К источнику постоянного напряжения

Источник питания постоянного тока

В электрической цепи необходим элемент, который обеспечивает наличие электрического поля и поддерживает его в стабильном состоянии. Эту роль играет источник постоянного тока. Для работоспособности схемы важно, чтобы такой элемент обеспечивал необходимые характеристики на постоянной основе.

Что такое источник тока

Если в определённом объекте на одной клемме будет избыток электронов, а на другой недостаток, то после его включения в цепь в ней появится электрическое поле, которое обеспечит наличие тока и напряжения, необходимых для правильной работы схемы.

При этом электроны будут перемещаться с той клеммы, где имеется их избыток на ту, где их не хватает. Если не принимается никаких дополнительных мер, то после перемещения носителей на новое место произойдёт уравнивание зарядов, а напряжение и ток станут равны нулю. В результате электрическое поле исчезнет.

Как известно, источники постоянного тока действуют так, что заряды на клеммах поддерживаются постоянными. Обязательным условием при этом является перемещение электронов обратно на ту клемму, где должен быть их избыток. Такой перенос происходит в результате проведённой работы. Она осуществляется в постоянном режиме.

На практике со временем источник постоянного тока постепенно разряжается, и количество зарядов на его клеммах уменьшается. Как пример можно привести постепенную разрядку аккумулятора электронного гаджета.

Силы, которые выполняют работу по восстановлению зарядов клемм, могут иметь различную природу. Чаще всего они представляют собой результат определённых химических процессов.

Различные виды источников тока

Наиболее распространённой разновидностью являются источники питания постоянного тока, имеющие химическую природу. Это батарейки и аккумуляторы. В результате происходящих внутри них химических реакций электроны с внешних оболочек атомов отрываются и перемещаются на отрицательную клемму.

Следовательно, можно утверждать, что внутри аккумулятора или батарейки проходит ток, причём его движение определяется происходящими химическими процессами. Как правило, такие источники тока позволяют использовать относительно небольшое напряжение.

Источники энергии могут быть и электромеханическими. С их помощью получают довольно высокое напряжение. Электромеханические устройства производят электроэнергию за счет выполнения механической работы. Этот способ нашел широкое применение в промышленности.

Принцип действия теплового источника постоянного электрического тока основан на таком явлении, как нагрев. Под воздействием высокой температуры в месте контакта двух металлов или полупроводниковых структур возникает электродвижущая сила. Она будет тем больше, чем выше затраты тепловой энергии. Электроток протекает от нагретого участка к холодному.

Термоэлектрические источники практически не используются для энергетического обеспечения электрооборудования, поскольку в них возникает небольшая разность потенциалов. Основные потребители такой электрической энергии — датчики температуры.

Использование световых источников в технике получает всё большее распространение. В таких устройствах электроны под воздействием фотонов света получают дополнительную энергию и покидают свои атомы, образуя электрический ток. Этот экологичный вариант получения электроэнергии возможен, например, в пустынной местности, где практически всегда солнечная погода. Фотоэлектрический источник питания выгодно устанавливать на крышах домов, чтобы обеспечивать граждан и организации электрической энергией.

Получение постоянного тока из переменного

Постоянный электроток можно получать не только с помощью аккумуляторов или солнечных батарей. Часто прибегают к преобразованию переменного тока в постоянный. В качестве примера можно привести использование переменного напряжения 220 В в домах и квартирах для питания электроприборов.

В этом случае для получения постоянного применяют выпрямители. Это могут быть диодные мосты или трансформаторы, обеспечивающие нужные параметры выходного тока.

Как действуют химические источники

Такие источники можно разделить на два типа:

• Гальванические, принцип действия которых основан на применении электролитических реакций.
• Аккумуляторные, способные подзаряжаться, используя для этого электрическую энергию.

Гальванические называют еще первичными источниками, а аккумуляторные — вторичными. Принцип действия первых основан на наличии электрического состава, в который погружены клеммы. Происходящие здесь химические процессы обеспечивают перемещение электронов таким образом, что на одной клемме постоянно присутствует недостаток электронов, а на второй — их избыток.

Для работы гальванических устройств не требуется использование дополнительного источника энергии для зарядки. Недостатком гальванических источников тока является то, что в процессе их эксплуатации происходят необратимые химические реакции, которые постепенно снижают эффективность работы батареи, и в конце концов приводят к прекращению её функционирования.

Клемму с положительным зарядом принято называть катодом, а с отрицательным — анодом. Первый обычно изготавливают из кадмия, свинца, цинка. Для второго применяют графит, оксид марганца, гидроксид никеля или оксид свинца.

Существуют разные виды гальванических батарей. Их название определяется применяемым электролитом. В основном используются:

• Литиевые.
• Щелочные.
• Солевые, которые также называются сухими.

Батареи второго и третьего типа состоят из граффито-марганцевого стержня, который является катодом. Он расположен внутри цинкового стаканчика, выполняющего функции анода. Промежуток между ними заполнен электролитом.

Важно отметить, что последний не является жидкостью, а представляет собой пасту. В щелочных аккумуляторах применяется гидроксид калия, а в солевых — паста, сделанная на основе хлорида аммония.

Катод литиевого аккумулятора выполняется из производных лития на алюминиевой фольге, а анод — из графита на фольге из меди. Между ними расположен пористый сепаратор, пропитанный электролитом и выполняющий функции проводника.

Рабочий цикл аккумулятора, в отличие от батареи, заключается в том, что в процессе зарядки под воздействием электрической энергии здесь происходят химические реакции, обеспечивающие накопление зарядов на клеммах. То есть, сначала электрическая энергия преобразуется в химическую, а затем последняя вновь превращается в электрическую.

Однако такие преобразования не постоянны, они постепенно уменьшают эффективность работы источника питания. Со временем получаемый при перезарядке потенциал на клеммах становится меньше, а время разрядки короче. Наличие эффекта памяти существенно снижает эффективность использования источника энергии.

Эффект памяти проявляется следующим образом: если зарядка происходит до максимального значения, а разрядка до нулевого, то его влияние минимально. Если же аккумулятор начинают использовать, зарядив не полностью, то он запоминает последнее значение и в дальнейшем считает его максимальным. При последующих подзарядках аккумулятор его уже превосходить не будет.

Наиболее распространены следующие типы аккумуляторов:

• Литий-ионные.
• Щелочные никель-кадмиевые.
• Свинцово-кислотные.

Каждая перечисленная здесь разновидность имеет соответствующее обозначение на своем корпусе, а также свои сильные и слабые стороны.

Свинцово-кислотные или никель-кадмиевые аккумуляторы обычно монтируют как блок. При этом катод предыдущего элемента соединяют с анодом последующего. В результате потребитель получает суммарную разность потенциалов.

Литий-ионные аккумуляторы более популярны, благодаря возможности многократной перезарядки практически без появления эффекта памяти.

Механические источники

При их использовании получают ток с помощью генераторов. Механическая энергия обеспечивает его вращение, а изменяющаяся энергия магнитного тока — образование переменного тока. Чтобы получить постоянное напряжение, необходимо воспользоваться выпрямителями. Такие устройства строятся на различных схемах. Выпрямители могут быть однополупериодными и двухполупериодными.

В первом случае поступающий ток, имеющий синусоидальную форму, преобразуется таким образом, что остаются только положительные импульсы, а отрицательные пропадают. Во втором — положительные остаются на месте, а отрицательные меняют полярность. В последнем случае преобразование энергии происходит более эффективно.

Схема выпрямителя, включающая входной трансформатор обеспечивает более низкие пульсации. Такие варианты приборов называют линейными.

Для выпрямления также применяются импульсные схемы. Сначала из переменного напряжения получают сигнал с частотой импульсов 15–60 кГц, который далее преобразуют в постоянный ток.

Последний вариант позволяет создавать более компактную схему. Использование таких устройств получает всё большее распространение в современной электротехнике.

Видео по теме

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.

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).

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.

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.

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

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 питания постоянного тока управляемые напряжением

Открытие электричества привело к появлению такого понятия, как источник тока. Им может быть любой двухполюсник, в котором значение напряжения на выводах не обусловлено силой тока, проходящего через него. Иными словами, это устройство, совершающее работу, в результате которой происходит разделение отрицательно и положительно заряженных частиц. Они накапливаются на клеммах двухполюсника и создают разность потенциалов между ними. Источник может преобразовать в электрическую энергию другие виды энергии. При любом сопротивлении нагрузки его ток не меняется.

Виды источников тока

Источники и признаки постоянного тока

Движение зарядов в электрической цепи обеспечивают источники тока. Для постоянного тока источниками могут быть:

• батарейки или аккумуляторы;
• генераторы постоянного тока;
• преобразователи и выпрямители импульсов переменного тока.

Основные химические источники электроэнергии

Гальванические элементы вырабатывают постоянный ток в результате электрохимической реакции.

Читайте также: Какова стандартная частота переменного тока применяемого в россии

Машины постоянного тока производят его с помощью электромагнитной индукции и выпрямляют в обмотках коллектора.

Схемы преобразователей и полупроводниковые выпрямители на транзисторах или высоковольтных диодах так же могут выдавать ток, характеристики которого не меняются во времени. Преобразователи могут регулировать частоту и напряжение, оставляя неизменным ток.

По каким признакам определяют наличие тока, если нет измерительных приборов? Это можно выяснить по его воздействию на проводник. Такие действия можно разделить на три вида:

• магнитные;
• химические;
• тепловые.

Если через проводник, из которого выполнена обмотка катушки, пропустить электроток, то катушка станет притягивать металлические элементы. На этом принципе работают большие электромагниты, задействованные при погрузке металла в морских портах.

Химическое действие, по которому можно судить о наличии тока, – это процесс электролиза. При нём на электродах, подключенных к источнику, начинает оседать вещество. Эти процессы используются в гальваностегии или гальванопластики.

При подключении к двухполюснику проводника с высоким сопротивлением электрическому току он начинает нагреваться и отдавать тепло. Например, чтобы электроны двигались через нихромовую спираль, совершается работа с выделением тепла. Это свойство проводника используется при изготовлении нагревательных приборов.

Важно! Источник тока отличается от источника напряжения тем, что первый отдаёт одинаковый ток, независимо от сопротивления нагрузки, второй –снабжает потребителя напряжением, которое не изменяется при любой нагрузке. Квартирная розетка 220 В – источник напряжения, сварочный аппарат – токовый ресурс.

Источники питания постоянного тока

Постоянный ток получают посредством таких устройств:

1. гальванические элементы — батарейки и аккумуляторы: разделение положительных и отрицательных зарядов осуществляется за счет химического взаимодействия;
2. генераторы постоянного тока: превращают механическую энергию в электрическую;
3. выпрямители: преобразуют переменный ток в постоянный;
4. фотоэлементы (солнечные батареи) и термоэлементы: превращают в электричество энергию, соответственно, света и тепла.

Наиболее распространены первые три разновидности, они и будут рассматриваться подробно.

Батарейки

Получение разности потенциалов химическим путем удобно показать на простом примере — цинковом стержне, помещенном в серную кислоту. Положительно заряженные атомы цинка притягивают к себе отрицательные ионы кислоты и под их воздействием отрываются от стержня.

Последний в результате этого становится отрицательно заряженным, кислота же приобретает положительный заряд.

Для подключения к положительному полюсу Алессандро Вольта, первооткрыватель данного явления, опустил в раствор медный стержень. При подключении нагрузки, электроны с цинкового стержня перемещаются через нее к медному.

Недостаток данного решения — образование газообразного водорода на медной пластине, затрудняющего работу элемента. Поэтому в современных батарейках вместо меди применяют другие материалы, например, графит в оболочке из диоксида марганца (последняя поглощает газ). Серная кислота заменена раствором нашатырного спирта.

Читайте также: Таблица КТП ТП трансформаторные подстанции мощности

Применяются и другие сочетания материалов, например:

• марганец и олово;
• марганец и магний;
• свинец и цинк;
• свинец и кадмий;
• свинец и хлор;
• цинк и хром.

По характеру работы батарейки из разных материалов отличаются. У одних ЭДС по мере разряда постепенно снижается, у других — долго остается постоянной, затем резко падает.

Аккумулятор

Емкость аккумулятора, в отличие от батарейки, после разрядки можно восполнить подключив к источнику электрической энергии.

Материалы также используются разные. К примеру, в автомобильных аккумуляторах аноды делают из двуокиси свинца, катоды — из губчатого свинца. Роль электролита играет раствор H2SO4.

Указаны материалы так называемой активной массы электродов. Основание же их является свинцово-кальциевым или свинцово-сурьмяным.

При разрядке происходит такое же взаимодействие, как и в элементе Вольта: отрицательные ионы серной кислоты притягиваются к положительным атомам свинца с образованием сульфата свинца, так что электрод приобретает отрицательный заряд, электролит — положительный.

Попутно из освободившегося водорода и кислорода, выделяющегося из двуокиси свинца, образуется вода, что приводит к снижению плотности электролита. По этому параметру определяют уровень заряда аккумулятора.

При зарядке происходит обратный процесс: сульфат свинца и вода превращаются в серную кислоту, свинец и диоксид свинца.

Литий-ионный аккумулятор

Мобильные телефоны, ноутбуки, прочие электронные устройства, а также электромобили сегодня оснащают литий-ионными аккумуляторами. Электроды такого источника изготавливают путем нанесения катодного материала на фольгированный алюминий и анодного — на медную фольгу.

Заряд переносится положительно заряженными атомами лития. Они обладают способностью встраиваться в кристаллическую решетку различных материалов — солей и оксидов металлов, графита. При этом образуется химическая связь, например, в оксиде марганца — LiMnO2, в графите — LiC6.

В качестве отрицательной пластины сегодня применяют графит, в первых версиях это были металлический литий и каменноугольный кокс.

Катодные материалы используются такие:

• лития кобальтат (LiCoO2);
• литий-феррофосфат (LiFePO4);
• растворы на основе никелата лития (в твердом агрегатном состоянии);
• шпинель литий-марганцевая (LiMn2O4).

Достоинства литий-ионных аккумуляторов:

Читайте также: Конденсатор. Энергия электрического поля

• значительная емкость;
• низкий саморазряд;
• мизерный эффект памяти (практически нулевой).

Эти источники комплектуются контроллерами разряда. Устройство отключает батарею при перегреве и при сокращении разряда ниже критического уровня.

Генераторы

Генератор DC в основном устроен так же, как и переменный: в магнитном поле вращается ротор с обмотками и в последних, из-за постоянного изменения магнитного потока наводится ЭДС (закон электромагнитной индукции). Разница состоит в наличии коллектора — приспособления из полуколец, благодаря которому на токосъемные щетки всегда подается ЭДС с одной полярностью.

В каждом витке рамки ЭДС пульсирует — меняется при вращении от нуля до максимума. Применением обмотки из множества витков, расположенных по определенному закону, добиваются сглаживания пульсаций.

Выпрямители

Преобразование переменного тока в DC осуществляется посредством полупроводниковых приборов с односторонней проводимостью — диодов. Существует несколько разновидностей выпрямителей.
Однополупериодные — простейший вариант преобразователя, состоящий из единственного диода. Последний пропускает ток только в течение полупериода, когда полярности входного напряжения и его собственная совпадают.
Для сглаживания пульсаций используется конденсатор: пока диод пропускает ток, он заряжается, а в течение второго полупериода отдает заряд. При частоте входного переменного тока 50 Гц требуемая емкость конденсатора слишком велика (от 2000 до 5000 мкФ).

Поэтому на таких частотах выпрямители данного типа применяют крайне редко. Импульсные блоки питания дают на выходе переменный ток намного большей частоты — 10-15 кГц. Здесь использование однополупериодных выпрямителей вполне уместно. Таким блоком питания является, например, зарядное устройство мобильного телефона.

Недостатки однополупериодного выпрямителя:

• нерациональное использование трансформатора;
• значительное обратное напряжение на диоде.

Двухполупериодные пропускают ток в обоих полупериодах, есть две разновидности таких выпрямителей:

1. 
   схема со средней точкой . Это два однополупериодных выпрямителя, подключенные параллельно. Для работы схемы нужен особый трансформатор со средним выводом из вторичной катушки: с одной части катушки ток подается на нагрузку по 1-му диоду, со второй во втором полупериоде — по 2-му. Выпрямитель применялся, когда полупроводниковые приборы были дороги и сокращение их числа вдвое оправдывала использование более металлоемкого трансформатора. Сегодня рациональнее применять мостовую схему на 4-х диодах;
2. мостовая схема. Представляет собой 4 диода, подключенные в виде квадрата. В одну диагональ включается нагрузка, на другую — подается переменное напряжение. Для сглаживания пульсаций используется LC-фильтр или только конденсатор.

Мостовая схема относится к наиболее распространенным, ее достоинства:

• не требуется трансформатор со средним выводом, возможно подключение напрямую к электросети;
• обратное напряжение на диодах вдвое меньше, чем в однополупериодном аналоге.

Источники электрического тока, изобретение электромашины

Источники питания 24 и 12 Вольт

Выработка электричества с помощью генераторов – основное направление в производстве электроэнергии. Механические источники поделились на два вида генераторов:

• машины, вырабатывающие постоянный ток;
• генераторы, производящие переменный ток.

Источники переменного тока и постоянного – это генераторы, которые превращают механическую энергию вращения в электрическую. Заявление Эмиля Ленца, русского учёного, в 1833 году послужило толчком для работ над созданием генераторов. Ленц объявил о возможной взаимности магнитоэлектрических явлений. Это означало, что двигатели постоянного и переменного тока могли не только вращаться при подаче напряжения соответствующей природы, но и при вращении начинать вырабатывать это напряжение.

Классификация линейных источников питания

1. мощности;
2. количеству каналов;
3. минимальной дискретности установки выходных параметров;
4. по наличию дополнительных функций.

1. Градация приборов по мощности

• малая мощность – на один канал до 100 Вт;
• средняя мощность – на один канал до 300 Вт;
• большая мощность – на один свыше 300 Вт.

2. Количество каналов

Для современных источников питания характерно наличие нескольких каналов: один, два, три или даже четыре регулируемых выхода.

Два из них чаще всего являются основными. Каналы между собой могут соединяться:

• последовательно – с целью увеличения выходного напряжения;
• параллельно – с целью увеличения максимального тока.

3. Минимальная дискретность установки выходных параметров

Высокоточные приборы имеют показатели нестабильности выходного напряжения, тока до 3 мВ и 3 мА соответственно. В таком случае дискретность установки (непрерывность) для выходного напряжения – 10 мВ, тока – 10 мА.

Однако иногда (например, в особо прецизионных исследованиях) требуются устройство с меньшим показателем дискретности установки: 1 мВ – для выходного напряжения, 1 мА – для тока. При этом рассматривают значения нестабильности: 350 мкВ – для выходного напряжения, 250 мкА – для тока.

4. Дополнительные возможности

• встроенный управляющий микроконтроллер, при этом значительно расширяются возможности разработчиков;
• увеличенное количество ячеек памяти, в которых можно сохранить режимы работы и выходные параметры;
• возможность записи времени, имитации медленной флуктуации (колебания, изменения), а также чтобы изучить поведение разрабатываемого (тестируемого) устройства;
• возможность программирования, мгновенного изменения по заданной программе напряжения питания либо тока. Это позволяет исследовать, как устройство реагирует на существенное изменение параметров питания, и многие другие.

Принцип действия

Подключаем трансформатор тока

Переменный – это ток, у которого величина и направление меняются во временном диапазоне. Основным принципом действия генераторов переменного тока является закон электромагнитной индукции – возникновение движения электронов в проводнике во время прохождения магнитного потока через его замкнутый контур.

Принцип действия генератора переменного (слева) и постоянного тока (справа)

Действие генераторов постоянного тока основано на законе Фарадея и проявлении ЭДС.

Когда к проводнику, имеющему внутри вращающийся постоянный магнит, подключить нагрузку, то по ней потечёт переменный ток. Это происходит из-за смены мест полюсов магнита. Для получения постоянного тока нужно эту нагрузку подключать с такой скоростью, с какой вращается магнит. Для этого предназначен в нём коллектор, который закрепляется на роторе и вращается с той же частотой. Постоянное напряжение с коллектора снимают графитные щётки. ЭДС падает до нуля, когда пластины коллектора переключаются, но не изменяет своей полярности, так как успевает подключиться к другому проводнику.

Читайте также: Полупроводниковые диоды. Общие характеристики диодов

Работа источника тока

Перемещая электрические заряды по участку цепи, электрический ток выполняет работу. Она складывается из работы кулоновских сил и работы сторонних сил:

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.

Химический источник тока

Химические источники питания постоянного тока – это семейство устройств и аппаратов, которые выдают напряжение на своих клеммах в результате внутренних химических процессов окисления или гальванизации. Их работа основана на реакциях химических веществ, которые, вступая во взаимодействие между собой, производят постоянный электроток.

К сведению. Процессы, протекающие в химических источниках (ХИТ), идут без тепловых или механических воздействий. Это выделяет их в особый ряд среди устройств, генерирующих напряжения постоянной полярности.

Некоторые виды химических источников тока

Термины и определения подробно описаны в ГОСТ Р МЭК 60050-482-2011, введённом в действие 01.07.2012 года. В нём сокращённо обозначены химические источники тока – ХИТ.

Разделение по видам ХИТ производят в следующей градации:

• первичные;
• топливные;
• аккумуляторы.

Это различие проведено по способу действия источника.

Химические источники тока

Элементы однократного применения – первичные источники. В них заложен конечный запас реагентов, которые вступят в реакцию и перестанут вырабатывать энергию по окончании процесса. Это различные батарейки типа АА.

Топливные ХИТ способны работать постоянно, но требуют поступления новой дозы веществ и удаления отработанных продуктов. По сути, это гальваническая ячейка, куда подводятся раздельно топливо и окислитель, они вступают в реакцию на двух электродах. В электролите растворяется топливо, и происходит катодное окисление. Это практически прецизионный лабораторный процесс.

Схема работы топливного элемента

Вторичные элементы, которые имеют возможность использоваться много раз, после подзаряда или перезаряда называются аккумуляторами. Если к таким устройствам подключить ток, то они снова регенерируются и аккумулируют энергию. Они нашли самое широкое применение в питании мобильных устройств и механизмов.

Аккумуляторный источник тока

Электрические аккумуляторы

Это источник постоянного тока многоразового использования, который действует не постоянно, а до следующего заряда. Они по своей химической природе подразделяются на типы:

• свинцово-кислотные;
• литий-ионные (литиевые);
• никель-кадмиевые;
• никелево-железные.

Свинцово-кислотные модели применяются в автомобилях, источниках бесперебойного питания, транспорте, промышленности, в отрасли связи и телекоммуникаций.

Литий-ионные батареи нашли широкое применение в мобильной связи, электроинструментах, системах телекоммуникаций, а также автономном и аварийном электроснабжении. Вот только небольшой перечень спектра их составов:

• литий-титанатовый;
• тионилхлоридный;
• литий-кобальтовый;
• литий-марганцевый;
• литий-фосфат железный;
• литий-полимерный;
• литий-диоксид серный;
• литий-диоксид марганцевый.

Литий-ионные источники тока

Интересно. Никель-кадмиевые щелочные аккумуляторы применяются в авиации, речном и морском судоходстве, в электрокарах.

Никель-кадмиевые аккумуляторы

Никелево-железные щелочные – очень надёжный тип источника. Пагубные для свинцово-кислотных батарей глубокие разряды, частые недозаряды не выводят их из строя. Они используются в тяговых транспортных цепях, в цепях резервного питания.

Тяговый никель-железный аккумулятор

Источник постоянного напряжения

Аккумуляторная батарея — это типичный источник постоянного напряжения. Для питания электронных схем применяются преимущественно источники постоянного напряжения. Напряжение измеряется между положительным и отрицательным выводами (полюсами) источника. Для того, чтобы образовать замкнутую электрическую цепь, в которой протекает постоянный ток, полюсы источника питания должны быть соединены с выводами схемы (нагрузки), потребляющей энергию от источника, или с выводами измерительного прибора. Считается, что в нагрузке, подключённой к источнику питания, ток течёт в направлении от положительного потенциала к отрицательному.

Гальванические элементы

Это ряд химических источников тока, которые называются батарейками. Напряжение батареек зависит от количества единиц, в неё входящих, и типа металлов, которые в ней применяются. Напряжение может быть в пределах от 1,5 до 4,5 вольт. В металлический цилиндр вставлены сетки из металлов, на которые с помощью напыления наносится окислитель. Электролитом выступает кислота либо соли калия или натрия. По мере прекращения реакции ток в батарее снижается. Дальнейшему восстановлению батарея не подлежит.

Гальванический элемент, схема работы

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.

Какие виды источников тока существуют

Энергия не может возникать из ничего. Об этом говорит закон сохранения энергии. Во всех без исключения источниках, электроэнергия создается за счет других ее видов.

В зависимости от того, какая именно энергия превращается в электрическую, выделяют такие виды (рис. 1) источников:

1. механические – генераторы,
2. тепловые – термопары, термогенераторы,
3. световые (фотоэлектрические) – солнечные батареи и фотоэлементы,
4. химические – гальванические элементы и аккумуляторы.

Рис. 1. В зависимости от видов энергии, преобразуемой в электрическую, источники разбивают на группы
Рассмотрим подробнее эти виды.