Постоянный ток ( DC ) — это однонаправленный поток электрического заряда . Электрохимическая ячейка — яркий пример источника постоянного тока. Постоянный ток может протекать через проводник, например, через провод, но также может протекать через полупроводники , изоляторы или даже через вакуум , например, 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 гальваническим током . [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 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 ток с помощью инвертора .
Постоянный ток имеет множество применений: от зарядки аккумуляторов до крупных источников питания для электронных систем, двигателей и многого другого. Очень большое количество электроэнергии, подаваемой через постоянный ток, используется при выплавке алюминия и других электрохимических процессах. Он также используется на некоторых железных дорогах , особенно в городских районах . Высоковольтный постоянный ток используется для передачи больших объемов электроэнергии с удаленных станций генерации или для соединения сетей переменного тока.
Постоянный ток был получен в 1800 году батареей итальянского физика Алессандро Вольта , его вольтовым столбом . [5] Природа того, как течет ток, еще не была понята. Французский физик Андре-Мари Ампер предположил, что ток распространяется в одном направлении от положительного к отрицательному. [6] Когда французский производитель инструментов Ипполит Пикси построил первый динамо-электрический генератор в 1832 году, он обнаружил, что, когда используемый магнит проходил через петли провода каждые пол-оборота, он заставлял поток электричества менять направление, создавая переменный ток . [7] По предложению Ампера Пикси позже добавил коммутатор , тип «переключателя», где контакты на валу работают со «щеточными» контактами для получения постоянного тока.
В конце 1870-х и начале 1880-х годов электроэнергия начала вырабатываться на электростанциях . Первоначально они были установлены для питания дугового освещения (популярный тип уличного освещения), работающего на очень высоком напряжении (обычно выше 3000 вольт) постоянного или переменного тока. [8] За этим последовало широкое использование постоянного тока низкого напряжения для внутреннего электрического освещения в бизнесе и домах после того, как изобретатель Томас Эдисон запустил свою электрическую « коммунальную » компанию на основе ламп накаливания в 1882 году. Из-за значительных преимуществ переменного тока над постоянным током при использовании трансформаторов для повышения и понижения напряжения, что позволило передавать электроэнергию на гораздо большие расстояния, в течение следующих нескольких десятилетий постоянный ток был заменен переменным током в 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. Для приложений, требующих постоянного тока, таких как системы электроснабжения третьего рельса , переменный ток распределяется на подстанцию, которая использует выпрямитель для преобразования энергии в постоянный ток.
Термин DC используется для обозначения систем питания, которые используют только одну электрическую полярность напряжения или тока, а также для обозначения постоянного, нулевой частоты или медленно изменяющегося локального среднего значения напряжения или тока. [9] Например, напряжение на источнике постоянного напряжения постоянно, как и ток через источник постоянного тока . Решение постоянного тока электрической цепи — это решение, в котором все напряжения и токи постоянны. Любая стационарная форма волны напряжения или тока может быть разложена на сумму компонента постоянного тока и компонента, изменяющегося во времени с нулевым средним; компонент 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, постоянное напряжение может меняться со временем, как это видно на необработанном выходе выпрямителя или флуктуирующем голосовом сигнале на телефонной линии.
Некоторые формы постоянного тока (например, вырабатываемые регулятором напряжения ) практически не имеют колебаний напряжения , но все же могут иметь колебания выходной мощности и тока.
Цепь постоянного тока — это электрическая цепь , которая состоит 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 зависят от прошлого значения любого напряжения или тока цепи. Это означает, что система уравнений, представляющая цепь постоянного тока, не содержит интегралов или производных по времени.
Если конденсатор или индуктор добавляются к цепи постоянного тока, то полученная цепь, строго говоря, не является цепью постоянного тока. Однако большинство таких цепей имеют решение для постоянного тока. Это решение дает напряжения и токи цепи, когда цепь находится в установившемся состоянии постоянного тока . Такая цепь представлена системой дифференциальных уравнений . Решение этих уравнений обычно содержит изменяющуюся во времени или переходную часть, а также постоянную или установившуюся часть. Именно эта установившаяся часть является решением для постоянного тока. Существуют некоторые цепи, которые не имеют решения для постоянного тока. Два простых примера — это источник постоянного тока, подключенный к конденсатору, и источник постоянного напряжения, подключенный к индуктору.
В электронике принято называть цепью постоянного тока, которая питается от источника постоянного напряжения, например, батареи или от выхода источника питания постоянного тока, хотя на самом деле подразумевается, что цепь питается от постоянного тока.
В цепи постоянного тока источник питания (например, батарея, конденсатор и т. д.) имеет положительный и отрицательный полюса, и аналогично нагрузка также имеет положительный и отрицательный полюса. Для замыкания цепи положительные заряды должны течь от источника питания к нагрузке. Затем заряды вернутся к отрицательному полюсу нагрузки, который затем потечет обратно к отрицательному полюсу батареи, замыкая цепь. Если либо положительный, либо отрицательный полюс отключен, цепь не будет замкнутой и заряды не будут течь.
В некоторых приложениях постоянного тока полярность не имеет значения, что означает, что вы можете подключить положительный и отрицательный полюса в обратном порядке, и цепь все равно будет замкнутой, а нагрузка будет работать нормально. Однако в большинстве приложений постоянного тока полярность имеет значение, и подключение цепи в обратном порядке приведет к тому, что нагрузка будет работать неправильно.
Постоянный ток обычно используется во многих устройствах со сверхнизким напряжением и в некоторых устройствах с низким напряжением , особенно там, где они питаются от батарей или солнечных энергосистем (поскольку оба источника могут вырабатывать только постоянный ток).
Большинству электронных схем и устройств требуется источник постоянного тока .
Бытовые установки постоянного тока обычно имеют другие типы розеток , разъемов , переключателей и приспособлений , чем те, которые подходят для переменного тока. Это в основном связано с более низкими используемыми напряжениями, что приводит к более высоким токам для получения того же количества мощности .
При работе с приборами постоянного тока обычно важно соблюдать полярность, если только в устройстве нет диодного моста для ее коррекции.
Большинство автомобильных приложений используют постоянный ток. Автомобильная батарея обеспечивает питание для запуска двигателя, освещения, системы зажигания, климат-контроля и информационно-развлекательной системы среди прочего. Генератор переменного тока — это устройство переменного тока, которое использует выпрямитель для производства постоянного тока для зарядки аккумулятора. Большинство легковых автомобилей используют номинально 12- вольтовые системы. Многие тяжелые грузовики, сельскохозяйственная техника или землеройная техника с дизельными двигателями используют 24-вольтовые системы. В некоторых старых автомобилях использовалось 6 В, например, в оригинальном классическом Volkswagen Beetle . В какой-то момент для автомобилей рассматривалась электрическая система на 42 В , но она нашла мало применения. Для экономии веса и проводов часто металлический каркас автомобиля подключается к одному полюсу батареи и используется в качестве обратного проводника в цепи. Часто отрицательный полюс является соединением шасси «заземление», но положительное заземление может использоваться в некоторых колесных или морских транспортных средствах. В аккумуляторном электромобиле обычно есть две отдельные системы постоянного тока. «Низковольтная» система постоянного тока обычно работает при 12 В и служит той же цели, что и в транспортном средстве с двигателем внутреннего сгорания. [10] «Высоковольтная» система работает при напряжении 300–400 В (в зависимости от транспортного средства) и обеспечивает питание тяговых двигателей . [11] Повышение напряжения тяговых двигателей уменьшает ток, протекающий через них, что повышает эффективность.
Оборудование телефонной станции использует стандартный источник питания постоянного тока напряжением −48 В. Отрицательная полярность достигается путем заземления положительного вывода системы электропитания и аккумуляторной батареи . Это делается для предотвращения электролизных отложений. Телефонные установки имеют аккумуляторную систему для обеспечения питания абонентских линий во время перебоев в подаче электроэнергии.
Другие устройства могут питаться от телекоммуникационной системы постоянного тока с помощью преобразователя постоянного тока, обеспечивающего любое удобное напряжение.
Многие телефоны подключаются к витой паре проводов и используют тройник смещения для внутреннего разделения переменного тока напряжения между двумя проводами (аудиосигнала) от постоянного тока напряжения между двумя проводами (используется для питания телефона).
Системы передачи электроэнергии постоянного тока высокого напряжения (HVDC) используют постоянный ток для массовой передачи электроэнергии, в отличие от более распространенных систем переменного тока. Для передачи на большие расстояния системы HVDC могут быть менее дорогими и нести меньшие электрические потери.
Приложения, использующие топливные элементы (смешивание водорода и кислорода с катализатором для производства электроэнергии и воды в качестве побочных продуктов), также производят только постоянный ток.
Электрические системы легких самолетов, как правило, имеют напряжение 12 В или 24 В постоянного тока, как и в автомобилях.
Медиа, связанные с постоянным током на Wikimedia Commons
