電気の研究

  • ELECTRONICS

電池とは?

・物質が持つエネルギーを電気エネルギーに変換する物

電池の種類

・化学電池:化学的なエネルギーを電気エネルギーに変換する。(例:乾電池やリチウムイオンバッテリー)

・物理電池:物理的なエネルギーを電気エネルギーに変換する。(例:太陽電池や原子力電池)

化学電池の歴史

・1791年:ガルバニ電池(電池の原理)
・1800年:ボルタ電池(最初の電池)
・1836年:ダニエル電池(ボルタ電池の改良版)
・1859年:鉛蓄電池(最初の2次電池)
・1866年:ルクランシュ電池(マンガン電池の原理)
・1887年:屋井電池、1889年:ガスナーヘレセンス電池(最初の乾電池)
・1899年:ニッケルカドミウム電池
・1947年:アルカリ電池
・1979年:リチウムイオン電池
・1980年:ニッケル水素電池

化学電池の原理(1次電池)

例:ボルタ電池(最初の1次電池)

バッテリー00
硫酸水溶液中で負極(亜鉛)がイオン化し、電子が正極(銅)へ移動する。正極では水溶液中の水素イオンが電子を受け取り水素ガスが発生する。

化学電池の原理(2次電池)

例:鉛蓄電池(最初の2次電池)

バッテリー01
放電時:硫酸水溶液中で負極(鉛)がイオン化し、電子が正極(二酸化鉛)へ移動する。正極では二酸化鉛と水溶液中の水素イオンが電子を受け取り硫酸鉛が析出する。負極でも硫酸鉛が析出する。

バッテリー02
充電時:負極(硫酸鉛)では電子を受け取り鉛と硫酸イオンに分離する、電子が正極(二酸化鉛)へ移動する。正極(硫酸鉛)では電子を失い水と反応し二酸化鉛と水素イオン、硫酸イオンに分離する。

リチウムイオン電池の原理

バッテリー04
放電時:負極(炭素)に蓄えられているリチウムイオン電池が電解液中へ放出される。正極(コバルト酸リチウム)ではコバルト酸リチウム内にリチウムイオンが入り込む。

バッテリー05
充電時:正極(コバルト酸リチウム)に蓄えられているリチウムイオン電池が電解液中へ放出される。負極(炭素)では炭素内にリチウムイオンが入り込む。

リチウムイオン電池の特徴

・リチウムの原子番号が3番と小さく、エネルギー密度が高い。
・リチウムの標準酸化還元電位が非常に低いため高電圧が取り出せる。
・リチウムは水と爆発的な反応を起こすために電解液に有機溶媒()が用いられる。
・リチウムイオン電池内でのリチウムは金属リチウムではなくリチウムイオンとして存在する。
・両電極が層状になっており、その隙間にリチウムイオンが入り込む形になっている。(インターカレーション型電池と呼ばれる)
・リチウムイオンが両電極の間を移動するのみなので電解質の濃度が変化しない。(ロッキングチェア型電池と呼ばれる)

バッテリー06
バッテリー07

リチウムポリマー電池の特徴

・電解液である有機溶媒に高分子ポリマーを混ぜて、ゲル状にしている。
・電解液がゲル状になっているため短絡が起こりにくい。
・液体が存在しないため、電池の形の自由度が高い。
・液体が存在しないため、液漏れしない
・電池内で問題があっても、電池自体が膨らむことにより内圧が高まりにくい。

 

電池の安全

・電池は化学エネルギーを電気エネルギーとして取り出す。

・電池の内部では、化学反応が起きており、正常に反応しているときには問題が起きにくい。

・異常な反応が起きた場合、発熱・液漏れ・破裂・発火が起きる。

 

乾電池の安全性

・逆接(逆装填)・短絡(ショート)・過放電などで電池に異常な反応が起きる。

発熱   逆装填や過放電・充電が起きないように電池の形が定められている。
また容易に短絡しないように電池のパッケージなども定められている。
液漏れ   電池の構造上、液漏れを完全に防ぐのは難しい。電池をセットする機器側、または使用者側で注意する。
破裂   乾電池には安全弁が備わっており、内部でガスが発生した場合には安全弁よりガスが排出され破裂しにくくなっている。

 

リチウムイオン電池の安全性

・逆接・短絡・過放電・過充電・過電圧・過電流などで電池に異常な反応が起きる。

・電池自体のエネルギー量が乾電池などに比べて大きい、電池内の反応が急速に進みやすい、電解液に可燃物を使用している、などから取り扱いには細心の注意が必要になる。

・電池を個別に制御する基板などが必要になる。

・電池が金属缶で覆われているために破裂した場合、事故につながる場合がある。

 

リチウムポリマー電池の安全性

・リチウムイオン電池とリチウムポリマー電池の違い。Li_Li-Po

・基本的にはリチウムイオン電池と注意、保護する点は同じ。

・大きく異なる点は外装に金属缶を用いずに金属ラミネートフィルムを用いている。
※電解液の中にポリマー(高分子素材)を混ぜることで、電解液がゲル状になる。液体が存在しないので金属缶が必要ない。

★この構造のおかげで電池内部でガスが発生しても金属ラミネートフィルムが膨らむことで内圧が高まりにくく破裂することが少ない。

保護項目 保護内容 保護がなかったら?
過充電保護 電池の容量以上に充電しないようにする。 過充電が起きるとガスが発生し、熱を持つ。
過放電保護 必要以上に放電しないようにする。 放電が進みきると、充電反応が起きなくなる。
過電流保護 定められた電流以上流れないようにする。 過電流が流れると熱を持ち短絡する可能性が増える。
過電圧保護 定められた電圧以上かからないようにする。 過電圧がかかると熱を持ち短絡する可能性が増える。
短絡保護 回路内で短絡が起きた場合、
異常な電流が電池に流れないようにする。
異常な電流が流れた場合、電池内で異常な反応が起きる。
温度保護 温度によって充放電の可否を行う。 適正温度以外での充放電では電池内の反応が正常に行われない。
逆接保護 逆に電流が流れても電池を保護する。 逆に電流が流れると電池内で異常な反応が起きる。

ACアダプター

1.定義
  商用の交流電源より入力し、目的の電力を出力する補助機器。

2.種類
  AC-ACアダプターとAC-DCアダプターがある。
  AC:Alternate Current(交互の+電流=交流)
  DC:Direct Current(直接の+電流=直流)
  Adapter:適応させるもの

  • AC
    AC(交流)
  • DC
    DC(直流)

3.基本構造
  ①降圧
  ②整流
  ③平滑
  ※トランス式の場合。

ac-dc3

4.構成部品
  ①トランス:電気エネルギーを磁気エネルギーに変換し、磁気エネルギーを電気エネルギーに変換する。
        原理は1831年イギリスの化学者・物理学者マイケル・ファラデーが「電磁誘導の法則」として発見。
  ②ダイオード:電流を一定方向にしか流さない作用を持つ。
  ③コンデンサ:電荷を蓄えたり、放出したりする。

5.トランス
  ①原理
   一次コイルN1に交流電流を流し、変動磁場を発生させ、それを相互インダクタンスで結合された二次コイルN2に伝え、
   再び電流に変換し、出力する。
   N/N=k・V/V
  ②歴史
   1884年〜1885年 ブタペストのガンツ社の技術者ジペルノウスキー、ブラーティ、デーリが効率的なZBD式の鉄心モデルを開発。

  • transformer2トランスの基本原理図
  • transform実物のトランス(弊社所蔵)

6.主な方式
  ①トランス式
  ②スイッチング式

  スイッチング式の回路図
ac-dc_sw

  • ac_tabletタブレットのACアダプター(BAC-02K)
  • ac_dvdポータブルDVDのACアダプター
    (BDP-AC)
  • ac_tvテレビのACアダプター(BTV-AC5)

テレビ

1.定義
  語源:TELE VISION = 遠く離れた(ギリシア語)+視界(ラテン語)
  定義:実像をほぼ同時に遠く離れた空間に再現する。

2.歴史
  1843年:アレクサンダー・ベインが静止画像を走査し電気信号に変換・電送する装置を開発(FAX)。
  1873年:イギリスで明暗を電気の強弱に変えて遠方に伝えるテレビジョンの開発が始まる。
  1884年:ポール・ニプコー、直列式の機械走査を実現する「ニプコー円板」の発明。2次元の画像を1次元の信号に変換した。
  1896年:グリエルモ・マルコーニが電磁波を使って、モールス信号の無線通信実験。
  1897年:フェルディナント・ブラウンがテレビの受像管に用いる陰極線管であるブラウン管の発明。
  1911年:ボリス・ロージングが世界で初めてブラウン管を用いたテレビの送受信実験。
  1925年:ジョン・ロジー・ベアードが世界初のテレビ(機械式、白黒)を開発、公開実演。
  1926年:高柳健次郎が電子式テレビ受像機(ブラウン管テレビ)の開発。
  1927年:フィロ・ファーンズワースが電子式テレビ撮像機の開発。
  1928年:ジョン・ロジー・ベアードがカラーテレビの公開実演。
  1929年:BBCがテレビ放送開始。

  • Nipkow disk
    ジョン・ロジー・ベアードとテレビ送信機
    (中央の穴の空いた円板がニプコー円板)

3.構成
structure

4.部品
  撮像管:被写体の像を電気信号に変換するための電子管。光の強弱を電気信号として取り出す。
      光ー電気変換には、一般に内部光電効果を応用した光導電膜を用いる。
  ブラウン管:電子ビームを蛍光面に当てて、電気信号を光学像に変える陰極線管。

  • video_camera_tube
    撮像管
  • braun_tube
    ブラウン管

5.デジタルテレビ受像機
digital_tv_system

6.電磁波
  地上アナログ放送:90〜220MHz(超短波/VHF)、470~770MHz(極超短波/UHF)
  地上デジタル放送:470~770MHz(極超短波/UHF)
  BS/CSデジタル放送:11~12GHz(マイクロ波)

7.方式
  日本:ISDB(Integrated Services Digital Broadcasting)
  アメリカ:ATSC(Advanced Television Systems Committee standards)
  ヨーロッパ:DVB(Digital Video Broadcasting)

<電波の割り当て>

  • frequency_allocation_japan
    日本(クリックで拡大)
    出典:総務省
  • frequency_allocation_us
    アメリカ(クリックで拡大)
    出典:National Telecommunications and Information Administration
2017年12月20日

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