Последовательное и параллельное соединение источников питания

«Питайтесь» правильно!

Батареи и аккумуляторы

При питании радиоаппаратуры от батареек и аккумуляторов полезно знать распространённые схемы соединения батарей и аккумуляторов. Дело в том, что каждый вид батареек имеет допустимый разрядный ток.

Разрядный ток – наиболее оптимальное значение тока, который потребляется от батареи. Если потреблять от батарейки ток, превышающий разрядный, то надолго этой батарейки не хватит, она не сможет полностью отдать свою расчётную мощность.

Наверное, замечали, что для электромеханических часов используются “пальчиковые” (формата АА) или “мизинцевые” (формата ААА) батарейки, а для переносного лампового фонаря батарейки побольше (формат R14 или R20), которые способны отдать значительный ток и имеют большую ёмкость. Размер батарейки имеет значение!

Иногда требуется обеспечить батарейное электропитание прибора, который потребляет значительный ток, но стандартные батареи (например R20, R14) не могут дать необходимый ток, он для них выше разрядного. Что делать в этом случае?

Ответ прост!

Необходимо взять несколько однотипных батареек и соединить их в батарею.

Параллельное соединение элементов питания.

Так, например, если необходимо обеспечить значительный ток для аппарата применяют параллельное соединение батареек. В таком случае общее напряжение составной батареи будет равно напряжению одного элемента питания, а разрядный ток будет во столько раз больше, сколько батареек применяется.

На рисунке составная батарея из трёх 1,5 вольтовых батареек G1, G2, G3. Если учесть, что среднее значение разрядного тока для 1 батарейки формата АА 7-7,5 mA (при сопротивлении нагрузки 200 Ом), то  разрядный ток составной батареи составит 3 _* 7,5 = 22,5 mA. Вот так, приходится брать количеством.

Последовательное соединение элементов питания.

Бывает, что необходимо обеспечит напряжение 4,5 – 6 вольт, применяя батарейки на 1,5 вольта. В таком случае нужно соединить батарейки последовательно, как на рисунке.

Разрядный ток такой составной батареи составит значение для одного элемента, а общее напряжение будет равно сумме напряжений трёх батареек. Для трёх элементов формата АА (“пальчиковых”) разрядный ток составит 7-7,5 mA (при сопротивлении нагрузки 200 Ом), а суммарное напряжение – 4,5 Вольт.

Итак, подведём итоги.

• Если необходимо обеспечить значительный ток, то применяется параллельное соединение элементов питания. Рассчитать значения напряжения и разрядного тока для параллельно составленной батареи питания:

  I=I_G1* N  — общий разрядный ток параллельно составленной батареи.

   где N – количество однотипных элементов питания.

  I_G1 – разрядный ток одного элемента питания.

  U=U_G1 — общее напряжение параллельно составленной батареи.

  где U_G1 – напряжение одного элемента питания.

  Понятно, что никакого выигрыша по напряжению при параллельном соединении мы не получим.

• Если требуется обеспечить напряжение в разы большее напряжения отдельного элемента питания, то применяется последовательная схема соединения.

  Рассчитать значения напряжения и разрядного тока для последовательно составленной батареи питания:

  U=U_G1* N — общее напряжение последовательно составленной батареи.

  I=I_G1 — общий ток последовательно составленной батареи.

  В таком случае мы получаем выигрыш по напряжению.

• А как быть, если необходимо получить выигрыш и по напряжению и по току? Тогда применяется смешанное соединение элементов питания.

  Взгляните на рисунок, думаю, Вам всё станет понятно.

  При таком соединении составная батарейка из 6 элементов типоразмера АА обеспечит напряжение 4,5 Вольт и разрядный ток на нагрузке в 200 Ом – 2 _* 7,5 = 15mA.

Рассчитывается всё довольно просто. Сначала, вычисляем напряжение на 3 последовательно соединённых элементах одного из плеч. Ток последовательно соединённых элементов будет равен току одного элемента.

Далее складываем токи каждого плеча из трёх элементов. В данном случае у нас два плеча. Напряжение параллельно соединённых элементов равно напряжению одного элемента. Здесь 3 последовательно соединённых батарейки представляют как бы один элемент питания на 4,5 Вольт.

В радиолюбительской практике не всегда необходимо вычислять разрядный ток, так как потребляемый приборами ток, как правило, нестабилен, всё зависит от режима работы конкретного аппарата.

Понятно, что магнитола потребляет больший ток в режиме воспроизведения, нежели в режиме прослушивания радио. В режиме воспроизведения ток потребления возрастает из-за работы двигателя протяжки ленты, тогда как в режиме радио необходимо лишь усилить принятый сигнал.

Необходимо просто правильно оценивать токовую нагрузку на составную батарею, ведь некоторые приборы могут потреблять значительный ток и в таких случаях можно добавить пару дополнительных элементов питания. В таком случае автономное время работы Вашего прибора возрастёт.

Главная &raquo Радиоэлектроника для начинающих &raquo Текущая страница

Также Вам будет интересно узнать:

• Конструкция, особенности и области применения герметичных кислотно-свинцовых аккумуляторов

• Как собрать многофункциональную розетку для мастерской радиолюбителя?

• Простые правила электробезопасности, которые должен знать каждый начинающий радиолюбитель.

При эксплуатации автономных источников тока часто встречаются ситуации, когда необходимо одновременно использовать несколько соединенных определенным образом элементов. Это требует наличия определенных знаний, касающихся особенностей протекания тока в цепях с несколькими источниками питания. В данной статье рассматриваются нюансы различных способов соединения аккумуляторов в сборные батареи.

Для чего соединяют аккумуляторы

Некоторые устройства с автономным электрическим питанием требуют таких значений тока и напряжения, которые трудно обеспечить имеющимися стандартными гальваническими источниками питания.

Как правило, это потребность в более мощном отдаваемом токе, увеличенном значении напряжения или емкости. Для решения этих задач требуется создавать различные конфигурации соединений источников тока, каждая из которых имеет свои особенности.

Варианты подключения аккумуляторов

Существует три схемы соединений АКБ в сборки с нужными параметрами:

1. Последовательное — складывается напряжение всех АКБ;
2. Параллельное – складывается емкость;
3. Комбинированное последовательно-параллельное – для повышения емкости и напряжения.

Все они имеют определенные особенности, которые необходимо знать для обеспечения безопасности и долговременной эксплуатации аккумуляторов и питаемых ими устройств.

Основным требованием при всех способах коммутации является исключение использования в сборке аккумуляторов, изготовленных по разным технологиям (например, нельзя соединять одновременно Li-ion и Ni-Mh).

Последовательное соединение аккумуляторов

Для обеспечения достаточного напряжения и приемлемого времени работы электроприборов часто используют аккумуляторные батареи, у которых аноды и катоды отдельных элементов (секций) последовательно соединяются между собой проводниками.

Анод и катод крайних источников питания получившейся сборной батареи являются ее общими плюсом и минусом. У АКБ из последовательно соединенных элементов результирующее напряжение равно сумме вольтажей использующихся источников тока. Результирующая емкость полученной батареи равна той, которую имеет самый слабый из присоединенных АКБ. При эксплуатации такой сборки через каждый элемент течет одинаковый ток (как при заряде, так и при разряде).

При последовательном соединении шести аккумуляторов, каждый из которых имеет вольтаж 1,2 вольта и емкость 1200 мАч будет получена сборка на 6х1,2=7,2 v с емкостью 1200 мАч.

Если в сборке будут использоваться элементы с разной емкостью, то у тех из них, которые имеют меньшую емкость, будет более высокое внутренне сопротивление по сравнению с другими. Падение напряжения на них будет больше, что приведет к быстрому разряду самого слабого элемента в процессе работы.

Более мощные аккумуляторы сборки при этом еще будут работоспособны и сборка будет эксплуатироваться дальше. Это приведет к сильному разряду самого слабого аккумулятора, что уменьшит его ресурс и емкость.

Читайте также:  Недозаряд аккумулятора

При заряде такой сборки самый слабый аккумулятор зарядиться раньше других элементов, но из-за того, что остальные еще не зарядились, через него будет продолжать течь зарядной ток, который приведет к перезаряду и перегреву. Это особенно опасно для АКБ, которые содержат соединения лития из-за их повышенной чувствительности к перезаряду и сильному разряду.

Важно! В конечном итоге, постоянно повторяющийся усиленный разряд и перезаряд слабого элемента сборки быстро приведут к его выходу из строя. Поэтому при последовательном соединении должны применяться элементы равной емкости. Этого можно достичь только при использовании источников питания, выпущенных одним и тем же производителем, желательно из одной партии.

Заряд каждого источника питания сборной батареи лучше производить по отдельности, или применять выравнивающий заряд с контролем напряжения (регулировкой тока) на каждом элементе.

Параллельное соединение аккумуляторов

В этом случае одним общим проводником соединяют все аноды, а другим – все катоды соединяемых аккумуляторов. Эта схема применяется тогда, когда необходима повышенная сила тока сборной батареи.

Общая емкость (отдаваемый ток) полученной сборки равна сумме емкостей (проходящих токов) соединенных источников питания. Ее напряжение будет равно вольтажу элемента с самой большой электродвижущей силой, и оно будет одинаково на всех источниках полученной батареи.

При параллельном соединении шести АКБ, каждый из которых имеет напряжение 1,2 вольта и емкость 1200 мАч будет получена сборка на 1,2v с емкостью 6*1200=7200 мАч.

Внимание! При параллельном соединении нескольких одинаковых источников, имеющих разное напряжение, происходит перетекание тока из источника с большим напряжением в элемент с меньшим вольтажом.

Это разрушительно сказывается на тех из них, которые имеют меньшую емкость. Из-за перетекания токов запрещается параллельно соединять одноразовые батарейки, в которых оно приводит к заряду элементов с меньшим напряжением, их перегреву, вытеканию электролита или даже взрыву.

Читайте также:  Как узнать дату изготовления аккумулятора Аком

В случае параллельного соединения источника с большим напряжением малой емкости к элементу большей емкости, но с меньшим напряжением происходит электрическое замыкание слабого АКБ через меньшее внутреннее сопротивление сильного. Из-за этого в слабом источнике протекает сильный ток, который приводит к его постепенному разрушению.

В случае высокого вольтажа на аккумуляторе большей емкости происходит форсированный заряд слабого элемента, что также сказывается на нем губительно. Исходя из этого, перед сборкой батареи рекомендуется выравнивать напряжения каждого ее элемента до одинакового значения.

Важно! Для исключения разрушающего воздействия перетекания токов при параллельном соединении аккумуляторов должны использоваться элементы питания, одинаковые по напряжению.

Последовательно-параллельное соединение аккумуляторов

Если учитывать правила соединения аккумуляторов в последовательные и параллельные сборки, то можно создавать сложные комбинированные варианты с одновременным использованием обоих способов. Это позволяет увеличивать результирующую емкость и напряжение, что особенно необходимо в системах автономного энергообеспечения, электромобилях и других устройствах с большим потреблением электрического тока.

Сборка комбинированной батареи может осуществляться двумя способами:

1. Составляется нужное количество последовательно соединенных сборок с необходимым напряжением, а затем они объединяются в единую батарею с помощью параллельной коммутации.
2. Создаются батареи с параллельно соединенными аккумуляторами необходимой емкости, которые затем последовательно коммутируются до набора нужного вольтажа.

Важно! Необходимо понимать, что даже при соблюдении всех правил соединения, невозможно подобрать элементы питания с абсолютно идентичными характеристиками. Это неизбежно приведет к разбалансировке значений емкостей и напряжений, что со временем будет приводить к повышенному износу более слабых аккумуляторов.

Меры предосторожности при подключении

При всех способах соединения аккумуляторов необходимо соблюдать ряд мер предосторожности:

• соблюдать меры безопасности по эксплуатации электроустановок для исключения поражения электрическим током (главное — не создавать цепи прохождения тока через тело человека):
• соблюдать полярность подключения;
• не создавать коротких замыканий;
• при сборке батарей отключать от них нагрузку;
• подсоединение зарядного устройства к АКБ осуществлять тогда, когда оно отключено от сети;
• работы проводить в соответствующей изолирующей одежде и обуви, без металлических предметов, которые могут упасть и замкнуть контакты;
• не касаться руками клемм АКБ, в особенности двумя руками на разных полюсах (это очень опасно на мощных батареях с высоким напряжением);
• использовать специальный инструмент с изолированными частями;
• не проводить работы при плохом состоянии здоровья;
• учитывать токи, проходящие через сборную батарею и нагрузку и использовать подходящие по сечению проводники;
• при соединении элементов в одну батарею обеспечивать надежный и изолированный от внешних воздействий контакт;
• обеспечивать надежную защиту сборных батарей от коротких замыканий и попадания влаги;
• использовать аккумуляторы с одинаковыми характеристиками и степенью износа;
• внимательно проверять собранную батарею на наличие ошибок коммутации.

Читайте также:  Аккумуляторы для электронных сигарет

К чему могут привести ошибки при соединении АКБ

Для исключения ошибок при соединении аккумуляторов желательно использовать специальные разъемы, исключающие ошибки при коммутации, например, переходники T-Plug. При неправильном подключении аккумуляторов в одной сборке могут быть допущены ошибки, которые могут привести к очень тяжелым последствиям:

• при параллельном соединении образуется короткозамкнутый контур, в результате чего в аккумуляторах будет происходить бурная химическая реакция, которая очень быстро приведет к вытеканию электролита, деформации корпуса, возгоранию или даже взрыву;
• при последовательном соединении с неправильной полярностью контур разомкнут, но при подключении нагрузки может появиться обратный ток через неверно подключенный элемент, что выведет его из строя;
• при длительном коротком замыкании одного или нескольких аккумуляторов неизбежно возгорание изоляции, расплавление проводников, бурная реакция внутри АКБ, вытекание электролита, деформация корпуса, возгорание или взрыв;
• при краткосрочном коротком замыкании контактов батарея останется работоспособной, но может произойти ухудшение состояния электродов внутри батареи, уменьшение емкости;
• при использовании проводников, не рассчитанных на рабочие токи, они будут перегреваться, оплавится их изоляция, что может привести к короткому замыканию и вытекающим отсюда последствиям.

Остались вопросы или есть что добавить? Тогда напишите нам об этом в комментариях, это позволит сделает материал более полным и точным.

Аккумулятор — допускающий повторную зарядку химический источник тока (гальванический элемент). Аккумуляторная батарея — объединенные в единый блок по определенной схеме несколько источников. Каждый из них характеризуется емкостью (Ач), напряжением (В) и объемом запасенной энергии (кВт*ч), а схема соединения — особенности батареи. Зная их, можно самостоятельно изготовить аккумулирующий источник питания. Выясним, что такое последовательно-параллельное, последовательное и параллельное подключение аккумуляторов, зачем их использовать и как это правильно делать.

Зачем соединять аккумуляторы в один блок?

При работе систем наблюдаются омические потери напряжения. Эта та часть затраченной энергии, которая преобразуется в тепло, не давая полезной работы. Объединяя аккумуляторы определенным образом, можно уменьшить потери, увеличив КПД. Бывают случаи, когда для работы оборудования емкости одного гальванического элемента недостаточно. Покупать батарею большей емкости дорого, да и не всегда удобно (например, проблемы с размещением). Практичнее объединить два однотипных химических источника энергии.

Запросы по характеристикам питания в различных областях различны.

Имея одинаковые и однотипные аккумулирующие элементы легко их удовлетворить, соединяя источники в разных сочетаниях. Это дешевле и практичнее.

Варианты подключения аккумуляторов

Подсоединение двух и более аккумуляторов выполняют:

• • Параллельно — увеличение емкости и силы тока аккумулирующего энергию блока.
  • Последовательно — увеличение напряжения.
  • Последовательно-параллельно — одновременное увеличение и емкостных параметров, и напряжения.

Где это работает? Переносная компьютерная техника работает на аккумуляторных батареях, в которых обычно 4 литий-ионных источника с номинальным напряжением 3.6 В соединены последовательно (суммарный параметр 14.4 В), а 2 элемента емкостью 2 400 мАч того же типа подключены параллельно (суммарный параметр 4 800 мАч). Когда энергопотребление стандартизировано, используют стандарты аккумуляторов, которые тоже объединяются. Например, для запуска двигателя автомобиль расходует заданное количество электричества, которая расходуется и на подпитку противоугонных устройств, автоматики. При увеличении нагрузки, требуется и увеличение характеристики блока.

Параллельное соединение аккумуляторов

Применяется в тех случаях, когда техническими условиями требуется сохранить неизменным номинальное напряжение источника, но повысить его емкость. Для построения батареи необходимо параллельное соединение аккумуляторов в одну цепь. Придется соединять однополюсные выводы всех гальванических элементов.

Принцип: минус и плюс предыдущего источника соединяют с однополюсными выводами следующего. То есть один общий проводник будет объединять все аноды, а другой — катоды всех элементов.

Предположим, что в цепи будет задействовано 6 АКБ. Каждый 12-вольтовой элемент имеет емкость 200 Ач. Если их запараллелить, то суммарный параметр напряжения будет равен 12 В, емкости — 1 200 А, мощности — 4 800 А*ч.

Параллельно соединены источники аварийного и бесперебойного питания, АБК автобусов и другой тяжелой спецтехники, автомобилей с большим объемом ДВС (чтобы не выполнять прикуривание), приборы питания устройств освещения, систем жизнеобеспечения и связи, запуска аварийной техники и пр.

Особенности параллельного подключения

• Нужно учитывать глубину разряда. Этот параметр есть у каждого элемента в цепи. Его обязательно учитывают при эксплуатации аккумуляторной батареи. НЕЛЬЗЯ разряжать источник ниже этого параметра.
• При эксплуатации блока также учитывают характеристики самораздяра.

Последовательное соединение аккумуляторов

Рабочее напряжение аккумуляторов может быть разным. Параметр колеблется в диапазоне — 0.5-48 Вольт. Если для запуска ДВС автомобиля, автономного питания электрооборудования или электроприводной спецтехники необходим другой диапазон, используют последовательное соединение аккумуляторов в единую цепь. Количество химических источников тока рассчитывается по характеристикам напряжения.

Принцип: объединяются разнополюсные клеммы гальванических элементов. Вывод «+» предыдущего источника соединяется с выводом «-» следующего. То есть вывод «+» первого элемента и вывод «-» последнего выводятся наружу. Они и будут анодом и катодом аккумуляторной батареи.

Предположим, что в цепи будут участвовать четыре 12-вольтных химических источников тока емкостью 200 А и мощностью 800 А*ч. При последовательном подсоединении суммарное напряжение аккумуляторной батареи будет равно 48 В, емкость батареи останется неименной.

Подобным способом объединяются химические источники тока в АКБ для автомобилей, автобусов и другой техники. Элементы упакованы в один корпус и объединены при помощи свинцовых шин. Из этого же материала изготавливают электроды элементов. Свинцовые части могут соединяться между собой не на механическом, а на молекулярном уровне, что предупреждает развитие коррозийных электрохимических реакций. Увеличен срок эксплуатации батареи.

Особенности последовательного подключения

• Одновременно можно подключать любое количество гальванических элементов, но все они в цепи должны быть одинаковыми и однотипными. Например, литий-ионные соединяют с литий-ионными, но не кадмий-никелевыми.
• Емкости всех химических источников тока должны быть одинаковыми (очень близкими по значению).
• Нужна балансировка заряда при этом типе сборки. Она обеспечит длительный срок службы батареи без дополнительной подзарядки, безопасность ее эксплуатации. Можно применять активный и пассивный метод балансировки.
• Если в цепи выходит из строя один аккумулятор, то менять придется все элементы.
• Если использовано последовательное подключение аккумуляторов, то выбору зарядного устройства нужно уделить особое внимание. Лучше использовать приспособления с контроллером заряда.
• Проводники должны выдерживать нагрузку в 3 раза превышающую номинальную.

Последовательно-параллельное соединение аккумуляторов

Принцип 1: последовательно объединяются элементы с необходимым рабочим напряжением, затем параллельно соединяются требуемое число сборок, способных обеспечить оптимальные параметры емкости.

Принцип 2: параллельно объединяются аккумуляторы для обеспечения необходимой емкости, затем элементы подключаются последовательно, чтобы было достигнуто нужное напряжение.

Предположим, что в цепи будут задействованы три 12-вольтовые аккумулятора с емкостью 200 А и мощностью 800 А*ч. Тогда аккумуляторная батарея будет иметь рабочее напряжение 36 В, емкость 600 А.

При смешанном подключении можно сформировать источник питания любых необходимых параметров. Но у процесса коммутации есть ряд ограничений, связанных с подзарядкой батареи и ее размещением.

Примером параллельно-последовательного источника являются батареи, применяемые для работы агрегатов с электроприводом, управляющих моторов и пр.

Особенности смешанного подключения

• Увеличение тока и емкости требует грамотного подбора соединительных проводов. Чем параметры выше, тем больше сечение жилы.
• Рекомендуется при параллельно-последовательном объединении элементов использовать самозатухающие и негорючие провода.
• Расчет параметров проводят по техническим требованиям подключаемой нагрузки.

Меры предосторожности при подключении

• соблюдать правила безопасности при работе с электрическим током, одевать резиновые перчатки;
• предупредить создание цепи прохождения электротока через человеческое тело;
• избегать коротких замыканий;
• не пренебрегать полярностью;
• к клеммам АКБ голыми руками не прикасаться;
• не собирать аккумуляторы, подключенные к нагрузкам (раздельно перепроверить каждый перед включением в цепь);
• зарядное устройство нужно отключить перед тем, как подключать батарею;
• применять инструменты с изолированными рукоятками;
• не пренебрегать параметрами тока АКБ и нагрузки перед тем, как воспользоваться блоком;
• соединительные контакты должны быть надежными и изолированными;
• сборку защитить изоляционным корпусом от попадания влаги;
• применять одинаковые аккумуляторы по параметрам, степени износа;
• перед тем, как воспользоваться сборкой, протестировать ее на предмет некорректного соединения клемм.

При исправлении ошибок первоначально отсоединяют нагрузку (зарядное устройство), затем только проводят переделку блока.

Ошибки коммутации и их последствия

Самое главное — избежать поражения электротоком. Некорректное объединение химических источников тока повлечет за собой:

• Формирование короткозамкнутого контура. В гальванических элементах начнется химическая реакция, которая приведет к вытеканию электролита, короблению корпуса, взрыву, возгоранию (характерно для параллельного соединения).
• Размыкание контура. Во время подключения нагрузки сгенерируется обратный электроток через некорректно подсоединенный источник. Это приведет к быстрому выходу из строя блока (характерно для последовательного соединения).
• Продолжительное короткое замыкание. Результат — расплавление проводов, возгорание, коробление корпуса, химическая реакция внутри источников, воспламенение, утечка электролита и взрыв.
• Кратковременное замыкание. Результат — снижение емкости, порча электродов.
• Перегрев и оплавление проводников. Результат — короткое замыкание (если некорректно подобран проводник по сечению).

Проверка подключения

После завершения работ следует оценить качество всех соединений, их надежность, изоляцию. Характеристики аккумуляторной батареи проверяют через включение рабочей, второстепенной нагрузки. Проверяют падение напряжения. Пробы снимают несколько раз после восстановления АКБ. Для перепроверки данных можно использовать вольтметр, мультиметр или специальные устройства: приборы Кулона, тестеры, анализаторы. Только удостоверившись, что все сделано по схеме и без ошибок, можно использовать АКБ.

Используемые источники:

• https://go-radio.ru/batareika.html
• https://istochnikipitaniy.ru/stati/posledovatelnoe-i-parallelnoe-soedinenie-akkumulyatorov.html
• https://3batareiki.ru/akkumulyatory/soedinenie-akkumulyatorov-posledovatelno-i-parallelno