Наибольшую полезную мощность которую может дать батарея
Мощность, развиваемая источником тока во всей цепи, называется полной мощностью.
Она определяется по формуле
где Pоб-полная мощность, развиваемая источником тока во всей цепи, вт;
Е- э. д. с. источника, в;
I-величина тока в цепи, а.
В общем виде электрическая цепь состоит из внешнего участка (нагрузки) с сопротивлением R и внутреннего участка с сопротивлением R0 (сопротивлением источника тока).
Заменяя в выражении полной мощности величину э. д. с. через напряжения на участках цепи, получим
Величина UI соответствует мощности, развиваемой на внешнем участке цепи (нагрузке), и называется полезной мощностью Pпол=UI.
Величина UoI соответствует мощности, бесполезно расходуемой внутри источника, Ее называют мощностью потерь Po=UoI.
Таким образом, полная мощность равна сумме полезной мощности и мощности потерь Pоб=Pпол+P0.
Отношение полезной мощности к полной мощности, развиваемой источником, называется коэффициентом полезного действия, сокращенно к. п. д.,и обозначается η.
Из определения следует
При любых условиях коэффициент полезного действия η ≤ 1.
Если выразить мощности через величину тока и сопротивления участков цепи, получим
Таким образом, к. п. д. зависит от соотношения между внутренним сопротивлением источника и сопротивлением потребителя.
Обычно электрический к. п. д. принято выражать в процентах.
Для практической электротехники особый интерес представляют два вопроса:
1. Условие получения наибольшей полезной мощности
2. Условие получения наибольшего к. п. д.
Наибольшую полезную мощность( мощность на нагрузке) электрический ток развивает в том случае, если сопротивление нагрузки равно сопротивлению источника тока.
Эта наибольшая мощность равна половине всей мощности (50%) развиваемой источником тока во всей цепи.
Половина мощности развивается на нагрузке и половина развивается на внутреннем сопротивлении источника тока.
Если будем уменьшать сопротивление нагрузки, то мощность развиваемая на нагрузке будет уменьшаться а мощность развиваемая на внутреннем сопротивлении источника тока будет увеличиваться.
Если сопротивление нагрузки равно нулю то ток в цепи будет максимальным, это режим короткого замыкания (КЗ). Почти вся мощность будет развивается на внутреннем сопротивлении источника тока. Этот режим опасен для источника тока а также для всей цепи.
Если сопротивление нагрузки будем увеличивать, то ток в цепи будет уменьшатся, мощность на нагрузке также будет уменьшатся. При очень большом сопротивлении нагрузки тока в цепи вообще не будет. Это сопротивление называется бесконечно большим. Если цепь разомкнута то ее сопротивление бесконечно большое. Такой режим называется режимом холостого хода.
Таким образом, в режимах, близких к короткому замыканию и к холостому ходу, полезная мощность мала в первом случае за счет малой величины напряжения, а во втором за счет малой величины тока.
Коэффициент полезного действия (к. п. д.) равен 100% при холостом ходе ( в этом случае полезная мощность не выделяется, но в то же время и не затрачивается мощность источника).
По мере увеличения тока нагрузки к. п. д. уменьшается по прямолинейному закону.
В режиме короткого замыкания к. п. д. равен нулю ( полезной мощности нет, а мощность развиваемая источником, полностью расходуется внутри него).
Подводя итоги вышеизложенному, можно сделать выводы.
Условие получения максимальной полезной мощности( R=R0) и условие получения максимального к. п. д. (R=∞) не совпадают. Более того, при получении от источника максимальной полезной мощности ( режим согласованной нагрузки) к. п. д.составляет 50%, т.е. половина развиваемой источником мощности бесполезно затрачивается внутри него.
В мощных электрических установках режим согласованной нагрузки является неприемлемым, так как при этом происходит бесполезная затрата больших мощностей. Поэтому для электрических станций и подстанций режимы работы генераторов, трансформаторов, выпрямителей рассчитываются так, чтобы обеспечивался высокий к. п. д. ( 90% и более).
Иначе обстоит дело в технике слабых токов. Возьмем, например, телефонный аппарат. При разговоре перед микрофоном в схеме аппарата создается электрический сигнал мощностью около 2 мвт. Очевидно, что для получения наибольшей дальности связи необходимо передать в линию как можно большую мощность, а для этого требуется выполнить режим согласованного включения нагрузки. Имеет ли в данном случае существенное значение к. п. д.? Конечно нет, так как потери энергии исчисляются долями или единицами милливатт.
Режим согласованной нагрузки применяется в радиоаппаратуре. В том случае, когда согласованный режим при непосредственном соединении генератора и нагрузки не обеспечивается, применяют меры согласования их сопротивлений.
Автономная работа в течение всего дня является основным требованием любого пользователя при покупке нового смартфона. Казалось бы, совсем несложно обратиться к спецификациям, посмотреть на количество mAh (мАч или миллиампер-час) и сделать выводы. Но это иногда может привести к некоторым затруднениям: мы удивляемся малой продолжительности работы батареи от кажущегося огромным аккумулятора ёмкостью 4000 мАч или удивляемся тому, как долго может работать крошечная батарея внутри таких телефонов, как iPhone SE.
Рейтинг мАч телефона – довольно бессмысленная статистика, если рассматривать её отдельно. Время автономной работы на самом деле очень сложная штука, зависящая от с широкого диапазона аппаратных и программных переменных. Рассмотрим, почему вам не стоит доверять цифрам мАч как единственному показателю длительности автономной работы смартфона.
Что означает мАч?
Аббревиатура мАч, указанная в технических характеристиках аккумулятора, означает миллиампер-час. Это единица электрического заряда, которая равна подаче одного миллиампера тока постоянно в течение одного часа. Таким образом, батарея ёмкостью 1 мАч может обеспечить ток 1 мА в течение часа, а батарея ёмкостью 1000 мАч обеспечивает ток 1 мА в течение 1000 часов.
Однако батарея ёмкостью 1000 мАч, обеспечивающая ток 2 мАч, будет работать только 500 часов. Понятно, что смартфоны не работают в течение сотен или тысяч часов, потому что они потребляют намного больше 1 мА тока от аккумулятора. Чем больше ток, потребляемый вашим телефоном, тем меньше время работы аккумулятора.
При прочих равных условиях телефон с большей ёмкостью батареи прослужит дольше, чем меньший. Тем не менее, это наблюдается редко, поскольку начинка телефона и, следовательно, потребление энергии широко варьируются. Модель номер 1 может потреблять на 10, 20 или даже 30% больше тока, чем модель номер 2.
Уникальность аппаратного и программного обеспечения каждого смартфона означает, что нет двух одинаковых устройств. Вот почему простое знание ёмкости аккумулятора в мАч не даст вам по-настоящему полезной информации об ожидаемом сроке службы батареи.
мАч: цифры или результат
Прежде чем углубляться в ответы на вопросы «почему», давайте проведём несколько тестов. Мы запустили ряд телефонов с различными характеристиками и с помощью теста Speed Test G и записали, сколько времени ушло на полный разряд аккумулятора.
Результаты расположены в порядке возрастания ёмкости батареи. Как видите, в них нет чёткой и очевидной тенденции. Можно было ожидать, что время жизни батареи будет примерно увеличиваться с увеличением ёмкости, но это не так.
В то время как смартфоны с гигантскими батареями на 5000 и 6000 мАч должны были обеспечить самое длительное время автономной работы в условиях стресс-теста, на самом деле победил Google Pixel 3a XL с 3700 мАч. Разница всего в несколько минут между 3700 мАч в Pixel 4 XL и Asus Zenfone с его батареей на 6 5000 мАч, говорит только о том, что одна ёмкость аккумулятора не является гарантией длительного срока его службы.
Пожалуй, самая яркая тенденция: большинство телефонов попадают в промежуток времени 3.5 – 4 часа автономной работы. Похоже, на эти цифры и нацелены производители – Google Pixel 4 на 2800 мАч, Galaxy S20 на 4000 мАч (модель Exynos) и 4510 мАч OnePlus 8 Pro – все они находятся в нескольких минутах друг от друга. Очевидно, что различные аппаратные характеристики и функции ПО используют аккумулятор по-разному.
Всё зависит от “начинки”
Аккумулятор питает всё оборудование вашего смартфона, от процессора до экрана. Очевидно, что различные аппаратные средства используют разное количество энергии. К примеру, процессоры низкого и среднего уровня потребляют меньше энергии, чем их флагманские аналоги.
В целом, более высокая производительность требует большего количества энергии. Поэтому так часто бюджетные телефоны имеют более длительное время автономной работы, чем телефоны премиум-класса с той же ёмкостью аккумулятора.
Но даже флагманы, как видите, могут иметь очень разные уровни энергопотребления. Посмотрите на ситуацию с Samsung S20 на базе чипсета Exynos и Snapdragon. Производители могут занижать скорость или, наоборот, разгонять чипсеты, чтобы достигать предпочтительной производительности.
Есть несколько хороших примеров того, как дополнительное аппаратное обеспечение может быстрее разряжать батарею. Google Pixel 4 и его радиолокационная система Soli являются ярким примером наличия функции, которая ускорят разряд.
Наличие камеры time-of-flight с её системой фокусировки, более мощных стереодинамиков или дисплея 4K также влияет на срок службы батареи. Даже что-то совсем маленькое, как зарядка S Pen в последних телефонах Galaxy Note, сказывается на сроке автономной службы. Да, эти функции делают телефоны уникальными, но они же имеют свою цену.
Тенденция к увеличению частоты обновления дисплеев также играет большую роль в том, почему современные телефоны потребляют так много энергии. Именно это является причиной того, что телефоны серии Samsung Galaxy S20 поддерживают частоту 60 Гц изначально, несмотря на наличие поддержки 120 Гц. Режим Pixel 4 с частотой 90 Гц понижает яркостью дисплея в попытке продлить срок службы батареи. Причина в том, что чем быстрее обновляется содержимое дисплея, тем больше энергии он потребляет.
Хотите ещё несколько примеров? Знаете ли вы, что 4300 мАч OnePlus 8 с экраном 90 Гц обеспечивает более длительное время автономной работы, чем 120-герцовый OnePlus 8 Pro с батареей на 4510 мАч? В остальном эти два телефона имеют практически идентичные характеристики – и это подчёркивает, насколько эффект частота обновления способна влиять на срок службы батареи.
Учтите, что время автономной работы – это не только вопрос аппаратной начинки. ПО смартфона также может влиять на время автономной работы, выгружая из памяти фоновые приложения, чтобы уменьшить нагрузку на процессор. Оболочка EMUI от Huawei, как известно, более агрессивна в этом отношении, чем Samsung UI One.
Энергозатратные 5G
Другой недавней тенденцией, усложняющей ситуацию с батареей, является поддержка 5G. Модемы и радиокомпоненты для 5G потребляют больше энергии, чем аналогичные для сетей 4G, а это означает, что ваша батарея не проработает долго в случае 5G-подключения. Ситуация усложняется тем, что разные 5G модемы и чипсеты потребляют разные уровни мощности.
Чипсеты среднего класса со встроенными модемами 5G, такие как Exynos 980 и Snapdragon 765G, должны потреблять немного меньше энергии, чем внешние модемы премиум-класса, используемые во флагманских смартфонах. Отчасти это может быть причиной того, что модели LG Velvet и, судя по слухам, Google Pixel 5 отказываются от энергоёмкого флагманского чипсета Qualcomm, Snapdragon 865.
Переход на оборудование 5G, безусловно, увеличил потребность в батареях большей ёмкости. Однако, является ли это важным параметром при покупке, зависит от того, действительно ли вам нужна поддержка пока не распространённых 5G-сетей.
Если вы сейчас работаете с 4G, что наиболее вероятно, то энергопотребление компонентов смартфона будет не таким высоким, а время автономной работы станет чуть более длительным.
По словам генерального директора Redmi Лу Вейбинга, переход с 4G на 5G обычно требует как минимум на 20% больше энергии.
Вопрос баланса
Ключевой вывод из всего сказанного: создать смартфон с длительным временем автономной работы не так просто, как встроить в него максимально возможную батарею. Производители должны учесть стоимость, объём свободного пространства в корпусе и оборудование, которое собираются использовать. Чем больше функционала в телефоне, тем сложнее всё это сбалансировать. Большинство производителей стараются достичь баланса в необходимом оборудовании и ёмкости аккумулятора, который поможет использовать смартфон в течение всего дня.
Стресс-тест не выявил прямой зависимости между ёмкостью и временем автономной работы, потому что её нет. Аккумуляторы большего размера, очевидно, обеспечивают большую мощность, но выбор оборудования, сделанный производителями, оказывает не меньшее влияние на фактические результаты работы батареи.
Смартфоны среднего класса с менее энергоёмкими технологиями, такие как Pixel 3a, имеют батареи меньшего размера, работая при этом весь день. В премиум-сегменте производители используют аккумуляторы большей ёмкости для поддержки более энергозатратных технологий, вроде 5G, дисплеев с высокой частотой обновления или дополнительной производительности в играх.
Конечно, то, как вы используете свой телефон, тоже очень влияет на время автономной работы. У фанатов соцсетей и сёрфинга в интернете в конечном итоге расход батареи гораздо ниже, чем у мобильных геймеров.
Ёмкость аккумулятора — одна из первых характеристик, на которую обращают внимание при покупке. Разумеется, после того, как посмотрят его рабочее напряжение. Емкость — это количество электричества (электрический заряд), которое может взять или отдать батарея при определенном напряжении в определенный отрезок времени. Измеряется ёмкость в ампер-часах. Для небольших аккумуляторов измерение производится в миллиампер-часах. Однако, обойтись при выборе только ёмкостью, было бы неверным решением. Ведь ёмкость — это не какое-то количество энергии. Емкость — электрический заряд, который этот источник питания может отдать или принять за определенное время. Вот, чтобы это время не превышалось, и существует понятие токоотдачи аккумулятора.
Обозначение параметра токоограничения на корпусе аккумулятора
Токоотдача — это допустимая скорость, с которой может разряжаться данный аккумулятор. Эта характеристика измеряется в номинальных ёмкостях конкретной батареи. Обозначается числом с латинской буквой “C”. Обычно на корпусе аккумулятора указывают величину токоотдачи в двух вариантах — рабочую и максимальную. К примеру, характеристики токоотдачи указаны как 10-20 C. То есть, рабочая токоотдача составляет 10 C, а максимальная 20 C.
Что же означает параметр токоотдачи, иногда называемый “ток разряда”? А означают он, что конкретный аккумулятор может отдать весь запас своей “энергии” за определенное время без опасности повреждения. Определить это время можно, если разделить один час на числовое значение указанное перед буквой C. Делимым в этом примере является один час. Потому что аккумулятор всю свою емкость теоретически отдает за час времени. (Если в инструкции указано другое время, за которое батарея отдает всю свою емкость, то делимым будет это время.) Например, токоотдача аккумулятора 10 C, а его ёмкость 1000 мАч. Делим 60 минут на число 10, стоящее перед буквой C (60/10=6), и получаем 6 минут. Иначе говоря, данный аккумулятор можно разрядить за шесть минут. Причем, разрядка произойдет при спокойной работе этого электроприбора без опасности повреждения батареи.
Однако, ведь существует еще и максимальная токоотдача 20 C. Значит, шестьдесят минут делим на двадцать (60/20=3) и получаем три минуты. Значит, данный аккумулятор можно разрядить за три минуты при максимальной нагрузке электроприбора. Вот эту скорость разряда батареи и нужно соблюдать. Можно, конечно, разряжать аккумулятор и более длительное время. Но за более короткое время разряжать его нельзя категорически.
Время разряда напрямую зависит от силы тока, который протекает в цепи, питаемой данным аккумулятором. Например, имеется батарея емкостью 1000 мАч (1 Ач) и напряжением 12 вольт. Подключаем к ней лампочку мощностью 1,2 ватта и напряжением 12 вольт. Так как мощность лампочки 1,2 ватта, то в цепи будет протекать ток силой 100мА или 0,1А (I=P/U=1,2/12=0,1 ампер). И светить лампочка может 10 часов (T=Q/I=1 Ач/0,1 А =10 часов). Подключаем, например, электродвигатель, который имеет мощность 120 ватт. В цепи протекает ток силой 10 ампер (I=P/U=120/12=10 ампер). Время работы от аккумулятора данного электродвигателя составит всего 6 минут (t=Q/I=1 Ач/10 А =0,1 часа=6 минут).
Теперь можно определить нужную токоотдачу аккумулятора для этих двух электроприборов. Во-первых, время работы лампочки 10 часов. Значит делим один час на десять (1/10=0,1). То есть, получаем токоотдачу 0,1 C. Это слишком малая величина для параметра токоотдачи. Иначе говоря, при выборе аккумулятора для питания такого маломощного потребителя как лампочка параметр токотдачи не очень важен.
Во-вторых, электродвигатель разрядит эту батарею за 6 минут. Делим один час на шесть (60/6=10). То есть, получаем токоотдачу 10 C. Получается, что для питания электродвигателя 120 ватт в течении 6 минут понадобится аккумулятор емкостью 1 Ач и токоотдачей 10 С. Здесь мы видим, что для такого сравнительно мощного электроприбора как электродвигатель мощностью 120 ватт уже стоит учитывать токоотдачу аккумулятора.
Токоограничение — важный параметр многих аккумуляторов
Также, используя в расчетах величину токоотдачи, можно узнать номинальный и максимальный ток, который может протекать в цепи при питании её от данного аккумулятора. А узнать ток, который, образно говоря, способен отдать аккумулятор, можно, умножив величину токоотдачи на величину ёмкости аккумулятора. Например, токоотдача аккумулятора 10-20 C, а его ёмкость 1000 мАч. Значит 10×1000=10000, то есть, рабочий ток аккумулятора – 10000 миллиампер (10 ампер). Ток с такой силой может протекать в цепи при номинальной (рабочей) нагрузке. А максимальный ток составляет 20×1000=20000 миллиампер или 20 ампер. Протекание тока с такой силой без вреда для себя может выдержать аккумулятор кратковременно.
Токоотдача никак не влияет на время работы электроприбора. Токоотдача аккумулятора может быть хоть 5 C, хоть 100 C. Увеличение токоотдачи не увеличит время работы электроприбора. Разумеется, при условии что аккумуляторы имеют одинаковую ёмкость. А время работы электроприбора, в первую очередь, зависит от мощности электроприбора и ёмкости аккумулятора.
Токоотдача не изменяется при любом соединении нескольких аккумуляторов. Хоть параллельной, хоть последовательной. Если же соединить параллельно два аккумулятора с разной токоотдачей, то токоотдача этой сборки будет равна токоотдаче аккумулятора с меньшей токоотдачей.
Иногда параметр токоотдачи не играет большой роли при выборе аккумулятора. Однако, для работоспособности некоторых устройств особенно важен параметр тока разряда аккумулятора. Например, аккумуляторы с высокой токоотдачей применяют в электроинструменте, в электронных сигаретах, в электромобилях. Аккумуляторы с высокой токоотдачей имеют внутреннюю химию, ориентированную на безопасную отдачу электроэнергии при протекании максимальных токах. Разумеется, без пагубных последствий для дальнейшей работы аккумулятора.
Несомненно, токоотдача не может фигурировать сама по себе. Этот параметр всегда связан с ёмкостью аккумулятора. Выбирая аккумулятор определённого напряжения, надо в первую очередь смотреть на его емкость. А затем примерно рассчитывать время работы электроприбора от аккумулятора. После этого и надо обращать внимание на параметр “С”. Разумеется, выбор этой характеристики зависит от того, какой именно электроприбор будет работать от данного аккумулятора. Это может быть квадрокоптер, привод страйкбольного оружия, электрооборудование автомобиля, электромобиль, какая-нибудь самодельная модель и многое другое.
Обозначение токоограничения на аккумуляторах
Чтобы во время работы электроприбора аккумулятор не разряжался с недопустимой для него скоростью, и необходимо учитывать параметр токоотдачи. Иначе говоря, разряд аккумулятора при слишком большой силе тока, протекающей в цепи, и за слишком короткое время приводит к менее эффективной отдаче электроэнергии. Разумеется, что это нелинейно уменьшает время работы аккумулятора. А значит, приводит к перегреву и снижению срока службы. Вплоть до полного выхода из строя за очень короткое время.
Для вашего удобства подборка публикаций
Что такое якорь и индуктор и чем они отличаются от ротора и статора?
От какого слова произошло понятие электричество?
Электрическая дуга между контактами
Электромагнитная индукция
Токовые трансформаторы. Подключение электросчетчика для башенного крана
Индуктивное сопротивление
Что такое фаза, ноль и земля в электротехнике
Система защитного заземления – TN-C-S
Как правильно рассчитать мощность генератора для дома
Синхронный и асинхронный генераторы
Что такое заземление?
Инверторные генераторы
Схема подключения УЗО в однофазной сети без заземления
Что будет если засунуть гвоздь в розетку защищенную УЗО?
Система защитного заземления TN-C – зануление с повторным заземлением
3 латинских буквы на автоматических выключателях
Где в розетке плюс, а где минус?
Величина напряжения прикосновения в разных ситуациях
Главная страница
Спасибо за посещение канала, чтение заметки, упоминание в социальных сетях и других интернет — ресурсах, а также подписку, лайки, дизлайки и комментарии (Лайки и дизлайки можно ставить не регистрируясь и не заходя в аккаунт)