Чем генерируется постоянный ток: обзор источников питания, их преимуществ и недостатков

Фото 1

Приводы многих механизмов и целый ряд электронных устройств работают на постоянном токе. Последний генерируется разными способами.

О том, как устроен источник постоянного тока и какие существуют его разновидности, расскажет данная статья.

Источники питания постоянного тока

Постоянный ток получают посредством таких устройств:

Фото 2

  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.

Фото 3 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.

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

Фото 4Емкость 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.

Фото 5

Автомобильный аккумулятор

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.

Фото 6В 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:

  • 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

Фото 7Генератор 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. Фото 9схема 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.

Характеристики

Батареи и аккумуляторы характеризуются такими основными параметрами:

Фото 9

  1. номинальное напряжение;
  2. номинальная емкость. Измеряется в ампер-часах (А*ч) или миллиампер-часах (мА*ч);
  3. номинальный ток нагрузки;
  4. саморазряд. Обозначает, как быстро уменьшается заряд в батарее при ее бездействии. К примеру, саморазряд литий-ионного аккумулятора при температуре +250С составляет 1,6% в мес.;
  5. температура эксплуатации.

Для автомобильных аккумуляторов важны:

  1. резервная емкость. Время, в течение которого источник при падении напряжения до 10,5 В способен выдавать ток в 25 А. В норме составляет не менее 90 мин;
  2. ток холодной прокрутки. Сила тока, генерируемая аккумулятором при температуре -180С в течение 10 сек. с напряжением на клеммах не ниже 7,5 В. Этот параметр характеризует способность устройства запустить двигатель автомобиля зимой.

Пульсирующий ток на выходе выпрямителя принято раскладывать на постоянную и переменную составляющую, при этом он характеризуется:

  • максимальным и минимальным значением Imax и Imin;
  • амплитудой переменной составляющей Iac;
  • величиной постоянной составляющей Idc;
  • коэффициентом пульсаций (отношение амплитуды переменной составляющей к величине постоянной).

Регулируемые источники

Регулируемый источник состоит из таких компонентов:

Фото 10

Стабилизатор постоянного напряжения — интегральная микросхема, поддерживающая выходное напряжение на одном уровне, независимо от его колебаний на входе.

Колебаний обусловленных перепадами напряжения в электросети, изменением тока нагрузки или температуры. Блоки с такими стабилизаторами называют регулируемыми.

Сегодня распространены импульсные блоки питания, они состоят из таких компонентов:

  • входной выпрямитель;
  • инвертор;
  • понижающий высокочастотный трансформатор;
  • выходной выпрямитель.

Инвертор превращает предварительно выпрямленный ток снова в переменный, но при этом значительно повышает его частоту — до 10-15 кГц. При такой частоте, габариты трансформатора и потери в нем значительно сокращаются. Инвертор состоит из ключевых транзисторов, управляемых микросхемой.

Этот же принцип реализован в сварочных инверторах, чем и объясняется их компактность.

Существует множество микросхем-стабилизаторов с разными свойствами. К примеру, микросхема LM317 рассчитана на ток до 1,5 А и позволяет регулировать напряжение на выходе. Более мощный стабилизатор — микросхема LM350.  

Схемы

Однополупериодный выпрямитель. Простейшая схема с минимальным количеством элементов. Качество выпрямленного напряжения невысокое.

Фото 11

Схема однофазного однополупериодного выпрямителя

Двухполупериодный выпрямитель, схема со средней точкой. Уровень пульсаций U  в данном случае ниже по сравнению с предыдущим вариантом.

Фото 12

Двухполупериодная схема выпрямления со средней точкой

Двухполупериодный выпрямитель, мостовая схема. Самый популярный вариант для промышленной аппаратуры. В схеме используется 4 диода. Сглаживает пульсации напряжения RC-фильтр, установленный на выходе. Нередко его заменяет электролитический конденсатор.

Фото 13

Схема двухполупериодного мостового выпрямителя

Видео по теме

Как сделать регулированный источник питания постоянного тока:

В основном постоянный ток получают от батарей и выпрямителей. Последний можно изготовить самостоятельно по одной из приведенных схем. Важно установить конденсатор с правильной емкостью для сглаживания пульсаций: при использовании элемента с заниженной емкостью, ток на выходе окажется низкокачественным.


Поделиться:
Нет комментариев
Adblock
detector