Постоянный ток ( DC ) — это однонаправленный поток электрического заряда . Электрохимическая ячейка является ярким примером энергии постоянного тока. Постоянный ток может течь через проводник, такой как провод, но также может течь через полупроводники , изоляторы или даже через вакуум , как в электронных или ионных пучках . Электрический ток течет в постоянном направлении, что отличает его от переменного тока (AC). Термин , ранее использовавшийся для этого типа тока, был гальванический ток . [1]
Аббревиатуры AC и DC часто используются для обозначения просто переменного и постоянного тока , например, когда они изменяют ток или напряжение . [2] [3]
Постоянный ток может быть преобразован из источника переменного тока с помощью выпрямителя , который содержит электронные элементы (обычно) или электромеханические элементы (исторически), которые позволяют току течь только в одном направлении. Постоянный ток может быть преобразован в переменный с помощью инвертора .
Постоянный ток имеет множество применений: от зарядки аккумуляторов до мощных источников питания для электронных систем, двигателей и многого другого. Очень большие количества электрической энергии, получаемой посредством постоянного тока, используются при выплавке алюминия и других электрохимических процессах. Он также используется на некоторых железных дорогах , особенно в городских районах . Постоянный ток высокого напряжения используется для передачи больших объемов электроэнергии от удаленных объектов генерации или для соединения энергосетей переменного тока.
Постоянный ток был получен в 1800 году батареей итальянского физика Алессандро Вольты , его Вольтов столбом . [5] Природа течения тока еще не была понята. Французский физик Андре-Мари Ампер предположил, что ток движется в одном направлении, от положительного к отрицательному. [6] Когда французский производитель инструментов Ипполит Пикси построил первую электрическую динамо-генератор в 1832 году, он обнаружил, что, поскольку используемый магнит проходил через петли провода каждые пол-оборота, это вызывало обратный поток электричества, генерируя переменный ток . [7] По предложению Ампера Пикси позже добавил коммутатор , тип «переключателя», в котором контакты на валу работают со «щеточными» контактами для производства постоянного тока.
В конце 1870-х и начале 1880-х годов на электростанциях начали производить электроэнергию . Первоначально они были предназначены для питания дугового освещения (популярный тип уличного освещения), работающего на постоянном или переменном токе очень высокого напряжения (обычно выше 3000 В). [8] За этим последовало широкое использование постоянного тока низкого напряжения для внутреннего электрического освещения на предприятиях и в домах после того, как изобретатель Томас Эдисон в 1882 году запустил свою электрическую « утилиту » на основе лампы накаливания. Из-за значительных преимуществ переменного тока над постоянным током при использовании трансформаторов для повышения и понижения напряжения, чтобы обеспечить гораздо большие расстояния передачи, в течение следующих нескольких десятилетий постоянный ток был заменен переменным током при подаче электроэнергии. В середине 1950-х годов была разработана передача постоянного тока высокого напряжения , и теперь она является вариантом вместо систем переменного тока высокого напряжения на большие расстояния. Для подводных кабелей на большие расстояния (например, между странами, такими как NorNed ) этот вариант постоянного тока является единственным технически осуществимым вариантом. В приложениях, требующих постоянного тока, например, в энергосистемах третьего рельса , переменный ток подается на подстанцию, которая использует выпрямитель для преобразования мощности в постоянный ток.
Термин постоянный ток используется для обозначения энергосистем, в которых используется только одна электрическая полярность напряжения или тока, а также для обозначения постоянного, нулевого или медленно меняющегося местного среднего значения напряжения или тока. [9] Например, напряжение на источнике постоянного напряжения является постоянным, как и ток через источник постоянного тока . Решение электрической цепи постоянного тока — это решение, в котором все напряжения и токи постоянны. Можно показать, что любую стационарную форму напряжения или тока можно разложить на сумму постоянной составляющей и изменяющейся во времени составляющей с нулевым средним; составляющая постоянного тока определяется как ожидаемое значение или среднее значение напряжения или тока за все время.
Хотя DC означает «постоянный ток», DC часто относится к «постоянной полярности». Согласно этому определению, напряжения постоянного тока могут меняться во времени, как это видно на необработанном выходе выпрямителя или колебательном голосовом сигнале в телефонной линии.
Некоторые формы постоянного тока (например, вырабатываемые стабилизатором напряжения ) почти не имеют изменений напряжения , но все же могут иметь различия в выходной мощности и токе.
Цепь постоянного тока — это электрическая цепь , состоящая из любой комбинации источников постоянного напряжения , источников постоянного тока и резисторов . В этом случае напряжения и токи цепи не зависят от времени. Конкретное напряжение или ток цепи не зависит от прошлого значения какого-либо напряжения или тока цепи. Это означает, что система уравнений, описывающая цепь постоянного тока, не включает интегралы или производные по времени.
Если в цепь постоянного тока добавить конденсатор или катушку индуктивности , полученная цепь, строго говоря, не будет цепью постоянного тока. Однако большинство таких схем имеют решение постоянного тока. Это решение дает значения напряжения и тока в цепи, когда она находится в устойчивом состоянии постоянного тока . Такая схема представляется системой дифференциальных уравнений . Решение этих уравнений обычно содержит изменяющуюся во времени или переходную часть, а также постоянную или установившуюся часть. Именно эта установившаяся часть и является решением постоянного тока. Есть некоторые схемы, которые не имеют решения постоянного тока. Два простых примера: источник постоянного тока, подключенный к конденсатору, и источник постоянного напряжения, подключенный к катушке индуктивности.
В электронике принято называть цепь, питаемую от источника постоянного напряжения, такого как батарея, или выход источника постоянного тока, цепью постоянного тока, хотя имеется в виду, что схема питается постоянным током.
В цепи постоянного тока источник питания (например, батарея, конденсатор и т. д.) имеет положительную и отрицательную клемму, а нагрузка также имеет положительную и отрицательную клемму. Для замыкания цепи положительные заряды должны пройти от источника питания к нагрузке. Затем заряды вернутся к отрицательной клемме нагрузки, а затем вернутся к отрицательной клемме батареи, замыкая цепь. Если положительная или отрицательная клемма отключена, цепь не будет замкнутой и заряды не будут течь.
В некоторых приложениях цепей постоянного тока полярность не имеет значения, что означает, что вы можете подключить положительный и отрицательный полюс наоборот, и цепь все равно будет целостной, а нагрузка будет работать нормально. Однако в большинстве приложений постоянного тока полярность имеет значение, и обратное подключение схемы приведет к неправильной работе нагрузки.
Постоянный ток обычно встречается во многих приложениях со сверхнизким напряжением и в некоторых низковольтных приложениях, особенно там, где они питаются от батарей или солнечных энергетических систем (поскольку оба могут производить только постоянный ток).
Большинству электронных схем или устройств требуется источник питания постоянного тока .
Бытовые установки постоянного тока обычно имеют типы розеток , разъемов , выключателей и светильников , отличные от тех, которые подходят для переменного тока. В основном это происходит из-за более низкого используемого напряжения, что приводит к более высоким токам для производства того же количества мощности .
Обычно при работе с приборами постоянного тока важно соблюдать полярность, если только в устройстве нет диодного моста , позволяющего это исправить.
EMerge Alliance — открытая отраслевая ассоциация, разрабатывающая стандарты распределения электроэнергии постоянного тока в гибридных домах и коммерческих зданиях . [ нужна цитата ]
В большинстве автомобильных приложений используется постоянный ток. Автомобильный аккумулятор обеспечивает питание для запуска двигателя, освещения, системы зажигания, климат-контроля и информационно-развлекательной системы. Генератор переменного тока — это устройство переменного тока, которое использует выпрямитель для выработки постоянного тока для зарядки аккумулятора. В большинстве пассажирских транспортных средств номинально используются системы с напряжением 12 В. Многие тяжелые грузовики, сельскохозяйственная техника или землеройная техника с дизельными двигателями используют системы на 24 В. В некоторых старых автомобилях использовалось напряжение 6 В, например, в оригинальном классическом Volkswagen Beetle . В какой-то момент рассматривалась возможность использования электрической системы на 42 В для автомобилей, но она не нашла практического применения. Для экономии веса и провода часто металлический каркас автомобиля подключают к одному полюсу аккумулятора и используют в качестве обратного проводника в цепи. Часто отрицательный полюс является заземлением шасси, но положительное заземление может использоваться в некоторых колесных или морских транспортных средствах. В аккумуляторном электромобиле обычно имеются две отдельные системы постоянного тока. Система постоянного тока «низкого напряжения» обычно работает при напряжении 12 В и служит той же цели, что и в автомобиле с двигателем внутреннего сгорания. Система «высокого напряжения» работает при напряжении 300-400 В (в зависимости от автомобиля) и обеспечивает питание тяговых двигателей . [10] Увеличение напряжения на тяговых двигателях уменьшает ток, протекающий через них, повышая эффективность.
В оборудовании связи телефонной станции используется стандартный источник питания постоянного тока −48 В. Отрицательная полярность достигается заземлением положительной клеммы системы электропитания и аккумуляторной батареи. Это делается для предотвращения электролизных отложений. Телефонные установки имеют аккумуляторную систему, обеспечивающую поддержание электропитания абонентских линий во время перебоев в подаче электроэнергии.
Другие устройства могут питаться от телекоммуникационной системы постоянного тока с использованием преобразователя постоянного тока для обеспечения любого подходящего напряжения.
Многие телефоны подключаются к витой паре проводов и используют тройник смещения для внутреннего разделения составляющей переменного тока напряжения между двумя проводами (аудиосигнал) от составляющей постоянного тока напряжения между двумя проводами (используемой для питания телефона). ).
В системах передачи электроэнергии постоянного тока высокого напряжения (HVDC) для основной передачи электроэнергии используется постоянный ток, в отличие от более распространенных систем переменного тока. Для передачи на большие расстояния системы HVDC могут быть менее дорогими и иметь меньшие электрические потери.
Приложения, использующие топливные элементы (смешивание водорода и кислорода вместе с катализатором для производства электроэнергии и воды в качестве побочных продуктов), также производят только постоянный ток.
Электрические системы легких самолетов обычно имеют напряжение 12 В или 24 В постоянного тока, как и в автомобилях.
СМИ, связанные с постоянным током, на Викискладе?
