帮助你了解电源.docx
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帮助你了解电源
电池发明的故事
在意大利Bologna市中心大广场南侧还有一个小广场，这里立着一个著名科学家的雕像，他和电池的发明有密切联系。
发明电池，功不可没LuigiGaluarni
谈到电池的发明不得不说到青蛙，意大利Bologna大学的解刨学教授LuigiGaluarni在起电机旁解剖青蛙时发现当金属刀接触青蛙腿部神经时蛙腿会抽搐。
他很留意这个情况，之后又做了很多实验，发表了论文《关于电对肌肉的运动作用》，与此同时，一个专门做电学实验的意大利人AlessandroVolta也看到了这篇文章，并结合电现象做起了实验。
解剖青蛙
他把一根由两种金属接起来的弯杆，一端与眼睛接触，另一端放在嘴里，在接触的瞬间就有光亮的感觉（这和牛顿用钻压眼球直视太阳光有一拼）。
“疯子”AlessandroVolta
之后他用舌头同时舐着一个金币和一个银币时，一旦用导线连接两币就会产生刺觉（这人总是用五官做实验……）。
我猜也许Luigi那篇论文是意大利文写的，所以其他国家科学家才没有捷足先得。
最初的两种原始电池
伏特猜想，在所有这些实验中本质的东西是不同金属的接触。
1794年他开始着手证明这个假说。
实验证明，只要在两种金属片中间隔以盐水或碱水浸过的吸墨纸，麻布，并用金属线把它连接起来，不论有无青蛙肌肉，都会有电流通过，蛙腿神经只不过是一种非常灵敏的验电器而已。
伏特堆原理图
1799年，伏特把一块锌板和一块银板浸在盐水里，发现连接两块金属的导线中有电流通过。
于是，他就把许多锌片与银片之间垫上浸透盐水的绒布或纸片，平叠起来。
用手触摸两端时，会感到强烈的电流刺激。
伏特用这种方法成功的制成了世界上第一个电池——“伏特电堆”。
这个“伏特电堆”实际上就是串联的电池组。
1801年他在法国科学院展示电池时拿破仑也在场，他立即下令授予伏特一枚特制金质奖章和一份养老金。
伏特的另一份荣誉和拿破仑给的奖章相比要高很多：
为了纪念这位物理学家电压的单位就是使用了伏特的名字Volta。
Daniell电池
1836年，英国的Daniell对“伏特电堆”进行了改良。
他使用稀硫酸作电解液，解决了电池极化问题，制造出第一个不极化，能保持平衡电流的锌—铜电池，又称“丹尼尔电池”。
此后，又陆续有去极化效果更好的“本生电池”和“格罗夫电池”等问世。
但是，这些电池都存在电压随使用时间延长而下降的问题。
薄如纸张的电池
在汽车、笔记本电脑、MP3和手机中都可以看到电池。
我们先看看几种日常生活中能见到的电池，再看看当今电池技术的顶峰产品。
PP3电池
在便携式晶体管收音机兴起时，PP3电池便应运而生，即使到现在，仍有生产商把它称作“晶体管”电池（"transistor"battery）。
劲量公司声称这款电池是由他们在1956年首先推出的。
在一些手持烟雾探测器和闹钟里还有可以见到它。
ipodshuffle锂电池
这种电池已经广泛运用在各种MP3、MP4、GPS导航中，锂电池在工作电压、使用寿命、充电时间上都是突破点。
超快速充电锂电池
上面是东芝公司的员工展示超快速充电锂电池，一块电池可以在5分钟之内充满总电量的90%。
超薄锂电池
NEC超薄锂电池
这是NEC公司研发的超薄锂电池，电池可以在一定程度上弯折，采用有机物存储电能。
喝橘子汁的电池
这款电池是在2008年国际消费类电子展时展出的“喝橘子汁的电池”。
喝橘子汁的电池
只要注入一些液体，比如橘子汁，酒精、甚至是口水，都可以让它工作。
从废旧电池里找铝
这张照片拍摄于印度的贫民窟，一位工人正在用锤子凿开电池，为了从中取走铝，而这种处理方式会对水和土壤造成很严重的污染。
废旧电池
这张图片摄于墨西哥城，当地的绿色和平组织把积攒的一桶空电池堆放在墨西哥环境局大门口，呼吁公众了解废电池对水环境的危害。
扔在海中的废电池
这张图片摄于格拉斯哥的Prestwick，一个废弃的汽车蓄电池被扔在海中，电池里面的酸和铅的危害都非常大。
中国的环保活动
在这篇文章中中国是努力改善环境的典型，这幅图摄于北京，活动者用空电池摆出“环保”字样，向市民宣传电池环保处理方式。
这里也顺便夸一下泡泡网，2个月前我下楼取快递时发现前台为员工准备了一个大纸盒，专门用来回收空电池，这也反映了越来越多的大公司注重环境问题。
燃料电池越来越火
在美国一些大的超市也为消费者准备了废旧物品的回收箱，可以放废弃手机电池、其他电池、废纸等。
废弃电池回收箱
这些东西在中国情况略有不同，因为在我国的大城市中专门有收购废品的职业，所以我们总是习惯把旧东西卖掉，不过废电池、碎玻璃、废塑料袋他们是不收的。
超长耐久电池
这位模特展示的是松下最新开发的EVOLTA系列碱性电池，这款电池储存的电量已经申报了吉尼斯世界记录，是普通AA碱性电池的10倍。
燃料电池
这是一款世界上最小的燃料电池，和一枚硬币的大小类似，能够为电脑提供8-16小时的电力。
质子交换膜燃料电池
这是卡西欧电子研制的质子交换膜燃料电池，在原理上相当于水电解的“逆”装置。
这款电池的容量比普通笔记本锂电池大4倍，而且还有望应用在汽车等大型设备中。
10毫升假酒能听60小时
这一款电池也来自东芝电子，这款燃料电池使用甲醇做燃料，如果用它听MP3的话，10毫升甲醇可以听60个小时。
甲醇燃料电池
燃料电池虽然现在还罕有投入实用和量产的商品，但很多实验品都选用甲醇做燃料。
快速充电
东芝公司在快速充电技术上表现一直很抢眼，这款电池可以在30秒内完成80%电量的充电。
布什与氢燃料电池
美国前总统布什在JohnsonControls电池技术中心和科学家就氢燃料电池进行讨论。
从图片看这里也应该是公司的接待位置，不知道为什么把眼睛保护的那么严密？
？
汽车用电池驱动
已经有电池应用在汽车中了，图中的照片是福特汽车公司Escape系列混合动力SUV的电池仓。
锂电池驱动汽车
这是一款雪弗莱使用锂电池的概念车设计，图中蓝色的部分就是锂电池。
不过和氢燃料电池相比，这个离实际量产相距更远。
在家如何搭建伏特堆
电池是能持续产生电子的化学装置。
每个都电池有正负极，在AA、AAA型、C型或者D型电池中，正负极在电池的两端。
C型和D型电池
负极部分产生电子，正负极之间如果连接一根金属线，电子就顺着它迅速流到正极，有多快呢？
主要看电压有多高，不过大约几百公里每秒的样子，如果直接这样接起来是比较危险的，一般都需要把某种类型的负载接在电池正负极两端，比如灯、电动机、无线电等等。
最简单的电池应用
电池两端电子生成的数量取决于电池里化学反应的速度，您可以在电子市场中买个几十块钱的万用表，这样可以看到自制电池生效的过程。
廉价万用表
以下将介绍如何制作伏特电堆：
1、准备若干1毛钱、5毛钱硬币，纸板、盐、水
2、兑一杯盐水，尽量饱和
3、将纸板浸入盐水中
4、5毛钱硬币在上，1毛钱硬币在下，中间夹一层蘸了盐水的纸板（三明治一样）
5、把若干个三明治堆起来。
伏特电堆示意图
这时你用万用表量顶部与底部的电压，会出现读数，200年前伏特就做过这样的实验了。
您也可以增加堆叠层数看看电压如何变化，也可以改用其他币种看看电压有什么变化。
在家如何制作简单电池
此外还可以做一个实验，需要准备以下材料：
一个容器（糖罐）、一些稀酸（醋、柠檬汁）、几个钉子（曲别针、大头针）、一些铜线。
然后这样做：
1、选择不同材质的钉子，一根铜丝拴一个钉子
2、把算倒入容器内
3、把两个系着铜丝的钉子扔进容器里，不让他们互相接触
4、用万用表看电压电流变化
简单的电池
您可以换用曲别针，或者其他金属看看电压与电流的变化，也可以换用盐水看看变化。
各种化学电池的工作
大部分传统电池让电子保持一个方向的运动从而产生电流的，蓄电池则可以在外加电压的作用下发生逆向反映。
比如铅酸蓄电池在适当的电压下向电池充电，两个极板上将再次生成铅和二氧化铅。
而中学学过的很多生成氢气的电解反应过程中，氢气就很难回到电解液中。
现代电池使用各种化学物质为反应提供能量。
典型的化学电池包括：
∙锌碳电池——（也称为标准碳电池）所有廉价的AA型、C型和D型干电池均使用锌碳化学物质。
电极为锌和碳，两极之间采用酸性糊状液体作为电解液。
∙碱性电池——用于常见的Duracell（金霸王）和Energizer（劲量）电池，电极为锌和二氧化锰，并使用碱性电解液。
∙照相机锂电池——照相机中的电池使用锂、碘化锂和碘化铅，因为它们能够提供电涌保护。
∙铅酸电池——用于汽车，电极为铅和二氧化铅，并使用强酸电解液（可充电）。
∙镍镉电池——电极为氢氧化镍和镉，并使用氢氧化钾作为电解液（可充电）。
∙镍金属氢化物电池——此类电池将很快取代镍镉电池，因为前者不存在记忆效应，而后者却存在（可充电）。
∙锂离子电池——由于具备极佳的功率重量比，因此此类电池通常用于高端笔记本电脑和手机（可充电）。
∙锌空气电池——此类电池重量轻，并可以充电。
∙锌汞电池——此类电池通常用于助听器。
∙锌银电池——由于具备良好的功率重量比，因此此类电池用于航空航天设备。
∙金属氯化物电池——此类电池用于电动车。
电池的串联与并联
在使用电池的设备中因为需要的电压和电流不同，我们不可能只使用单个电池，通常需要将电池单元串联在一起形成更高的电压，或将其并联在一起形成更高的电流。
下图显示了这两种结构：
电池的并联和串联
上面四个电池是并联，如果每个电池单元生成1.5伏电压，四个并联后电压也是1.5V，但提供的电流却为单个电池单元的四倍。
下面的四个电池是串联，这样连接后将产生6V电压，能提供的电流和单个电池一样。
当你买电池时，包装上会显示电池的额定电压和额定电流。
比如老式数码相机使用四节镍镉电池，每个电池单元的额定电压为1.25伏，额定电流为500毫安时，额定毫安时表示电池里的电量，也就是可以提供电子的总数。
您可以将额定的毫安时划分为多种不同的形式，一个500毫安时的电池可以在100小时内生成5mA电流，在50小时内生成10mA电流、在20小时内生成25mA电流，或（在理论上）在1小时内生成500毫安电流，甚至在30分钟内生成1A电流。
电池的额定电压与电流
但电池并不具备如此高的线性。
首先，所有电池都有一个额定的最大电流—一个500毫安时的电池无法在1秒内生成30,000毫安电流，原因是该电池的化学反应无法在如此短的时间内发生，并且在更高的电流强度下，电池会生成大量热量，从而损失了某些能量。
此外，在极低的电流强度下，许多化学电池的寿命可能会比预期的寿命长或短。
但在通常的使用范围内，可以对额定毫安时进行一定程度的线性划分。
使用额定的毫安时，可以粗略估计电池在给定负载下的持续供电时间。
如果将四个1.25伏、500毫安时的电池串联在一起，则最终的电压为5伏（1.25x4），电流为500毫安时；如果将这四个电池并联在一起，则最终的电压将为1.25伏，电流为2,000（500x4）毫安时。
您是否见过9V电池的内部结构？
9V电池内部结构
9V电池实际是有6个首尾相接的1.5V小电池组成的。
编辑总结：
电容是电子设备中的重要元件，在电源中也是如此，电池和电容都有储能的功能，而相比较来说，电池储能的密度远远大于电容（几万倍？
），之后我们会简单介绍一些电容的工作过程。
浪涌基本知识
泡泡网机箱电源频道2009年10月12日也许您曾有过这样的经历：
在买电脑时，再为您的电脑再买一个浪涌保护插座。
APC、公牛、突破等等牌子的插座都有这样的功能，浪涌保护插座和一般的插座外观类似，可以让多个用电器共用一个电源插座。
浪涌保护插座
我们在PC电源里也可以看到这个部件，一般是黄色、绿色的小圆片，有些被热缩管套住了，我们有时称它为MOV（金属氧化物变阻器）。
图中红框内就是MOV
但最重要的是，带有浪涌保护器的插座还可以保护电脑中的元件免受电源浪涌的损害。
这篇介绍中，我们将了解浪涌保护器的作用。
并且我们还会知道到它能提供怎样的保护，以及为什么有些浪涌保护器会失效。
浪涌保护器可以防止浪涌对元器件的损害。
所以如果您想知道它是如何防护的，就需要弄清两点：
一、什么是浪涌；二、元器件为什么需要这类防护。
什么是浪涌？
什么是尖峰？
浪涌和尖峰笼统来说是电流流动的过程中突然出现大幅超过其额定电压的情况。
电压是一种表示电势能差的单位。
电流能够从一点流到另一点，是因为电线一端的电势能比另一端的电势能大。
这就像水流，水管一侧压力高，就会推着水流像压力低的方向流动。
有一些因素会导致电压短时间的增加，稍后我们会说到。
我们首先来看看浪涌的定义：
电压在110%额定电压以上，时间持续超过一个周期，对于我们的电网而言就是242V以上电压持续20ms以上的时间。
如下图就是浪涌的情况，浪涌的发生一般由于附近重型用电器停机造成。
浪涌示意图
尖峰是指在十几毫秒内产生超过2000V的电压，如下图中所示，出现这种电压一般由于雷电、电源切换、静电放电这些原因造成。
尖峰示意图
常看泡泡机箱电源频道的网友常常看到我们在EMI滤波部分这样说：
“EMI滤波电路可以滤掉电流的浪涌和尖峰。
”根据信号的频率浪涌和尖峰持续的时间也不同，不过与浪涌相比，尖峰的持续时间会更短一些。
什么导致了浪涌和尖峰
电流尖峰最常见的来源就是雷电，尽管我们在建筑物上有避雷针，而且运气也不会差到总是被劈到。
但当闪电出现在电源线附近时，无论电源线是埋在地下、置于建筑物中还是沿着电线杆延伸，都会受到影响，如果运气不好，闪电电能可以增加几百万伏的电压。
这种高压将超过几乎任何浪涌保护器的承受范围。
在雷电交加的暴风雨中，您不可能100%靠浪涌保护器来保护电脑，最保险的做法还是拔掉电脑的电源插头。
恐怖的闪电
对于浪涌来说，源头是大功率电气设备，例如电梯、空调和冰箱。
这些大功率设备在启动和关闭压缩机和电动机等部件时需要大量的电能。
这种切换操作会产生突然且短暂的电力需求，从而扰乱电压的稳定。
虽然这些浪涌的影响远不及恐怖的闪电，但是它们的强度也可以立即或慢慢损坏设备元件，这种损坏在很多建筑物的电力系统中都经常发生。
MOV浪涌吸收器介绍
在大部分浪涌保护器中，都有一个称为金属氧化物变阻器（MetalOxideVaristor，MOV）的元件，如下图所示，MOV将火线和地线连接在一起。
浪涌保护插座的结构
MOV由三部分组成：
中间是一根金属氧化物材料（主要是氧化锌ZnO），由两个半导体连接着电源和地线。
各种MOV元件
这些半导体对电压的变化比较敏感，当电压低于某特定值时，半导体中载流子输运降低到很低的水平，产生极高的电阻，因而电流不从这里通过，而当电压超过该特定值时，电阻会大幅降低，高压电流更愿意通过这里，从而保护了其他电路。
实际使用中的MOV
按照这种方式，MOV仅引导不正常的高压电流到大地，同时允许标准电流继续为设备供电。
打个比方说，MOV的作用就类似一个压敏阀门，只有在压力过高时才会打开。
气体放电管浪涌吸收器介绍
还有一种浪涌保护元件使用的是气体放电管，它的工作过程和MOV非常相似，当电压在某一特定值以下时，管子中气体是不良导体，这相当于MOV高阻状态，而当电压高于该特定值后气体原子的电子被场强拽出原子核束缚的距离，气体电离，这时管子就是一个导体，电阻值很低，对应于MOV低阻态。
气体放电管
不论是采用MOV还是气体放电管，他们都采用与主电路并联的方式，如果电压太高，电流就从保护电路-大地这条途径释放掉，如果正常，就走入主电路。
不过还有一种浪涌保护器采用和主电路串联的方式，当检测到高压时会存储电能，之后再慢慢释放，这种方式没有分流，避免对建筑物电力系统的干扰，而且对浪涌的反应速度也更快。
PC电源中如何处理浪涌吸收
作为辅助元件，很多浪涌保护电路还有一个保险丝，保险丝也可以看出一个变阻器，它是串联在主电路中的，当电流低于某个特定值时导电性很好，一旦电流高过该特定值电阻丝阻值增大，电阻产生的热量导致温度迅速升高烧断保险丝，切断电路，不过保险丝只能使一次，而浪涌保护器在通过一次浪涌后只需要很短的时间就可以再次恢复到高阻状态。
MOV元件和保险丝
我们在大部分电源的EMI滤波部分也可以看到MOV元件和保险丝共同使用的例子，很低端的电源会首先选择省略MOV元件，一般这种电源在其他部分做工也不会老实。
下面我们看一个比较完善的浪涌保护电路。
EA500D的滤波电路
上图是电源EA500D的滤波小板，台达出品。
这个电路中除了有MOV和保险丝外，还增加了几个电感线圈，电感线圈是一个用磁性材料做的环，外面缠绕着导线。
电感有一个最大的特点：
此中电流不会出现突变，这包括不能出现电流的突然增加/减小，电流反向等。
电感线圈中磁-电的能量转换平缓了电流的尖峰。
不是任何电器都需要浪涌保护
我们谈到浪涌保护，不仅仅限于电脑，凡是有控制芯片的设备都面临着浪涌的危险，有一些设备确实有必要增加浪涌保护器。
对于我们的电脑而言，是否需要买浪涌插座甚至利用不间断电源（UPS）中的浪涌防护功能，意见不一，原因就在于PC电源中已经集成了这部分功能，不过电源的做工参差不齐，比如上面我们就举例过，低端电源往往在浪涌吸收元件和差模电感上偷工减料，好的电源不但一应俱全，还会解决到频繁开关使浪涌吸收器来不及恢复，而失效的问题。
SG850电源中滤波电路
比如在上图中浪涌吸收元件在开机时和我们刚才说的工作原理一样，而开机后马上通过继电器把它短路，让它恢复到高阻状态，这样电源工作一段时间后关机，马上再开机时，这个元件的保护功能还可以继续起效。
其他高档电器中也都会有自己的电源，比如大屏幕电视、LED、高清播放机、他们里面的电源是不是做了这样的保护呢？
其实也和电源类似，参差不齐，总的来说买大牌子的电器各部分做工都会好一些，比如他们里面的电源就会很规矩。
有人建议在所有入户的电缆上都加上浪涌保护器，比如电话线、调制解调器连电话的线。
也不是所有电器都需要浪涌保护器，比如台灯，因为最坏的结果也就是灯丝烧了，换一个就行了。
电脑最安全的保护方式
浪涌保护器的性能差很大，价格上也不一样，市场上花3、40块钱就可以买到一个带浪涌防护功能的接线板。
插座的内部结构和我们刚才看到的差不多。
低价浪涌防护插座结构
这种插座能提供的保护功能是很有限的，只能防护3000V以下的浪涌。
此外也有好几万元的保护系统，它提供的保护功能几乎能扛住闪电造成的强大电涌。
具体应该怎么选择还是应该根据您的用电设备特点而定，这就像买健康保险一样，应该找到合适自己的保险范围。
有一种安装在电表上的浪涌保护器，可以处理1-2万伏的高压，住宅内的大部分电器就可以免受电网输入进来的浪涌和尖峰了，不过对于住宅内大功率用电器产生的浪涌则没有任何保护作用。
对电脑而言最最稳妥的浪涌防护方法就是使用一个质量较好，带浪涌防护功能的插座，接不间断电源（UPS），再接电脑。
购买浪涌保护器须知
购买浪涌保护器时需要非常小心，因为市场上充斥着大量几乎不起任何作用的产品。
研究特定的型号是确保买到合适产品的最佳方法，不过仔细留心几个质量标志，也能很好地了解产品的性能级别。
从价格上看，不要对那些售价低于50块钱的浪涌保护器抱太多期望。
这些装置通常采用简单、低廉的MOV，容量相当有限，无法处理较大浪涌或尖峰。
当然，价格高并不能保证质量好。
您若要了解设备的容量，可以查看其美国安全检测实验室（UL）标称值。
UL是一个独立的非赢利公司，它专门为电气和电子产品提供安全检测。
如果保护器没有UL标志，它很可能就是一个垃圾产品。
廉价的MOV很容易过热，进而导致整个浪涌保护器起火，这种事故屡见不鲜。
不过带UL标志也不意味着性能超强，但最起码您可以确保它们具有一定的保护能力，至少可以勉强符合安全标准。
您要确保产品标示为瞬变电压浪涌抑制器。
这表示它符合UL1449标准，即浪涌抑制器的UL最低性能标准。
虽然电子市场随着法规的健全规范了很多，但还是有带着UL标志的电源板其实根本就没有浪涌保护元件。
在带有UL标志的浪涌保护器上，可以发现几组标称值。
如下所示：
∙箝位电压—这表示将导致MOV接通地线的电压值。
箝位电压越低，表示保护性能越好。
此UL标称值有三个保护水平—330伏、400伏和500伏。
通常，箝位电压超过400伏就太高了。
∙能量吸收—此标称值表示浪涌保护器在烧毁前能够吸收多少能量，单位为焦耳。
其数值越高，保护性能就越好。
您购买的保护器的这一标称值至少要在200至400焦耳之间。
若要获得更好的保护性能，应该寻找此标称值在600焦耳以上的产品。
∙响应时间—浪涌保护器不会立刻断开；它们对电涌做出响应会有略微的延迟。
响应时间越长，表示计算机（或其他设备）将遭受浪涌的持续时间越长。
请购买响应时间低于一毫微秒的浪涌保护器。
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