Джерела постійного струму: види, характеристики, сфери застосування

Постійний струм існує тільки в замкнутій ланцюга і зберігає свій напрямок і основні параметри незмінними в часі. Для його підтримки необхідно наявність постійної напруги. Ця вимога є незмінним для різних джерел постійного струму.

Джерела постійного електричного струму

Існує кілька основних видів джерел енергії постійного струму. Кожен з них заснований на використанні різних фізичних принципів і використовується в певних умовах. До них можна віднести наступні види:

  • механічні, перетворюють механічну енергію обертання ротора в електричну енергію;
  • теплові, у яких в електричну енергію перетворюється теплова енергія;
  • хімічні, у яких в електричну енергію перетворюється енергія, що виділяється в результаті хімічного процесу;
  • світлові, що перетворюють енергію сонячного світла в електричну енергію.

В основному електроенергія виробляється електростанціями, від яких споживачі отримують не постійний, а змінний струм, який потім перетвориться в постійний. Але у багатьох сферах можна застосовувати тільки теплові, світлові або хімічні джерела постійного електричного струму.

Теплові джерела

У цих джерелах використовується термоелектричний ефект. Електричний струм у замкнутому ланцюзі виникає завдяки різниці температур, що контактують між собою, металів або напівпровідникових структур. В місці контакту при нагріванні виникає електрорушійна сила (термо-ЕРС). Електричний струм заряджених частинок спрямований від нагрітого ділянки в бік холодного. Його величина пропорційна різниці температур. У місці спаю утворюється термопара.

Прилади, які для створення постійного струму використовують тепло, що виділяється при розпаді радіоактивних ізотопних матеріалів, є радіоізотопними термоелектричними генераторами.

Світлові джерела

Властивість напівпровідників створювати ЕРС при попаданні потоку світла використовується при створенні світлових джерел постійного струму.

Об’єднання великої кількості кремнієвих структур дозволяє створювати сонячні батареї. Невеликі електростанції, створені на базі таких сонячних панелей, мають на сьогоднішній день ККД не більше 15%.

Хімічні джерела

Отримання позитивних і негативно заряджених частинок у хімічних джерелах постійного струму здійснюється за рахунок хімічних реакцій. За класифікацією хімічних джерел вони діляться на 3 групи:

  • гальванічні елементи, які є первинними джерелами ;
  • електричні акумуляторні батареї (АКБ), або вторинні ХІТ;

*ХІТ — хімічні джерела струму.

Гальванічні елементи використовують принцип дії, заснований на взаємодії двох металів через середовище електроліту. Вид і характеристики ХІТ залежать від вибраної пари металів і складу електроліту. Два металевих електрода джерела струму за аналогією з приладом односторонньої провідності отримали назву анода («+») і катода («-«).

Матеріалом для виготовлення анода можуть служити свинець, цинк, кадмій та інші. Катод виготовляють з оксиду свинцю, графіту, оксиду марганцю, гідроксиду нікелю. За складом електроліту гальванічні елементи поділяються на 3 види:

  • сольові або «сухі»;
  • лужні;
  • літієві.

В елементах перших двох видів графіто-марганцевий стрижень (катод) вміщено по осі цинкового циліндричного стаканчика (анода). Вільний простір між ними заповнений пастою на основі хлориду амонію (сольові) або гідрооксиду калію (лужні).

В літієвих елементах цинковий анод замінений лужним літієм, що призвело до значного збільшення тривалості роботи. Матеріал катода в них визначає вихідна напруга батареї (1,5-3,7) Ст. Первинні ХІТ є джерелами одноразової дії. Його реагенти, що витрачаються в процесі роботи, не підлягають відновленню.

Акумулятори являють собою пристрої, в яких виробляється перетворення електричної енергії зовнішнього джерела струму в хімічну енергію при заряді і її накопичення. В процесі роботи (розряд) відбувається зворотне перетворення — хімічна енергія служить джерелом постійного електричного струму.

До основних видів акумуляторів відносяться:

  • свинцево-кислотні;
  • нікель-кадмієві лужні;
  • літій-іонні.

Для створення хімічних процесів набір пластин поміщений в розчин електроліту. В АКБ, створених за сучасними технологіями, розчин являє собою не рідина, а гелієвий складу (GEL) або стільникові сепаратори, просочені електролітом і поміщені між свинцевими пластинами (AGM).

Свинцево-кислотні і нікель-кадмієві лужні акумулятори для роботи в якості джерел постійного струму для запуску двигунів автомобілів збирають з набору окремих акумуляторних елементів («банок»). Кожна «банку» забезпечує на своїх клемах напруга 2,1 В. З’єднані послідовно 6 елементів і поміщені в ударостійкий корпус, мають на вихідних клемах акумулятора необхідні для запуску двигуна 12 Ст.

У літій-іонних акумуляторах носіями електричного струму служать іони літію. Вони утворюються на катоді, виготовленому з солі літію. Анод може бути виготовлено з графіту або оксидів кобальту. Напруга постійного струму на виході акумулятора може змінюватись в межах (3,0-4,2) У залежності від використовуваних матеріалів. Ці акумулятори мають низьке значення струму саморозряду і допускають велику кількість циклів заряд/розряд. Завдяки цьому всі сучасні гаджети використовують акумулятори цього виду.

Механічні джерела постійного струму

Пристроями, перетворюючими механічну енергію в електричну, є турбо і гідро генератори. Вони виробляють змінний електричний струм. Для основної частини побутових приладів джерелом постійного струму виступають їх блоки живлення. У них виробляється перетворення змінної напруги генератора в постійну напругу, необхідну для роботи пристроїв. Цю задачу виконують випрямлячі, які повинні забезпечувати необхідну потужність джерела постійного струму для їх навантаження і постійне значення вихідної напруги, не залежне від споживаного струму.

Блоки живлення можуть бути лінійними і імпульсними. Лінійні блоки виконуються за різними схемами, основу яких складають:

  • однополупериодые випрямлячі;
  • двухполупериодные випрямлячі.

У випрямлячах використовується властивість напівпровідникових діодів пропускати струм тільки в одному напрямку. Випрямлена таким чином напруга ще не є постійним. Ємності наступних за випрямлячем конденсаторів згладжуючого фільтра при своєму швидкому заряді і повільному розряді підтримують величину позитивного однополярного напруги на визначеному значенні. Його величина визначається трансформатором, які отримують напругу від генератора змінного струму. Для однофазного напруги домашньої мережі 220 В 50 Гц його сталевий сердечник має значні розміри і вага.

Схеми однополупериодных містять всього один напівпровідниковий діод, що пропускає тільки одну півхвилю синусоїдального змінного вхідного напруги.

Двухполупериодные випрямлячі виконуються за мостовою схемою або по схемі з загальною точкою. В останньому випадку вторинна обмотка мережевого трансформатора має висновок від своєї середини. Ці випрямлячі являють собою паралельне включення двох однополупериодных випрямлячів. Вони діють на обидві напівхвилі синусоїди змінного вхідного напруги.

Мостова схема випрямляча є найбільш поширеною. З’єднання 4-х діодів в ній нагадує «квадрат». До однієї з діагоналей підключається змінну напругу вторинної обмотки мережевого трансформатора. Навантаження включається в іншу діагональ «квадрата». Їм буде вхідний елемент згладжуючого фільтра.

Регулювання джерела

Для забезпечення постійного значення рівня вихідної напруги, не залежного від споживаного навантаженням струму і коливань вхідної змінної напруги, всі сучасні джерела живлення постійного струму мають ступінь стабілізації і регулювання.

В ній вихідна напруга порівнюється з еталонним (опорним) значенням.

При появі відмінності між ними виробляється керуючий сигнал, який по ланцюгу управління змінює величину вихідної напруги. Значення опорної напруги можна змінювати в широких межах, маючи на виході регульованого джерела живлення постійного струму необхідне для роботи напруга.

Імпульсні джерела

Схеми з використанням вхідних трансформаторів напруги мережі отримали назву лінійних. В імпульсних джерелах живлення проводиться подвійне перетворення — спочатку змінну напругу випрямлячем перетвориться в постійну, потім виробляється змінне імпульсна напруга більш високої частоти, яке у вихідному каскаді знову перетворюється в постійну напругу необхідного значення.

Генератори імпульсів виробляють безперервну імпульсну послідовність з частотою (15-60) кГц. Регулювання вихідної напруги здійснюється за допомогою широтно-імпульсної модуляції (ШІМ), при якому рівень сигналу на виході блоку живлення визначається шириною імпульсів, що виробляються генератором і значенням їх шпаруватості. Регульовані джерела живлення постійного струму імпульсного типу все частіше використовуються при створенні апаратури різного призначення.

Порівняння джерел

Відсутність потужного вхідного трансформатора в імпульсних джерелах живлення дозволяє створювати конструкції значно легші і з меншими лінійними розмірами. Їх ефективність значно вище джерел, виконаних за лінійними схемами. Коефіцієнт корисної дії доходить до значення 98%. У них широке поширення отримали мікросхеми, що виконують функції контролерів.

Кожен з типів стабілізованих джерел постійного струму знаходить застосування у своїй сфері. А вона досить різноманітна. Основою є характеристики джерел постійного струму. Лінійні джерела забезпечують низький рівень пульсацій вихідної напруги і мале значення рівня власного шуму. Це досягається відсутністю перемикань при їх роботі, які створюють великий рівень перешкод в широкому частотному діапазоні. В імпульсних джерелах доводиться застосовувати складні схемні рішення для боротьби з ними, що призводить до подорожчання виробів, в яких вони застосовуються.

Висновок

У статті було дано загальний огляд існуючих джерел постійного струму. Викладений матеріал лише знайомить читачів з основними принципами їх роботи. З нього можна зробити висновок, що кожен із видів джерел постійного струму використовується в своїй області.