В чем измеряется внутреннее сопротивление: Страница не найдена — Amperof.ru

Внутреннее сопротивление источника тока это

На чтение 13 мин Просмотров 604 Опубликовано

Допустим, есть простейшая электрическая замкнутая цепь, включающая в себя источник тока, например генератор, гальванический элемент или аккумулятор, и резистор, обладающий сопротивлением R. Поскольку ток в цепи нигде не прерывается, то и внутри источника он течет.

В такой ситуации можно сказать, что любой источник обладает некоторым внутренним сопротивлением, препятствующим току. Это внутреннее сопротивление характеризует источник тока и обозначается буквой r. Для гальванического элемента или аккумулятора внутреннее сопротивление — это сопротивление раствора электролита и электродов, для генератора — сопротивление обмоток статора и т. д.

Таким образом, источник тока характеризуется как величиной ЭДС, так и величиной собственного внутреннего сопротивления r – обе эти характеристики свидетельствуют о качестве источника.

Электростатические высоковольтные генераторы (как генератор Ван де Граафа или генератор Уимшурста), к примеру, отличаются огромной ЭДС измеряемой миллионами вольт, при этом их внутреннее сопротивление измеряется сотнями мегаом, потому они и непригодны для получения больших токов.

Гальванические элементы (такие как батарейка) — напротив — имеют ЭДС порядка 1 вольта, хотя внутреннее сопротивление у них порядка долей или максимум – десятка Ом, и от гальванических элементов поэтому можно получать токи в единицы и десятки ампер.

На данной схеме показан реальный источник с присоединенной нагрузкой. Здесь обозначены ЭДС источника, его внутреннее сопротивление, а также сопротивление нагрузки. Согласно закону Ома для замкнутой цепи, ток в данной цепи будет равен:

Поскольку участок внешней цепи однороден, то из закона Ома можно найти напряжение на нагрузке:

Выразив из первого уравнения сопротивление нагрузки, и подставив его значение во второе уравнение, получим зависимость напряжения на нагрузке от тока в замкнутой цепи:

В замкнутом контуре ЭДС равна сумме падений напряжений на элементах внешней цепи и на внутреннем сопротивлении самого источника. Зависимость напряжения на нагрузке от тока нагрузки в идеальном случае линейна.

График это показывает, но экспериментальные данные на реальном резисторе (крестики возле графика) всегда отличаются от идеала:

Эксперименты и логика показывают, что при нулевом токе нагрузки напряжение на внешней цепи равно ЭДС источника, а при нулевом напряжении на нагрузке ток в цепи равен току короткого замыкания. Это свойство реальных цепей помогает экспериментально находить ЭДС и внутреннее сопротивление реальных источников.

Экспериментальное нахождение внутреннего сопротивления

Чтобы экспериментально определить данные характеристики, строят график зависимости напряжения на нагрузке от величины тока, затем экстраполируют его до пересечения с осями.

В точке пересечения графика с остью напряжения находится значение ЭДС источника, а в точке пересечения с осью тока находится величина тока короткого замыкания. В итоге внутреннее сопротивление находится по формуле:

Развиваемая источником полезная мощность выделяется на нагрузке. График зависимости этой мощности от сопротивления нагрузки приведен на рисунке. Эта кривая начинается от пересечения осей координат в нулевой точке, затем возрастает до максимального значения мощности, после чего спадает до нуля при сопротивлении нагрузки равном бесконечности.

Чтобы найти максимальное сопротивление нагрузки, при котором теоретически разовьется максимальная мощность при данном источнике, берется производная от формулы мощности по R и приравнивается к нулю. Максимальная мощность разовьется при сопротивлении внешней цепи, равном внутреннему сопротивлению источника:

Это положение о максимальной мощности при R = r, позволяет экспериментально найти внутреннее сопротивление источника, построив зависимость мощности, выделяемой на нагрузке, от величины сопротивления нагрузки. Найдя реальное, а не теоретическое, сопротивление нагрузки, обеспечивающее максимальную мощность, определяют реальное внутреннее сопротивление источника питания.

КПД источника тока показывает отношение максимальной выделяемой на нагрузке мощности к полной мощности, которую в данный момент развивает источник:

Ясно, что если источник развивает такую мощность, что на нагрузке получается максимум возможной мощности для данного источника, то КПД источника окажется равным 50%.

Теги статьи: Добавить тег

ЭДС и напряжение. Внутреннее сопротивление источников питания.

Автор: ДЖИНА
Опубликовано 01.01.1970

Небольшое дополнение к разговору о батарейках и аккумуляторах, а также – о законе Ома. Прислала ДЖИНА.

Ликбез так ликбез!
Несмотря на то, что многие из посетителей этого сайта являются продвинутыми радиокотами и уже успешно занимаются программированием и конструированием, существуют еще отдельные котята, у которых возникают иногда вопросы, связанные с азами радио- (или даже электро) техники.

Итак, вернемся к азам. По азу- я всех везу! Ой! Это из другой оперы.

Закон Ома. Вот я о чем.

О законе Ома мы уже говорили. Поговорим еще раз – с несколько иной стороны. Не вдаваясь в физические подробности и выражаясь простым кошачьим языком, закон Ома гласит: чем больше э.д.с. ( электродвижущая сила), тем больше ток, чем больше сопротивление, тем меньше ток.

Переведя сие заклинание на язык сухих формул получаем:

где:
I – сила тока,
E – Э.Д.С. – электродвижущая сила

R – сопротивление

Ток измеряется в амперах, э.д.с. – в вольтах, а сопротивление носит гордое имя товарища Ома.
Э.д.с. – это есть характеристика идеального генератора, внутренне сопротивление которого принято считать бесконечно малым. В реальной жизни такое бывает редко, поэтому в силу вступает закон Ома для последовательной цепи (более знакомый нам):

где:
U – напряжение источника непосредственно на его клеммах.

Рассмотрим простой пример.

Представим себе обычную батарейку в виде источника э.д.с. и включенного последовательно с ним некоего резистора, который будет олицетворять собой внутреннее сопротивление батарейки. Подключим параллельно батарейке вольтметр. Его входное сопротивление значительно больше внутреннего сопротивления батарейки, но не бесконечно большое – то есть, через него потечет ток. Величина напряжения, которую покажет вольтметр будет меньше величины э.д.с. как раз на величину падения напряжения на внутреннем воображаемом резисторе при данном токе.

Но, тем не менее именно эта величина и принимается за напряжение батарейки.

Формула конечного напряжения при этом будет иметь следующий вид:

Так как со временем у всех элементов питания внутреннее сопротивление увеличивается, то и падение напряжения на внутреннем сопротивлении тоже увеличивается. При этом напряжение на клеммах батарейки уменьшается. Мяу!

Что же происходит, если вместо вольтметра к батарейке подключить амперметр? Так как собственное сопротивление амперметра стремится к нулю, мы фактически будем измерять ток, протекающий через внутреннее сопротивление батарейки. Так как внутренне сопротивление источника очень небольшое, измеренный при этом ток может достигать н ескольких ампер.

Однако следует заметить, что внутреннее сопротивление источника является таким же элементом цепи, как и все остальные. Поэтому при увеличении тока нагрузки падение напряжения на внутреннем сопротивлении также увеличится, что приводит к уменьшению напряжения на нагрузке. Или как мы, радиокоты, любим выражаться – к просадке напруги.

Чтобы изменение нагрузки как можно меньше влияло на выходное напряжение источника его внутреннее сопротивление стараются свести к минимуму.

Можно так подобрать элементы последовательной цепи, чтобы на каком-нибудь из них получить напряжение, уменьшенное, по сравнению с исходным, во сколько угодно раз.

Простейший делитель напряжения состоит из двух резисторов.
Чем меньшую часть исходного напряжения мы хотим получить и передать в нагрузку, тем меньше должно быть сопротивление резистора, с которого оно снимается. Кроме того, сопротивление этого резистора должно быть значительно меньше, чем сопротивление нагрузки, иначе подключение нагрузки изменит сопротивление всего участка, и напряжение на нем изменится.

Частенько вместо одного из резисторов делителя используют саму нагрузку. В этом случае второй резистор, на котором гасится избыток напряжения, называют гасящим сопротивлением.

Подключив резистор параллельно нагрузке, можно уменьшить идущий через нее ток. Резистор, который включается для ответвления лишнего тока, порядочные коты называют шунтом (ШУНТ в переводе на русский – обходной путь).

Нормальные герои всегда идут шунтом! (Шутка!)

Чем меньше сопротивление шунта, тем большая часть тока пойдет через него и меньшая через нагрузку.
Уф! Запарилась писать такие объемы на своей КПКошке.
Вопросы есть? Будут – пишите. Может, чего еще из школьной программы вспомню.

Величина, характеризующая количество энергетических потерь, возникающих при протекании тока через его источник, определяется как внутреннее сопротивление источника тока. Как и обычное сопротивление, имеет единицу измерения, равную 1 Ом. Ток, двигаясь через источник, теряет часть своей энергии, которая переходит в тепло, точно так же, как на любом нагрузочном сопротивлении. Это значит, что величина напряжения на выводах источника зависит от величины тока, а не от ЭДС.

Если рассмотреть замкнутую электрическую цепь, в которую включён источник тока (батарейка, аккумулятор или генератор), и нагрузку R, то ток течёт и внутри источника. Внутреннее сопротивление источника, обозначаемое буквой r, ему препятствует.

У генератора r – это внутреннее сопротивление обмоток статора, у аккумулятора – сопротивление электролита.

Измерение сопротивления петли фаза-нуль

Петля «фаза – нуль» – это электрическая цепь переменного тока, которая может возникнуть в результате короткого замыкания между проводами: «фаза» и «ноль» или «фаза» и «фаза». Разрушение изоляции, механические повреждения или случайное соединение оголённых участков кабеля между собой могут стать этому причиной. В установках с глухо заземлённой нейтралью нулевой проводник физически связан с нейтралью трансформатора, она подключена к контуру заземления. При замыкании на корпус или соединении фаз между собой образуется цепь (петля).

Главная задача проводимых измерений – узнавать, каким будет величина тока через петлю при КЗ. Это обязательно для расчёта и подбора защитного оборудования. Хорошим результатом будет маленькое сопротивление петли, тогда ток Iк.з. будет наибольшим. От его величины зависит, как быстро сработает защитный автоматический выключатель.

Чем меньше времени будет затрачено на отключение повреждённой или закороченной цепи, тем больше шансов предотвратить пожар от возгорания кабельной сети. При попадании человека под удар электрического тока в результате прикосновения или короткого замыкания автоматическое снятие напряжения спасёт ему жизнь.

На предприятиях ежегодно проводится комплекс измерений защитного заземления и сопротивления петли фаза – ноль. При неудовлетворительных результатах проводится ряд мероприятий:

  • заменяются участки провода, не отвечающие требованиям по диаметру сечения;
  • перекручиваются болтовые соединения с обязательной установкой врезных шайб;
  • вскрываются контуры защитных заземлений и осматриваются на предмет целостности сварных соединений и состояния элементов заземления;
  • при необходимости в контур защитного заземления добавляются дополнительные элементы;
  • исключается последовательное подключение корпусов устройств к общей шине заземления.

После выполнения комплекса мероприятий измерения проводятся повторно.

Нахождение внутреннего сопротивления

Его можно находить двумя путями: рассчитать или измерить. Первым путём идут при работе с электрическими схемами, второй – выбирают, занимаясь с реальными устройствами.

Простой расчёт производится с использованием формулы Закона Ома для участка полной цепи:

Чтобы узнать силу тока, нужно напряжение ЭДС делить на сумму сопротивлений.

Выразив отсюда r, получают формулу для его вычисления:

где:

  • r – внутреннее сопротивление источника;
  • ε – ЭДС источника;
  • I – сила тока в полной цепи;
  • R – сопротивление в полной цепи.

Комплекс измерений этого параметра у настоящего устройства не подразумевает непосредственных замеров. Тестируются напряжения на нагрузочном сопротивлении в двух режимах тока: холостом и КЗ.

Так как не любой источник может выдержать даже кратковременный режим замыкания, берётся метод измерения без вычислений.

В схему включается внешнее сопротивление нагрузки в виде подстроечного резистора Rн. Выставляется такое значение, при котором падение напряжения на резисторе равнялось бы 1/2 U холостого хода. Тогда измеренное омметром Rн будет соответствовать внутреннему сопротивлению источника.

Малое внутреннее сопротивление

Малой величины внутреннего сопротивления добиваются применением обратной связи в схемах, куда включён двухполюсник. В стабилизаторах напряжения r достигает значений менее 9*10-4 Ом. Автомобильная АКБ 6СТ-60 обладает сопротивлением около 0,01 Ом. Если произвести измерения петли фаза-ноль бытовой сети, то норма значения лежит в пределах 0,05-1 Ом.

Реактивное внутреннее сопротивление

Кроме гальванических и электролитических двухполюсников, существуют источники питания, схемы которых включают в себя реактивные элементы. При определении их внутреннего сопротивления используют метод комплексных амплитуд. Он подразумевает использовать при расчётах комплексные сопротивления элементов, включённых в схему. Величины токов и напряжений заменяются значениями их комплексных амплитуд. Сам алгоритм вычисления такой же, как при расчёте активного сопротивления.

Процесс измерений r-реактивного немного отличается от измерения активной составляющей сопротивления. Методы зависят от того, какие параметры этой комплексной функции нужно узнать: отдельные составляющие или комплексное число.

На эти параметры влияет частота, поэтому, чтобы при тестировании добиться информации о внутреннем реактивном значении r, нужно убрать частотную зависимость. Это достигается комплексом замеров на всём диапазоне частот, генерируемых таким двухполюсником.

Большое внутреннее сопротивление

Пьезоэлектрические датчики, конденсаторные микрофоны и другие источники импульсов обладают повышенным внутренним импедансом. Чтобы эффективно использовать такие устройства, нужно правильно согласовать схему считывания сигнала. При неудачном согласовании неизбежны потери.

Важно! Удачное согласование по напряжению получается при использовании для снятия сигнала устройства, с большим входным сопротивлением, чем у источника сигнала. В случае высокоомного источника для считывания сигнала применяется буферный усилитель.

Внутреннее сопротивление и импеданс

Импеданс – полное (комплексное) внутреннее сопротивление эквивалентного двухполюсника переменному току. Обозначается буквой Z и так же измеряется в Омах.

Двухполюсник и его эквивалентная схема

Двухполюсник представляет собой электрическую цепь, содержащую две точки присоединения к другим цепям. Бывает два вида электрических цепей:

  • цепи, содержащие источник тока или напряжения;
  • двухполюсники, не являющиеся источниками.

Первые характеризуются электрическими параметрами: силой тока, напряжением и импедансом. Для расчёта параметров таких двухполюсников предварительно производят замену реальных элементов цепи на идеальные элементы. Комбинация, которая получается в результате подобной замены, называется эквивалентной схемой.

Внимание! При работе со сложными электрическими схемами с учётом того, что устройство работает на одной частоте, допустимо преобразовывать последовательные и параллельные ветви до получения простой схемы, доступной для расчёта параметров.

Второй вид двухполюсников можно охарактеризовать только величиной внутреннего сопротивления.

Влияние внутреннего сопротивления на свойства двухполюсника

Чем оно выше, тем меньшую мощность выдаёт источник при подключении нагрузки. Определить мощность в нагрузке можно по формуле:

где:

  • E – напряжение ЭДС;
  • R – сопротивление нагрузки;
  • r – активное внутреннее сопротивление двухполюсника.

Формула применима к двухполюсникам, не отдающим энергию.

К сведению. Когда величина внутреннего сопротивления двухполюсника приближается по своему значению к сопротивлению нагрузки, передача мощности достигает максимума.

Разрядная емкость источника

Величина, зависящая от силы тока разряда, называется разрядной ёмкостью источника. Это электрический заряд, который отдаёт источник в процессе эксплуатации в зависимости от тока нагрузки. Эту величину можно считать постоянной условно. Так, стартерный аккумулятор, имеющий разрядную ёмкость С = 55 А*ч, при токе разряда 5,5 А проработает 10 часов. При запусках холодного или имеющего неисправность автомобиля аккумулятор можно разрядить за несколько минут.

Для того чтобы найти остаточную разрядную ёмкость, производят циклы «заряд – разряд». Они выполняются при помощи нагрузочных сопротивлений. Разряд на нагрузочное сопротивление производят до минимально допустимых значений плотности электролита. При этом замеряется время работы под нагрузкой. Это актуально при сезонном обслуживании аккумуляторов для выявления процессов саморазряда.

Внутреннее сопротивление источников тока – важная величина. Методы, применяемые для её снижения, являются прямыми путями увеличения отдаваемой мощности источника, значит, повышения производительности двухполюсников. Правильное измерение и вычисление импеданса эквивалентных схем позволяют приблизить двухполюсник к идеальному источнику.

Видео

Внутреннее сопротивление и его физический смысл

Каждый источник тока имеет собственное внутреннее сопротивление. Электрическая цепь – это замкнутый контур с потребителями, к которому прикладывается напряжение. Каждый такой контур имеет внешнее сопротивление и внутреннее.

Внешним называется сопротивление всей цепи с потребителями и проводниками, а внутреннее сопротивление исходит от самого источника.

Если в качестве источника тока используется электрическая машина, то её внутреннее сопротивление делится на активное, индуктивное и ёмкостное. Активное зависит от длины проводника и его толщины, а также материала, из которого выполнен проводник, и его состояния. Индуктивное зависит от индуктивности катушки (величины её противоЭДС), а емкостное возникает между витками обмотки. Оно является довольно малым. Если в качестве источника используется обычная батарея, то в ней тоже создаётся сопротивление за счёт электролита.

Ток – это направленное движение частиц, а сопротивление – это создаваемое препятствие на пути его движения. Такие препятствия встречаются и в электролите, и в свинцовых пластинах аккумуляторных батарей, словом, везде, где возникает ток.

Из-за того, что существует внутреннее сопротивление в источнике, нельзя полагать, что напряжение в цепи – это и есть полная электродвижущая сила источника. Конечно, падением напряжения в самом источнике можно пренебречь, однако только в том случае, если оно ничтожно мало.

Если в цепи источника создаются большие токи, то напряжение на зажимах нельзя считать истинной электродвижущей силой. Ток в источнике – это признак падения напряжения в нём. В этом случае действует закон Кирхгофа, который гласит, что истинная ЭДС цепи – это сумма падений напряжений на всех участках, в том числе и в самом источнике. А записывается формула так:

E = ∑U + Ir r

Где:

E – общая электродвижущая сила цепи;
U – падение напряжения на участках цепи;
Ir – внутренний ток, создаваемый в источнике;
r – внутреннее сопротивление источника.

Чтобы понять физический смысл внутреннего сопротивления источника, следует провести небольшой опыт. Первоначально измеряется электродвижущая сила источника. Это делается путём подключения вольтметра к батарее, которая не находится под нагрузкой. После этого необходимо подключить небольшое сопротивление и последовательно установить амперметр. Таким образом, будет известен ток, при этом надо измерить также напряжение под нагрузкой.

Записав все значения величин, легко определить внутреннее сопротивление. Для этого в первую очередь определяется падение напряжения в батарее. С помощью формулы

Ur = E-U

производим вычисление.

В этой формуле:

Ur – падение напряжения внутреннего сопротивления источника;
E – напряжение (ЭДС), измеренное на источнике без потребителя;
U – напряжение, измеренное непосредственно на сопротивлении.

Таким образом, внутренне сопротивление вычисляется по следующей формуле:

r=Ur/I

Некоторые специалисты пренебрегают этой величиной, считая, что её можно не учитывать ввиду малого значения. Однако практика показывает, что при сложных расчетах внутреннее сопротивление сильно влияет на конечный результат.

Как найти внутреннее сопротивление формула. Как рассчитать внутреннее сопротивление источника питания

Закон Ома для полной цепи, определение которого касается значения электрического тока в реальных цепях, находится в зависимости от источника тока и от сопротивления нагрузки. Этот закон носит и другое название — закон Ома для замкнутых цепей. Принцип действия данного закона заключается в следующем.

В качестве самого простого примера, электрическая лампа, являющаяся потребителем электрического тока, совместно с источником тока есть не что иное, как замкнутая . Данная электрическая цепь наглядно показана на рисунке.

Электроток, проходя через лампочку, также проходит и через сам источник тока. Таким образом, во время прохождения по цепи, ток испытает сопротивление не только проводника, но и сопротивление, непосредственно, самого источника тока. В источнике сопротивление создается электролитом, находящимся между пластинами и пограничными слоями пластин и электролита. Отсюда следует, что в замкнутой цепи, ее общее сопротивление будет состоять из суммы сопротивлений лампочки и источника тока.

Внешнее и внутреннее сопротивление

Сопротивление нагрузки, в данном случае лампочки, соединенной с источником тока, носит название внешнего сопротивления. Непосредственное сопротивление источника тока называется внутренним сопротивлением. Для более наглядного изображения процесса, все значения необходимо условно обозначить. I — , R — внешнее сопротивление, r — внутреннее сопротивление. Когда по электрической цепи протекает ток, то для того, чтобы поддерживать его, между концами внешней цепи должна присутствовать разность потенциалов, которая имеет значение IхR. Однако, протекание тока наблюдается и во внутренней цепи. Значит, для того, чтобы поддержать электроток во внутренней цепи, также необходима разность потенциалов на концах сопротивления r. Значение этой разности потенциалов равно Iхr.

Электродвижущая сила аккумулятора

Аккумулятор должен иметь следующее значение электродвижущей силы, способной поддерживать необходимый ток в цепи: Е=IхR+Iхr . Из формулы видно, что электродвижущая сила аккумулятора составляет сумму внешнего и внутреннего . Значение тока нужно вынести за скобки: Е=I(r+R) . Иначе можно представить: I=Е/(r+R) . Двумя последними формулами выражается закон Ома для полной цепи, определение которого звучит следующим образом: в замкнутой цепи сила тока прямо пропорциональна электродвижущей силе и обратно пропорциональна сумме сопротивлений этой цепи.

Двухполюсник и его эквивалентная схема

Вну́треннее сопротивле́ние двухполюсника — импеданс в эквивалентной схеме двухполюсника, состоящей из последовательно включенных генератора напряжения и импеданса (см. рисунок). Понятие применяется в теории цепей при замене реального источника идеальными элементами, то есть при переходе к эквивалентной схеме.

Введение

Рассмотрим пример. В легковом автомобиле запитаем бортовую сеть не от штатного свинцово-кислотного аккумулятора напряжением 12 вольт и ёмкостью 55 А·ч, а от последовательно соединённых восьми батареек (например, типоразмера АА, ёмкостью около 1 А·ч). Попробуем завести двигатель. Опыт показывает, что при питании от батареек вал стартера не повернётся ни на градус. Более того, не сработает даже втягивающее реле.

Интуитивно понятно, что батарейка «недостаточно мощная» для подобного применения, однако рассмотрение её заявленных электрических характеристик — напряжения и заряда (ёмкости) — не даёт количественного описания данного явления. Напряжение в обоих случаях одинаково:

Аккумулятор: 12 вольт

Гальванические элементы: 8·1,5 вольт = 12 вольт

Ёмкости также вполне достаточно: одного ампер·часа в батарейке должно хватить, чтобы вращать стартер в течение 14 секунд (при токе 250 ампер).

Казалось бы, в соответствии с законом Ома ток в одинаковой нагрузке при электрически одинаковых источниках также должен быть одинаковым. Однако в действительности это не совсем так. Источники вели бы себя одинаково, если бы были идеальными генераторами напряжения. Для описания степени отличия реальных источников от идеальных генераторов и применяется понятие внутреннее сопротивление.

Сопротивление и внутреннее сопротивление

Основной характеристикой двухполюсника является его сопротивление (или импеданс). Однако характеризовать двухполюсник одним только сопротивлением не всегда возможно. Дело в том, что термин сопротивление примени́м только для чисто пассивных элементов, то есть не содержащих в себе источников энергии. Если двухполюсник содержит источник энергии, то понятие «сопротивление» к нему просто не применимо, поскольку закон Ома в формулировке U=Ir не выполняется.

Таким образом, для двухполюсников, содержащих источники (то есть генераторы напряжения и генераторы тока) необходимо говорить именно о внутреннем сопротивлении (или импедансе). Если же двухполюсник не содержит источников, то «внутреннее сопротивление» для такого двухполюсника означает то же самое, что и просто «сопротивление».

Родственные термины

Если в какой-либо системе можно выделить вход и/или выход, то часто употребляются следующие термины:

Входное сопротивление — внутреннее сопротивление двухполюсника, которым является вход системы.

Выходное сопротивление — внутреннее сопротивление двухполюсника, которым является выход системы.

Физические принципы

Несмотря на то, что на эквивалентной схеме внутреннее сопротивление представлено как один пассивный элемент (причем активное сопротивление, то есть резистор в нем присутствует обязательно), внутреннее сопротивление не сосредоточено в каком-либо одном элементе. Двухполюсник лишь внешне ведет себя так, словно в нем имеется сосредоточенный внутренний импеданс и генератор напряжения. В действительности внутреннее сопротивление является внешним проявлением совокупности физических эффектов:

Если в двухполюснике имеется только источник энергии без какой-либо электрической схемы (например, гальванический элемент), то внутреннее сопротивление чисто активное, оно обусловлено физическими эффектами, которые не позволяют мощности, отдаваемой этим источником в нагрузку, превысить определенный предел. Наиболее простой пример такого эффекта — ненулевое сопротивление проводников электрической цепи. Но, как правило, наибольший вклад в ограничение мощности вносят эффекты неэлектрической природы. Так, например, в химическом источнике мощность может быть ограничена площадью соприкосновения участвующих в реакции веществ, в генераторе гидроэлектростанции — ограниченным напором воды и т. д.

В случае двухполюсника, содержащего внутри электрическую схему, внутреннее сопротивление «рассредоточено» в элементах схемы (в дополнение к перечисленным выше механизмам в источнике).

Отсюда также следуют некоторые особенности внутреннего сопротивления:

Внутреннее сопротивление невозможно убрать из двухполюсника

Внутреннее сопротивление не является стабильной величиной: оно может изменяться при изменении каких-либо внешних условий.

Влияние внутреннего сопротивления на свойства двухполюсника

Эффект внутреннего сопротивления является неотъемлемым свойством любого двухполюсника. Основной результат наличия внутреннего сопротивления — это ограничение электрической мощности, которую можно получить в нагрузке, питаемой от этого двухполюсника.

Если к источнику с ЭДС генератора напряжения E и активным внутренним сопротивлением r подключена нагрузка с сопротивлением R, то ток, напряжение и мощность в нагрузке выражаются следующим образом.

Расчёт

Понятие расчёт применимо к схеме (но не к реальному устройству). Расчёт приведён для случая чисто активного внутреннего сопротивления (отличия реактивного сопротивления будут рассмотрены далее).

Пусть, имеется двухполюсник, который может быть описан приведенной выше эквивалентной схемой. Двухполюсник обладает двумя неизвестными параметрами, которые необходимо найти:

ЭДС генератора напряжения U

Внутреннее сопротивление r

В общем случае, для определения двух неизвестных необходимо сделать два измерения: измерить напряжение на выходе двухполюсника (то есть разность потенциалов Uout = φ2 − φ1) при двух различных токах нагрузки. Тогда неизвестные параметры можно найти из системы уравнений:

где Uout1 — выходное напряжение при токе I1, Uout2 — выходное напряжение при токе I2. Решая систему уравнений, находим искомые неизвестные:

Обычно для вычисления внутреннего сопротивления используется более простая методика: находится напряжение в режиме холостого хода и ток в режиме короткого замыкания двухполюсника. В этом случае система (1) записывается следующим образом:

где Uoc — выходное напряжение в режиме холостого хода (англ. open circuit), то есть при нулевом токе нагрузки; Isc — ток нагрузки в режиме короткого замыкания (англ. short circuit), то есть при нагрузке с нулевым сопротивлением. Здесь учтено, что выходной ток в режиме холостого хода и выходное напряжение в режиме короткого замыкания равны нулю. Из последних уравнений сразу же получаем:

Измерение

Понятие измерение применимо к реальному устройству (но не к схеме). Непосредственное измерение омметром невозможно, поскольку нельзя подключить щупы прибора к выводам внутреннего сопротивления. Поэтому необходимо косвенное измерение, которое принципиально не отличается от расчета — также необходимы напряжения на нагрузке при двух различных значениях тока. Однако воспользоваться упрощенной формулой (2) не всегда возможно, поскольку не каждый реальный двухполюсник допускает работу в режиме короткого замыкания.

Часто применяется следующий простой способ измерения, не требующий вычислений:

Измеряется напряжение холостого хода

В качестве нагрузки подключается переменный резистор и его сопротивление подбирается таким образом, чтобы напряжение на нем составило половину от напряжения холостого хода.

После описанных процедур сопротивление резистора нагрузки необходимо измерить омметром — оно будет равно внутреннему сопротивлению двухполюсника.

Какой бы способ измерения ни использовался, следует опасаться перегрузки двухполюсника чрезмерным током, то есть ток не должен превышать максимально допустимого значениях для данного двухполюсника.

Реактивное внутреннее сопротивление

Если эквивалентная схема двухполюсника содержит реактивные элементы — конденсаторы и/или катушки индуктивности, то расчет реактивного внутреннего сопротивления выполняется также, как и активного, но вместо сопротивлений резисторов берутся комплексные импедансы элементов, входящих в схему, а вместо напряжений и токов — их комплексные амплитуды, то есть расчет производится методом комплексных амплитуд.

Измерение реактивного внутреннего сопротивления имеет некоторые особенности, поскольку оно является комплекснозначной функцией, а не скалярным значением:

Можно искать различные параметры комплексного значения: модуль, аргумент, только вещественную или мнимую часть, а также комплексное число полностью. Соответственно, методика измерений будет зависеть от того, что хотим получить.

Необходимость введения термина можно проиллюстрировать следующим примером. Сравним два химических источника постоянного тока с одинаковым напряжением:

  • Автомобильный свинцово-кислотный аккумулятор напряжением 12 вольт и ёмкостью 55 А·ч
  • Восемь батареек типоразмера АА, соединенных последовательно. Суммарное напряжение такой батареи также 12 вольт, ёмкость значительно меньше — примерно 1 А·ч

Несмотря на одинаковое напряжение, эти источники значительно отличаются при работе на одинаковую нагрузку. Так, автомобильный аккумулятор способен отдать в нагрузку большой ток (от аккумулятора заводится двигатель автомобиля, при этом стартер потребляет ток 250 ампер), а от цепочки батареек стартер вообще не вращается. Относительно небольшая емкость батареек не является причиной: одного ампер-часа в батарейках хватило бы для того, чтобы вращать стартер в течение 14 секунд (при токе 250 ампер).

Таким образом, для двухполюсников, содержащих источники (то есть генераторы напряжения и генераторы тока) необходимо говорить именно о внутреннем сопротивлении (или импедансе). Если же двухполюсник не содержит источников, то «внутреннее сопротивление» для такого двухполюсника означает то же самое, что и просто «сопротивление».

Родственные термины

Если в какой-либо системе можно выделить вход и/или выход, то часто употребляются следующие термины:

Физические принципы

Несмотря на то, что на эквивалентной схеме внутреннее сопротивление представлено как один пассивный элемент (причём активное сопротивление , то есть резистор в нём присутствует обязательно), внутреннее сопротивление не сосредоточено в каком-либо одном элементе. Двухполюсник лишь внешне ведёт себя так, словно в нём имеется сосредоточенный внутренний импеданс и генератор напряжения. В действительности внутреннее сопротивление является внешним проявлением совокупности физических эффектов:

  • Если в двухполюснике имеется только источник энергии без какой-либо электрической схемы (например, гальванический элемент), то внутреннее сопротивление практически чисто активное (если только речь не идет об очень высоких частотах), оно обусловлено физическими эффектами, которые не позволяют мощности , отдаваемой этим источником в нагрузку, превысить определённый предел. Наиболее простой пример такого эффекта — ненулевое сопротивление проводников электрической цепи. Но, как правило, наибольший вклад в ограничение мощности вносят эффекты неэлектрической природы. Так, например, в мощность может быть ограничена площадью соприкосновения участвующих в реакции веществ, в генераторе гидроэлектростанции — ограниченным напором воды и т. д.
  • В случае двухполюсника, содержащего внутри электрическую схему , внутреннее сопротивление «рассредоточено» в элементах схемы (в дополнение к перечисленным выше механизмам в источнике).

Отсюда также следуют некоторые особенности внутреннего сопротивления:

Влияние внутреннего сопротивления на свойства двухполюсника

Эффект внутреннего сопротивления является неотъемлемым свойством любого активного двухполюсника. Основной результат наличия внутреннего сопротивления — это ограничение электрической мощности, которую можно получить в нагрузке, питаемой от этого двухполюсника.

Пусть, имеется двухполюсник, который может быть описан приведённой выше эквивалентной схемой. Двухполюсник обладает двумя неизвестными параметрами, которые необходимо найти:

  • ЭДС генератора напряжения U
  • Внутреннее сопротивление r

В общем случае, для определения двух неизвестных необходимо сделать два измерения: измерить напряжение на выходе двухполюсника (то есть разность потенциалов U out = φ 2 − φ 1 ) при двух различных токах нагрузки. Тогда неизвестные параметры можно найти из системы уравнений:

где U out1 I 1 , U out2 — выходное напряжение при токе I 2 . Решая систему уравнений, находим искомые неизвестные:

Обычно для вычисления внутреннего сопротивления используется более простая методика: находится напряжение в режиме холостого хода и ток в режиме короткого замыкания двухполюсника. В этом случае система () записывается следующим образом:

где U oc — выходное напряжение в режиме холостого хода (англ. open circuit ), то есть при нулевом токе нагрузки; I sc — ток нагрузки в режиме короткого замыкания (англ. short circuit ), то есть при нагрузке с нулевым сопротивлением. Здесь учтено, что выходной ток в режиме холостого хода и выходное напряжение в режиме короткого замыкания равны нулю. Из последних уравнений сразу же получаем:

Измерение

Понятие измерение применимо к реальному устройству (но не к схеме). Непосредственное измерение омметром невозможно, поскольку нельзя подключить щупы прибора к выводам внутреннего сопротивления. Поэтому необходимо косвенное измерение , которое принципиально не отличается от расчёта — также необходимы напряжения на нагрузке при двух различных значениях тока. Однако воспользоваться упрощённой формулой (2) не всегда возможно, поскольку не каждый реальный двухполюсник допускает работу в режиме короткого замыкания.

Иногда применяется следующий простой способ измерения, не требующий вычислений:

  • Измеряется напряжение холостого хода
  • В качестве нагрузки подключается переменный резистор и его сопротивление подбирается таким образом, чтобы напряжение на нём составило половину от напряжения холостого хода.

После описанных процедур сопротивление резистора нагрузки необходимо измерить омметром — оно будет равно внутреннему сопротивлению двухполюсника.

Какой бы способ измерения ни использовался, следует опасаться перегрузки двухполюсника чрезмерным током, то есть ток не должен превышать максимально допустимого значениях для данного двухполюсника.

Реактивное внутреннее сопротивление

Если эквивалентная схема двухполюсника содержит реактивные элементы — конденсаторы и/или катушки индуктивности , то расчет реактивного внутреннего сопротивления выполняется также, как и активного, но вместо сопротивлений резисторов берутся комплексные импедансы элементов, входящих в схему, а вместо напряжений и токов — их комплексные амплитуды , то есть расчет производится методом комплексных амплитуд .

Измерение реактивного внутреннего сопротивления имеет некоторые особенности, поскольку оно является комплекснозначной функцией , а не скалярным значением:

  • Можно искать различные параметры комплексного значения: модуль , аргумент , только вещественную или мнимую часть, а также комплексное число полностью. Соответственно, методика измерений будет зависеть от того, что хотим получить.
  • Любой из перечисленных параметров зависит от частоты. Теоретически, чтобы получить путем измерения полную информацию о реактивном внутреннем сопротивлении, необходимо снять зависимость от частоты, то есть провести измерения на всех частотах, которые может генерировать источник данного двухполюсника.

Применение

В большинстве случаев следует говорить не о применении внутреннего сопротивления, а об учете его негативного влияния, поскольку внутреннее сопротивление является скорее негативным эффектом. Тем не менее, в некоторых системах наличие внутреннего сопротивления с номинальным значением является просто необходимым.

Упрощение эквивалентных схем

Представление двухполюсника как совокупность генератора напряжения и внутреннего сопротивления является наиболее простой и часто используемой эквивалентной схемой двухполюсника.

Согласование источника и нагрузки

Согласование источника и нагрузки — это выбор соотношения сопротивления нагрузки и внутреннего сопротивления источника с целью достижения заданных свойств полученной системы (как правило, стараются достичь максимального значения какого-либо параметра для данного источника). Наиболее часто используются следующие типы согласования:

Согласование по току и мощности следует использовать с осторожностью, так как есть опасность перегрузить источник.

Понижение высоких напряжений

Иногда к источнику искусственно добавляют большое сопротивление (оно добавляется к внутреннему сопротивлению источника) для того, чтобы значительно понизить получаемое от него напряжение. Однако добавление резистора в качестве дополнительного сопротивления (так называемый гасящий резистор) ведёт к бесполезному выделению мощности на нём. Чтобы не расходовать энергию впустую, в системах переменного тока используют реактивные гасящие импедансы, чаще всего конденсаторы . Таким образом строятся конденсаторные блоки питания. Аналогично, при помощи ёмкостного отвода от высоковольтной ЛЭП можно получить небольшие напряжения для питания каких-либо автономных устройств.

Минимизация шума

При усилении слабых сигналов часто возникает задача минимизации шума, вносимого усилителем в сигнал. Для этого используются специальные малошумящие усилители , однако они спроектированы таким образом, что наименьший коэффициент шума достигается лишь в определенном диапазоне выходного сопротивления источника сигнала. Например, малошумящий усилитель обеспечивает минимальный шум только в диапазоне выходных сопротивлений источника от 1 кОм до 10 кОм; если источник сигнала обладает меньшим выходным сопротивлением (например, микрофон с выходным сопротивлением 30 Ом), то следует применить между источником и усилителем повышающий трансформатор , который повысит выходное сопротивление (а также напряжение сигнала) до необходимого значения.

Ограничения

Понятие внутреннего сопротивления вводится через эквивалентную схему, поэтому имеют силу те же ограничения , что и для применимости эквивалентных схем.

Примеры

Значения внутреннего сопротивления относительны: то, что считается малым, например, для гальванического элемента, является очень большим для мощного аккумулятора. Ниже приведены примеры двухполюсников и значения их внутреннего сопротивления r . Тривиальные случаи двухполюсников без источников оговорены особо.

Малое внутреннее сопротивление

Большое внутреннее сопротивление

Отрицательное внутреннее сопротивление

Существуют двухполюсники, внутреннее сопротивление которых имеет отрицательное значение. В обычном активном сопротивлении происходит диссипация энергии, в реактивном сопротивлении энергия запасается, а затем выделяется обратно в источник. Особенность отрицательного сопротивления в том, что оно само является источником энергии. Поэтому отрицательное сопротивление в чистом виде не встречается, оно может быть только имитировано электронной схемой, которая обязательно содержит источник энергии. Отрицательное внутреннее сопротивление может быть получено в схемах путём использования:

  • элементов с отрицательным дифференциальным сопротивлением , например, туннельных диодов

Системы с отрицательным сопротивлением потенциально неустойчивы и поэтому могут быть использованы для построения автогенераторов .

См. также

Ссылки

Литература

  • Зернов Н. В., Карпов В.Г. Теория радиотехнических цепей. — М. — Л.: Энергия, 1965. — 892 с.
  • Джонс М. Х. Электроника — практический курс. — М.: Техносфера, 2006. — 512 с. ISBN 5-94836-086-5

Примечания

Wikimedia Foundation . 2010 .

  • Политехнический терминологический толковый словарь

ЭДС и напряжение. Внутреннее сопротивление источников питания.
Ликбез так ликбез!
Закон Ома. Вот я о чем.
О законе Ома мы уже говорили. Поговорим еще раз — с несколько иной стороны. Не вдаваясь в физические подробности и выражаясь простым кошачьим языком, закон Ома гласит: чем больше э.д.с. (электродвижущая сила), тем больше ток, чем больше сопротивление, тем меньше ток.
Переведя сие заклинание на язык сухих формул получаем:

I=E/R

где:I — сила тока,E — Э.Д.С. — электродвижущая силаR — сопротивление
Ток измеряется в амперах, э.д.с. — в вольтах, а сопротивление носит гордое имя товарища Ома.Э.д.с. — это есть характеристика идеального генератора, внутренне сопротивление которого принято считать бесконечно малым. В реальной жизни такое бывает редко, поэтому в силу вступает закон Ома для последовательной цепи (более знакомый нам):

I=U/R

где:U — напряжение источника непосредственно на его клеммах.
Рассмотрим простой пример.
Представим себе обычную батарейку в виде источника э.д.с. и включенного последовательно с ним некоего резистора, который будет олицетворять собой внутреннее сопротивление батарейки. Подключим параллельно батарейке вольтметр. Его входное сопротивление значительно больше внутреннего сопротивления батарейки, но не бесконечно большое — то есть, через него потечет ток. Величина напряжения, которую покажет вольтметр будет меньше величины э.д.с. как раз на величину падения напряжения на внутреннем воображаемом резисторе при данном токе.Но, тем не менее именно эта величина и принимается за напряжение батарейки.
Формула конечного напряжения при этом будет иметь следующий вид:

U(бат)=E-U(внутр)

Так как со временем у всех элементов питания внутреннее сопротивление увеличивается, то и падение напряжения на внутреннем сопротивлении тоже увеличивается. При этом напряжение на клеммах батарейки уменьшается. Мяу!
Разобрались!
Что же происходит, если вместо вольтметра к батарейке подключить амперметр? Так как собственное сопротивление амперметра стремится к нулю, мы фактически будем измерять ток, протекающий через внутреннее сопротивление батарейки. Так как внутренне сопротивление источника очень небольшое, измеренный при этом ток может достигать н ескольких ампер.
Однако следует заметить, что внутреннее сопротивление источника является таким же элементом цепи, как и все остальные. Поэтому при увеличении тока нагрузки падение напряжения на внутреннем сопротивлении также увеличится, что приводит к уменьшению напряжения на нагрузке. Или как мы, радиокоты, любим выражаться — к просадке напруги.
Чтобы изменение нагрузки как можно меньше влияло на выходное напряжение источника его внутреннее сопротивление стараются свести к минимуму.
Можно так подобрать элементы последовательной цепи, чтобы на каком-нибудь из них получить напряжение, уменьшенное, по сравнению с исходным, во сколько угодно раз.

На концах проводника, а значит, и тока необходимо наличие сторонних сил неэлектрической природы, с помощью которых происходит разделение электрических зарядов .

Сторонними силами называются любые силы, действующие на электрически заряженные частицы в цепи, за исключением электростатических (т. е. кулоновских).

Сторонние силы приводят в движение заряженные частицы внут-ри всех источников тока: в генераторах, на электростанциях, в гальванических элементах, аккумуляторах и т. д.

При замыкании цепи создается электрическое поле во всех про-водниках цепи. Внутри источника тока заряды движутся под действием сторонних сил против кулоновских сил (электроны движут-ся от положительно заряженного электрода к отрицательному), а во всей остальной цепи их приводит а движение электрическое поле (см. рис. выше).

В источниках тока в процессе работы по разделению заряженных частиц происходит превращение разных видов энергии в электричес-кую. По типу преобразованной энергии различают следующие виды электродвижущей силы:

— электростатическая — в электрофорной машине, в которой происходит превращение механической энергии при трении в электрическую;

— термоэлектрическая — в термоэлементе — внутренняя энергия нагретого спая двух проволок, изготовленных из разных металлов, превращается в электрическую;

— фотоэлектрическая — в фотоэлементе. Здесь происходит превращение энергии света в элек-трическую: при освещении некоторых веществ, например, селена, оксида меди (I) , кремния наблюдается потеря отрицательного электрического заряда;

— химическая — в гальванических элементах, аккумуляторах и др. источниках, в которых происходит превращение химической энергии в электрическую.

Электродвижущая сила (ЭДС) — характеристика источников тока. Понятие ЭДС было введено Г. Омом в 1827 г. для цепей постоянного тока. В 1857 г. Кирхгофф определил ЭДС как работу сторонних сил при переносе единичного электрического заряда вдоль замкнутого контура:

ɛ = A ст /q ,

где ɛ — ЭДС источника тока, А ст — работа сторонних сил , q — количество перемещенного заряда.

Электродвижущую силу выражают в вольтах.

Можно говорить об электродвижущей силе на любом участке цепи. Это удельная работа сторонних сил (работа по перемещению единичного заряда) не во всем контуре, а только на данном участке.

Внутреннее сопротивление источника тока.

Пусть имеется простая замкнутая цепь, состоящая из источника тока (например, гальванического элемента, аккумулятора или генератора) и резистора с сопротивлением R . Ток в замкну-той цепи не прерывается нигде, следовательно, oн существует и внутри источника тока. Любой источник представляет собой некоторое сопротивление дли тока. Оно называется внутренним сопротивлением источника тока и обозначается буквой r .

В генераторе r — это сопротивление обмотки, в гальваническом элементе — сопротивление раствора электролита и электродов.

Таким образом, источник тока характеризуется величинами ЭДС и внутреннего сопротивлении, которые определяют его качество. Например, электростатические машины имеют очень большую ЭДС (до десятков тысяч вольт), но при этом их внутреннее сопротивление огромно (до со-тни Мом). Поэтому они непригодны для получения сильных токов. У гальванических элементов ЭДС всего лишь приблизительно 1 В, но зато и внутреннее сопротивление мало (приблизительно 1 Ом и меньше). Это позволяет с их помощью получать токи, измеряемые амперами.

Рекомендуем также

Как измерить внутреннее сопротивление аккумулятора

Внутреннее сопротивление аккумулятора – значимый параметр источника питания. Его постоянный контроль позволяет поддерживать аккумуляторную батарею в работоспособном состоянии. Ведь чрезмерный разброс провоцирует выход из строя АКБ, отдельных узлов автотранспорта.

Оценка технического состояния аккумуляторной батареи

Срок эксплуатации аккумуляторной батареи зависит от правильности проведения проверки. Данная процедура включает несколько этапов:

  1. Осмотр. Во время осмотра проверяют, в каком состоянии корпус, присутствуют ли микротрещины, пыль, загрязнения. Устанавливается состояние выводов, наличие окислений на электродах, штырях. Обнаруженную ржавчину удаляют при помощи специальных составов.
  2. Контроль процесса разряда. Для этих целей аккумуляторную батарею разряжают, заряжают и вновь разряжают. Силу тока, нагрузку поддерживают в требуемом пределе. Контролируя разряд, устанавливается истинное состояние электрических соединений, емкости АКБ. Разряд выполняют после демонтажа устройства.
  3. Электролит. Во время эксплуатации часть электролита испаряется. Для установления уровня используют трубочки или специальные элементы. Их погружают в отверстия до того момента, пока они не соприкоснутся с пластинами. Для восполнения объема используют дистиллированную воду.
  4. Плотность электролитического состава. Из-за сульфатации пластин часть емкости теряется. Выделяющаяся сера негативно сказывается на степени плотности электролита. Плотность постепенно снижается. Этот параметр учитывают, если тестируют кислотные аккумуляторные батареи.
  5. Использование нагрузочной вилки. Замер напряжения свинцовых источников питания выполняется при помощи нагрузочных вилок. По специальной шкале отслеживают состояние акб.

Проверка аккумулятора выполняется при помощи тестеров. С их помощью устанавливают соответствие параметров заданным нормам и требованиям.

Внутреннее сопротивление аккумулятора

Перед тем как проверить сопротивление автомобильного аккумулятора, необходимо изучить, что представляет собой этот показатель.

Внутреннее сопротивление аккумулятора рассчитывается по стандартной формуле. При определении учитывается электродвижущая сила, сила тока и нагрузка. В результате, получается условная величина, которая постоянно меняется.

Оно зависит и от:

  • Габаритов и геометрии.
  • Конструкции корпуса, решеток и банок.
  • Состояния электролитического состава.
  • Наличия легирующих веществ.
  • Состояния выводов.

При расчете сопротивления учитывается значение импеданса, в которое входит реактивная составляющая. Реактивная составляющая присуща емкостям, катушкам. Импеданс учитывается при определении реактивного сопротивления.

На внутреннее сопротивление аккумулятора влияет состояние электролита, его концентрации и температурного режима. Понижение температуры влечет рост данного показателя.

Определяя внутреннее сопротивление аккумулятора, учитывается и поляризация, которая зависит от силы тока. Возникает поляризация по таким причинам:

  • Изменение потенциала на поверхности выводов.
  • Изменение концентрации электролитического состава.

Минимальные показатели прослеживаются у кислотно-свинцовых источников питания. Поэтому они отдают ток в 2–2,5 тысячи ампер. Такие аккумуляторные батареи устанавливают в автотранспортные средства, которые укомплектованы ДВС.

Особенности измерения внутреннего сопротивления источника питания

Измерение внутреннего сопротивления аккумулятора проводят регулярно. Такие действия позволяют выявлять состояние источника питания, планировать замену. Ежегодно этот показатель увеличивается на 5–7 процентов. При увеличении на 8 и более процентов проводят анализ эксплуатационных условий, нагрузки. Для того чтобы выявить дефекты и нарушения, необходимо точно знать, как измерить внутреннее сопротивление.

Подача переменного тока

Этот способ отличается простотой реализации. Для этого требуется резистор ограничительный, трансформатор, а также конденсатор и вольтметр. Тесты проводят в течение 1,5–2 часов. За это время устанавливается величина напряжения для каждого элемента, который входит в состав источника питания. Для повышения точности результатов используют регистрирующий вольтметр.

При измерении проводимости на переменном токе получают значение, которое включает реактивную и активную составляющие. Для выделения требуемого показателя требуется подготовка частотной зависимости. При реализации этой методики возникают сложности, связанные с электрохимическими процессами.

Поэтому определить проводимость таким способом можно, если требуется общая оценка состояния аккумуляторной батареи. В остальных случаях подбирается другая методика тестирования.

Метод постоянной нагрузки

Этот способ используется автомобилистами и мастерами. Суть его заключается в стремительном разряде источника питания при постоянном токе. При помощи вольтметра измеряют напряжение, как с нагрузкой, так и без нее. Для расчета используют закон Ома.

Такую методику используют для тестирования крупногабаритных автомобильных аккумуляторных батарей. Для измерений используют высокоточные приборы, которые показывают точное значение. Допускается применение тестеров, в состав которых входит пленочно-угольный резистор.

Перед реализацией этого способа учитывают, что конденсатор измерительный агрегат не принимает во внимание. Поэтому учитывается только активная составляющая источника питания. Для проверки старых АКБ такой вариант не подходит. Ведь установить истинное состояние проблематично.

Применение этого способа невыгодно в том случае, если требуется установление состояния АКБ. Померить нагрузку с его помощью можно.

Короткоимпульсный способ

Его используют не так давно. Он обладает такими преимуществами:

  • Перед измерениями аккумуляторная автомобильная батарея не демонтируется. Это избавляет от хлопот, так как изъятие устройства занимает немало времени.
  • Напряжение снижается и повышается на короткий срок. Поэтому работоспособность компонентов, которые входят в состав, не нарушается. Для отслеживания напряжения используют вольтметр.
  • Во время испытания источник питания, внутренние компоненты не разрушаются. При этом тестирования проводят регулярно.
  • При помощи этой методики легко определить емкость источника питания. Ведь появляется возможность сравнения сопротивлений новой и эксплуатируемой батарей.

Такая методика применяется для установления величины внутреннего сопротивления, расчета токовых параметров, коротких замыканий, других параметров. Это необходимо для установления состояния автомобильного аккумулятора.

Зависимость состояния аккумулятора от внутреннего сопротивления

Среди представленных измерителей и тестеров, которые применяют для оценки состояния аккумуляторной батареи, ее основных характеристик, легко подобрать устройство с требуемым функционалом. Среди используемых приборов выделяют:

  • Устройства для оценки состояния АКБ по напряжению. При этом устанавливается определенная нагрузка. Для этих целей используют нагрузочные вилки.
  • Устройства для установления связи между состоянием источника питания и проводимостью.
  • Измерители спектров. С помощью таких приборов устанавливается зависимость импеданса на постоянном, переменном токе.

Применение стандартных измерительных устройств позволяет установить величину проводимости. При помощи современных тестеров, которые работают с определенными сигналами, устанавливается степень работоспособности автомобильного аккумулятора, величину емкости, период разряда и заряда.

Период непрерывной эксплуатации аккумуляторной батареи в определенной степени зависит от величины внутреннего сопротивления. И это особо важно в том случае, если автотранспорт активно эксплуатируется как в черте города, так и в сельской местности. Поэтому периодическое тестирование источника питания, установление основных характеристик дает возможность понять, когда стоит производить замену.

Видео про внутреннее сопротивление аккумулятора


Внутреннее сопротивление

Внутреннее сопротивление двухполюсника — импеданс в эквивалентной схеме двухполюсника, состоящей из последовательно включённых генератора напряжения и импеданса (см. рисунок). Понятие применяется в теории цепей при замене реального источника идеальными элементами, то есть при переходе к эквивалентной схеме.

Введение

Необходимость введения термина можно проиллюстрировать следующим примером. Сравним два химических источника постоянного тока с одинаковым напряжением:

  • Автомобильный свинцово-кислотный аккумулятор с напряжением 12 вольт и ёмкостью 55 А·ч.
  • Батарея из 8 гальванических элементов, например, типоразмера АА, соединенных последовательно. Суммарное напряжение такой батареи также 12 вольт, ёмкость значительно меньше — примерно 1 А·ч.

Несмотря на одинаковое напряжение, эти источники значительно отличаются при работе на одинаковую нагрузку. Так, автомобильный аккумулятор способен отдать в нагрузку большой ток (от аккумулятора заводится двигатель автомобиля, при этом стартер потребляет ток порядка 250 А), а от батареи элементов стартер вообще не станет вращаться, так как напряжение батареи при подключении к зажимам стартера упадёт до долей вольта. Дело не в относительно небольшой электрической ёмкости батареек: запасённой в ней энергии и заряде в один ампер-час хватило бы для того, чтобы вращать стартер в течение 14 секунд (при токе 250 А).

В соответствии с законом Ома в источниках с одинаковым напряжением ток в одинаковой нагрузке также должен быть одинаковым. В приведённом примере это не выполняется потому, что утверждение верно только для идеальных источников ЭДС; реальные же источники в той или иной степени отличаются от идеальных. Для описания степени отличия реальных источников от идеальных применяется понятие внутреннее сопротивление.

Эквивалентная схема активного двухполюсника

Реальные активные двухполюсники хорошо описываются математически, если их рассматривать как эквивалентную схему, состоящую из (см. рисунок) последовательно включённых генератора напряжения и сопротивления (в общем случае — импеданса). Генератор напряжения представляет собственно источник энергии, находящийся в этом двухполюснике. Идеальный генератор мог бы отдать в нагрузку сколь угодно большие мощность и ток. Однако сопротивление, включённое последовательно с генератором, ограничивает мощность, которую данный двухполюсник может отдать в нагрузку. Это эквивалентное сопротивление и называется внутренним сопротивлением. Оно является лишь параметром абстрактной модели двухполюсника, то есть физического «резистора» как электронного компонента внутри двухполюсников обычно нет.

Формально, в реальных гальванических элементах это внутреннее сопротивление можно идентифицировать физически. Это суммарное сопротивление плюсового стержня (углерода, стали), самого корпуса (цинка и никеля), а также самого электролита (соли) и поглотителя водорода (в солевых элементах). Все эти материалы, как и поверхности раздела между ними, имеют конечное сопротивление, отличное от нуля.

В иных источниках это омическое сопротивление обусловлено сопротивлением обмоток и контактов, которое включено последовательно с собственно внутренним сопротивлением источника и снижают характеристики источников напряжения.

Контактные разности потенциалов имеют иную природу возникновения напряжения и являются неомическими, то есть здесь затраты энергии идут на работу выхода носителей заряда.

Сопротивление и внутреннее сопротивление

Основной характеристикой абстрактного двухполюсника является его внутреннее сопротивление (или, иначе, импеданс). Однако, описать двухполюсник одним только сопротивлением не всегда возможно. Дело в том, что термин сопротивление применим только для чисто пассивных элементов, то есть, не содержащих в себе источников энергии. Если двухполюсник содержит источник энергии, то понятие «сопротивление» к нему просто не применимо, поскольку закон Ома в формулировке U=I·r не выполняется.

Таким образом, для двухполюсников, содержащих источники (то есть генераторы напряжения и генераторы тока) необходимо говорить именно о внутреннем сопротивлении (или импедансе). Если же двухполюсник не содержит источников, то «внутреннее сопротивление» для такого двухполюсника означает то же самое, что и просто «сопротивление».

Родственные термины

Если в какой-либо системе можно выделить вход и/или выход (пара электрических контактов), то часто употребляют следующие термины:

  • Входное сопротивление, часто входной импеданс, — внутреннее сопротивление, проявляемое этой парой контактов как двухполюсника, которым является вход системы
  • Выходное сопротивление, часто выходной импеданс, — внутреннее сопротивление, проявляемое этой парой контактов как двухполюсника, которым является выход системы.

Физические принципы

Несмотря на то, что на эквивалентной схеме внутреннее сопротивление представлено как один пассивный элемент (причём активное сопротивление, то есть резистор в нём присутствует обязательно), внутреннее сопротивление не обязательно сосредоточено в каком-либо одном элементе. Двухполюсник лишь внешне ведёт себя так, словно в нём имеется сосредоточенный внутренний импеданс и генератор напряжения. В действительности же, внутреннее сопротивление является внешним проявлением совокупности физических эффектов:

  • Если в двухполюснике имеется только источник энергии без какой-либо электрической схемы (например, гальванический элемент), то внутреннее сопротивление носит чисто активный характер (в низкочастотных цепях), и оно обусловлено физическими эффектами, которые не позволяют мощности, отдаваемой этим источником в нагрузку, превысить определённый предел. Наиболее простой пример такого эффекта — ненулевое сопротивление проводников электрической цепи. Но, как правило, наибольший вклад в ограничение мощности вносят эффекты неэлектрической природы. Так, например, в химическом источнике мощность может быть ограничена площадью соприкосновения участвующих в реакции веществ, в генераторе гидроэлектростанции — ограниченным напором воды и т. д.
  • В случае двухполюсника, содержащего внутри электрическую схему, внутреннее сопротивление «рассредоточено» в элементах схемы (в дополнение к перечисленным выше механизмам в источнике).

Отсюда также следуют некоторые особенности внутреннего сопротивления:

  • Внутреннее сопротивление невозможно убрать из двухполюсника
  • Внутреннее сопротивление не является стабильной величиной: оно может изменяться при изменении каких-либо внешних (нагрузка, ток) и внутренних (нагрев, истощение реагентов) условий.

Влияние внутреннего сопротивления на свойства двухполюсника

Эффект внутреннего сопротивления является неотъемлемым свойством любого активного двухполюсника. Основной результат наличия внутреннего сопротивления — это ограничение электрической мощности, которую можно получить в нагрузке, питаемой от этого двухполюсника.

Если к источнику с ЭДС генератора напряжения E и активным внутренним сопротивлением r подключена нагрузка с сопротивлением R, то ток, напряжение и мощность в нагрузке выражаются следующим образом:

Нахождение внутреннего сопротивления

Расчёт

Понятие расчёт применимо к схеме (но не к реальному устройству). Расчёт приведён для случая чисто активного внутреннего сопротивления (отличия реактивного сопротивления будут рассмотрены далее).

Примечание: Строго говоря, любой реальный импеданс (в том числе и внутреннее сопротивление) обладает некоторой реактивной составляющей, поскольку любой проводник имеет паразитную индуктивность и ёмкость. Когда мы говорим о чисто активном сопротивлении, то имеем в виду не реальную систему, а её эквивалентную схему, содержащую только резисторы: реактивность была отброшена как несущественная при переходе от реального устройства к его эквивалентной схеме. Если же реактивность существенна при рассмотрении реального устройства (например, при рассмотрении системы на высоких частотах), то эквивалентная схема составляется с учётом этой реактивности. Более подробно смотри в статье «Эквивалентная схема».

Пусть, имеется двухполюсник, который может быть описан приведённой выше эквивалентной схемой. Двухполюсник обладает двумя неизвестными параметрами, которые необходимо найти:

  • ЭДС генератора напряжения U
  • Внутреннее сопротивление r

В общем случае, для определения двух неизвестных необходимо сделать два измерения: измерить напряжение на выходе двухполюсника (то есть разность потенциалов Uout = φ2 − φ1) при двух различных токах нагрузки. Тогда неизвестные параметры можно найти из системы уравнений:

где Uout1 — выходное напряжение при токе I1, Uout2 — выходное напряжение при токе I2. Решая систему уравнений, находим искомые неизвестные:

Обычно для вычисления внутреннего сопротивления используется более простая методика: находится напряжение в режиме холостого хода и ток в режиме короткого замыкания двухполюсника. В этом случае система (Напряжения) записывается следующим образом:

где Uoc — выходное напряжение в режиме холостого хода (англ. open circuit), то есть при нулевом токе нагрузки; Isc — ток нагрузки в режиме короткого замыкания (англ. short circuit), то есть при нагрузке с нулевым сопротивлением. Здесь учтено, что выходной ток в режиме холостого хода и выходное напряжение в режиме короткого замыкания равны нулю. Из последних уравнений сразу же получаем:

Таким образом, чтобы рассчитать внутреннее сопротивление и ЭДС эквивалентного генератора для двухполюсника, электрическая схема которого известна, необходимо:

  • Рассчитать выходное напряжение двухполюсника в режиме холостого хода
  • Рассчитать выходной ток двухполюсника в режиме короткого замыкания
  • На основании полученных значений найти r и U по формуле (ВнутрСопр).

Измерение

Понятие измерение применимо к реальному устройству (но не к схеме). Непосредственное измерение омметром невозможно, поскольку нельзя подключить щупы прибора к выводам внутреннего сопротивления. Поэтому необходимо косвенное измерение, которое принципиально не отличается от расчёта — также необходимы напряжения на нагрузке при двух различных значениях тока. Однако воспользоваться упрощённой формулой (2) не всегда возможно, поскольку не каждый реальный двухполюсник допускает работу в режиме короткого замыкания.

Иногда применяется следующий простой способ измерения, не требующий вычислений:

  • Измеряется напряжение холостого хода
  • В качестве нагрузки подключается переменный резистор и его сопротивление подбирается таким образом, чтобы напряжение на нём составило половину от напряжения холостого хода.

После описанных процедур сопротивление резистора нагрузки необходимо измерить омметром — оно будет равно внутреннему сопротивлению двухполюсника.

Какой бы способ измерения ни использовался, следует опасаться перегрузки двухполюсника чрезмерным током, то есть ток не должен превышать максимально допустимого значениях для данного двухполюсника.

Реактивное внутреннее сопротивление

Если эквивалентная схема двухполюсника содержит реактивные элементы — конденсаторы и/или катушки индуктивности, то расчет реактивного внутреннего сопротивления выполняется также, как и активного, но вместо сопротивлений резисторов берутся комплексные импедансы элементов, входящих в схему, а вместо напряжений и токов — их комплексные амплитуды, то есть расчет производится методом комплексных амплитуд.

Измерение реактивного внутреннего сопротивления имеет некоторые особенности, поскольку оно является комплекснозначной функцией, а не скалярным значением:

  • Можно искать различные параметры комплексного значения: модуль, аргумент, только вещественную или мнимую часть, а также комплексное число полностью. Соответственно, методика измерений будет зависеть от того, что хотим получить.
  • Любой из перечисленных параметров зависит от частоты. Теоретически, чтобы получить путём измерения полную информацию о реактивном внутреннем сопротивлении, необходимо снять зависимость от частоты, то есть провести измерения на всех частотах, которые может генерировать источник данного двухполюсника.

Измерение сопротивления петли фаза-нуль

Частным случаем измерения внутреннего сопротивления является измерение сопротивления петли фаза-нуль в электроустановках. Двухполюсником в этом случае является пара проводников электроустановки: фазный и рабочий нулевой проводники или два фазных проводника. На фотографии показан результат такого измерения в розетке бытовой электросети напряжением 220 вольт:

  • активная составляющая: 0,49 Ом
  • реактивная составляющая: 0,09 Ом
  • модуль полного сопротивления: 0,5 Ом
  • ожидаемый ток короткого замыкания: 440 А

Прибор находит внутреннее сопротивление путём косвенного измерения методом падения напряжения на нагрузочном сопротивлении. Этот метод рекомендуется к использованию в приложении D ГОСТ Р 50571.16-99. Метод описывается приведённой выше формулой (ОбщийСлучай) при I1=0.

Результат измерения считается удовлетворительным, если ожидаемый ток короткого замыкания достаточно велик для надежного срабатывания аппарата, защищающего эту цепь от сверхтока.

Применение

В большинстве случаев следует говорить не о применении внутреннего сопротивления, а об учете его негативного влияния, поскольку внутреннее сопротивление является скорее негативным эффектом. Тем не менее, в некоторых системах наличие внутреннего сопротивления с номинальным значением является просто необходимым.

Упрощение эквивалентных схем

Представление двухполюсника как совокупность генератора напряжения и внутреннего сопротивления является наиболее простой и часто используемой эквивалентной схемой двухполюсника.

Согласование источника и нагрузки

Согласование источника и нагрузки — это выбор соотношения сопротивления нагрузки и внутреннего сопротивления источника с целью достижения заданных свойств полученной системы (как правило, стараются достичь максимального значения какого-либо параметра для данного источника). Наиболее часто используются следующие типы согласования:

  • Согласование по напряжению — получение в нагрузке максимального напряжения. Для этого сопротивление нагрузки должно быть как можно большим, по крайней мере, много больше, чем внутреннее сопротивление источника. Другими словами, двухполюсник должен быть в режиме холостого хода. При этом максимально достижимое в нагрузке напряжение равно ЭДС генератора напряжения E. Данный тип согласования применяется в электронных системах, когда носителем сигнала является напряжение, и его необходимо передать от источника к нагрузке с минимальными потерями.
  • Согласование по току — получение в нагрузке максимального тока. Для этого сопротивление нагрузки должно быть как можно меньшим, по крайней мере, много меньше, чем внутреннее сопротивление источника. Другими словами, двухполюсник должен быть в режиме короткого замыкания. При этом максимально достижимый в нагрузке ток равен Imax=E/r. Применяется в электронных системах, когда носителем сигнала является ток. Например, при съеме сигнала с быстродействующего фотодиода целесообразно применять преобразователь ток-напряжение с минимальным входным сопротивлением. Малое входное сопротивление также решает проблему заужения полосы из-за паразитного RC-фильтра.
  • Согласование по мощности — обеспечивает получение в нагрузке (что эквивалентно отбору от источника) максимально возможной мощности, равной Pmax=E²/(4r). В цепях постоянного тока: сопротивление нагрузки должно быть равно внутреннему сопротивлению r источника. В цепях переменного тока (в общем случае): импеданс нагрузки должен быть комплексно сопряженным внутреннему импедансу источника.
  • Согласование по волновому сопротивлению — получение максимального коэффициента бегущей волны в линии передачи (в СВЧ технике и теории длинных линий). То же самое, что и согласование по мощности, но применительно к длинным линиям. Волновое сопротивление нагрузки должно быть равно внутреннему сопротивлению r. В СВЧ технике применяется практически всегда. Чаще всего термин согласованная нагрузка используется именно в этом смысле.

Согласование по току и мощности следует использовать с осторожностью, так как есть опасность перегрузить источник.

Понижение высоких напряжений

Иногда к источнику электропитания искусственно добавляют внешнее балластное сопротивление, соединённое последовательно с нагрузкой (оно суммируется с внутренним сопротивлением источника) для того, чтобы понизить получаемое от него напряжение, либо ограничить величину тока, отдаваемого в нагрузку. Однако добавление резистора в качестве дополнительного сопротивления (так называемый гасящий резистор) во многих случаях неприемлемо, так как ведёт к бесполезному выделению значительной мощности на нём. Чтобы не расходовать энергию впустую и не решать проблему охлаждения дополнительного сопротивления, в системах переменного тока используют реактивные гасящие импедансы. На основе гасящего конденсатора может быть построен конденсаторный блок питания. Аналогично, при помощи ёмкостного отвода от высоковольтной ЛЭП можно получить небольшие напряжения для питания каких-либо автономных устройств. Индуктивный балласт широко применяется для ограничения тока в цепи газоразрядных люминесцентных ламп.

Минимизация шума

При усилении слабых сигналов часто возникает задача минимизации шума, вносимого усилителем в сигнал. Для этого используются специальные малошумящие усилители, которые могут быть как низкоомные, например, на биполярных транзисторах, так и высокоомными на полевых транзисторах, однако спроектированы они таким образом, что наименьший коэффициент шума достигается лишь при полном согласовании выходного сопротивления источника сигнала и входного сопротивления самого усилителя. Например, если источник сигнала обладает меньшим выходным сопротивлением (например, микрофон с выходным сопротивлением 30 Ом), то следует применить между источником и усилителем повышающий трансформатор, который повысит выходное сопротивление (а также напряжение сигнала) до необходимого значения.

Ограничения

Понятие внутреннего сопротивления вводится через эквивалентную схему, поэтому имеют силу те же ограничения, что и для применимости эквивалентных схем.

Примеры

Значения внутреннего сопротивления относительны: то, что считается малым, например, для гальванического элемента, является очень большим для мощного аккумулятора. Ниже приведены примеры двухполюсников и значения их внутреннего сопротивления r. Тривиальные случаи двухполюсников без источников оговорены особо.

Малое внутреннее сопротивление

  • Нулевым внутренним сопротивлением обладает только идеальный генератор напряжения. Если также рассматривать двухполюсники без источников, то сверхпроводящее короткое соединение тоже имеет нулевое внутреннее сопротивление (до величины токов, вызывающих потерю сверхпроводимости). Генератор со сверхпроводящей обмоткой при не слишком больших частотах и небольших токах также имеет активное внутреннее сопротивление, весьма близкое к нулю (индуктивный импеданс при определенных условиях может быть тоже довольно невелик).
  • Автомобильная свинцово-кислотная стартерная аккумуляторная батарея имеет r около 0,01 Ом. Благодаря столь низкому внутреннему сопротивлению ток, отдаваемый батареей при запуске двигателя, достигает 250 ампер и более (для легковых автомобилей).
  • Бытовая сеть электроснабжения переменного тока в жилых помещениях имеет r от десятых долей Ом до 1 Ом и более (зависит от качества электропроводки). Высокое сопротивление соответствует плохой проводке: при подключении мощных нагрузок (например, утюга) напряжение падает, при этом заметно уменьшается яркость ламп освещения, подключенных к той же ветви сети. Повышается пожароопасность, поскольку на сопротивлении проводов выделяется значительная мощность. И наоборот, в хорошей сети с низким сопротивлением напряжение падает от допустимых нагрузок лишь незначительно. Ток при коротком замыкании в хорошей бытовой электросети достигает нескольких сотен ампер.
  • Используя отрицательную обратную связь в электронных схемах, можно искусственно создавать источники, обладающие (при определённых условиях) очень низким внутренним сопротивлением. Такими свойствами обладают современные электронные стабилизаторы напряжения. Например, интегральный стабилизатор напряжения 7805 (выходное напряжение 5 В) имеет типичное выходное сопротивление менее 0,0009 Ома. Однако это вовсе не означает, что такой стабилизатор может отдать в нагрузку ток до 5500 А или мощность до 13 кВт при правильном согласовании. Характеристики стабилизатора нормированы только для рабочего диапазона токов, то есть в данном примере до 1,5 А. При превышении этого значения сработает защита, и стабилизатор отключится (при других конструкциях защиты ток ограничивается, а не отключается полностью).

Большое внутреннее сопротивление

Обычно двухполюсники с большим внутренним сопротивлением — это различного рода датчики, источники сигналов и т. п. Типичная задача при работе с такими устройствами — снятие с них сигнала без потерь из-за неправильного согласования. Для достижения хорошего согласования по напряжению сигнал с такого двухполюсника должен сниматься устройством, имеющим ещё большее входное сопротивление (как правило, сигнал с высокоомного источника снимается при помощи буферного усилителя).

  • Бесконечным внутренним сопротивлением обладает только идеальный источник тока. Если также рассматривать двухполюсники без источников, то простой разрыв цепи (два вывода, ничем не соединённые) тоже имеет бесконечное внутреннее сопротивление.
  • Конденсаторные микрофоны, пьезоэлектрические и пироэлектрические датчики, а также все остальные «конденсаторо-подобные» устройства имеют реактивное внутреннее сопротивление, модуль которого может достигать десятков и сотен мегаом. Поэтому такие источники требуют обязательного использования буферного усилителя для достижения согласования по напряжению. Конденсаторные микрофоны, как правило, уже содержат встроенный буферный усилитель, собранный на полевом транзисторе.
  • Для измерения электрических потенциалов внутри живых клеток применяются электроды, представляющие собой стеклянный капилляр, заполненный проводящей жидкостью. Толщина такого проводника может быть порядка сотен ангстрем. Вследствие чрезвычайно малой толщины проводника такой «двухполюсник» (клетка с присоединёнными электродами) имеет внутреннее сопротивление порядка 100 мегаом. Высокое сопротивление и малое напряжение делают измерение напряжений внутри клетки непростой задачей.

Отрицательное внутреннее сопротивление

Существуют двухполюсники, внутреннее сопротивление которых имеет отрицательное значение. В обычном активном сопротивлении происходит диссипация энергии, в реактивном сопротивлении энергия запасается, а затем выделяется обратно в источник. Особенность отрицательного сопротивления в том, что оно само является источником энергии. Поэтому отрицательное сопротивление в чистом виде не встречается, оно может быть только имитировано электронной схемой, которая обязательно содержит источник энергии. Отрицательное внутреннее сопротивление может быть получено в схемах путём использования:

  • обратной связи
  • элементов с отрицательным дифференциальным сопротивлением, например, туннельных диодов

Системы с отрицательным сопротивлением потенциально неустойчивы и поэтому могут быть использованы для построения автогенераторов.


Измерение внутреннего сопротивления батареи во время зарядки

Я был поражен, услышав, что есть устройства, которые могут измерять внутреннее сопротивление батарей в цепи, в то время как батареи заряжаются.

Например, Hioki продает промышленные ИК-счетчики для батарей UPS. Самый низкий диапазон составляет 3 мОм с точностью до 1 мкОм (!), И они утверждают, что вы можете измерить батарею, когда она в сети. Я здесь озадачен — разве зарядный ток не будет мешать вашим показаниям?

Я могу себе представить, что если вы сравните напряжения батареи с некоторыми небольшими и большими приложенными нагрузками (например, 1A и 10A), вы можете оценить IR, но вы не получите точность в µΩ. Но, по крайней мере, при 10 А ток струйной зарядки, вероятно, незначителен и не сильно мешает.

Однако все производители, похоже, используют метод тестирования переменного тока на частоте 1 кГц (Hioki использует 150 мА при 1 кГц в самом низком диапазоне). Я не совсем уверен, что это значит. Википедия предполагает, что это просто счетчики ESR, но читать о том, как работает счетчик ESR , невозможно, поскольку он начинается с предположения, что DUT полностью разряжено.

Итак, мой вопрос: что это за метод испытания переменного тока, и как он изолирует зарядный ток от уравнения?

Энди ака

Я могу себе представить, что батарея, находящаяся там без нагрузки, могла бы определить внутреннюю ESR, поместив ее на нагрузку (скажем, 1 А). Это займет всего миллисекунду или около того, чтобы определить это, и если это частично прерывает процесс зарядки, то это не имеет большого значения в общей картине.

Таким образом, уменьшите эту проблему до определения ESR, когда она не заряжается, а затем поочередно выполняйте зарядку и тестирование, причем основной рабочий цикл занят зарядкой.

Получить микроомное разрешение за один снимок маловероятно, но вы должны получить точность с точностью до доли миллиомного. Среднее это достаточно раз в течение десяти секунд, и вы, вероятно, получите что-то вроде микроомного разрешения.

Я не уверен, что метод тестирования переменного тока, но это может быть что-то, как я описал.

способ измерения параметров автомобильной батареи

Существенная характеристика для АКБ — внутреннее сопротивление — обозначается буквой «R». Она на многое влияет, а ее измерение — один из основных этапов диагностики аккумулятора. Этот параметр подразделяется на несколько видов. Пожалуй, самый значимый — внутреннее сопротивление аккумулятора. Полезно понимать, что оно означает и как измеряется.

Описание параметра

Для начала, стоит сказать, что есть полное сопротивление АКБ. Это сумма омического R и R поляризации. В то же время, омическое — сумма сопротивлений электролита, соединений между элементами АКБ, отрицательного и положительного выводов, электродов, сепараторов.

Внутреннее сопротивление батареи — такое R, которое оказывается аккумуляторной батареей току, протекающему внутри нее. При этом неважно, зарядный это ток или разрядный. Однако оно будет различаться в разных элементах АКБ. Собственный показатель будет у элементов:

  • решеток электродов;
  • электролита;
  • сепараторов.

На показатель в этих элементах влияет несколько факторов, из-за которых он может сильно различаться у разных аккумуляторов. Вот почему померить сопротивление батарейки не будет лишним.

Связанные факторы

Между показателями губчатого свинца и решетки минусового электрода разницы практически нет. Однако сопротивление перекиси свинца в 10 000 раз больше, чем таковое у решетки плюсового электрода, на которую он нанесен.

Сами электроды устройства могут быть выполнены по-разному, что обуславливает разницу в показателях. Различаться могут, в том числе:

  • качество электрического контакта обмазки и решеток;
  • конструкция электрода;
  • конструкция решетки;
  • наличие легирующих компонентов в АКБ.

На R сепараторов влияет перемена пористости и толщины. У электролита оно зависит от его температуры и концентрации. Если электролит замерзнет, то показатель достигнет бесконечности.

Надо сказать, что каким бы ни было внутреннее сопротивление аккумулятора, оно будет зависеть от частоты.

Измерение сопротивления

Величина эта — условная. Она меняется в зависимости от степени заряженности АКБ, величины нагрузки, температур Вот почему при точных расчетах относительно АКБ принято пользоваться не величиной внутреннего сопротивления, а так называемыми разрядными кривыми.

Однако бывают ситуации, когда нужно узнать внутреннее сопротивление автомобильного аккумулятора. Для этих целей можно применить лампу накаливания от фары.

Этот вариант даст вполне точный результат. Например, это может быть галогеновая лампа с мощностью в 60 Ватт.

Производится параллельное подключение к батарее вольтметра и вышеупомянутой лампы. Далее нужно запомнить значение напряжения. Затем лампа отключается. Естественно, после этого напряжение возрастёт. Если последнее увеличилось не больше, чем на 0,02 вольт, стало быть, АКБ находится в удовлетворительном состоянии. То есть, внутреннее R не больше 0,01 Ом.

Самостоятельно узнать этот параметр совсем несложно. Главное при этом — не использовать светодиодные лампы. На всю процедуру уйдет несколько минут.

Опыт автолюбителей

Никогда не занимаюсь этим самостоятельно. Да и вообще редко ухаживаю за батареей так, как мне следует этим заниматься. Поэтому часто возникают трудности с зажиганием. Приходится ездить в автомобильные мастерские, чтобы избавиться от них. Плачу деньги, зато не трачу свои силы и время.

Игорь Слабкин

Измерять, конечно, нужно. Но не ориентируйтесь на абсолютные показатели, взятые из интернета. Куда актуальнее сравнивать новые результаты со старыми, ведь они будут сильно зависеть не только от модели, но и от природных условий. Конечно, определенные рамки и нормы все-таки существуют, но их нужно брать только из официальной спецификации, представленной на корпусе устройства или в родной упаковке.

Кирилл Семенов

Регулярно измеряю этот параметр. Однажды он получился слишком большим. Долго разбирался в причине, а потом понял, что что-то случилось с обмазкой. Из-за чего — так и не понял, но поправил это быстро. Просто заменил элемент. С зажиганием до сих пор все нормально, так что делать так можно.

Александр Рассказов

Постоянно ухаживаю за батареей своего автомобиля, т. к. опасаюсь, что он не заведется в самой неподходящей для этого ситуации. Измеряю все параметры, в том числе и этот. Только так можно понять ситуацию полностью и отследить изменения. Это важно для диагностики возможных проблем и неисправностей.

Виктор Кузнецов

Раньше не понимал, как узнать, какое внутреннее сопротивление у аккумулятора. Как оказалось, процедура весьма простая — точно не сложнее измерения полной емкости. Процедура занимает всего несколько минут. Только лампы нужны не светодиодные, а самые обыкновенные.

Андрей Казаков

Как измерить внутреннее сопротивление батареи с помощью тестера батареи и других измерительных приложений

Каковы принципы проверки внутреннего сопротивления батареи? Тестер аккумуляторов

(например, Hioki 3561, BT3562, BT3563 и BT3554) подает постоянный переменный ток с частотой измерения 1 кГц, а затем рассчитывает внутреннее сопротивление аккумулятора на основе значения напряжения, полученного с помощью вольтметра переменного тока. Как показано на рисунке, четырехконтактный метод переменного тока, при котором вольтметр переменного тока подключается к положительному и отрицательному электродам батареи, позволяет точно измерить внутреннее сопротивление батареи, сводя к минимуму влияние сопротивления измерительного кабеля и контактного сопротивления.Этот метод можно использовать для измерения внутреннего сопротивления до нескольких миллиом. Эти тестеры батарей также обеспечивают высокоточное измерение напряжения постоянного тока (OCV), еще одно условие, когда требуется высокая точность для данных батареи, при 0,01% показаний.
Благодаря возможности установки частоты измерения на значение, отличное от 1 кГц, измеритель импеданса батареи BT4560 можно использовать для более детального тестирования внутреннего сопротивления с помощью измерения графика Коула-Коула. Он также обеспечивает точность измерения 0.0035% показ. для измерения постоянного напряжения (OCV) аккумуляторов.

Внутреннее сопротивление, значения напряжения батареи и соответствующие тестеры батарей по типам батарей

На рисунке показана линейка моделей тестеров батарей Hioki, которые измеряют внутреннее сопротивление батарей (IR) и напряжение (напряжение холостого хода, или OCV). а также какие типы батарей можно использовать для измерения каждого прибора. Hioki BT4560 и 3561 хорошо подходят для тестирования аккумуляторных элементов, предназначенных для электромобилей (EV) и гибридных электромобилей (HEV), а также с литий-ионными аккумуляторами, используемыми в компактных аккумуляторных батареях для мобильных устройств, благодаря низкому внутреннему сопротивлению эти типы клеток.Напротив, BT3562 и BT3563 следует использовать с аккумуляторными блоками (наборами из нескольких литий-ионных аккумуляторов) из-за высокого напряжения батареи (OCV) таких конфигураций. Хотя эти приборы также можно использовать для измерения внутреннего сопротивления и напряжения других перезаряжаемых батарей, таких как никель-металлгидридные, свинцово-кислотные и никель-кадмиевые батареи, вам следует выбирать тестер батарей на основе напряжения батареи (OCV). ).


Как измерить внутреннее напряжение аккумуляторной батареи (также известной как собранная батарея, аккумуляторная батарея или модуль батареи)

ряд.Для создания такой аккумуляторной батареи (также известной как собранная батарея, аккумуляторная батарея или аккумуляторный модуль) для соединения элементов привариваются выступы или шины. Полученное сопротивление сварки включается в измерения внутреннего сопротивления аккумуляторной батареи. Поскольку аномалии сварки не позволят аккумуляторной батарее работать на полном уровне, рекомендуется протестировать собранные аккумуляторные батареи с помощью тестера батарей. Hioki BT3562 может измерять внутреннее сопротивление аккумуляторных батарей до 60 В, а BT3563 может измерять внутреннее сопротивление аккумуляторных батарей до 300 В.


Как измерить график Коула-Коула батареи

Вообще говоря, внутреннее сопротивление батареи состоит из трех компонентов: омического сопротивления (сопротивление сварки), сопротивления реакции (сопротивление переносу заряда) и диффузионного сопротивления ( сопротивление Варбурга). Эти компоненты обычно рассчитываются с помощью измерения графика Коула-Коула (графика Найквиста). Тестер импеданса аккумуляторов Hioki BT4560, который позволяет изменять частоту измерения в диапазоне от 100 мГц до 1.05 кГц идеально подходит для измерения графика Коула-Коула. Прибор может измерять эффективное сопротивление батареи R и ее реактивное сопротивление X. Он также поставляется со стандартным прикладным программным обеспечением, которое может отображать графики Коула-Коула. Кроме того, LabVIEW может выполнять анализ эквивалентных схем для простых батарей.


Как измерить ESR двухслойных электрических конденсаторов (EDLC)

Внутреннее сопротивление электрических двухслойных конденсаторов (EDLC), которые относятся к классу 1 и используются в резервных приложениях, измеряется с помощью сигнал переменного тока.Тестеры аккумуляторов Hioki также можно использовать для простого измерения конденсаторов класса 2, класса 3 и класса 4. Hioki BT3562 может измерять ESR до 3,1 кОм на частоте 1 кГц. JIS C5160-1 определяет ток измерения для таких приложений, а измеритель LCR IM3523 можно использовать в приложениях, где ток измерения должен соответствовать стандарту JIS. В BT3562 измеряемый ток фиксирован для каждого диапазона измерения.


Как измерить ESR литий-ионного конденсатора (LIC)

В результате явления, известного как переходное восстанавливающееся напряжение, потенциал литий-ионного конденсатора (LIC) или электрическое двойное Многослойный конденсатор (EDLC) не стабилизируется сразу после зарядки или разрядки компонента.Если ESR конденсатора измеряется в этих условиях, измеренные значения могут не стабилизироваться из-за влияния переходного восстанавливающегося напряжения. Функцию коррекции градиента потенциала Hioki Battery Impedance Meter BT4560 можно использовать для устранения эффектов переходного восстанавливающегося напряжения, что делает возможным стабильное измерение ESR. Прибор имеет максимальное разрешение 0,1 мкОм и может измерять литий-ионные конденсаторы и электрические двухслойные конденсаторы с низкими значениями ESR 1 мОм или меньше.


Как измерить внутреннее сопротивление устройства Пельтье

Элементы Пельтье можно использовать для охлаждения, нагрева и контроля температуры посредством подачи постоянного тока. При измерении внутреннего сопротивления элемента Пельтье постоянным током измерительный ток вызывает тепловой поток и изменения температуры внутри элемента, что делает невозможным получение стабильных измерений. Используя переменный ток для измерения, можно уменьшить количество теплового потока и изменение температуры, что позволяет стабильно определять внутреннее сопротивление компонента.

Тестер аккумуляторов Hioki BT3562 предназначен для измерения внутреннего сопротивления с использованием переменного тока с частотой измерения 1 кГц, что позволяет точно измерять внутреннее сопротивление элементов Пельтье с низкими значениями сопротивления порядка нескольких мОм.

Измерение внутреннего сопротивления элемента

Обычно при изучении теории электрических цепей предполагается, что все компоненты цепей идеальны.Предполагается, что в идеальном состоянии батарея системы имеет нулевое сопротивление. Но на самом деле это не так. При работе с аккумуляторами в реальной жизни было замечено, что они имеют некоторое внутреннее сопротивление, влияющее на ток в цепи. Иногда он не указан на аккумуляторе и меняется по мере разряда аккумулятора. В этом случае становится необходимым рассчитать внутреннее сопротивление используемой батареи. Рассмотрим подробно, как это делается.

Внутреннее сопротивление батареи

Известно, что батарея с большой ЭДС имеет больший размер, чем батареи с меньшей ЭДС.Эти батареи содержат больше энергии и, следовательно, могут выдавать большие токи. Обратите внимание, что 12-вольтовая батарея грузовика может выдавать больший ток, чем 12-вольтовая батарея мотоцикла. Причиной этого может быть то, что аккумулятор грузовика имеет меньшее внутреннее сопротивление, чем аккумулятор мотоцикла.

Внутреннее сопротивление — это внутреннее сопротивление, присутствующее внутри источника напряжения.

На приведенном выше рисунке показаны две основные части источника напряжения.ЭДС, присутствующая внутри батареи, и сопротивление. Эта ЭДС обозначается E, а внутреннее сопротивление обозначается r, оба они являются последовательными. Чем меньше внутреннее сопротивление батареи, тем больший ток она может подавать в цепь. Внутреннее сопротивление батареи может вести себя сложным образом, поскольку батарея разряжается, внутреннее сопротивление батареи увеличивается. Но это также может зависеть от величины и направления электрического тока через источник напряжения, его температуры и даже материала, из которого сделана батарея.

Потенциометр 

Потенциал используется для измерения разности потенциалов между двумя точками. Иногда его также используют для сравнения ЭДС двух элементов или измерения внутреннего сопротивления батареи. На конструктивном уровне это устройство, состоящее из длинного провода одинаковой площади поперечного сечения и длиной 10 м. При использовании потенциометра следует следить за тем, чтобы провод, который вводится в устройство, имел однородную площадь поперечного сечения и низкое удельное сопротивление и высокотемпературный коэффициент.Провода натянуты параллельно друг другу и соединены последовательно через медные полосы. К деревянной доске также прикреплена измерительная шкала.

Связь между ЭДС и разностью потенциалов в ячейке

Рассмотрим ячейку с ЭДС «E» и внутренним сопротивлением «r». Ячейка подключена к внешнему сопротивлению «R». В этом случае общее сопротивление цепи становится равным R + r. Ток I в цепи теперь будет определяться как

I = E/(R+ r)

⇒ E = I (R + r)

Таким образом, потенциал на внешнем сопротивлении

В = IR = E – Ir 

Это уравнение показывает, что V меньше e.м.ф клетки. Это падение потенциала связано с потенциальным падением внутреннего сопротивления батареи. Уравнение, приведенное выше, можно изменить следующим образом:

Внутреннее сопротивление будет определяться как

Реостат можно отрегулировать на потенциометре, чтобы получить балансировочные длины l 1 и l 2 для открытого и закрытого положения. цепи соответственно. На рисунке показана эта настройка:

Пусть «k» — градиент потенциала на проводе потенциометра.

E = kl 1 и V = kl 2

Приведенное выше уравнение для внутреннего сопротивления можно изменить следующим образом:

внутри аккумулятора 10 Вольт и внутреннее сопротивление 0,04 Ом в случае, если его клеммы соединены друг с другом.

Ответ: 

Ток в этом случае будет определяться простым применением закона Ома.

В = 10 В 

r = 0,04 Ом.

V = IR

Подставляя значения в уравнение батарея напряжением 40 Вольт и внутренним сопротивлением 10 Ом, если ее клеммы соединены друг с другом. Найдите напряжение на клеммах аккумулятора.

Ответ: 

Ток в этом случае будет определяться простым применением закона Ома.

В = 40 В 

R= 10 Ом.

В = IR

Подставляя значения в уравнение, 

I = V/R 

⇒ I = 40/10 V = эдс – Ir

Дано , эдс = 40 В, I = 4 А и r = 10

 V = эдс – Ir

⇒ V = 40 – (4)(10)

⇒ V = 0 В

Вопрос 3: Найдите ток, который будет течь внутри батареи с 20 Вольт и внутренним сопротивлением 4 Ом и сопротивлением нагрузки 6 Ом последовательно.Найдите напряжение на клеммах аккумулятора.

Ответ: 

Ток в этом случае будет определяться простым применением закона Ома.

I =

ЭДС = 20 В

R нагрузка = 6 Ом.

r = 4

подставив значения в уравнение,

I =

⇒ I =

⇒ I = 2 А

Дано, ЭДС = 20 В, I = 2 А и r = 4

Вопрос 4. Найдите внутреннее сопротивление батареи, если потенциометр сбалансирован на длинах l 2 = 120 см и l 1 = 300 см от одного конца.Предположим, что внешнее сопротивление равно 10 Ом.

Ответ: Ответ:

Внутреннее сопротивление, если измеряется через потенциометр,

Данные:

L 1 = 300 см

L 2 = 120 см

R = 10

Подключение значений в уравнении,

⇒ R = 6 Ом

Вопрос 5: Найти внутреннее сопротивление батареи, если потенциометр сбалансирован по длине L 2 = 60 см и l 1 = 150 см с одного конца.Предположим, что внешнее сопротивление равно 20 Ом.

Ответ: Ответ:

Внутреннее сопротивление, если измеряется через потенциометр,

L 1 = 60 см

L 2 = 150 см

r = 20

Подставляя значения в уравнение,

⇒ r = 6 Ом


Внутреннее сопротивление — ваш враг! ‣ ТАО Производительность

Внутреннее сопротивление (IR) — это характеристика элемента батареи, которую часто упускают из виду. На самом деле это одна из самых важных характеристик.

Почему это важно?
Каково влияние наличия элементов с различным внутренним сопротивлением?

Я расскажу немного теории и претворю результаты исследований в практическое применение…

«Упрощенная» теория

Внутреннее сопротивление (IR) батареи представляет собой сложную систему с взаимосвязанными резистивными, емкостными и индуктивными характеристиками. Я упрощу до крайности, представив батарею как источник чистого напряжения, последовательно соединенный с сопротивлением.

IR зависит от емкости элемента (C), уровня заряда (SOC), температуры, состояния элемента (SOH), технологии элемента и скорости тока, проходящего через элемент.

Типичное значение IR для элемента емкостью 100 А·ч составляет менее 0,6 мОм и менее 0,4 мОм для элемента емкостью более 300 А·ч (данные Winston). Существуют значительные различия в зависимости от технологии ячеек и производственного процесса.

Для измерения различных составляющих внутреннего сопротивления (омического, электрохимического, поляризационного…) требуется специальное оборудование.Большинство BMS используют алгоритмы для оценки IR, и хотя измеренное ими значение отличается от спецификации производителя, эти оценки неизменны во времени и могут использоваться для количественной оценки старения клеток (состояния здоровья).


Внутреннее сопротивление ограничивает зарядный и разрядный ток

Высокое внутреннее сопротивление ячейки имеет два основных последствия:

  1. больше энергии рассеивается при зарядке или разрядке
  2. эффективное напряжение заряда и разряда снижается


Вот что происходит в разных ситуациях:

  • Отсутствие тока: внутреннее сопротивление не рассеивает энергию, а напряжение, измеренное на клеммах (В), равно «напряжению холостого хода» (Voc)
  • Заряд: энергия рассеивается на внутреннем сопротивлении с соответствующим падением напряжения (Vir) – напряжение, измеренное на клеммах (V), выше фактического (эффективного) зарядного напряжения элемента
  • Разрядка: энергии рассеивается на внутреннем сопротивлении с соответствующим падением напряжения (Vir ) – (эффективное) напряжение, измеренное на клемме (В), ниже фактического напряжения, выдаваемого элементом

Пример с током заряда/разряда 100 А и двумя элементами с разным внутренним сопротивлением:

Энергия рассеивается в упаковке 12 В

Ток = 100 A Cell 1 Cell 2
Сопротивление клетки Milliohm 0.4 0,6
Падение напряжения в ячейке V 0,04 0,06
Падение напряжения в 12V пакет V 0,16 0,24
Энергия рассеивается в ячейке Watt 4 4 6 6 6 6
Watt 16 24

Падение напряжения и рассеиваемой энергии прямо пропорциональна внутреннее сопротивление ячейки и ток.

И что?
  • чтобы избежать перегрева, постоянный ток заряда/разряда должен быть ниже для элементов с более высоким внутренним сопротивлением
  • при том же токе заряда/разряда элемент с более высоким внутренним сопротивлением будет нагреваться и стареть быстрее (что еще больше увеличит его внутреннее сопротивление… и войдет в смертельную спираль

Внутреннее сопротивление элемента можно довольно легко оценить с помощью двух измерений тока разрядки (или заряда) (I) и соответствующего напряжения, измеренного на клеммах (В):

  1. ток разрядки (или зарядки) менее 5 А: запись I1 и V1
  2. ток разрядки (или заряда) выше 25 А: запись I2 и V2

Внутреннее сопротивление = (V1 – V2) / (I2 – I1 )

Перед каждым измерением ток должен быть стабильным, затем подождите примерно 30 секунд, пока напряжение не стабилизируется (при этом будет измерено совокупное внутреннее сопротивление, состоящее из чистого омического сопротивления (сопротивление, указанное производителем) плюс любое сопротивление, созданное электрохимическими реакциями). и поляризация).


Существуют различные типы элементарных литиевых элементов (цилиндрические, пакетные, большие призматические) и различные способы их сборки для производства элементов или батарей большой емкости… которые будут иметь разные характеристики (емкость, размер, вес, внутреннее сопротивление, максимальное непрерывный ток…)

Я не верю, что два элемента одинаковой емкости, но очень разного веса
могут выдавать одинаковую энергию за один и тот же срок службы!

При покупке литиевых аккумуляторных элементов необходимо проверить и сравнить внутреннее сопротивление, а также все другие характеристики, указанные производителями

Вы также можете проверить максимальный непрерывный ток, рекомендуемый производителем, так как он будет ниже для элементов с высоким внутренним сопротивлением (при условии, что производитель имеет хорошую репутацию и предоставляет реальные данные измерений, которые они могут последовательно воспроизводить!)


Блок из элементов с различным внутренним сопротивлением

Если элементы в блоке имеют разное внутреннее сопротивление, ток будет иметь неравномерное распределение между параллельно включенными элементами, а напряжение будет иметь неравномерное распределение между элементами, соединенными последовательно.Это приведет к:

  • элементы не заряжаются и разряжаются с одинаковой скоростью (что создает дисбаланс элементов)
  • уменьшенная емкость батареи
  • более быстрое старение некоторых элементов

когда на это нужно обратить внимание батарейки)
собраны из сотен мелких элементов

Внутреннее сопротивление элемента не является параметром, напрямую контролируемым в процессе производства, а является результатом ряда параметров сырья и производства.Поэтому ожидается, что между клетками будут наблюдаться значительные различия внутреннего сопротивления (в некоторых исследованиях упоминаются различия в 20% и более).

Авторитетные производители, которые производят батареи, собирая 100 элементов малой емкости, стараются обеспечить соответствие внутреннего сопротивления и емкости элемента в упаковке. Обычно они дороже!

Также важно тщательно соединить элементы, чтобы уменьшить сопротивление каждого соединения. Сопротивление межсоединения имеет те же эффекты, что и внутреннее сопротивление ячейки.

«Разница в 20 % во внутреннем сопротивлении элемента между двумя элементами, работающими параллельно
, может привести к примерно 40-процентному сокращению срока службы
по сравнению с двумя элементами с очень похожим внутренним сопротивлением»

«Согласование внутреннего сопротивления для параллельно соединенных литий-ионных элементов и влияние на срок службы аккумуляторной батареи»
, апрель 2014 г.  Journal of Power Sources 252:8-13

Одиночный элемент
с внутренним сопротивлением , значительно отличающимся от других элементов , может значительно сократить срок службы батареи

Мощность батареи онлайн | Как измерить внутреннее сопротивление батареи с помощью метода прерывания тока

Джеймс Ниманн, инженер-конструктор nalog, Tektronix

Одна из демонстраций, которую мы часто устраиваем на конференциях по батареям, — это использование блока измерения источника (SMU) для измерения внутреннего сопротивления устройства накопления энергии, такого как батарея или топливный элемент.В таких демонстрациях SMU изменяет ток нагрузки с рабочего тока батареи или тока поляризации на потенциал холостого хода и одновременно измеряет изменение напряжения элемента. В этом «методе прерывания тока» внутреннее сопротивление батареи равно изменению напряжения, деленному на изменение тока.

Демонстрация популярна среди инженеров по аккумуляторным батареям, потому что она показывает, как можно измерить внутреннее сопротивление батареи при больших токах поляризации с помощью экономичного SMU, типа прибора, способного одновременно получать и измерять напряжение и ток.

Это сложное измерение, которое даже гораздо более дорогой прибор электрохимической импедансной спектроскопии (ЭИС) не может выполнить при высоких уровнях тока. Исторически сложилось так, что электрохимики использовали осциллограф и переключатель (для нагрузки) для выполнения этих измерений и получили то, что лучше всего назвать показателем качества, а не реальным внутренним сопротивлением.

Давайте посмотрим, как мы можем добиться достоверной точности измерений с помощью SMU. Здесь важно обратить пристальное внимание на несколько неочевидных деталей.

Комплексный импеданс
Внутреннее сопротивление батареи представляет собой меру действительной части комплексного импеданса элемента. На рис. 1 показана простая электрическая модель этого сложного импеданса, известная как модель цепи Рэндлса.

Рисунок 1: Пример схемы, эквивалентной модели Рэндлса

. В модели Рэндлса окислительно-восстановительная реакция каждого электрода моделируется с помощью резистора и конденсатора, представляющих сопротивление переноса заряда и емкость двойного слоя для электрода соответственно.

  • Сопротивление переносу заряда представляет собой энергию активации, необходимую для запуска предполагаемой электродной реакции с определенной скоростью.
  • Емкость двойного слоя является мерой медленности электродной реакции, возникающей в результате накопления зарядов на каждой стороне электрода, опять же с той же определенной скоростью.
  • R int – действительная составляющая импеданса ячейки.

Для большинства элементов поддерживающий электролит (ионный проводник) является источником наибольшего внутреннего сопротивления.Электроды и сопротивления внешних соединений обычно вносят гораздо меньший вклад. Поток тока генерирует тепло, которое может повлиять на измерения внутреннего сопротивления и должно быть принято во внимание.

Повышенное внутреннее сопротивление может быть признаком того, что элемент приближается к отказу, поскольку сопротивление электролита имеет тенденцию увеличиваться по мере старения элемента. Хотя сопротивление может увеличиваться по ряду других причин, а также в зависимости от химического состава элемента, измерение характеристик внутреннего сопротивления может быть полезным индикатором общего состояния гальванического элемента, особенно при оценке с течением времени.

Измерения внутреннего сопротивления также полезны для оценки того, может ли батарея эффективно отдавать накопленную энергию. В общем, батарея с низким внутренним сопротивлением лучше способна отдавать большой ток по требованию. Высокое сопротивление приводит к чрезмерному нагреву батареи и падению выходного напряжения при высоких нагрузках. Это особенно важно для тяжелых грузов, таких как электроинструменты и электрические силовые агрегаты.

Метод прерывания тока
Чтобы понять, как использовать метод прерывания тока для измерения действительной части комплексного импеданса, вернитесь к модели цепи Рэндлса на рисунке 1.В модели показаны геометрическая индуктивность ячейки и межсоединений контрольно-измерительного оборудования вместе с ранее обсуждавшимися параметрами электрода.

Если это измерение настроено без включения дистанционного измерения, индуктивность, показанная в модели, будет полной индуктивностью контура измерения, показанной в части 2A на рисунке 2. При включенном дистанционном измерении будет отображаться только индуктивность самой ячейки. измеряется, как показано на рис. 2B, измеряется только импеданс между измерительными проводами, комплексный или нет.

Когда SMU настроен на источник напряжения в конфигурации удаленного измерения (4-проводной), внешнее измерение обеспечивает напряжение обратной связи, которое измеряется и сравнивается с запрограммированным уровнем. Источник напряжения регулируется до тех пор, пока напряжение обратной связи не сравняется с запрограммированным уровнем напряжения. Дистанционное измерение компенсирует падение напряжения в измерительных проводах (и анализируемом веществе в случае гальванического элемента), обеспечивая подачу на рабочий электрод запрограммированного уровня напряжения.

Чтобы измерить R int , прерывание или изменение тока ячейки необходимо измерять в течение нужного периода времени, чтобы сумма реактивных сопротивлений была равна нулю, таким образом, оставляя только измерение реальной части внутреннего сопротивления, как показано в 2С.В общем, существует только одна задержка прерывания, которая может удовлетворить этому требованию для любой заданной ячейки и геометрии измерения. Интервалы прерывания могут варьироваться от 80 микросекунд до нескольких миллисекунд в зависимости от размера и конфигурации ячейки.

Рис. 2: Измерение внутреннего сопротивления ячейки

Чтобы правильно измерить внутреннее сопротивление гальванической ячейки, обычно используют график EIS или измеряют комплексное сопротивление ячейки в рабочем диапазоне токов ячейки.Внутреннее сопротивление — это точка на кривой, где комплексный импеданс пересекает действительную ось или когда сумма реактивных компонентов равна нулю.

Текущий метод измерения прерывания для измерения R int дает скалярное измерение, представляющее величину векторов импеданса, показанных наложенными на график комплексного импеданса, показанный на рисунке 3. Правильное время прерывания можно легко найти, изменяя задержку прерывания, чтобы свести к минимуму модуль вектора, показанный как R int на рисунке 3.Другие векторы, R1 и R2, полученные путем изменения интервала прерывания, показывают большие значения. Обратите внимание, что пересечение второй оси x представляет собой не внутреннее сопротивление батареи, а сумму всех сопротивлений в модели на рисунке 1. Эта точка показана как Rt на рисунке 3.

Рис. 3: Пример диаграммы комплексного импеданса SMU

для измерения потенциала разомкнутой цепи
Использование этого краткого и лаконичного метода позволяет постоянно получать правильные измерения внутреннего сопротивления аккумуляторов и гальванических элементов.SMU хорошо подходят для измерения потенциала холостого хода на гальванических элементах, поскольку для этого требуются приборы с высоким входным сопротивлением, которые обеспечивает SMU. В сочетании со сценариями электрохимических испытаний SMU полностью способны работать в качестве гальванодатчика или потенциостата и могут измерять внутреннее сопротивление батарей, топливных элементов или любого гальванического элемента, обеспечивая ток поляризации.

Джеймс Ниманн (James Niemann) — инженер-проектировщик аналоговых устройств в компании Tektronix. Он работает в подразделении Keithley Instruments в Кливленде, штат Огайо, с 1988 года.В настоящее время он является главным инженером-конструктором, отвечающим за общие исследования и разработки, а также за разработку новых продуктов, используемых для электрохимических исследований.

Объяснение внутренних сопротивлений батареи

Введение

В этой статье объясняется, как метод соединения между устройством измерения импеданса и батареей влияет на показания импеданса.

Как упоминалось в первой статье, существует ряд факторов, которые могут повлиять на измерение импеданса.Сравнение результатов без понимания этих факторов приведет к неправильной интерпретации.

Например, попытка сравнить показания, в которых соединение между батареей и измерительным устройством использует два контакта батареи с четырьмя контактами батареи, невозможна, что мы объясним.

Чтобы понять различные показания сопротивления, требуется понимание 4-проводного соединения, также известного как соединение Кельвина, и мы его тоже рассмотрим.

Размер импеданса батареи

Свинцово-кислотные аккумуляторы имеют низкий импеданс, поэтому способны отдавать большие токи.Отсюда большой ток короткого замыкания, указанный в паспортах аккумуляторов, например, 2500 А для аккумулятора 12 В 80 Ач.

Типичное сопротивление батареи в резервной промышленности:

  • Аккумулятор VRLA 12 В 80 Ач = 0,003 Ом (3,0 мОм)
  • Аккумулятор VRLA 2 В 800 Ач = 0,0002 Ом (0,2 мОм)

Чтобы получить представление о величине импеданса, давайте сравним импеданс типичной батареи с сопротивлением провода в стандартном проводе питания IEC. Эквиваленты длины провода для упомянутых импедансов составляют 330 мм (13.0 дюймов) и 22 мм (0,87 дюйма).

Как видите, импеданс батареи невелик, что затрудняет его измерение и легко вносит ошибки в измерение.

Измерения

Для получения результатов использовалось следующее оборудование.

  • Тестер батареи Hioki BT3554-01
  • 2 батареи VRLA AGM 2 В 400 Ач
  • 16 ярлыков для батареек из луженой латуни

Был проведен ряд измерений с различными типами соединений между тестером батареи и батареей, и результаты приведены ниже.

# Соединение Аккумулятор А Аккумулятор В  
1


Контрольный щуп на болте

1223 1179 мкОм
2


Тестовый щуп на бирке


640

598 мкОм
3


Тестовый щуп на клемме аккумулятора


560

554 мкОм
4


Тестовый жгут, соединенный с метками с помощью двух батарейных контактов


569

564 мкОм
5


Тестовый жгут, соединенный с метками с помощью четырех клемм аккумулятора


186

194 мкОм

 

Фотографии и подробности подключения приведены ближе к концу статьи.

Как видите, для одного и того же аккумулятора показания имеют широкий разброс в зависимости от используемого способа подключения.

4-проводное соединение

Для измерения импеданса батареи на батарею подается тестовый сигнал и измеряется ее характеристика напряжения.

Но из информации о силовом проводе IEC мы знаем, что сопротивление испытательного жгута находится в том же диапазоне, что и сопротивление батареи, поскольку длина кабеля между батареей и измерительным устройством может составлять от 500 до 1000 мм (19.от 7 дюймов до 39,4 дюйма).

Например:

Общее сопротивление измерительных проводов составляет 1,0 мОм, а полное сопротивление батареи — 3,0 мОм. Погрешность, вносимая сопротивлением измерительного провода, существенна по сравнению с батареей; в идеале сопротивление измерительного провода должно быть равно 0 мОм, чтобы оно не оказывало никакого влияния, но это невозможно. Следовательно, для точного измерения низкого сопротивления или низкого импеданса требуется метод измерения, уменьшающий сопротивление измерительного провода.Этого можно добиться, используя 4-проводное соединение, также известное как соединение Кельвина.

Ниже приведена схема всех основных компонентов устройства измерения импеданса, подключенного к батарее с помощью 4-проводного соединения.

На приведенной выше диаграмме видно, что цепи тестового сигнала и измерительного сигнала разделены. Ток тестового сигнала протекает только через провода тестового сигнала и батарею. В результате разделения сопротивление провода тестового сигнала не влияет на измерение.

В цепи датчика протекает небольшой ток, и в этом случае его можно приблизить к нулю. Поскольку ток не течет, на сопротивлении измерительного провода нет падения напряжения (закон Ома; напряжение = сопротивление x ток), поэтому вольтметр считывает напряжение только на полном сопротивлении батареи (импеданс батареи x ток тестового сигнала). Таким образом, влияние сопротивления сенсорного провода было устранено.

Как видите, 4-проводная методика позволяет измерять сопротивление в тестовом жгуте, не влияя на точность измерения.Этот метод не уникален для отрасли измерения аккумуляторов и широко используется другими приборами.

Дополнительное сопротивление

Показания батареи, снятые с различными типами соединений, имеют широкий диапазон значений, даже если это одна и та же батарея.

  • Аккумулятор A:           от 186 мкОм до 1223 мкОм
  • Батарея B:           от 194 мкОм до 1179 мкОм

Разброс значений обусловлен различными соединениями между измерителем и батареей.Самое верное чтение с четырехполюсным соединением; хуже всего, когда щуп находится на болте.

Ниже приведена электрическая модель, показывающая введение дополнительных сопротивлений на пути, таких как болт, шайба/ярлык, клемма аккумулятора и т. д.

Когда в петлю измерительной цепи, через которую протекает ток тестового сигнала, вводится дополнительное сопротивление, дополнительное сопротивление становится частью измерения и, следовательно, более высокого показания.

Портативный против постоянного

Наиболее верным результатом чтения было 4-проводное подключение с использованием четырех контактов аккумулятора. Этот тип соединения может быть достигнут с помощью стационарного монитора, но не очень практичен для портативного прибора.

Щупы для портативного прибора могут создавать соединение по Кельвину при использовании многоточечного подхода, но расстояние между считывающей и сигнальной точками небольшое и фиксированное, поэтому подключение к четырем клеммам аккумулятора невозможно.

Ниже приведен пример подключения датчика Кельвина (4 провода).

На изображении выше вы можете видеть, что зонд имеет внешнее соединение, изоляцию и внутреннее соединение. Итак, тестовые сигнальные и сенсорные цепи разделены.

Тестер аккумуляторов Hioki обеспечивает доступ к соединениям считывающих и тестовых сигналов, что позволяет подключать различные типы жгутов вместо стандартных тестовых щупов. Поскольку соединения доступны, Hioki можно подключить ко всем четырем клеммам батареи в соответствии с типом соединения № 5 с другим жгутом проводов.Это практично только в лабораторных условиях и нецелесообразно и небезопасно в реальной установке.

Сведения о соединении

# Соединение Аккумулятор А Аккумулятор В Детали
1

Зонд на болтовом соединении

 

1223 1179

Болт имеет значительное сопротивление, и это сопротивление становится частью измерительной цепи, поскольку ток тестового сигнала протекает через болт.

2

Зонд на бирке аккумулятора

 

640 598

Это соединение является улучшением по сравнению с №1. Однако сопротивление меток батареи является частью измерения.

3

Зонд на посту

 

560 554

Это наименьшее значение для щупов ручного тестера, и в этом месте исключены сопротивления болта и шайбы аккумулятора.

Недопустимый тип подключения для мониторов постоянной батареи.

 

Все показания в приведенной выше таблице даны в микроомах.

#4 Соединение с двумя опорами и четырьмя выступами

Аккумулятор A 569 мкОм и аккумулятор B 564 мкОм. Тестовый сигнал подается через большие зажимы-крокодилы на фото, а сигнал считывания — через меньшие зажимы, оба сигнала подключаются с помощью меток батареи.

Этот результат очень похож на результат подключения 3 и обеспечивает сравнимые значения между подключением ручного датчика и подключением типа монитора с постоянной батареей.Таким образом, это рекомендуемые точки подключения при сравнении ручного измерения с постоянным системным измерением в полевых условиях.

#5 Соединение с четырьмя стойками и четырьмя выступами

Аккумулятор A 186 мкОм и аккумулятор B 194 мкОм. Тестовый сигнал подается через большие зажимы типа «крокодил» на клеммах батареи А-1, а сигнал считывания подключается к клеммам батареи А-2, оба сигнала подключаются с помощью клемм батареи.

Это подключение обеспечивает наименьшее и наиболее точное показание для батареи, так как цепь датчика не имеет дополнительного сопротивления, но этот тип подключения удобен только для систем постоянного контроля батареи.

Ниже приведена электрическая модель четырехполюсного соединения, и на модели видно, что ток тестового сигнала не протекает по пути А-2, поэтому добавочное сопротивление на пути А-1 и А-2 имеет не влияет на измерение импеданса.

Резюме

Из измерений видно, что расположение датчика очень важно, так как оно оказывает большое влияние на показания.

Значение чтения также сильно зависит от типа подключения. В многопостовой батарее измеренное значение зависит от количества постов, использованных при измерении.

Невозможно сравнить портативный прибор, использующий два контакта на батарее, с постоянным монитором батареи, использующим четыре контакта на батарее, даже если они используют один и тот же тестовый сигнал/метод.

При сравнении выполненных измерений импеданса необходимо соблюдать осторожность и понимание.

Дополнительные сведения об измерении импеданса см. в других статьях этой серии:

Объяснение внутренних омических измерений батареи – часть 1 (импеданс)

Объяснение внутренних омических измерений батареи – Часть 3 (Важность контекста)

ЭДС и внутреннее сопротивление

ЭДС и внутреннее сопротивление
Далее: Резисторы последовательно и Вверх: Электрический ток Предыдущий: Сопротивление и удельное сопротивление Теперь настоящие батареи строятся из материалов с ненулевым сопротивлением.Отсюда следует, что настоящие батареи — это не просто источники чистого напряжения. Они также обладают внутренних сопротивления . Кстати, чистое напряжение источник обычно называют ЭДС (что означает электродвижущая сила ). Конечно, ЭДС измеряется в единицах вольт. Батарея может быть смоделирована как ЭДС, соединенная последовательно с резистором. , что представляет собой его внутреннее сопротивление. Предположим, что такие батарея используется для подачи тока через внешний нагрузочный резистор, как показано на рис.17. Обратите внимание, что на принципиальных схемах ЭДС изображается в виде двух близко расположенных параллельных линии неравной длины. Электрический потенциал более длинной линии больше, чем что у более короткого на вольт. Резистор представлен как зигзагообразная линия.
Рисунок 17: Батарея ЭДС и внутреннего сопротивления подключена к нагрузочному резистору сопротивления .

Рассмотрим батарею на рисунке.Напряжение батареи определяется как разность электрических потенциалов между его положительным и отрицательные клеммы: т.е. , точки и , соответственно. По мере перехода от к , электрический потенциал увеличивается на вольт, когда мы пересекаем ЭДС, но затем уменьшается на вольт, когда мы пересекаем внутренний резистор. Падение напряжения на резисторе следует из закона Ома, из которого следует, что падение напряжения на резисторе, по которому течет ток , находится в том направлении, в котором текущие потоки.Таким образом, напряжение батареи связано с ее ЭДС и внутреннее сопротивление через

(133)

Теперь мы обычно думаем об ЭДС батареи как о постоянной величине (поскольку она зависит только от химической реакции, протекающей внутри батареи, которая преобразует химическую энергию в электрическую), поэтому мы должны заключить, что напряжение батарея на самом деле уменьшается по мере увеличения потребляемого от нее тока.На самом деле напряжение равно только ЭДС при токе пренебрежимо мала. Текущий розыгрыш от батареи обычно не может превышать критического значения
(134)

поскольку поскольку напряжение становится отрицательным (что может произойти только если нагрузочный резистор тоже отрицательный: это практически невозможно). Отсюда следует, что если мы замкнем накоротко батарею, подключив ее положительные и отрицательные клеммы вместе, используя проводник с незначительным сопротивлением, ток, потребляемый от батареи, ограничен ее внутренним сопротивлением.Фактически в этом случае ток равен максимально возможному Текущий .

Реальную батарею обычно характеризуют с точки зрения его ЭДС ( т.е. , его напряжение при нулевом токе) и максимальный ток, который он может обеспечить. Например, стандартная сухая ячейка ( т.е. , своего рода батарея, используемая для питания калькуляторов и фонариков) обычно оценивается в и скажи) . Так что ничего катастрофического не предвидится. произойдет, если мы замкнем накоротко сухой элемент.Мы разрядим аккумулятор в сравнительно короткий промежуток времени, но опасный большой ток не собирается поток. С другой стороны, автомобильный аккумулятор обычно рассчитан на и что-то вроде (это вид тока, необходимый для включить стартер). Понятно, что автомобильный аккумулятор должен иметь большую внутреннее сопротивление ниже, чем у сухого элемента. Отсюда следует, что если мы были достаточно глупы, чтобы закоротить автомобильный аккумулятор, результат был бы довольно катастрофические (представьте себе всю энергию, необходимую для проворачивания двигателя автомобиль собирается в тонкий провод, соединяющий клеммы аккумулятора между собой).



Далее: Резисторы последовательно и Вверх: Электрический ток Предыдущий: Сопротивление и удельное сопротивление
Ричард Фицпатрик 2007-07-14

Измерение постоянного сопротивления литий-ионных элементов

В то время как измерения внутреннего сопротивления на переменном токе (ACIR) довольно распространены и в некоторой степени стандартизированы при измерении литий-ионных элементов, измерения внутреннего сопротивления на постоянном токе (DCIR) нестандартны и обычно неправильно понимаются. DCIR также иногда взаимозаменяемо называют импульсным тестированием, что может привести к дальнейшей путанице.

Во-первых, давайте кратко рассмотрим ACIR. Для измерения ACIR сигнал переменного тока, обычно переменный ток (Iac), пропускают через ячейку и измеряют отклик ячейки по напряжению (Vac). Переменный ток обычно составляет около 100 мА, а частота — 1000 Гц. Импеданс на частоте 1000 Гц рассчитывается как Vac/Iac. При измерении импеданса между Iac и Vac может быть фазовый сдвиг. Итак, для простоты действительная часть импеданса Vac/Iac называется ACIR.

Маловероятно, что какое-либо реальное применение ячейки будет представлять нагрузку синусоидального тока частотой 1000 Гц на ячейку.Таким образом, это измерение ACIR мало что говорит о том, как ячейка будет вести себя в реальном приложении. Однако ACIR стал очень стандартным способом оценки сопротивления ячейки.

DCIR, с другой стороны, не имеет такой стандартизации.

Измерение сопротивления постоянному току

DCIR предназначен для измерения характеристик сопротивления постоянного тока ячейки. Как и в случае с ACIR, для измерения сопротивления вы применяете изменение тока и измеряете характеристику напряжения.В этом случае, поскольку это DCIR, мы проводим истинное измерение сопротивления постоянному току — нет импеданса и не генерируется сигнал переменного тока. Вместо этого используется ступенчатое изменение или импульс: DCIR = (V_beforestep – V_afterstep) / (I_beforestep – I_afterstep).

Обычно первое измерение (перед шагом) выполняется, когда ячейка находится в состоянии покоя, поэтому V_beforestep = напряжение холостого хода ячейки (OCV), а I_beforestep = 0 ампер. Применяемое ступенчатое изменение тока может быть шагом вверх по току, что является зарядным импульсом, или может быть шагом вниз по току, что является разрядным импульсом.Фактически, вы можете захотеть измерить DCIR в обоих направлениях и сравнить или усреднить результаты.

Что касается размера шага тока, то обычно это большой шаг тока, потому что очень низкое сопротивление элемента требует большого шага тока для создания измеримой реакции по напряжению. Я видел запросы на ступени тока при температуре 20 °C. Для элемента емкостью 50 Ач это 1000 А, поэтому оборудование DCIR может быть большим и дорогим. При больших токах нельзя оставлять большой ток на неопределенный срок, иначе элемент будет нагреваться и заряжаться (если импульс тока положительный) или разряжаться (если импульс тока отрицательный).В любом случае нежелательно изменять состояние заряда (SoC) элемента, поэтому ток обычно подается в виде короткого импульса.

Теперь, если мы подаем импульс к клетке, какой ширины должен быть импульс? Кроме того, если мы измеряем V_afterstep, когда самое подходящее время для измерения? Это происходит сразу после применения импульса или ближе к концу импульса, прежде чем клетка возвращается в свое состояние «до шага» (обычно это состояние покоя, как упоминалось выше).

Копание в DCIR

Чтобы ответить на этот вопрос, давайте посмотрим на значение DCIR.DCIR измеряет омическое последовательное выходное сопротивление ячейки по постоянному току. Омическое сопротивление элемента зависит от токосъемников, активных материалов электродов, ионной проводимости электролита и других соединений (например, сварных швов, контактных сопротивлений и предохранительных элементов).

Электрохимические реакции и другие явления не относятся к омическому сопротивлению. Каждое из них будет происходить с разной скоростью и, следовательно, не является постоянным, а вместо этого будет вносить вклад в импеданс ячейки по переменному току.Таким образом, ACIR будет измерять те эффекты, которые возникают на частоте около 1000 Гц. Однако потребуется полное измерение спектра электрохимического импеданса с использованием прибора EIS, чтобы увидеть все эффекты этих электрохимических явлений, которые происходят с разной скоростью.

Для DCIR нас интересуют только неизменяющиеся во времени омические сопротивления постоянному току. Изменение напряжения из-за этих омических сопротивлений появится мгновенно при подаче импульса тока, и, таким образом, для измерения омических сопротивлений постоянному току вы должны немедленно измерить отклик по напряжению при подаче импульса тока.Это означает, что длина импульса не имеет значения, и импульс не должен быть длиннее, чем время измерения отклика ячейки по напряжению. Фактически, вы хотите, чтобы этот импульс был как можно короче, чтобы избежать самонагрева и любых ненужных изменений в SoC, вызванных зарядкой или разрядкой элемента во время импульса.

В ходе дискуссий с инженерами и учеными о DCIR меня часто просят предоставить импульсы DCIR длительностью 1, 10 или 30 секунд, а также провести измерение отклика ячейки по напряжению V_afterstep на конце этого импульса.Это не измерение DCIR, а измерение импульса постоянного тока.

При измерении в конце импульса V_afterstep, безусловно, будет включать эффекты омического сопротивления постоянному току, но V_afterstep будет включать некоторые электрохимические эффекты переменного тока и, что наиболее важно, будет включать изменение напряжения из-за зарядки или разрядки элемента во время импульса . По мере того, как длина импульса увеличивается, а амплитуда импульса увеличивается (помните, что этот тест можно проводить при 20 °C), этот эффект зарядки или разрядки на OCV может быть довольно большим по сравнению с очень небольшим изменением напряжения, вызванным протеканием тока 20 °C. через несколько миллиомов истинного омического сопротивления ячейки.

Это не значит, что измерение пульса недействительно. На самом деле измерение пульса, безусловно, даст ценную информацию о поведении клеток, поскольку кратковременная импульсная нагрузка на клетку является обычным сигналом в реальном мире. Подумайте о том, как нажатие на педаль акселератора создает импульсный ток для аккумулятора электромобиля или как всплеск передачи GSM создает импульсную нагрузку для аккумулятора мобильного телефона. Моя точка зрения, однако, заключается в том, что тест импульса постоянного тока и измерение DCIR измеряют две разные характеристики ячейки.И хотя оба измерения выполняются с большим импульсом тока, выполнение каждого измерения отличается.

Тестовая установка

На рисунках 1 и 2 показана тестовая установка для измерения DCIR и ожидаемых форм сигналов напряжения и тока.

Измерение DCIR с помощью тестовой установки в Рис. 1. Для требуются две измерительные характеристики:

  1. Устройство, подающее импульс тока, требует времени нарастания в несколько миллисекунд или быстрее.Если фронт медленный, то время, необходимое для перехода от I_beforestep к I_afterstep, позволит возникать непостоянным, быстрым электрохимическим эффектам, так что измерение отклика по напряжению будет включать как омическую постоянную, так и некоторые переменные электрохимические составляющие напряжения. .
  2. Измерение отклика напряжения V_afterstep должно быть быстрым и выполняться сразу после завершения приложенного шага тока. Если измерение выполняется медленно или с задержкой, V_afterstep будет учитывать быстрые электрохимические эффекты, не связанные с постоянным током.В крайнем случае, если V_afterstep измеряется намного позже перехода, измерение DCIR становится измерением импульса постоянного тока.

Испытательные токи до +100 А в импульсе зарядки или -100 А в импульсе разряда можно эффективно выполнять с помощью такого прибора, как Keysight Advanced Power System (рис. 3) . Он может быть сконфигурирован для обеспечения положительных или отрицательных импульсов тока с миллисекундным временем нарастания, используя режим переходных импульсов. Он также имеет высокоточную независимую оцифровку напряжения и тока с 18-разрядными АЦП, которые позволяют напрямую измерять DCIR в одном приборе.Для импульсных токов свыше ±100 А семейство генераторов импульсных источников питания Keysight предлагает те же возможности при более высоких уровнях тока.

С помощью Keysight APS мы протестировали пакетный элемент емкостью 26 Ач и обнаружили, что его DCIR составляет 1,3 мОм. Сравнивая результаты импульса заряда 100 А с импульсом разряда -100 А, мы увидели разницу в 3 мкОм между импульсом зарядки и импульсом разрядки.

Мы также исследовали повторяемость и шум измерений DCIR и обнаружили стандартное отклонение < 1 мкОм для карманной ячейки при ±100 А.Ключевым фактором при рассмотрении повторяемости является соединение с ячейкой. Мы измерили приблизительно 20 мкОм изменчивости в этом соединении, но это сильно зависит от типа приспособления или соединения с ячейкой. 4-проводное подключение к ячейке, как показано на рис.

Наконец, я хотел бы поблагодарить моего коллегу Брайана Босуэлла, старшего инженера-конструктора Keysight Technologies, который настроил и провел эти измерения, а также проделал обширную работу по анализу результатов для проведения практических измерений DCIR с использованием внесистемных измерений.

0 comments on “В чем измеряется внутреннее сопротивление: Страница не найдена — Amperof.ru

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.