Как преобразовать переменный ток в постоянный

Преобразование переменного тока в постоянный

Электрический ток протекает в различных средах: металлах, полупроводниках, жидкостях и газах. При этом он может быть постоянным или переменным. В статье рассмотрим отдельно постоянный и переменный ток, а также преобразование переменного тока в постоянный.

Постоянный ток и его источники

У постоянного тока величина и направление не изменяются с течением времени. На современных приборах он обозначается буквами DC — сокращением от английского Direct Current (в дословном переводе – прямой ток). Его графическое обозначение:

Источниками постоянного тока являются батарейки и аккумуляторы. На нем работают все полупроводниковые электронные устройства: мобильные телефоны, компьютеры, телевизоры, спутниковые системы. Для питания этих устройств от сети переменного тока в их входят блоки питания. Они понижают напряжение сети до нужной величины и преобразуют переменный ток в постоянный. Зарядные устройства для аккумуляторов тоже питаются от сети переменного тока и выполняют те же функции, что и блоки питания.

Переменный ток и его параметры

У переменного тока направление и величина циклически изменяются во времени. Цикл одного полного изменения (колебания) называется периодом (T), а обратная ему величина – частотой (f). Буквенное обозначение переменного тока – АС, сокращение от Alternating Current (знакопеременный ток), а графически он обозначается отрезком синусоиды:

̴

После этого знака указывается напряжение, иногда – частота и количество фаз.

Переменный ток характеризуется параметрами:

Характеристика	Обозначение	Единица измерения	Описание
Число фаз		Однофазный
		Трехфазный
Напряжение	U	вольт	Мгновенное значение
			Амплитудное значение
			Действующее значение
			Фазное
			Линейное
Период	Т	секунда	Время одного полного колебания
Частота	f	герц	Число колебаний за 1 секунду

Однофазный ток в чистом виде получается при помощи бензиновых и дизельных генераторов. В остальных случаях он – часть трехфазного, представляющего собой три изменяющихся по синусоидальному закону напряжения, равномерно сдвинутых друг относительно друга. Этот сдвиг по времени называется углом сдвига фаз и составляет 1/3Т.

Для передачи трехфазных напряжений используют четыре провода. Один является их общей точкой и называется нулевым (N), а три остальные называются фазами (L1, L2, L3).

Напряжение между фазами называется линейным, а между фазой и нулем – фазным, оно меньше линейного в √3 раз. В нашей сети фазное напряжение равно 220 В, а линейное – 380 В.

Под мгновенным значением напряжения переменного тока понимают его величину в определенный момент времени t. Она изменяется с частотой f. Мгновенное значение напряжения в точке максимума называется амплитудным значением. Но не его измеряют вольтметры и мультиметры. Они показывают величину, в √2 раз меньшую, называемую действующим или эффективным значением напряжения. Физически это означает, что напряжение постоянного тока этой величины совершит такую же работу, как и измеряемое переменное напряжение.

Достоинства и недостатки переменного напряжения

Так почему же для энергоснабжения выбрали переменный ток, а не постоянный?

При передаче электроэнергии ток проходит по проводам, длиной сотни километров, нагревая их и рассеивая в воздухе энергию. Это неизбежно как для постоянного, так и для переменного токов. Но мощность потерь зависит только от сопротивления проводов и тока в них:

Мощность, которую передается по линии, равна:

Отсюда следует, что при увеличении напряжения для передачи той же мощности нужен меньший ток, и мощность потерь при этом уменьшается. Вот поэтому протяженных ЛЭП напряжение повышают. Есть линии на 6кВ, 10кВ, 35кВ, 110кВ, 220кВ, 330кВ, 500кВ, 750кВ и даже 1150кВ.

Но в процессе передачи электроэнергии от источника к потребителю напряжение нужно неоднократно изменять. Проще это сделать на переменном токе, используя трансформаторы.

Недостатки переменного тока проявляются при передаче энергии по кабельным линиям. Кабели имеют емкостное сопротивление между фазами и относительно земли, а емкость проводит переменный ток. Появляется утечка, нагревающая изоляцию и выводящая со временем ее из строя.

Преобразование переменного тока в постоянный и наоборот

Процесс получения из переменного тока постоянного называется выпрямлением, а устройства – выпрямителями. Основная деталь выпрямителя – полупроводниковый диод, проводящий ток только в одном направлении. В результате выпрямления получается пульсирующий ток, меняющий со временем свою величину, но не изменяющий знак.

Затем пульсации устраняют при помощи фильтров, простейшим из них является конденсатор. Полностью пульсации устранить невозможно, а их конечный уровень зависит от схемы выпрямителя и качества фильтра. Сложность и стоимость выпрямителей зависит от величины пульсаций на выходе и от максимальной мощности на выходе.

Для преобразования в переменный ток используются инверторы. Принцип их работы состоит в генерации переменного напряжения с формой, максимально приближенной к синусоидальной. Пример такого устройства – автомобильный инвертор для подключения к бортовой сети бытовых приборов или инструмента.

Чем качественнее и дороже инвертор, тем больше его мощность или точнее выдаваемое им напряжение приближается к синусоиде.

Как из переменного тока сделать постоянный

Для питания некоторых видов оборудования необходим постоянный ток. Если воспользоваться обычной розеткой на 220 В, то можно сжечь прибор. Выходом в такой ситуации является использование специального устройства, которое производит нужное преобразование.

Что такое выпрямление тока

Когда на вход любого устройства поступает переменное напряжение, его график имеет синусоидальную форму. При этом оно будет периодически изменяться от отрицательного значения к положительному и обратно.

Когда говорят о выпрямлении, подразумевается, что в результате ток или напряжение будут иметь постоянное значение. Существуют разные способы как из переменного тока в сети сделать постоянный. Например, если применить диод, то на выходе сохраняются только положительные полупериоды, а отрицательные превращаются в ноль. Выпрямитель с одним диодом называется однополупериодным.

График напряжения при использовании диода не будет прямой линией, но может рассматриваться как результат выпрямления переменного тока. Если используется диодный мост, то преобразование переменного тока в постоянный происходит более качественно.

График напряжения после выпрямления с помощью диодного моста будет представлять собой только положительные полупериоды. Такое напряжение называют пульсирующим. Применение диодного моста для преобразования переменного тока позволяет избежать потери части сигнала.

Но как видно из графика, хотя выпрямление и произошло, форма выходного сигнала всё ещё далека от прямой линии. Чтобы это исправить, на выходе из диодного моста устанавливают конденсатор.

Он действует следующим образом. Когда напряжение растёт, его обкладки заряжаются. Далее, как видно на графике, оно начинает вновь уменьшаться до нуля. В это время конденсатор разряжается. В следующем полупериоде ситуация повторяется.

Применение конденсатора приводит к тому, что амплитуда напряжения уменьшается, и такой сигнал уже можно считать выпрямленным. Он уже подходит для питания оборудования, работающего на постоянном токе.

На графике результат выпрямления показан синей линией. Видно, что он значительно более близок к прямой линии по сравнению с предыдущими вариантами.

Схема выпрямителя включает в себя еще и трансформатор. Его необходимость связана с тем, что требуется получить не просто постоянное напряжение, а только то, которое имеет строго определённые характеристики. Чаще всего оно должно иметь 12 В или 24 В.

Действие трансформатора основано на принципе электромагнитной индукции. В трансформаторе используются две обмотки и сердечник. Переменное напряжение подаётся на первичную обмотку. При этом оно формирует быстро изменяющееся магнитное поле, которое через сердечник передаётся на вторичную обмотку. Благодаря действию электромагнитной индукции на ней создаётся напряжение, величина которого определяется количеством витков в обмотке. Таким образом получают переменное напряжение нужной величины, которое затем проходит через диод и конденсатор и поступает на выходные клеммы.

Для чего необходимо постоянное напряжение в быту

В квартирах и частных домах обычно пользуются переменным напряжением 220 В частотой 50 Гц. Несмотря на это, в быту часто применяют оборудование, для работы которого требуется постоянный ток. Поэтому для получения напряжения 12 Вольт или 24 понадобится купить преобразователь переменного сетевого напряжения в постоянное. Необходимость в таком устройстве может возникнуть:

• При использовании электрической дрели, шуруповерта, электропилы и прочих электроинструментов.
• Выпрямитель понадобится в тех случаях, когда необходимо подзарядить смартфоны, ноутбуки, планшеты или другое электронное оборудование.
• Некоторые электроприборы, например, принтеры подключаются к розетке через адаптер, который преобразует сетевое переменное напряжение в постоянное.
• Постоянное напряжение может использоваться в стационарных насосах для полива огорода, используемых в частных хозяйствах.
• Для работы разной аудио и видео техники обычно требуется конвертировать переменное напряжение в постоянное.
• Если в квартире или в частном доме устанавливается система наблюдения, то следует купить и выпрямитель, который преобразует переменный ток в постоянный.
• От источников постоянного напряжения работают некоторые виды медицинского оборудования.
• В местах, где имеется повышенная влажность, выгодно применять слаботочные сети, предоставляющие для питания постоянное напряжение.
• Постоянное напряжение требуется также для работы светодиодного освещения или галогеновых ламп.

Следует также сказать, что зачастую постоянное напряжение обеспечивается не за счёт преобразования переменного сетевого напряжения, а при помощи аккумуляторов и батарей. При этом нужно учитывать, что покупку аккумуляторов приходится совершать регулярно, поскольку они постепенно изнашиваются и рано или поздно приходят в негодность. Если же использовать розетки, подключая к ним электроприборы через выпрямитель, то будет обеспечено надёжное и долговечное питание везде, где есть доступ к электросети.

Купить преобразователи переменного тока в постоянный можно на сайте АлиЭкспресс по ссылке: https://aliclick.shop/r/c/1r43k0wp1qmyep52?sub=2.

Как сделать выпрямитель самостоятельно

Если самостоятельно создать устройство, которое преобразовывает переменное напряжение, можно не только выйти из положения в сложной ситуации, но и лучше понять принцип его действия. Для работы необходимо приготовить следующее:

• Прибор, с помощью которого можно измерять напряжение. Для этого, например, можно использовать вольтметр или мультиметр.
• Изолирующую ленту, киперную ленту.
• Медную проволоку.
• Паяльник.
• Трансформатор. Покупайте тот, первичная обмотка которого рассчитана на 220 В.

Подготовив всё необходимое, можно приступать к работе:

1. Сначала нужно подключить трансформатор к сети и измерить напряжение на вторичной обмотке. Если, например, требуется после выпрямления получить 12 Вольт, то придётся убрать часть витков.
2. Затем следует припаять диодный мост и конденсатор в соответствии с принципиальной схемой выпрямителя.

Нужно учитывать, что по сравнению с переменным напряжением на вторичной обмотке результат на выходных клеммах увеличится в 1.41 раз. То есть, для получения 12 В необходимо, чтобы переменное было равно 8.51 В (12/1.41 = 8.51).

Здесь рассказано, как сделать простейший выпрямитель, но на практике также применяются и другие варианты. Например, выпрямитель с удвоением напряжения. Принцип его работы основывается на поочередной зарядке-разрядке конденсаторов входным напряжением с полуволнами разной полярности. В результате получают напряжение вдвое выше входного.

Удвоитель используется, когда возникает необходимость увеличить в 2 раза напряжение, снимаемое со вторичной обмотки трансформатора. Этот вариант является более выгодным по сравнению с перематыванием обмотки.

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).

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:

Преобразователь переменного/постоянного тока, постоянного/постоянного тока

Переменный ток представляет собой электрический ток, который периодически меняется по величине и полярности (направлению) с течением времени.

Число изменений полярности тока в течение 1 секунды называется частотой и выражается в Гц.

Акроним для постоянного тока.

Постоянный ток – это ток, полярность (направление) которого не меняется со временем.

① Ток, который течет как по полярности (направлению), так и по величине, не меняется со временем, обычно называется постоянным током.

① Ток, который течет как по полярности (направлению), так и по величине, не меняется со временем, обычно называется постоянным током.

②Полярность потока не меняется со временем, но ток, величина которого меняется со временем, также является постоянным током, который обычно называют пульсирующим током (пульсационный ток).

1. Преобразователь переменного/постоянного тока

Что такое преобразователь переменного тока в постоянный?

Преобразователь переменного тока в постоянный представляет собой элемент, который преобразует переменный ток (напряжение переменного тока) в постоянный ток (напряжение постоянного тока).

Зачем нужен преобразователь переменного тока в постоянный?

Это потому, что дома и здания получают напряжение переменного тока 100 В или 200 В. Однако большинство электроприборов, которые мы используем, работают от постоянного напряжения 5 В или 3,3 В. То есть приборы не могут работать без преобразования переменного напряжения в постоянное.

Среди них также есть продукты, которые могут работать от переменного напряжения, такие как двигатели и лампочки, но двигатели подключены к схеме управления микроконтроллера, а лампочки также становятся энергосберегающими светодиодами, поэтому AC-DC конверсия необходима.

Почему передается переменное напряжение?

Кто-то может подумать: «Поскольку устройства используют постоянный ток, почему бы не передавать постоянный ток?»

Как всем известно, электроэнергия поступает от гидроэлектростанций, тепловых электростанций, атомных электростанций и т. д. Эти электростанции расположены в таких районах, как горная или прибрежная местность, от которых переменное напряжение более выгодно для передачи в городскую местность.

Короче говоря, путем передачи напряжения переменного тока с высоким напряжением и низким током можно уменьшить потери при передаче (потери энергии). Однако в реальном доме, поскольку высокое напряжение нельзя использовать напрямую, его необходимо преобразовать (понизить) через несколько подстанций поэтапно и, наконец, преобразовать в 100 В или 200 В перед входом в дом. Эти преобразования также проще с переменным током, поэтому передается переменное напряжение.

Полноволновое выпрямление и однополупериодное выпрямление (преобразование переменного тока в постоянный)

Различают двухполупериодное выпрямление и двухполупериодное выпрямление для преобразования переменного тока (напряжение переменного тока) в постоянный (напряжение постоянного тока). В обоих случаях для выпрямления используется характеристика прямого тока диода. Торговый центр Weiyang продает диоды различных моделей, и на складе имеются оригинальные сертифицированные заводом подлинные продукты.

Двухполупериодное выпрямление преобразует отрицательную составляющую входного напряжения в положительное напряжение через структуру схемы диодного моста, а затем выпрямляет ее в постоянное напряжение (импульсное напряжение). Однополупериодное выпрямление использует диод для устранения входной отрицательной составляющей напряжения, а затем выпрямляет ее в постоянное напряжение (импульсное напряжение). После этого функции зарядки и разрядки конденсаторов используются для сглаживания формы волны, что приводит к преобразованию в чистое постоянное напряжение. Следовательно, можно сказать, что двухполупериодное выпрямление является более эффективным методом выпрямления, чем однополупериодное выпрямление, в котором не используются входные отрицательные составляющие напряжения. Также сглаженное напряжение пульсаций меняется в зависимости от емкости конденсатора и нагрузки (LOAD).

Полноволновое выпрямление и однополупериодное выпрямление при одинаковой емкости конденсатора и условиях нагрузки, напряжение пульсаций двухполупериодного выпрямления меньше. Чем меньше пульсации напряжения, тем выше стабильность и лучше производительность.

Метод преобразования переменного/постоянного тока

Преобразование переменного тока в постоянный имеет метод трансформатора и метод переключения.

Это трансформаторная схема обычного преобразователя переменного тока в постоянный.

[Пример конфигурации схемы трансформаторным методом]

На рисунке ниже показано изменение формы сигнала напряжения в трансформаторном режиме.

Трансформаторный метод сначала требует понижения напряжения переменного тока до соответствующего напряжения переменного тока (например, со 100 В переменного тока до 10 В переменного тока и т. д.) через трансформатор. Это преобразование переменного тока в переменный, и значение понижения устанавливается коэффициентом обмотки трансформатора.

Затем напряжение переменного тока, пониженное трансформатором, выпрямляется двухполупериодным выпрямителем с диодным мостом и преобразуется в импульсное напряжение. Наконец, конденсатор сглаживает и выдает постоянное напряжение с небольшими пульсациями, что является наиболее традиционным методом преобразования переменного тока в постоянный.