Что является источником переменного тока
Источники питания постоянного и переменного тока
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
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.
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
Источник переменного напряжения
Независимый источник напряжения
наиболее частого использования AC Voltage Source. Он является идеальным источником гармонических колебаний, т. е. его внутреннее сопротивление равно 0. Можно выбрать уровень напряжения, который задается через действующее значение (амплитудное значение нужно рассчитывать вручную). Кроме того, задается частота и фаза колебаний. Следует обратить внимание, что даже для идеального источника задается отклонение основного параметра. Это делается для моделирования нестабильности источника в некоторых описанных выше режимах моделирования (Рисунок 2.1).
Альтернативным источником гармонических колебаний является виртуальный генератор (Рисунок 2.2).
Возможности генератора шире. Можно генерировать колебания прямоугольной и треугольной формы и менять скважность (Duty cycle). Параметр Duty cycle определяет – какую часть периода сигнала в процентном соотношении занимает прямоугольный импульс. Таким образом, параметр действует только для одного из трех видов сигналов. В электронике скважностью обозначают отношение длительности периода сигнала к длительности импульса:
Так скважность Q = 2 эквивалентна Duty cycle = 1/Q
Уровень напряжения устанавливается как амплитудное значение (Amplitude), но это если подключиться к клеммам + и – напряжение возрастает в 2 раза. Можно также за счет нее получать импульсы отрицательной и положительной полярности. Недостаток прибора – нет регулировки фазы.
Рисунок 2.1 Окно параметров источника переменного напряжения
Рисунок 2.2 Виртуальный генератор «Function Generator» и его параметры
Источник постоянного напряжения
Независимый источник постоянного напряжения
DC_POWER является идеальным источником постоянного напряжения. Его используют при моделировании схем с внешними источниками питания высокого качества. Единственный основной параметр источника – уровень напряжения (Voltage (V)).
Источник сигналов прямоугольной формы Clock
Данный источник может быть использован при моделировании как аналоговых, так и цифровых схем. Параметры источника аналогичны параметрам виртуального генератора (Рисунок 2.3).
Рисунок 2.3 Окно параметров источника сигналов прямоугольной формы
Источник сигналов произвольной формы PWL Source
Данный источник Piecewise_Linear_Voltage может быть использован для моделирования одиночных сигналов сложной формы. В качестве параметра источника может быть указано имя текстового файла (Use data directly from file), в котором записываются координаты сигнала в дискретных точках. Точки соединяются с помощью линейной интерполяции. Формат текста – две колонки цифр. Левая колонка – отсчеты времени в секундах. Правая колонка – значения сигнала в вольтах. К примеру, сигнал, изображенный на Рисунок 2.4, может быть сгенерирован с помощью текста:
| 0 0 0.001 0 0.001 1 0.004 1 0.004 3 0.005 3 0.005 0 |
Рисунок 2.4 Пример сигнала сгенерированного источником
Альтернативным способом задания параметров является заполнение таблицы (Enter data points in table). Формат данных тот же (Рисунок 2.5).
Рисунок 2.5 Альтернативный способ задания параметров источника Piecewise_Linear_Voltage
Пассивные компоненты RLC
Свойства модели резистора
Основное свойство Resistance – сопротивление.
TC1 – линейный температурный коэффициент сопротивления,
TC2 – квадратичный температурный коэффициент сопротивления. Сопротивление резистора рассчитывается по формуле:
где T_MEASURED – температура измерения сопротивления резистора (по умолчанию T_MEASURED = 27о).
Свойства модели конденсатора
Основное свойство Capaсitance – емкость.
Свойства модели катушки индуктивности:
Основное свойство Inductance – индуктивность.
Биполярные транзисторы
Модели биполярного транзистора строятся по принципу достижения определенной цели моделирования. В инженерной практике требуется решать две основных задачи:
режима работы транзистора по
постоянному
и
переменному
току с целью выбора параметров, как транзистора, так и других элементов, входящих в аналоговый узел;
характеристик аналогового узла на основе моделирования в схемотехнических САПР;
, используют эквивалентную схему транзистора на постоянном или переменном токе. Схема зависит от того, какой режим работы транзистора предполагается установить. По переменному току, в основном, различают
линейный
и
нелинейный
режимы. Линейный режим предполагает относительно слабые сигналы на входе и выходе транзистора. Поэтому он называется
малосигнальным
. Тогда используют малосигнальные линейные
эквивалентные схемы
. Эквивалентные схемы используются не только для расчета параметров, но и для анализа аналоговых узлов.
, используют точную или упрощенную
нелинейную модель
транзистора. Согласно модели синтезируются формулы расчета, которые используются в схемотехнических САПР. Обычно эти формулы скрыты от пользователя, поскольку не требуются в процессе компьютерного моделирования электронных средств (ЭС).
Трехфазный ток
Трехфазная система – это система электрической цепи, работающая на трех цепях, в которых действуют силы одной и той же частоты, но сдвинутые по фазе друг от друга на одну треть периода или на 120 градусов. Каждая отдельная цепь такой системы называется фазой, а система из трех сдвинутых по фазе токов называется трехфазным током.
Вам это будет интересно Методы передачи электроэнергии
Практически все современные генераторы в домах и на электростанциях представляют собой генераторы трехфазного тока. Фактически это один большой генератор, состоящий из трех маленьких двигателей, которые генерируют токи, электродвижущие силы в них сдвинуты относительно друг друга на 120 градусов или одну треть периода.
График трехфазного сигнала
Адаптеры переменного напряжения
Возможно изготовление источников (блоков) питания переменного тока (напряжения) со следующими модификациями:
ПРАЙС-ЛИСТ на БЛОКИ ПИТАНИЯ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА
Источник питания переменного тока (он же источник питания переменного напряжения), обозначается БП, имеет на выходе напряжение, амплитуда которого не является постоянной, но подчиняется гармоническому или другому, как правило, периодическому закону.
Из всех форм периодических токов наибольшее распространение получили синусоидальные токи. Синусоидальные токи позволяют наиболее экономично осуществлять производство, передачу, распределение и использование электрической энергии. В линейных электрических цепях синусоидальные токи всегда сохраняют свою фазу.
Использование переменного напряжения вместо постоянного было предложено Николой Тесла, как более эффективное.
Наиболее распространены сетевые БП: входное напряжение – двуполярное, синусоидальной формы, амплитудой 220 В, частотой 50 Гц, выходное напряжение также двуполярное, синусоидальной формы, частотой 50 Гц, как и на входе, но другой амплитуды — 9, 12, 18, 24, 110 Вольт или других значений.
Сетевые БП имеют определенные преимущества перед нестабилизированными БПН и стабилизированными БПС :
Изображение синусоидальных ЭДС, напряжений и токов на плоскости декартовых координат
Синусоидальные токи и напряжения можно изобразить графически, записать при помощи уравнений с тригонометрическими функциями и представить в виде вращающихся векторов на декартовой или комплексной плоскости.
Графическое изображение синусоидальных напряжений
Запишем синусоидальные напряжения с помощью тригонометрических функций:
Значения в скобках синуса называют фазами синусоид, а значения фазы в начальный момент времени — начальной фазой.
Величина ω называется угловой частотой:, [рад/с]
Простой источник переменного тока или напряжения состоит из корпуса, трансформатора и проводов. Возможно добавление 1 или 2 предохранителей.
Трансформатор – наиболее надежный прибор в электротехнике, радиотехнике и электронике. Срок его службы может измеряться десятилетиями. О чем свидетельствуют опыты по закапыванию работающих под напряжением трансформаторов в землю в середине прошлого века, которые работают до сих пор.
Трансформатор состоит из магнитопровода и двух или более обмоток, одна из которых является первичной или сетевой, а остальные – вторичными обмотками. Электрическая энергия преобразуется в электромагнитное поле и через магнитопровод передается между обмотками. КПД трансформатора достаточно высок. Еще одним преимуществом является гальваническая развязка между обмотками.
Магнитопровод выполняется из электротехнической стали марок 2212 и др., или феррита. Существует несколько форм магнитопровода. Наиболее распространненным, экономически эффективным и массовым в производстве является Ш-образный магнитопровод из штампованных Ш и I образных пластин. Обмотки выполняются из медного, иногда алюминиевого эмальпровода.
Бывают и электронные (импульсные) трансформаторы на микросхемах и транзисторах. Их преимуществами являются меньшие габариты и вес, а недостатками – ненадежность, неустранимые до конца импульсные помехи, плохая несинусоидальная форма выходного сигнала со множеством гармоник, что влияет на качество работы питаемых или находящихся поблизости устройств, мерцание света, помехи звука и изображения.
Стоимость обычных трансформаторов ниже стоимости электронных при мощности до 20 Ватт, равна им при мощности 20-30 Ватт, и выше при увеличении мощности. Это также зависит и от качества изготовления последних.
Ознакомиться с необходимыми блоками питания переменного напряжения Вы можете ознакомиться по нижеследующим ссылкам:
Источник тока
Открытие электричества привело к появлению такого понятия, как источник тока. Им может быть любой двухполюсник, в котором значение напряжения на выводах не обусловлено силой тока, проходящего через него. Иными словами, это устройство, совершающее работу, в результате которой происходит разделение отрицательно и положительно заряженных частиц. Они накапливаются на клеммах двухполюсника и создают разность потенциалов между ними. Источник может преобразовать в электрическую энергию другие виды энергии. При любом сопротивлении нагрузки его ток не меняется.
Электрический ток
Направленное движение электронов называется электрическим током. Сами электроны – это отрицательно заряженные частицы. Они присутствуют в металлах и двигаются беспорядочно. Если металлический проводник присоединить к выводам двухполюсника (источника тока), то электроны начнут перемещаться в строгой направленности. Протекая от плюса к минусу, они образуют процесс, называемый электрическим током.
Источники и признаки постоянного тока
Движение зарядов в электрической цепи обеспечивают источники тока. Для постоянного тока источниками могут быть:
Гальванические элементы вырабатывают постоянный ток в результате электрохимической реакции.
Машины постоянного тока производят его с помощью электромагнитной индукции и выпрямляют в обмотках коллектора.
Схемы преобразователей и полупроводниковые выпрямители на транзисторах или высоковольтных диодах так же могут выдавать ток, характеристики которого не меняются во времени. Преобразователи могут регулировать частоту и напряжение, оставляя неизменным ток.
По каким признакам определяют наличие тока, если нет измерительных приборов? Это можно выяснить по его воздействию на проводник. Такие действия можно разделить на три вида:
Если через проводник, из которого выполнена обмотка катушки, пропустить электроток, то катушка станет притягивать металлические элементы. На этом принципе работают большие электромагниты, задействованные при погрузке металла в морских портах.
Химическое действие, по которому можно судить о наличии тока, – это процесс электролиза. При нём на электродах, подключенных к источнику, начинает оседать вещество. Эти процессы используются в гальваностегии или гальванопластики.
При подключении к двухполюснику проводника с высоким сопротивлением электрическому току он начинает нагреваться и отдавать тепло. Например, чтобы электроны двигались через нихромовую спираль, совершается работа с выделением тепла. Это свойство проводника используется при изготовлении нагревательных приборов.
Важно! Источник тока отличается от источника напряжения тем, что первый отдаёт одинаковый ток, независимо от сопротивления нагрузки, второй –снабжает потребителя напряжением, которое не изменяется при любой нагрузке. Квартирная розетка 220 В – источник напряжения, сварочный аппарат – токовый ресурс.
Источники электрического тока, изобретение электромашины
Выработка электричества с помощью генераторов – основное направление в производстве электроэнергии. Механические источники поделились на два вида генераторов:
Источники переменного тока и постоянного – это генераторы, которые превращают механическую энергию вращения в электрическую. Заявление Эмиля Ленца, русского учёного, в 1833 году послужило толчком для работ над созданием генераторов. Ленц объявил о возможной взаимности магнитоэлектрических явлений. Это означало, что двигатели постоянного и переменного тока могли не только вращаться при подаче напряжения соответствующей природы, но и при вращении начинать вырабатывать это напряжение.
Принцип действия
Переменный – это ток, у которого величина и направление меняются во временном диапазоне. Основным принципом действия генераторов переменного тока является закон электромагнитной индукции – возникновение движения электронов в проводнике во время прохождения магнитного потока через его замкнутый контур.
Действие генераторов постоянного тока основано на законе Фарадея и проявлении ЭДС.
Когда к проводнику, имеющему внутри вращающийся постоянный магнит, подключить нагрузку, то по ней потечёт переменный ток. Это происходит из-за смены мест полюсов магнита. Для получения постоянного тока нужно эту нагрузку подключать с такой скоростью, с какой вращается магнит. Для этого предназначен в нём коллектор, который закрепляется на роторе и вращается с той же частотой. Постоянное напряжение с коллектора снимают графитные щётки. ЭДС падает до нуля, когда пластины коллектора переключаются, но не изменяет своей полярности, так как успевает подключиться к другому проводнику.
Работа источника тока
Перемещая электрические заряды по участку цепи, электрический ток выполняет работу. Она складывается из работы кулоновских сил и работы сторонних сил:
Работа источника – это работа сторонних сил по переносу электрических зарядов вдоль проводника в течение времени:
Аист = Астор = ε * I * t,
Работа электротока определяет степень превращения электроэнергии в её другие формы.
Химический источник тока
Химические источники питания постоянного тока – это семейство устройств и аппаратов, которые выдают напряжение на своих клеммах в результате внутренних химических процессов окисления или гальванизации. Их работа основана на реакциях химических веществ, которые, вступая во взаимодействие между собой, производят постоянный электроток.
К сведению. Процессы, протекающие в химических источниках (ХИТ), идут без тепловых или механических воздействий. Это выделяет их в особый ряд среди устройств, генерирующих напряжения постоянной полярности.
Некоторые виды химических источников тока
Термины и определения подробно описаны в ГОСТ Р МЭК 60050-482-2011, введённом в действие 01.07.2012 года. В нём сокращённо обозначены химические источники тока – ХИТ.
Разделение по видам ХИТ производят в следующей градации:
Это различие проведено по способу действия источника.
Элементы однократного применения – первичные источники. В них заложен конечный запас реагентов, которые вступят в реакцию и перестанут вырабатывать энергию по окончании процесса. Это различные батарейки типа АА.
Топливные ХИТ способны работать постоянно, но требуют поступления новой дозы веществ и удаления отработанных продуктов. По сути, это гальваническая ячейка, куда подводятся раздельно топливо и окислитель, они вступают в реакцию на двух электродах. В электролите растворяется топливо, и происходит катодное окисление. Это практически прецизионный лабораторный процесс.
Вторичные элементы, которые имеют возможность использоваться много раз, после подзаряда или перезаряда называются аккумуляторами. Если к таким устройствам подключить ток, то они снова регенерируются и аккумулируют энергию. Они нашли самое широкое применение в питании мобильных устройств и механизмов.
Электрические аккумуляторы
Это источник постоянного тока многоразового использования, который действует не постоянно, а до следующего заряда. Они по своей химической природе подразделяются на типы:
Свинцово-кислотные модели применяются в автомобилях, источниках бесперебойного питания, транспорте, промышленности, в отрасли связи и телекоммуникаций.
Литий-ионные батареи нашли широкое применение в мобильной связи, электроинструментах, системах телекоммуникаций, а также автономном и аварийном электроснабжении. Вот только небольшой перечень спектра их составов:
Интересно. Никель-кадмиевые щелочные аккумуляторы применяются в авиации, речном и морском судоходстве, в электрокарах.
Никелево-железные щелочные – очень надёжный тип источника. Пагубные для свинцово-кислотных батарей глубокие разряды, частые недозаряды не выводят их из строя. Они используются в тяговых транспортных цепях, в цепях резервного питания.
Гальванические элементы
Это ряд химических источников тока, которые называются батарейками. Напряжение батареек зависит от количества единиц, в неё входящих, и типа металлов, которые в ней применяются. Напряжение может быть в пределах от 1,5 до 4,5 вольт. В металлический цилиндр вставлены сетки из металлов, на которые с помощью напыления наносится окислитель. Электролитом выступает кислота либо соли калия или натрия. По мере прекращения реакции ток в батарее снижается. Дальнейшему восстановлению батарея не подлежит.
Топливные элементы
Этот класс источника тока можно отнести к разряду батарей, которые производят ток из топлива с помощью электрохимической реакции. Есть в нём электролит, анод и катод. Только такие ХИТ не накапливают энергии, им не нужен заряд. Всё, что необходимо для их работы, – воздух и топливо. Пока то и другое есть, электроэнергия вырабатывается. Без целого блока вспомогательных систем: подачи топлива, удаления отходов и системы контроля, процесс тоже невозможен.
Идеальный источник тока
Если ток, проходящий через двухполюсник и снимаемый с его контактов, не изменяется от величины напряжения на этих контактах, то это идеальный источник тока. Закон Ома, утверждающий, что сила тока на участке цепи находится в прямой зависимости от напряжения и обратно пропорциональна сопротивлению, ссылается на такой эталон. Формула:
I = U/R, где:
В этом случае подразумевается, что внутреннее сопротивление источника близко или равно бесконечности. Это значит, что внешние параметры цепи, изменяющие напряжение на выходе двухполюсника, не изменяют ток.
Внимание! Мощность на выводах источника будет повышаться с увеличением сопротивления нагрузки, при неизменном токе это даёт увеличение мощности P = U*I. В этом случае можно говорить об идеальном источнике мощности.
Источник любого типа далёк от идеального генератора. Правильно подобранный и неповреждённый источник тока прослужит долго. Главное, чтобы эксплуатация проходила в рекомендуемом режиме. Так как большинство изделий связано с химическими процессами, то хранение и утилизация этой продукции выполняются по экологическим нормам и правилам.