Что такое источник питания
Источник питания – это специальное устройство, способное генерировать ЭДС. К источникам питания постоянного тока относятся аккумуляторы, батареи, различные генераторы постоянного тока (лабораторный источник питания), элементы Пельтье и т д. То есть это все те устройства, которые создают ЭДС.
Источник питания на примере гидравлики
Рассмотрим водонапорную башню с автоматической подачей воды. Это означает, что сколько бы мы ни использовали воды из башни, уровень воды останется неизменным.
Схематично это будет выглядеть так:
Источником питания можно считать башню с автоматическим водоснабжением. В химических источниках питания возникает разряд, вызывающий падение уровня напряжения при длительной работе. А что такое напряжение по аналогии с гидравликой? Это тот самый уровень воды
Отпилим для наглядности верхнюю часть водонапорной башни. У нас получится цилиндр, который наполнен водой. Начнем с уровня земли. Пусть он равен нулю.
Теперь вопрос на доработку. В каком случае давление на дно будет больше? Когда мало воды в башне или когда башня полностью заполнена водой так, что даже вода выходит за края
Конечно, когда башня заполнена водой только наполовину, давление в нижней части башни меньше, чем когда башня заполнена водой.
Думаю, не надо объяснять, что если воды в башне нет вообще, то и давления внизу башни не будет.
Батарейки или аккумуляторы работают по тому же принципу
На электрических схемах обозначение выглядит примерно так:
Для достижения необходимого напряжения одноэлементные блоки питания также соединяются последовательно. На схеме это выглядит так:
Любой аккумулятор или источник постоянного тока имеет две клеммы: «плюс» и «минус». Минус — это уровень земли, как в нашем примере с водонапорной башней, а плюс — это напряжение, по аналогии с гидравликой, это будет тот самый уровень воды.
Последовательное соединение источников питания
Теперь давайте представим эту ситуацию. Что произойдет, если мы добавим к нашей обрезанной водонапорной башне еще один такой же верх, полный воды? Схематически это будет выглядеть примерно так:
Как вы думаете, давление на грунт уменьшится или увеличится? Конечно увеличится! Да, и ровно в два раза! Почему это произошло? Уровень воды поднялся, поэтому давление на дно увеличилось.
Если «минус» одной батареи соединить с «плюсом» другой батареи, их общее напряжение суммируется.
Полностью заряженный аккумулятор будет выглядеть как башня, полностью залитая водой, при условии, что насос автоматической подачи воды работает. По аналогии, насос — это ЭДС.
Полуразряженная батарея уже будет выглядеть примерно так:
Можно сказать, что насос уже не справляется.
Батарея, установленная на ноль, будет выглядеть так:
Сломался автоматический насос подачи воды.
Естественно, если соединить последовательно полностью заряженный и полуразряженный аккумулятор, их суммарное напряжение будет выглядеть примерно так:
Продемонстрируем все это на практике. Итак, у нас есть 2 литий-ионных аккумулятора. Обозначил их цифрами 1 и 2. С плюса каждой батареи вывел красный провод, а с минуса черный.
Давайте измерим мультиметром напряжение батареи в точке #1. Как это сделать, я тоже писал в статье Как измерить ток и напряжение мультиметром.
На первом аккумуляторе имеем напряжение 3,66 вольта. Это типичное значение для литий-ионного аккумулятора.
Таким же образом измеряем напряжение на аккумуляторе №2
о, какое совпадение.) Те же 3,66 вольта.
Чтобы соединить эти аккумуляторы последовательно, нам нужно сделать примерно так:
Как и в случае с башнями, нам нужно соединить низ одной башни с вершиной другой башни. В источниках питания, например аккумуляторах или батареях, мы должны соединить минус одной батареи с плюсом другой. Итак, мы делаем это. Подключаем плюс к одной батарее с минусом к другой и получаем..сумму напряжений каждой батареи! Как вы помните, у нас на первом аккумуляторе было напряжение 3,66 В, на втором 3,66 В. 3,66 + 3,6 = 7,32 В.
Мультиметр показывает 7,33 В. 0,01 В будет отнесено к погрешности измерения.
Эта функция работает не только с двумя батареями, но и с бесконечным их количеством. Думаю, не стоит говорить, что если поставить 100 таких аккумуляторов в ряд, соединить их последовательно и задеть голыми руками крайние полюса, то все это может закончиться даже летальным исходом.
Параллельное соединение источников питания
Но что произойдет, если источники питания будут подключены параллельно? Посмотрим на это с точки зрения той же гидравлики. У нас такие же башни, где вода до краев:
Нет, мы не хотим здесь извращаться. Мы просто соединим наши башни в самом низу трубой:
Изменится ли давление в нижней части каждой башни? Я так думаю. Он останется таким же, как и в одной из башен. Что изменилось? Изменилось только количество воды. Она увеличилась вдвое.
Но можно сказать, что и в первом случае у нас было в 2 раза больше воды!
Да, это так, но здесь важно именно то, что давление внизу башни изменилось и тоже удвоилось. Если сделать врезку такого же диаметра прямо у основания башни, то в случае, когда башни стоят друг на друге, сила потока воды будет вдвое больше, чем если бы мы сделали точную та же врезка на картинке, где мы соединили башни трубкой. Эту мысль я также более подробно изложил в статье о законе Ома.
Если спроецировать все это мышление на наши источники тока, то окажется, что при последовательном соединении мы просуммировали напряжение, а при параллельном соединении надо просуммировать ток. Но это не значит, что нагрузка, которая потребляла, например, 1 Ампер, после того, как мы подключили ее к двум параллельным блокам питания, будет потреблять 2 Ампера.
При параллельном соединении у нас напряжение остается прежним, но увеличивается емкость аккумуляторов. Но нагрузка все равно будет кушать тот же 1 Ампер, иначе все это будет с нарушением закона Ома.
Пришло время рассмотреть все это на реальном примере. Итак, мы уже сделали замеры. Осталось подключить параллельно два источника питания, в нашем случае это li-ion аккумуляторы:
Как видите, напряжение не изменилось.
При параллельном подключении источников питания необходимо учитывать, что они должны иметь одинаковое напряжение.
Подумайте сами, что может случиться, если одна из башен окажется пустой?
Думаю, нетрудно догадаться, что вода из одной башни будет перетекать в другую башню до тех пор, пока не сравняется уровень (закон сообщающихся сосудов), если в одной башне сломался насос и она пустует.
То же самое и с блоками питания. Не подключайте источники питания с разным напряжением параллельно. Это чревато тем, что вы убьете здоровые аккумуляторы, а севшие так и останутся дохлыми или слабо заряженными. Если разница между напряжениями аккумуляторов велика, в такой цепи может протекать бешеный ток, что приведет к нагреву аккумуляторов и даже к возгоранию.
Читайте также: Синхронный генератор переменного тока: устройство, принцип работы, применение
Последовательно-параллельное соединение источников питания
А кто вам мешает соединить аккумуляторы или аккумуляторы сразу и последовательно и параллельно? Но возможно ли это? Может). В примере с водонапорной башней это может выглядеть так:
Здесь мы видим две башни, каждая из которых состоит из двух башен, и эти две большие башни соединены трубой.
Последовательно-параллельное соединение очень часто используется в электротранспорте. Недавно я сделал аккумулятор для своего электровелосипеда из литий-ионных аккумуляторов 18650. Моему электровелосипеду требовалось 36 вольт. Итак, теперь включаем логику. Одна батарея выдает 3,6 вольта. Чтобы получить 36 вольт, я должен соединить 10 аккумуляторов последовательно.
Чтобы было проще понять, нарисую их не по ГОСТу:
Ура! У меня есть 36 вольт для моего электровелосипеда. Но проблема в том, что такая батарея может отдать в нагрузку 2800 миллиампер тока за 1 час или 2,8 ампер за 1 час. Этот параметр указывается на аккумуляторах как мАч. Об этом я подробно писал в статье «Как измерить ток и напряжение мультиметром«.
То, что я соединил все аккумуляторы последовательно, не означает, что их емкость увеличилась в 10 раз. Только напряжение увеличилось в 10 раз, так как я соединил их последовательно. То есть в сумме получилось 36 вольт и все те же 2800 мАч как в одном аккумуляторе.
Поэтому для увеличения емкости мне приходится подключать точно такую же ветку аккумуляторов параллельно этой ветке, иначе мой электровелосипед не проедет и пары километров. Я хочу кататься весь день!
Сказано — сделано. Цепляем другую ветку 36 вольт. Вы забыли правило, что при параллельном соединении у нас должно быть одинаковое напряжение? В результате получаем что-то вроде этого:
Итого, мы получили те же пресловутые 36 вольт, но мощность увеличили вдвое. 2800 мАч + 2800 мАч = 5600 мАч. Ну с таким аккумулятором можно ездить чуть дольше. Но и этого мне показалось мало, поэтому я добавил еще 2 ветки.
Пару слов о BMS (Battery Management System)
Дело в том, что для контроля заряда, защиты от коротких замыканий и контроля силы выходного тока к такому аккумулятору должна быть присоединена плата BMS (Battery Management System). Самый простой выглядит так:
Чуть лучше и дороже:
10S 36V на BMS говорит нам, что эта BMS рассчитана на 10 последовательно соединенных батарей. Если на каждом аккумуляторе 3,6 В, то это 10х3,6 = 36 вольт, что написано на самой БМС.
Внутри такой платы есть все, чтобы полностью управлять состоянием батареи.
Схемы подключения такой BMS выглядят примерно так:
Как видите, наша BMS заряжает только 10 ящиков подряд. А вот в нашей самодельной батарее их 40 штук. Что мне делать? Почему бы не поставить параллельно 4 коробки вместо одной и не обмануть BMS?
Получается, что схема с БМС 10с4п для платы с БМС будет выглядеть так:
В сообществе электроники и самодельщиков такой аккумулятор называется 10С4П. Расшифровывается очень просто:
S — серийный — от англ. — последовательный.
П — параллельный — параллельный.
В нашем случае 10 аккумуляторов последовательно и 4 параллельно — 10С4П. Все до боли просто)
А вот и мой самодельный аккумулятор для электровелосипеда пока без модуля BMS.
