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