Как получить постоянный ток

У вас большие запросы!

Точнее, от вашего браузера их поступает слишком много, и сервер VK забил тревогу.

Эта страница была загружена по HTTP, вместо безопасного HTTPS, а значит телепортации обратно не будет.
Обратитесь в поддержку сервиса.

Вы отключили сохранение Cookies, а они нужны, чтобы решить проблему.

Почему-то страница не получила всех данных, а без них она не работает.
Обратитесь в поддержку сервиса.

Вы вернётесь на предыдущую страницу через 5 секунд.
Вернуться назад

Как получить постоянное напряжение из переменного

Давайте для начала уточним, что мы подразумеваем под «постоянным напряжением». Как гласит нам Википедия, постоянное напряжение (он же и постоянный ток) — это такой ток, параметры, свойства и направление которого не изменяются со временем. Постоянный ток течет только в одном направлении и для него частота равна нулю.

Осциллограмму постоянного тока мы с вами рассматривали в статье Осциллограф. Основы эксплуатации:

Как вы помните, по горизонтали на графике у нас время (ось Х), а по вертикали напряжение (ось Y).

12 недорогих наборов электроники для самостоятельной сборки и пайки

Моя личная подборка конструкторов с Aliexpress «сделай сам» для пайки от простых за 153 до 2500 рублей. Дочке 5 лет — надо приучать к паяльнику))) — пусть пока хотя-бы смотрит — переходи посмотреть, один светодиодный куб чего только стоит

Для того, чтобы преобразовать переменное однофазное напряжение одного значения в однофазное переменное напряжение меньшего (можно и большего) значения, мы используем простой однофазный трансформатор. А для того, чтобы преобразовать в постоянное пульсирующее напряжение, мы с вами после трансформатора подключали Диодный мост. На выходе получали постоянное пульсирующее напряжение. Но с таким напряжением, как говорится, погоду не сделаешь.

Но как же нам из пульсирующего постоянного напряжения

получить самое что ни на есть настоящее постоянное напряжение?

Для этого нам нужен всего один радиокомпонент: конденсатор. А вот так он должен подключаться к диодному мосту:

В этой схеме используется важное свойство конденсатора: заряжаться и разряжаться. Конденсатор с маленькой емкостью быстро заряжается и быстро разряжается. Поэтому, для того, чтобы получить почти прямую линию на осциллограмме, мы должны вставить конденсатор приличной емкости.

Зависимость пульсаций напряжения от емкости конденсатора

Давайте же рассмотрим на практике, зачем нам надо ставить конденсатор большой емкости. На фото ниже у нас три конденсатора различной емкости:

Рассмотрим первый. Замеряем его номинал с помощью нашего LC — метр. Его емкость 25,5 наноФарад или 0,025микроФарад.

Цепляем его к диодному мосту по схеме выше

И цепляемся осциллографом:

Как вы видите, пульсации все равно остались.

Ну что же, возьмем конденсатор емкостью побольше.

Получаем 0,226 микрофарад.

Цепляем к диодному мосту также, как и первый конденсатор снимаем показания с него.

А вот собственно и осциллограмма

Не… почти, но все равно не то. Пульсации все равно видны.

Берем наш третий конденсатор. Его емкость 330 микрофарад. У меня даже LC-метр не сможет ее замерить, так как у меня предел на нем 200 микрофарад.

Цепляем его к диодному мосту снимаем с него осциллограмму.

А вот собственно и она

Ну вот. Совсем ведь другое дело!

Итак, сделаем небольшие выводы:

— чем больше емкость конденсатора на выходе схемы, тем лучше. Но не стоит злоупотреблять емкостью! Так как в этом случае наш прибор будет очень габаритный, потому что конденсаторы больших емкостей как правило очень большие. Да и начальный ток заряда будет огромным, что может привести к перегрузке питающей цепи.

— чем низкоомнее будет нагрузка на выходе такого блока питания, тем больше будет проявляться амплитуда пульсаций. С этим борются с помощью пассивных фильтров, а также используют интегральные стабилизаторы напряжения, которые выдают чистейшее постоянное напряжение.

Как подобрать радиоэлементы для выпрямителя

Давайте вернемся к нашему вопросу в начале статьи. Как все-таки получить на выходе постоянный ток 12 Вольт для своих нужд? Сначала нужно подобрать трансформатор, чтобы на выходе он выдавал … 12 Вольт? А вот и не угадали! Со вторичной обмотки трансформатора мы будем получать действующее напряжение.

U_max — максимальное напряжение, В

Поэтому, чтобы получить 12 Вольт постоянного напряжения, на выходе трансформатора должно быть 12/1,41=8,5 Вольт переменного напряжения. Вот теперь порядок. Для того, чтобы получить такое напряжение на трансформаторе, мы должны убавлять или добавлять обмотки трансформатора. Формула здесь. Потом подбираем диоды. Диоды подбираем исходя из максимальной силы тока в цепи. Ищем подходящие диоды по даташитам (техническим описаниям на радиоэлементы). Вставляем конденсатор с приличной емкостью. Его подбираем исходя из того, чтобы постоянное напряжение на нем не превышало то, которое написано на его маркировке. Простейший источник постоянного напряжения готов к использованию!

Кстати, у меня получился 17 Вольтовый источник постоянного напряжения, так как у трансформатора на выходе 12 Вольт (умножьте 12 на 1,41).

Ну и напоследок, чтобы лучше запомнилось:

Показываем на примере в видео:

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.

Особенности и характеристики постоянного тока

При упорядоченном движении частиц — носителей электрического (положительного или отрицательного) заряда возникает электрический ток. Один из видов которого Direct Current (DC) — однонаправленный, то есть, не меняющий своего направления. Он получил название постоянного электрического тока.

Графики постоянного и переменного тока

Немного истории

Вначале постоянный электрический ток называли гальваническим, так как первое его получение связано с проведением гальванической реакции. Томас Эдисон в 80-х годах XIX века пытался передавать его линиями электропередачи. Никола Тесла ратовал за использование переменного тока. Для его обозначения используются английские буквы AC — сокращение от Alternative Current. Между ними произошла «битва токов», в которой победителем оказался не постоянный, а переменный ток. Дело в том, что при передаче на расстояние постоянный электроток теряет мощность. Легкая трансформация переменного позволяет передавать его на любые расстояния.

Герои битвы токов

Если на панели электроприбора присутствует символ в виде отрезка прямой линии, это обозначение постоянного тока. Для переменного тока используется другой значок — волнистая линия.

Обозначения электротоков

В электротехнике и быту применяются следующие параметры постоянного тока:

Основные параметры электроцепи

Источники постоянного тока

Чтобы получить постоянный ток, с девятнадцатого века используются гальванические элементы. Позднее разработали аккумуляторные батареи. Их характеризует строгая полярность, поэтому электроток не может изменить своего направления.

Гальванические элементы

Гальванический элемент, который называют батарейкой, представляет собой два разно заряженных полюса и электролит. Там, где (–) — анод с порошковым цинком, а где (+) — катод с диоксидом марганца. Твердым электролитическим раствором является гидроксид калия.

Пальчиковые батарейки

При замыкании цепи цинковый порошок на аноде окисляется, а четырехвалентный диоксид марганца (MnO₂) восстанавливается до трехвалентного (Mn₂O₃) на катоде. За счет этого через внешнее соединение цепи электроны движутся от (–) к (+). Протекающий химический процесс необратим, поэтому батарейку зарядить невозможно. Потенциалы элементов обуславливают заряд 1.5 В между (–) и (+).

Схема движения тока в пальчиковой батарейке

Аккумулятор

Зарядить повторно батарейку невозможно, зато в аккумуляторах можно обратить реакцию. У литий-ионных аккумуляторов емкость больше. При работе на (–) литий отделяется от углерода и становится на (+) солью. При перезарядке ионы лития снова соединятся с углеродом. Разность потенциалов в этой конструкции до 4.2 В. В этом случае максимальный ток будет зависеть от площади, на которой происходит взаимодействие электродов между собой и с электролитным раствором.

Генератор

Для промышленных целей постоянный ток вырабатывают при помощи устройства, которое называется генератором. Неподвижно установленные магниты или электромагниты статора по закону электромагнитной индукции наводят ЭДС (электродвижущую силу) во вращающихся контурах. Они подсоединены к контактным пластинам, на которых закреплены неподвижные щетки для прохождения генерируемого тока. С положительной и отрицательной щеткой контактируют проходящие статорные магнитные полюса. За счет чего на внешний контур поступает пульсирующий ток, то есть переменный (АС) выпрямленный. Статорная площадь, индукция магнитного поля и сечение кабелей — это те переменные, которые влияют на величину тока. От скорости роторного вращения и индукции магнитного поля зависит величина напряжения.

Схема работы генератора

Солнечные батареи

Постоянный ток образуется при движении (+) дырок и (–) электронов сквозь p-n-переход, когда солнечные фотоны попадают на фотоэлемент. Размер фотоэлементов влияет на количество образуемого электротока. Солнечная батарея генерирует напряжение, напрямую зависящее от того, сколько фотоэлементов соединены последовательно, и того, насколько интенсивно световое излучение.

Солнечные батареи

Трансформатор с выпрямителем

В старых моделях электроники, чтобы получить постоянный ток из переменного от электросети, применяли трансформаторные блоки питания. Напряжение понижалось трансформатором, а затем ламповым или диодным выпрямителем превращалось в постоянное. После выпрямителя в качестве фильтрующего элемента, встраиваемого в схему, выступал конденсатор. В более сложных присутствовал дроссель и транзистор. В такой конструкции максимум величины тока зависит от номинальной мощности трансформатора, а напряжение — от количества витков обмотки.

Схема трансформатора с выпрямителем

Импульсные блоки питания

Современная радиоэлектроника работает на импульсных блоках питания. Напряжение электросети поступает на высокочастотный трансформатор, затем происходит его понижение и выпрямление при помощи встроенных транзисторных ключей, далее ток фильтруется и попадает в конденсатор. Напряжение зависит от конструкции электронной схемы, ток — от размера высокочастотного трансформатора.

Схема импульсного блока питания

Законы постоянного тока в физике

Главным законом в разделе физики, связанном с электричеством, является закон Ома. В нем отображены основные характеристики постоянного тока.

Закон Ома для однородного и неоднородного участка цепи

Этот закон также применим для полной цепи и короткого замыкания.

Закон Ома для полной цепи и для короткого замыкания

Мощность — это работа электротока за секунду. Обозначается символом P, измеряется в ваттах (Вт). Определение величины осуществляется с помощью формулы:

Формула мощности

Для вычисления работы, которую совершает постоянный ток, используется такая формула:

Практические единицы работы

Расчет силы тока выполняют с помощью довольно простой формулы:

Формула расчета силы тока

При работе электротока выделяется определенное количество тепла, которое можно рассчитать по закону Джоуля-Ленца:

Закон Джоуля-Ленца

Где используется постоянный ток

Применение постоянного электрического тока довольно широкое. Его используют во многих сферах промышленности, в быту:

• Все технические приборы, в которых есть электроника.
• В химической и металлургической промышленности для получения цветных металлов посредством электролиза.
• В электрическом транспорте, на морских судах, подводных лодках.
• Для подъемных кранов и шагающих экскаваторов.
• В гальванопластике для получения никелированных и хромированных поверхностей.
• В сварочных аппаратах.
• В киноиндустрии для кинопроекторов и прожекторов.
• В источниках питания компьютеров.

Практически вся электротехника — электромобили, электрокары, погрузчики, электровозы используют аккумуляторы. Телевидение, радиовещание, связь — все приборы питаются постоянным током.