Элементы и батареи для малогабаритных приемопередатчиков, радиоприемников, аппаратуры связи и другой аппаратуры. Рельсовые цепи
Рельсовая цепь (РЦ) - это совокупность рельсовой линии и аппаратуры, подключаемой к ней в начале и конце.
Назначение РЦ:
1) контроль занятости/свободности пути;
2) контроль целостности рельсового пути;
3) передача информации о показаниях путевых светофоров в систему АЛС (автоматическая локомотивная сигнализация);
4) увязка показаний между проходными светофорами в системах числовой кодовой АБ (автоматическая блокировка).
Первая рельсовая цепь была опробована в США в 1872 году. В настоящее время существует более 30 типов (в них 800 видов) рельсовых цепей.
В рельсовую линию входят: рельсы, стыковые соединители, изолирующие стыки, путевые дроссель-трансформаторы.
АПК - аппаратура питающего конца;
АРК - аппаратура релейного конца;
П - путевой приемник;
НДП - направление движения поезда;
ИС - изолирующие стыки (изостыки);
I т1 , I Т2 - тяговые токи;
I С - сигнальный ток;
При свободности рельсовой цепи (РЦ) питание подается через аппаратуру питающего конца (путевой трансформатор) в рельсы и снимается с рельс через аппаратуру релейного конца и подается на путевое реле (путевой приемник). Реле стоит под током.
При нахождении колесной пары происходит короткое замыкание в РЦ. При этом на релейном конце реле обесточивается.
Питание в рельсовой цепи пускают навстречу поезду. Сопротивление одной колесной пары меньше или равно 0,06 Ом. Для контроля свободности РЦ используется сигнальный ток. В РЦ сигнальный и тяговые токи должны отличаться по частоте.
Классификация рельсовых цепей
1. Нормально замкнутые - это РЦ, у которых путевой приемник при свободности и целостности рельсовой цепи находится под током (включен).
2. Нормально разомкнутые РЦ - применяются только в горочной централизации, так как они не контролируют целостность рельсового пути.
По роду сигнального тока рельсовые цепи делятся на:
а) с непрерывным питанием;
б) импульсным питанием;
в) кодовым питанием (импульсы определенной длины через определенный интервал).
По источнику питания рельсовые цепи бывают:
а) переменного тока;
б) постоянного тока.
Рельсовые цепи переменного тока могут быть частотой:
а) при электрической тяге переменного тока: 25, 75 Гц;
б) при электрической тяге постоянного тока: 25, 50, 75 Гц;
в) автономного тока: 25, 50, 75 Гц;
г) РЦ тональной частоты: > 300 Гц.
ТД - тяговый двигатель;
КС - контактная сеть;
РЛ - рельсовая линия.
По пропуску обратного тягового тока рельсовые цепи бывают:
а) двухниточные
ДТ - дроссель-трансформатор;
I Т = I Т1 + I Т2 .
Дроссель-трансформатор предназначен для пропуска обратного тягового тока в обход изолирующих стыков.
б) однониточные (используются на боковых путях)
По путевому развитию РЦ различают:
Неразветвленные;
Разветвленные.
Схема разветвленной РЦ
По типу путевого приемника различают следующие рельсовые цепи:
С одноэлементным приемником;
С двухэлементным приемником.
ПП - путевой приемник;
ГП - путевой генератор.
При тональной рельсовой цепи линия делится на участки по частоте генератора ГП. Частоты: 420, 480, 520, 580, 720 Гц - 3-го поколения; 4500, 5000, 5500 Гц - 4-го поколения. Частота модуляции: 8 и 12 Гц.
Кодовые рельсовые цепи
Используют четыре несущих частоты и восемь синхрогрупп. На двухпутных перегонах по четному пути f 2 и f 4 , по нечетному f 1 и f 3 . СГ (синхрогруппа) повторяются не чаще чем через 3 б/у. На однопутных перегонах используются либо f 1 и f 3 , либо f 2 и f 4 (частоты).
Рельсовой цепью называется электрическая цепь, проводниками которой служат рельсовые нити пути. Рельсовые цепи являются основным элементом автоблокировки, автоматической локомотивной сигнализации, электрической централизации стрелок и сигналов, диспетчерского контроля движения поездов, автоматической переездной сигнализации и других систем.
1я РЦ была разработана в 1872 г. в США Робинсоном. Сейчас работает ок. 90 видов РЦ. Они играют важнейшую роль в СЖАТ, связанную с организаций движения поездов. РЦ являются наиболее повреждаемыми элементами. На них приходится ок. 50% отказов.
РЦ выполняют функции:
1. Непрерывный контроль свободности или занятости станционных путей, стрелок, участков на станции и блок-участков на перегоне.
2. Контроль целостности рельсовых нитей.
3. Непрерывная связь между светофорами.
4. РЦ являются каналом связи для передачи показаний напольных сигналов на локомотив.
Недостатки РЦ: зависимость надежности работы от состояния верхнего строения пути; зависимость от климатических условий.
Классификация РЦ:
По электрической схеме включения: нормально замкнутые и нормально разомкнутые.
По роду реле: постоянного, переменного тока(при всех видах тяги с разделением частот на 25 или 75 Гц) и РЦ тональной частоты.
По режиму питания: импульсные, непрерывные, кодовые.
По типу путевого приемника: одноэлементные (реагируют только на уровень сигнала), двухэлементные(реагируют на уровень и фазу).
8. Параметры рц
Как электрическая цепь рельсовая линия характеризуется двумя основными электрическими параметрами, называемыми первичными :электрическим сопротивлением рельсовых нитей исопротивлением изоляции .
Электрическое сопротивление рельсовых нитей носит активно-индуктивный характер. Z р =Rо+jwL=Re j φ . его величина в значительной мере определяется типом соединителя, например стальные штепсельные соединителиZ р =1e j 56 , стальные приварныеZ р =0,8e j 56 Ом/км, медныхZ р =0,8e j 65 ,
Сопротивление изоляции (или проводимость) (Ом*км или соответственно 1/Ом*км) зависит от типа балласта, его загрязненности, погодных условий, и может меняться в широких пределах. При расчетах принимают нормативные величины сопротивления изоляции для магистральных линий Z И =1 Ом*км, для сети промышленного транспортаZ И =0,5 Ом*км, для сортировочных горокZ И =0,37 Ом*км. Для отдельных материалов: щебень -Z И =0,5 Ом*км, гравий -Z И =0,66 Ом*км, песок -Z И =1 Ом*км.
Вторичные параметры : волновое сопротивлениеZв=корень2й(Zp*Zи), километрический коэф. затухания γ=корень2й (Zp/Zи).
9. Элементы рц
Рельсовой цепью называется электрическая цепь особого вида, проводниками тока в которой используются рельсовые нити железнодорожного пути. Все известные рельсовые цепи содержат источник сигнального тока с ограничивающим сопротивлением, рельсовую линию и путевой приемник, которым у большинства типов рельсовых цепей является реле.
Рельсовая линия состоит из рельсовых звеньев, соединенных металлическими накладками с болтовым креплением. Для уменьшения величины переходного сопротивления рельсовых накладок и его стабилизации звенья соединяются между собой стыковыми соединителями. Соединители изготавливаются в виде стальных штепсельных, стальных и медных приварных. Стальные штепсельные соединители состоят из двух оцинкованных проволок диаметром 5 мм, приваренных к штепселям, которые запрессовываются в отверстие рельсов. Стальные приварные соединители выполнены из стального троса диаметром 6 мм, концы которого в манжетах привариваются к контрам рельсовых звеньев. Медные приварные соединители из медного троса сечением 70 мм 2 запрессованы в стальные наконечники, посредством которых они привариваются к рельсам. Стальные штепсельные соединители используются в рельсовых цепях постоянного тока, стальные приварные соединители - в рельсовых цепях переменного тока, медные-на участках с электрической тягой.
Рельсовые линии смежных рельсовых цепей разделяются изолированными стыками. Изоляцией между рельсовыми нитями одной рельсовой цепи является сопротивление балласта земляного полотна и шпал.
В большинстве рельсовых цепей источник и приемник тока подключают на разных концах рельсовой линии, которые называют соответственно питающим и релейным концами рельсовой цепи. Аппаратура питающего и релейного концов может располагаться в трансформаторных или релейных ящиках, релейных шкафах. На станциях часть аппаратуры размещается на постах электрической централизации и соединяется с рельсовой линией кабелем, который разделывается в трансформаторных ящиках или кабельных стойках.
Общие сведения
Элементы и батареи ртутно-цинковой системы предназначены для питания малогабаритной специальной радиоаппаратуры, аппаратуры связи, а также используются в медицине и часовой промышленности.
Структура условного обозначения
РЦ-ХХ:
С - повышенной сохранности. Х РЦХХ:
Х - цифра, указывающая на количество элементов в секции, далее
условное наименование элементов, составляющих секцию;
РЦ - ртутно-цинковая электрохимическая система;
Х - условный номер элемента (53, 63, 83 и т. д.): 1-я цифра -
диаметр элемента в условном обозначении; 2-я цифра - высота
элемента в условном обозначении;
Х - буквенные обозначения: У - универсальный, Х - холодостойкий,
С - повышенной сохранности.
"Бор", "Акция", "Прибой" - торговое наименование батарей.
Климатическое исполнение элементов УХЛ категории размещения 2 по ГОСТ 15150 - 69.
Условия эксплуатации
Высота над уровнем моря не более 3000 м.
Относительная влажность воздуха в нерабочем состоянии не более 98% при температуре 25°С без конденсации влаги.
температурные интервалы работоспособности элементов приведены в табл. 1.
Таблица 1
| Тип изделия | Температурный интервал работоспособности, ° С |
| Элементы: РЦ15, РЦ32,РЦ53, РЦ55, РЦ57,РЦ63, РЦ65,РЦ83, РЦ85,РЦ73, РЦ75,РЦ93, РЦ93С | |
| От –5 до 40 |
|
| РЦ53У, РЦ83Х | От –40 до 50 |
| Батареи: 2401, 2402, 2403,3601, 3602 | От –10 до 40 |
| Прибой-2С, Прибой-2К | От –10 до 50 |
| Акция,Бор |
В целях предотвращения взрыва элементов не допускается их нахождение при температуре окружающей среды выше 50°С.
Батареи соответствуют требованиям по технике безопасности ГОСТ 12.2.007.0 - 75 и ГОСТ 12.2.007.12 - 88.)ТУ 16-87 ИЛЕВ 563122.018;ТУ 16-87 ИЛЕВ 563122.018-01;
ТУ 16-87 ИЛЕВ 563122.018-02;ТУ 16-87 ИЛЕВ 563122.018-03;
ТУ 16-87 ИЛЕВ 563122.018-04;ТУ 16-87 ИЛЕВ 563122.018-05;
ТУ 16-87 ИЛЕВ 563122.019;ТУ 16-87 ИЛЕВ 563122.018-06;
ТУ 16-87 ИЛЕВ 563122.018-07;ТУ 16-529.616-87;ТУ 16-729.082-77;
ТУ 16-529.450-79;ИЛЕВ 563.122.014 ТУ;ФШО.351.934 ТУ;ФШЗ.513088-03 ТУ;
ФШО.351.920 ТУ;ТУ 16-529.293-77;ФШЗ.503.109 ТУ;ФШЗ.503.096 ТУ;
ФШЗ.503.104 ТУ;ТУ 16-729.083 ТУ;ТУ 16-729.089 ТУ;ТУ 16-529.295-77;
ТУ 16-529.797-73;ТУ 16-529.308-77;ТУ 16-529.310-77;ТУ 16-529.937-75
Электрические характеристики элементов устанавливаются путем разряда через внешнюю цепь при условиях, предусмотренных ГОСТ или ТУ.
Методика испытаний изложена в ГОСТ 3004 - 75. Основные технические характеристики элементов приведены в табл. 2 и 3.
Таблица 2
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ РТУТНО-ЦИНКОВЫХ ЭЛЕМЕНТОВ,
СЕКЦИЙ И БАТАРЕЙ ПРИ НЕПРЕРЫВНОМ РЕЖИ·МЕ·РАЗРЯДА
| Тип изделия | Номинальное напряжение, В | Емкость, А·ч | Начальное напряжение, В | Продолжительность работы, ч, при температуре, ° С | Сопротивление внешней цепи, Ом | Конечное напряжение, В, при температуре, ° С | Гарантийный срок хранения, мес | ||
| от 20 до 50 | от 0 до 2 | от 20 до 50 | от 0 до 2 | ||||||
| Элементы: РЦ53 РЦ63 РЦ83 РЦ85 РЦ15 РЦ17 РЦ32 РЦ53У РЦ55 РЦ57 РЦ65 РЦ73 РЦ75 РЦ82 РЦ83Х РЦ93 РЦ93С | 1,35 | 0,3 0,65 1,8 2,8 0,03 0,1 0,1 0,175 0,55 0,85 1,1 1,1 1,8 1,5 1,5 13,6 12,4 | 1,25 1,25 1,25 1,22 1,25 1,25 1,25 1,25 1,25 1,25 1,22 1,25 1,22 1,25 1,25 1,25 1,25 | 29 33 38 60 100 20 30 35 54 42 55 38 60 35 30 44 40 | 10 16 16 15 16 | 120 60 25 25 4200 250 625 250 120 50 60 40 40 25 25 4 4 | 1,0 | 0,9 | 18 24 24 36 24 31 9 60 36 18 36 24 36 24 18 36 63 |
| Секции и батареи: 2РЦ53–10РЦ53 2РЦ55–10РЦ55 2РЦ63–10РЦ63 2РЦ65–10РЦ65 2РЦ75–10РЦ75 2РЦ83–10РЦ83 2РЦ85–10РЦ85 2РЦ73–10РЦ73 | 2,7 ? 13,5 | 0,25 0,5 0,552 1,0 1,5 1,5 2,5 1,0 | 2,5 ? 12,5 2,44 ? 12,2 2,5 ? 12,5 2,44 ? 12,2 2,44 ? 12,2 2,5 ? 12,5 2,44 ? 12,2 2,5 ? 12,5 | 24 48 32 50 55 32 54 33 | – | 240 ? 1200 240 ? 1200 120 ? 600 120 ? 600 80 ? 400 50 ? 250 50 ? 250 80 ? 400 | – | – | 15 24 18 24 24 18 24 18 |
| 4РЦ57 5РЦ53У 7РЦ53У 5РЦ83Х 6РЦ83Х 9РЦ83Х | 5,4 6,75 9,45 6,75 8,1 12,15 | 0,54 0,03 0,1 1,5 1,5 1,5 | 5,0 6,25 8,75 6,25 6,75 11,25 | 40 140 | – | 50 6250 14580 | 4,0 5,0 7,0 5,0 6,0 9,0 | – | 12 60 54 9 9 9 |
| 2401 2402 2403 | 2,7 | 0,2 0,2 0,3 | 2,5 | 20 20 20 | – | 500 240 170 | 2,0 | – | 30 30 30 |
| 3601 3602 | 4,05 | 0,2 0,2 | 3,75 | 20 20 | – | 750 450 | 3,0 | – | 30 30 |
| Бор (6РЦ63) | 8,04 | 0,02 | 7,5 | 27 6 | 13 5 | 360 120 | 5,4 | 12 | |
| Прибой-2с Прибой-2к | 10,8 10,8 | 1,98 1,98 | 9,0 9,0 | 14 14 | – | 80 80 | – | – | 30 18 |
| Акция 6РЦ63-2/2-01/ 6РЦ53/2-03/ 12РЦ63-6/2-02/ 3РЦ93 | 8,1 8,1 8,1 16,2 4,05 | 0,2 1,0 0,19 0,18 8,8 | 7,5 6,5 7,0 15,5 3,75 | 27 8 8 18 | – | 360 63 330 150 | 5,4 5,0 6,0 12,0 3,0 | – | 15 9 9 9 20 |
Таблица 3
| Тип изделия | Максимальные размеры, мм | Масса, кг | ГОСТ, ТУ | ||
| длина или диаметр | высота | ||||
| Элементы: РЦ53 РЦ55 РЦ63 РЦ65 РЦ73 РЦ75 РЦ82 РЦ83 РЦ85 РЦ15 РЦ17 РЦ32 РЦ53У РЦ57 РЦ83Х РЦ93 РЦ93С | 15,6 15,6 21 21 25,5 25,5 30,1 30,1 30,1 6,3 5,5 10,9 15,6 16,6 30,1 30,6 30,6 | 6,3 12,5 7,4 13 8,4 13,5 9,4 9,4 14 6 24,5 3,6 6,3 17,8 9,4 60,8 60,8 | 0,0046 0,0095 0,011 0,018 0,017 0,027 0,03 0,028 0,039 0,00085 0,0024 0,0014 0,0046 0,017 0,0253 0,17 0,17 | ТУ 16–87, ИЛЕВ 563122.018 |
|
| Секции и батареи: 2РЦ53–10РЦ53 2РЦ55–10РЦ55 2РЦ63–10РЦ63 2РЦ65–10РЦ65 2РЦ73–10РЦ73 2РЦ75–10РЦ75 2РЦ83–10РЦ83 2РЦ85–10РЦ85 | 16,2 16,2 21,6 21,6 26,1 26,1 30,7 30,7 | 16–72 28–132 18–81 29–137 20–91 30–142 22–101 31–147 | 0,01–0,05 0,02–0,1 0,02–0,113 0,037–0,183 0,036–0,176 0,056–0,28 0,057–0,28 0,084–0,42 | ТУ 16-529.293–77 |
|
| 4РЦ57 5РЦ53У 7РЦ53У 5РЦ83Х 6РЦ83Х 9РЦ83Х | 18,9 19 17 30,7 30,7 30,7 | 73 40 53,5 52 62 91 | 0,085 0,037 0,05 0,142 0,171 0,256 | ФШЗ.503.109 ТУ |
|
| 2401 2402 2403 | 26 26 26 | 14,5 24,5 34,5 | 0,007 0,0125 0,0177 | ТУ 16-729.083 ТУ ТУ 16-729.089 ТУ |
|
| 3601 3602 | 6,2 26 | 80 35 | 0,0106 0,0177 |
||
| Бор | 24,5 | 53,5 | 0,075 | ТУ 16-529.295–77 |
|
| Прибой-2с Прибой-2к | 137,5 | 25,5 | 0,5 | ТУ 16-529.797–73 |
|
| Акция 6РЦ63-2(2-01) 6РЦ53(2-03) 12РЦ63-6(2-02) 3РЦ93 | 24,2 89,2 34 71 30,5 | 24,8 | 60 29,5 26,5 105 188 | 0,082 0,145 0,04 0,93 0,55 | У разработчика |
Все ртутно-цинковые элементы, кроме элементов РЦ17, РЦ57 и РЦ93, имеют дисковую форму с отношением высоты к диаметру, меньшим единицы. Корпус и крышка элемента (см. рисунок) изготовляются из стали и служат одновременно токоотводами, которые разделены герметизирующим кольцом. Диафрагмой является щелочестойкая бумага, пропитанная электролитом. Конструкция дисковых элементов обеспечивает возможность простого соединения их в секции и батареи.
Ртутно-цинковый элемент
1 - крышка;
2 - отрицательный электрод;
3 - резиновое кольцо;
4 - бумажная диафрагма, пропитанная электролитом;
5 - сепаратор;
6 - положительный электрод;
7 - корпус
Секция представляет собой последовательно соединенные элементы, разделенные друг от друга бумажной шайбой, через которую проходит никелевая лента, соединяющая соседние элементы. Секция размещается в трубке.
Элементы РЦ17, РЦ57 и РЦ93 - цилиндрические; отрицательный электрод в них формуется в виде цилиндрического брикета из цинковых опилок, положительный электрод - в виде кольца из окиси ртути и графита. Элементы имеют двойные корпус и крышку. Наружный корпус через изолирующее кольцо завальцовывается на крышку.
Электроды разделяются целлофановой (в форме стаканчика) и бумажной диафрагмами.
Гальванические источники тока одноразового действия представляют собой унифицированный контейнер, в котором находятся электролит, абсорбируемый активным материалом сепаратора, и электроды (анод и катод), поэтому они называются сухими элементами. Этот термин используется применительно ко всем элементам, не содержащим жидкого электролита. К обычным сухим элементам относятся углеродно-цинковые элементы или элементы Лекланше .
Сухие элементы применяются при малых токах и прерывистых режимах работы. Поэтому такие элементы широко используются в телефонных аппаратах, игрушках, системах сигнализации и др.
Поскольку спектр приборов, в которых используются сухие элементы, весьма широк и, кроме того требуется их периодическая замена, существуют нормы на их габариты . Следует подчеркнуть, что габариты элементов, приведенные в таблицах 1.1 и 1.2, выпускаемые различными изготовителями могут несколько отличаться в части расположения выводов и других особенностей, оговоренных в их спецификациях.
В процессе разряда напряжение сухих элементов падает от номинального до напряжения отсечки (напряжение отсечки — минимальное напряжение, при котором батарея способна отдавать минимальную энергию), т.е. обычно от 1,2 В до 0,8 В/элемент в зависимости от особенностей применения. В случае разряда при подключении к элементу постоянного сопротивления после замыкания цепи напряжение на его выводах резко уменьшается до некоторой величины, несколько меньшей исходного напряжения. Ток, протекающий при этом, называется начальным током разряда.
Функциональные возможности сухого элемента зависят от потребления тока, напряжения отсечки и условий разряда. Эффективность элемента повышается по мере уменьшения тока разряда. Для сухих элементов непрерывный разряд за время меньше 24ч может быть отнесен к категории разряда с высокой скоростью.
Электрическая емкость сухого элемента оговаривается для разряда через фиксированное сопротивление при заданном конечном напряжении в часах в зависимости от начального разряда и представляется графиком или таблицей. Целесообразно использовать график или таблицу изготовителя для конкретной батареи. Это обусловлено не только необходимостью учета особенностей изделия, но и тем, что каждый изготовитель дает свои рекомендации по наилучшему использованию его продукции. В таблице 1.3 и таблице 1.5 представлены технические характеристики гальванических элементов, наиболее распространенных в последнее время на прилавках наших магазинов.
Внутреннее сопротивление батареи может ограничивать необходимый ток, например при использовании в фотовспышке. Начальный стабильный ток, который может кратковременно давать батарея, называется током вспышки. В обозначении типа элемента присутствуют буквенные обозначения, которым соответствуют токи вспышки и внутреннее сопротивление элемента, измеренные на постоянном и переменном токе (таблица 1.4 ). Ток вспышки и внутреннее сопротивление весьма сложны для измерений, причем элементы могут иметь длительный срок хранения, но при этом ток вспышки может уменьшаться.
1.1. ТИПЫ ГАЛЬВАНИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ
Угольно-цинковые элементы
Угольно-цинковые элементы (марганец-цинковые) являются самыми распространенными сухими элементами. В угольно-цинковых элементах используется пассивный (угольный) коллектор тока в контакте с анодом из двуокиси марганца (MnO2), электролит из хлорида аммония и катодом из цинка. Электролит находится в пастообразном состоянии или пропитывает пористую диафрагму. Такой электролит мало подвижен и не растекается, поэтому элементы называются сухими.
Номинальное напряжение угольно-цинкового элемента составляет 1,5 В.
Сухие элементы могут иметь цилиндрическую, рис.1.1, дисковую рис.1.2 и прямоугольную форму. Устройство прямоугольных элементов аналогично дисковым. Цинковый анод выполнен в виде цилиндрического стакана, одновременно являющимся контейнером. Дисковые элементы состоят из цинковой пластины, картонной диафрагмы, пропитанной раствором электролита, и спрессованного слоя положительного электрода. Дисковые элементы последовательно соединяют друг с другом, полученную батарею изолируют и упаковывают в футляр.
Угольно-цинковые элементы «восстанавливаются» в течении перерыва в работе. Это явление обусловлено постепенным выравниванием локальных неоднородностей в композиции электролита, возникающих в процессе разряда. В результате периодического «отдыха» срок службы элемента продлевается.
На рис. 1.3 представлена трехмерная диаграмма, показывающая увеличение продолжительности работы D-элемента при использовании прерывистого режима работы в сравнении с постоянным. Это следует учитывать при интенсивной эксплуатации элементов (и использовать несколько комплектов для работы с тем, чтобы один комплект имел достаточный период времени для восстановления работоспособности. Например, при эксплуатации плеера не рекомендуется использовать один комплект батареек более двуo часов подряд. При смене двух комплектов продолжительность работы элементов увеличивается в три раза.
Достоинством угольно-цинковых элементов является их относительно низкая стоимость. К существенным недостаткам следует отнести значительное снижение напряжения при разряде, невысокую удельную мощность (5…10 Вт/кг) и малый срок хранения.
Низкие температуры снижают эффективность использования гальванических элементов, а внутренний разогрев батареи его повышает. Влияние температуры на емкость гальванического элемента показана на рис. 1.4. Повышение температуры вызывает химическую коррозию цинкового электрода водой, содержащейся в электролите, и высыхание электролита. Эти факторы удается несколько компенсировать выдержкой батареи при повышенной температуре и введением внутрь элемента, через предварительно проделанное отверстие, солевого раствора.
Щелочные элементы
Как и в угольно-цинковых, в щелочных элементах используется анод из MnO2 и цинковый катод с разделенным электролитом.
Отличие щелочных элементов от угольно-цинковых заключается в применении щелочного электролита, в следствии чего газовыделение при разряде фактически отсутствует, и их можно выполнять герметичными, что очень важно для целого ряда их применений.
Напряжение щелочных элементов примерно на 0,1 В меньше, чем угольно-цинковых, при одинаковых условиях. Следовательно эти элементы взаимозаменяемы.
Напряжение элементов с щелочным электролитом изменяется значительно меньше, чем у элементов с солевым электролитом. Элементы с щелочным электролитом также имеют более высокие удельную энергию (65…90 Втч/кг), удельную мощность (100…150 кВтч/м3) и более длительный срок хранения.
Зарядка марганцево-цинковых элементов и батарей производится асимметричным переменным током. Заряжать можно элементы с солевым или щелочным электролитом любой концентрации, но не слишком разряженные и не имеющие повреждений цинковых электродов. В пределах срока годности, установленного для данного типа элемента или батареи, можно производить многократное (6…8 раз) восстановление работоспособности .
Зарядка сухих батарей и элементов производятся от специального устройства, позволяющего получить зарядный ток необходимой формы: при соотношении зарядной и разрядной составляющей 10:1 и отношении длительности импульсов этих составляющих 1:2. Это устройство позволяет заряжать батарейки для часов и активизировать старые малогабаритные аккумуляторы. При зарядке батареек для часов, зарядный ток не должен превышать 2 мА. Время заряда не более 5 часов. Схема такого устройства для зарядки батарей показана на рис. 1.5.
Здесь заряжаемая батарея включена через две параллельно включенные цепочки диодов с резисторами. Асимметричный ток заряда получается в следствии различия сопротивлений резисторов. Окончание заряда определяется по прекращению роста напряжения на батарее. Напряжение вторичной обмотки трансформатора зарядного устройства выбирается так, чтобы выходное напряжение превышало номинальное напряжение элемента на 50…60%.
Время заряда батарей с помощью описанного устройства должно быть порядка 12…16 часов. Зарядная емкость должна быть примерно на 50% больше номинальной емкости батареи.
Ртутные элементы
Ртутные элементы очень похожи на щелочные элементы. В них используется оксид ртути (HgO). Катод состоит из смеси порошка цинка и ртути. Анод и катод разделены сепаратором и диафрагмой, пропитанной 40% раствором щелочи.
Эти элементы имеют длительные сроки хранения и более высокие емкости (при том же объеме). Напряжение ртутного элемента примерно на 0,15 В ниже, чем у щелочного.
Ртутные элементы отличаются высокой удельной энергией (90…120 Втч/кг, 300…400 кВтч/м3), стабильностью напряжения и высокой механической прочностью.
Для малогабаритных приборов созданы модернизированные элементы типов РЦ-31С, РЦ-33С и РЦ-55УС. Удельная энергия элементов РЦ-31С и РЦ-55УС — 600 кВтч/м3, элементов РЦ-33С — 700 кВтч/м3. Элементы РЦ-31С и РЦ-33С применяются для питания ручных часов и другой аппаратуры. Элементы РЦ-55УС предназначены для медицинской аппаратуры, в частности для вживляемых медицинских приборов.
Элементы РЦ-31С и РЦ-33С работают 1,5 года при токах соответственно 10 и 18 мкА, а элемент РЦ-55УС обеспечивает работу вживляемых медицинских приборов в течении 5 лет. Как следует из таблицы 1.6, номинальная емкость этих элементов не соответствует их обозначению.
Ртутные элементы работоспособны в интервале температур от 0 до +50oС, имеются холодостойкие РЦ-83Х и РЦ-85У и теплостойкие элементы РЦ-82Т и РЦ-84, которые способны работать при температуре до +70oС. Имеются модификации элементов, в которых вместо цинкового порошка (отрицательный электрод) используются сплавы индия и титана.
Так как ртуть дефицитна и токсична, ртутные элементы не следует выбрасывать после их полного использования. Они должны поступать на вторичную переработку.
Серебряные элементы
Они имеют «серебряные» катоды из Ag2O и AgO. Напряжение у них на 0,2 В выше, чем у угольно-цинковых при сопоставимых условиях .
Литиевые элементы
В них применяются литиевые аноды, органический электролит и катоды из различных материалов. Они обладают очень большими сроками хранения, высокими плотностями энергии и работоспособны в широком интервале температур, поскольку не содержат воды.
Так как литий обладает наивысшим отрицательным потенциалом по отношению ко всем металлам, литиевые элементы характеризуются наибольшим номинальным напряжением при минимальных габаритах (рис. 1.6). Технические характеристики литиевых гальванических элементов приведены в таблице 1.7.
В качестве растворителей в таких элементах обычно используются органические соединения. Также растворителями могут быть неорганические соединения, например, SOCl2, которые одновременно являются реактивными веществами.
Ионная проводимость обеспечивается введением в растворители солей, имеющих анионы больших размеров, например: LiAlCl4, LiClO4, LiBFO4. Удельная электрическая проводимость неводных растворов электролитов на 1…2 порядка ниже проводимости водных. Кроме того, катодные процессы в них обычно протекают медленно, поэтому в элементах с неводными электролитами плотности тока невелики.
К недостаткам литиевых элементов следует отнести их относительно высокую стоимость, обусловленную высокой ценой лития, особыми требованиями к их производству (необходимость инертной атмосферы, очистка неводных растворителей). Следует также учитывать, что некоторые литиевые элементы при их вскрытии взрывоопасны.
Такие элементы обычно выполняются в кнопочном исполнении с напряжением 1,5 В и 3 В. Они успешно обеспечивают питанием схемы с потреблением порядка 30 мкА в постоянном или 100 мкА в прерывистом режимах. Литиевые элементы широко применяются в резервных источниках питания схем памяти, измерительных приборах и прочих высокотехнологичных системах.
ГЛАВА 1.2 БАТАРЕЙКИ ВЕДУЩИХ ФИРМ МИРА
В последние десятилетия возрос объем производства щелочных аналогов элементов Лекланше, в том числе воздушно-цинковых (см. таблицу В1).
Так, например в Европе производство щелочных марганцево-цинковых элементов стало развиваться в 1980 г., а в 1983 г. оно достигло уже 15% общего выпуска .
Использование свободного электролита ограничивает возможности применения автономных и в основном используется в стационарных ХИТ. Поэтому многочисленные исследования направлены на создание так называемых сухих элементов, или элементов с загущенным электролитом, свободных от таких элементов, как ртуть и кадмий, которые представляют серьезную опасность для здоровья людей и окружающей среды.
Такая тенденция является следствием преимуществ щелочных ХИТ в сравнении с классическими солевыми элементами:
существенное повышение разрядных плотностей тока за счет применения пастированного анода;
повышение емкости ХИТ за счет возможности увеличения закладки активных масс;
создание воздушно-цинковых композиций (элементы типа 6F22) за счет большей активности существующих катодных материалов в реакции электровосстановления дикислорода в щелочном электролите .
Батарейки компании Duracell (США)
Фирма Duracell — признанный лидер в мире по производству щелочных гальванических источников одноразового действия. История фирмы насчитывает более 40 лет.
Сама фирма расположена в Соединенных Штатах Америки. В Европе ее заводы находятся в Бельгии. По мнению потребителей как у нас, так и за рубежом по популярности, продолжительности использования и соотношению цены и качества батарейки фирмы Duracell занимают ведущее место.
Появление Duracell на рынке Украины привлекло внимание наших потребителей.
Плотности разрядного тока в литиевых источниках не велики (по сравнению с другими ХИТ), порядка 1 мА/см2 (см. стр.14). При гарантированном сроке хранения 10 лет и разряде малым током рационально использовать литиевые элементы Duracell в высокотехнологичных системах.
Запатентованная в США технология EXRA-POWER с применением двуокиси титана (TiO2) и других технологических особенностей способствует повышению мощности и эффективности использования марганцево-цинковых ХИТ фирмы Duracell.
Внутри стального корпуса щелочных элементов «Duracell» расположен цилиндрический графитовый коллектор, в котором находится пастообразный электролит в контакте с игольчатым катодом.
Гарантированный срок хранения элементов 5 лет, и при этом — емкость элемента, указанная на упаковке, гарантируется в конце срока хранения.
Технические характеристики ХИТ фирмы Duracell приведены в таблице 1.8.
Батарейки концерна Varta (Германия)
Концерн Varta — один из мировых лидеров по производству ХИТ. 25 заводов концерна расположены в более чем 100 странах мира и выпускают более 1000 наименований аккумуляторов и батареек.
Основные производственные мощности занимает Департамент стационарных промышленных аккумуляторов. Однако порядка 600 наименований гальванических элементов от батареек для часов до герметичных аккумуляторов производятся на заводах концерна Департаментом приборных батарей в США, Италии, Японии, Чехии и т.д., при гарантии неизменного качества вне зависимости от географического расположения завода. В фотографической камере первого человека, ступившего на Луну, были установлены батарейки концерна Varta.
Они достаточно хорошо известны нашим потребителям и пользуются устойчивым спросом.
Технические характеристики ХИТ концерна Varta с указанием отечественных аналогов приведены в таблице 1.9.
