Elektrotechnika 1 – ELT1 - fd.cvut.cz · 8. Elektrotechnika 1 – galvanické články alkalické Zinková záporná elektroda je z práškového zinku s vhodným pojidlem a je

Elektrotechnika 1 – ELT1

8. Zdroje stejnosměrného proudu

Výroba elektřiny chemickými procesy

• Využívá se chemických reakcí při nichž se uvolňuje nebo musí dodat energie.

• Elektrody• Elektrolyt• Stejnosměrné zdroje

– Galvanické články– Akumulátory– Vodíkové články

8. Elektrotechnika 1 – galvanické články

Primární elektrochemické zdroje el. energieExistuje celá řada fyzikálních principů, které umožňujítransformovat jiné formy energie na energii elektrickou. Nejširšíuplatnění mezi těmito „náhradními zdroji“ mají zdrojeelektrochemické, které buď nevratným způsobem (elektrochemické či galvanické články) nebo vratným způsobem (akumulátory), umožňují transformovat chemickou energii některých chemických reakcí na energii elektrickou.

Každému je znám Leclancheův článek, který se využívá u kapesních baterii. Leclancheův článek (suchý článek) je elektrolytický systém, uspořádaný podle následujícího obrázku.

Vložíme-li dva různé kovy do vhodného elektrolytu objeví se mezi nimi napětí odpovídající rozdílu jejich výstupních prací. Čím vzdálenější prvky z této řady vybereme, tím větší napětídostaneme.

6. Elektrotechnika 1 – galvanické článkyLeclancheův článek je tvořen

zinkovou anodou ve formě kalíšku v kterém je celý elektrochemický systém umístěn. Uvnitř kalíšku je elektrolyt což je v našem případěchlorid amonný (salmiak), a katodu tvoří uhlíková elektroda v ose článku. Každý kov vnořený do elektrolytu má tendenci vysílat do roztoku své kationty. Zabránit bychom tomu mohli vnějším napětím, které charakterizuje tzv. výstupní práci, která je pro každý kov jiná. Podle velikosti výstupnípráce můžeme jednotlivé kovy uspořádat do určité řady. Na jejím začátku je hořčík, na jejím konci je uhlík (který vlastně není kov).

Řez primárním článkem s kyselým elektrolytem


Z technologického hlediska nejjednodušší je právě dvoji-ce zinek – uhlík. Při činnosti článku vzniká na katoděplynný vodík, který pokrývá katodu jemnými bublinkami, dochází k tzv. polarizaci. Vznikne vlastně nový článek vodík – zinek, který má mnohem menší napětí. Proto je uhlíková katoda obalena tzv. depolarizátorem, zpravidla silným okysličovadlem. U těchto článků se zpravidla používá oxid manganičitý (burel), který reaguje s vodíkem za vzniku oxidu manganitého a vody. Tento článek posky-tuje napětí 1,5 V. Elektrolyt je zahuštěn škrobem, takže mávlastnosti gelu, a proto se tyto články označují také jako suché články.


V současné době se používá řady různých dalších typůčlánků, které mají výrazně větší kapacitu a řadu dalších výhod. (např. menší pokles kapacity článku s poklesem teploty). Jde zejména o alkalické rtuťové články, hořčíkové články atd. Složení elektrolytu je zpravidla výrobním tajemstvím výrobců, stejně jako i u technolo-gie zpracování používaných materiálů. Kapacitou článku zde označujeme náboj, který můžeme z článku odebrat, než se zcela rozpustí anoda, nebo dojde ke spotřebování depolarizátoru a pronikavě se zvýší vnitřní odpor článku. Kapacita se zpravidla udáváv ampérhodinách (Ah). Tyto galvanické články jsou určeny na jedno použití, článek nejde plně regenerovat opětným nabitím.

8. Elektrotechnika 1 – galvanické čllánkyZákladní typy primárních galvanických článků:

a) S kyselým elektrolytem: - zinko – uhlíkové burelové, elektrolyt chlorid amonný

nebo zinečnatý - zinko – uhlíkové se vzdušnou depolarizací

b) S alkalickým elektrolytem: - zinko – uhlíkové burelové, elektrolyt KOH (hydroxid draselný)- lithiové, elektrolyt KOH

Speciální články Zn – HgO, Zn – Ag2O, elektrolyt NaOH

Ideální článek – měl by mít svorkové napětí nezávislé na době a podmínkách skladování a na velikosti zatěžovacího proudu při omezené bobě provozu. Tedy měl by byt ideálním zdrojem nepětí. Tyto vlastnosti jsou u skutečného článku nedosažitelné.

Skutečný článek : - elktromotorická síla (vnitřní napětí) není po celou dobu používání článku konstantní

8. Elektrotechnika 1 – galvanické článkyNáhradní schéma článku – jako zdroj napětí Náhradní schéma je možné

znázornit sériovým zapojením vnitřního napětí U0 a vnitřního odporu Ri. Vnitřní napětí U0 se během vybíjení postupně sni-žuje a také velikost vnitřního odporu Ri není konstantní a jeho hodnota s vybíjením článku narůstá. Samozřejměobě hodnoty jsou navíc teplot-ně závislé, zejména vnitřníodpor se stoupající teplotou znatelně klesá. Do vnitřního odporu ještě můžeme přičíst přechodový odpor na kontaktech.


Články, které používají elektrolyt jako roztoku chloridu zinečna-tého ZnCl2 jsou mimo jiné odolnější proti proděravění zink. kalíšku.

Vybíjecí charrakteristiku článků typu AA (tj. tužkové baterie) při kontinuálním vybíjení je na předchozím obrázku. Zinkochlori-dový článek má označení R6 a jsou znázorněny charakteristiky pro dva články, typ R6S a typ R6G. Jak je patrno, článek při zatěžovacím odporu Rz = 10Ω je cca po 7 a ½ hodině vybitý. Pro porovnání je uvedena i charakteristika alkalického článku, označeného LR6. Napětí naprázdno (U0) plně nabitého, resp. čerstvého článku je cca 1,62 V. Po zatížení článku proudem do zátěže Rz klesne hodnota na cca 1,5 V a během počáteční části vybíjení rychle poklesne na 1,3 V a pak postupně klesá k hodnotě konečného napětí. Konečné napětí není přesnšěstanoveno a jeho hodnota se pro různé druhy zátěže pohybuje mezi 0,9 a 0,7 V. Zinko -chloridové články jsou označovanépísmenem R a číslicí, která udává velikost pouzdra

8. Elektrotechnika 1 – galvanické články alkalické

Řez primárním článkem s alkalickým elektrolytem

b) Články zinko-uhlíkovéPodstatnou změnou ve vlastnostech primárních článků bylo použití zásadité-ho elektrolytu a sice roztoku hydroxidu draselného KOH. Konstrukce zinkové zápornéelektrody, na rozdíl od kyse-lého článku, je tvořena sli-sovaným zinkovým práškem a obal pouzdra je z ocelo-vého plechu. Od klasického článku Leclancheova se odlišuji především vnitřním uspořádáním.


Zinková záporná elektroda je z práškového zinku s vhodným pojidlem a je umístěna ve středové části článku. Kladná elektroda je ze směsi práškového uhlíku a oxidu manganičitého, kontakt kladného pólu je vytvořen plechovou čepičkou vnějšího pouzdra z pokoveného ocelového plechu.

Toto provedení umožňuje několikanásobně vyššívyužití aktivních hmot a tím také vyšší energetickévýtěžnosti v porovnání s klasickým Leclancheovým článkem. Je to také patrné z vybíjecí charakteristiky na předchozím obrázku, je též vybíjecí charakteristika alkalického článku s označením LR6. Při stejnévelikosti článků je získaná energie asi dvakrát větší!


c) Speciální články – lithiové články.V posledních letech jsou v popředí zájmu výrobcůprimárních článků.

Výhody: Jejich předností je nízká měrná hmotnost, vyšší napětí článku, výhodnější je i tvar zatěžovacícharakteristiky a vysoká měrná kapacita vztažená na objem nebo hmotnost. Další výhodou je, že jsou použité ekologické materiály.

Nevýhoda: vysoká oxidační aktivita samotného tithia a z ní vyplývající nebezpečí hoření při zvýšené teplotě a přítomnosti kyslíku.

8. Elektrotechnika 1 – galvanické články lithiové

Vybíjecí charakteri-stiky lithiových člán-ků jsou odlišné od ostatních, dříve zmí-něných. Napětí na-prázdno je asi 3,65 V, na počátku vybíjeníklesne podle veliko-sti zatěžovacího proudu na 3,4 až3,6V a pocelou dobu

se téměř nemění. Na konci vybíjení rychle klesá a při po-klesu asi na 3 V je článek prakticky úplně vybitý.

8. Elektrotechnika 1 – galvanické články lithiové

Vybíjecí charakteristika lithiového článku

8. Elektrotechnika 1 – akumulátory olověné

1.Akumulátory s kyselým elektrolytem

Akumulátory jsou reversibilní galvanické články, které je možno po vybití opět energeticky zregenerovat, tedy nabít. V podstatě rozlišujeme dva typy akumulátorů tzv. olověné akumulátory a alkalické akumulátory. Velmi zjednodušeně lze říci, že olověný akumulátor je tvořen dvěma olověnými deskami ponořenými do zředěnékyseliny sírové (H2SO4). Při nabíjení se na anodě vytvořítmavohnědý oxid olovičitý a na katodě tmavošedé olovo a elektrolyt zhoustne. Při vybíjení elektrolyt řídne a ve vybitém stavu je na anodě červenohnědý a na katodětmavošedý síran olovnatý. Napětí na jednom článku se pohybuje od 2,2 V až 2,4V pro plně nabitý akumulátor. Pro úplně vybitý akumulátor napětí klesne na 1,7 V.


Olověný akumulátor má velmi malý vnitřní odpor (řádu 0,001Ω ). Proto se používá všude tam, kde potřebujeme velké proudy, např. pro startéry spalovacích motorů. Pro kapacitu olověného akumulátoru se udává, že na jednu Ah potřebujeme asi 36g aktivní hmoty elektrody. Doba života olověného akumulátoru odpovídá asi 350 nabíjecím cyklům. Při používání tekutého elektrolytu jsou však problémy s manipulací akumulátoru – hrozí vylití elektrolytu. Jinávarianta používá zahuštěného elektrolytu gelovékonzistence. Při plnění se teplý a dobře tekutý elektrolyt naplní do článků, kde během chladnutí zpolymeruje a dále pak již udržuje gelovou konzistenci. Nevýhodou obou typů je poněkud vyšší hodnota vnitř. odporu.


Nabíjecí charakteristiky akumulátorů olověnýchÚčelem nabíjení je obnovit náboj v akumulátoru – dodat akumu-látoru určité množství energie, která se pak při vybíjení může odebírat do zátěže. Protože akumulátor i ve vybitém stavu před-stavuje zdroj proti napětí, musí být napětí nabíjecího zdroje vždy vyšší než vnitřní napětí nabíjeného akumulátoru.

Nabíjení:- vybitého akumulátoru - trvalé dobíjení- speciální druhy nabíjení

Nabíjecí charakteristiky:


Vybíjení akumulátorůVnitřní odpor článků akumulátoru závisí na mnoha faktorech : - plocha a provedení desek - uspořádání separátorů- vodivost elektrolytu, teplota článků, vodivost slitin apod.

Vybíjecí charakteristiky – parametrem je proud do zátěže- xCA


Jistým problémem je i skladování akumulátorů, neboťdochází k poměrně velkému úbytku energie a tedy svékapacity v závislosti na skladované době. Musíme po-čítat, že za rok poklesne náboj akumulátoru okolo 40%, záleží ještě od typu akumulátoru.

Okrem vlastního samovybíjení ještě hodnězávisí na skladovacíteplotě, což ukazuje obrázek.

Samovybíjeníakumulátoru:

8. Elektrotechnika 1 – akumulátory alkalické 1

Akumulátory alkalickéJedná se poněkud početnou skupinu různých typůalkalických akumulátorů, jejichž alkalický elektrolyt u primárních článků je tvořen roztokem hydroxidu draselného KOH. U některých typů je doplňován dalšími přísadami. Podle materiálu aktivních elektrod rozeznáváme následující typy článků:

- nikl- kadmiové NiCd - nikl-železné NiFe - nikl- metalhydridové NiMH - lithiové (iontové, polymerové) i- ion, i-polymer - stříbro-zinkové AgZn a další.

Nejrozšířenější jsou v současnosti akumulátory s články nikl- kadmiovými NiCd a sice v řadě kapacit od zlomku Ah/čl. až do stovek Ah/čl. Pro větší kapacity Ahbyly dříve dosti používané akumulátory nikl-železné, ale dnes jsou již spíše vyjímkou a jsou nahrazovány NiCdakumulátory pro jejich lepší vlastnosti.Akumulátory nikl- metalhydridové se uplatňují spíše v oblasti menších Ah kapacit . Podobně tomu je i s akumulátory lithiovými. Stříbrozinkové akumulátory jsou výrobně dražší.

U alkalických akumulátorů se jako elektrody používajípáry kovů železo- nikl (NiFe akumulátory), nikl –kadmium (NiCd akumulátory), event. stříbro – zinek (AgZn akumulátory).



NiFe akumulátory a NiCd akumulátory poskytují jmenovité napětí1,2 V na jeden článek. U stříbro-zinkových akumulátorů je počátečnínapětí 1,8V, které později při vybíjení poklesne na 1,5VVnitřní odpor alkalických akumulátorů je zpravidla o řád větší než u

akumulátorů olověných. Vyrábějí se ale také speciální startovacíalkalické akumulátory, které mají vnitřní odpor srovnatelný s vnitřním odporem olověných akumulátorů. NiFe akumulátory majívýrazně vyšší životnost ve srovnání s akumulátory olověnými. Na rozdíl od nich stříbro-zinkové akumulátory mají poměrně krátkou životnost, asi kolem 100 cyklů.

Malé knoflíkové akumulátory pro napájení elektronických přístrojů jsou většinou alkalické akumulátory, buď stříbro-zinkové, rtuť – zinkové, nebo lithio – zinkové, ve všech se jako elektrolyt používá hydroxid draselný. Použitím speciálních typů katod se dá u těchto akumulátorů dosáhnout napětí až 3,5 V.

8. Elektrotechnika 1 – akumulátory alkalické 3 - NiCd

Nikl-kadmiové akumulátoryČlánek NiCd se skládá ze systému kladných a záporných elektrod oddělených separátory a elektrolytu. U větších kapacit jsou elek-trody deskové a u menších kapacit v těsném provedení ve tvaru svinutých pásků. Aktivním materiálem kladné elektrody v nabitém stavu je oxid niklitý, ve vybitém stavu hydroxid nikelnatý. Aktivním materiálem záporné elektrody je v nabité stavu kovové kadmium a ve vybitém stavu hydroxid kademnatý. Nosná konstrukce desek obou polarit je z oceli, která si zachovává svou pevnost během celé životnosti.

Elektrolytem je vodní roztok hydroxidu draselného KOH s přídav-kem asi 5% hydroxidu lithnatého LiOH. Funkcí zásaditého elektrolytu je pouze přenos iontů(na rozdíl od kyselého elektrolytu) a během činnosti článku nedochází k jeho chemickým změnám ani k jeho znehodnocení. Během nabíjení nebo vybíjení nedochází ke změně hustoty, takže tímto způsobem nelze indikovat stav nabitíčlánku.


Typy NiCd akumulátorových baterií jsou označovány písmeny.Základní označení má K za nímž je písmeno L, M, H, nebo Xpodle typu předpokládaného vybíjecího režimu. Poté následuje číslo, udávající jmenovitou kapacitu C5A v Ah. U článků v pla-stových nádobách následuje ještě písmeno P.

Vybíjecí režimy: L - dlouhodobý, vybíjecí proudy obvykle do 0,5 C5A M - střednědobý, vybíjecí proudy obvykle od 0,5 do 3,5 C5A H - krátkodobý, vybíjecí proudy obvykle od 3,5 do 7 C5A X - velmi krátký, vybíjecí proudy obvykle nad 7 C5A

Zmíněné typové řady se mimo jiné liší ve velikosti vnitřního odporu a tím i energetickou účinností. Např. při odebíraném proudu 5 CA je použitelný již jen typ H s využitelnou kapacitou 65% CA.


V porovnání s baterií olověnou se životnost NiCd baterie zkracuje méně – viz obr.

Niklkadmiové články poměrně do-bře snášejí skladování. Úbytek ka-pacity např. za 1 rok při pokojovéteplotě 20°C znamená pokles pou-ze o 25%, při teplotě nižší ještěméně.

8. Elektrotechnika – alkalické akumulátory 6 - NiMHNikl-metalhydridové akumulátoryJsou to akumulátory moderních konstrukcí - od niklkadmiových se liší materiálem záporné elektrody. Aktivním materiálem zápornéelektrody jsou slitiny kovů (AB), které jsou schopny vytvářet hydridy, tedy vázat na sebe vodík, vznikající při nabíjecí reakci. Používají se slitiny TiFe, ZnMn, LaNi5, Mg2Ni a další. Přesnésložení je zpravidla výrobci utajované. Uvolňovaný vodík při nabíjení se váže na kov a tím v článku vzniká jen malý přetlak plynu a může se použít stejná technologie pouzdření, jak je známáu plynotěsných článků niklkadmiových. Životnost akumulátorůNikl- metalhydridových je proti NiCd téměř poloviční. Samovybíjení je o něco větší než u článků NiCd.

Nabíjecí a vybíjecí charakteristiky těsných NiCd a NiMH aku. Způsoby nabíjení těsných válcových a prizmatických článků se liší od nabíjení velkých deskových článků. Pro tyto články je typické nabíjení konstantním proudem. Konstrukce těchto článkůse vyznačuje podstatně nižším vnitřním odporem v porovnání s deskovými články i podstatně vyšších Ah kapacit.

8. Elektrotechnika 1 – alkalické akumulátory 7

Nabíjecí charakteristika těsného NiCd článku.Příklad vnitřního odporu: NiCd – článek velikosti D (jako velký monočlánek) s kapacitou 4Ah mávnitřní odpor 7mΩNiMH – článek stejné velikosti s kapacitou 6,8Ah má vnitřní odpor 2mΩ

Vybíjení akumulátorů NiCd je různépodle podmínek a podle velikosti vybíjecích proudů. Obrázek ukazuje vybíjecí charakteristiky uzavřených akumulátorů s kapsovými deskovými elktrodami pro různě velké vybíjecí proudy.

8. Elektrotechnika 1 – alkalické akumulátory 8

Vybíjení u těsných článků NiCd značně ovlivňuje velikost vybíje-cího proudu. S narůstajícím proudem do zátěže dochází k větší-mu úbytku na vnitřním odporu článku, dochází tím k rychlejšímu poklesu napětí a do dosažení konečného napětí článku se podaříz článku získat méně energie než při pomalejším vybíjení menším proudem.

8. Elektrotechnika 1 – lithiové akumulátory 1

Lithium jako chemický prvek se vyznačuje pro elektrochemické zdroje vynikající vysokou hodnotou elektrochemického potenciálu. Prakticky použitelnéprimární články začaly být vyráběny po roce 1970 a asi o 10 let později byly na trh uvedeny články sekundární. – nabíjitelné, tedy jako akumulátory. To významněsouviselo především s rozvojem mobilních telefonů. Konstrukce využívala kovového lithia jako zápornéelektrody, kladnou elektrodou byl roztok SO2 nebo SO2Cl2. Při opakovaném nabíjení článků docházelo ke změnám krystalické struktury lithia na dendritický typ. Ostré okraje krystalů pronikaly materiálem separátoru a způsobovaly místní zkrat v článku, doprovázený nárůstem teploty.


A protože bod tání kovového lithia je velmi nízký (180°C), v důsledku zkratu přešlo lithium do tekutého stavu, v němž je prudce reaktivní a důsledkem byl výbuch článku. Ještě v roce 1989 s touto situací jsme se mohly setkat u uživatelů telefonů. To vedlo ke staženíasi 1,5 milionů přístrojů k výměně akumulátorů. Intenzivní práce na vývoji bezpečných typů kolem roku 1990 vyústily v nové uspořádání, v němž kovové lithium na záporné elektrodě bylo nahrazeno oxidem kobaltitolithným Li2O.CO2O3. Kladná elektroda je uhlíková. Elektrolytem je např. tetrafluoroboritan lithný LiBF4. Vyrábějí se v modifikaci s tekutým elektrolytem pod označením „lithium-iontové“ a s jiným typem konstrukce, event. s elektrolytem v pevné fázi pod označením „lithium polymerové“.


Lithium-iontové články s tekutým elektrolytem.Jmenovité napětí článků je 3,6V. Záporná elektroda, jak již bylo zmíněno, je tvořena oxidem kobaltolithným nebo také zejména z ekologických důvodů oxidem manganičitolithným LiMn2O4, př. Oxidem nikelnatolithnýmLiNiO2. Všechny tyto materiály jsou na vzduchu stálé! Kladná elektroda je z grafitu nebo z amorfního uhlíku a elektrolytem může být již zmíněný tetrafluoroboritan lithný. Akumulátorový článek se skládá ze systému kladných a záporných elektrod , oddělených separátory a elektrolytu. U akumulátorů ve válcových pouzdrech jsou elektrody ve tvaru svinutých páskůpodobně jako u NiCd a NiMH akumulátorů. V plochých prizmati¨-ckých pouzdrech jsou elektrody deskové v sendvičovém nebo meandrovém uspořádání. Vzhledem k tomu, že je potřeba chránit články před vznikem nadměrné teploty , je každý článek nebo originální paket s více články ve společném pouzdru (akupack) vybaven elektronickým spínačem, který je schopen přerušit přívod když by mohla být jeho činnost poškozena.

8. Elektrotechnika 1 – Li akumulátory 5, Li-ion a Li-pol

Ochranné obvody mohou také hlídat nadproud, podpětí i přepětí. Tyto pomocné hlídací obvody jsou napájeny ze samotného článku, jejich energetický odběr bývá řádu jednotek až desítek mikroampérů.

Lithium-iontové a lithium polymerové články s pevným elektrolytem Li-iontové polymerové články jsou zřejměpřechodovým stadiem vývoje li-polymerových článků se suchým elektrolytem. Elektrolyt v gelové formě je spojen s porézním polymerem. Tím se mohla zjednodušit kon-strukce absencí separátoru a vlastnosti jsou prakticky shodné s Li-iontovým článkem s tekutým elektrolytem. Tyto články jsou převážně v současnosti vyráběny pro použití v mobilních telefonech a podobných zařízeních. Předpokládá se, že v nejbližší době budou nahrazovány články se suchým polymerovým elektrolytem

8. Elektrotechnika 1 – lithiové články 6, Li-ion a Li-pol

Napětí článků je stejné jako u článků s tekutým ele-ktrolytem, tj. 3,6V. Lithium polymerové články vznikly dalším vývojem lithium-iontových článků. Avšak pomě-rně drahý oxid kobaltu byl na záporné elektrodě nahra-zen jinými levnějšími oxidy kovů a tekutý elektrolyt byl nahrazen polymerem v pevném skupenství, současnězastávající funkci separátoru. Výrobní technologie umožňuje vyrábět celý elektrodo-vý systém velmi tenký a flexibilní a lze jej stočit do válcového pouzdra, a tak složit do několikavrstvésendvičové struktury a přizpůsobit tvar aplikaci (např. mob.telefony).

8. Elektrotechnika 1 – lithiové články 6, Li-ion a Li-pol

Mohou se vyrábět i extrémně tenké články v síle 0,2 až 0,6 mm, kteréumožňují perspektivní využívání např. v aktivních čipových kartách, hodinkách se solárními články apod..

Nabíjecí charakteristika lithiového článku

Nevýhodou lithium-polymerových akumulátorů je v současnosti jejich menší životnostvyjadřovaná v počtu cyklů a vyšší samo-vybíjení oproti článkům s teku-tým elektrolytem

8. Elektrotechnika 1 lithiové články 5, Li-ion, Li-polVybíjecí charakteristika článků Li-ion a Li-pol

V závěru vybíjení dochází k rychlejšímu poklesu napětí. Za konečnévybíjecí napětí se považují 3V ( u článků Li-ion s katodou z amorfního uhlíku – coke core - to je 2,5V). Pokud se článek vybije pod tuto ho-dnotu, je třeba při následujícím nabíjení nabíjet velmi malým proudem až do dosažení 3V, dále je možno pokračovat standardním postupem.

8. Elektrotechnika 1- Lithiové články 6,Li-ion, Li-pol

Přípustná hodnota vybíjecího proudu se udává proud 5 až 6 CA a u jednotlivých typů může být omezena vnitřníelektronickou ochranou. Samovybíjení článků Li-ion činíza normální teploty 3 až 5 % CA za měsíc, takže to umožňuje skladování bez dobíjení více než 1 rok. U Li-polymerových je v současné době samovybíjení asi 3 až 5 krát rychlejší a tím je vyžadováno dobíjení v intervalu 3 až 6 měsíců podle typu článku.

U článků Li-ion se udává, že životnost článků závisí do značné míry na konstrukci a je taková, že při hlubo-kém vybíjení/nabíjení klesne kapacita na 80% CA po 350 až 500 cyklech (vybíjení na 3V/čl., nabíjení prou-dem 0,7 CA)

8. Elektrotechnika 1- Lithiové články 7,Li-ion, Li-pol

Životnost a provozní teplota –při nabíjení je doporučená teplota 0 až 45°C a při vybíjení od - 10°C až + 60°C, skladování - 20°C až + 45°C. Optimální je provozovat články při teplotách 20°C.

8. Elektrotechnika 1 – zdroje nepřerušovaného napájeníUPS – Uninterruptible Power Sources

V mnoha případech podmínkou normálního bezporuchového provozu technologických procesů nebo výpočetních systémů je zajištění nepřeruše-né dodávky elektrické energie (UPS). Pro rychlé zajištění převážněkrátkodobých výpadků se používají zdroje elektronické s akumulátory jako zásobníky energie, pro vykrývání dlouhých výpadků se pak používádieselagregátů.

Elektronické UPS

8. Elektrotechnika 1 – Elektronické UPSElektronická UPS – pokud energetická síť dodává napětí a výkon požadované velikosti a frekvence, je zátěž napájená ze sítě. V okamžiku výpadku napětí sítě převezme její funkci střídač UPS napájený z akumulátoru. Zapojení UPS se liší tím, zda při předávánívýkonu ze sítě na UPS, event. zpět po obnovení dodávky síťového napájení vzniká bezproudová pauza nebo dochází k přechodovým jevů (jsou způsobovány fázovými rozdíly mezi napětím sítě a UPS. V současné době jsou k dispozici 4 základní typy elektronických UPS, v kategoriích označovaných jako off-line a on- line. Kategorie off- line se vyznačuje tím, že výkonový střídač v dobědodávky napětí ze sítě nepracuje a jsou zapnuty pouze vyhodnoco-vací obvody, které indikují situaci, v níž je třeba zahájit zálohování. Nejjednodušší uspořádání označované jako „Standby“ je určeno pouze ke kontaktnímu připojení střídače po indikaci výpadku sítě. Dochází ke krátké době bezproudové pauzy (cca 2 až 5 ms), napětídodávané střídačem není ve fázi s původním napětím sítě (mohou nastat přechodové děje). Druhým systémem je kategorie typu „Line Interactive“. V porovnánís předchozím Standby je navíc vybaven blokem, umožňujícím korigovat poklesy nebo nárůsty napětí na síti.

8. Elektrotechnika 1 - Elektronické UPS

Kategorie „On-line“ se liší od kategorie Off-line tím, že střídač je po celou dobu provozu v činnosti. Typ Double conversion dodávátrvale do zátěže výkon ze střídače, v jehož stejnosměrném obvodu je mimo akumulátorů zapojen trvale pracující usměrňovač. Ten v normálním provozu dodává celý výkon přes střídač do zátěže. V případě výpadku napětí na síti bez jakékoliv prodlevy převezme do-dávku výkonu akumulátorová baterie, takže nedojde k žádnému výpadku a změně napětí na zátěži. Tento systém má však malou účinnost (okolo 80% i méně při menších výkonech). Nevýhodu špatné účinnosti řeší uspořádání Single conversion. Existuje několik principů, jež mají ale společný znak v tom, že v případě normálního provozu je sice trvale v provozu střídač, ale není zatížen výkonem zátěže. Účinnost těchto typů se pohybuje v 90 až 95 %. Použití akumulátorů v UPS přináší některé provozní odlišnosti. Nejvýznamnější je skutečnost, že zejména u menších jednotek jsou UPS umístěny v bezprostřední blízkosti zálohovaných systémů, např. výpočetnítechniky(serverovny, výpočetní centra apod.) tedy se zvýšenou teplotou okolí. Provozní teplota akumulátorů je často mezi 30 a 45°C.

8. Elektrotechnika 1- termočlánky

Seebeckův jev se projevuje u dvou vodičů A a B, u kterých je udržována teplota jejich spojů na rozdílných teplotách T1 > T2.V obvodě (viz obrázek) se obje-ví napětí a začne jím protékat proud. Seebeckův jev se tedy projeví vznikem termoelektric-kého napětí. Pro elektromoto-rické napětí ΕAB a absolutníteploty spojů platí experimen-tálně zjištěný vztah:

ΕAB = (aA - aB) (T2 - T1) + 0,5 (bA - bB) (T2 - T1)2

ΕAB - elektromotorické napětía, b - Seebeckovy koeficientyT - teplota

Seebeckovy koeficienty se udávají vzhledem k olovu.

8. Elektrotechnika 1 – termočlánky 2

Seebeckovy koeficientyTabulka uvádí Seebeckovy koeficienty pro různé kovy:

-0,029716,7Železo-3,25-3,03Platina-3,02-19,1Nikl0,00792,71Měď-0,0888-38,1Konstantan0,032-74,4Bizmut0,14535,6Antimon

b [µV/K2]a [µV/K]KOV Koeficienty a, b jsou mj. závislé na přesném složenímateriálu a jeho struktuře. Hodnoty uvedené v tabulce je z tohoto důvodu třeba brát s rezervou.

Termočlánky- termoelektrické články- se používají hlavně pro měření teploty. Termočlánek bývá obvykle vyroben z tenkého vodiče o průměru 0,1 - 0,5 mm, které jsou na konci svařené a uloženév keramické dvojkapiláře. Napětí článku se obvykle měří kompenzátoremnebo jiným citlivým přístrojem na jednosměrný proud.

8. Elektrotechnika 1- termočlánky 3 Tabulka uvádí často používané termočlánky a rozsah měřených teplot:

1300- 200Platina - platina + 6 nebo 10 % Rh

950- 200Konstantan – železo400- 200Konstantan - měď

Max.teplota[°C]

Min.teplota [°C]

Kovy

APLIKACE solárních článkůFotovoltaické články bohatě stačí při běžném osvětlení napájet různédrobné elektronické přístroje, například kapesní kalkulačky apod. Sluneč-ní kolektory vytvořené z fotovoltaických článků poskytují již nezanedba-telný elektrický výkon a již se hojně používají jako zdroje elektrické ener-gie v odlehlých oblastech, kam nelze zavést síť (horské chaty, napájenídopravních značek, atd. Poznamenejme, že na dopravní fakultě ČVUT byl studenty zkonstruován elektromobil napájený těmito fotovoltaickými člán-ky, který se úspěšně účastnil různých mezinárodních závodů „slunečních automobilů“.

Elektrotechnika 1 – dobíjení baterie na AirbusuDobíjení baterie na Airbusu : Využití logických obvodů (hradel) v obvodu, který kontroluje stav nabití akumulátorů (elektrické napětí) a řídí dobíjení. Baterie se dobíjí připojením na rozvod stejnosměrného napětí DC ESS BUS. Připojení je zajištěno pomocí spínacího relé SW, které je řízeno výstupem logické sítě.

Elektrotechnika 1 – dobíjení baterie na Airbusu

Důležitým ukazatelem stavu nabití baterie je její napětí, které je sledováno obvodem nazvaným Low battery voltage (nízké napětíbaterie). Výstup obvodu má hodnotu log. 1 právě tehdy, klesne- li napětí baterie pod určitou mez. Konkrétně, u tohoto systému je jmenovité napětí baterie 28V. Sledovací obvod reaguje, klesne-li hodnota napětí pod 26,5V.

Připojí-li se nenabitá baterie na rozvod napětí, je zřejmé, že napětí na baterii okamžitě vzroste na hodnotu napětí sítě (28V) a začne jíprotékat dobíjecí proud. Stav nabití již tedy není možné posoudit pomocí napětí baterie (to je možné pouze v případě, že baterie nenínabíjena) a ukazatelem stavu nabití se stává velikost nabíjecího proudu. Proud je snímán např. rezistorem (Shunt) a sledován obvodem Low battery charge current (nízký nabíjecí proud). Výstup tohoto obvodu má hodnotu log. 1, klesne-li hodnota nabíjecího proudu pod určitou mez, zde jsou to 4 A.

Elektrotechnika 1 – dobíjení baterie Airbusu

Analýza obvodu pravdivostní tabulkou: Označíme výstup z přepínače symbolem AUTO, výstupní signál z bloku Low batterycharge current LBCC a výstupní signál z bloku Low battery voltageLBV. Logická rovnice obvodu je: (y je výstup). Dosazením všech možných kombinací vstupů do rovnice dostáváme pravdivostnítabulku T1.

Tabulka T1:

11110011

1101100101100010 01000000yLBVLBCCAUTO

Elektrotechnika 1 – dobíjení baterie Airbusu

Z tabulky vyčteme – dobíjet se může jen tehdy, je-li signál AUTO v log. 1. V tomto případě je dobíjení aktivní, je-li napětí baterie nízké (LBV=1). Má-li baterie dostatečné napětí (LBV=0), dobíjí se pouze v případě LBCC=0, tj. dobíjecí proud není malý. Uvědomme si, že vstup odpovídající řádkům, kdy LBV=1 a LBCC=0, nemůže za normálních okolností nastat (nízké napětí baterie a velký dobíjecíproud). Je to proto, že nenulový dobíjecí proud prochází jen tehdy, když je baterie připnuta na rozvod napájení a v tom případě je na nínapětí této sítě (28V).

10. Elektrotechnika 1 – Ohmův zákon

Představme si, že máme nabitý kondenzátor nábojem Q a mezi elektrodami je napětí U. Spojíme-li nyní vodivě obě elektrody, náboje na obou elektro-dách se vyrovnají a vodičem proteče elektrický proud I. Jednotkou elektric-kého proudu je jeden Ampér (A). Je to právě takový proud , který by proté-kal vodičem, kdyby se náboj kondenzátoru o velikosti jednoho C vyrovná-val po dobu jedné sekundy. Náboj tedy můžeme vyjádřit jako součin prou-du a času, po který tento proud protéká - 1Coulomb = 1As (ampérsekunda). Aby protekl proud, museli jsme spojit obě elektrody kondenzátoru vodi-čem. Žádný materiál za normálních podmínek (při běžné teplotě okolí) neve-de elektrický proud ideálně, ale klade mu jistý odpor. O fyzikální podstatětohoto odporu se zmíníme dále. K tomu abychom tento odpor překonali musí být na obou koncích odporu potenciálový rozdíl – napětí. Mezi prou-dem, napětím a odporem platí nejdůležitější vztah v elektrotechnice, Ohmův zákon,

nebo U = R.IOdpor vodiče měříme v jednotkách Ohm (Ω). Odpor 1Ω má vodič, kterým při napětí 1V prochází proud právě 1A.

RUI =

10. Elektrotechnika 1 – vnitřní odpor zdroje, Thevenin

Vnitřní odpor zdroje – Théveninův teorém Když jsme popisovali vlastnosti zdrojů stejnosměrného proudu pou-žívali jsme zatím bez bližšího vysvětlení pojmu vnitřní odpor zdroje. Pro řešení elektrických obvodů musíme tento pojem podrobněji vy-světlit. Představme si, že máme zdroj stejnosměrného proudu, např. akumulátor. Změříme-li napětí tohoto zdroje (voltmetrem s vysokým odporem, takže jím bude protékat zanedbatelný proud) dostaneme například hodnotu 12V. připojíme-li na tento zdroj nějaký spotřebič, například žárovku, která bude odebírat proud řekněme 20 A napětí na svorkách akumulátoru poklesne například na 9,6 V. Kdybychom aku-mulátor zkratovali, tedy spojili jeho svorky vodičem s nulovým odpo-rem, budou obě svorky na stejném potenciálu a napětí na nich bude rovno nule. Přitom ovšem zmíněným vodičem bude protékat velmi značný proud, například 100 A. Napětí na svorkách akumulátoru, kteréjsme naměřili bez průtoku proudu označujeme jako napětí naprázdno U0 a proud, který jsme naměřili při nulovém napětí na svorkách akumulátoru nazýváme proudem nakrátko Ik.

10. Elektrotechnika 1 – vnitřní odpor zdroje, Thévenin

Pro obvod s Ri bude platit:

I

U I

U

k

0

z

R i =

zk

0R I

IU U

i=

Poznámka: Náhradní schéma zdroje podle Théveninova teorému je dvojí: jednak jako zdroj napětí s ideálním napěťovým zdrojem U0nebo jako zdroj proudu s ideálním proudovým zdroje Ik. Oba náhradní obvody jsou rovnocenné.

Z daných hodnot na zatíženém akumulátoru, kde napětínaprázdno U0 = 12 V, proud do zátěže Iz = 20A a proud nakrátko Ik = 300A , může být vypočten vnitřní odpor akumu-látoru.

10. Elektrotechnika 1 – vnitřní odpor zdroje

10. Elektrotechnika 1 – řazení zdrojů

Při sériovém spojení zdrojů ss napětí (článků) se vnitřní odpory sčítají, takže výsledný vnitřní odpor je větší. Při nabíjení i vybíjení protéká všemi články stejný proud. Složitější situace nastává při paralelním spojení článků.

Spojíme-li paralelně dva nestejně nabité články, budou se články lišit jak napětím naprázdno, tak vnitřním odporem. Článek s vyšším napětím se bude snažit protlačit vyrovnávací proud Iv přes článek s menším napětím. Mezi články mohou protékat velké vyrovnávacíproudy.

10. Elektrotechnika 1 –řazení zdrojů

Příklad paralelního spojení článků:Spojíme paralelně dva články podle předchozího obrázku. Napětínaprázdno u prvního článku U1 bude 2,1V zatímco napětí naprázdno u druhého článku bude 1,8V. Vnitřní odpor prvního článku bude Ri1 =0,08Ω, vnitřní odpor druhého článku Ri2 = 0,09Ω. Rozdílové napětí mezi oběma články bude ∆U = 2,1-1,8 = 0,3V.Výsledný vnitřní odpor bude tvořen sériově zapojenými oběma vnitřními odpory Ri = 0,09 +0,08 = 0,17 Ω. Vyrovnávací proud, který bude protékat uzavřeným obvodem bude Iv = ∆U/Ri = 0,3/0,17 = 1,76 A. Vyrovnávací proud bude protékat tak dlouho, pokud se první článek nevybije natolik, že jeho napětí poklesne a druhý článek nedobije, že jeho napětí stoupne na určitou rovnovážnou hodnotu, kdy budou mít oba články stejné napětí. Pokud chceme spojovat články paralelně, je třeba spojit články vybitéa paralelně spojené články společně nabíjet.

Elektrotechnika 1 – příklad na Thévenina

Příklad náhradního zdroje:Budiž dán zdroj ideálního napětí U0 s vnitřním odporem Ri a odporový T článek, který bude zatěžován odporem Rz. Je třeba stanovit velikost napětí U2 na zátěži Rz.

Řešení: Požijeme nahrazení zapojení podle Thévenina, kde náhradní zdroj UTh bude mít velikost výstupního napětí U20naprázdno.

Elektrotechnika 1 – příklad na Thévenina

U20 = U0 -----------------R3

Ri + R1 + R3

Elektrotechnika 1- příklad na Thévenina

Elektrotechnika 1 – princip superpozice zdrojů

Stanovme velikost napětí U3 v daném obvodu se dvěma zdroji napětí:

Příspěvek ze zdroje U1 :

Elektrotechnika 1 – princip superpozice zdrojů

Příspěvek ze zdroje U2 :

Výsledné napětí U3 na odporu R3 je dáno superpozicí napětí :

U3 = U31 + U32

Elektrotechnika 1 – princip superpozice s nelin. komponenty.

Mějme podobný obvod, v němž je ale použita dioda :

Řešení: a) Při záporném napětí U1 se prakticky žádné napětí U31nepřipočítává a výsledkem je tedy jen vliv napětí U2.

b) Při kladném napětí U1 se přičítá příspěvek ze zdroje U1, kde se k odporu R1 připočítává vnitřní odpor diody, který se pohybuje v hodnotách desítek ohmů, takže lze použít v podstatě odvozený vzorec z předchozí úlohy.

Elektrotechnika 1 – princip superpozice s nelin. komponenty

Documents

Elektrotechnika 1 – ELT1 - fd.cvut.cz · 8. Elektrotechnika 1 – galvanické články alkalické Zinková záporná elektroda je z práškového zinku s vhodným pojidlem a je