Напряжение
Напряжение, этим термином обозначают разность электрических потенциалов между двумя точками электрической цепи. Некоторые неправильно полагают, что напряжение — это что-то такое, что движется в цепи. Но это не так. Напряжение — это та сила, под действием которой в электрической цепи движутся электрические заряды, т.е. протекает электрический ток. Напряжение можно сравнить с ударом клюшки по шайбе. Полёт шайбы сравним с протеканием тока, но удар клюшки — это потенциальная сила, вызвавшая движение шайбы. Ток и напряжение взаимосвязаны, так как важна не только разность потенциалов сама по себе, а важен и электрический ток, обусловленный этой разностью потенциалов. Поэтому при описании работы электрических цепей ток и напряжение, как правило, фигурируют вместе.
Можно выделить две группы источников электрической энергии: источники напряжения и источники тока. Напряжение между выходными полюсами источника напряжения не зависит или слабо зависит от тока, отдаваемого источником во внешнюю цепь (нагрузку). В источниках тока, напротив, выходной ток почти не зависит от напряжения на его полюсах, которое определяется нагрузкой.
Основной единицей измерения разности потенциалов является вольт (В). На практике часто применяются производные от основной единицы измерения напряжения. Единица измерения милливольт (мВ) используется для обозначения разности потенциалов, эквивалентной 1/1000 В. Микровольт (мкВ) составляет 1/1000 мВ или 1/1000 000 В. Один киловольт (КВ) равен 1000 В, а один мегавольт (МВ) — 1 000 000 В.
Различают переменное напряжение и постоянное напряжение.
Источник постоянного напряжения
Аккумуляторная батарея — это типичный источник постоянного напряжения. Для питания электронных схем применяются преимущественно источники постоянного напряжения. Напряжение измеряется между положительным и отрицательным выводами (полюсами) источника. Для того, чтобы образовать замкнутую электрическую цепь, в которой протекает постоянный ток, полюсы источника питания должны быть соединены с выводами схемы (нагрузки), потребляющей энергию от источника, или с выводами измерительного прибора. Считается, что в нагрузке, подключённой к источнику питания, ток течёт в направлении от положительного потенциала к отрицательному.
Источник переменного напряжения
Промышленная электросеть — типичный источник переменного напряжения. Если в цепях постоянного напряжения полярность полюсов фиксирована и один из полюсов всегда положителен, а другой отрицателен, то в источниках переменного напряжения полярность постоянно меняется. В первой половине периода один из полюсов имеет отрицательную полярность, а другой — положительную. Во второй половине полярности полюсов меняются. Быстрота смены полярности в цепях переменного тока измеряется в герцах (Гц). В нашей сети напряжение является переменным и в течение одной секунды происходит 50 циклов (периодов) смены полярности напряжения. Частота сети переменного тока (в РФ) равна 50 Гц. Для примера, в США она равна 60 Гц.
Схема источника переменного тока
В идеальных условиях источник тока генерирует ток, не зависящий от напряжения. Однако, в реальности добиться этого очень сложно. При подключении большой нагрузки значения обоих показателей неизбежно проседают.
Поэтому, когда речь идет о реальных источниках тока, то имеются ввиду схемы, которые могут обеспечивать силу тока в заданном диапазоне для определенных нагрузок.
Наибольшее применение источники тока (не путать с источниками напряжения) нашли в схемах для питания аналоговых приборов, операционных и дифференциальных усилителей, измерительных мостов и т.п., ну и, конечно же, для зарядки аккумуляторов.
Источник переменного тока – это генераторные установки, в основе которых лежит двигатель. Вращение вала и перемещение катушек в постоянном магнитном поле создают эффект изменения не только силы тока, но и направления его действия.
Рис.1. Генератор переменного тока
График изменения тока в зависимости от времени.
Рис. 2. рафик изменения тока в зависимости от времени
Это классическая синусоида.
В составе радиосхем переменный ток чаще всего преобразуется в постоянный.
Однако, если мы говорим об источнике тока уже в составе радиосхем, то задача создания переменной ЭДС заметно усложняется без генераторных установок.
Типовой источник тока (постоянного) состоит из элементов, обозначенных на функциональной схеме ниже.
Рис. 3. Функциональная схема
- Источник питания (в данном случае постоянного напряжения);
- Датчик тока;
- Регулирующий элемент (в простейшем варианте может быть реализован транзистором, к которому нагрузка подключается в эмиттерную цепь);
- Цепь обратной связи.
В качестве простого примера.
Рис. 4. Схема источника тока
Стоит отметить, что переменный ток применяется в схемах крайне редко, в основном вся радиоаппаратура строится на источниках постоянного тока или напряжения.
Варианты схем источников переменного тока
Однако, в отдельных случаях может потребоваться источник именно переменного тока.
Наиболее часто используемая схема в цепях с малыми напряжениями выглядит следующим образом.
Рис. 5. Схема источника переменного тока с малыми напряжениями
В основе лежит все та же схема с регулятором напряжения и цепью обратной связи, управляющей операционными усилителями, обозначенная в начале.
Здесь ток в нагрузке может протекать как в одном, так и в противоположном направлении.
На выходе обеспечивается ток от -10 мА до +10 мА, при условии подачи напряжения +10 и -10 В.
Уменьшения погрешности на выходе можно добиться за счет подбора резисторов R1-R6, допуск номинала которых не превышает 1%.
Операционный усилитель можно использовать практически любой. Но наилучший вариант для слаботочных схем – ОУ с малыми напряжения смещения и входными токами.
К транзисторам VT1 и VT2 тоже особых требований нет. Подойдут даже маломощные, работающие с напряжением на коллекторе до 30 В и силой тока 20-150 мА.
Источники бесперебойного питания часто путают с источниками переменного тока, так как они предназначены для фактической замены основного источника питания. Однако, на практике эти устройства выдают не переменный ток, а переменное напряжение.
Принцип работы ИБП:
1. Преобразование сетевого тока из переменного в постоянный;
2. Зарядка аккумулятора постоянным током;
3. При отключении основного источника питания выходная цепь получает питание от аккумулятора (химический источник постоянного тока);
4. Постоянный ток аккумулятора преобразуется в переменное напряжение и отдается потребителям.
Типовая схема инвертора (преобразователя) напряжения из постоянных 12 В в переменные 230 В выглядит следующим образом.
Рис. 6. Типовая схема инвертора
Источники напряжения
Для того, что бы создать напряжение необходимо электроны, находящиеся на своих орбитах удалить с этих орбит. Следовательно, для этого необходимо приложить энергию, природа которой может быть самой различной. Мы знаем, что энергия из пустоты не возникает, она просто переходит из одной формы в другую.
Источники напряжения – это устройства, преобразующее один из видов энергии в электрическую энергию.
В мире существует шесть видов источников напряжения:
1. Источники напряжения построенные на явлении электризации трением.
2. Источники напряжения основанные на явлении магнетизма.
3. Химические источники напряжения.
4. Источники напряжения, преобразующие световую энергию в электрическую.
5. Источники напряжения, преобразующие тепловую энергию в электрическую.
6. Пьезоэлектрические источники напряжения.
Источники напряжения построенные на явлении электризации трением (генератор Ван де Граафа).
Самым древним способом получения электричества является трение. Если взять стеклянную или эбонитовую палочку и потереть ее кусочком меха или шелка, то она зарядится. На этом самом принципе работает генератор Ван де Граафа (рис 3.1.).
Рисунок 3.1.Генератор Ван де Граафа.
Генератор Ван де Граафа способен вырабатывать напряжения величиной в миллионы вольт. Но, к сожалению, это устройство нигде, кроме как в научных исследованиях не используется, да еще в кабинетах физики.
Источники напряжения основанные на явлении магнетизма.
На сегодняшний день в основном электрическую энергию получают методом, основанным на явлении магнетизма. Суть его состоит в том, что если проводник перемещать в магнитном поле, то на его концах будет появляться напряжение. Это напряжение будет возникать в течение времени перемещения проводника в магнитном поле. На этом принципе построено устройство, называемое генератором (рис. 3.2).
Рисунок 3.2.Генератор постоянного напряжения.
Бывают генераторы постоянного напряжения и генераторы переменного напряжения. Если поток электронов постоянно движется в одном направлении, то ток, создаваемый этим потоком, называется постоянным. Если поток электронов периодически меняет свое направление на противоположное, то в этом случае ток называется переменным. Генератор напряжения может приводиться в движение различными двигателями, ветром, водой, даже нагретым паром. Общее условно-графическое обозначение генератора переменного тока можно посмотреть на рис. 3.3.
Рисунок 3.3.Условно-графическое обозначение а) генератора переменного напряжения; б) генератора постоянного напряжения.
Химические источники напряжения.
Следующим по значимости методом получения электрической энергии является применение химических батарей. Составной частью батарей являются два электрода, изготовленные из разнородных металлов (к примеру меди и цинка) и погруженные в электролит (раствор кислоты, щелочи или соли). Они создают контакт между цепью и электролитом. Из медного электрода с помощью электролита извлекаются свободные электроны, а цинковый электрод эти электроны притягивает. Таким образом, медный электрод имеет положительный заряд, а цинковый отрицательный. Несколько таких элементов, соединяясь вместе, образуют батарею. Некоторые образцы химических источников напряжения представлены на рисунке 3.4.
Рисунок 3.4. Химические источники напряжения
На рисунке 3.5 показаны условно-графические обозначения химического элемента и батареи химических элементов.
Рисунок 3.5.УГО а)химического элемента; б) батерии.
Источники напряжения, преобразующие световую энергию в электрическую.
В электрическую энергию может быть преобразована и световая энергия, путем попадания света на фоточувствительную пленку в солнечном элементе. В основе солнечных элементов лежит использование фоточувствительной пленки, изготовленной из полупроводников. При освещении фоточувствительной пленки светом, происходит выбивание электронов со своих орбит. Тем самым образуются область отрицательно заряженных свободных электронов и область положительно заряженных дырок на соответствующих электродах. Так отдельный солнечный элемент вырабатывает небольшое напряжение. На рисунке 3.6 показано общее условно-графическое обозначение солнечного элемента.
Рисунок 3.7. УГО солнечного элемента
Для получения необходимого напряжения солнечные элементы соединяются в солнечные батареи (рисунок 3.7).
Рисунок 3.7. Солнечная батарея
В настоящее время солнечные батареи находят все большее и большее применение.
Источники напряжения, преобразующие тепловую энергию в электрическую.
Тепловую энергию можно преобразовать в электрическую с помощью, так называемой, термопары (рисунок 3.8).
Рисунок 3.8. Термопара
Условно-графическое обозначение термопары показано на рисунке 3.9.
Рисунок 3.9.УГО термопары
В основе принципа действия термопары лежит термоэлектрический эффект. Термопара состоит из двух спаянных вместе разнородных металлов. При нагревании в одном металле (например, в меди), в силу его свойств возникает множество свободных электронов, которые он с легкостью отдает другому металлу, (например железу). В следствие этого медь приобретает положительный заряд, так как отдала электроны, а железо отрицательный. На концах такой термопары появляется небольшое напряжение. Данное напряжение прямо пропорционально количеству полученного тепла.
В основном широкое применение термопары нашли в измерительной технике.
Пьезоэлектрические источники напряжения.
Некоторые кристаллические материалы обладают пьезоэлектрическим эффектом. К таким материалам относится: титанат бария, сегнетова соль, турмалин, кварц. Суть эффекта в том что при приложении давления на данные материалы возникает небольшая разность потенциалов, то есть напряжение.
При отсутствии давления отрицательные и положительные заряды распределены хаотично в кристалле. В случае приложения давления, электроны распределяются только на одной стороне материала, тем самым создается область отрицательных зарядов и область положительных зарядов. Напряжение снимается с помощью специальных электродов и возникает только при приложенном давлении. Это явление называется прямым пьезоэффектом. Пьезоэффект обратим.
Прямой пьезоэлектрический эффект используется в зажигалках, в кристаллических микрофонах и в различных датчиках.
Условно-графическое обозначение пьезоэлемента приведено на рисунке 3.10.
Рисунок 3.10. УГО пьезоэлемента
Заметим, что явления, на которых основаны все шесть источников напряжения, обратимы.
ПОНРАВИЛАСЬ СТАТЬЯ? ПОДЕЛИСЬ С ДРУЗЬЯМИ В СОЦИАЛЬНЫХ СЕТЯХ!
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: