Для чего нужен источник тока
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:
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.
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 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:
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.
К основным видам аккумуляторов относятся:
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.
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:
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.
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.
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.
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.
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
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.
Что такое электрический ток?
Открытия, связанные с электричеством, кардинально изменили нашу жизнь. Используя электрический ток как источник энергии, человечество сделало прорыв в технологиях, которые облегчили наше существование. Сегодня электричество приводит в движение токарные станки, автомобили, управляет роботизированной техникой, обеспечивает связь. Этот список можно продолжать очень долго. Даже трудно назвать отрасль, где можно обойтись без электроэнергии.
В чём секрет такого массового использования электричества? Ведь в природе существуют и другие источники энергии, более дешевые, чем электричество. Оказывается всё дело в транспортировке.
Электрическую энергию можно доставить практически везде:
Электроэнергию, накопленную аккумулятором, можно носить с собой. Мы пользуемся этим ежедневно, беря с собой сотовый телефон. Ни один другой вид энергии не обладает такими универсальными свойствами как электричество. Разве это не является достаточной причиной для того, чтобы глубже изучить природу и свойства электричества?
Что такое электрический ток?
Как всё начиналось
Ещё древним грекам было известно свойство янтаря, потёртого о шерсть, притягивать некоторые мелкие предметы. Кстати, от греческого названия янтаря –«электрон» пошло название «электричество».
Когда физики вплотную занялись исследованием электризации тел, они начали понимать природу подобных явлений. А первый кратковременный электрический ток, созданный человеком, появился при соединении проводником двух наэлектризованных предметов (см. рис. 1). В 1729 году англичане Грей и Уиллер открыли проводимость зарядов некоторыми материалами. Но определения электрического тока они не смогли дать, хотя и понимали, что заряды перемещаются от одного тела к другому по проводнику.
Рис. 1. Опыт с заряженными телами
Об электрическом токе, как о физическом явлении заговорили лишь после того, как итальянец Вольта дал объяснение опытам Гальвани, а в 1794 году изобрёл первый в мире источник электричества – гальванический элемент (столб Вольта). Он обосновал упорядоченное перемещение заряженных частиц по замкнутой цепи.
Определение
В современной трактовке электрическим током называют направленное перемещение силами электрического поля заряженных частиц, Носителями зарядов металлических проводников являются электроны, а растворов кислот и солей — отрицательные и положительные ионы. Полупроводниковыми носителями зарядов являются электроны и «дырки».
Для того чтобы электрический ток существовал, необходимо всё время поддерживать электрическое поле. Должна существовать разница потенциалов, поддерживающая наличие первых двух условий. До тех пор, пока эти условия соблюдены, заряды будут упорядоченно перемещаться по участкам замкнутой электрической цепи. Эту задачу выполняют источники электричества.
Такие условия можно создать, например, с помощью электрофорной машины (рис. 2). Если два диска вращать в противоположных направлениях, то они будут заряжаться разноимёнными зарядами. На щётках, прилегающих к дискам, появится разница потенциалов. Соединив контакты проводником, мы заставим заряженные частицы двигаться упорядоченно. То есть электрофорная машина является источником электричества.
Рисунок 2. Электрофорная машина
Источники тока
Первыми источниками электрической энергии, нашедшими практическое применение, были упомянутые выше гальванические элементы. Усовершенствованные гальванические элементы (народное название – батарейки) широко применяются по сей день. Они используются для питания пультов управления, электронных часов, детских игрушек и многих других гаджетов.
С изобретением генераторов переменных токов электричество приобрело второе дыхание. Началась эра электрификации городов, а позже и всех населённых пунктов. Электрическая энергия стала доступной для всех граждан развитых стран.
Сегодня человечество ищет возобновляемые источники электроэнергии. Солнечные панели, ветряные электростанции уже занимают свои ниши в энергосистемах многих стран, включая Россию.
Характеристики
Электрический ток характеризуется величинами, которые описывают его свойства.
Сила и плотность тока
Для описания характеристики электричества часто используют термин «сила тока». Название не совсем удачное, так как оно характеризует только интенсивность движения электрических зарядов, а не какую-то силу в буквальном смысле. Тем не менее, этим термином пользуются, и он означает количество электричества (зарядов) проходящего через плоскость поперечного сечения проводника. Единицей измерения силы тока в системе СИ является ампер (А).
1 А означает то, что за одну секунду через поперечное сечение проводника проходит электрический заряд 1 Кл. (1А = 1 Кл/с).
Разница потенциалов (напряжение) на участке цепи выражается соотношением: U = I×R, где U – напряжение, I – сила тока, а R – сопротивление. Это знаменитый закон Ома для участка цепи.
Мощность
Электрическими силами совершается работа против активного и реактивного сопротивления. На пассивных сопротивлениях работа преобразуется в тепловую энергию. Мощностью называют работу, выполненную за единицу времени. По отношению к электричеству применяют термин «мощность тепловых потерь». Физики Джоуль и Ленц доказали, что мощность тепловых потерь проводника равна силе тока умноженной на напряжение: P = I× U. Единица измерения мощности – ватт (Вт).
Частота
Переменный ток характеризуется также частотой. Данная характеристика показывает, как за единицу времени изменяется количество периодов (колебаний). Единицей измерения частоты является герц. 1 Гц = 1 периоду за секунду. Стандартная частота промышленного тока составляет 50 Гц.
Ток смещения
Понятие «ток смещения» ввели для удобства, хотя в классическом понимании его нельзя назвать током, так как отсутствует перенос заряда. С другой стороны, интенсивность магнитного поля пребывает в зависимости от токов проводимости и смещения.
Токи смещения можно наблюдать в конденсаторах. Несмотря на то, что при зарядке и разрядке между обкладками конденсатора не происходит перемещения заряда, ток смещения протекает через конденсатор и замыкает электрическую цепь.
Виды тока
По способу генерации и свойствам электроток бывает постоянным и переменным. Постоянный – это такой, что не меняет своего направления. Он течёт всегда в одну сторону. Переменный ток периодически меняет направление. Под переменным понимают любой ток, кроме постоянного. Если мгновенные значения повторяются в неизменной последовательности через равные промежутки времени, то такой электроток называют периодическим.
Классификация переменного тока
Классифицировать изменяющиеся во времени токи можно следующим образом:
Различают также вихревые токи, которые возникают в проводнике при изменении магнитного потока. Блуждающие токи Фуко, как их ещё называют, не текут по проводам, а образуют вихревые контуры. Индукционный ток имеет ту же природу что и вихревой.
Дрейфовая скорость электронов
Электричество по металлическому проводнику распространяется со скоростью света. Но это не означает, что заряженные частицы несутся от полюса к полюсу с такой же скоростью. Электроны в металлических проводниках встречают на своём пути сопротивление атомов, поэтому их реальное перемещение составляет всего 0,1 мм за секунду. Реальная, упорядоченная скорость перемещения электронов в проводнике называется дрейфовой.
Если замкнуть проводником полюсы источника питания, то вокруг проводника молниеносно образуется электрическое поле. Чем больше ЭДС источников, тем сильнее проявляется напряжённость электрического поля. Реагируя на напряжённость, заряженные частицы вмиг принимают упорядоченное движение и начинают дрейфовать.
Направление электрического тока
Традиционно считают, что вектор электрического тока направлен к отрицательному полюсу источника. Но на самом деле электроны движутся к положительному полюсу. Традиция возникла из-за того, что за направление вектора было выбрано движение положительных ионов в электролитах, которые действительно стремятся к негативному полюсу.
Электроны проводимости с отрицательным зарядом в металлах были открыты позже, но физики не стали менять первоначальные убеждения. Так укрепилось утверждение, что ток направлен от плюса к минусу.
Электрический ток в различных средах
В металлах
Носителями тока в металлических проводниках являются свободные электроны, которые из-за слабых электрических связей хаотично блуждают внутри кристаллических решёток (рис. 3). Как только в проводнике появляется ЭДС, электроны начинают упорядочено дрейфовать в сторону позитивного полюса источника питания.
В результате прохождения тока возникает сопротивление проводников, которое препятствует потоку электронов и приводит нагреванию. При коротком замыкании выделение тепла настолько сильное, разрушает проводник.
В полупроводниках
В обычном состоянии у полупроводника нет свободных носителей зарядов. Но если соединить два разных типа полупроводников, то при прямом подключении они превращаются в проводник. Происходит это потому, что у одного типа есть положительно заряженные ионы (дырки), а у другого – отрицательные ионы (атомы с лишним электроном).
Под напряжением электроны из одного полупроводника устремляются для замещения (рекомбинации) дырок в другом. Возникает упорядоченное движение свободных зарядов. Такую проводимость называют электронно-дырочной.
В вакууме и газе
Электрический ток возможен и в ионизированном газе. Заряд переносится положительными и отрицательными ионами. Ионизация газов возможна под действием излучения или вследствие сильного нагревания. Под действием этих факторов возбуждаются атомы, которые превращаются в ионы (рис. 4).
Рис 4. Электрический ток в газах
В вакууме электрические заряды не встречают сопротивления, поэтому. заряженные частицы движутся с околосветовыми скоростями. Носителями зарядов являются электроны. Для возникновения тока в вакууме необходимо создать источник электронов и достаточно большой положительный потенциал на электроде.
Примером может служить работа вакуумной лампы или электронно-лучевая трубка.
В жидкостях
Оговоримся сразу – не все жидкости являются проводниками. Электрический ток возможен в кислотных, щёлочных и соляных растворах. Иначе говоря – в средах, где имеются заряженные ионы.
Если опустить в раствор два электрода и подключить их к полюсам источника, то между ними будет протекать электрический ток (рис. 5). Под действием ЭДС катионы устремятся к катоду (минусу), а анионы к аноду. При этом будет происходить химическое воздействие на электроды – на них будут оседать атомы растворённых веществ. Такое явление называют электролизом.
Для лучшего понимания свойств электротока в разных средах, предлагаю рассмотреть картинку на рисунке 6. Обратите внимание на вольтамперные характеристики (4 столбец).
Рис. 6. Электрический ток в средах
Проводники электрического тока
Среди множества веществ, лишь некоторые являются проводниками. К хорошим проводникам относятся металлы. Важной характеристикой проводника является его удельное сопротивление.
Небольшое сопротивление имеют:
На практике наиболее часто применяют алюминиевые и медные проводники, так как они не слишком дорогие.
Электробезопасность
Несмотря на то что электричество прочно вошло в нашу жизнь, не следует забывать об электробезопасности. Высокие напряжения опасны для жизни, а короткие замыкания становятся причиной пожаров.
При выполнении ремонтных работ необходимо строго соблюдать правила безопасности: не работать под высоким напряжением, использовать защитную одежду и специальные инструменты, применять ножи заземления и т.п.
В быту используйте только такую электротехнику, которая рассчитана на работу в соответствующей сети. Никогда не ставьте «жучки» вместо предохранителей.
Помните, что мощные электролитические конденсаторы имеют большую электрическую емкость. Накопленная в них энергия может вызвать поражение даже спустя несколько минут после отключения от сети.
Какие существуют виды источников электрического тока?
Источник электрического тока – это устройство, с помощью которого создаётся электрический ток в замкнутой электрической цепи. В настоящее время изобретено большое количество видов таких источников. Каждый вид используется для определённых целей.
Виды источников электрического тока
Существуют следующие виды источников электрического тока:
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 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, 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.
В щелочных батарейках в качестве электролита используется пастообразный раствор щёлочи — гидрооксида калия. Цинковый анод заменён на порошкообразный цинк, что позволило увеличить отдаваемый элементом ток и время работы. Эти элементы служат в 1,5 раза дольше солевых.
В литиевом элементе анод сделан из лития — щелочного металла, что значительно увеличило продолжительность работы. Но одновременно увеличилась цена из-за относительной дороговизны лития. Кроме того, литиевая батарейка может иметь различное напряжение в зависимости от материала катода. Выпускают батарейки с напряжением от 1,5 В до 3,7 В.
Аккумуляторы — источники электрического тока, которые можно подвергать многим циклам заряда-разряда. Основными видами аккумуляторов являются:
Свинцово-кислотные аккумуляторы состоят из свинцовых пластин, погружённых в раствор серной кислоты. При замыкании внешней электрической цепи происходит химическая реакция, в результате которой свинец преобразуется в сульфат свинца на катоде и аноде, а также образуется вода. В процессе зарядки сульфат свинца на аноде восстанавливается до свинца, а на катоде до диоксида свинца.
Литий-ионный аккумулятор получил своё название из-за того, что в качестве носителя электричества в электролите служат ионы лития. Ионы возникают на катоде, который изготовлен из соли лития на подложке из алюминиевой фольги. Анод изготавливается из различных материалов: графита, оксидов кобальта и других соединений на подложке из медной фольги.
Напряжение в зависимости от применяемых компонентов может быть от 3 В до 4,2 В. Благодаря низкому саморазряду и большому количеству циклов заряда-разряда литий-ионные аккумуляторы приобрели большую популярность в бытовой технике.
ВАЖНО! Литий-ионные аккумуляторы очень чувствительны к перезарядке. Поэтому для их зарядки нужно использовать зарядные устройства, предназначенные только для них, которые имеют встроенные специальные схемы, предотвращающие перезаряд. Иначе может произойти разрушение аккумулятора и его возгорание.
В никель-кадмиевых аккумуляторах катод сделан из соли никеля на стальной сетке, анод из соли кадмия на стальной сетке, а электролит — смесь гидроксида лития и гидроксида калия. Номинальное напряжение такого аккумулятора — 1,37 В. Он выдерживает от 100 до 900 циклов зарядки-разрядки.
Тепловые химические элементы служат как источники резервного питания. Они дают отличные характеристики по удельной плотности тока, но имеют короткий срок службы (до 1 часа). Применяются в основном в ракетной технике, где нужны надёжность и кратковременная работа.