10.10.2020

Источник постоянного тока – Постоянный и переменный ток, его источники и их применение в электротехнике

Содержание

Постоянный ток — Википедия

Постоя́нный ток — электрический ток, который с течением времени не изменяется по величине и направлению.

Постоянный ток является разновидностью однонаправленного тока. Однонаправленный ток (англ. direct current) — это электрический ток, не изменяющий своего направления[1]. Часто можно встретить сокращения DC от первых букв английских слов, или символом (ГОСТ 2.721-74), или —

На рисунке к этой статье красным цветом изображён график постоянного тока. По горизонтальной оси отложен масштаб времени t{\displaystyle t}, а по вертикальной — масштаб тока I{\displaystyle I} или электрического напряжения U{\displaystyle U}. Как видно, график постоянного тока представляет собой прямую линию, параллельную горизонтальной оси (оси времени).

Величина постоянного тока I{\displaystyle I} и электрического напряжения U{\displaystyle U} для любого момента времени сохраняется неизменной.

При постоянном токе через каждое поперечное сечение проводника в единицу времени протекает одинаковое количество электричества (электрических зарядов).

Постоянный ток — это постоянное направленное движение заряженных частиц в электрическом поле.

В каждой точке проводника, по которому протекает постоянный ток, одни элементарные электрические заряды непрерывно сменяются другими, совершенно одинаковыми по сумме электрическими зарядами. Несмотря на непрерывное перемещение электрических зарядов вдоль проводника, общее пространственное их расположение внутри проводника как бы остаётся неизменным во времени, или стационарным.

Переносчиками электрических зарядов являются:

Постоянное движение электрических зарядов создаётся и поддерживается сторонними силами, которые могут иметь химическую (в гальванических элементах), электромагнитную (динамо-машина постоянного тока), механическую (электрофорная машина) или иную (например, радиоактивную в стронциевых источниках тока) природу. Во всех случаях источник тока является преобразователем энергии сторонних сил в электрическую.

Электрическое поле, сопутствующее постоянному току в проводнике и в соответствии с этим стационарное распределение в нём электрических зарядов, называется стационарным (неизменным во времени) электрическим полем.

Электрические заряды в стационарном электрическом поле нигде не накапливаются и нигде не исчезают, так как при всяком пространственном перераспределении зарядов неизбежно должно было бы измениться стационарное электрическое поле и соответственно ток перестал бы быть постоянным по времени.

Для стационарности поля и тока требуется, чтобы электрические заряды нигде не накапливались и нигде не терялись, а перемещались непрерывным и равномерным потоком вдоль проводников. Для этого необходимо, чтобы проводники совместно образовывали замкнутый на себя контур. В этом случае будет достигнуто непрерывное круговое равномерное движение электрических зарядов вдоль всего контура.

Постоянный электрический ток может существовать только в замкнутом на себя контуре, состоящем из совокупности проводников электричества, в котором действует стационарное электрическое поле.

Circuit1new.jpg

Самыми первыми источниками постоянного тока являлись химические источники тока: гальванические элементы, затем были изобретены аккумуляторы. Полярность химических источников тока самопроизвольно измениться не может.

Для получения постоянного тока в промышленных масштабах используют электрические машины — генераторы постоянного тока, а также солнечные батареи.

В электронной аппаратуре, питающейся от сети переменного тока, для получения постоянного тока используют

блоки питания. Как правило, переменный ток понижается трансформатором до нужного значения, затем выпрямляется. Далее для уменьшения пульсаций используется сглаживающий фильтр и, при необходимости, стабилизатор тока или стабилизатор напряжения или регулятор напряжения.

В современной радиоэлектронной аппаратуре получили распространение импульсные блоки питания. Сглаживание пульсаций выходного напряжения происходит благодаря наличию интегрирующего элемента, способного накапливать электрическую энергию и отдавать её в нагрузку. В результате на выходе можно получить практически постоянный ток.

Электрическую энергию могут накапливать электрические конденсаторы. В общем случае, при разряде конденсатора во внешней цепи протекает переменный ток. Если конденсатор разряжается через резистор, то появляется однонаправленный переменный ток (постепенно уменьшающийся). Однако, если конденсатор разряжается через катушку индуктивности, то в цепи появляется двунаправленный переменный ток, это устройство называется колебательный контур. Электролитические конденсаторы могут иметь очень большую электрическую ёмкость (сотни и тысячи микрофарад и более). При разряде таких конденсаторов через большое сопротивление ток уменьшается медленнее, и для короткого времени можно считать, что во внешней цепи протекает постоянный ток.

Ионисторы — гибрид конденсатора и химического источника тока, способны накапливать и отдавать довольно большое количество электрической энергии, например, чтобы электромобиль с ионисторами проехал некоторое расстояние.

Направление постоянного тока и обозначения на электроприборах и схемах[править | править код]

Circuit1new.jpg
Условное обозначение однонаправленного тока на электроприборах

Условно принято считать (общепринято), что электрический ток в электрическом поле имеет направление от точек с бо́льшими потенциалами к точкам с меньшими потенциалами. Это значит, что направление постоянного электрического тока всегда совпадает с направлением движения положительных электрических зарядов, например положительных ионов в электролитах и газах. Там же, где электрический ток создаётся только движением потока отрицательно заряженных частиц, например, потока свободных электронов в металлах, за направление электрического тока принимают направление, противоположное движению электронов.

Точки с бо́льшими потенциалами (например, на зажимах батареек и аккумуляторов) носят название «положи́тельный по́люс» и обозначаются знаком +{\displaystyle +} («плюс»), а точки с меньшими потенциалами называются «

отрица́тельный по́люс» и обозначаются знаком −{\displaystyle -}(«минус»).

Исторически сложилось, что электрическая изоляция положительного провода окрашена в красный цвет, а отрицательного провода — в синий или чёрный.

Условное обозначение на электроприборах: −{\displaystyle \mathbf {-} } или ={\displaystyle \mathbf {=} }. Однонаправленный ток (в том числе постоянный) обозначается латинскими буквами DC{\displaystyle DC}. Для однонаправленного тока может быть также использован символ Юникода ⎓ (U+2393).

В ряде случаев можно встретить другие символы, например на малогабаритных штекерах, предназначенных для подключения к электронному устройству сетевого блока питания (или на корпусе самого электронного устройства, возле разъёма для подключения штекера) ⊙{\displaystyle \odot } с указанием полярности.

Электроды каких-либо устройств или радиодеталей (диодов, тиристоров, вакуумных электронных приборов), подключаемые к положительному проводу, носят название «

анод», а электроды, подключаемые к отрицательному проводу, называются «катод»[2].

Величина постоянного тока (сила тока)[править | править код]

Мерой интенсивности движения электрических зарядов в проводниках является величина тока или просто ток (I, i){\displaystyle (I,~i)}.

Величина тока — это количество электрических зарядов (электричества), протекающих через поперечное сечение проводника в единицу времени.

Общепринято, что вместо терминов «ток» и «величина тока» часто применяется термин «сила тока».

Термин «сила тока» является некорректным, так как сила тока не есть какая-то сила в буквальном смысле этого слова, а только интенсивность движения электрических зарядов в проводнике, количество электричества, проходящего за единицу времени через площадь поперечного сечения проводника. В проводах нет никаких сил. Мы с вами не будем нарушать эту традицию.

Если при равномерном движении электрических зарядов по проводнику за время t{\displaystyle t} протекло количество электричества Q{\displaystyle Q}, то ток в проводнике можно выразить формулой I=Qt{\displaystyle I={\frac {Q}{t}}}.

В проводнике ток равен одному амперу A{\displaystyle A}, если через площадь поперечного сечения его за одну секунду протекает один кулон электричества.

Ампер — единица измерения силы тока, названа в честь Андре-Мари Ампера.

Кулон — единица измерения электрического заряда (количества электричества), названа в честь Шарля Кулона. В тех случаях, когда приходится иметь дело с большими токами, количество электричества измеряется более крупной единицей, называемой

ампер-часом, 1 ампер-час равен 3 600 кулонам.

Сила тока измеряется амперметром, он включается в цепь так, чтобы через него проходил весь измеряемый ток, то есть последовательно.

Плотность тока[править | править код]

В электротехнике часто бывает важно знать не только силу тока в проводнике, но и плотность тока, так как плотность тока является мерой допустимой нагрузки проводов.

Плотностью тока называют ток (j{\displaystyle (j} или δ){\displaystyle \delta )}, приходящийся на единицу площади проводника: j=IS{\displaystyle j={\frac {I}{S}}}, где

I{\displaystyle I} — сила тока, в Амперах;
S{\displaystyle S} — площадь поперечного сечения проводника, в квадратных метрах,
j{\displaystyle j} — плотность тока, выражается в амперах на квадратный метр: [Am2]{\displaystyle \left[{\frac {A}{m^{2}}}\right]}.

Так как провода с поперечным сечением, исчисляемым квадратными метрами, встречаются крайне редко, то плотность тока обычно выражается в амперах на квадратный миллиметр [Amm2]{\displaystyle \left[{\frac {A}{mm^{2}}}\right]}.

Электродвижущая сила и электрическое напряжение[править | править код]

Разность потенциалов между точками, между которыми протекает постоянный ток, могут охарактеризовать электродвижущая сила и электрическое напряжение.

Электродвижущая сила[править | править код]

Каждый первичный источник электрической энергии создаёт стороннее электрическое поле. В электрических машинах (генераторах постоянного тока) стороннее электрическое поле создаётся в металлических проводниках якоря, вращающегося в магнитном поле, а в гальванических элементах и аккумуляторах — в месте соприкосновения электродов с электролитом (растворами солей или кислот) при их химическом взаимодействии.

Стороннее электрическое поле, имеющееся в источнике электрической энергии постоянного тока, непрерывно взаимодействует на электрические заряды проводников, образующих вместе с ним замкнутую цепь, и создаёт в ней постоянный электрический ток.

Перемещая электрические заряды по замкнутой цепи, силы стороннего электрического поля преодолевают сопротивление противодействующих сил, например вещественных частиц проводников. Это приводит к тому, что силы стороннего электрического поля совершают работу за счёт энергии этого поля. По мере расхода энергии стороннее электрическое поле пополняет её за счёт механической или химической энергии.

В результате работы сил стороннего электрического поля энергия этого поля переходит в электрической цепи в какие-либо иные виды энергии, например в тепловую энергию в металлических проводниках, тепловую и химическую в электролитах, тепловую и световую энергию в электрических лампах и так далее.

Выражение «работа сил стороннего электрического поля» источника электрической энергии ради краткости обычно заменяют выражением «работа источника электрической энергии».

Если известна работа, совершаемая источником электрической энергии при перемещении единичного электрического заряда по всей замкнутой электрической цепи, то легко определить работу, совершаемую им при переносе некого электрического заряда Q{\displaystyle Q} по этой цепи, так как величина работы пропорциональна величине заряда.

Величина, численно равная работе, совершаемой источником электрической энергии при переносе единицы положительного заряда по всей замкнутой цепи, называется электродвижущей силой E{\displaystyle E}.

Следовательно, если источник электрической энергии при переносе заряда Q{\displaystyle Q} по всей замкнутой цепи совершил работу A{\displaystyle A}, то его электродвижущая сила E{\displaystyle E} равна E=AQ{\displaystyle E={\frac {A}{Q}}}.

В Международной системе единиц (СИ) за единицу измерения электродвижущей силы принимается один вольт ( v, V ){\displaystyle (~v,~V~)}. Единица названа в честь итальянского физика и физиолога Алессандро Вольта.

Электродвижущая сила источника электрической энергии равна одному вольту, если при перемещении одного кулона электричества по всей замкнутой цепи им была совершена работа, равная одному джоулю : 1 volt=1 joule1 coulomb{\displaystyle 1~volt={\frac {1~joule}{1~coulomb}}}.

Например, если электродвижущая сила какого-либо источника электрической энергии E=220 volt{\displaystyle E=220~volt}, то это надо понимать так, что источник электрической энергии, перемещая один кулон электричества по всей замкнутой цепи, совершит работу A=220 joule{\displaystyle A=220~joule}, так как E=AQ=220 joule1 coulomb{\displaystyle E={\frac {A}{Q}}={\frac {220~joule}{1~coulomb}}}.

Из формулы E=AQ{\displaystyle E={\frac {A}{Q}}} следует, что A=EQ{\displaystyle A=EQ}, то есть работа источника электрической энергии при переносе его электрического заряда по всей замкнутой цепи равна произведению величины электродвижущей силы E{\displaystyle E} его на величину переносимого электрического заряда Q{\displaystyle Q}.

Электрическое напряжение[править | править код]

Если источник электрической энергии переносит электрический заряд Q{\displaystyle Q} по всей замкнутой цепи, то он совершает некоторую работу A{\displaystyle A}. Часть этой работы A0{\displaystyle A_{0}} он совершает при переносе заряда Q{\displaystyle Q} по внутреннему участку цепи (участок внутри самого источника электрической энергии), а другую часть A1{\displaystyle A_{1}} — при переносе заряда Q{\displaystyle Q} по внешнему участку цепи (вне источника).

Следовательно, A=A0+A1{\displaystyle A=A_{0}+A_{1}}, то есть работа A{\displaystyle A}, совершаемая источником электрической энергии при переносе электрического заряда Q{\displaystyle Q} по всей замкнутой цепи, равна сумме работ, совершаемых им при переносе этого заряда по внутреннему и внешнему участкам этой цепи.

Если разделить левую и правую часть равенства A=A0+A1{\displaystyle A=A_{0}+A_{1}} на величину единичного заряда Q{\displaystyle Q}, получим работу, отнесённую к единичному заряду: AQ=A0Q+A1Q{\displaystyle {\frac {A}{Q}}={\frac {A_{0}}{Q}}+{\frac {A_{1}}{Q}}}.

Работа источника электрической энергии, совершаемая им при переносе единичного заряда по всей замкнутой цепи, численно равна его электродвижущей силе, то есть E=AQ{\displaystyle E={\frac {A}{Q}}}, где E{\displaystyle E} — электродвижущая сила источника электрической энергии.

Величина A0Q{\displaystyle {\frac {A_{0}}{Q}}}, численно равная работе, совершаемой источником электрической энергии при переносе единичного заряда по внутреннему участку цепи, называется падением напряжения (напряжением) на внутреннем участке цепи, то есть U0=A0Q{\displaystyle U_{0}={\frac {A_{0}}{Q}}}, где U0{\displaystyle U_{0}} — падение напряжения на внутреннем участке цепи.

Величина A1Q{\displaystyle {\frac {A_{1}}{Q}}}, численно равная работе, совершаемой источником электрической энергии при переносе единичного заряда Q{\displaystyle Q} по внешнему участку цепи, называется падением напряжения (напряжением) на внешнем участке цепи, то есть U1=A1Q{\displaystyle U_{1}={\frac {A_{1}}{Q}}}, где U1{\displaystyle U_{1}} — падение напряжения на внешнем участке цепи.

Следовательно, равенству AQ=A0Q+A1Q{\displaystyle {\frac {A}{Q}}={\frac {A_{0}}{Q}}+{\frac {A_{1}}{Q}}} можно придать такой вид: E=U0+U1{\displaystyle E=U_{0}+U_{1}}, то есть

Электродвижущая сила источника электрической энергии, создающего ток в электрической цепи, равняется сумме падений напряжения на внутреннем и внешнем участке цепи.

Из равенства E=U0+U1{\displaystyle E=U_{0}+U_{1}} следует, что U1=E−U0{\displaystyle U_{1}=E-U_{0}}, то есть падение напряжения на внешнем участке цепи меньше электродвижущей силы источника электрической энергии на величину падения напряжения на внутреннем участке цепи.

Следовательно, чем больше падение напряжения внутри источника электрической энергии, тем меньше при всех прочих равных условиях падение напряжения на зажимах источника электрической энергии.

Так как падение напряжения имеет одинаковую размерность с электродвижущей силой, то есть выражается в джоулях на кулон, или, иначе, в вольтах, то за единицу измерения падения напряжения (электрического напряжения) принят один вольт.

Электрическое напряжение на зажимах источника электрической энергии (падение напряжения на внешнем участке цепи) равно одному вольту, если источник электрической энергии совершает работу, равную одному джоулю, при переносе электрического заряда в один кулон по внешнему участку цепи.

Напряжение на участках цепи измеряется вольтметром, он всегда присоединяется к тем точкам цепи, между которыми он должен измерить падение напряжения, то есть параллельно.

  • Постоянный ток широко используется в технике: подавляющее большинство электронных схем в качестве питания используют постоянный ток.
  • Постоянный ток, вырабатываемый химическими источниками тока (гальваническими элементами, аккумуляторами), применяется для автономного электропитания многочисленных электрических и электронных устройств: электрофонарей, игрушек, аккумуляторного электроинструмента, средств связи, и т. п.
  • Постоянный ток применяется в электролизе: на установках промышленного электролиза из растворов или расплавов солей получают алюминий, магний, натрий, калий, никель, медь, хлор и другие вещества.
  • Постоянный ток применяется в гальванизации и гальванопластике — на электропроводящей поверхности какого-нибудь предмета электрохимическим путём осаждается защитное или декоративное металлическое покрытие, например, бронзовый корпус наручных часов покрывается тонким слоем золота.
  • Постоянный ток в ряде случаев используется при сварочных работах (электрическая дуговая или электрогазовая сварка), например, сварить деталь из нержавеющей стали специальным сварочным электродом можно только постоянным током.
  • В некоторых устройствах постоянный ток преобразуется в переменный ток преобразователями (инверторами), например, в компьютерных бесперебойных блоках питания при работе в автономном режиме.
  • В бортовых сетях автомобилей традиционно применяется постоянный ток, потому что при неработающем двигателе все основные потребители получают питание от автомобильного аккумулятора. На старых автомобилях (ГАЗ-51, ГАЗ-69, ГАЗ-М-20 «Победа» и многих других), другой мото- и сельскохозяйственной технике устанавливались автомобильные генераторы постоянного тока. Развитие полупроводниковой техники привело к тому, что с 1970-х годов их вытеснили трёхфазные генераторы переменного тока как более лёгкие, компактные и надёжные.
  • На некоторых типах судов используется электрическая передача (дизель-электроходы, ледоколы, подводные лодки).
  • Электрофорез — введение лекарственных веществ в организм с помощью постоянного тока или разделение смеси веществ в научных или промышленных целях, например электрофорез белков.

Постоянный ток на транспорте[править | править код]

виды, характеристики, сферы применения :: SYL.ru

Постоянный ток существует только в замкнутой цепи и сохраняет свое направление и основные параметры неизменными во времени. Для его поддержания необходимо наличие постоянного напряжения. Это требование является неизменным для различных источников постоянного тока.

Источники постоянного электрического тока

Существует несколько основных видов источников энергии постоянного тока. Каждый из них основан на использовании разных физических принципов и используется в определенных условиях. К ним можно отнести следующие виды:

  • механические, превращающие механическую энергию вращения ротора в электрическую энергию;
  • тепловые, в которых в электрическую энергию преобразуется тепловая энергия;
  • химические, в которых в электрическую энергию преобразуется энергия, выделяющаяся в результате химического процесса;
  • световые, превращающие энергию солнечного света в электрическую энергию.

В основном электроэнергия вырабатывается электростанциями, от которых потребители получают не постоянный, а переменный ток, который затем преобразуется в постоянный. Но во многих сферах можно применять только тепловые, световые или химические источники постоянного электрического тока.

Тепловые источники

В этих источниках используется термоэлектрический эффект. Электрический ток в замкнутой цепи возникает благодаря разнице температур, контактирующих между собой, металлов или полупроводниковых структур. В месте контакта при нагреве возникает электродвижущая сила (термо-ЭДС). Электрический ток заряженных частиц направлен от нагретого участка в сторону холодного. Его величина пропорциональна разнице температур. В месте спая образуется термопара.

Приборы, которые для создания постоянного тока используют тепло, выделяющееся при распаде радиоактивных изотопных материалов, являются радиоизотопными термоэлектрическими генераторами.

Световые источники

Свойство полупроводников создавать ЭДС при попадании на них потока света используется при создании световых источников постоянного тока.

Солнечная батарея

Объединение большого количества кремниевых структур позволяет создавать солнечные батареи. Небольшие электростанции, созданные на базе таких солнечных панелей, имеют на сегодняшний день КПД не более 15%.

Химические источники

Получение положительных и отрицательно заряженных частиц в химических источниках постоянного тока осуществляется за счет химических реакций. По классификации химических источников они делятся на 3 группы:

*ХИТ — химические источники тока.

Гальванические элементы используют принцип действия, основанный на взаимодействии двух металлов через среду электролита. Вид и характеристики ХИТ зависят от выбранной пары металлов и состава электролита. Два металлических электрода источника тока по аналогии с прибором односторонней проводимости получили название анода («+») и катода («-«).

Материалом для изготовления анода могут служить свинец, цинк, кадмий и другие. Катод изготавливают из оксида свинца, графита, оксида марганца, гидрооксида никеля. По составу электролита гальванические элементы разделяются на 3 вида:

  • солевые или «сухие»;
  • щелочные;
  • литиевые.

В элементах первых двух видов графито-марганцевый стержень (катод) помещен по оси цинкового цилиндрического стаканчика (анода). Свободное пространство между ними заполнено пастой на основе хлорида аммония (солевые) или гидрооксида калия (щелочные).

Батарейка одноразовая

В литиевых элементах цинковый анод заменен щелочным литием, что привело к значительному увеличению продолжительности работы. Материал катода в них определяет выходное напряжение батарейки (1,5-3,7) В. Первичные ХИТ являются источниками одноразового действия. Его реагенты, расходующиеся в процессе работы, не подлежат восстановлению.

Аккумуляторы представляют собой устройства, в которых производится преобразование электрической энергии внешнего источника тока в химическую энергию при заряде и ее накопление. В процессе работы (разряд) происходит обратное преобразование — химическая энергия служит источником постоянного электрического тока.

К основным видам аккумуляторов относятся:

  • свинцово-кислотные;
  • никель-кадмиевые щелочные;
  • литий-ионные.

Для создания химических процессов набор пластин помещен в раствор электролита. В АКБ, созданных по современным технологиям, раствор представляет собой не жидкость, а гелиевый состав (GEL) или сотовые сепараторы, пропитанные электролитом и помещенные между свинцовыми пластинами (AGM).

Аккумулятор автомобильный

Свинцово-кислотные и никель-кадмиевые щелочные аккумуляторы для работы в качестве источников постоянного тока для запуска двигателей автомобилей собирают из набора отдельных аккумуляторных элементов («банок»). Каждая «банка» обеспечивает на своих клеммах напряжение 2,1 В. Соединенные последовательно 6 элементов и помещенные в ударопрочный корпус, имеют на выходных клеммах аккумулятора необходимые для запуска двигателя 12 В.

В литий-ионных аккумуляторах носителями электрического тока служат ионы лития. Они образуются на катоде, изготовленному из соли лития. Анод может быть изготовлен из графита или оксидов кобальта. Напряжение постоянного тока на выходе аккумулятора может варьироваться в пределах (3,0-4,2) В в зависимости от используемых материалов. Эти аккумуляторы имеют низкое значение тока саморазряда и допускают большое количество циклов заряд/разряд. Благодаря этому все современные гаджеты используют аккумуляторы этого вида.

Механические источники постоянного тока

Устройствами, преобразующими механическую энергию в электрическую, являются турбо и гидро генераторы. Они вырабатывают переменный электрический ток. Для основной части бытовых приборов источником постоянного тока выступают их блоки питания. В них производится преобразование переменного напряжения генератора в постоянное напряжение, необходимое для работы устройств. Эту задачу выполняют выпрямители, которые должны обеспечивать необходимую мощность источника постоянного тока для их нагрузки и постоянное значение выходного напряжения, не зависящее от потребляемого тока.

Блоки питания могут быть линейными и импульсными. Линейные блоки выполняются по разным схемам, основу которых составляют:

  • однополупериодые выпрямители;
  • двухполупериодные выпрямители.

В выпрямителях используется свойство полупроводниковых диодов пропускать ток только в одном направлении. Выпрямленное таким образом напряжение еще не является постоянным. Емкости последующих за выпрямителем конденсаторов сглаживающего фильтра при своем быстром заряде и медленном разряде поддерживают величину положительного однополярного напряжения на определенном значении. Его величина определяется трансформатором, получающим напряжение от генератора переменного тока. Для однофазного напряжения домашней сети 220 В 50 Гц его стальной сердечник имеет значительные размеры и вес.

Схемы однополупериодных содержат всего один полупроводниковый диод, пропускающий только одну полуволну синусоидального переменного входного напряжения.

Выпрямитель одного периода

Двухполупериодные выпрямители выполняются по мостовой схеме или по схеме с общей точкой. В последнем случае вторичная обмотка сетевого трансформатора имеет вывод от своей середины. Эти выпрямители представляют собой параллельное включение двух однополупериодных выпрямителей. Они действуют на обе полуволны синусоиды переменного входного напряжения.

Выпрямитель со средней точкой

Мостовая схема выпрямителя является наиболее распространенной. Соединение 4-х диодов в ней напоминает «квадрат». К одной из диагоналей подключается переменное напряжение вторичной обмотки сетевого трансформатора. Нагрузка включается в другую диагональ «квадрата». Им будет входной элемент сглаживающего фильтра.

Мостовая схема выпрямления

Регулирование источника

Для обеспечения постоянного значения уровня выходного напряжения, не зависящего от потребляемого нагрузкой тока и колебаний входного переменного напряжения, все современные источники питания постоянного тока имеют ступень стабилизации и регулирования.

Схемы стабилизаторов

В ней выходное напряжение сравнивается с эталонным (опорным) значением.

При появлении различия между ними вырабатывается управляющий сигнал, который по цепи управления изменяет величину выходного напряжения. Величину значения опорного напряжения можно изменять в широких пределах, имея на выходе регулированного источника питания постоянного тока необходимое для работы напряжение.

Импульсные источники

Схемы с использованием входных трансформаторов напряжения сети получили название линейных. В импульсных источниках питания производится двойное преобразование — сначала переменное напряжение выпрямителем преобразуется в постоянное, затем вырабатывается переменное импульсное напряжение более высокой частоты, которое в выходном каскаде снова преобразуется в постоянное напряжение необходимого значения.

Генераторы импульсов вырабатывают непрерывную импульсную последовательность с частотой (15-60) кГц. Регулирование выходного напряжения осуществляется посредством широтно-импульсной модуляции (ШИМ), при которой уровень сигнала на выходе блока питания определяется шириной импульсов, вырабатываемых генератором и значением их скважности. Регулированные источники питания постоянного тока импульсного типа все чаще используются при создании аппаратуры различного назначения.

Сравнение источников

Отсутствие мощного входного трансформатора в импульсных источниках питания позволяет создавать конструкции значительно более легкие и с меньшими линейными размерами. Их эффективность значительно выше источников, выполненных по линейным схемам. Коэффициент полезного действия доходит до значения 98%. В них широкое распространение получили микросхемы, выполняющие функции контроллеров.

Каждый из типов стабилизированных источников постоянного тока находит применение в своей сфере. А она весьма многообразна. Основой являются характеристики источников постоянного тока. Линейные источники обеспечивают низкий уровень пульсаций выходного напряжения и малое значение уровня собственного шума. Это достигается отсутствием переключений при их работе, которые создают большой уровень помех в широком частотном диапазоне. В импульсных источниках приходится применять сложные схемные решения для борьбы с ними, что приводит к удорожанию изделий, в которых они применяются.

Заключение

В статье был дан общий обзор существующих источников постоянного тока. Изложенный материал лишь знакомит читателей с основными принципами их работы. Из него можно сделать вывод, что каждый из видов источников постоянного тока используется в своей области.

Источник тока — Википедия

Обозначение источника тока на схемах (вариант)

Исто́чник то́ка (в теории электрических цепей) — элемент, двухполюсник, сила тока через который не зависит от напряжения на его зажимах (полюсах). Используются также термины генератор тока и идеальный источник тока.

Источник тока используется в качестве простейшей модели некоторых реальных источников электрической энергии или как часть более сложных моделей реальных источников, содержащих другие электрические элементы. Следует заметить, что электрические характеристики реальных источников могут быть близки к свойствам источника тока или его противоположности — источника напряжения.

В электротехнике источником тока называют любой источник электрической энергии.

Идеальный источник тока[править | править код]

Сила тока, текущего через идеальный источник тока, всегда одинакова по определению:

I=const{\displaystyle I={\text{const}}}

Напряжение на клеммах идеального источника тока (не путать с реальным источником!) зависит только от сопротивления R{\displaystyle R} подключенной к нему нагрузки:

U=I⋅R{\displaystyle U=I\cdot R}

Мощность, отдаваемая источником тока в нагрузку:

P=I2⋅R{\displaystyle P=I^{2}\cdot R}

Поскольку ток через идеальный источник тока всегда одинаков, то напряжение на его клеммах и мощность, передаваемая им в нагрузку, с ростом сопротивления нагрузки возрастают, достигая в пределе бесконечных значений.

Реальный источник[править | править код]

В линейном приближении любой реальный источник тока (не путать с описанным выше источником тока — моделью!) или иной двухполюсник может быть представлен в виде модели, содержащей, по меньшей мере, два элемента: идеальный источник и внутреннее сопротивление (проводимость). Одна из двух простейших моделей — модель Тевенина — содержит источник ЭДС, соединенный последовательно с сопротивлением, а другая, противоположная ей, модель Нортона — источник тока, соединенный параллельно с проводимостью (т. е. идеальным резистором, свойства которого принято характеризовать значением проводимости). Соответственно, реальный источник в линейном приближении может быть описан при помощи двух параметров: ЭДС E{\displaystyle {\mathcal {E}}} источника напряжения (или силы тока I{\displaystyle I} источника тока) и внутреннего сопротивления r{\displaystyle r} (или внутренней проводимости y=1/r{\displaystyle y=1/r}).

Можно показать, что реальный источник тока с внутренним сопротивлением r{\displaystyle r} эквивалентен реальному источнику ЭДС, имеющему внутреннее сопротивление r{\displaystyle r} и ЭДС E=I⋅r{\displaystyle {\mathcal {E}}=I\cdot r}.

Напряжение на клеммах реального источника тока равно

Uout=IR⋅rR+r=IR1+R/r.{\displaystyle U_{\text{out}}=I{\frac {R\cdot r}{R+r}}=I{\frac {R}{1+R/r}}.}

Сила тока в цепи равна

Iout=IrR+r=I11+R/r.{\displaystyle I_{\text{out}}=I{\frac {r}{R+r}}=I{\frac {1}{1+R/r}}.}

Мощность, отдаваемая реальным источником тока в сеть, равна

Pout=I2R(1+R/r)2.{\displaystyle P_{\text{out}}=I^{2}{\frac {R}{\left(1+R/r\right)^{2}}}.}

Реальные генераторы тока имеют различные ограничения (например, по напряжению на его выходе), а также нелинейные зависимости от внешних условий. В частности, реальные генераторы тока создают электрический ток только в некотором диапазоне напряжений, верхний порог которого зависит от напряжения питания источника. Таким образом, реальные источники тока имеют ограничения по нагрузке.

Источником тока является катушка индуктивности, по которой шёл ток от внешнего источника, в течение некоторого времени (t≪L/R{\displaystyle t\ll L/R}) после отключения источника. Этим объясняется искрение контактов при быстром отключении индуктивной нагрузки: стремление к сохранению тока при резком возрастании сопротивления (появление воздушного зазора) приводит к резкому возрастанию напряжения между контактами и к пробою зазора.

Вторичная обмотка трансформатора тока, первичная обмотка которого последовательно включена в мощную линию переменного тока, может рассматриваться как почти идеальный источник переменного тока. Следовательно, размыкание вторичной цепи трансформатора тока недопустимо. Вместо этого при необходимости перекоммутации в цепи вторичной обмотки (без отключения линии) эту обмотку предварительно шунтируют.

 t \ll L/R

Источники тока широко используются в аналоговой схемотехнике, например, для питания измерительных мостов, для питания каскадов дифференциальных усилителей, в частности операционных усилителей.

Концепция генератора тока используется для представления реальных электронных компонентов в виде эквивалентных схем. Для описания активных элементов для них вводятся эквивалентные схемы, содержащие управляемые генераторы:

В схеме токового зеркала (рисунок 2) ток нагрузки в правой ветви задается равным эталонному току в левой ветви, так что по отношению к нагрузке R2 эта схема выступает как источник тока.

Существуют различные варианты обозначений источника тока. Наиболее часто встречаются обозначения (a) и (b). Вариант (c) устанавливается ГОСТ[1] и IEC[2]. Стрелка в кружке указывает положительное направление тока в цепи на выходе источника. Варианты (d) и (e) встречаются в зарубежной литературе. При выборе обозначения нужно быть осмотрительным и использовать пояснения, чтобы не допускать путаницы с источниками напряжения.

 t \ll L/R Рисунок 3. Обозначения источника тока на схемах
  1. ↑ ГОСТ 2.721-74 Единая система конструкторской документации. Обозначения условные графические в схемах. Обозначения общего применения.
  2. ↑ IEC 617-2:1996. Graphical symbols for diagrams — Part 2: Symbol elements, qualifying symbols and other symbols having general application
  • Бессонов Л.А. Теоретические основы электротехники. Электрические цепи. — М.: Гардарики, 2002. — 638 с. — ISBN 5-8297-0026-3.

Постоянный ток

Постоянный ток (direct current) – это упорядоченное движение заряженных частиц в одном направлении. Другими словами
величины характеризующие электрический ток, такие как напряжение или сила тока, постоянны как по значению, так и по направлению.

В источнике постоянного тока, например в обычной пальчиковой батарейке, электроны движутся от минуса к плюсу. Но исторически сложилось так, что за техническое направление тока считается направление от плюса к минусу.

Для постоянного тока применимы все основные законы электротехники, такие как закон Ома и законы Кирхгофа.

История

Изначально постоянный ток назывался – гальваническим током, так как впервые был получен с помощью гальванической реакции. Затем, в конце девятнадцатого века, Томас Эдисон, предпринимал попытки организовать передачу постоянного тока по линиям электропередачи. При этом даже разыгралась так называемая “война токов”, в которой шел выбор в качестве основного тока между переменным и постоянным. К сожалению, постоянный ток “проиграл” эту “войну”, потому что в отличие от переменного тока, постоянный, несет большие потери в мощности при передаче на расстояния. Переменный ток легко трансформировать и благодаря этому передавать на огромные расстояния.

Источники постоянного тока

Источниками постоянного тока могут быть аккумуляторы, либо другие источники в которых ток появляется благодаря химической реакции (например, пальчиковая батарейка).  

Также источниками постоянного тока может быть генератор постоянного тока, в котором ток вырабатывается благодаря 
явлению электромагнитной индукции, а затем выпрямляется с помощью коллектора.

Постоянный ток может быть получен с помощью выпрямления переменного тока. Для этого существуют различные выпрямители и преобразователи.

Применение

Постоянный ток,  достаточно широко применяется в электрических схемах и устройствах. К примеру, дома, большинство приборов, таких как модем или зарядное устройство для мобильного, работают на постоянном токе. Генератор автомобиля, вырабатывает и преобразует постоянный ток, для зарядки аккумулятора. Любое портативное устройство питается от источника постоянного тока.

В промышленности постоянный ток используется в машинах постоянного тока, например в двигателях, или генераторах. В некоторых странах существуют высоковольтные линии электропередачи постоянного тока.

Постоянный ток также нашел свое применение и в медицине, например в электрофорезе – процедуре лечения с помощью электрического тока.

В железнодорожном транспорте, кроме переменного, используется и постоянный ток. Это связано с тем, что тяговые двигатели, которые имеют более жесткие механические характеристики, чем асинхронные, являются двигателями постоянного тока.

Влияние на организм человека

Постоянный ток в отличие от переменного является более безопасным для человека. Например, смертельным током для человека является 300 мА если это ток постоянный, а если переменный с частотой 50 Гц, то 50-100 мА.

  • Просмотров: 7061
  • Источники постоянного тока: виды, характеристики, сферы применения

    Источники постоянного тока: виды, характеристики, сферы применения

    05.04.2019 14:31

    Постоянный ток существует только в замкнутой цепи и сохраняет свое направление и основные параметры неизменными во времени. Для его поддержания необходимо наличие постоянного напряжения. Это требование является неизменным для различных источников постоянного тока.

    Источники постоянного электрического тока

    Существует несколько основных видов источников энергии постоянного тока. Каждый из них основан на использовании разных физических принципов и используется в определенных условиях. К ним можно отнести следующие виды:

    • механические, превращающие механическую энергию вращения ротора в электрическую энергию;
    • тепловые, в которых в электрическую энергию преобразуется тепловая энергия;
    • химические, в которых в электрическую энергию преобразуется энергия, выделяющаяся в результате химического процесса;
    • световые, превращающие энергию солнечного света в электрическую энергию.

    В основном электроэнергия вырабатывается электростанциями, от которых потребители получают не постоянный, а переменный ток, который затем преобразуется в постоянный. Но во многих сферах можно применять только тепловые, световые или химические источники постоянного электрического тока.

    Тепловые источники

    В этих источниках используется термоэлектрический эффект. Электрический ток в замкнутой цепи возникает благодаря разнице температур, контактирующих между собой, металлов или полупроводниковых структур. В месте контакта при нагреве возникает электродвижущая сила (термо-ЭДС). Электрический ток заряженных частиц направлен от нагретого участка в сторону холодного. Его величина пропорциональна разнице температур. В месте спая образуется термопара.

    Приборы, которые для создания постоянного тока используют тепло, выделяющееся при распаде радиоактивных изотопных материалов, являются радиоизотопными термоэлектрическими генераторами.

    Световые источники

    Свойство полупроводников создавать ЭДС при попадании на них потока света используется при создании световых источников постоянного тока.

    Источники постоянного тока: виды, характеристики, сферы применения

    Объединение большого количества кремниевых структур позволяет создавать солнечные батареи. Небольшие электростанции, созданные на базе таких солнечных панелей, имеют на сегодняшний день КПД не более 15%.

    Химические источники

    Получение положительных и отрицательно заряженных частиц в химических источниках постоянного тока осуществляется за счет химических реакций. По классификации химических источников они делятся на 3 группы:

    • гальванические элементы, являющиеся первичными источниками ;
    • электрические аккумуляторные батареи (АКБ), или вторичные ХИТ;

    *ХИТ — химические источники тока.

    Гальванические элементы используют принцип действия, основанный на взаимодействии двух металлов через среду электролита. Вид и характеристики ХИТ зависят от выбранной пары металлов и состава электролита. Два металлических электрода источника тока по аналогии с прибором односторонней проводимости получили название анода («+») и катода («-«).

    Материалом для изготовления анода могут служить свинец, цинк, кадмий и другие. Катод изготавливают из оксида свинца, графита, оксида марганца, гидрооксида никеля. По составу электролита гальванические элементы разделяются на 3 вида:

    • солевые или «сухие»;
    • щелочные;
    • литиевые.

    В элементах первых двух видов графито-марганцевый стержень (катод) помещен по оси цинкового цилиндрического стаканчика (анода). Свободное пространство между ними заполнено пастой на основе хлорида аммония (солевые) или гидрооксида калия (щелочные).

    Источники постоянного тока: виды, характеристики, сферы применения

    В литиевых элементах цинковый анод заменен щелочным литием, что привело к значительному увеличению продолжительности работы. Материал катода в них определяет выходное напряжение батарейки (1,5-3,7) В. Первичные ХИТ являются источниками одноразового действия. Его реагенты, расходующиеся в процессе работы, не подлежат восстановлению.

    Аккумуляторы представляют собой устройства, в которых производится преобразование электрической энергии внешнего источника тока в химическую энергию при заряде и ее накопление. В процессе работы (разряд) происходит обратное преобразование — химическая энергия служит источником постоянного электрического тока.

    К основным видам аккумуляторов относятся:

    • свинцово-кислотные;
    • никель-кадмиевые щелочные;
    • литий-ионные.

    Для создания химических процессов набор пластин помещен в раствор электролита. В АКБ, созданных по современным технологиям, раствор представляет собой не жидкость, а гелиевый состав (GEL) или сотовые сепараторы, пропитанные электролитом и помещенные между свинцовыми пластинами (AGM).

    Источники постоянного тока: виды, характеристики, сферы применения

    Свинцово-кислотные и никель-кадмиевые щелочные аккумуляторы для работы в качестве источников постоянного тока для запуска двигателей автомобилей собирают из набора отдельных аккумуляторных элементов («банок»). Каждая «банка» обеспечивает на своих клеммах напряжение 2,1 В. Соединенные последовательно 6 элементов и помещенные в ударопрочный корпус, имеют на выходных клеммах аккумулятора необходимые для запуска двигателя 12 В.

    В литий-ионных аккумуляторах носителями электрического тока служат ионы лития. Они образуются на катоде, изготовленному из соли лития. Анод может быть изготовлен из графита или оксидов кобальта. Напряжение постоянного тока на выходе аккумулятора может варьироваться в пределах (3,0-4,2) В в зависимости от используемых материалов. Эти аккумуляторы имеют низкое значение тока саморазряда и допускают большое количество циклов заряд/разряд. Благодаря этому все современные гаджеты используют аккумуляторы этого вида.

    Механические источники постоянного тока

    Устройствами, преобразующими механическую энергию в электрическую, являются турбо и гидро генераторы. Они вырабатывают переменный электрический ток. Для основной части бытовых приборов источником постоянного тока выступают их блоки питания. В них производится преобразование переменного напряжения генератора в постоянное напряжение, необходимое для работы устройств. Эту задачу выполняют выпрямители, которые должны обеспечивать необходимую мощность источника постоянного тока для их нагрузки и постоянное значение выходного напряжения, не зависящее от потребляемого тока.

    Блоки питания могут быть линейными и импульсными. Линейные блоки выполняются по разным схемам, основу которых составляют:

    • однополупериодые выпрямители;
    • двухполупериодные выпрямители.

    В выпрямителях используется свойство полупроводниковых диодов пропускать ток только в одном направлении. Выпрямленное таким образом напряжение еще не является постоянным. Емкости последующих за выпрямителем конденсаторов сглаживающего фильтра при своем быстром заряде и медленном разряде поддерживают величину положительного однополярного напряжения на определенном значении. Его величина определяется трансформатором, получающим напряжение от генератора переменного тока. Для однофазного напряжения домашней сети 220 В 50 Гц его стальной сердечник имеет значительные размеры и вес.

    Схемы однополупериодных содержат всего один полупроводниковый диод, пропускающий только одну полуволну синусоидального переменного входного напряжения.

    Источники постоянного тока: виды, характеристики, сферы применения

    Двухполупериодные выпрямители выполняются по мостовой схеме или по схеме с общей точкой. В последнем случае вторичная обмотка сетевого трансформатора имеет вывод от своей середины. Эти выпрямители представляют собой параллельное включение двух однополупериодных выпрямителей. Они действуют на обе полуволны синусоиды переменного входного напряжения.

    Источники постоянного тока: виды, характеристики, сферы применения

    Мостовая схема выпрямителя является наиболее распространенной. Соединение 4-х диодов в ней напоминает «квадрат». К одной из диагоналей подключается переменное напряжение вторичной обмотки сетевого трансформатора. Нагрузка включается в другую диагональ «квадрата». Им будет входной элемент сглаживающего фильтра.

    Источники постоянного тока: виды, характеристики, сферы применения

    Регулирование источника

    Для обеспечения постоянного значения уровня выходного напряжения, не зависящего от потребляемого нагрузкой тока и колебаний входного переменного напряжения, все современные источники питания постоянного тока имеют ступень стабилизации и регулирования.

    Источники постоянного тока: виды, характеристики, сферы применения

    В ней выходное напряжение сравнивается с эталонным (опорным) значением.

    При появлении различия между ними вырабатывается управляющий сигнал, который по цепи управления изменяет величину выходного напряжения. Величину значения опорного напряжения можно изменять в широких пределах, имея на выходе регулированного источника питания постоянного тока необходимое для работы напряжение.

    Импульсные источники

    Схемы с использованием входных трансформаторов напряжения сети получили название линейных. В импульсных источниках питания производится двойное преобразование — сначала переменное напряжение выпрямителем преобразуется в постоянное, затем вырабатывается переменное импульсное напряжение более высокой частоты, которое в выходном каскаде снова преобразуется в постоянное напряжение необходимого значения.

    Генераторы импульсов вырабатывают непрерывную импульсную последовательность с частотой (15-60) кГц. Регулирование выходного напряжения осуществляется посредством широтно-импульсной модуляции (ШИМ), при которой уровень сигнала на выходе блока питания определяется шириной импульсов, вырабатываемых генератором и значением их скважности. Регулированные источники питания постоянного тока импульсного типа все чаще используются при создании аппаратуры различного назначения.

    Сравнение источников

    Отсутствие мощного входного трансформатора в импульсных источниках питания позволяет создавать конструкции значительно более легкие и с меньшими линейными размерами. Их эффективность значительно выше источников, выполненных по линейным схемам. Коэффициент полезного действия доходит до значения 98%. В них широкое распространение получили микросхемы, выполняющие функции контроллеров.

    Каждый из типов стабилизированных источников постоянного тока находит применение в своей сфере. А она весьма многообразна. Основой являются характеристики источников постоянного тока. Линейные источники обеспечивают низкий уровень пульсаций выходного напряжения и малое значение уровня собственного шума. Это достигается отсутствием переключений при их работе, которые создают большой уровень помех в широком частотном диапазоне. В импульсных источниках приходится применять сложные схемные решения для борьбы с ними, что приводит к удорожанию изделий, в которых они применяются.

    Заключение

    В статье был дан общий обзор существующих источников постоянного тока. Изложенный материал лишь знакомит читателей с основными принципами их работы. Из него можно сделать вывод, что каждый из видов источников постоянного тока используется в своей области.

    Источники постоянного тока: виды, характеристики, сферы применения

    Постоянный ток существует только в замкнутой цепи и сохраняет свое направление и основные параметры неизменными во времени. Для его поддержания необходимо наличие постоянного напряжения. Это требование является неизменным для различных источников постоянного тока.

    Источники постоянного электрического тока

    Существует несколько основных видов источников энергии постоянного тока. Каждый из них основан на использовании разных физических принципов и используется в определенных условиях. К ним можно отнести следующие виды:

    • механические, превращающие механическую энергию вращения ротора в электрическую энергию;
    • тепловые, в которых в электрическую энергию преобразуется тепловая энергия;
    • химические, в которых в электрическую энергию преобразуется энергия, выделяющаяся в результате химического процесса;
    • световые, превращающие энергию солнечного света в электрическую энергию.

    В основном электроэнергия вырабатывается электростанциями, от которых потребители получают не постоянный, а переменный ток, который затем преобразуется в постоянный. Но во многих сферах можно применять только тепловые, световые или химические источники постоянного электрического тока.

    Тепловые источники

    В этих источниках используется термоэлектрический эффект. Электрический ток в замкнутой цепи возникает благодаря разнице температур, контактирующих между собой, металлов или полупроводниковых структур. В месте контакта при нагреве возникает электродвижущая сила (термо-ЭДС). Электрический ток заряженных частиц направлен от нагретого участка в сторону холодного. Его величина пропорциональна разнице температур. В месте спая образуется термопара.

    Приборы, которые для создания постоянного тока используют тепло, выделяющееся при распаде радиоактивных изотопных материалов, являются радиоизотопными термоэлектрическими генераторами.

    Световые источники

    Свойство полупроводников создавать ЭДС при попадании на них потока света используется при создании световых источников постоянного тока.

    Источники постоянного тока: виды, характеристики, сферы применения

    Объединение большого количества кремниевых структур позволяет создавать солнечные батареи. Небольшие электростанции, созданные на базе таких солнечных панелей, имеют на сегодняшний день КПД не более 15%.

    Химические источники

    Получение положительных и отрицательно заряженных частиц в химических источниках постоянного тока осуществляется за счет химических реакций. По классификации химических источников они делятся на 3 группы:

    • гальванические элементы, являющиеся первичными источниками ;
    • электрические аккумуляторные батареи (АКБ), или вторичные ХИТ;

    *ХИТ — химические источники тока.

    Гальванические элементы используют принцип действия, основанный на взаимодействии двух металлов через среду электролита. Вид и характеристики ХИТ зависят от выбранной пары металлов и состава электролита. Два металлических электрода источника тока по аналогии с прибором односторонней проводимости получили название анода («+») и катода («-«).

    Материалом для изготовления анода могут служить свинец, цинк, кадмий и другие. Катод изготавливают из оксида свинца, графита, оксида марганца, гидрооксида никеля. По составу электролита гальванические элементы разделяются на 3 вида:

    • солевые или «сухие»;
    • щелочные;
    • литиевые.

    В элементах первых двух видов графито-марганцевый стержень (катод) помещен по оси цинкового цилиндрического стаканчика (анода). Свободное пространство между ними заполнено пастой на основе хлорида аммония (солевые) или гидрооксида калия (щелочные).

    Источники постоянного тока: виды, характеристики, сферы применения

    В литиевых элементах цинковый анод заменен щелочным литием, что привело к значительному увеличению продолжительности работы. Материал катода в них определяет выходное напряжение батарейки (1,5-3,7) В. Первичные ХИТ являются источниками одноразового действия. Его реагенты, расходующиеся в процессе работы, не подлежат восстановлению.

    Аккумуляторы представляют собой устройства, в которых производится преобразование электрической энергии внешнего источника тока в химическую энергию при заряде и ее накопление. В процессе работы (разряд) происходит обратное преобразование — химическая энергия служит источником постоянного электрического тока.

    К основным видам аккумуляторов относятся:

    • свинцово-кислотные;
    • никель-кадмиевые щелочные;
    • литий-ионные.

    Для создания химических процессов набор пластин помещен в раствор электролита. В АКБ, созданных по современным технологиям, раствор представляет собой не жидкость, а гелиевый состав (GEL) или сотовые сепараторы, пропитанные электролитом и помещенные между свинцовыми пластинами (AGM).

    Источники постоянного тока: виды, характеристики, сферы применения

    Свинцово-кислотные и никель-кадмиевые щелочные аккумуляторы для работы в качестве источников постоянного тока для запуска двигателей автомобилей собирают из набора отдельных аккумуляторных элементов («банок»). Каждая «банка» обеспечивает на своих клеммах напряжение 2,1 В. Соединенные последовательно 6 элементов и помещенные в ударопрочный корпус, имеют на выходных клеммах аккумулятора необходимые для запуска двигателя 12 В.

    В литий-ионных аккумуляторах носителями электрического тока служат ионы лития. Они образуются на катоде, изготовленному из соли лития. Анод может быть изготовлен из графита или оксидов кобальта. Напряжение постоянного тока на выходе аккумулятора может варьироваться в пределах (3,0-4,2) В в зависимости от используемых материалов. Эти аккумуляторы имеют низкое значение тока саморазряда и допускают большое количество циклов заряд/разряд. Благодаря этому все современные гаджеты используют аккумуляторы этого вида.

    Механические источники постоянного тока

    Устройствами, преобразующими механическую энергию в электрическую, являются турбо и гидро генераторы. Они вырабатывают переменный электрический ток. Для основной части бытовых приборов источником постоянного тока выступают их блоки питания. В них производится преобразование переменного напряжения генератора в постоянное напряжение, необходимое для работы устройств. Эту задачу выполняют выпрямители, которые должны обеспечивать необходимую мощность источника постоянного тока для их нагрузки и постоянное значение выходного напряжения, не зависящее от потребляемого тока.

    Блоки питания могут быть линейными и импульсными. Линейные блоки выполняются по разным схемам, основу которых составляют:

    • однополупериодые выпрямители;
    • двухполупериодные выпрямители.

    В выпрямителях используется свойство полупроводниковых диодов пропускать ток только в одном направлении. Выпрямленное таким образом напряжение еще не является постоянным. Емкости последующих за выпрямителем конденсаторов сглаживающего фильтра при своем быстром заряде и медленном разряде поддерживают величину положительного однополярного напряжения на определенном значении. Его величина определяется трансформатором, получающим напряжение от генератора переменного тока. Для однофазного напряжения домашней сети 220 В 50 Гц его стальной сердечник имеет значительные размеры и вес.

    Схемы однополупериодных содержат всего один полупроводниковый диод, пропускающий только одну полуволну синусоидального переменного входного напряжения.

    Источники постоянного тока: виды, характеристики, сферы применения

    Двухполупериодные выпрямители выполняются по мостовой схеме или по схеме с общей точкой. В последнем случае вторичная обмотка сетевого трансформатора имеет вывод от своей середины. Эти выпрямители представляют собой параллельное включение двух однополупериодных выпрямителей. Они действуют на обе полуволны синусоиды переменного входного напряжения.

    Источники постоянного тока: виды, характеристики, сферы применения

    Мостовая схема выпрямителя является наиболее распространенной. Соединение 4-х диодов в ней напоминает «квадрат». К одной из диагоналей подключается переменное напряжение вторичной обмотки сетевого трансформатора. Нагрузка включается в другую диагональ «квадрата». Им будет входной элемент сглаживающего фильтра.

    Источники постоянного тока: виды, характеристики, сферы применения

    Регулирование источника

    Для обеспечения постоянного значения уровня выходного напряжения, не зависящего от потребляемого нагрузкой тока и колебаний входного переменного напряжения, все современные источники питания постоянного тока имеют ступень стабилизации и регулирования.

    Источники постоянного тока: виды, характеристики, сферы применения

    В ней выходное напряжение сравнивается с эталонным (опорным) значением.

    При появлении различия между ними вырабатывается управляющий сигнал, который по цепи управления изменяет величину выходного напряжения. Величину значения опорного напряжения можно изменять в широких пределах, имея на выходе регулированного источника питания постоянного тока необходимое для работы напряжение.

    Импульсные источники

    Схемы с использованием входных трансформаторов напряжения сети получили название линейных. В импульсных источниках питания производится двойное преобразование — сначала переменное напряжение выпрямителем преобразуется в постоянное, затем вырабатывается переменное импульсное напряжение более высокой частоты, которое в выходном каскаде снова преобразуется в постоянное напряжение необходимого значения.

    Генераторы импульсов вырабатывают непрерывную импульсную последовательность с частотой (15-60) кГц. Регулирование выходного напряжения осуществляется посредством широтно-импульсной модуляции (ШИМ), при которой уровень сигнала на выходе блока питания определяется шириной импульсов, вырабатываемых генератором и значением их скважности. Регулированные источники питания постоянного тока импульсного типа все чаще используются при создании аппаратуры различного назначения.

    Сравнение источников

    Отсутствие мощного входного трансформатора в импульсных источниках питания позволяет создавать конструкции значительно более легкие и с меньшими линейными размерами. Их эффективность значительно выше источников, выполненных по линейным схемам. Коэффициент полезного действия доходит до значения 98%. В них широкое распространение получили микросхемы, выполняющие функции контроллеров.

    Каждый из типов стабилизированных источников постоянного тока находит применение в своей сфере. А она весьма многообразна. Основой являются характеристики источников постоянного тока. Линейные источники обеспечивают низкий уровень пульсаций выходного напряжения и малое значение уровня собственного шума. Это достигается отсутствием переключений при их работе, которые создают большой уровень помех в широком частотном диапазоне. В импульсных источниках приходится применять сложные схемные решения для борьбы с ними, что приводит к удорожанию изделий, в которых они применяются.

    Заключение

    В статье был дан общий обзор существующих источников постоянного тока. Изложенный материал лишь знакомит читателей с основными принципами их работы. Из него можно сделать вывод, что каждый из видов источников постоянного тока используется в своей области.

    история открытия и изучения явления, применение в современном мире :: SYL.ru

    Электричество в древнем мире

    Еще древнегреческий философ Фалес писал о свойствах янтаря, потертого шерстью, притягивать мелкие предметы. Но достаточно долгое время все знания об электричестве ограничивались этим любопытным опытом. Никто не связывал с этим явлением природные молнии, наблюдаемые во время гроз. Дальнейшее изучение электрического тока, пока без разделения на постоянный и переменный, продолжилось лишь в XVII веке. И за пару сотен лет ученые продвинулись очень далеко.

    Открытие явления

    В 1600 году был введен термин «электричество», а более чем полвека спустя началось его активное изучение. Изначально разделения на постоянный и переменный ток не существовало, так что исследования были несистематичными. Первая теория, касающаяся природы электричества, была сформулирована в XVIII веке Бенджамином Франклиным, который, впрочем, остался в истории в первую очередь как политический деятель. Чуть позднее был сконструирован первый конденсатор — так называемая Лейденская банка. Тем не менее, считается, что всерьез история исследования постоянного тока началась с опытов Гальвани, касающихся, как ни странно, в первую очередь биологии, а не физики. Знаменитый итальянец буквально перевернул науку.

    постоянный ток

    Изучение постоянного тока

    Опыты Гальвани касались в первую очередь физиологии. Пропуская электрический ток через тело лягушки, он заметил, как ее мышцы сокращались. Описание этих опытов заинтересовало не только биологов, но и физиков. Сам же Гальвани, проведя еще серию исследований, счел, что мышцы являются чем-то вроде Лейденской банки, или, если быть точнее, ее батарей. Эти опыты легли в основу современной электрофизиологии. Последователь итальянца, его соотечественник Алессандро Вольта, в 1800 году создал первый источник питания постоянного тока — гальванический элемент. Англичане Карлейл и Николсон повторили опыты своего коллеги, придя к выводу, что в определенных условиях электричество, пропущенное через воду, заставляет ее разлагаться на составные элементы. Подобные эксперименты в конечном итоге дали стимул развитию химии. Русские ученые также приложили руку к исследованиям — уроженец Санкт-Петербурга Василий Петров в 1803 году описал явление электрической дуги. Однако 9 лет спустя это открытие произошло снова и было представлено как случившееся впервые. Дальнейшие исследования уже были направлены на изучение характеристик и законов, управляющих током. Параллельно ученые находили все новые и новые способы применения электричества, изобретая удивительные приборы, которыми человечество пользуется до сих пор.

    источник питания постоянного тока

    Характеристики и параметры

    Как очевидно из названия, величина постоянного тока и его напряжение в любой момент остаются неизменными. Несмотря на то что движение заряженных частиц происходит непрерывно, их общее пространственное положение остается стационарным. Кстати, как ни удивительно, но с технической точки зрения термин «постоянный ток» является некорректным, ведь неизменным является не он, а напряжение источника питания, его электродвижущая сила (ЭДС). Но понятие настолько прочно вошло в употребление, что его изменение просто невозможно представить. Итак, главным признаком этой разновидности остается отсутствие смены полярности напряжения на источнике питания. Постоянный ток обладает рядом параметров, которые, разумеется, присущи и другим типам:

    • Сила или величина (I). Показывает количество тока, протекающего через поперечное сечение проводника за единицу времени. Измеряется в амперах.
    • Плотность (F). Отношение силы тока к площади поперечного сечения проводника. Единицы измерения — А/мм2.
    • Напряжение (V). Эта физическая величина показывает работу источника электроэнергии при переносе заряда по отношению к ее величине. Измеряется в вольтах.
    • Электрическая мощность (P). Обозначает скорость передачи или преобразования электроэнергии. Единица — ватт.
    • Сопротивление (R). Эта величина характеризует свойство проводника препятствовать прохождению тока. Измеряется в омах.
    усилители постоянного тока

    Законы и формулы

    Все вышеназванные величины напрямую связаны друг с другом, и практически любая из них может быть выражена через остальные. В школьном курсе физики это подробно изучается, но нелишним будет повторить все снова. Самыми простыми примерами формул могут являться следующие:

    • V = I x R = P : I;
    • I = V : R = P : V;
    • R = V2 : P = V : I = P : I2;
    • P = V x I = I2 x R = V2 : R.
    применение постоянного тока

    Разумеется, многие помнят и о законе Ома, хотя не все смогут его сформулировать. Он применим и к постоянному току и описывает зависимость ЭДС источника или напряжения и силы от сопротивления. На языке формул это выглядит так:

    • U = IR. То есть разность потенциалов между началом и концом проводника равна произведению силы тока и сопротивления.

    В том числе и с этим законом связана еще одна важная зависимость. Она описывает переход электрической энергии в тепловую при передаче. Иными словами, речь идет о потерях мощности в виде нагрева проводов. Эта зависимость называется законом Джоуля-Ленца и описывается так:

    где Q — выделяемая теплота, I — сила тока, R — сопротивление, а t — промежуток времени.

    Эта формула работает только для постоянной разновидности. То есть она применима только для частного случая, в то время как для переменного она будет выглядеть несколько сложнее.

    постоянный и переменный ток

    Отличия от остальных видов

    Если рассмотреть графики основных типов электротока, то никаких вопросов не возникнет. Линия постоянного будет прямой, остающейся на одном уровне с течением времени, переменного — пилообразной. В отличие от последнего, первый не обладает таким параметром, как частота, вернее, в этом случае она является нулевой. Кроме того, направление постоянного тока не меняется со временем. Различается и обозначение — DC (direct current) и AC (alternating current). Как нетрудно догадаться, первый — это постоянный, а второй — переменный. К тому же последняя разновидность может быть как одно-, так и трехфазной. В этом и заключаются основные отличия.

    Источники и усилители

    Разумеется, постоянный ток не берется из ниоткуда. Существуют спеицальные приборы, которые его генерируют. Это обычные батарейки, аккумуляторы и другие современные источники. Первым из них был тот самый гальванический элемент Вольта. Но иногда ток нужно не только генерировать, но и усиливать. Для этого тоже есть специальные устройства — усилители постоянного тока (УПТ). Эти приборы необходимы для того, чтобы повышать напряжение. Усилитель в полном смысле можно назвать УПТ, если его рабочий диапазон включает все частоты, вплоть до самых низких, и нулевую. Эти устройства очень востребованы и широко используются во многих областях электроники, так что их развитие и совершенствование происходит непрерывно.

    электрический ток

    Применение в современном мире

    Он повсеместно. Любые современные приборы, работающие как от сети, так и от аккумуляторов, используют постоянный ток. В первом случае устройство предусматривает специальный элемент, преобразующий электричество из одной разновидности в другую. Во втором же в источнике питания происходит химическая реакция, которая поддерживает напряжение неизменным. Казалось бы, что в этом случае проще было бы, если бы в сети был постоянный, а не переменный ток, но это не так. Вторую разновидность проще вырабатывать, а также его не приходится преобразовывать для работы трансформаторов. А устройства, позволяющие из переменного получать постоянный называются выпрямителями, хотя приборы, проводящие обратное действие, — инверторами. Нашел свое применение этот вид тока и в электрохимии, некоторых видах сварки, обработке металлов, медицине и многих других областях. Он действительно везде, и иногда это кажется настоящим чудом, ведь все начиналось с обычного янтаря.

    Отправить ответ

    avatar
      Подписаться  
    Уведомление о