В каких приборах используется постоянный ток

Источники постоянного тока: виды, характеристики, сферы применения

В каких приборах используется постоянный ток

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.

В каких приборах используется постоянный ток

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:

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 каких приборах используется постоянный ток

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).

В каких приборах используется постоянный ток

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.

В каких приборах используется постоянный ток

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.

В каких приборах используется постоянный ток

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.

В каких приборах используется постоянный ток

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 каких приборах используется постоянный ток

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.

КАК: Переменный ток (AC) против постоянного тока (DC): что нужно знать

Что такое электрический ток

В школе на уроках физики ученикам рассказывают, что электрический ток — это направленное движение заряженных частиц. В металлах, из которых изготавливаются провода, носителями заряда являются электроны.

Читайте также: Выключатель накладной: где применяется и как устанавливается?

На электростанциях электроэнергия вырабатывается при помощи генераторов при вращении вала электромашины. Он приводится в движение разными способами, которых получает название электростанция:

  1. нагретый пар — тепловая;
  2. вода нагревается ядерным реактором — атомная;
  3. падающая или текущая вода — гидроэлектростанция;
  4. ветер — ветроэлектростанция.

На валу генератора находится электромагнит, а в статоре обмотки, при вращении ротора магнит вращается вместе с ним. При этом магнитное поле, пересекающее катушки, меняется по своему направлению и величине за счёт чего в них наводится электрическое напряжение, также меняющееся по величине от 0 до 100% и от прямой полярности к обратной.

Частота этих изменений в электросетях России, других стран СНГ и Евросоюза составляет 50 раз в секунду или 50Гц. Напряжение на выходных клеммах генератора может быть различным, но по пути к потребителю оно проходит через трансформаторы и в бытовых розетках составляет 220В.

В каких приборах используется постоянный ток

Постоянное напряжение является неизменным по величине и полярности. Первоначально производилось медно-цинковыми батареями, позже к ним добавились генераторы постоянного тока, в которых напряжение вырабатывается при вращении вала с обмотками в магнитном поле. В наше время вырабатывается в основном аккумуляторами, батарейками и солнечными электростанциями.

Интересно! В автомобилях используются генераторы переменного тока со встроенными выпрямителями. Выходное напряжение этого устройства регулируется током в обмотке ротора.

Что такое переменный (AC) и постоянный (DC) ток?

AC от англ. «alternating current» обозначает переменный ток, а DC «direct current» – постоянный ток.

АС чередует направление тока, а DС течет только в одном направлении.

Сварочные машины и электроды с маркировкой DC имеют постоянную полярность, тогда как маркированные AC изменяют полярность 120 раз в секунду с частотой тока 60 герц.

В каких приборах используется постоянный ток

Электрическое напряжение делят на два вида:

Обозначение постоянного тока (—), у переменного тока обозначение (

). Аббревиатуры ac и dc устоявшиеся, и употребляются наравне с названиями «постоянный» и «переменный». Теперь рассмотрим в чём их отличие. Дело в том, что постоянное напряжение течёт только в одном направлении, из чего и вытекает его название. А переменное, как вы уже поняли, может менять своё направление. В частных случаях направление переменного может оставаться одним и тем же. Но, кроме направления, у него также может меняться и величина. В постоянном ни величина, ни направление, не изменяется. Мгновенным значением переменного тока называют его величину, которая берётся в данный момент времени.

В Европе и России принята частота в 50 Гц, то есть изменяет своё направление 50 раз в секунду, в то время, как в США, частота равна 60 Гц. Поэтому техника, приобретённая в Соединённых штатах и в других государствах, с отличающейся частотой может сгореть. Поэтому при выборе техники и электроприборов следует внимательно смотреть на то, чтобы частота была 50 Гц. Чем больше частота у тока, тем больше его сопротивление. Также можно заметить, что в розетках у нас дома течёт именно переменный.

Помимо этого, у переменного электрического тока существует деление ещё на два вида:

Для однофазного необходим проводник, который будет проводить напряжение, и обратный проводник. А если рассматривать генератор трёхфазного тока, у него, на всех трёх намотках вырабатывается переменное напряжение частотой в 50 Гц. Трёхфазная система — это не что иное, как три однофазных электрических цепи, сдвинутых по фазе относительно друг друга под углом в 120 градусов. Посредством его использования, можно одновременно обеспечивать энергией три независимые сети, пользуясь при этом только шестью проводами, которые нужны для всех проводников: прямых и обратных, чтобы проводить напряжение.

А если у вас, например, имеется только 4 провода, то и тут проблем не возникнет. Вам нужно будет только соединить обратные проводники. Объединив их, вы получите проводник, который называют нейтральным. Обычно его заземляют. А оставшиеся внешние проводники кратко обозначают как L1, L2 и L3.

Но существует и двухфазный, он представляет из себя комплекс двух однофазных токов, в которых также присутствуют прямой проводник для проведения напряжения и обратный, они сдвинуты по фазе относительно друг друга на 90 градусов.

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.

Происхождение переменного и постоянного тока

Магнитное поле около провода заставляет электроны течь в одном направлении вдоль провода, потому что они отталкиваются отрицательной стороной магнита и притягиваются к положительной стороне. Так родился источник постоянного тока от батареи, в первую очередь благодаря работе Томаса Эдисона.

Генераторы переменного тока постепенно заменили аккумуляторную систему постоянного тока Edison, потому что переменный ток безопаснее переносить на большие расстояния по городу и может обеспечить большую мощность. Вместо постоянного применения магнетизма вдоль проволоки ученый Никола Тесла использовал вращающийся магнит. Когда магнит был ориентирован в одном направлении, электроны текли к положительному, но когда ориентация магнита была перевернута, электроны также поворачивались.

Виды электрического тока в быту

Для того, чтобы определить какой ток в розетке, нет необходимости изучать этот вопрос на уровне ВУЗа. Есть всего две разновидности напряжения — постоянное и переменное.

Ответ на вопрос какой ток в розетке переменный или постоянный является однозначным сейчас, но в начале ХХ века на эту тему спорили два великих изобретателя — Никола Тесла, поддерживавший идею переменного тока, и Томас Эдисон, выступавший за постоянный ток. В этот период мог быть в розетке постоянный или переменный ток, в зависимости от страны и схемы электроснабжения здания.

В конце концов победила точка зрения Теслы, а постоянный ток сейчас используется в основном в электроприводах, которые питаются от сети переменного тока через диодные или тиристорные выпрямители.

Интересно! В некоторых зданиях в Сан-Франциско в 2012 году сохранялись лифты, запитанные от сети постоянного тока. Это оборудование и подвод такого напряжения к зданиям сохранялись как раритет. В Нью-Йорке такие установки работали до 2007 года.

Постоянный ток

Международный символ этого напряжения DC — Direct Current (постоянный ток), а условное обозначение на электросхемах «—» или «=». Величина и полярность этого вида напряжения являются неизменными, а сила тока изменяется только при изменениях нагрузки. Этот вид электрического тока производится аккумуляторами, батарейками и элементами солнечных электростанций.

В каких приборах используется постоянный ток

От сети постоянного тока работают двигатели трамваев, троллейбусов и другого электротранспорта. Эти электродвигатели имеют лучшие тяговые характеристики, чем двигатели переменного тока.

В каких приборах используется постоянный ток

Информация! От постоянного напряжения работает бОльшая часть электронных схем, но они получают питание от сети переменного тока через встроенный или внешний блок питания с выпрямителем.

Идеи Эдисона

В каких приборах используется постоянный ток

Современную жизнь невозможно представить без электричества. Для того чтобы оно служило в гражданских и промышленных целях, его необходимо не только произвести, но и доставить потребителю. Первым, кто решил производить электроэнергию в большом объёме и транспортировать её на заводы, в офисы и домашние хозяйства, был американский предприниматель Томас Эдисон — один из самых влиятельных изобретателей мира.

Для реализации своей идеи он спроектировал и испытал паровые генераторы постоянного тока, счётчики электрической энергии и элементы распределительных сетей. Провести первую электрификацию освещения было в то время непросто. Владельцы газовых компаний рассматривали Эдисона как опасного конкурента, способного поставить существование их предприятий под угрозу. Но изобретателя ничто не могло остановить. Ни колоссальная стоимость прокладки кабелей в тротуарах, ни аварии во время испытаний не помешали ему в сентябре 1882 г. запустить первую осветительную сеть из пяти тысяч ламп.

Через 5 лет работало уже более 50 электростанций Эдисона. Несмотря на большой успех изобретателю не удалось расширить географию своих электрических сетей на весь мир. Жители районов, в которых находились электростанции, жаловались на дым и копоть, и добились закрытия производств Эдисона. Таким образом, первое поколение угольных электростанций со временем прекратило свою работу, уступив место тысячам новым, генерирующим AC.

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.

В каких приборах используется 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.

В каких приборах используется постоянный ток

«Чистый» и «пульсирующий» постоянные токи

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.

В каких приборах используется постоянный ток

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.

В каких приборах используется постоянный ток

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.

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.

В каких приборах используется постоянный ток

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.

В каких приборах используется постоянный ток

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.

Переменный ток

Международное обозначение этого напряжения AC — Alternating Current (переменный ток), а условное обозначение на электросхемах «

Величина и полярность переменного тока в сети всё время меняется. Частота этих изменений составляет 50Гц в Европе и некоторых других странах и 60Гц в США. Большинство бытовых и промышленных электроприборов изготавливаются для питания переменным напряжением.

В каких приборах используется постоянный ток

Практически вся электроэнергия, используемая в быту и промышленности, является переменной. Для передачи на большие расстояния его повышают при помощи трансформаторов, а в конечной точке линии понижают до необходимой величины. Это позволяет уменьшить стоимость ЛЭП и потери. Для того, чтобы исключить колебания напряжения, для особоважных приборов устанавливаются стабилизаторы.

При увеличении напряжения и неизменной передаваемой мощности сила тока и сечение проводов пропорционально уменьшается. Если напряжение не повышать, то для подачи электроэнергии к потребителю необходимо использовать кабеля большого сечения, а передача на большие расстояния окажется невозможной. Вот почему в розетке переменный ток.

В каких приборах используется постоянный ток

В домашней розетке два контакта — фазный и нулевой. В некоторых случаях к ним добавляется заземляющий. Это однофазное напряжение является частью трёхфазной системы. Она включает в себя три одинаковых сети. Напряжение в этих сетях сдвинуто по фазе на 120° друг относительно друга.

В каких приборах используется постоянный ток

Вначале эта система была шестипроводной. В таком виде её изобрёл Никола Тесла. Позже М. О. Доливо-Добровольский усовершенствовал эту схему и предложил передавать трёхфазное напряжение по трём или чётырём проводам (L1, L2, L3, N). Он также показал преимущества трёхфазной системы электроснабжения перед схемами с другим числом фаз.

Общее понятие о переменном токе

Так как переменный ток в общем случае меняется в электрической цепи не только по величине, но и по направлению, то одно из направлений переменного тока в цепи условно считают положительным, а другое, противоположное первому, — отрицательным. В соответствии с этим и величину мгновенного значения переменного тока в первом случае считают положительной, а во втором случае — отрицательной.

Сила переменного тока — величина скалярная, знак её определяется тем, в каком направлении ток протекает в цепи в рассматриваемый момент времени — в положительном или отрицательном.

Величина переменного тока, соответствующая данному моменту времени, называется мгновенным значением переменного тока.

Максимальное мгновенное значение переменного тока, которого он достигает в процессе своего изменения, называется амплитудой.

График зависимости силы переменного тока от времени называется развёрнутой диаграммой переменного тока.

В каких приборах используется постоянный ток

Развёрнутая диаграмма переменного синусоидального тока

На рисунке приведена развёрнутая диаграмма переменного тока, изменяющегося с течением времени по величине и направлению. На горизонтальной оси — оси времени — в определённом масштабе отложены отрезки времени, а по вертикальной оси — сила тока, причём в направлении вверх выбрано положительное направление, а вниз — отрицательное.

Напряжение переменного тока

Как известно еще с уроков физики, ток – это движение заряженных частиц, которое возникает под воздействием на них электромагнитного поля, разности потенциалов и напряженности. Основная характеристика любого напряжения – это зависимость от времени. Исходя из этого, различают постоянную и переменную величины. Значение постоянного с течением времени практически не изменяется, а переменного – изменяется.

В каких приборах используется постоянный ток

В свою очередь переменная характеристика бывает периодической и непериодической. Периодическое – это напряжение, значения которого повторяются через одинаковые интервалы времени. Непериодическое же способно изменяться в любой отрезок времени.

В каких приборах используется постоянный ток

Напряженность в переменной цепи – это такой параметр, который изменяет свою величину с течением времени. Для упрощения разъяснений в дальнейшем будет рассматриваться синусоидальное гармоническое переменное напряжение.

Минимальное время, в течение которого переменная величина повторяется, называется периодом. Абсолютно любую периодическую величину можно записать зависимостью от какой-либо функции. Если время – это t, то зависимость будет обозначаться F(t). Таким образом, любой период во времени имеет вид: F(t+-T) = F(t), где T – период.

Физическая величина, которая является обратной периоду, называется частотой. Она равна 1/T. Единицей ее измерения является герц, в то время как единицей измерения периода стала секунда.

f = 1/T, 1 Гц = 1/с = с в минус первой степени.

В каких приборах используется постоянный ток

Важно! Чаще всего встречается функциональная зависимость переменной сети в виде синусоиды. Именно поэтому она была взята за основу этого материала

Из математики известно, что синусоида – это простейшая периодическая функция, и с ее помощью из нескольких синусоид с кратными частотами можно представить любые другие периодические функции.

Синусоидальная напряженность в абсолютно любой промежуток времени может описать моментальная характеристика: u = U * sin(ωt + φ), где ω = 2πf = 2π/T, где U – максимальное напряжение (амплитуда), ω – угловая скорость изменения, φ – начальная фаза, которая определяется смещением функции относительно нулевой точки координат.

В каких приборах используется постоянный ток

Часть (ωt + φ) – это фаза, которая характеризует значение напряжения в конкретный промежуток времени. Из этого выходит, что амплитуда, угловая скорость и фаза – это основные характеристики переменных сетей, определяющие их значения в любой интервал времени.

Важно! При рассмотрении синусоидальной функции фазу часто принимают за ноль. На практике также часто прибегают к еще некоторым параметрам, включающим действующее и среднее напряжение, коэффициент формы

Генерирование переменного тока

В каких приборах используется постоянный ток

Простейший генератор переменного тока: если вокруг проволочной катушки, намотанной на магнитопровод из трансформаторной стали вращать маховик с установленными в нём несколькими парами постоянных магнитов, то в катушке (условно показан один виток) будет наводиться синусоидальная ЭДС, а при подключении нагрузки в электрической цепи появится переменный ток.
Применяется на транспортных средствах (мопеды, лёгкие мотоциклы, снегоходы, гидроциклы, а также на подвесных лодочных моторах), работает совместно с выпрямителем и регулятором напряжения (см. магдино).Основная статья: Генератор переменного тока

Принцип действия генератора переменного тока основан на законе электромагнитной индукции — индуцировании электродвижущей силы в проволочном контуре (проволочной рамке), находящейся в однородном вращающемся магнитном поле.

По количеству фаз генераторы переменного тока бывают:

  • трёхфазные генераторы — основной тип мощных промышленных генераторов;
    См. также трёхфазная система электроснабжения, трёхфазный двигатель, автомобильный генератор трёхфазного переменного тока .
  • однофазные генераторы, применяются, как правило, на маломощных бензиновых электростанциях, встроены в двигатели внутреннего сгорания мопедов, лёгких мотоциклов, снегоходов, гидроциклов, подвесные лодочные моторы;
    См. также конденсаторный двигатель, однофазный двигатель .
  • двухфазные генераторы, встречаются значительно реже по сравнению с однофазными и трёхфазными.

Сети переменного тока

Четырёхпроводная линия электропередачи 220/380 В, такие ЛЭП распространены в районах одноэтажной застройки, в сельской местности.
Два нижних провода — сеть проводного радиовещания.

В каких приборах используется постоянный ток

Преобразование напряжения в электрических сетях

В каких приборах используется постоянный ток

Схема разводки трёхфазной сети в многоквартирных жилых домах.

Производители электроэнергии (ГЭС, ТЭС, ТЭЦ, атомные и другие электростанции) генерируют переменный ток промышленной частоты (в России — 50 Гц), напряжением порядка 10 — 20 кВ.

Затем электрический ток поступает на трансформаторные подстанции, которые находятся рядом с электростанциями, где происходит повышение электрического напряжения.

Переменный ток высокого напряжения передаётся потребителям по линиям электропередачи (ЛЭП). Повышение напряжения необходимо для того, чтобы уменьшить потери в проводах ЛЭП (см. Закон Джоуля — Ленца, при увеличении электрического напряжения уменьшается сила тока в электрической цепи, соответственно уменьшаются тепловые потери).

Самая высоковольтная в мире ЛЭП Экибастуз-Кокчетав работала под напряжением 1 миллион 150 тысяч вольт.

На другом конце линии электропередачи находится понижающая трансформаторная подстанция, где высоковольтный переменный ток понижается трансформаторами до нужного потребителю значения.

В подавляющем большинстве случаев по линиям электропередачи передаётся трёхфазный ток, однако существуют линии электропередачи постоянного тока, например высоковольтная линия постоянного тока Волгоград-Донбасс , высоковольтная линия постоянного тока Экибастуз-Центр , материковая Южная Корея — остров Чеджудо и другие. Использование постоянного тока позволяет увеличить передаваемую электрическую мощность, передавать электроэнергию между энергосистемами, использующими переменный ток разной частоты, например, 50 и 60 герц, а также не синхронизировать соседние энергосистемы, как это сделано на границе Ленинградской области с Финляндией (см. вставка постоянного тока Выборг — Финляндия).

В России в электрических сетях общего назначения используется трёхфазный ток с межфазным напряжением 380 Вольт.

Качество электрической энергии — её электрическое напряжение и частота должны строго соблюдаться.

К жилым домам (на сельские улицы) подводятся четырёхпроводные (три фазовых провода и один нейтральный (нулевой) провод) линии электропередачи (воздушные или кабельные ЛЭП) с межфазным напряжением 380 вольт (с 2003 года 400 Вольт по ГОСТ 29322-2014). В отдельную квартиру (или в сельский дом) подводится фазовый провод и нулевой провод, электрическое напряжение между «фазой» и «нулём» составляет 220 вольт (с 2003 года 230 Вольт по ГОСТ 29322-2014). Определить, где какой провод можно с помощью индикатора фазы.

Например, в первую квартиру подводится фаза «A», во вторую квартиру — фаза «B», в третью квартиру — фаза «C» и так далее.

Обозначение постоянного и переменного тока

Каждый домашний мастер и начинающий электрик при выполнении электромонтажных работ пользуется специальными схемами. Для того чтобы правильно прочитать любую из них, необходимо знать все значки и символы, в том числе обозначение постоянного и переменного тока. Эта символика присутствует на корпусах большинства современных измерительных аппаратов, позволяющих определять значение всех основных электрических параметров.

Обозначения токов в измерительных приборах

Общепринятое обозначение постоянного и переменного тока нашло свое отражение в различных измерительных приборах, в том числе и на мультиметре. Вся необходимая символика наносится на лицевую панель того или иного устройства. Это позволяет измерить именно тот параметр, который необходим в данный момент.

В каких приборах используется постоянный ток

Например, если на шкале выставлено положение АС, в этом случае можно проводить измерение значения переменного тока. Как правило, такие приборы предназначены для работы в электросетях с обычными напряжениями 220 или 380 вольт. Существуют модели с рабочими режимами в пределах 600 В и выше.

Если же мультиметр выставлен напротив отметки DC, то рабочий режим аппарата станет соответствовать постоянному току. В этом положении замеряется ток на аккумуляторах, батарейках и других источниках питания, вырабатывающих постоянный ток. В данном режиме требуется непременно соблюдать полярность полюсов. Диапазон измерений обычно составляет от нуля до нескольких тысяч вольт, в зависимости от характеристик конкретной модификации устройства.

Где используется и в чём преимущества переменного и постоянного тока

Для выполнения различных задач может потребоваться использование как переменного тока, так и постоянного. У каждого вида тока есть свои недостатки и достоинства.

Переменный ток чаще всего используется тогда, когда присутствует необходимость передачи тока на большие расстояния. Такой ток передавать целесообразнее с точки зрения возможных потерь и стоимости оборудования. Именно поэтому в большинстве электроприборов и механизмов используется только этот вид тока.

Жилые дома и предприятия, инфраструктурные и транспортные объекты находятся на расстоянии от электростанций, поэтому все электрические сети — переменного тока. Такие сети питают все бытовые приборы, аппаратуру на производствах, локомотивы поездов. Приборов, работающих на переменном токе невероятное количество и намного проще описать те устройства, в которых используется постоянный ток.

Постоянный ток используется в автономных системах, таких, например, как бортовые системы автомобилей, летательных аппаратов, морских судов или электропоездов. Он широко используется в питании микросхем различной электроники, в средствах связи и прочей технике, где требуется минимизировать количество помех и пульсаций или исключить их полностью. В ряде случае, такой ток используется в электросварочных работах с помощью инверторов. Существуют даже железнодорожные локомотивы, которые работают от систем постоянного тока. В медицине такой ток используется для введения лекарств в организм с помощью электрофореза, а в научных целях для разделения различных веществ (электрофорез белков и прочее).

Почему переменный ток используется чаще

Выше мы уже говорили о том, почему переменный ток в настоящее время используется чаще, чем постоянный. И все же, давайте рассмотрим этот вопрос подробнее.

Споры о том, какой же ток в использовании лучше идет со времен открытий в области электричества. Существует даже такое понятие, как «война токов» — противоборство Томаса Эдисона и Николы Теслы за использование одного из видов тока. Борьба между последователями этих великих ученых просуществовала вплоть до 2007 года, когда город Нью-Йорк перевели на переменный ток с постоянного.

В каких приборах используется постоянный ток

Самая главная причина, по которой переменный ток используется чаще – это возможность передавать его на большие расстояния с минимальными потерями. Чем больше расстояние между источником тока и конечным потребителем, тем больше сопротивление проводов и тепловые потери на их нагрев.

Для того, чтобы получить максимальную мощность необходимо увеличивать либо толщину проводов (и уменьшать тем самым сопротивление), либо увеличивать напряжение.

В системах переменного тока можно увеличивать напряжение при минимальной толщине проводов тем самым сокращая стоимость электрических линий. Для систем с постоянным током доступных и эффективных способов увеличивать напряжение не существует и поэтому для таких сетей необходимо либо увеличивать толщину проводников, либо строить большое количество мелких электростанций. Оба этих способа являются дорогостоящими и существенно увеличивают стоимость электроэнергии в сравнении с сетями переменного тока.

При помощи электротрансформаторов напряжение переменного тока эффективно (с КПД до 99%) можно изменять в любую сторону от минимальных до максимальных значений, что тоже является одним из важных преимуществ сетей переменного тока. Применение трехфазной системы переменного тока еще больше увеличивает эффективность, а механизмы, например, двигатели, которые работают в электросетях переменного тока намного меньше, дешевле и проще в обслуживании, чем двигатели постоянного тока.

Исходя из всего вышесказанного можно сделать вывод о том, что использование переменного тока выгодно в больших сетях и при передаче электрической энергии на большие расстояния, а для точной и эффективной работы электронных приборов и для автономных устройств целесообразно использовать постоянный ток.

Источник