Для работы интегрированных датчиков в современных системах сбора данных и удаленного мониторинга необходимы надежные высокоэнергетичные источники питания История гальванических источников питания началась во времена Вольта, и за последние десятилетия здесь достигнут значительный прогресс В настоящее время электрохимические источники питания мало напоминают старые, всем хорошо известные Примерами таких источников являются алкалиновые, C-Zn, Zn-воздушные, Ni-Cd и свинцово-кислотные батареи Современные элементы питания Zn-воздушные, Ni-металлгидридные и особенно литиевые, получили широкое распространение благодаря своим достаточно высоким напряжениям и длительному сроку службы Лидером на рынке являются Li-Mn02 батареи, выпускаемые разных габаритов от плоских миниатюрных элементов до устройств размера класса «D»
Глава 5. Интерфейсные электронные схемы
Все гальванические источники питания можно разделить на две группы: первичные элементы (устройства одноразового использования) и вторичные элементы (перезаряжаемые устройства многоразового использования).
Важной характеристикой батарей является такой параметр, как энергия на единицу веса, однако для миниатюрных устройств часто используется другой параметр: энергия на единицу объема.
Как правило, количество энергии, выделяемое батареей, зависит от скорости потребления мощности. Обычно с ростом тока количество вырабатываемой энергии уменьшается. Энергия и мощность гальванических источников питания зависит от конструкции батареи, ее размеров и рабочих циклов потребления тока. Производители обычно указывают емкость элемента питания в ампер-часах или ватт-часах, показывающих за какое время при определенной нагрузке батарея разрядится до заданного уровня напряжения полного разряда. Например, если С— это емкость батареи (в мАх-час), I-средний потребляемый ток (в мА), а n- рабочий цикл, время разряда батареи (срок службы первичного элемента) определяется выражением:
Тогда если С = 50 мА ч, I≈ 5 мА, а схема в каждом часу работает только 5 мин (т.е. рабочий цикл составляет 5/60), батарея будет работать:
Но следует помнить, что указанные производителем цифры являются весьма приблизительными и не годятся для точных расчетов. Поэтому на практике при разработке схем необходимо определять срок службы конкретных батарей экспериментально. При расчете электронных схем всегда требуется проводить оценку потребления мощности во всех рабочих режимах при работе в разных температурных диапазонах. После этого по полученным значениям потребляемой мощности рассчитывают соответствующую им нагрузку и определяют время разряда батареи до заданного уровня напряжения. Бывают ситуации, когда схеме для работы требуются короткие импульсы тока большой амплитуды. Если окажется, что данная батарея не способна работать в таком импульсном режиме, иногда может помочь параллельный электролитический конденсатор, служащий для накопления энергии.
Следует отметить, что для определения срока службы батарей не рекомендуется проводить ускоренные испытания, поскольку, как это было указано ранее, их полезная емкость сильно зависит от нагрузки, рабочего профиля тока и рабочего цикла.
Первичные элементы
От конструкции гальванических источников питания зависят их рабочие характеристики и стоимость. Большинство первичных элементов состоят из толстых электродов прямой или концентрической формы, расположенных параллельно друг
5.10. Гальванические источники питания для маломощных датчиков 249
другу, залитых водным раствором электролита. Большая часть маленьких вторичных элементов устроена по другому: в них длинные тонкие электроды наматываются в форме цилиндра и помещаются в металлический контейнер. Такой способ позволяет повысить плотность мощности, но при этом плотность энергии падает, а стоимость батареи возрастает. Благодаря низкой проводимости электролитов, некоторые литиевые первичные элементы также используют «свернутую» конструкцию [18].
C-Zn батареи. В таких элементах анод изготавливается из цинка. C-Zn батареи бывают двух типов. У одного типа в качестве катода используется натуральный диоксид марганца, а в качестве электролита — хлорид аммония. В другом типе C-Zn батарей катодом является электролитический диоксид марганца, а электролитом — хлорид цинка. Батареи этого вида до сих пор очень популярны, особенно на Востоке, где число их производителей составляет более 200. Их объем производства равен половине объема производства алкалиновых батарей в Европе, но только 25% от объема производства алколиновых элементов в США. C-Zn батареи предпочтительнее использовать в случаях, где требуется высокая плотность мощности, срок службы не является критичным параметром, а доминирующим фактором является низкая стоимость.
Ланолиновые марганцевые батареи. Спрос на эти батареи в последние годы резко возрос, особенно после того, как из цинкового анода исключили ртуть. Алкали-новые батареи способны вырабатывать высокий ток и имеют улучшенное соотношение мощности к плотности, но самым главным их достоинством является длительный срок службы - не менее 5 лет.
Первичные литиевые батареи. Большинство таких батарей производятся в Японии. Популярность элементов из лития и диоксида марганца объясняется их высокими рабочими напряжениями, широким диапазоном размеров и емкостей, а также продолжительным сроком службы. Литиево-йодные элементы обладают очень высокой плотностью энергии и способны работать до 10 лет в составе кардиостимуляторов. Однако в таких элементах применяется твердый электролит с низкой проводимостью, что не дает возможности выдавать большие токи. Рабочие токи литиевых батарей составляют несколько мкА, что часто бывает достаточным при работе с пассивными датчиками.
Количество лития в таких батареях очень мало, поскольку 1 г Li обеспечивает элементу емкость 3.86 Ахчас. Литиевые батареи не вредят окружающей среде, но считаются огнеопасными.