Пульсирующий ток, форма импульсов близка к пилообразной Постоянный ток Произвольно изменяющийся ток Переменный синусоидальный ток Электродинамика. Постоянный ток [52:07]
Постоянный ток
— электрический ток, направление протекания которого не меняется со временем.
Иначе прямой (постоянный, неизменный) ток — это направленный в одну сторону поток электрических зарядов. Постоянный ток может течь через проводник, например провод, но также может протекать сквозь полупроводники, изоляторы или даже сквозь вакуум, как в электронных или ионных пучках (термоэлектронный ток). Этот электрический ток течет в постоянном направлении, что отличает его от переменного тока. Аккумулятор — яркий пример источника постоянного тока. Термин, который ранее использовался для этого вида тока — гальванический ток.
Сокращения AC и DC часто используются для обозначения соответственно переменного и постоянного тока или напряжения.
[править] История
Постоянный ток был получен в 1800 году с помощью батареи итальянским физиком Алессандро Вольтой. Природа протекания тока еще не была ясна. Французский физик Андре-Мари Ампер предположил, что ток движется в одном направлении от положительного к отрицательному электроду. Когда французский приборостроитель Ипполит Пикси в 1832 году построил первый динамо-электрический генератор, он обнаружил, что когда применяемый магнит проходил петли проволоки каждые пол-оборота, это приводило к обратному потоку электричества, генерируя переменный ток. По предложению Ампера, Пикси позже добавил коммутатор типа «переключатель», в котором контакты на валу действуют со «щеточными» контактами для получения постоянного тока.
В конце 1870-х и начале 1880-х годов, на электростанциях начали производить электричество. Сначала они были настроены на питание источников света от электрической дуги (распространенный вид уличного освещения), которые работали на очень высоком напряжении (обычно свыше 3000 вольт) постоянного или переменного тока. Впоследствии произошло распространение низковольтного постоянного тока для внутреннего освещения на предприятиях и домах после того, как изобретатель Томас Эдисон в 1882 году запустил в производство свою электрическую «утилиту» (лампу) накала. Из-за значительных преимуществ переменного тока перед постоянным током благодаря использованию трансформаторов для повышения и понижения напряжения, чтобы обеспечить гораздо большие расстояния передачи постоянного тока для подачи энергии был заменен в течение следующих нескольких десятилетий переменным током.
В середине 1950-х годов была разработана высоковольтная систему передачи постоянного тока, и теперь (в 2020-х годах) она является альтернативой системам передачи переменного тока высокого напряжения на большие расстояния. Для длинных подводных кабелей (например, между странами, например NorNed) этот вариант постоянного тока является единственным технически осуществимым способом. Для приложений, требующих постоянного тока, например энергосистемы контактного рельса, переменный ток подается на подстанции, где используются выпрямители для преобразования энергии на постоянный ток.
Виды источников электрического тока
Существуют следующие виды источников электрического тока:
- механические;
- тепловые;
- световые;
- химические.
Механические источники
В этих источниках происходит преобразование механической энергии в электрическую. Преобразование осуществляется в специальных устройствах – генераторах. Основными генераторами являются турбогенераторы, где электрическая машина приводится в действие газовым или паровым потоком, и гидрогенераторы, преобразующие энергию падающей воды в электричество. Большая часть электроэнергии на Земле производится именно механическими преобразователями.
Тепловые источники
Здесь преобразуется в электричество тепловая энергия. Возникновение электрического тока обусловлено разностью температур двух пар контактирующих металлов или полупроводников — термопар. В этом случае заряженные частицы переносятся от нагретого участка к холодному. Величина тока зависит напрямую от разности температур: чем больше эта разность, тем больше электрический ток. Термопары на основе полупроводников дают термоэдс в 1000 раз больше, чем биметаллические, поэтому из них можно изготавливать источники тока. Металлические термопары используют лишь для измерения температуры.
В настоящее время разработаны новые элементы на основе преобразования тепла, выделяющегося при естественном распаде радиоактивных изотопов. Такие элементы получили название радиоизотопный термоэлектрический генератор. В космических аппаратах хорошо себя зарекомендовал генератор, где применяется изотоп плутоний-238. Он даёт мощность 470 Вт при напряжении 30 В. Так как период полураспада этого изотопа 87,7 года, то срок службы генератора очень большой. Преобразователем тепла в электричество служит биметаллическая термопара.
Световые источники
С развитием физики полупроводников в конце ХХ века появились новые источники тока – солнечные батареи, в которых энергия света преобразуется в электрическую энергию. В них используется свойство полупроводников выдавать напряжение при воздействии на них светового потока. Особенно сильно этот эффект наблюдается у кремниевых полупроводников. Но всё-таки КПД таких элементов не превышает 15%. Солнечные батареи стали незаменимы в космической отрасли, начали применяться и в быту. Цена таких источников питания постоянно снижается, но остаётся достаточно высокой: около 100 рублей за 1 ватт мощности.
Химические источники
Все химические источники можно разбить на 3 группы:
- Гальванические
- Аккумуляторы
- Тепловые
Гальванические элементы работают на основе взаимодействия двух разных металлов, помещённых в электролит. В качестве пар металлов и электролита могут быть разные химические элементы и их соединения. От этого зависит вид и характеристики элемента.
ВАЖНО! Гальванические элементы используются только разово, т.е. после разряда их невозможно восстановить.
Существует 3 вида гальванических источников (или батареек):
- Солевые;
- Щелочные;
- Литиевые.
Солевые, или иначе «сухие», батарейки используют пастообразный электролит из соли какого-либо металла, помещённый в цинковый стаканчик. Катодом служит графито-марганцевый стержень, расположенный в центре стаканчика. Дешёвые материалы и лёгкость изготовления таких батареек сделали их самыми дешёвыми из всех. Но по характеристикам они значительно уступают щелочным и литиевым.
[править] Разные обозначения
Разновидности постоянного тока (сверху вниз): ток от аккумулятора, ток от полупериодного выпрямителя, ток от двухполупериодного выпрямителя.
Термин постоянный ток используется для обозначения энергосистем, где применяют только одну полярность напряжения или тока, и для обозначения сигнала постоянной, нулевой частоты или медленно меняющегося локального среднего значения напряжения или тока. Например, напряжение в источнике постоянного тока постоянно, как и ток через источник постоянного тока. Можно показать, что любое неизменное напряжение или токовая волна могут быть разложены на сумму составляющей постоянного тока и нулевой средней, переменной по времени составляющей; составляющая постоянного тока определяется как ожидаемое значение, или среднее значение напряжения или тока за все время.
Хотя DC означает «постоянный ток», DC часто касается «неизменной полярности».
Выходной ток
Честно говоря, все, о чем было сказано выше, является, слабо говоря, второстепенным критерием выбора. Потому что основной параметр блоков питания постоянного тока – это выходная сила тока, то есть, номинальный ток нагрузки.
Внимание! Запомните раз и навсегда, номинальный ток нагрузки должен передаваться от сети в нагрузку всегда и постоянно в независимости от обстоятельств работы прибора. Он должен действовать все время потребления без искажений, снижений и повышений. В независимости от того, какое напряжение в сети или от АКБ, какая температура внешней среды, есть ее перепады или нет.
Все остальные параметры являются дополнительными или вспомогательными. Некоторые производители указывают огромное количество величин и характеристик. Не введитесь на них, вам просто затуманивают голову.
- И если номинальный ток нагрузки ни в паспорте, ни на корпусе блока не указано, значит, перед вами бесполезный кусок металла.
- Если вы нашли вот такую надпись: «номинальный ток нагрузки без АКБ», то знайте, что через сеть он может быть номинальным, а через аккумулятор заниженным.
[править] Схемы
Схема постоянного тока — это электрическая цепь, состоящая из любого сочетания источников постоянного напряжения, источников постоянного тока и резисторов. В этом случае, напряжения и токи цепи не зависят от времени. Конкретное напряжение или ток в цепи не зависят от прошлого значения напряжения или тока в нем. Это означает, что система уравнений, представляющих цепь постоянного тока, не предусматривает интегралов или производных по времени.
Если к контуру постоянного тока добавляется конденсатор или индуктор, то полученная схема не является, строго говоря, цепью постоянного тока. Однако в большинстве таких схем, есть решение постоянного тока. Это решение дает напряжения и токи цепи, когда схема находится в устойчивом состоянии постоянного тока. Такая схема представлена системой дифференциальных уравнений. Решение этих уравнений, обычно содержит часть, меняется по времени, или переходную часть, а также постоянную или постоянную часть. Именно эта часть устойчивого состояния, является решением постоянного тока. Есть некоторые цепи, которые не имеют решения постоянного тока. Два простых примера источник постоянного тока, присоединенное к конденсатора, и источник постоянного напряжения, присоединенное к индуктора.
В электронике схему, питающуюся от источника постоянного тока, например аккумулятора, принято называть цепью постоянного тока, даже если подразумевается, что она просто работает от постоянного тока.
Характеристики доступных источников питания
При проектировании электрических установок в соответствии с комплексом стандартов IEC 60364 необходимо знать характеристики источников питания. Для того чтобы спроектировать безопасную электроустановку, соответствующую требованиям комплекса стандартов IEC 60364, необходимо получить соответствующую информацию от оператора распределительной электрической сети. Характеристики источников питания должны быть включены в проектную и эксплуатационную документацию электрических установок. Если оператор электрической сети изменяет характеристики источников питания, это может повлиять на безопасность электроустановки.
Приведем эти характеристики (согласно ГОСТ 30331.1-2013):
- Род электрического тока: переменный и (или) постоянный.
- Виды проводников, применяемых в электрических цепях электроустановки:
— переменного тока: фазный (линейный) проводник, нейтральный проводник, защитный проводник;
— постоянного тока: полюсный (линейный) проводник, средний проводник, защитный проводник.
Примечание — В одном проводнике, например — в PEN-, РЕМ- или PEL-проводнике, могут быть объединены функции, выполняемые несколькими проводниками.
- Допустимые значения:
— напряжение и допустимые отклонения напряжения;
— потери напряжения, колебания напряжения и падения напряжения;
— частота и допустимые отклонения частоты;
— максимальный допустимый ток;
— полное сопротивление петли замыкания на землю до ввода в электроустановку;
— ожидаемые токи короткого замыкания.
Стандартные значения напряжения и частоты приведены в IEC 60038.
Защитными мерами предосторожности, присущими источнику питания, являются, например, заземление нейтрали в электрической системе переменного тока или заземление средней части, находящейся под напряжением, в электрической системе постоянного тока.
При этом, приведенные ниже характеристики любого применяемого источника питания и обычный диапазон этих характеристик, если необходимо должны быть определены путем расчета, измерения, сбора материала или проверки:
- номинальное (ые) напряжение (ия);
- род тока и его частота;
- ожидаемый ток короткого замыкания на вводе электроустановки;
- полное сопротивление петли замыкания на землю той части электрической системы, которая расположена снаружи электроустановки;
- соответствие требованиям, предъявляемым электроустановкой, включая — обеспечение максимальной нагрузки;
- тип и номинальные характеристики устройства защиты от сверхтока, установленного на вводе электроустановки.
Эти характеристики следует оценивать как для внешнего, так и для внутреннего источников питания. Требования распространяются на основные источники питания, на источники питания систем безопасности и резервные источники питания.
[править] Источники постоянного тока
Простым источником постоянного тока является химический источник (гальванический элемент или аккумулятор), поскольку полярность такого источника не может самопроизвольно измениться. Для получения постоянного тока используют также электрические машины генераторы постоянного тока. В электронной аппаратуре, питаемой от сети переменного тока, для получения пульсового постоянного тока используют выпрямитель. Далее для уменьшения пульсаций может быть использован сглаживающий фильтр и при необходимости стабилизатор напряжения.
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.
[править] Применение
Постоянный ток имеет много применений — от подзарядки аккумуляторов до крупных источников питания для электронных систем, электродвигателей и тому подобное.
Постоянный ток широко используется в технике: питание подавляющего большинства электронных схем, в автомобилях, троллейбусах, электровозах, в некоторых типах подъемных кранов, в ручном переносном инструменте на аккумуляторах и т. д.
Постоянный ток низкого напряжения используется в электрометаллургии для расплава и электролиза руд, в первую очередь алюминиевых.
Высоковольтный постоянный ток используется для передачи большого количества электроэнергии от удаленных объектов генерации или для соединения электрических сетей переменного тока.
Принцип действия
Каждая маркировка источников тока определяет принцип его действия. В стандартной ситуации выработка энергии производится посредством взаимодействия составляющих частей, а именно:
- Механический тип. В результате взаимодействия деталей механизма, возникает трение. Благодаря такому явлению, возникает статическое электричество, преобразуемое в ток.
- Механические конструкции работают посредством образования последовательно движущихся заряженных частиц. Явление возникает благодаря взаимодействию химического элемента с электролитом. Заряженные частицы покидают структуру кристаллической решётки металла, входя в состав проводящей жидкости.
- Солнечные батареи (световые источники) работают за счет выбивания заряженных частиц из диэлектрической (кремниевой) основы под воздействием светового потока. Благодаря этому возникает постоянное напряжение.
- Тепловые. Как правило, это 2 последовательно соединенных металлических основания. Одна часть нагревается, а вторая остается охлажденной. При изменении температурного режима возникает разница температур, в результате чего происходит движение заряженных частиц.
Вам это будет интересно Для чего нужно выравнивание потенциалов
Важно! Любое изменение в строении вещества может привести к необратимым последствиям, которые проявятся при работе устройства.
Работа источника тока
Перемещая электрические заряды по участку цепи, электрический ток выполняет работу. Она складывается из работы кулоновских сил и работы сторонних сил:
А = Акул + Астор.
Работа источника – это работа сторонних сил по переносу электрических зарядов вдоль проводника в течение времени:
Аист = Астор = ε * I * t,
где:
- ε – ЭДС (В);
- I – ток (А);
- t – время (с).
Работа электротока определяет степень превращения электроэнергии в её другие формы.
Преобразование переменного тока в постоянный
Для варианта подобной трансформации оптимальный способ – использование выпрямителей:
- Подключение диодного моста – первый шаг в этой процедуре. Конструкция из 4 диодов с необходимой мощностью способствует процессу своеобразного срезания верхних границ уже знакомых нам синусоид переменного вида. Таким образом достигается получение однонаправленного тока.
Изменения в результате снижения пульсации отображены в синем цвете.
- устанавливаются для уменьшения рабочего уровня пульсации в случае возникшей необходимости.
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).
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).
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.
Идеальный источник тока
Если ток, проходящий через двухполюсник и снимаемый с его контактов, не изменяется от величины напряжения на этих контактах, то это идеальный источник тока. Закон Ома, утверждающий, что сила тока на участке цепи находится в прямой зависимости от напряжения и обратно пропорциональна сопротивлению, ссылается на такой эталон. Формула:
I = U/R, где:
- I – ток, А;
- U – напряжение, В;
- R – сопротивление, Ом.
В этом случае подразумевается, что внутреннее сопротивление источника близко или равно бесконечности. Это значит, что внешние параметры цепи, изменяющие напряжение на выходе двухполюсника, не изменяют ток.
Внимание! Мощность на выводах источника будет повышаться с увеличением сопротивления нагрузки, при неизменном токе это даёт увеличение мощности P = U*I. В этом случае можно говорить об идеальном источнике мощности.
Источник любого типа далёк от идеального генератора. Правильно подобранный и неповреждённый источник тока прослужит долго. Главное, чтобы эксплуатация проходила в рекомендуемом режиме. Так как большинство изделий связано с химическими процессами, то хранение и утилизация этой продукции выполняются по экологическим нормам и правилам.
