Основы конструкции батарей: элементы, внутреннее сопротивление и соединения

Термин батарея обозначает группу похожих компонентов. В военном жаргоне это кластер орудий; в электронике — набор вольтаических элементов, объединенных для выдачи более высокого напряжения и/или тока, чем может дать один элемент.

Электрические символы намеренно просты: один элемент изображается длинной и короткой линией, параллельно друг другу, с соединительными проводами.

Символ батареи — это просто несколько символов элементов, сложенных в последовательность, указывая, что элементы соединены так, что их напряжения складываются.

Как отмечалось ранее, напряжение элемента фиксировано его химией; физический размер элемента не меняет его номинальное напряжение. Для достижения более высокого общего напряжения элементы должны быть соединены последовательно, и выходное напряжение батареи равно сумме индивидуальных напряжений элементов. Например, стандартная автомобильная свинцово-кислотная батарея содержит шесть 2,0-вольтовых элементов, дающих номинальные 12,0 В:

В автомобильных батареях элементы разделяют единый жесткий резиновый корпус. Толстые свинцовые шины, а не тонкие провода, соединяют элементы. Электроды и электролит каждого элемента изолированы в секционированных отсеках корпуса. В высокоемкостных батареях электроды часто представляют собой большие металлические сетки или пластины, обычно называемые «пластинами».

Для простоты схемные символы обычно показывают только четыре линии — чередующиеся длинная/короткая — даже если реальная батарея содержит гораздо больше элементов. Иногда встречается символ батареи с дополнительными линиями для обозначения необычно высоких напряжений; каждая линия представляет отдельную пластину элемента:

Как размер элемента влияет на производительность?

Хотя размер элемента не влияет на его напряжение, он влияет на внутреннее сопротивление. Более крупные элементы обеспечивают большую площадь электродов, снижая контактное сопротивление между электродами и электролитом. Меньшее внутреннее сопротивление позволяет элементу выдавать более высокий ток нагрузке.

В теории элемент рассматривается как идеальный источник напряжения. На практике у каждого элемента есть внутреннее сопротивление, ограничивающее выдачу тока. Следующий пример иллюстрирует этот эффект:

Пунктирная диаграмма показывает реальную батарею с внутренним сопротивлением 0,2 Ом, питающую нагрузку 1 Ом. Идеальная батарея (без внутреннего сопротивления) дала бы 10 А (10 В / 1 Ом). Реальная батарея, ограниченная внутренним сопротивлением, выдает только 8,33 А. В коротком замыкании (нагрузка 0 Ом) идеальный источник дал бы бесконечный ток, тогда как реальная батарея ограничена 50 А (10 В / 0,2 Ом). Химия элемента все еще выдает 10 В, но часть этого напряжения падает на внутреннем сопротивлении, снижая клеммное напряжение, доступное нагрузке.

Снижение внутреннего сопротивления через параллельное соединение

Во многих приложениях внутреннее сопротивление батареи пренебрежимо мало по сравнению с нагрузочным сопротивлением, поэтому ее производительность близка к идеальному источнику. Когда требуется более низкое общее сопротивление — для более высокой токовой способности — элементы должны соединяться параллельно:

Соединение пяти идентичных элементов параллельно дает эквивалент Тевенена единственного 2,0-В источника с внутренним сопротивлением, составляющим одну пятую от сопротивления одного элемента. Общее напряжение остается 2,0 В, в то время как токовая способность возрастает, потому что каждый элемент делит нагрузочный ток.

• Батарея — кластер элементов, собранный для увеличения выходного напряжения и/или тока.
• Последовательное соединение (с выравниванием полярности) складывает напряжения элементов.
• Физический размер элемента снижает внутреннее сопротивление, улучшая выдачу тока.
• Параллельное соединение снижает эквивалентное внутреннее сопротивление, повышая доступный ток.

• Рабочий лист: Батареи
• Рабочий лист: Теоремы Тевенена, Нортона и максимальной передачи мощности