Источники питания переменного тока

С открытием электричества появилось и такое понятие, как источник тока. Он может преобразовывать разные виды энергии в электрическую. Внутри такого устройства совершается работа по разделению частиц с положительным и отрицательным зарядом. В результате эти частицы накапливаются на разных клеммах, создавая разность потенциалов.

Источники переменного тока — что это

С помощью сил природы можно получать постоянный или переменный электрический ток в зависимости от конкретного способа. Например, при использовании солнечных батарей образуется постоянный ток, а на гидроэлектростанциях в результате вращения турбин — переменный. Технические устройства для работы могут использовать разное питание. Одним из них необходим постоянный, другим — переменный ток.

На заре развития электротехники идеи промышленного производства постоянного или переменного тока рассматривались в качестве конкурентных, но победу одержал второй вариант. Со временем он доказал свою практичность.

Идею повсеместного применения постоянного электротока продвигал известный изобретатель Томас Эдисон. Но в процессе ее реализации он столкнулся с необходимостью большого количества подстанций для передачи энергии на большие расстояния. Их было необходимо располагать друг от друга не далее, чем на 3–4 км.

Талантливый инженер Никола Тесла предложил другой подход с использованием переменного электротока. При этом потери при передаче уменьшались в несколько раз. Этот физик также предложил свой источник переменного тока, который позволял относительно дешево получать электрическую энергию.

Основной способ получения электроэнергии — использование генераторов. Они превращают механическую энергию, возникающую при вращении, в электрическую.

Принцип действия генераторов тока основывается на законе электромагнитной индукции. При вращении вала в магнитном поле возникает движение электронов, которые есть носителями электрического заряда. Перемещаясь от плюса к минусу, они образуют электрический ток. Гидроэлектростанции вырабатывают электроэнергию за счет использования падающей воды для вращения генераторов. Преимущество производства переменного электротока заключается в том, что его легче трансформировать в другие значения напряжения.

Первичные и вторичные источники питания

Работу электрических устройств обеспечивают источники постоянного и переменного тока. В первом случае параметры источников остаются примерно одинаковыми на протяжении времени их действия. Во втором электроток будет периодически менять не только величину, но и направление.

Сеть электропитания, которой пользуются в быту или для решения производственных задач является переменной. Ток и напряжение в ней меняются в зависимости от времени по синусоидальному закону. Количество колебаний в единицу времени называется частотой. Стандартная частота равна 50 Гц.

Чтобы пользоваться электроэнергией, нужно получать в точности те ток и напряжение, которые соответствуют техническим характеристикам прибора. Если это будет не так, то это может привести к неисправностям или к поломке.

Первичные источники преобразуют энергию других типов в электрическую. Фактически здесь идёт речь о добыче электроэнергии. В эту категорию попадают как большие электростанции, так и обычные батарейки.

Вторичные источники преобразуют электрическую энергию в другой вид, который необходим для работы конкретных видов электрооборудования. Перед поступлением в электроприбор она обязательно будет получена в каком-то первичном источнике, а затем может пройти через один или несколько вторичных.

Некоторые электрические устройства способны работать на энергии, полученной непосредственно из питающих сетей общего пользования. Однако не всегда это возможно или удобно. Причины для этого могут быть следующими:

• Несоответствие параметров получаемых тока и напряжения требованиям устройства.
• Недостаточная надёжность сетей общего пользования.
• Мобильность потребляющего устройства.

В первом случае выполняется преобразование электроэнергии в нужный вид. Одним из примеров является адаптер для зарядки смартфона.

Иногда параметры поступаемой энергии могут отклоняться от требуемых значений, возможно также ее отключение на время или кратковременное увеличение в виде сильного импульса. Последнее возникает, например, в результате поломки оборудования. Чтобы гарантированно получать электричество с точными и постоянными параметрами, используются специальные стабилизирующие источники питания.

К последней категории можно, например, отнести сварочные аппараты. Они могут потреблять постоянный или переменный ток в зависимости от своего устройства. Для такого оборудования применяются специальные источники питания.

Источники переменного тока для сварочных аппаратов

Для этой цели в большинстве случаев применяются сварочные трансформаторы. Они должны удовлетворять следующим требованиям:

• Обеспечивать плавность регулировки режимов сварки. Должен охватываться весь рабочий диапазон.
• Энергия должна подаваться так, чтобы обеспечивать высокую стабильность горения сварочной дуги.
• Должны присутствовать средства контроля параметров для обеспечения соблюдения режимов сварки.
• Должны быть обеспечены хорошие динамические свойства.
• Устройство должно соответствовать обязательным требованиям по электробезопасности.

Такие источники питания переменного тока обеспечивают точное соблюдение режима проведения сварки, благодаря возможности тонкой подстройки и контроля параметров работы. При возникновении короткого замыкания в процессе сварки время восстановления параметров не должно превышать 0.05 сек. Если данное требование соблюдается, то это свидетельствует о том, что у источника питания хорошие основные динамические характеристики.

Чтобы повысить стабильность горения дуги, в некоторых сварочных трансформаторах может применяться специальное устройство — осциллятор. Целью его использования является получение высокочастотной последовательности быстрых импульсов, которую накладывают на выходной сигнал для улучшения стабильности горения сварочной дуги.

Источник переменного тока внутри радиосхем

В подавляющем большинстве случаев внутри схем присутствует постоянный ток. Обычно на входе в любое устройство переменный ток, поступающий из общей сети, проходит выпрямление. Однако в редких случаях может потребоваться наличие переменного тока внутри устройства. Тогда используется специальная схема. Пример одной из них представлен на рисунке ниже.

Принцип работы такой схемы построен на применении обратной связи и использовании регулятора напряжения. Ток нагрузки может протекать как в одном, так и в другом направлении. Выходной ток находится в промежутке от −10 мА до +10 мА. На вход подается напряжение −10 В или +10 В.

Правильный подбор резисторов R1,…,R6 позволяет снизить погрешность выходных параметров. Операционный усилитель должен быть рассчитан на малые токи смещения и выходные токи. Транзисторы VT1 и VT2 можно брать такие, которые рассчитаны на напряжение на коллекторе до 30 В и силу тока 20–150 мА.

Увидеть обозначение источника переменного тока на схеме с подключенной нагрузкой можно на картинке ниже, где изображено устройство для защиты от перенапряжения:

Но как же переменный ток попадает в наши квартиры, типовую схему подключения жилого дома можно увидеть на схеме ниже:

Источники бесперебойного питания

На практике такой источник питания обеспечивает не переменный ток, а переменное напряжение. Принцип его работы заключается в следующем:

• Переменный электроток, поступающий в устройство, преобразуется в постоянный.
• С помощью постоянного электротока производится зарядка аккумулятора.
• Если по какой-то причине электроэнергия отключается, то происходит подключение внутреннего аккумулятора устройства.
• Постоянный ток преобразуется в переменное напряжение и подаётся для питания электрического прибора.

Подключение к потребителю осуществляется согласно схеме получения переменного напряжения.

Здесь подразумевается, что напряжение аккумулятора равно 12 В, а переменное, которое необходимо получить, составляет 230 В.

Адаптеры

Работу многих устройств обеспечивают адаптеры переменного напряжения. На входе они получают энергию от сети общего пользования, а на выходе генерируют переменный синусоидальный ток с заданными параметрами. Современные приборы такого типа способны обеспечивать:

• Преобразование поступающего двухполярного электротока в однополярный.
• Плавное нарастание или снижение амплитуды колебаний на протяжении заданного периода времени. Эта функция необходима для обеспечения плавного включения или выключения электроприбора.
• Обрезание выходной амплитуды до заданной величины. На выходе будет получен сигнал в виде синусоиды со срезанными на одном уровне верхушками.
• Стабилизацию тока и напряжения.
• Преобразование частоты сигнала. При этом амплитуда выдаваемого сигнала может оставаться прежней или изменяться нужным образом.
• Модуляцию входного сигнала по частоте или по амплитуде.

Рассматриваемые приборы позволяют преобразовывать входной переменный сигнал в выходной с заданными в широких пределах характеристиками. Однако на практике наибольшим спросом пользуется преобразование переменного электротока в синусоидальный с нужными пользователю параметрами.

Чаще всего применяется преобразование сетевого тока с частотой 50 Гц и напряжения 220 В в выходной сигнал такой же частоты и напряжения 9, 12, 18, 24 и 110 В. Для этой цели применяются сетевые адаптеры. При использовании они имеют следующие преимущества:

• Компактные размеры дают возможность размещать блоки внутри корпуса электроприбора. Это позволяет уменьшить электрическое влияние используемых проводов (падение напряжения, наличие электрических наводок).
• Надёжность сетевых блоков питания выше, чем аналогичных устройств других типов.
• Благодаря простой технологии изготовления, адаптеры имеют доступную стоимость.

Практичность и выгодность применения адаптеров переменного тока обусловили их всё увеличивающуюся популярность.

Нелинейные цепи при переменных токах

Нелинейными называются цепи, в состав которых входит хотя бы один нелинейный элемент. Нелинейными называются элементы, параметры которых зависят от величины и (или) направления связанных с этими элементами переменных.

Наиболее существенная особенность расчета нелинейных цепей при переменных токах заключается в необходимости учета в общем случае динамических свойств нелинейных элементов, то есть их анализ следует осуществлять на основе динамических вольт-амперных, вебер-амперных, и кулон-вольтных характеристик.

Если нелинейный элемент является безынерционным, то его характеристики в динамических и статических режимах совпадают, что существенно упрощает расчет. Однако на практике идеально безынерционных элементов не существует. Отнесение нелинейного элемента к классу безынерционных определяется скоростью изменения входных воздействий: если период Т переменного воздействия достаточно мал по сравнению с постоянной времени, характеризующей динамические свойства нелинейного элемента, последний рассматривается как безынерционный; если это не выполняется, то необходимо учитывать инерционные свойства нелинейного элемента.

Ниже на картинке представлен пример расчета нелинейных цепей методом двух узлов:

Видео по теме