ОК Заняття №___ в гуртку

«Радіоелектронне конструювання».

«______» ____________202_ року.

 

ТЕМА. Джерела живлення. Первинні джерела живлення електронної радіоапаратури і приладів: гальванічні елементи, батареї та акумулятори. Їх характеристики та використання. ПР. Креслення принципової схеми стабілізованого блоку живлення.

 

ОСВІТНЬО - ВИХОВНІ ЗАВДАННЯ:

Навчальна мета. Продовжити формувати в учнів знання про електричний струм та його джерела. Познайомити учнів з фізичними та хімічними джерелами постійного струму.

Розвиваюча мета: продовжити розширювати кругозір учнів про електричний струм – джерела електричного струму.

Виховна мета:  розвивати логічне мислення, виховувати уважність, спостережливість, вміння узагальнювати одержані знання

 

Тип заняття: засвоєння нових знань, умінь та практичних навичок, формування нових умінь та навичок та їх застосування.

Методи та прийоми: бесіда, розповідь, демонстрація, індивідуально-групова робота при виконанні практичних завдань.

Формування навичок та умінь: продовжити формувати знання та вміння у виготовленні друкованих плат, виконанні монтажу, перевіряти монтаж та налагоджувати змонтовані пристрої. 

Методично-дидактичне обладнання та забезпечення:

Конспект; комп’ютер; гальванічні елементи та акумулятори; принципові схеми пристроїв; довідникова література; навчальні матеріали для виконання практичних робіт.

Основні поняття: джерело живлення; фізичні джерела живлення; хімічні джерела живлення.

 

 Структура заняття:

І. Організаційний момент.

ІІ. Повідомлення теми та поставленої мети уроку.

ІІІ.  Актуалізація опорних знань учнів.

ІV. Викладення нового матеріалу за планом:

1. Джерело живлення (джерело струму)

2. Джерела електричного струму

3. Фізичні джерела живлення:

 - електрофорна машина; - фотоелементи; - термоелементи

4. Хімічні джерела живлення:

 - гальванічні елементи; - акумулятори

V. Виконання практичної роботи.

ІІІ. Актуалізація опорних знань.

Багатьом знайома ситуація: необхідно терміново зателефонувати, ви берете мобільний телефон і з прикрістю виявляєте, що батарея акумуляторів розрядилась, а телефон із дива технічної думки перетворився на шматок пластику. Те саме може статись і з акумуляторами фотоапарата, плеєра, ліхтарика, годинника. Що робити далі, знає навіть першокласник, а от як працюють джерела живлення, ви дізнаєтеся сьогодні та на наступних заняттях

 

ІV. Викладення нового матеріалу

 

4.1. Джерело живлення — елемент електричного кола, в якому зосереджена електрорушійна сила.

Зрозуміло, що будь-який справний електротехнічний пристрій працюватиме тільки тоді, коли виконані умови існування електричного струму: наявність вільних заряджених частинок і електричного поля. За створення електричного поля «відповідають» джерела струму.

У джерелах електричного струму електричне поле створюється й підтримується завдяки розділенню різнойменних електричних зарядів. У результаті на одному полюсі джерела накопичуються частинки, що мають позитивний заряд, а на другому — частинки, що мають негативний заряд. Між полюсами виникає електричне поле. Під дією цього поля в провіднику, яким з'єднані полюси, вільні заряджені частинки починають напрямлений рух, тобто виникає електричний струм.

Джерела живлення характеризуються значенням електрорушійної сили і внутрішнього опору.

Залежно від виду електрорушійної сили джерела живлення поділяють на джерела живлення постійного струму і джерела живлення змінного струму.

 

4.2. Джерела електричного струму

Однак розділити різнойменні заряди не так просто, адже між ними існують сили притягання. Для розділення у джерелах електричного струму різнойменних зарядів, а отже, для створення електричного поля, необхідно виконати роботу. Її можна виконати за рахунок механічної, хімічної, теплової та інших видів енергії.

Розрізняють первинні джерела живлення, які безпосередньо перетворюють інші види енергії в електричну і вторинні джерела живлення, які виконують роль проміжних перетворювачів електричної енергії, такі як блоки живлення електронних приладів, трансформатори тощо.

Первинним джерелом живлення називають пристрій, який перетворює енергію будь-якого виду (механічну, теплову, хімічну, світлову і ін.) на електричну. Основними показниками перетворювача є технологічність та коефіцієнт корисної дії. Існуючі види первинних джерел та способи прямого і опосередкованого перетворень внутрішньої енергії речовини на електричну наведені на рисунку

При опосередкованому перетворенні енергія одного виду перетворюється в інший, а потім – перетворюється у електричну енергію.

 

Класифікація джерел електроживлення:

•        синхронні генератори;
•        інвертори;
•        хімічні джерела струму (сухі гальванічні елементи);
•        сонячні батареї;
•        генератори постійного струму;
•        випрямлячі;
•        акумуляторні батареї

Джерелі живлення поділяються на первинні і вторинні.

Первинним джерелом електроживлення називають пристрій, який перетворює енергію будь-якого виду (механічну, теплову, хімічну, світлову і ін.) на електричну, тобто:

• джерело, у якого механічна енергія перетворюється в електричну енергію;
• джерело, у якого теплова енергія перетворюється в електричну енергію;
• джерело, у якого світлова енергія перетворюється в електричну енергію;
• джерело, у якого хімічна енергія перетворюється в електричну енергію.

До вторинних відносяться пристрої, в яких електрична енергія одного виду перетворюється в електричну енергію іншого виду (змінна в постійну або навпаки).

Усі первинні джерела живлення можна умовно розділити на фізичні й хімічні.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Первинні джерела електричної енергії

При опосередкованому перетворенні енергія одного виду перетворюється в інший, а потім – перетворюється у електричну енергію. До первинних джерел живлення належать фізичні джерела живлення.

4.3. Фізичні джерела живлення

До фізичних джерел живлення прийнято відносити пристрої, в яких розділення зарядів відбувається за рахунок механічної, світлової або теплової енергії. Прикладами таких джерел струму можуть бути електрофорна машина, турбогенератори електростанцій, фото - і термоелементи тощо.

1. Механічні джерела живлення.

Електромашинний генератор – електротехнічний пристрій, який перетворює механічну енергію на електричну змінного або постійного струму. Машинні генератори використовуються як джерела первинного живлення на кораблях, літаках, в малодоступних районах, для аварійного живлення радіопристроїв.

 

Магнітогідродинамічний генератор – це пристрій, який виробляє електричний струм внаслідок руху газової низькотемпературної плазми (до 3000), яка пересікає силові лінії магнітного поля. Це еквівалентно руху провідника у магнітному полі. Особливістю генератора є пряме перетворення енергії. У зв'язку з тим, що роль провідника виконує плазма, то у генераторі відсутні рухомі елементи, за рахунок чого підвищується надійність генератора. ККД не перевищує 40 %. Генератори до нині не знайшли широкого використання.

 

2. Теплові джерела живлення

Термоелектричний генератор – це пристрій, у якому на основі термоелектричного ефекту Зеєбека теплова енергія зовнішнього джерела безпосередньо перетворюється на електричну. Ефект Зеєбека — явище виникнення електрорушійної сили між двома контактами різних провідників, які перебувають при різній температурі. Прикладом застосування є термопара.

Відносний діапазон величин ЕРС термопар складає приблизно 10...70 мкВ/. Потужність генераторів – сотні кіловат. ККД 10...20 %. Недоліком генераторів такого типу є досить висока вартість.

Термоелектронний генератор – це пристрій, принцип дії якого базується на випущенні нагрітими тілами електронів у результаті їх теплового збудження. Електрони нагрітого катода (емітера) виходять за його межі і досягають анода, створюючи електричний струм. Таким чином відбувається пряме перетворення теплової енергії у електричну. Для усунення просторового заряду, який утворюється біля катода, об'єм колби генератора заповнюють паром цезію. З 1 катода отримують до 20 Вт потужності. ККД генератора знаходиться на рівні 10...20 %.

Незважаючи на всю різноманітність фізичних джерел електричного струму, у повсякденному житті ми здебільшого маємо справу з хімічними джерелами електричного струму - гальванічними  елементами й акумуляторами.

Світлові джерела живлення.

Світлова енергія перетворюється на електричну енергію у сонячних батареях.

Під дією світла, що падає на поверхню пластин з напівпровідника, наприклад селену або кремнію, у них відбувається перерозподіл позитивних і негативних електричних зарядів.

4.4. Хімічні джерела живлення

Хімічними джерелами електричного струму називають пристрої, в яких розподіл зарядів відбувається за рахунок енергії, що виділяється внаслідок хімічних реакцій.

Хімічні джерела ЕРС, у не так уже й давні часи, були єдиним джерелом постійного струму. Історія їхнього використання налічує більше двох сотень років. За цей час з'явилося досить багато різновидів таких джерел, та інженерна думка не стоїть на місці, стають доступними все нові й нові. Чому? Мабуть тому, що кожен вид хімічного елементу має як переваги, стосовно своїх попередників, так і недоліки, які не задовольняють розробників все нових і нових видів.

Хімічні джерела струму (ХДС) – це основні джерела струму для портативних електронних пристроїв (радіостанцій, диктофонів, ліхтариків, аудіоплеєрів та ін) Найпопулярніші – звичайно, батарейки та акумулятори Але, перше постійно провокують збільшення витратної статті сімейного бюджету, а другі – вимагають зарядного пристрою, і, до слова, теж мають обмежений ресурс роботи (цикли заряд / розряд)

 

Гальванічний елемент.

Джерела минулого століття.

 

 

 

 

Створюємо гальванічний елемент

Візьмемо мідну й цинкову пластинки та очистимо їхні поверхні. Між пластинками покладемо тканину, змочену в слабкому розчині сульфатної кислоти. Виготовлений пристрій являє собою найпростіше хімічне джерело електричного струму — гальванічний елемент . Якщо з'єднати пластинки через гальванометр (чутливий електровимірювальний прилад, який часто використовують як індикатор наявності слабкого електричного струму), то прилад зафіксує наявність струму.

Італійський учений А. Вольт.
Гальванічний елемент уперше створив італійський учений фізик А. Вольта

Він назвав його на честь свого співвітчизника Л. Ґальвані.   ( Л. Гальвані.).  Будь-який гальванічний елемент складається з двох електродів та електроліту. Електроди можна виготовити з різних металів. Досить часто замість одного з металевих електродів використовують вугільний електрод або такий, що містить оксиди металів. Електролітом слугує тверда або рідка речовина, що проводить електричний струм завдяки наявності в ній великої кількості вільних заряджених частинок — іонів.

У гальванічному елементі  електродами є цинкова й мідна пластинки, а електролітом — розчин сульфатної кислоти.

Між електродами й електролітом відбуваються хімічні реакції, у результаті яких один із електродів (анод) набуває позитивного заряду, а другий (катод) — негативного. Через деякий час «працездатність» гальванічного елемента закінчується через виснаження запасу речовин, що беруть участь у реакціях.

З часом гальванічні елементи стають непридатними до роботи, і їх не можна використати вдруге. А от інший тип хімічних джерел електричного струму — електричні акумулятори — можна використовувати багаторазово.

 

2.                Батареї

 

Акумулятори

Акумулятором електричної енергії називається прилад, який може зберігати і передавати електричну енергію, яку він може нагромаджувати під час пропускання через нього електричного струму від стороннього джерела електричної енергії (процес заряджання).

Електричний акумулятор – хімічне джерело струму багаторазової дії. Основна специфіка її полягає в оборотності внутрішніх хімічних процесів, що забезпечує його багаторазове циклічне використання через заряд-розряд.

 

Акумулятори, як і гальванічні елементи, складаються з двох електродів, поміщених в електроліт. Так, свинцевий акумулятор, використовуваний в автомобілях, має один електрод зі свинцю, а другий — із плюмбум діоксиду; електролітом слугує водний розчин сульфатної кислоти. Якщо електроди зарядженого акумулятора під'єднати, наприклад, до електричної лампи, то по її спіралі потече струм. Усередині ж акумулятора відбуватимуться хімічні реакції, у результаті яких електрод із свинцю набуває негативного заряду, а електрод із плюмбум діоксиду — позитивного. При цьому сульфатна кислота перетворюватиметься на воду. Коли концентрація сульфатної кислоти зменшиться до певного межового значення, акумулятор розрядиться — стане непридатним до роботи. Однак його можна знову зарядити. Під час заряджання акумулятора хімічні реакції йдуть у зворотному напрямку і концентрація сульфатної кислоти відновлюється.

 

Крім свинцевих (кислотних) акумуляторів широко використовують (феронікелеві (лужні), кадмієво-нікелеві та інші види акумуляторів.

Слід зазначити, що й акумулятори, й гальванічні елементи зазвичай об'єднують, одержуючи відповідно акумуляторну батарею або батарею гальванічних елементів.

 

 

Акумуляторна батарея. Батарея гальванічних елементів.

Мобільні телефони, наприклад, містять літій іонну акумуляторну батарею.
За принципом дії сучасні хімічні джерела струму майже не відрізняються від тих, що були створені понад два століття тому. При цьому зараз існує велика кількість різноманітних видів гальванічних елементів і акумуляторів та здійснюється активна розробка нових. Один від одного вони відрізняються розмірами, масою, енергоємністю, терміном роботи, надійністю, безпекою, вартістю тощо.

Вибір певних видів хімічних джерел струму продиктований сферою їхнього застосування. Так, в автомобілях доцільно використовувати відносно дешеві кислотні акумуляторні батареї, і те, що вони є досить важкими, не є вирішальним фактором. А от джерела струму для мобільних телефонів мають бути легкими та безпечними, тому в них варто використовувати так звані літій іонні батареї, хоча вони є порівняно дорогими.

 

ІІІ. Узагальнення і закріплення теми, яка вивчається.

 

Підіб’ємо підсумки заняття

Пристрої, що перетворюють різні види енергії на електричну енергію, називають джерелами електричного струму.

У джерелах електричного струму відбувається розділення різнойменних електричних зарядів, у результаті чого на одному полюсі джерела накопичується позитивний заряд, на іншому — негативний, а отже, створюється електричне поле.

У джерелах електричного струму робота з розділення різнойменних зарядів виконується за рахунок механічної, хімічної, теплової та інших видів енергії.

До хімічних джерел електричного струму належать гальванічні елементи й акумулятори. Гальванічний елемент — хімічне джерело електричного струму одноразового використання. Акумулятор — хімічне джерело електричного струму багаторазового використання.

В залежності від виду електрорушійної сили джерела живлення поділяють на джерела живлення постійного струму і джерела живлення змінного струму.

Простим джерелом постійного струму є хімічне джерело (гальванічний елемент або акумулятор), оскільки полярність такого джерела не може мимовільно змінитися. Для отримання постійного струму використовують також електричні машини — генератори постійного струму.

 

ІV. Виконання практичної роботи.

1. Креслення схем. Виготовлення друкованих плат. Монтаж та налагодження пристроїв виготовлених за власними проектами. Підготовка експонатів до презентації на обласних та всеукраїнських масових заходах з радіоелектронного конструювання..

2. Інструктаж з ТБ перед виконанням практичних робіт. Електробезпека, робота на свердлильному верстаті, санітарно - гігієнічні вимоги під час виготовлення друкованих плат, виконання монтажу.

3. Виконання учнями практичних робіт, розпочатих на попередніх заняттях. Контроль за роботою учнів; матеріальне забезпечення; допомога в роботі.

 

V. Підведення підсумків заняття.

 Аналіз виконання практичних робіт. Визначення необхідної матеріальної бази на наступне заняття.

 

 

Керівник гуртка    Б.Смичок.