Разница между переменным и постоянным током

Что такое DC ток и что он значит

Постоянным принято называть электрический ток, сила и направление которого не меняются. В электротехнике смешанный вид с преобладающим постоянным компонентом также называется постоянным, если колебания незначительны для предполагаемого эффекта, или если колебания являются результатом колебаний нагрузки. Тогда среднее арифметическое рассматривается как постоянный ток.

Линии электропередач поставляют ток в дома и на предприятия

К сведению! На английском языке его принято обозначать, как Direct Current, или сокращенно DC, что также используется и для постоянного напряжения. Переменный электрический поток переводится, как Alternating Current, что означает AC напряжение.

«Чистый» и «пульсирующий» постоянные токи

Что такое переменный ток

Напряжение может быть как постоянным, так и изменять свое мгновенное значение в каждый отрезок времени. При этом может изменяться не только величина параметра, но и его направление. В большинстве случаев переменный ток подразумевает изменение по синусоидальному закону и имеет знакопеременную величину. Это всем известное напряжение в бытовой и промышленных сетях электропитания. В более широком смысле напряжение может изменять свое значение без смены полярности.

Те, кто более глубоко знаком с электротехникой, могут сказать, что в данном случае речь идет о переменном напряжении с некоторой постоянной составляющей. Достаточно установить последовательно в цепь конденсатор, который не пропускает постоянную составляющую, и на выходе получится знакопеременный электрический ток.

Какое напряжение DC тока

При DC напряжении электроны всегда движутся в одном направлении. Источник напряжения таким образом всегда имеет одинаковую полярность. Однако уровень напряжения не всегда должен быть одинаковым. В качестве классического источника энергии для генерации постоянного напряжения обычная батарейка, в которой уровень напряжения снижается во время разряда.

Движение электронов при постоянном напряжении

Кроме того, большинство источников питания также генерирует постоянное напряжение, хотя на них подается переменное. В случае стабилизированных источников питания, помимо направления потока, большое значение также уделяется и уровню АС напряжения, который может варьироваться в зависимости от напряжения, однако постоянно будет иметь одинаковую полярность.

Обратите внимание! Переменные напряжения, подаваемые сетевыми трансформаторами и генераторами, могут быть преобразованы выпрямителями. Тогда возникает электрическое напряжение, которое варьируется по величине, но не по знаку.

Схемы с постоянным и переменным током

Компонент переменного напряжения может быть уменьшен путем подключения достаточно большого сглаживающего конденсатора параллельно или последовательно сглаживающей катушки так, что останется только небольшая остаточная пульсация. Чем больше емкость конденсатора или индуктивность катушки, тем меньше будет пиковое значение наложенного переменного напряжения.

Вам это будет интересно Определение тока короткого замыкания

Отличие переменного от постоянного

Прежде всего постоянное напряжение должно генерироваться на подстанциях с относительно низким напряжением для предоставления потребителю (220В). Однако, при одновременном подключении нескольких приборов, суммарное значение возрастает. В этой ситуации, для передачи напряжения на большие расстояния, необходимо использовать толстый и дорогостоящий кабель. Только так можно получить возможность транспортировки тока на большие расстояния с минимальными потерями мощности.

В примере с переменным, генерируемое электричество способно преодолевать большое расстояние с наименьшими потерями. С 1980 г. появилась возможность выпрямления трёхфазного электрического тока и его обратное преобразование.

Основным отличием AC напряжения от DC тока заключается в том, что последний показывает сравнительную стабильность. Под этим подразумевается, что он не изменяет частоту направления движения.

Полезно! Наиболее распространённой частотой в мире признаётся 50 Гц.

Из-за того, что движение постоянного тока течёт равномернее, направление протекания электронов осуществляется строго в одном направлении. Причем источник в данной ситуации имеет, как положительный, так и отрицательный полюс. Таким образом, постоянный ток преимущественно используют в высоковольтных линиях (для транспортировки на значительные расстояния). После преобразования в переменный, он передаётся в наши розетки.

Интересно! Перед тем как напряжение достигло пункта назначения (потребителя), оно попадает в трансформатор. Здесь оно преобразуется из высокого в более низкое, с соответствующим пониженным значением частности, приемлемое в использовании для бытовых нужд, и передаётся в квартиру, дом.

Чем отличается DC ток от AC тока

Изначально постоянный ток должен был генерироваться на электростанциях с относительно низким напряжением розетки для потребителя, 110 или 220 В. Однако если при таком варианте подключено сразу несколько потребителей, суммарные значения очень высоки. В таком случае требуются толстые и дорогие кабели для преодоления больших расстояний, чтобы удерживать потери при передаче в определенных пределах. При использовании переменного напряжения генерируемая электроэнергия может транспортироваться на относительно большие расстояния с небольшими потерями. С 1980 г. стало возможным выпрямить трехфазный ток высокого напряжения, а затем преобразовать его обратно.

Главное отличие AC и DC, постоянного и переменного токов состоит в том, что первый изменяется через определенные промежутки времени (с определенной частотой), в частности, он меняет направление по мере своего протекания. В мире самой распространенной является частота 50 Гц.

Обратите внимание! Когда электричество достигает потребителя, тогда в ход идут трансформаторы. Они преобразуют высокое напряжение в более низкое, которое и поступает в дома.

Трансформатор напряжения

Как уже было сказано, DC электричество не меняется с течением времени. И так как электроны движутся лишь в одном направлении, источники характеризуются наличием положительного и отрицательного полюсов. AC более эффективно при использовании многокилометровых линий электропередач. А постоянный ток предпочтителен для небольшой электроники или накопительных элементов, например, солнечных батарей.

Основные характеристики тока

При рассмотрении основных параметров этой физической величины сразу оговоримся, что часто употребляемый термин «сила тока» большинством специалистов признан не совсем корректным. Гораздо более подходящей для обозначения его скалярной характеристики является не сила, а скорость (иногда её называют интенсивностью) перемещения свободных электрических зарядов.

Согласно классическому представлению, эта скорость определяется как количество заряда, перемещающегося через заданное сечение проводящего материала в единицу времени. Именно этот показатель, принимаемый за единицу силы тока, носит название одного Ампера.

Таким образом, поток в один Ампер – это перемещение заряда в один Кулон через данное проводящее сечение за время, равное секунде. Ещё одна характеристика постоянного тока, связанная с его протеканием по нагрузке с сопротивлением R, называется падением напряжения, которое измеряется в Вольтах. Оно определяется как разность потенциалов, образуемая на проводнике при протекании через него одного Ампера.

Это же определение может быть представлено в следующем виде. Один Вольт – это такая разность потенциалов между разнесёнными в электрическом поле точками, которой достаточно для совершения работы в один Джоуль (при переносе между ними заряда в один Кулон).

К практическим характеристикам получаемой посредством выпрямителей токовой компоненты обычно относят следующие параметры:

• Амплитуда пульсаций, определяемая как разность его предельных значений;
• Показатель пульсаций, представляемый в виде отношения двух величин, в котором в числителе ставится ток AC, а в знаменателе – DC.

Исследуем последнюю более подробно.

DC составляющая

При исследовании формы нагрузочного тока на выходе диодного выпрямителя с помощью осциллографа удаётся разглядеть его пульсации, проявляющиеся из-за ограниченности возможностей фильтрующих компонентов (ёмкостей).

В отдельных случаях эти составляющие настолько малы, что они могут не учитываться при расчёте схем, в которых должны устанавливаться фильтрующие конденсаторы. При таком подходе к категории исследуемый показатель удобнее рассматривать как импульсный или пульсирующий и выделять две его составляющие: DC и ас. Рассмотрим каждую из этих компонент более подробно.

Постоянная DC

Указанная величина вычисляется как среднее значение токового действия в течение периода. Она в корне отлична от другой характеристики пульсирующего потока, называемой переменной составляющей ас.

Изменяющаяся компонента

Переменный ток (точнее составляющая пульсирующего тока) ас представляет собой периодическое колебание его амплитуды около уже рассмотренного ранее среднего положения. При расчёте этой величины следует исходить из того, что её значение включает следующие составляющие:

• Постоянную часть;
• Значение переменной компоненты (ас), определяемое как среднеквадратичная величина.

Обе они являются компонентами исследуемого токового сигнала и, подобно всем электрическим параметрам, имеют фиксированную мощность (то есть способность выполнять определённую работу). Последняя вычисляется как:

где I – это средняя квадратичная постоянной составляющей и пульсаций тока.

То есть при расчёте мощности компоненты постоянной DC и переменной ас суммируются как комплексные величины.

Дополнительная информация.

Они представляются в этом случае в виде векторных составляющих исходного сигнала.

Также важно, что все рассмотренные определения, как и символы AC и DC, в равной степени применимы и для категории «напряжение».

В заключение ещё раз обратим внимание на то, что представление о постоянном токе чаще всего связано с неизменностью направления потока свободных электронов. Однако в реальности это понятие предполагает учёт ряда скалярных характеристик, к одной из которых относится интенсивность потока зарядов в пассивной нагрузке.

При изменяющемся во времени номинальном значении этой токовой составляющей считать его постоянным можно только условно, что допускается в рамках решаемой в каждом конкретном случае задачи.

Источники электрической энергии

Самыми распространенными источниками являются гальванические элементы, аккумуляторные батареи, специальные электрические генераторы, которые основаны на униполярной индукции.

Батарейка формата АА

Обычные аккумуляторные батарейки формата АА — самый доступный пример источника DC энергии. У нее положительный и отрицательный полюса, и вставлять в различные электрические устройства ее надо определенной стороной. Помимо этого, очень часто в обычной жизни используются солнечные элементы и автомобильные аккумуляторы.

Обратите внимание! Электрический генератор, который используется, когда требуется более высокая мощность, всегда генерирует переменное напряжение. Чтобы можно было получать постоянный ток от него, ранее использовался коммутатор. Поскольку коммутаторы вызывают радиопомехи, и их контакты изнашиваются, они теперь чаще заменяется на выпрямители.

Вам это будет интересно Особенности электрических мощностей

Генератор должен идти с коммутатором

Обозначения на схемах и в приборах

Общепринято, что направление электричества идет от контакта со знаком плюс к контакту со знаком минус.

Места с большими потенциалами имеют название «положительный полюс» и обозначаются значком + (плюс). Точки с меньшими потенциалами, соответственно, именуются «отрицательный полюс» и их обозначают знаком — (минус).

Изначально принято, что электроизоляция положительных проводов имеет красный цвет, провода же со знаком «минус» окрашивают в синий или черный цвета.

Условные обозначения на электроприборах: — или =. Однонаправленное электричество (в том числе постоянное) обозначается латиницей DC, или же используется символ Юникода — U+2393.

Аббревиатура AC и DC прочно укоренилась в повседневном обиходе и употребляется наравне с привычными названиями «переменный» и «постоянный»:

• обозначение постоянного напряжения (—) или DC (Direct Current);
• знак переменного тока (~) или AC (Alternating Current) — обозначение переменного тока.

Сфера применения DC тока

Постоянный ток имеет широкое техническое применение в электронике, получении солнечной энергии и частично в железнодорожном энергоснабжении. Практически все электронные схемы (например, в компьютерах) работают с ними. Если на электронные устройства подается питание не от батарей или аккумуляторов, а от источников питания, выпрямитель в блоке питания обеспечивает постоянное значение. Так что среди самых популярных устройств выделяют сотовые телефоны, ноутбуки и компьютеры.

Платы в ноутбуке

Солнечные элементы также могут генерировать только постоянный DC. Если фотоэлектрические системы должны подавать электрическую энергию, которую они производят, в электросеть общего пользования, между ними должен быть подключен инвертор.

Солнечные батареи

Получившие в последнее время широкое распространение электромобили используют для своей работы DC. Он также применяется на наземном и подземном общественном транспорте, например, в трамваях, троллейбусах и электропоездах метро.

Таким образом, АС и ДС токи имеют существенные отличия. Это важно учесть при подключении того или иного оборудования, а также чтобы не перепутать сферы применения.

Области применения DC напряжения

Использование постоянного напряжения позволяет увеличивать передаваемую электрическую энергию и затем передавать ее между энергетическими системами, которые используют переменный ток разных частот (к примеру, 50 и 60 герц).

Активно применяется постоянный ток и на транспорте. Электродвигатели с постоянным возбуждением используются в различных механизмах:

• электровозах;
• электропоездах;
• трамваях;
• троллейбусах;
• подъемниках и т. д.

Не обошлось без постоянного напряжения и в других областях науки и техники. Широко применяется он таким образом:

Электричество сопровождает нас везде: на работе и в быту. Страшно даже на минуточку вообразить, что же произойдет с человечеством, если оно в одночасье лишится электрической энергии.

Постоянным, или DC-током, называется поток электрических зарядов, со временем не меняющий своего направления и силы, которая согласно классическому определению этой величины измеряется в кулонах в секунду (или амперах).

При знакомстве с электрическими явлениями постоянного характера важно помнить не только о направлении протекания физических процессов, но и об их интенсивности (силе). В реальных условиях эксплуатации электротехнического или электронного оборудования значение DC редко бывает абсолютно постоянным.

Проблема с выпрямлением напряжения

Несмотря на концептуальную простоту, выпрямление входящего переменного тока добавляет массу проблем вашему источнику питания. Большая часть выпрямителей выполняется на обычных диодах. Эти диоды будут создавать пульсации при переключении в процессе работы, что создает высшие гармоники в сети переменного тока. У них также будет прямое падение напряжения (хотя оно небольшое), которое рассеивает энергию на тепло.

Вы можете использовать выпрямительный мост на базе транзисторов MOSFET для выпрямления входящего переменного напряжения, но значительно усложняет выпрямитель и повышает его стоимость по сравнению с диодным. Рассмотрим небольшой пример для термостата Nest, который питается от сети 24 В переменного тока, используемого для обычных термостатов. Это настоящая проблема, так как включение обогревателя или кондиционера основано на замыкании 24 В цепи переменного тока в термостате — так работает обычный термостат. Разъем потребляет очень маленький ток для зарядки своих батарей. Затем он может замыкать вход 24 В переменного тока, чтобы включить обогреватель, используя тот же транзисторный мост, пока он работает от батарей. Термостату Nest требуется каждый “маленький кусочек энергии”, который он может сохранить, отсюда необходимость устранения простого диодного моста.

У выпрямления переменного тока есть другие проблемы, такие как импульсный ток, который возникает в процессе выпрямления (рисунок ниже). Он отличается от пускового тока, который есть у источников постоянного тока, когда вы впервые подаете на них питание. Импульсы тока возникают из-за того, что выпрямительные диоды могут работать только тогда, когда входное переменное напряжение больше, чем напряжение постоянного тока. Это означает, что имеется короткий всплеск тока только на пиках переменного напряжения, что приводит к снижению коэффициента мощности источника переменного тока. Коэффициент мощности является своего рода мерилом согласованности напряжения и тока, подаваемого линией переменного тока.

Для индуктивных нагрузок, таких как электродвигатели, переменный ток будет отставать от переменного напряжения. Для емкостной нагрузки наоборот — ток опережает напряжение. В обоих случаях напряжение и ток не совпадают по фазе, поэтому коэффициент мощности ниже идеального значения «1». При выпрямлении коэффициент мощности падает по другой причине. Хотя скачки тока могут быть в фазе с напряжением, это происходит только в течение короткого периода времени сигнала переменного тока.