Напряжение DC: принципы формирования и применения
Постоянный ток широко используется в электронике и энергетике. Давайте разберемся, что такое напряжение DC, как оно формируется и где применяется.
1. Основные понятия
Постоянный ток – это электрический ток, величина и направление которого со временем не меняются. При постоянном токе заряженные частицы (электроны, ионы) движутся в электрическом поле только в одном направлении.
В отличие от переменного, постоянный ток имеет постоянные полярность и величину. Переменный ток меняет не только величину, но и направление с течением времени с определенной частотой.
Обозначения:
- DC (англ. Direct Current) – постоянный ток
- AC (англ. Alternating Current) – переменный ток
- AC/DC – устройство может работать как на переменном, так и на постоянном токе
Единицей измерения силы постоянного тока является ампер. Электрическое напряжение постоянного тока измеряется в вольтах.
Источниками постоянного напряжения могут быть:
- гальванические элементы и аккумуляторы;
- электрические генераторы постоянного тока;
- выпрямительные устройства;
- солнечные батареи;
- конденсаторы и др.
2. Физические принципы формирования
Для существования постоянного электрического тока необходимо выполнение двух условий:
- Наличие замкнутой электрической цепи
- Действие электродвижущей силы (ЭДС), создающей в цепи электрический ток
ЭДС создается за счет преобразования различных видов энергии (химической, световой, механической и др.) в электрическую. Например, в гальванических элементах ЭДС возникает при химических реакциях.
Под действием ЭДС заряженные частицы перемещаются по замкнутой цепи, преодолевая сопротивление. При этом выделяется джоулево тепло, совершается работа, происходит преобразование энергии.
Электрическое напряжение характеризует разность потенциалов в электрическом поле и равно работе по перемещению единичного положительного заряда из точки 1 в точку 2.
Для измерения DC напряжений используется вольтметр, который включается параллельно участку цепи.
3. Источники постоянного напряжения
Гальванические элементы и аккумуляторы являются электрохимическими источниками тока. В них под действием химических реакций генерируется постоянный электрический ток и соответственно постоянное напряжение с определенной полярностью.
Электрические генераторы постоянного тока преобразуют механическую энергию вращения в электрическую энергию. Наиболее распространены машины постоянного тока с электромагнитным возбуждением.
Выпрямительные устройства предназначены для преобразования переменного тока в постоянный. Это позволяет использовать переменное напряжение для питания устройств, рассчитанных на постоянный ток.
В солнечных батареях под действием света генерируется постоянный фототок и соответственно постоянное напряжение.
Разряд конденсаторов и ионисторов через большое сопротивление также создает постоянный ток в течение короткого промежутка времени.
Таким образом, постоянное напряжение может быть получено из различных источников энергии с помощью соответствующих преобразователей.
4. Преобразователи напряжения DC/DC
Преобразователи напряжения DC/DC предназначены для преобразования постоянного напряжения одного уровня в постоянное напряжение другого уровня.
Основными типами DC/DC преобразователей являются:
- Понижающие преобразователи
- Повышающие преобразователи
- Инвертирующие преобразователи
Понижающие преобразователи напряжения DC/DC используются, когда необходимо получить стабилизированное напряжение питания меньше, чем входное. Например, преобразование напряжения автомобильного аккумулятора 12В в 5В для зарядки смартфона.
5. Передача энергии постоянного тока
Для передачи электроэнергии на большие расстояния обычно используется высокое напряжение переменного тока. Однако существуют и высоковольтные линии электропередачи постоянного тока.
Их преимущества:
- возможность регулировать передаваемую мощность
- отсутствие синхронизации между энергосистемами
К недостаткам можно отнести бóльшую стоимость оборудования по сравнению с переменным током.
6. Применение в электронике
Почти все электронные устройства (радиоприемники, телевизоры, компьютеры и т.д.) рассчитаны на питание постоянным напряжением.
Если на входе имеется переменное сетевое напряжение 220В, то для его преобразования используется блок питания. Он включает в себя трансформатор, выпрямитель, фильтры и стабилизатор напряжения.
7. Применение в энергетике
Постоянный ток широко используется для электроснабжения транспорта. Это связано с особенностями электродвигателей постоянного тока, обеспечивающих оптимальные тяговые характеристики.
На железнодорожном транспорте применяются электровозы и электропоезда на напряжение 3000 В или 1500 В.
8. Перспективы
Развитие энергетики и электроники способствует расширению областей использования постоянного электрического тока и повышению эффективности его применения.
9. Системы бесперебойного питания
Для обеспечения бесперебойной работы ответственных потребителей электроэнергии, таких как вычислительные центры, используются системы бесперебойного питания (СБП).
Они включают в себя:
- Выпрямитель для преобразования переменного напряжения в постоянное
- Зарядное устройство для подзаряда аккумуляторов
- Инвертор для генерации переменного напряжения из постоянного
При отключении внешнего электропитания нагрузка автоматически переключается на питание от аккумуляторов через инвертор.
10. Бесконтактная передача энергии
Активно ведутся разработки систем для бесконтактной передачи электроэнергии на небольшие расстояния с помощью электромагнитных волн.
Принцип работы основан на использовании магнитного резонанса между передающей и приемной катушками.
Такие системы могут применяться для зарядки мобильных устройств, питания бытовой техники и других целей.