Спільна робота декількох джерел живлення на одну навантаження
У багатьох початківців займатися електронікою часто виникають проблеми нестачі потужності (струму) джерел живлення або недостатньої величини напруги. Для того щоб обійти цю проблему часто з'єднують кілька джерел паралельно або послідовно. Що при цьому відбувається і як це зробити правильно розглянемо нижче.
Загальні принципи
Паралельне і послідовне з'єднання елементів давно відомо і застосовується в практичній схемотехнике, для отримання заданих номіналів елементів. На прикладі сполуки резисторів це виглядає так:
Але резистор або конденсатор має тільки один основний параметр - номінал і варіант з'єднання просто змінює їх результуючу (сумарну) величину.
На практиці часто використовується паралельне (іноді електрохімічних) і послідовне з'єднання джерел живлення.
Послідовне з'єднання використовується для збільшення результуючого напруги, а паралельне - для збільшення сумарного споживаного струму.
Послідовне з'єднання електрохімічних джерел живлення
При послідовному з'єднанні параметри (E і Ri) просто підсумовуються,
Найголовніше, Ви повинні знати:
Як я вже говорив, кожен джерело живлення (будь-якого типу) має свої характеристики які можна звести до статичних і повністю визначає його характеристики - Ri, U (E); Ці характеристики хімічних джерел струму можуть змінюватися від екземпляра до екземпляра або з часом випадковим чином (вони залежать від безлічі параметрів на кожному етапі технологічного процесу їх виробництва);
Не буває двох абсолютно однакових джерел живлення, як взагалі будь-яких електронних компонентів. (Хоча для того щоб якось обмежити розкид застосовується угруповання компонентів, по ряду номіналів і ряду точності).
Тому при послідовному з'єднанні тривалість роботи хімічних джерел струму визначається гіршим в ланцюжку. Коли він втратить ємність, його внутрішній опір зросте й обмежить споживаний навантаженням струм.
При паралельному з'єднанні всі багато складніше.
Звідси випливають більшість виникаючих проблем.
Паралельне з'єднання електрохімічних джерел живлення
При паралельному з'єднанні електрохімічних елементів (джерел) харчування, якщо не вживати заходів виникають проблеми.
Справа в тому що ці елементи мають відразу декількома параметрами визначальними їх характеристики.
Напруга (ЕРС) - E. і внутрішній опір - Ri.
Відразу варто уточнити, що ці параметри суто індивідуальні і тому досить рідко навіть в одній партії вони повторюються.
Подивимося малюнок 3, при паралельному з'єднанні двох різних джерел живлення (електрохімічний елемент), що мають рівну внутрішньо опір (Наприклад 0,25 ом, сумарне 0,5) і різний вихідна напруга (U 1 = 2,2 В, U 2 = 2, 1 В, # 916; U = 0,1 В) між ними з'являється струм перетікання I пров рівний 0,2 А.
Цей струм буде існувати навіть при вимкненому навантаженні, поки напруга на джерелах не зрівняється. Коли кращий електрохімічний елемент розряджається на найгірший - це втрата їх сумарної ємності.
Тому паралельне з'єднання окремих елементів електрохімічних джерел струму не рекомендується. Можливо паралельне з'єднання (резервування) послідовних батарей елементів із застосуванням спеціальних пристроїв захисту (див. Рис. 6) від струмів перетікання або комутаторів.
Фотоелектричні елементи - елементи сонячних батарей
Трохи інша ситуація виходить при паралельному з'єднанні елементів сонячних батарей, яка визначається властивостями самого сонячного елемента. Це генерація струму під діями квантів світла потрапляють на плоский p-n перехід чималій площі. Сонячний елемент має вольт-амперну характеристику подібну полупроводниковому диоду з відповідними відхиленнями властивими p-n переходах великої площі.
Тому для сонячного елемента струми перетікання відсутні. Але наявність в паралельно з'єднаних елементах # 916; U, призводить до того що при малому відборі струму елемент з меншою напругою просто відключається. А при високому відборі потужності струм навантаження кожного елемента різний і визначається струмом навантаження на кожному елементі при даному напрузі навантаження U. см. Рис. 5.
Подивимося на прикладі вольт амперної характеристики елемента сонячної батареї, що відбувається при їх паралельному з'єднанні, як показано на Рис. 1б. Приблизний графік вольт амперної характеристики наводиться нижче.
На рис. 5 бачимо, що при рівному напрузі U н елемент SC3 генерує струм I 1 менший струму генерується елементом SC4 рівного I 2. У результаті сумарний струм навантаження дорівнює:
Тобто при даному U н віддається з'єднаними паралельно елементами потужність дорівнює:
Цей вимагає, щоб не перевантажувати кращі елементи, групувати при паралельному з'єднанні елементи з близькими струмами (характеристиками в робочих точках).
А ще краще формувати послідовно з'єднані групи елементів на номінальну напругу з подальшим їх з'єднанням в паралельні групи заданої потужності.
Спільна робота батарей хімічних елементів
Часто рекомендують при паралельному підключенні батареї електрохімічних джерел використовувати включені послідовно з кожної батареєю діоди, які допоможуть запобігти струми перетікання. Але умови рівності їх вихідної напруги (максимальній близькості) зберігається. Це особливо важливо саме для електрохімічних джерел живлення, які мають обмеження по разрядному току. В разі його перевищення скорочується ресурс. Схема включення показана на рис. 6.
Тут необхідно враховувати, що вихідна напруга такої батареї менше на 0,3 -: - 0,8 (падіння напруги на p-n переході діода при його прямому зміщенні) ніж у батареї без захисних діодів. Як видно з величини втрати напруги використовувати цю схему для паралельного з'єднання окремих елементів не економічно. Великі втрати потужності.
Діоди так само дозволяють використовувати гарячу заміну батареї, оскільки при підключенні свіжо зарядженої батареї діод розцяцькованої просто буде замкнений.
Блоки живлення
Свої особливості при паралельному з'єднанні мають і блоки живлення працюють на загальне навантаження.
Всі типи блоків (мережеві 50 Гц і імпульсні - в тому числі підвищують і знижують перетворювачі постійного струму в постійний) містять в своєму складі перетворювач напруги (трансформатор або електронний імпульсний перетворювач з трансформатором) і випрямляючий пристрій на виході - діодні випрямлячі. На рис. 7 показано таке з'єднання.
В даній схемі, як при паралельному з'єднанні сонячних елементів, не існує статичних струмів перетікання, вони присікаються діодними випрямлячами які, як відомо, мають дуже велике зворотне опір.
Обов'язкова умова при такому включенні блоків живлення це: рівність напруг і наявність з'єднання спільних точок обох джерел живлення показаних на рис. 7 пунктирною лінією червоного кольору. Ця умова визначається, як зрозуміло з сказаного вище, а рівномірним навантаженням кожного джерела живлення.
Але вона, як будь-яка система, має свої особливості.
Це імпульсні струми перетікання при зарядці фільтруючого конденсатора з меншою напругою (наприклад U2) від БП1, де напруга більше. Після вирівнювання напруги струм перетікання зменшується до нуля.
В реальності напруга на виході БП1 і БП2 різний. І тому розглядаємо роботу такої зв'язки з огляду на додаткові параметри показані на рис 8.
Відомо, що кожен блок живлення має свій внутрішній опір Ri, а за рахунок системи стабілізації його величина істотно знижується. Практично Ri визначає ККД блоку живлення і бажано щоб співвідношення Rн / Ri було максимальним. Оскільки струм навантаження блоку живлення визначається сумою Ri і Rн, а як ми вже знаємо Ri -> min, то можна вважати, що він цілком визначається R н.
У зв'язці двох паралельно включених блоків живлення навантажується тільки той БП який має більш високу вихідну напругу. Тобто I н = I 1. Це буде тривати до тих пір поки вихідна напруга (за рахунок падіння напруги на Ri) не почне падати (система стабілізації не зможе його підтримувати, коли струм навантаження досягне максимального, в цьому випадку почне рости внутрішній опір навантаженого блоку живлення Ri.). Другий БП буде до цього буде працювати в режимі холостого ходу.
Такий режим роботи не можна вважати нормальним.
Крім вирівнювання вихідної напруги - відомо інше рішення проблеми, це включення послідовно з виходом кожного БП невеликого вирівнюючого резистора, який як би збільшує його внутрішній опір, в результаті чого вихідна напруга падає і включається в роботу блок живлення має меншу напругу. Причому їх величина однакова для обох.
Величина цього опору від 1% до 10% від R н і залежить від різниці вихідних напруг і потужності навантаження.
Недолік даного рішення втрати потужності в вирівнюють резисторах.
Але, для рівномірного завантаження, вимога максимального зближення U1 і U2 залишається.
висновок
В Інтернет форумах безліч публікацій присвячених паралельного включення і тільки поодинокі повідомлення про фатальні результати. ці поодинокі випадки можливі через прихованих несправностей блоків живлення або великої різниці вихідних напруг.
Паралельне з'єднання вихідних ланцюгів блоків імпульсних харчування можливо. Але при цьому для рівномірного завантаження їх вихідні напруги повинні бути максимально близькі. У разі невиконання цієї умови можливе перевантаження БП з великою напругою.
Паралельне включення окремих електрохімічних елементів живлення неприпустимо,Паралельне з'єднання фотоелектричних елементів допустимо, але при цьому треба враховувати що можливе перевантаження кращих елементів в групі (з найбільшим напругою), а при великій різниці в вихідній напрузі найгірший елемент може взагалі не включатися в роботу.
Обговорення паралельного включення блоків живлення комп'ютерів.