сообщить о нарушении
Текущая страница: 8 (всего у книги 29 страниц) [доступный отрывок для чтения: 11 страниц]
А вот когда габариты не играют большой роли, зато важен большой пиковый ток нагрузки и значительная мощность, как ни странно, до сих пор вне конкуренции хорошо знакомые автолюбителям свинцово-кислотные аккумуляторы. Помню, лет пятнадцать-двадцать назад в автомобильной прессе возникало периодическое брожение на тему скорого пришествия автомобильных щелочных (читай — никель-кадмиевых) аккумуляторов. Щелочь, конечно, тоже не сахарный сироп, но и не серная кислота, которая запросто может проесть сквозную дыру в моторном отсеке, а заодно и в ладонях автолюбителя, кинувшегося спасать любимую игрушку.
Однако пока все осталось по-прежнему, правда, автомобильные аккумуляторы облагородились, стали герметичными и необслуживаемыми, но они те же, что и тридцать и пятьдесят лет назад. А все дело в том, что пусковой ток автомобильного стартера, особенно зимой, когда аккумулятор и так ослаблен, может достигать нескольких сотен ампер, и почти ни один тип, кроме свинцово-кислотных, с этим не справляется. По аналогичным причинам свинцовые аккумуляторы до сих пор — оптимальное с точки зрения цены/производительности решение для таких устройств, как ИБП.
Какую емкость имеют батарейки?
Процесс разряда батареек под нагрузкой имеет множество тонкостей, из-за которых производители очень не любят указывать номинальную емкость. И в самом деле — в зависимости от мощности и характера нагрузки количество отданной энергии до наступления полной неработоспособности может отличаться в разы. Одно дело — обеспечить работу относительно мощного привода объектива, и совсем другое — поддерживать в работоспособном состоянии встроенные часы. Последние спокойно работают, даже когда камера показывает полный разряд. Но ориентироваться ведь на что-то надо?
Приблизительно можно считать, что емкость щелочной батарейки типоразмера АА эквивалентна аккумулятору 2000 мАч. Причем емкость такой же солевой (даже той же фирмы) будет вряд ли превышать 600 мАч. Эти различия отражены на рис.1, где приведены типичные экспериментальные кривые зависимости напряжения на элементах типоразмера АА от времени при нагрузочном токе 100 мА. Черным цветом обозначена кривая для солевых, красным — для щелочных элементов, синим — для аналогичных щелочным по емкости литиевых элементов в пересчете на то же самое напряжение. Всплески обусловлены перерывами в работе элемента, когда нагрузка отключалась на время порядка 1 часа. Анализ этих кривых позволяет заметить особенность литиевых батареек: емкость у них не выше щелочных, но они лучше «держат» напряжение — оно мало изменяется на протяжении почти всего времени работы, а в разряженной батарейке очень быстро падает до нуля.
Часто выказываемое недовольство по поводу отсутствия видимого прогресса у электрохимических источников не имеет под собой особых оснований. Недовольство это обусловлено тем, что прожорливость «гаджетов» растет опережающими темпами. На самом же деле, например, емкость элементов Duracell Ultra типоразмера D, достигающая при некоторых условиях 25 000 мАч при сроке хранения 7 лет, еще лет пятнадцать-двадцать тому назад показалась бы ненаучной фантастикой. Лучшие образцы бытовых электрохимических элементов в пересчете на этот типоразмер тогда достигали от силы 5000 мАч, а типовая советская батарейка 373 («Марс») лишь чуть превышала по емкости современные АА-разновидности при сроке хранения не более полутора лет. И даже емкость очень дорогих в то время литиевых или ртутно-цинковых была эквивалентна не более 8-10 000 мАч.
Мифы и реальность
По поводу эксплуатации аккумуляторов существует один довольно вредный миф: якобы с целью продления срока службы аккумуляторы надо разряжать перед зарядкой полностью. Не очень ясно, откуда у него растут ноги, потому что автолюбители со стажем знают, что свинцовые аккумуляторы, напротив, разряжать до нуля не следует ни в коем случае. Для остальных типов дело обстоит следующим образом: устаревшим Ni-Cd от полной разрядки ни тепло, ни холодно, а для Ni-MH и Li-Ion полная разрядка противопоказана. Апологеты этого мифа, вероятно, путают полную разрядку с тренировкой, которая требуется в первую очередь Ni-Cd-разновидности для предотвращения так называемого «эффекта памяти». Тренировка эта заключается в периодическом (раз в 1-2 месяца) проведении цикла неглубокого (до 1 В на каждую ячейку) разряда с последующей полной зарядкой. Это действительно имеет значение в профилактических целях, особенно при длительном хранении без эксплуатации, но только для Ni-Cd, и в гораздо меньшей степени — для Ni-MH. В режиме нормальной эксплуатации все это можно выкинуть из головы, поскольку они хоть раз в два месяца, но обязательно разрядятся до предела, установленного контроллером мобильника или ноутбука. А при хранении неиспорченные аккумуляторы восстановят свои характеристики уже после первого цикла заряд-разряд.
«Эффект памяти» у Li-Ion-разновидности отсутствует, и будете ли вы их разряжать до конца или подзаряжать каждые полчаса — от этого почти ничего не зависит. Причем частая дозарядка для этого типа даже предпочтительнее 12 . К тому же Li-Ion отличаются еще и тем, что портятся при хранении почти так же, как и при эксплуатации.
Короче, рано или поздно любой аккумулятор «умрет», и случится это с ним быстрее, чем с остальными компонентами вашего девайса. Так что принципиально помочь аккумулятору вы вряд ли сможете. А навредить — вполне: есть лишь одно обстоятельство, действительно способствующее ускоренному выходу аккумуляторов из строя (причем любого типа) — перезаряд. Поэтому с «умными» фирменными зарядными устройствами аккумуляторы живут дольше. Я очень не советую приобретать дешевое устройство, внутри которого только и есть, что диод да ограничивающий ток резистор. Сэкономив незначительную сумму, вы обрекаете себя на покупку нового комплекта аккумуляторов каждый год — дешевые устройства заставляют вас самих следить за временем зарядки, и нужно быть очень дисциплинированным и собранным человеком, чтобы всегда выключать его в срок. У зарядника должен быть как минимум таймер для автоматического выключения, лучше — с регулировкой времени заряда или тока в зависимости от емкости батарей. Литий-ионные же аккумуляторы вообще нельзя (и ни к чему) самостоятельно ни заряжать (они могут попросту взорваться), ни разряжать (в последнем случае при глубоком разряде может сработать одноразовый предохранитель).
Кстати, подделки в области электрохимических элементов встречаются не так часто. По крайней мере, элементы Duracell отличить от подделки по внешнему виду сможет любой, кто отличает золотистый цвет от медно-красного. Как правило, подделки продают на лотках россыпью или затянутыми в полиэтилен, а «законные» всегда тщательно упакованы по две-четыре штуки в фирменные картонки. Причем, если одноразовые элементы лучше покупать «самые фирменные» (Duracell, Varta, Energizer), то аккумуляторы даже малоизвестных фирм обычно не создают проблем (и стоят, кстати, ненамного дешевле). Частенько бренды, не специализирующиеся на источниках питания, выпускают их подобно многим другим «ширпотребовским» продуктам: наклейкой своего «лейбла» на заказанную продукцию у OEM. Такие же компании как Sony, Panasonic, Toshiba, Samsung, ведут собственные разработки, особенно «в точках роста» индустрии, вроде литий-полимерных технологий.
Выносные сетевые блоки
Выносные сетевые блоки питания часто являют собой пример того, как разработчики перекладывают свои проблемы на потребителя. В самом деле — блоки питания, особенно трансформаторные, могут иметь значительные габариты и массу. Встраивание их в устройства ведет к проблемам, связанным с электробезопасностью: с питающимся от 9-вольтового блока сканером, на который опрокинули вазу с водой, скорее всего, ничего не случится. А с его собратом, в который встроен сетевой преобразователь, может произойти что угодно, вплоть до возгорания.
Поэтому с инженерной точки зрения выносной блок представляется очень изящным решением, к тому же резко удешевляющим разработку: габариты уменьшаются, предохранителей можно не ставить, испытания на прочность изоляции не проводить и т. д. Со всех сторон замечательно, кроме одной — потребительской. «Ноутбучные» блоки питания, которые соединяются с сетью проводом с вилкой, тоже не слишком удобны, но все ж не в такой степени, как блоки питания со встроенной вилкой. Последние еще уместны для мобильных устройств, но решительно не вписываются в стационарные. Мало того, что «встроенные вилки» занимают кучу места, так еще и производятся по самым причудливым стандартам, — в результате блок либо не достает до контактов розетки, либо вываливается оттуда. Но блоки такие распространены, так что ворчать попусту, — давайте лучше посмотрим, как они выглядят с точки зрения основного назначения — преобразования переменного тока в постоянный.
На нижней ступени иерархии находятся дешевенькие нестабилизированные источники, которые, судя по их начинке, монтируются изящными ручками китайских женщин во мраке шанхайских трущоб. Не уверен, существуют ли еще шанхайские трущобы, но то, что изделия такого класса отечественный монтажник советской выучки просто не решился бы продемонстрировать мастеру — это факт. Тем более поразительно, что в отличие от изделий упомянутых монтажников китайские блоки питания весьма надежны.
Построены такие источники по классической схеме: трансформатор — выпрямительный мост — сглаживающий конденсатор. При этом трансформаторы маломощны, и такой блок не требует даже предохранителя: при перегрузке первичная обмотка трансформатора, выполненная из тонюсенького провода диаметром 0,02-0,04 мм, сама является неплохим предохранителем. Правда, указанное на шильдике номинальное напряжение соответствует тому, что вам покажет тестер приблизительно при 70-80% номинальной же нагрузки. На холостом ходу это напряжение может превышать номинальное раза в два, а под полной нагрузкой блок может и не справиться.
Так вот, для современной электроники все эти недостатки не имеют ровным счетом никакого значения. Копеечный стабилизатор на входе девайса — и любое напряжение в пределах от 6 до 18 В превратится в весьма качественное пятивольтовое питание. Поэтому для потребителя устройства, использующие подобные дешевые блоки, — самые удобные: в случае чего можно взять любой подобный блок (лишь бы не меньший по мощности), и все заработает (часто их даже специально делают с универсальным «паучком» разъемов на конце). Могут вам попасться блоки, имеющие переключатель полярности — их лучше от греха подальше не использовать: 99% всех устройств имеют конфигурацию, при которой с плюсом соединен внутренний контакт штыревого разъема.
Куда сложнее, если это фирменный блок со стабилизацией — тут его никаким 100-рублевым китайским не заменишь: стабилизатор встроен в сам блок, а не в устройство. Наиболее надежный способ отличить такие блоки — померить напряжение на холостом ходу: если оно, с небольшими отклонениями, равно указанному на шильдике, — это стабилизированный блок. Тогда, в случае чего, необходимо либо добиваться замены фирменного (стоящего, зачастую, заоблачных денег — надо же как-то компенсировать содержание сервисной сети!), либо подыскивать аналогичный, не меньшей мощности по току, но того же напряжения. Стоят такие блоки гораздо дороже нестабилизированных, но все же существенно меньше фирменных.
Есть еще один распространенный вариант — выносное зарядное устройство: чаще всего «народные массы» сталкиваются с ними в мобильниках. Зарядники разных фирм, как правило, несовместимы (по разъемам), что доставляет кучу неудобств: мы с женой с самого начала «мобильной жизни» на пару покупаем аппараты одного производителя только затем, чтобы не путаться в этих зарядниках. Маркетологи могут потирать руки: они добились, чего хотели. Ведь никаких технических препятствий к тому, чтобы сделать, по крайней мере, мобильные телефоны, КПК и прочие гаджеты совместимыми по зарядникам — нет 13 , что и доказывает отечественное устройство D-421 от компании Vegavolt . Различные универсальные зарядники предлагают сегодня и другие компании — в частности, хорошо известная на российском рынке Acme Power. Например, модель AP MF1828 работает на солнечных батареях, то есть готова заряжать любую мобильную технику хоть в центре пустыни Такла-Макан.
Сам я эти штучки в руках не держал, но многолетний опыт работы в качестве руководителя службы КИП заставляет меня сомневаться, что кардинальное решение проблемы совместимости лежит на пути создания универсальных зарядных устройств с кучей хвостиков и переходников. Никакие приборы, даже предназначенные для специалистов, не должны иметь существенных частей, которые приходится хранить отдельно — последние имеют способность безо всяких дополнительных усилий с вашей стороны исчезать бесследно, причем скорость исчезновения обратно пропорциональна их физическим размерам. Освободившись от кучи зарядников, вы приобретаете новую головную боль — гарантированный многочасовой поиск именно того хвостика, что позарез нужен именно в данный момент…
И прочие джоули в секунду
Связь между энергией, временем и электрическими величинами была установлена еще в первой половине XIX века Джоулем (вы наверняка помните его закон сохранения энергии). Для начала нужно твердо вызубрить, что мощность есть количество энергии в единицу времени. Если энергию измерять в джоулях (Дж), то мощность будет в джоулях в секунду (Дж/с), эта величина получила название ватт (Вт или W). Разницу между энергией и мощностью легко проиллюстрировать на примере фотовспышки, развивающей мощность до нескольких киловатт, но всего на 1/1000 долю секунды — энергия затрачивается при этом мизерная, эквивалентная той, что выделяется при горении всего одного (не поверите!) миллиграмма бензина.
Уяснив таким образом понятие мощности, можно перейти к основным способам измерения электрических параметров источников питания. Так, надпись на компьютерном блоке питания «350 W» означает то, что он может питать нагрузку с такой (или меньшей) мощностью. Если мощность нагрузки будет выше, то БП или сгорит, или напряжение на его выходе упадет до неприемлемой величины, отчего компьютер начнет сбоить. Здесь все просто и очевидно.
Куда сложнее обстоит дело с автономными (электрохимическими) источниками. Для них важна не столько мощность, сколько общее количество запасенной в них энергии, которое и определяет продолжительность работы девайса. Эту энергию можно расходовать по крупицам (в наручных часах с ЖК-дисплеем) или расточительно (на цветной TFT-экран какой-нибудь «пальмы») — меняется только время работы, а количество израсходованной энергии остается постоянным.
Считать энергию можно, разумеется, в джоулях, но на практике это неудобно. Удобнее считать, например, в ватт-часах — подчеркиваю, что это не ватты в час, то есть не дробь, а именно ватт-часы, то есть произведение. Емкость в 50 Втч означает, что нагрузка 50 Вт будет работать ровно 1 час, или нагрузка в 10 Вт будет работать 5 часов. В ватт-часах принято считать емкость, например, аккумуляторов для ноутбуков. Кстати, и в быту электрическую энергию измеряют в тех же величинах — вы платите за истраченные киловатт-часы.
Для батареек и пальчиковых аккумуляторов все еще хитрее. Их емкость принято считать в миллиампер-часах (мАч). Откуда взялась эта единица, и как она связана с энергией? Самым непосредственным образом: тот же Джоуль установил, что мощность в электрических цепях есть произведение тока на напряжение, то есть ампер на вольты, которые дадут те же ватты. И если мы поделим ватт-часы на вольты номинального напряжения источника (что для батареек есть, грубо говоря, величина постоянная и, как мы знаем, равная примерно 1,5 В), получим ампер-часы. Измеренная в них емкость источника пропорциональна истинной емкости в единицах энергии. Таким образом, аккумулятор 2000 мАч, может отдавать ток 2000 мА (2 А) в течение часа, что эквивалентно емкости приблизительно в 3 Втч.
