к отрицательно
заряженной части 
положительными «концами» (рисунок 23.1;
сплошным контуром обведена молекула
растворенного вещества, пунктирными
контурами 
молекулы растворителя). При таком
расположении молекул растворителя
создаваемое ими поле ослабляет связь
между разноименными нонами молекулы
растворенного вещества, вследствие
чего эта связь может оказаться разорванной
за счет энергии теплового движения.
Связь между ионами в молекуле растворяемого
вещества ослабляется тем сильнее, чем
больше диэлектрическая проницаемость
жидкости, взятой в качестве растворителя.
Из всех жидкостей самой большой
диэлектрической проницаемостью обладает
дистиллированная вода ( 

= 81
).
В соответствии с этим диссоциация
молекул в водных растворах бывает
особенно велика. Поэтому
в процессе растворения поваренной соли
за счёт тепловых соударений происходит
распад молекул на ионы

Стрелки показывают,
что процесс идёт в двух направлениях:
наряду с диссоциацией молекулы на два
иона идёт обратный процесс воссоединения
ионов в нейтральную молекулу, называемый
рекомбинацией
.

Степенью или
коэффициентом диссоциации называется
отношение числа диссоциированных
молекул электролита к общему числу его
молекул:

где n

– концентрация диссоциированных
молекул, а n
₀

– концентрация всех молекул растворяемого
вещества. Степень диссоциации зависит
от природы электролита и растворителя,
концентрации электролита n
₀

и температуры. В слабых растворах почти
все молекулы диссоциированы ( 

≈ 1
), с
повышением концентрации степень
диссоциации уменьшается (за счёт
рекомбинации). При повышении температуры

увеличивается, так как тепловое движение
способствует распаду молекул на ионы.

Конструкцию системы питания можно упростить

Поставщики источников питания могут предпринять определенные шаги, облегчающие их параллельное соединение. Например, в свои модульные DC/DC преобразователи (DC/DC Converter Module – DCM) компания Vicor встроила цепи регулирования выходного напряжения с отрицательным наклоном нагрузочной кривой, благодаря которым при увеличении тока нагрузки внутренний стабилизатор может слегка уменьшать выходное напряжение. Это эффективно действует как небольшой балластный резистор, однако, без каких-либо реальных резисторов, и с несколькими дополнительными существенными отличиями (Рисунок 3).

Во-первых, это иной способ реализации балластного резистора, не связанный с потерями энергии, поскольку при отсутствии физического резистора, соответственно, нет выделения тепла. Второе отличие касается динамической реакции, так как реальный резистор для частот до сотен килогерц может считаться бесконечно «широкополосным» элементом, вольтамперная характеристика которого остается неизменной благодаря отсутствию высокочастотных паразитных реактивных составляющих. Вследствие этого любое мгновенное изменение напряжения на резисторе приводит к немедленному соответствующему изменению тока.

В преобразователях DCM требуемая форма нагрузочной характеристики реализуется через дискретную модуляцию цифро-аналогового преобразователя, вырабатывающего опорное напряжение для усилителя ошибки. Расчет подходящего значения опорного напряжения основан, в первую очередь, на оценке величины выходного тока DCM и включает некоторое усреднение для снижения уровня шумов. Поэтому резистор, который эмулируется нагрузочной характеристикой DCM, ведет себя так, как если бы к нему был подключен параллельный конденсатор значительной емкости, и при взгляде на рисунки из технических описаний, иллюстрирующие отклик источника на скачок нагрузки, отчетливо просматривается результирующая RC-постоянная времени.

Тем не менее, такие выходные нагрузочные характеристики позволяют непосредственно соединять выходы нескольких DCM в параллель, несмотря на то, что каждый из них по-прежнему имеет свой собственный активный усилитель ошибки петли регулирования. Если активные сопротивления проводников между выходами источников и нагрузкой идентичны, регулировки выходных напряжений одинаковы, и все источники имеют одну и ту же температуру, то распределение токов нагрузки внутри группы DCM будет идеально ровным. Таким образом, соединенные параллельно DCM ведут себя как один DCM, но с бóльшим выходным током (Рисунок 4).

Благодаря отрицательному температурному коэффициенту выходного напряжения, изменения температуры отдельных устройств в группе преобразователей семейства DCM не становятся источником проблем. Если один источник нагружен больше, чем другие, его температура повысится относительно остальных устройств группы, что, в свою очередь, приведет к уменьшению его выходного напряжения. Поскольку выходные напряжения остальных источников группы параллельных DCM согласованы с напряжением нагруженного DCM, их выходы, в соответствии с их нагрузочными характеристиками, будут увеличивать свои доли токов и возвращать систему обратно к равновесию.

Аналогичные подходы к решению проблем параллельного соединения DC/DC источников питания применимы как к преобразователям, существенно более мощным, чем выпускаемые Vicor устройства серии DCM, так и к интегральным источникам питания, предназначенным для намного меньших нагрузок. Например, выпускаемый Linear Technology трехамперный LDO регулятор LT3083 поддерживает параллельную работу с использованием балластных резисторов сопротивлением 10 мОм, включенных между выходом каждого регулятора и общей выходной шиной.

Параллельное соединение источников питания является привлекательной и жизнеспособной технологией, дающей такие преимущества, как сокращение объема складских запасов, унификация продуктов, дополнительный выходной ток и избыточное резервирование по схеме N+1. Однако это должно делаться с пониманием особенностей тех или иных технологий параллельного соединения, а также с четким представлением о структуре и работе контура обратной связи, который будет обеспечивать управление группой источников питания.

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 ( B
attery M
anagment S
ystem). 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
— s
erial — с англ.  — последовательный.

P
— p
arallel — 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.

Соединение источников электрической энергии в батареи.

Часто источники
электроэнергии соединяют между собой
для питания электрических цепей.
Соединение источников в батареи может
быть последовательным и параллельным.

2) При параллельном
соединении все положительные и все
отрицательные полюсы источников тока
нужно соединить между собой. На практике
параллельно всегда соединяют источники
с одинаковой ЭДС. При параллельном
соединении ЭДС батареи равна ЭДС одного
источника E
_б


=
E
.
Сопротивление батареи всегда меньше
сопротивления одного источника. Если
цепь состоит из n

одинаковых источников, с внутренним
сопротивлением r

у каждого, то сопротивление батареи
r
_б

=
r
/
n
.
Тогда по закону Ома,

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:

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

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.

Собственная электронная и дырочная электропроводность

Полупроводники
представляют собой вещества, которые
по своей удельной электрической
проводимости занимают среднее место
между проводниками и диэлектриками.

характерен
отрицательный температурный коэффициент
электрического сопротивления. При
возрастании температуры сопротивление
полупроводников уменьшается, а не
увеличивается, как у большинства твердых
проводников. Кроме того, электрическое
сопротивление полупроводников очень
сильно зависит от количества примесей,
а также от таких внешних воздействий,
как свет, электрическое поле, ионизирующее
излучение и др.

В
полупроводниках существует
электропроводность двух видов. Так же
как и металлы, полупроводники обладают
электронной электропроводностью,
которая обусловлена перемещением
электронов проводимости. При обычных
рабочих температурах в полупроводниках
всегда имеются электроны проводимости,
которые очень слабо связаны с ядрами
атомов и совершают беспорядочное
тепловое движение между атомами
кристаллической решетки. Эти электроны
под действием разности потенциалов
могут получить дополнительное движение
в определенном направлении, которое и
является электрическим током.

Полупроводники
обладают также дырочной электропроводностью,
которая не наблюдается в металлах. В
полупроводниках кристаллическая решетка
достаточно прочна. Ее ионы, т. е. атомы,
лишенные одного электрона, не передвигаются,
а остаются на своих местах.

Отсутствие
электрона в атоме условно назвали
дыркой.

Этим
подчеркивают, что в атоме не хватает
одного электрона, т. е. образовалось
свободное место. Дырки ведут себя как
элементарные положительные заряды.

При
дырочной электропроводности в
действительности тоже перемещаются
электроны, но более ограниченно, чем
при электронной электропроводности.
Электроны переходят из данных атомов
только в соседние. Результатом этого
является перемещение положительных
зарядов – дырок – в направлении,
противоположном движению электронов.

Электроны
и дырки, которые могут перемещаться и
поэтому создавать электропроводность,
называют подвижными
носителями заряда

Принято
говорить, что под действием теплоты
происходит генерация пар носителей
заряда, т. е. возникают пары: электрон
проводимости – дырка проводимости.

Вследствие
того что электроны и дырки проводимости
совершают хаотическое тепловое движение,
обязательно происходит и процесс,
обратный генерации пар носителей.
Электроны проводимости снова занимают
свободные места в валентной зоне, т. е.
объединяются с дырками. Такое исчезновение
пар носителей называется рекомбинацией
носителей заряда.

Процессы
генерации и рекомбинации пар носителей
всегда происходят одновременно.

Полупроводник
без примесей называют собственным
полупроводником. Он обладает собственной
электропроводностью, которая складывается
из электронной и дырочной электропроводности.
При этом, несмотря на то что количество
электронов и дырок проводимости в
собственном полупроводнике одинаково,
электронная электропроводность
преобладает, что объясняется большей
подвижностью электронов по сравнению
с подвижностью дырок.

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
.

Отдельная статья про последовательное соединение
.

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:

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.