Максимальное время работы батарей типа АА

Мерой того, сколько тока может дать батарея за заданный промежуток времени, (то есть — ёмкость батареи. - Примеч. ред.) служат ампер-часы и миллиампер-часы. К примеру. 3-вольтовая транзисторная батарейка обычно имеет емкость 500 миллиампер-часов (это значение, впрочем, может варьироваться о зависимости от её типа; см раздел "Классификация батарей»). Такая батарея, следовательно, может запитывать схему, потребляющую 25 миллиампер, на протяжение 20 часов тех пор, пока напряжение на ее выводах не начнет падать. Батареи типа АА обычно имеет емкость около 1500 миллиампер, и, следовательно, набор из четырех последовательно соединенных батареек АА может питать ту же схему уже 60 часов.(Общая емкость батарей при последовательном соединении равняется емкости наихудшей из них. При параллельном соединении емкость суммируется, как будет видно из следующего абзаца. — Примеч. ред.)

 

Батарейки, которые работают и работают

Если имеется схема, которая потребляет довольно значительный ток, или некоторое устройство планируется использовать без вьтключения, то она может "высосать" батарейки так же быстро, как в кинотеатре -заканчивается попкорн. В таком случае вьтгоднее применять:

 

> батареи размеров С и D: поскольку они больше, чем простые батареи АА, следовательно, и химических веществ в них также больше, а значит, они и дольше прослужат;

 

Для многих проектов, в которых нужно получить напряжение питания, равное 9 В, предпочтительнее использовать 6 цилиндрических батареек типа АА вместо одной 9-вольтовой. Почему? Емкость таких батареек выше, чем у 9-вольтовой, и они прослужат дольше. Количество тока, которое батарея может генерировать до своего иссякания, зависит от типа и количества же химических соединений внутри. Шесть последовательно соединенных батарей типа АА содержат больше таких веществ, чем одна 9-вольтовая, и потому проработают дольше (в данном случае предполагается, что оба типа батарей содержат одинаковые по составу вещества, а речь об этом пойдет в разделе "Классификация батарей по их составу"). При использовании батареи она претерпевает необратимые изменения и изнашивается, в результате чего выходное напряжение постепенно падает. Если, к примеру, измерить напряжение на выводах 9-вольтовой батареи через несколько дней после ее использования, то его величина может упасть до 7 В. 4

 

> Перезаряжаемые батареи (аккумуляторы): некоторые батареи позволяют возобновлять начальный химический состав, возвращая, таким образом, способность генерировать ток. Они носят название аккумуляторов. Подробнее о них будет написано в следующем подразделе.

 

Хотя некоторые смельчаки и отваживаются перезаряжать обычные батареи, это очень плохая идея. Из батареи может вылиться кислота, а в худшем случае она может даже взорваться — далеко не самое безопасное зрелище!

 

Классификация батарей по их составу по их составу

Кроме размеров, батареи классифицируют и по составу химических веществ, которые они содержат. Обратите внимание на то, что те или иные вещества может содержать батарейка любого размера, а сам тип вещества определяет, прежде всего, не столько габариты, сколько то, можно ли перезаряжать данную батарею.

 

Перед покупкой перезаряжаемых батарей следует убедиться, что имеющееся зарядное устройство предназначено для заряда именно этого типа батарей.

 

Ниже перечислены батареи и составляющие их химические вещества, которые наиболее часто встречаются в доступных типах элементов питания.

 

> Угольно-цинковые: этот тип батарей находится в нижнем по качеству ряду непе-резаряжаемых батарей. Хотя такие элементы и стоят недорого, их приходится частенько менять.

> Алкалайновые: рекомендуем применять именно этот тип батарей. Срок их эксплуатации примерно втрое дольше, чем у угольно-цинковых, и если в каком-то из проектов обнаружится, что и такие батареи требуют частой замены, то пришла пора обращаться к аккумуляторам.

> Никель-кадмиевые (Ni-Cd): в недалеком прошлом это был наиболее популярный тип перезаряжаемых батарей. Основным недостатком таких элементов является так называемый эффект памяти, хотя сейчас производителям удалось свести его воздействие к минимуму. Этот эффект заключается в том, что перед повторной перезарядкой никель-кадмиевый аккумулятор требует полного разряда, да и сама зарядка также обязательно должна быть выполнена до конца, иначе батарея навсегда потеряет часть емкости. Никель-кадмиевые аккумуляторы генерируют около 1,2 В.

> Никель-металгидридные (Ni-MH): выходное напряжение батарей данного типа также составляет около 1,2 В, но они уже не страдают от эффекта памяти, присущего аккумуляторам предыдущего типа5. Если для некоего прибора было решено выбрать перезаряжаемые батареи, то мы бы порекомендовали именно этот тип. Покупка зарядного устройства и пары таких аккумуляторов может со временем сэкономить приличную сумму денег.

> Литиевые, или литий-ионные (Li-Ion): если в проекте необходимо использовать небольшую и легкую батарею, то стоит взглянуть в сторону литиевых элементов. Батареи данного типа могут генерировать более высокие уровни напряжения, около 3 В и выше, однако они стоят больше и не всегда перезаряжаются6. И все-таки, если в основу заложен вес изделия (как, например, в роботехнике), они могут стать основным источником энергии.7

 

Пока что не стоит волноваться по поводу тяжелого выбора между литий-ионными и литий-полимерными батареями. Хотя некоторые эксперты и уверяют, что технология производства литий-полимерных аккумуляторов постоянно эволюционирует и позволит в недалеком будущем добиться значительных успехов, в настоящее время не существует каких-либо параметров, по котором бы они чем-то превосходили обычные литиевые элементы. Потому при поиске подходящего источника питания следует руководствоваться исключительно степенью доступности и стоимостью.

 

Питание от солнечных батарей

В главе 4 обсуждалось интересное свойство полупроводниковых светоизлучающих диодов, которые генерировали свет при пропускании через них электрического тока. Оказывается, справедливо и обратное: если освещать полупроводники светом, то они будут генерировать ток. Каждый элемент солнечной батареи представляет собой всего-навсего большой диод, который генерирует электрический ток, будучи подвержен воздействию освещения — например, солнечного.

Для того чтобы запитать схему, с успехом можно воспользоваться солнечной батареей, состоящей из множества отдельных элементов. Для этого необходимо тщательно взвесить требования к току и напряжению источника питания и соотнести их с габаритами батареи. К примеру, солнечная батарея размером 25 х 25 см способна при ярком солнечном освещении генерировать ток до 100 мА при выходном напряжении 5 В. (Видимо, данные авторов несколько устарели: современные солнечные элементы имеют КПД до 18 %, и позволяют получить на такой же площади токи до 4 ампер при тех же остальных параметрах. — Примеч. ред.) Если же нужно получить ток 10 А, то размеры панели солнечной батареи могут оказаться чересчур большими для данного конкретного проекта.

Перед тем как остановить выбор именно на солнечных элементах, внимательно изучите следующие критерии.

 

> Планируется ли содержать солнечную батарею в частности и все изделие в целом на прямом солнечном свету? Если нет, то стоит подумать о выборе другого источника энергии или о проектировании схемы питания таким образом, чтобы ток от солнечных батарей заряжал аккумуляторы, питающие схему, даже когда темно.

> Соответствуют ли размеры солнечной батареи конструктивному решению всего изделия? Если нет, то следует или уменьшить потребление энергии или поискать другой источник питания.

 

В ключение и выключение электричества

Итак, вы уже отыскали пару проводов во все увеличивающейся куче электронного хлама и готовы соединить вместе схему и батарейки. Но как же вы собираетесь включать и выключать питание? Для этой цели существует множество переключателей и реле, речь о которых и пойдет в этом разделе.

 

Вкл. и Выкл. с помощью переключателей

Когда ваша рука выключает свет в комнате, вы просто отсоединяете контакты, через которые ток идет к лампе на потолке. Так работают все ключи: контакт замыкается, чтобы пропускать ток, и размыкается, чтобы останавливать его.

При выключении фонарика ключ переводится в положение "Выкл", при котором контакт в цепи разрывается, и ток через ключ не поступает. При включении соответственно (положение "Вкл.") контакт замыкается и образует путь для тока.

 

Начиная с простых вещей

Ручные фонарики, обычно, оснащаются скользящими, или ползунковыми, переключателями. Такой переключатель скользит в направляющих и замыкает или размыкает цепь. На рис. 5.6 изображены и другие типы переключателей (тумблеры, кулисный и лепестковый переключатели).

Все они выполняют одну и ту же функцию, поэтому желательно сразу определить, какой из них будет наиболее удобно найти и использовать в очередном изделии. К примеру, ползунковый переключатель удобно применять для монтажа на гладкой и круглой ручке фонарика благодаря его эргономической форме, а тумблер будет эффективнее на стационарном приборе на рабочем месте.

 

Что же собой представляет лепестковый переключатель? В главе 15 рассказывается, как его можно успешно использовать в качестве своеобразного мини-бампера, который сигнализирует роботу об ударе о какую-то поверхность.

 

Существуют еще и обычные кнопочные переключатели. Они бывают трех видов.

 

> Нормально замкнутые без фиксации: кнопка, нажатая на таком переключателе, размыкает контакт.

> Нормально разомкнутые без фиксации: кнопка, нажатая на переключателе, замыкает контакт.

> Переключатели с фиксацией: кнопка, нажатая один раз, замыкает контакт, нажатая повторно — размыкает его.

 

В электронике кнопочные переключатели наиболее часто применяются для запуска или прекращения работы какой-то схемы. К примеру, нормально разомкнутая кнопка обычного дверного звонка при нажатии заставляет его звонить.

 

Что внутри ключа?

Простые переключатели, речь о которых шла выше, относятся к так называемым однополюсным однонаправленным ключам, обозначаемым в литературе как SPST (Single-pole single-throw). Не стоит переживать о том, чтобы запомнить все их типы, поскольку принцип работы всегда остается один и тот же: к ключу подводится один провод, а другой выводится из него наружу.

Ну а для того, чтобы просто разнообразить знания о различных типах переключателей, приведем примеры еще и двухполюсных ключей. Тогда как однополюсные переключатели имеют лишь два провода, двухполюсные подсоединяются сразу к трем. Далее: если однонаправленные ключи постоянно замыкают и размыкают только одну пару контактов, то двунаправленные позволяют выбирать, какой именно из пары входных проводов соединить с каким из двух выходных.

Существуют следующие одно- и двухполюсные варианты переключателей.

 

> Однополюсные двунаправленные (single-pole double-throw — SPDT). В таких ключах есть один входной и два выходных провода. Переключатели данного типа применяются тогда, когда нужно выбрать, какое из пары устройств должно быть подключено к схеме (к примеру, зеленый светодиод может сообщать людям у кабинета о том, что у доктора свободно, и красный — что занято).

> Двухполюсные однонаправленные (double-pole single-throw — DPST). В таких ключах есть уже два входных и всего один выходной провод. Переключатели данного типа применяются для управления двумя отдельными схемами. К примеру, одна из них может питаться от источника 5 В, а вторая — от 12 В. Тогда одним-единственным ключом можно будет включать или выключать сразу обе схемы.

> Двухполюсные двунаправленные (double-pole double-throw — DPDT). Наконец, в таком ключе есть два входных и сразу четыре выходных провода. Двухполюсный двунаправленный переключатель имеет три позиции. В первой замыкается одна пара выходных контактов, во второй— все контакты размыкаются (иногда, впрочем, подобные ключи не имеют позиции с размыканием). И в третьей позиции со входными контактами замыкается вторая пара из четырех выходных контактов. Ключи данного типа удобно использовать для изменения полярности напряжения постоянного тока, поступающего к двигателю, и, таким образом, управлять направлением его вращения. В одной позиции мотор будет вращаться по часовой стрелке, в другой — против, а в третьей он будет просто выключаться.

 

Щелчок реле

Предположим, что ваш старший брат делает регулярные набеги на холодильник, опустошая полки, и вы запланировали сделать такую небольшую систему сигнализации, которая бы при приближении брата включала на всю мощность сирену и световые сигналы предупреждения, чтобы спугнуть его. Однако возникла небольшая проблемка: устройство должно работать от 5-вольтового источника питания, а его может не хватить для удовлетворения всех потребностей схемы. Решение проблемы — использовать реле.

 

Как работает реле

Реле называется просто электрически переключаемый ключ. Когда на реле подается напряжение, в нем включается электромагнит и замыкает контакт внутри. Если подключить реле к 220-вольтовой розетке, то им будет можно коммутировать более чем достаточную мощность, чтобы напугать целую армию братьев.

 

Наука об электромагнитах

Как же работает сердце реле — электромагнит! Он представляет собой простую катушку из обычного провода, намотанную вокруг железного стержня или даже просто гвоздя. Когда по проводу течет ток, этот стержень приобретает магнитные свойства, если жe ток отключить, то свойства пропадают.

Два магнита притягивают или отталкивают друг друга в зависимости от того, какими концами (или полюсами) их приближать. Ключ, который помещен внутри корпуса реле, т имеет вид рычага, соединенного с магнитом, как показано на рис. 5.7. Если подать на юнцы обмотки напряжение, то электромагнит притянет рычаг и, таким образом, замкнет контакт и скоммутирует положенные 220 В на все ваши сирены и лампы (привет, братишка!). Когда же напряжение с обмоток снимается, электромагнит отключается, и пружина толкает рычаг вверх, размыкая цепь.

 

В продаже имеются реле на напряжения питания 5, 12 и 24 В, оснащенные как однополюсными, так и двухполюсными ключами (о типах ключей, если помните, речь шла в разделе "Что внутри ключа?").

 

Чаще говорят о замыкании контактов реле, чем о том, что внутри реле замыкается ключ и т.п. Также принято называть рычаг внутри реле якорем. Но, как его не назови, от этого реле иначе работать не станет.

 

Логика решений. Логические элементы

Тот, кому хоть когда-нибудь приходилось играть в шахматы, должен знать, что логика этой сложнейшей игры подчиняется весьма простым правилам. Если вражеский слон угрожает белой ладье, то у нее есть строго ограниченное количество ходов, и все их можно прокрутить в голове, чтобы попытаться спасти фигуру.

Однако, интересно, как же это удается компьютеру, когда вы играете с ним в виртуальные шахматы?

Опуская подробности о сложных программных и схемотехнических уловках, необходимых для переноса шахмат с доски на компьютер, можно смело утверждать, что все схемы и программы подчиняются какой-то строгой логике. Она, в свою очередь, обязана своим происхождением так называемым логическим элементам. Логические элементы представляют собой интегральные микросхемы, на выходах которых, подчиняясь некоторому набору правил и в зависимости от вида входных сигналов, формируются выходные сигналы. Как правило, стандартные элементы имеют пару входов, хотя есть, например, инверторы, имеющие лишь один вход, и элементы, имеющие более двух входов.

 

 

Использование логики в электронике

Хотя придумать новое поколение компьютерных шахмат может оказаться не по плечу начинающему радиолюбителю, логические элементы могут сослужить хорошую службу. Тот же микрокалькулятор, которым каждый день пользуются бухгалтеры, состоит из набора логики, которая складывает, умножает, делит и отнимает числа. На первом этапе знакомства с электроникой вполне можно самостоятельно построить схему на логических элементах, которая будет считать, сколько раз открывалась дверь в доме, и, таким образом, регистрировать количество уходов и приходов к вам домой.

Когда говорят о состоянии входов или выходов логических элементов, употребляют термины "высокий уровень напряжения" (логическая 1) и "низкий уровень напряжения" (логический 0). В типичной электронной схеме высокий уровень на входе ИМС означает наличие на нем напряжения 5 В, а низкий уровень — нулевой потенциал.

 

 

Основные логические элементы

Чаще всего приходится сталкиваться с логическими элементами пяти видов: И, ИЛИ, инвертором (элемент НЕ), И-НЕ (элемент И и элемент НЕ в одном корпусе) и ИЛИ-НЕ (ИЛИ и НЕ в одном корпусе). Выходные сигналы всех этих элементов для всех возможных комбинаций входных уровней показаны в табл. 5.7-5.11.

Название каждого логического элемента происходит от логики, которой подчиняется формирование его выходного сигнала. К примеру, на выходе элемента И сигнал принимает состояние с высоким уровнем напряжения только тогда, когда оба входа (вход первый И вход второй) сами имеют высокие уровни сигнала. А, например, для элемента ИЛИ выходной сигнал равен логической 1 тогда, когда равен 1 один ИЛИ другой входной сигнал. Схемотехнические символы, которыми обозначаются логические элементы на принципиальных схемах, будут приведены в главе 6.

Как правило, каждая интегральная микросхема содержит в одном корпусе сразу несколько логических элементов. Например, можно без труда найти ИС, состоящую из четырех элементов И с двумя входами каждый (счетверенный 2-входовый И). Для определения у такой ИМС назначения выводов, необходимо найти в спецификации цоколевку, в которой указываются номера всех выводов: входов, выходов, питания и земли. Эта информация вместе со структурной схемой ИС и поможет принять решение — подходит ли данная микросхема для применения в данной конкретной задаче.

 

При покупке микросхемы следует убедиться, что она имеет количество выводов, необходимое для вашего проекта. Также не стоит забывать, что существуют, например, 3-входовые логические элементы (их можно найти у большинства производителей).

 

Многие более сложные микросхемы состоят из разного количества простых логических элементов, объединенных с целью выполнения каких-то специфических функций, как, к примеру, счетчики или дешифраторы. Работая с такими ИМС, можно посмотреть в спецификации структуру схемы, чтобы понять, как работают отдельные части такой схемы, и лучше разобраться в назначении каждого вывода.

 

Контроль частоты кварцевых резонаторов и индуктивных контуров

Как катушки индуктивности, так и кристаллы кварца имеют самое непосредственное отношение к частоте. Так, индуктивности используются для вырезания всех частот, кроме заданной (этот метод широко применяется при настройке радиоприемника на конкретную станцию). Кварцевые резонаторы, в свою очередь, служат для генерации колебаний на определенной частоте.

 

Накопление энергии в катушках индуктивности

Пожалуй, любой, кто хоть раз пересекал страну на автомобиле, знает, как раздражает, когда с таким трудом найденная радиостанция пропадает из эфира каждые пятнадцать минут. Но что же происходит в середине радиоприемника, настроенного на определенную волну (хотя и ненадолго)?