Jeffrey Cross
Jeffrey Cross

今月のコンポーネント:電池

今年は毎月、さまざまな電子部品を調査し、その機能、機能、およびプロジェクトでの使用方法について詳しく調べています。先月、私たちは古き良きスイッチを見ました。今月は、電子栄養回路を提供する携帯型発電所が誕生するまでに必要なバッテリーです。いつものように、私たちはCharles Plattの重要な電子部品百科事典1巻からの編集された抜粋による電池への導入から始めます。 - ガレス・ブランウィン

あなたのLED懐中電灯に電力を供給しているそれらのAAA電池の中で、正確に何が起こりますか?簡単な答えは「化学」です。化学反応は、一方の端子からもう一方の端子に電子が流れ出るように促し、途中で有用な仕事をします。一方、電池の中では、正孔(電子正孔とも呼ばれる)が場所を変えています。やがて化学反応が尽き、バッテリーは電力の供給を停止します。充電式の場合は、電子と陽イオンを元の位置に強制的に戻すことができます。

図1

図2

図1に日常のアルカリ電池の断面図を、図2に概略図を示します。一番上の行のものは、一番下の行のものと機能的に同じです。

電池記号の2本の線のうち長い方がプラス側を表します。これを覚えるための1つの方法は、より長い行を半分に切り取ることができるので、2つのセグメントを組み合わせて+記号を形成できることを想像することです。伝統的に、複数の接続されたバッテリーシンボルはバッテリー内の複数のセルを示します。したがって、図2の中央の記号は3Vのバッテリーを示し、右側の記号は3Vを超える電圧を示します。実際には、この規約は良心的には守られていません。

電池とコンデンサ

図3

電池の代わりに大きなコンデンサを使うことができないのはなぜですか?コンデンサは化学的な化学反応を必要とせず、理論的には何度でも充電できます。実際、スーパーキャパシタには特殊な用途がいくつかありますが、コストがかかり、長期間にわたって料金を支払う必要がないため、同じ重量のバッテリよりも消費電力が少なくて済みます。図3に示すように、コンデンサは放電サイクル中にはるかに急速に電圧を失います。当面は、携帯用電源にバッテリーを使用する予定です。

使い捨て

洗練された充電式電池でいっぱいの世界で、なぜ我々はまだ使い捨てを使用するのですか? 1つはエネルギー密度が高いこと、2つ目は5年以上の貯蔵寿命があることです。充電が非常に遅いためです(これは「自己放電率」として知られています)。煙探知機、手持ち型のリモコン、または非常用懐中電灯などの用途には、使い捨て電池に代わるものはありません。ただし、限界があります。充電式のものほど早く電流を供給することはできません。

充電式

最も一般的なタイプは、「鉛酸」、「ニッケルカドミウム」(「nicad」または「NiCd」と省略)、「ニッケル水素化物」(「NiMH」と省略)、「リチウムイオン」(「Liイオン」と省略)です。 )、および「リチウムイオンポリマー」。

鉛蓄電池は1世紀以上前から存在しています。それらは、反応表面積を最大にするためにスポンジテクスチャーに形成することができる鉛プレートを含むが、このテクスチャーは深い放電によって物理的に摩耗することがある。ディープサイクルバッテリーでは、プレートはしっかりしています。彼らはほぼゼロまで放電に耐えることができるが、高いアンペア数を供給することはできません。

図4

動き検知器によって作動させられた外光に電力を供給するための密閉型鉛蓄電池を図4に示します。この装置は数ポンドの重さがあり、日中は6インチ×6インチのソーラーパネルによって細流充電されています。

図5

ニッケルカドミウム(「ニカド」)電池は非常に高い電流に耐えることができますが、金属カドミウムの毒性のためにヨーロッパで禁止されています。それらは、NiCadセルが部分的に放電された状態で数週間または数ヶ月間放置された場合、完全に再充電するのを妨げることがある「メモリ効果」がない、ニッケル水素(「NiMH」)タイプに置き換えられています。図5は10パックのNiMH電池を示し、各電池はアルカリD電池のサイズである。このようなパックは、ちょうどいいサイズのロボットを動かすためのものです。

図6

図6に、いくつかの小型充電式電池を示します。左上のNiCadパックはコードレス電話用に製造されたもので、急速に時代遅れになりつつあります。右上の3Vリチウム電池はデジタルカメラ用です。写真の下半分にある3つのバッテリーはすべて、9V、AA、およびAAAバッテリーの代わりに充電式のNiMHバッテリーです。 NiMHケミストリーの結果、単三電池と単4電池の単電池の定格は1.5Vではなく1.2Vになりますが、NiMHユニットの定格電圧は時間の経過とともに安定して維持されるため、製造元は1.5Vのアルカリ電池に置き換えることができます。したがって、新しいNiMH電池からの出力は、その放電サイクルの途中までであるアルカリ電池のそれに匹敵し得る。

アンペア数

回路を完成させるためにはイオンの移動がバッテリーの内部で行われなければならないので、バッテリーが供給できる電流はそれによって制限されます。 内部抵抗。どのタイプの二次電池も、アルカリよりも内部抵抗が低くなっています。

図7

無負荷では電池から電流が流れないため、負荷をつけた状態で電流を測定する必要があり、メーターだけでは測定できません。メーターがバッテリーの端子間に直接接続されていると、メーターのヒューズが切れます。電流は常に負荷と直列のメーターで測定する必要があります。図7を参照してください。

容量

図8

バッテリーの電気容量はアンペア時で測定され、「Ah」、「AH」、または(まれには「A / H」と略されます。)小さい値はミリアンペア時で測定され、通常は「mAh」と略されます。バッテリから引き出される電流(アンペア)とTはバッテリがその電流を供給できる時間(時間)であり、アンペア時容量はIにTを掛けて求められます。これは、電池の化学的性質により、大電流を供給する能力が制限されているためです。図8は、低電流に対して、電池メーカーが主張するいくつかの数値を示しています。実際には、これらの数値でも楽観的であり、それぞれの場合の最終的な電圧はエレクトロニクス用途には許容できないほど低いかもしれません。

電圧

完全に充電されたバッテリーの定格電圧は 開路電圧OCVまたはVOCと略され、端子間に負荷がかかっていないときに存在する可能性として定義されます。電圧計(またはDC電圧の測定に使用される場合はマルチメータ)の内部抵抗は非常に高いため、他の負荷がなくてもバッテリ端子間に直接接続でき、OCVを正確に表示します。メーターが損傷する恐れがあります。完全に充電された12ボルトの自動車用電池は約12.6ボルトのOCVを有することがあるが、新しい9ボルトのアルカリ電池は典型的には約9.5ボルトのOCVを有する。バッテリに接続する前に、DC電圧を測定するようにマルチメータを設定するように細心の注意を払ってください。通常これは赤いプローブからの電圧をアンペア数ではなく、電圧を測定するために別に予約されたソケットに差し込むことを伴います。

バッテリから供給される電圧は、負荷がかかると大幅に低下し、放電サイクル中に時間が経過するにつれてさらに低下します。これらの理由から、電池がデジタル集積回路チップのような電圧の広い変動を許容しない部品に電力を供給するときには電圧調整器が必要とされる。

図9

電池またはセルは直列または並列に使用することができる。直列に接続されたセルの合計電圧は、個々の電圧を合計することによって求められますが、それらのアンペア時定格は、すべてのセルが同一であると仮定して、単一セルの場合と同じままです。並列に配線すると、セルの合計電圧は単一のセルの場合と同じになりますが、結合されたアンペア時の値は、すべてのバッテリが同一であると仮定して、個々のアンペア時定格を合計することによって求められます。図9を参照してください。

してはいけないこと

大量の電流を供給できるバッテリーは、過熱したり、発火したり、ショートしていると爆発する可能性があります。カーバッテリーの端子間にレンチを落とすと、明るい閃光、大きな音、および溶融金属が発生します。 1.5ボルトのアルカリ単三電池でも、端子が互いに短絡していると、熱くなって触れることができなくなります。 (充電可能な電池では絶対に使わないでください。充電可能な電池の方が内部抵抗がはるかに低く、電流がずっと流れます)。リチウムイオン電池は特に危険であり、ほとんどの場合、無効にしてはいけない電流制限部品とともに梱包されています。短絡したリチウム電池が爆発する可能性があります。

バッテリパックを安くて簡単な作業台のDC電源として使用する場合は、ヒューズまたはサーキットブレーカを含める必要があります。大量のバッテリ電力を使用する機器はすべて溶融する必要があります。

マイクロスイッチ、ロッカー、スライダー、トグル、DIP、SIP、パドルスイッチなどの詳細については、Charles PlattによるEncyclopedia of Electronic Components Volume 1を参照してください。これは、有益な、簡潔で、よく整理されたリソースで、教師、愛好家、エンジニア、そして電子機器へのクイックリファレンスを求める学生に最適です。

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