Какие устройства называются источниками тока: Электрический ток. Электрическая цепь. Гальванические элементы. Аккумуляторы — урок. Физика, 8 класс.

Виды источников тока — с примерами иллюстрациями и пояснениями

Содержание

• 1 Какие виды источников тока существуют
• 2 Механические источники
• 3 Тепловые источники
• 4 Фотоэлектрические источники
  • 4.1 Вакуумные фотоэлементы
  • 4.2 Солнечные батареи
• 5 Химические источники
  • 5.1 Алессандро Вольта и его первый гальванический элемент
  • 5.2 Какие открытия были совершены благодаря столбу Вольта
  • 5.3 Сухой гальванический элемент — батарейка
  • 5.4 Аккумуляторы и их виды
• 6 Аналогия между источником тока и водяным насосом

Источники тока используют для длительного поддержания электрического поля и получения электрического тока. Все они могут иметь различные принципы работы, внешний вид, конструкцию и размеры.

Источники тока – это устройства:
— способные создавать и поддерживать электрический ток;
— в них сторонние силы совершают работу по перемещению зарядов против электрических сил;
— а механическая, внутренняя, химическая или иная энергия превращается в электрическую.

Какие виды источников тока существуют

Энергия не может возникать из ничего. Об этом говорит закон сохранения энергии. Во всех без исключения источниках, электроэнергия создается за счет других ее видов.

В зависимости от того, какая именно энергия превращается в электрическую, выделяют такие виды (рис. 1) источников:

1. механические – генераторы,
2. тепловые – термопары, термогенераторы,
3. световые (фотоэлектрические) – солнечные батареи и фотоэлементы,
4. химические – гальванические элементы и аккумуляторы.

Рис. 1. В зависимости от видов энергии, преобразуемой в электрическую, источники разбивают на группы

Рассмотрим подробнее эти виды.

Механические источники

Электрофорная машина – один из механических источников тока (рис. 2), применяемых более столетия.

С помощью этого устройства механическая энергия вращающихся дисков преобразовывается в электрическую энергию. При этом, происходит разделение положительных и отрицательных зарядов.

Рис. 2. Механическую энергию в электрическую можно преобразовать с помощью электрофорной машины

Превращение энергии вращения (механической) в энергию электрического тока происходит в различных генераторах.

В конструкции любого из них присутствуют элементы, создающие магнитное поле в пространстве вокруг проводника.

Например, электрический генератор для велосипеда (рис. 3), включает в себя кольцевой магнит и проволочную обмотку, расположенную рядом с ним.

Рис. 3. Генератор – источник тока для велосипеда

Во время движения велосипеда магнит, расположенный внутри, вращается. Изменяющееся магнитное поле заставляет двигаться электроны по обмотке. Если к ее выводам подключить лампочку, она загорится, так как по цепи потечет электрический ток.

Мускульной силы человека хватает, чтобы зажечь лампочку для карманного фонаря. Однако, ее недостаточно, чтобы вырабатывать больше электроэнергии. Например, чтобы нагреть утюг и одновременно с этим зажечь несколько бытовых ламп накаливания.

Поэтому, для бытовых нужд и нужд промышленности в электрическую энергию превращают энергию сгорающего топлива, а не энергию сокращения мускул.

На тепловых, атомных и гидроэлектростанциях установлены мощные генераторы. Они могут отдавать потребителям токи в тысячи Ампер. А масса некоторых достигает десятков тонн.

На таких электростанциях превращение энергии происходит в несколько этапов. Сначала энергия горящего топлива превращается во внутреннюю энергию горячей воды, а затем — в механическую и, в конечном итоге, в электрическую.

Существуют, так же, устройства, предназначенные для бытового использования. Например, небольшие генераторы, массой в несколько килограммов, оснащенные бензиновым мотором (рис. 4).

Рис. 4. Бытовой электрогенератор с бензиновым двигателем

Они, так же, преобразуют внутреннюю энергию топлива в механическую энергию вращения вала двигателя, который соединяется с генератором. А затем энергия вращения с помощью генератора превращается в электрическую энергию.

Тепловые источники

К тепловым относят различные термоэлементы. Термоэлемент —  это прибор в котором, тепловая энергия, получаемая от нагревателя, превращается сначала во внутреннюю энергию вещества, а затем — в электрическую энергию.

Один из таких элементов называют термопарой (рис. 5). Термопара состоит из двух различных металлических проволок, спаянных вместе. Если нагреть место их соприкосновения, то на свободных концах проволочек можно обнаружить электрическое напряжение (ссылка).

Рис. 5. Две проволоки из различных металлов могут создавать ток в цепи при нагревании

Если свободные концы термопары присоединить к потребителю тока, то под действием тепловой энергии по замкнутой цепи побегут электроны, то есть, возникнет электрический ток.

Таким образом, эта незамысловатая конструкция преобразовывает внутреннюю энергию нагреваемых металлов в электрическую энергию.

Фотоэлектрические источники

Атомы некоторых веществ под действием видимого света способны терять электроны. Например, селен, кремний, оксиды цинка, меди, висмута. На основе этих и, некоторых других веществ создают источники, генерирующие электрический ток под действием (рис. 6) света.

Рис. 6. Некоторые оксиды, а, так же, чистые вещества, при освещении видимым светом могут отдавать электроны

Эти источники используют фотоэлектрический эффект (сокращенно — фотоэффект) (ссылка). В них энергия света преобразуется в электрическую.

Существует два вида фотоэффекта – внутренний, который используется в полупроводниках (ссылка) и внешний, используемый в вакуумных фотоэлементах на основе различных металлов.

Вакуумные фотоэлементы

В вакуумном фотоэлементе свет попадает на пластинку металла и выбивает электроны с ее поверхности. Такую пластинку называют катодом.

Выбитые электроны улавливаются другим электродом. Его называют анодом и обычно выполняют в виде металлической сетки.

Оба электрода находятся в стеклянном баллоне из которого удалили воздух. Дело в том, что молекулы воздуха могли бы помешать движению электронов, вылетевших из пластинки. Чтобы этого не происходило, воздух из баллона откачивают (рис. 7).

Рис. 7. Металлический катод и сетчатый анод в прозрачном стеклянном баллоне образуют вакуумный фотоэлемент

Таким образом, под воздействием света между катодом и анодом в вакууме возникает поток заряженных частиц. Они движутся направлено от катода к аноду. Значит, в фотоэлементе под действием света возникает электрический ток. Так световая энергия переходит в электрическую.

Солнечные батареи

Еще одним источником тока, в котором ток возникает за счет световой энергии, являются, так называемые, солнечные батареи. Их изготавливают из полупроводниковых пластин (рис. 8).

Рис. 8. Полупроводники способны преобразовывать энергию света в электрическую, поэтому, из них изготавливают солнечные батареи

Падающий свет из полупроводника электроны не выбивает. А вызывает переход электронов в такое состояние, в котором у них появляется дополнительная энергия и они могут свободно передвигаться по полупроводнику, создавая электрический ток.

Химические источники

Если опустить два кусочка различных металлов (например, железа и меди) в емкость с проводящей жидкостью, можно получить химический источник тока.

В качестве проводящей жидкости можно использовать, например, лимонный сок. Воткнув в лимон два гвоздика из различных металлов (рис. 9) и подключив к ним гальванометр, можно обнаружить, что через гальванометр потечет электрический ток.

Рис. 9. Лимон и два кусочка различных металлов помогут создать простой источник тока

Такую конструкцию можно считать простейшим химическим источником тока. Гвоздики в нем — это электроды, а лимонная кислота – электролит.

Примечания:

1. Проводящие жидкости называют электролитами.
2. Существует, так называемый ряд электрохимических напряженый металлов. Наибольшее напряжение дают источники, построенные с применением металлов, расположенных в различных концах данного ряда.

Самым первым химических источником тока был Вольтов столб.

Алессандро Вольта и его первый гальванический элемент

Дело в том, что до исследований, проведенных А. Вольта, способ получить электрический ток был известен. Однако, эксперименты с электричеством, проводимые в лабораториях другими учеными, создавали ток всего на доли секунды. Источников, способных создавать ток, длившийся хотя бы единицы секунд, не существовало.

В 1800 году Алессандро Вольта изобрел первый прибор, создававший электрический ток продолжительное время. Этот прибор в честь создателя называют Вольтовым столбом.

Ученый определил, что для получения гальванического (электрического) эффекта нужны два разных метала и проводящая жидкость.

Он длительное время потратил на эксперименты, использовал различные металлы и исследовал их свойства.

В процессе работы Вольта сделал вертикальный столбик, укладывая поочередно медные монеты и цинковые пластинки. Между металлами он укладывал кожаные кружочки, вымоченные в рассоле (рис. 10).

Рис. 10. Конструкция Вольтова столба

Так он создал первую в мире электрическую батарею. Принцип ее работы — превращение химической энергии в электрическую.

Соединяя проволокой два конца собранного столбика, он наблюдал ее нагревание и так определял действие электрического тока.

А чтобы сравнить, больше, или меньше электричества вырабатывал тот или иной столбик, Алессандро пользовался своим языком. Попросту, касался языком выводов созданного им гальванического элемента.

Такой столбик, при высоте, равной половине метра, вырабатывал напряжение, которое было довольно чувствительным.

В марте 1800 года Вольта направил письмо в Лондонское Королевское общество, в котором подробно описал результаты своей работы. А уже в июне оно было признано сенсационным среди ученых того времени.

Наполеон пригласил А. Вольта в Париж и лично присутствовал во время доклада и опыта, демонстрируемого им, а после наградил изобретателя.

Это изобретение сделало автора знаменитым. А благодаря ему в скором времени были совершены другие открытия в области физики.

Какие открытия были совершены благодаря столбу Вольта

В том же году с помощью Вольтова столба вода была разложена на водород и кислород. Это сделали Карлайл и Николсон.

А спустя три года, в 1803 году, Василий Петров создал самый большой в мире столб. Он выдавал напряжение 1700 вольт и содержал более 4000 медных и цинковых кругов. Этот столб помог получить электрическую дугу, которая применяется в электросварке металлов.

После работ Петрова в России стали применять электрические запалы для взрывчатых веществ.

А спустя еще четыре года, в 1807 году, ученым по фамилии Дэви был открыт металлический калий.

Благодаря способности Вольтова столба создавать электрический ток продолжительное время – в течение нескольких часов, началось широкое применение электричества.

По истечении этого времени, на металлах появлялся окисел, препятствующий выработке электрического тока. Нужно было разбирать конструкцию и протирать металлы, избавляя их от этого окисла. А кусочки кожи необходимо было время от времени смачивать рассолом.

Сухой гальванический элемент — батарейка

Значительно позже открытия Вольта, во второй половине 1880-х годов, инженером из Германии Карлом Гасснером был создан сухой гальванический элемент.

Сухим элемент был назван потому, что в качестве электролита в нем использовалась не жидкость, а гелеобразный состав. Такие элементы можно наклонять и даже переворачивать, не боясь пролить электролит. Поэтому, они значительно удобнее жидкостных.

Внутри элемента происходят химические превращения. Эти превращения являются экзотермическими, так как протекают с выделением энергии. Затем внутренняя энергия источника переходит в электрическую.

К примеру, в современном сухом гальваническом элементе (рис. 11), цинк реагирует с хлоридом аммония и при этом получает отрицательный электрический заряд.

Рис. 11. Сухой гальванический элемент, в быту называемый батарейкой

Протекая, такие реакции вызывают расходование некоторых частей источника. Например, цинкового электрода.

Из-за этого, в гальванических элементах химические реакции будут необратимыми. Так как, спустя некоторое время, для нормального протекания химических превращений, не будет хватать ресурсов.

Когда скорость химических реакций замедляется, элемент перестает вырабатывать электрический ток. В таких случаях говорят, что элемент разрядился – «села батарейка».

Отработанные гальванические элементы нужно утилизировать. Это позволит использовать вновь некоторые их компоненты, а не загрязнять окружающую среду.

Мировая промышленность выпускает ассортимент стандартизированных элементов питания (рис. 12).

Рис. 12. Виды сухих гальванических элементов, выпускаемых промышленностью

Например, тип АА – пальчиковая батарейка, или ААА – тонкая пальчиковая. Так же, существуют типоразмеры, обозначаемые C D и N. Они имеют ЭДС 1,5 Вольта.

Существуют другие и типы, например, «квадратная» батарейка 3R12, имеющая ЭДС 4,5 Вольт и используемая в карманных фонариках. А, так же, небольшая батарейка вида pp3 с ЭДС 9 Вольт, часто называемая «Крона» или «Корунд».

Гальванические элементы на электрических схемах обозначают специальными значками.

Аккумуляторы и их виды

Устройство аккумулятора внешне напоминает устройство гальванического элемента. Присутствует корпус, в котором находятся две пластины из разных металлов. Одна служит положительным электродом, а другая – отрицательным. Эти пластины помещены в электролит (рис. 13).

Рис. 13. Пластины, помещенные в электролит, образуют аккумулятор

Однако, аккумуляторы, в отличие от гальванических элементов, являются многоразовыми устройствами.

Свое название они получили из-за того, что могут аккумулировать, то есть, накапливать электрическую энергию. А затем, отдавать накопленную энергию потребителям.

Химические реакции в аккумуляторах могут протекать в двух направлениях (зарядка — разрядка).

Перед использованием аккумулятор необходимо зарядить. Для этого используют специальные источники тока, которые называют зарядными устройствами. Они пропускают через аккумулятор ток зарядки.

Под воздействием этого тока в аккумуляторе протекают химические реакции, во время которых он накапливает электрические заряды. Один электрод заряжается положительно, а другой – отрицательно.

После, подключив к заряженному аккумулятору потребитель тока, можно использовать накопленную им энергию.

Называть аккумуляторы принято:
— по видам используемых жидкостей — кислотные, щелочные.
— либо по названию металлов, используемых в качестве электродов — свинцовые, железоникелевые, литиевые, и т. п.

В качестве пластин — электродов используют металлы: свинец, железо, литий, титан, кобальт, кадмий, никель, цинк, серебро, алюминий.

Существуют аккумуляторы с гелеобразным электролитом. Такие аккумуляторы можно наклонять в различные стороны, не боясь утечки электролита. Например, литий-полимерные батареи, используемые в мобильных телефонах.

Примечание: Чем больше геометрические размеры электродов источника, тем большую силу тока в полезной нагрузке он может обеспечить. Поэтому, аккумуляторы для автомобилей с ЭДС 12 и 24 Вольта, рассчитанные на большие токи нагрузки, имеют массу от 10 килограммов и большую.

Аналогия между источником тока и водяным насосом

Аналогию с потоком жидкости часто применяют по отношению к электрическому току.

Независимо от того, какой вид энергии превращается в электрическую, принцип работы источника тока чем-то напоминает работу водяного насоса. Различия в том, что источник тока перекачивает заряды, а не жидкость.

Рассмотрим замкнутый контур, состоящий из трубы и водяного насоса, который способен привести в движение воду, так, чтобы она начала циркулировать по трубе (рис. 14а).

Рис. 14. Аналогия между жидкостным насосом и источником электрического тока

Частицы воды будут двигаться и, ток воды будет циркулировать за счет разности давлений, которую будет создавать и поддерживать насос.

На рисунке 14 кружком с треугольником обозначен насос. Направление движения воды отмечено стрелкой. По левую сторону от насоса давление обозначено \(\large P_{1}\), по правую сторону — \(\large P_{2}\) (рис. 14а).

С помощью неравенства

\[\large P_{1} > P_{2}\]

отмечено, что давление слева от насоса будет больше давления справа.

Подобно движению частиц воды, заряды придут в движение и электрический ток будет циркулировать по замкнутой цепи за счет разности потенциалов, которую будет создавать включенная в эту цепь батарейка (рис. 14б) — источник тока.

Сила, перемещающая заряды во внешней цепи, появляется благодаря тому, что источник тока создает разность потенциалов на своих выводах и электрическое поле.

Слева и справа от источника отмечены потенциалы \(\large \varphi_{1}\) и \(\large \varphi_{2}\). При чем, потенциал слева от источника больше потенциала справа.

Это отмечено неравенством

\[\large \varphi_{1} > \varphi_{2}\]

Обратите внимание: источник тока (сторонние силы) заставляет двигаться электроны – отрицательно заряженные частицы, от точки с меньшим потенциалом, в точку с потенциалом большим, а электрический ток направлен в противоположную сторону — от «+» к «-».

Разность потенциалов так же называют электрическим напряжением.

\[\large \Delta \varphi = \varphi_{2} — \varphi_{1} = U \]

\(\large \varphi \left( B \right) \) – потенциал, измеряется в Вольтах;

\(\large U \left( B \right) \) – напряжение, измеряется в Вольтах;

 

Физика 8 класс.

Источники электрического тока :: Класс!ная физика

Физика 8 класс. ИСТОЧНИКИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОКА

Источник тока — это устройство,
в котором происходит преобразование какого-либо вида энергии в электрическую энергию.
В любом источнике тока совершается работа
по разделению положительно и отрицательно заряженных частиц,
которые накапливаются на полюсах
источника.
Существуют различные виды источников тока:

Механический источник тока

— механическая энергия преобразуется в электрическую энергию.

К ним относятся : электрофорная машина (диски машины приводятся во вращение в противоположных направлениях.
В результате трения щеток о диски на кондукторах машины накапливаются
заряды противоположного знака), динамо-машина, генераторы.

Тепловой источник тока

— внутренняя энергия преобразуется в электрическую энергию.

Например, термоэлемент — две проволоки
из разных металлов необходимо спаять с одного края, затем нагреть
место спая, тогда между другими концами этих проволок появится
напряжение.
Применяются в термодатчиках и на геотермальных электростанциях.

Световой источник тока

— энергия света преобразуется в электрическую энергию.

Например, фотоэлемент — при освещении некоторых полупроводников световая энергия
превращается в электрическую. Из фотоэлементов составлены солнечные
батареи.
Применяются в солнечных батареях, световых датчиках, калькуляторах,
видеокамерах.

Химический источник тока

— в результате химических реакций внутренняя энергия преобразуется
в электрическую.

Например, гальванический элемент —
в цинковый сосуд вставлен угольный стержень. Стержень помещен
в полотняный мешочек, наполнен-ный смесью оксида марганца с углем.
В элементе используют клейстер из муки на растворе нашатыря.
При взаимодействии нашатыря с цинком, цинк приобретает отрицательный
заряд, а угольный стержень — положительный заряд. Между заряженным
стержнем и цинковым сосудом возникает электрическое поле. В таком
источнике тока уголь является положительным электродом, а цинковый
сосуд — отрицательным электродом.
Из нескольких гальванических элементов можно составить батарею.

Источники тока на основе гальванических элементов применяются в бытовых автономных электроприборах, источниках бесперебойного
питания.
Аккумуляторы — в автомобилях, электромобилях, сотовых телефонах.

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

Условное обозначение источника
тока на электрической схеме

или батареи, состоящей
из нескольких источников

Устали? — Отдыхаем!

Источники электроэнергии — Справочник по электронике

Каждая электрическая цепь начинается с источника питания. Источники электроэнергии снабжают энергией электрические системы, перемещая электроны в цепи и тем самым создавая электрический ток .

Наиболее распространенными источниками энергии являются аккумуляторы и электрическая сеть.

Батареи вырабатывают постоянный ток (DC), тогда как электросеть вырабатывает переменный ток (AC).

Во многих системах также используются блоки питания или адаптеры переменного тока, которые преобразуют одну форму электроэнергии (обычно электричество из сети) в другую форму, более подходящую для конкретного устройства.

Например, электронные устройства, такие как ноутбуки, используют питание постоянного тока (постоянного тока), поэтому адаптер переменного тока преобразует электричество сети переменного тока в сигнал постоянного тока (постоянного тока), который может использоваться устройством.

Источники питания выполняют две важные функции:

1. Они подают энергию в цепь в виде разности электрических потенциалов, т. е. напряжения.
2. Они обеспечивают источник и сток для электронов в цепи.

В качестве простой аналогии вы можете думать об источнике питания как о сердце цепи; точно так же, как наше сердце обеспечивает циркуляцию крови, чтобы наши тела могли функционировать, источники электроэнергии качают или циркулируют электроны, обеспечивая работу электрических цепей.

Содержание – Источники питания

Группа AC/DC назвала себя в честь двух типов электроэнергии.

Вы можете думать об источнике энергии как о «насосе», который поддерживает движение электронов в цепи. Без источника питания цепь быстро теряет энергию из-за электрического сопротивления ее компонентов.

Источники питания известны как активные компоненты , поскольку они подают энергию в электрическую цепь.

Источники питания вырабатывают электроэнергию, выталкивая и притягивая электроны в цепи. Без источника питания схемы быстро перестают работать из-за потерь энергии. Подумайте о батарее в вашем телефоне или планшете. Когда батарея разряжается, она перестает функционировать в качестве источника питания, и ваше устройство быстро выключается. Источники питания действительно важны, потому что каждая схема и компонент зависят от них для функционирования. Мы начнем обсуждение схем с источников питания, потому что они являются бьющимся сердцем каждой схемы.

Источники питания постоянного тока и переменного тока

Источник питания — это устройство или машина, которая подает электроэнергию в систему. Вы можете думать об источнике питания как о чем-то, что обеспечивает энергией электроны в цепи.

Существует два распространенных вида источников питания, названных по типу производимого ими электрического тока; постоянного тока (DC) и переменного тока (AC).

Аналогия с веревкой для постоянного и переменного тока

Мы будем использовать аналогию, чтобы лучше понять, что такое мощность постоянного и переменного тока.

Представьте себе веревку, которая намотана на два колеса, разделенных небольшим расстоянием, как бельевая веревка со шкивом.

В этой аналогии вы источник питания ; предоставляя энергию, которая двигает веревку, вы проявляете механическую энергию, которую можно использовать для привода машины.

Представьте, что вы стоите под веревкой и пытаетесь привести в действие машину, двигая веревку. У вас есть два варианта:

1. Вы можете последовательно толкать веревку в одном направлении. Это аналогия с питанием постоянного тока.
2. Вы можете поочередно толкать веревку в одном направлении, а затем тянуть веревку в другом направлении. Это аналогия переменного тока.

В любом случае движение веревки и колес можно использовать для приведения машины в движение. Простым способом сделать это было бы вставить вал в ступицу одного колеса, а затем соединить этот вал с машиной с помощью ремня.

1) Однонаправленная мощность (аналогия с питанием постоянного тока)

В этом примере вы стоите возле нижней веревки и последовательно толкаете ее в одном направлении.

Когда вы толкаете веревку, вы передаете энергию через машину в одном направлении, поворачивая каждое из колес.

Это похоже на то, как работают ветряные мельницы. Вы можете использовать эту машину для выполнения вращательного действия, такого как измельчение муки, или для вращения винта, который соединяется с прессом для оливок или винограда.

Это аналог постоянного тока .

При нажатии на веревку колеса вращаются. Колеса всегда вращаются в одном направлении.

Вместо того, чтобы толкать веревку, источник питания постоянного тока толкает электроны.

Вместо механической системы в системе постоянного тока используются электрические или электронные компоненты. Система постоянного тока также может преобразовывать электрическую энергию в механическую. Он может питать двигатель, который также можно использовать с редукторами и шкивами.

Или

2) Двунаправленное питание (аналог переменного тока)

В этом (втором) примере вы толкаете веревку в одном направлении в течение определенного периода времени, а затем меняете направление, чтобы тянуть ее другим способом за то же время.

Первая фаза : Толкание веревки вперед.

Сначала вы толкаете веревку в том же направлении, что и в первом примере.

Фаза вторая : Тянуть веревку в обратном направлении.

Через некоторое время вы меняете направление веревки. Вы приводите машину в движение в противоположном направлении в течение того же времени, что и в «Первой фазе».

Как и в первом примере, возвратно-поступательное движение может использоваться для питания машины; его просто нужно было бы спроектировать немного иначе, чем машину, предназначенную для однонаправленной мощности.

Например, в первом примере мы упомянули, что движение можно использовать для приведения в действие винта, который можно использовать для пресса для винограда или оливок. В этом примере пресс необходимо будет сбрасывать после каждого использования. Используя движение вперед и назад, мы могли бы сделать пресс, который сначала давит вниз во время движения вперед, а затем подтягивается обратно во время обратного движения.

Другим примером является стеклоочиститель или рычаг, который перемещается из стороны в сторону.

Это движение вперед и назад является аналогией для Мощность переменного тока .

Источники питания переменного тока толкают, а затем притягивают электроны в цепи с точно заданной частотой. Как и в случае с питанием постоянного тока, инженеры придумали множество умных способов использования переменного тока. Фактически, мощность переменного тока является стандартом для крупномасштабного производства электроэнергии. Мощность переменного тока также обычно преобразуется в мощность постоянного тока.

В случае солнечных батарей (фотоэлектрических элементов) мощность постоянного тока преобразуется в мощность переменного тока, чтобы ее можно было использовать в энергосистеме.

Сопротивление в электрических цепях

Что произойдет, если вы перестанете толкать или тянуть веревку? Благодаря трению машина быстро останавливалась. То же самое происходит в цепи, которая отключена от источника питания.

В случае цепей эквивалентом «трения» является то, что называется электрическим сопротивлением . Каждый электрический компонент имеет некоторое электрическое сопротивление. Даже проводники, такие как провода, имеют некоторое сопротивление движению электронов. Это потому, что проводники не проводят электричество идеально, и в результате они теряют часть энергии в виде тепла. Потеря энергии быстро приводит к тому, что все электроны в цепи перестают двигаться при отключении от источника питания, даже если цепь остается замкнутой.

В цепях переменного тока сопротивление называется импедансом . Это потому, что общее «сопротивление» току в цепи переменного тока зависит не только от электрического сопротивления. Емкость и индуктивность также способствуют общему противодействию протеканию тока в цепи переменного тока. Полное сопротивление протеканию тока, вызванное сопротивлением, емкостью и индуктивностью, называется импедансом.

Источники питания Поставка энергии

Основной функцией источника питания является подача электроэнергии в цепь. Это достигается различными способами в зависимости от типа источника питания.

Батареи

Батареи обеспечивают постоянный ток (DC) и преобразуют химическую энергию в электрическую. Электроны покидают отрицательную клемму батареи, которая называется анодом . Электроны проходят через цепь, а затем снова входят в батарею на положительной клемме, также называемой катодом .

Внутри батареи происходят две химические реакции, в результате которых электроны образуются на аноде и принимаются катодом. Электроны накапливаются в аноде и испытывают силу отталкивания из-за химической реакции в аноде. Одновременно в результате химической реакции на катоде образуются положительно заряженные ионы, которые притягивают электроны в цепи.

В конце концов, химические реакции в батарее замедляются и полностью прекращаются. Некоторые батареи можно перезаряжать, что в основном работает путем обращения химических реакций в аноде и катоде. Вместо того, чтобы производить электричество во время химической реакции, электричество используется для восстановления химических веществ до их первоначального состояния. Одноразовые батареи постоянно разряжаются, и химические реакции, которые обеспечивают электроэнергию, необратимы.

Генераторы переменного тока

Генераторы переменного тока являются наиболее распространенным источником электроэнергии переменного тока. Генераторы преобразуют механическую энергию вращающегося вала (обычно от паровой турбины) в электрическую энергию по принципу магнитной индукции.

Генераторы переменного тока состоят из катушки с проволокой, соединенной с вращающимся валом, и набора магнитов. Когда катушка вращается, электроны внутри испытывают силу магнита. Когда катушка проходит положительный полюс магнита, электроны выталкиваются в одном направлении, а когда катушка проходит отрицательный полюс, электроны отталкиваются в другом направлении.

Так генераторы переменного тока производят переменный ток.

Источники напряжения и тока

Источники напряжения

Источник напряжения — это устройство, которое может поддерживать фиксированное напряжение независимо от нагрузки (т. е. сопротивления) в цепи. Как и другие компоненты, источники напряжения являются теоретическими, идеальными версиями реальной системы. В реальном мире нет идеально идеальных источников напряжения; во-первых, подаваемое напряжение всегда зависит от нагрузки, даже если немного. Когда вы подключаетесь к электросети, подключая устройство к настенной розетке, вы не всегда получаете одинаковое точное напряжение. Электроэнергия, поставляемая электрическими компаниями, обычно имеет допуск около +-5%. В США и Канаде номинальное напряжение составляет 120 +-6 В, что означает, что фактическое подаваемое напряжение может составлять от 114 В до 126 В. Все наши электрические устройства должны быть разработаны с учетом этого изменения напряжения питания.

Очень часто вы будете слышать термин «источник напряжения» в сочетании с термином «источник питания». Это связано с тем, что большинство источников энергии в мире функционируют аналогично идеальным источникам напряжения. Батареи и генераторы смоделированы по образцу идеальных источников напряжения. Так что помните: когда мы используем термин «источник напряжения», мы говорим об источнике, который пытается обеспечить постоянное напряжение, но в реальной жизни делает это несовершенно.

Источники тока

Источники тока являются двойными источниками напряжения. Идеал источник тока всегда обеспечивает один и тот же ток независимо от цепи или нагрузки (т. е. сопротивления). Как и в случае с источниками напряжения, в реальной жизни не существует идеального источника тока. Тем не менее, некоторые примеры довольно хороших источников тока существуют. Источники тока могут быть выполнены на транзисторах или операционных усилителях. Мы рассмотрим эту тему в нашем модуле по полупроводникам.

Электроэнергия

Это не было бы большим уроком по источникам энергии, если бы мы хотя бы не ввели понятие электроэнергии.

Электрическая мощность измеряется в ваттах в единицах СИ, которые представляют собой количество энергии, поставляемой (в джоулях) в секунду.

Другими словами, мощность — это скорость, с которой энергия поступает в цепь. Чтобы получить общую подаваемую энергию, вы умножаете мощность на количество времени. Вот почему, когда мы получаем счет за электроэнергию, измерение энергии дается в «ватт-часах» или «киловатт-часах». Вы должны умножить мощность на время, чтобы увидеть, сколько энергии было фактически использовано.

В цепи мощность также равна произведению напряжения на силу тока. Напряжение — это количество энергии, необходимое для разделения заряда, а ток — это поток электрического заряда через цепь (в секунду).

 Мощность = Напряжение х Ток => P = VI 

Мы рассмотрим электроэнергию более подробно позже в этом модуле.

Электрические нагрузки

Электрическая нагрузка — это компонент, который потребляет электроэнергию. Например, каждый раз, когда вы подключаете устройство к сетевой розетке, ваше устройство работает как нагрузка, потому что оно потребляет энергию, поставляемую электросетью (или сетью). В устройстве с батарейным питанием батарея поставляет энергию, в то время как остальная часть устройства функционирует как нагрузка.

Под электрическими нагрузками часто понимают сопротивление (или импеданс) нагрузки. В цепи с источником напряжения сопротивление нагрузки определяет ток в цепи.

Сравнивая концепцию электрической нагрузки с активными и пассивными компонентами, мы видим, что нагрузки являются пассивными, поскольку они не подают энергию в цепь. Напротив, источники питания являются активными компонентами, потому что они подают энергию в цепь.

Теперь, когда у нас есть понимание того, как цепь получает питание, давайте узнаем больше о цепях с помощью Урока 3: Электрический ток!

Модуль 2 — Фундаментальные концепции :

Урок 0 : Модуль 2 Введение

Урок 1 : Электрические схемы

Урок 2 : Источники электрической мощности

Урок 3 : Электрический Урок 4 : Напряжение

Урок 5 : Электрическое сопротивление

Урок 6 : Закон Ома

Урок 7 Как это работает : Электроэнергия 9000?

Быстрый переход:

1. Что такое блок питания?
2. Что делает блок питания?
3. Как работает блок питания?
4. Части источника питания и их функции
5. Как блок питания преобразует переменный ток в постоянный?
6. Что такое конденсаторный фильтр?
7. Как работает регулируемый источник питания?
8. Как работает линейный регулируемый источник питания?
9. Что такое регулируемый импульсный источник питания?
10. Для чего нужен блок питания?
11. Кому нужны блоки питания?

Источники питания появляются повсюду, и знание того, как они работают, поможет вам выбрать наилучшие варианты для ваших приложений. Нужен ли вам источник питания высокого напряжения на борту корабля или нужно подключить ноутбук для зарядки, вам нужен блок питания. Поскольку не все модели одинаковы, вам необходимо знать, что делает блок питания переменного/постоянного тока уникальным, как выбрать лучшие блоки питания для ваших электрических устройств и многое другое. Если у вас когда-либо возникали вопросы о том, как работает источник питания, его определение или назначение, найдите ответы на свои вопросы здесь.

Что такое блок питания?

Не путайте блок питания с источником питания. Источником является источник поступающего электричества. В большинстве случаев источником электроэнергии является розетка, аккумулятор или генератор. Блок питания работает, чтобы преобразовать мощность от источника в правильный формат и напряжение. Поскольку существует множество вариантов, конкретная функция источника питания зависит от того, нужно ли ему регулировать энергию или преобразовывать энергию. Чтобы понять источник питания и то, как он работает, вы должны знать его части и их вклад в работу устройства, что обсуждается ниже.

Обзор продуктов с блоками питания

Что делает блок питания?

Блоки питания имеют основные функции, присутствующие во всех моделях, а дополнительные операции добавляются в зависимости от типа устройства. Источникам питания может потребоваться повышать или понижать напряжение, преобразовывать мощность в постоянный ток или регулировать мощность для более плавного выходного напряжения. Эти функции помогут вам выбрать, какой источник питания вам нужен для ваших электрических нужд. Приобретение устройства со слишком большим количеством функций может стоить вам больше денег, чем вам нужно потратить, но если вы не получите нужные вам функции, вы можете повредить устройства, которые вам нужны для питания.

Изменение напряжения источников питания

Изменение напряжения является основным назначением источников питания. Источник питания имеет стабильную мощность, независимо от типа устройства, которое должно его использовать. Для предотвращения перегрузки источники питания понижают или, наоборот, повышают напряжение в соответствии с требованиями устройства.

Слишком большая мощность, выходящая из источника питания, может серьезно повредить устройство, но если источник питания не обеспечивает достаточное напряжение, устройство не будет работать должным образом. Изменение энергии является основной задачей источников питания, и основная часть их конструкции состоит из трансформатора, используемого для повышения или понижения напряжения по мере необходимости.

Преобразование энергии в источниках питания

Преобразование энергии изменяет поступающее электричество в формат, который может использовать электрическое устройство. Существует два типа источников питания: DC-DC и AC-DC. Источники питания постоянного тока позволяют подключать электрические устройства к автомобильным розеткам или аналогичным источникам, которые обеспечивают постоянный ток или питание постоянного тока. Однако эти блоки питания не являются наиболее часто используемыми.

Обзор источников питания постоянного тока

Несмотря на то, что существуют источники питания постоянного тока, наиболее распространенным типом является тип переменного тока. Электрические розетки подают переменный ток или мощность переменного тока. Большинству электрических устройств для работы требуется постоянный ток. Блок питания преобразует переменный ток в постоянный. Во время этого преобразования выходной сигнал может колебаться, что иногда требует регулирования. Однако для общего использования вам могут не понадобиться регулируемые блоки питания.

Блоки питания регулируют мощность

Для большинства электронных устройств требуется регулируемая мощность. Когда источник питания меняет напряжение и тип мощности, результатом не всегда является стабильный выходной сигнал. Хотя он не включается и не выключается полностью, колебания выходного напряжения все же происходят без регулирования. Нерегулируемый источник питания может обеспечить большую мощность, чем ожидалось. Такой импульс, подаваемый на хрупкую электронику, такую ​​как компьютеры и телевизоры, может привести к серьезному повреждению деталей или даже к необратимому повреждению, которое может привести к повреждению, не поддающемуся ремонту.

Добавленная функция регулирования мощности увеличивает стоимость устройства, но позволяет сэкономить на покупке новой электроники взамен испорченной нерегулируемым напряжением. Чтобы сэкономить деньги при питании устройств с нагрузками, близкими к выходной мощности источника питания, используйте нерегулируемые источники питания. А электронике нужна регулируемая мощность. Не совершайте ошибку, выбрав не тот источник питания.

Как работает блок питания?

Базовые блоки питания изменяют напряжение и преобразуют их в питание постоянного тока. Эти стандартные операции посылают нестабилизированное напряжение из блока питания, но если вам нужна регулируемая мощность, в устройствах есть дополнительная ступень регулирования напряжения для сглаживания волн. Чтобы узнать больше о том, как работает блок питания (блок питания), читайте дальше, чтобы узнать об отдельных частях и их функциях, которые прояснят ваше представление о работе блока питания в целом.

Детали блоков питания и их функции

Базовые блоки питания состоят из нескольких частей. Эти компоненты помогают устройству повышать или понижать напряжение, преобразовывать мощность и уменьшать пульсации напряжения, которые представляют собой остаточные колебания напряжения и приводят к потере мощности и перегреву.

• Трансформатор:  Трансформатор изменяет входящее напряжение на необходимый уровень исходящего напряжения. Эти устройства могут повышать или понижать напряжение. Как правило, требуемое постоянное напряжение намного меньше, чем входящее переменное напряжение от основного источника питания.
• Выпрямитель: Для преобразования поступающей мощности из переменного тока в постоянный в источнике питания используется выпрямитель, который может быть однополупериодным, двухполупериодным или мостовым.
• Фильтр:  Когда питание переменного тока меняется на постоянное, в нем все еще есть отчетливые волны, которые необходимо сгладить. Фильтр не сглаживает волны полностью, но значительно уменьшает их. Выход этой части — нерегулируемая мощность.
• Регулятор:  Регулятор напряжения уменьшает пульсации напряжения, оставленные фильтром, избавляя от скачков или падений напряжения, которые могут повредить устройства, подключенные к источнику питания.

Компоненты источника питания необходимы для конкретной функции блока питания. В результате не все блоки питания будут состоять из одних и тех же частей.

Трансформаторы источника питания

Трансформатор источника питания повышает или понижает напряжение по мере необходимости. Большинству устройств требуется пониженное напряжение от стандартных розеток переменного тока, которые выдают от 100 до 240 вольт, до гораздо меньшей величины. Однако некоторые трансформаторы повышают напряжение и изолируют входящие и исходящие цепи.

Входящая мощность поступает в трансформатор через первичную обмотку. Исходящее электричество соединяется со вторичной обмоткой. Эти две обмотки не имеют физической связи между собой. Такая изоляция обмоток обеспечивает безопасность трансформатора. Закон Фарадея позволяет индуцировать электромагнитную энергию во вторичной обмотке из первичной обмотки без необходимости контакта между этими частями.

После завершения повышения или понижения напряжения трансформатор направляет выходную мощность на выпрямитель для преобразования переменного тока в постоянный.

Как блок питания преобразует переменный ток в постоянный?

Частью механизма работы преобразователя переменного тока в постоянный является выпрямитель в блоке, который изменяет тип тока. Создатели блоков питания выбирают один из трех типов выпрямителей на кремниевых диодах для преобразования мощности переменного тока в постоянный. Каждая модель имеет свою работу и преимущества.

• Половина волны: В самом дешевом выпрямителе используется один кремниевый диод, но он преобразует только половину волны переменного тока. Это полуволновое преобразование приводит к большей пульсации, которую сложнее устранить с помощью регулятора. Кроме того, однополупериодные выпрямители работают не так эффективно, как другие модели, и работают только для питания маловажных устройств.
• Двухполупериодный: Для двухполупериодного выпрямителя требуется центральное отвод во вторичной обмотке. Поскольку для этих выпрямителей требуется специальный трансформатор, они обычно появляются в более дорогих, хотя и более эффективных источниках питания. Эти модели также производят меньшую пульсацию после преобразования в мощность постоянного тока, которую регулятору легче устранить.
• Мост: Самый эффективный выпрямитель сочетает в себе лучшее из двухполупериодного и двухполупериодного типов. В мостовой модели используются четыре диода для преобразования полной волны переменного тока без необходимости в специальном трансформаторе с отводом от средней точки.

См. наши блоки питания переменного/постоянного тока

Что такое конденсаторный фильтр?

После преобразования большинство источников питания постоянного тока по-прежнему будут иметь выходные пульсации. Конденсатор напрямую отфильтровывает самые сильные пульсации, когда электричество покидает выпрямитель.

Конденсаторы удерживают электроны до тех пор, пока они не понадобятся. Когда ток проходит через конденсатор, он движется волнообразно. Пики уже содержат достаточно электронов, но впадины представляют меньшее количество электричества, соответствующее более низким уровням электронов. Когда волны тока падают, потребность в дополнительных электронах возрастает. Конденсатор подает электроны в ток, делая волны более плавными. Более плавные волны обеспечивают более равномерное электричество без приливов и скачков.

Хотя конденсаторы не обеспечивают абсолютно ровное питание, они уменьшают высокие и низкие частоты, которые выходят из выпрямителя. Если вам нужен постоянный поток электроэнергии, у вас должен быть регулируемый источник питания. Эти устройства заполняют оставшиеся впадины, оставшиеся после выхода тока из конденсатора. Источники питания, которые подключаются к электронике, требуют регуляторов для защиты чувствительных схем таких устройств.

Как работает регулируемый блок питания?

После выхода тока из фильтра задача блока питания заканчивается в нерегулируемой модели. В то время как нерегулируемых источников питания достаточно для общего использования, когда вам нужно полностью стабильное электричество, которое не меняется при изменении нагрузки, вам нужна регулируемая мощность. Регулируемые источники питания бывают двух видов в зависимости от того, как они регулируют энергию — линейные и импульсные.

Как работает линейный регулируемый источник питания?

Линейный источник питания имеет простой и понятный метод работы для преобразования электроэнергии и почти полного устранения пульсаций напряжения. Конструкция начинается с трансформатора для снижения напряжения. Затем устройство преобразует переменный ток в постоянный. Затем питание постоянного тока проходит через регулятор, который очищает его, уменьшая пульсации напряжения.

Этот регулируемый блок питания весит больше из-за большого трансформатора, который должен понижать мощность. К счастью, линейные блоки питания работают с низким уровнем шума, что делает их лучшим выбором, когда вам нужно маломощное и чистое, стабильное питание. Медицинские учреждения, лаборатории и средства связи получают наибольшую выгоду от этого типа регулируемого источника питания.

Что такое регулируемый импульсный источник питания?

Импульсные источники питания более эффективны, имеют большую мощность и меньше по размеру, чем их линейные аналоги. Однако эти модели создают шум во время использования, особенно при переключении питания. В отличие от линейных источников питания, которые лучше всего подходят для конкретных приложений, импульсные источники питания более универсальны. Причина гибкости этих устройств заключается в использовании ими широтно-импульсной модуляции (ШИМ).

Использование ШИМ делает импульсные источники питания намного более эффективными, чем линейные источники питания, и позволяет быстро переключаться на различные источники электроэнергии. Выбирайте импульсные стабилизирующие источники питания, если вам требуется более высокая выходная мощность и большая эффективность при меньших размерах, чем вы можете получить от линейного стабилизированного источника питания.

Для чего нужен блок питания?

При использовании в персональных компьютерах блоки питания чаще всего выходят из строя из-за частых колебаний температуры и интенсивного использования. Конечно, электроника, такая как компьютеры и телевизоры, требует источников питания и требует замены этих частей чаще, чем другие компоненты. Однако это не единственное применение источников питания.

Источники питания не только обеспечивают электроэнергией электронику. Эти устройства могут быть внутренними или внешними и обеспечивать энергией приборы, освещение и многое другое. Если у вас есть часть, которая требует электричества, вероятно, у вас есть источник питания или он подключен к этому устройству.

Кому нужны блоки питания?

Любой, кто пользуется электричеством, нуждается в источниках питания. Типы источников питания будут зависеть от того, нужны ли вам преобразователи переменного тока в постоянный или постоянный ток, а также от того, требуется ли вам регулируемая или нерегулируемая мощность. Высокое или низкое напряжение — это еще один выбор, который вам нужно будет сделать. Если вам нужны атмосферостойкие или ударопрочные блоки питания, вам также необходимо добавить их в список требований.

Узнайте о применении источников питания

Источники питания ежедневно используются в нескольких отраслях промышленности. Здесь перечислены лишь некоторые отрасли, в которых можно использовать разнообразные блоки питания военного класса, которые предлагает ACT.

• Военные:   Военным часто требуются прочные блоки питания, способные выдерживать любые условия окружающей среды.
• Корабли и лодки (подводные лодки):   Судовые источники питания предъявляют особые требования к надлежащей работе с электричеством без традиционной основной розетки, питаемой от линий электропередач.
• Аэрокосмическая промышленность:   Для питания инструментов, используемых в аэрокосмической области, часто требуются устройства, которые могут работать с электричеством в удаленных местах.
• Средства связи:   К тихим и адекватным источникам питания, обеспечивающим стабильное питание компьютеров и других устройств связи, предъявляются строгие требования в отношении их характеристик и использования.
• Многие другие:   Если вы не видите свою отрасль в списке, не беспокойтесь. Скорее всего, вам по-прежнему нужны блоки питания, и мы можем помочь вам в этом.

Вопрос не в том, нужен ли вам блок питания, а в том, какой тип требуется в вашей ситуации. Вот где мы в ACT можем вам помочь.

Найдите подходящие блоки питания

Свяжитесь с нами сегодня

Если вам нужны преобразователи AC-DC или DC-DC для высокого или низкого напряжения, вы можете найти нужные вам блоки питания в ACT. Поскольку мы обслуживаем широкий спектр приложений, предъявляющих бесчисленные требования к источникам питания, у нас, вероятно, есть подходящие продукты для вашего использования.