Джерела постійного струму: види, характеристики, сфери застосування

Джерела постійного струму: види, характеристики, сфери застосування

Постійний струм існує тільки в замкнутому ланцюгу і зберігає свій напрямок і основні параметри незмінними в часі. Для його підтримки необхідна наявність постійної напруги. Ця вимога є незмінною для різних джерел постійного струму.

Джерела постійного електричного струму

Існує кілька основних видів джерел енергії постійного струму. Кожен з них заснований на використанні різних фізичних принципів і використовується в певних умовах. До них можна віднести такі види:


  • механічні, що перетворюють механічну енергію обертання ротора на електричну енергію;
  • теплові, в яких в електричну енергію перетворюється теплова енергія;
  • хімічні, в яких в електричну енергію перетворюється енергія, що виділяється в результаті хімічного процесу;
  • світлові, що перетворюють енергію сонячного світла на електричну енергію.

В основному електроенергія виробляється електростанціями, від яких споживачі отримують не постійний, а змінний струм, який потім перетворюється на постійний. Але в багатьох сферах можна застосовувати тільки теплові, світлові або хімічні джерела постійного електричного струму.

Теплові джерела

У цих джерелах використовується термоелектричний ефект. Електричний струм у замкнутому ланцюгу виникає завдяки різниці температур, що контактують між собою, металів або напівпровідникових структур. У місці контакту при нагріванні виникає електродвижущая сила (термо-ЕДС). Електричний струм заряджених частинок спрямований від нагрітої ділянки в бік холодної. Його величина пропорційна різниці температур. У місці спаю утворюється термопара.

Прилади, які для створення постійного струму використовують тепло, що виділяється при розпаді радіоактивних ізотопних матеріалів, є радіоізотопними термоелектричними генераторами.

Світлові джерела

Властивість напівпровідників створювати ЕДС при попаданні на них потоку світла використовується при створенні світлових джерел постійного струму.

Об 'єднання великої кількості кремнієвих структур дозволяє створювати сонячні батареї. Невеликі електростанції, створені на базі таких сонячних панелей, мають на сьогоднішній день ККД не більше 15%.

Хімічні джерела

Отримання позитивних і негативно заряджених частинок у хімічних джерелах постійного струму здійснюється за рахунок хімічних реакцій. За класифікацією хімічних джерел вони діляться на 3 групи:


  • гальванічні елементи, що є первинними джерелами;
  • електричні акумуляторні батареї (АКБ), або вторинні ХІТ;

* ХІТ - хімічні джерела струму.

Гальванічні елементи використовують принцип дії, заснований на взаємодії двох металів через середовище електроліту. Вид і характеристики ХІТ залежать від обраної пари металів і складу електроліту. Два металеві електроди джерела струму за аналогією з приладом односторонньої провідності отримали назву анода ("" + "") і катода ("" - "").

Матеріалом для виготовлення аноду можуть служити свинець, цинк, кадмій та інші. Катод виготовляють з оксиду свинцю, графіту, оксиду марганцю, гідрооксиду нікелю. За складом електроліту гальванічні елементи розділяються на 3 види:

  • сольові або "" сухі "";
  • лужні;
  • літієві.

В елементах перших двох видів графіто-марганцевий стрижень (катод) поміщений по осі цинкового циліндричного стаканчика (анода). Вільний простір між ними заповнений пастою на основі хлориду амонію (сольові) або гідрооксиду калію (лужні).

У літієвих елементах цинковий анод замінено лужним літієм, що призвело до значного збільшення тривалості роботи. Матеріал катода в них визначає вихідну напругу батарейки (1,5-3,7) В. Первинні ХІТ є джерелами одноразової дії. Його реагенти, що витрачаються в процесі роботи, не підлягають відновленню.

Акумулятори являють собою пристрої, в яких проводиться перетворення електричної енергії зовнішнього джерела струму в хімічну енергію при заряді та її накопичення. У процесі роботи (розряд) відбувається зворотне перетворення - хімічна енергія служить джерелом постійного електричного струму.

До основних видів акумуляторів належать:


  • свинцево-кислотні;
  • нікель-кадмієві лужні;
  • літій-іонні.

Для створення хімічних процесів набір пластин поміщений в розчин електроліту. В АКБ, створених за сучасними технологіями, розчин являє собою не рідину, а гелієвий склад (GEL) або стільникові сепаратори, просочені електролітом і поміщені між свинцевими пластинами (AGM).

Свинцево-кислотні та нікель-кадмієві лужні акумулятори для роботи в якості джерел постійного струму для запуску двигунів автомобілів збирають з набору окремих акумуляторних елементів ("" банок "). Кожна "банку" "забезпечує на своїх клемах напругу 2,1 В. Сполучені послідовно 6 елементів і поміщені в ударопрочний корпус, мають на вихідних клеммах акумулятора необхідні для запуску двигуна 12 В.

У літій-іонних акумуляторах носіями електричного струму служать іони літію. Вони утворюються на катоді, виготовленому з солі літію. Анод може бути виготовлений з графіту або оксидів кобальту. Напруга постійного струму на виході акумулятора може варіюватися в межах (3,0-4,2) Залежно від використовуваних матеріалів. Ці акумулятори мають низьке значення струму самозагону і допускають велику кількість циклів заряд/розряд. Завдяки цьому всі сучасні гаджети використовують акумулятори цього виду.

Механічні джерела постійного струму

Пристроями, що перетворюють механічну енергію на електричну, є турбо і гідро генератори. Вони виробляють змінний електричний струм. Для основної частини побутових приладів джерелом постійного струму виступають їхні блоки живлення. У них здійснюється перетворення змінної напруги генератора на постійну напругу, необхідну для роботи пристроїв. Це завдання виконують випрямлювачі, які повинні забезпечувати необхідну потужність джерела постійного струму для їх навантаження і постійне значення вихідної напруги, не залежне від споживаного струму.

Блоки живлення можуть бути лінійними та імпульсними. Лінійні блоки виконуються за різними схемами, основу яких складають:


  • однополуперіодні випрямлювачі;
  • двоперіодні випрямлювачі.

У випрямлюваннях використовується властивість напівпровідникових діодів пропускати струм тільки в одному напрямку. Випрямлена таким чином напруга ще не є постійною. Ємності наступних за випрямлювачем конденсаторів згладжуючого фільтра при своєму швидкому заряді і повільному розряді підтримують величину позитивної однополярної напруги на певному значенні. Його величина визначається трансформатором, що отримує напругу від генератора змінного струму. Для однофазної напруги домашньої мережі 220 У 50 Гц його сталевий сердечник має значні розміри і вагу.

Схеми однополуперіодних містять лише один напівпровідниковий діод, який пропускає лише одну піввилю синусоїдальної змінної вхідної напруги.

Двополуперіодні випрямлювачі виконуються за мостовою схемою або за схемою із загальною точкою. В останньому випадку вторинна обмотка мережевого трансформатора має висновок від своєї середини. Ці випрямлювачі - це паралельне включення двох однополуперіодних випрямлювачів. Вони діють на обидві напівхвилі синусоїди змінної вхідної напруги.

Мостова схема випрямлювача є найбільш поширеною. З 'єднання 4-х діодів у ній нагадує "" квадрат "". До однієї з діагоналів підключається змінна напруга вторинної обмотки мережевого трансформатора. Навантаження включається в іншу діагональ "" квадрата "". Вхідний елемент згладжуючого фільтра.

Регулювання джерела

Для забезпечення постійного значення рівня вихідного напруження, не залежного від споживаного навантаженням струму і коливань вхідного змінного напруження, всі сучасні джерела живлення постійного струму мають ступінь стабілізації та регулювання.


У ній вихідна напруга порівнюється з еталонним (опорним) значенням.

При появі відмінності між ними виробляється керуючий сигнал, який по ланцюгу управління змінює величину вихідної напруги. Величину значення опорної напруги можна змінювати в широких межах, маючи на виході регулюваного джерела живлення постійного струму необхідну для роботи напругу.

Імпульсні джерела

Схеми з використанням вхідних трансформаторів напруги мережі отримали назву лінійних. В імпульсних джерелах живлення проводиться подвійне перетворення - спочатку змінна напруга випрямлювачем перетворюється на постійне, потім виробляється змінна імпульсна напруга більш високої частоти, яка у вихідному каскаді знову перетворюється на постійну напругу необхідного значення.

Генератори імпульсів виробляють безперервну імпульсну послідовність з частотою (15-60) кГц. Регулювання вихідної напруги здійснюється за допомогою широтно-імпульсної модуляції (ШИМ), при якій рівень сигналу на виході блоку живлення визначається шириною імпульсів, що виробляються генератором і значенням їх свердловності. Регулювані джерела живлення постійного струму імпульсного типу все частіше використовуються при створенні апаратури різного призначення.

Порівняння джерел

Відсутність потужного вхідного трансформатора в імпульсних джерелах живлення дозволяє створювати конструкції значно легші і з меншими лінійними розмірами. Їх ефективність значно вища за джерела, виконані за лінійними схемами. Коефіцієнт корисної дії доходить до значення 98%. У них широке поширення отримали мікросхеми, що виконують функції контролерів.


Кожен з типів стабілізованих джерел постійного струму знаходить застосування у своїй сфері. А вона дуже різноманітна. Основою є характеристики джерел постійного струму. Лінійні джерела забезпечують низький рівень пульсацій вихідної напруги і мале значення рівня власного шуму. Це досягається відсутністю перемикань при їх роботі, які створюють великий рівень перешкод в широкому частотному діапазоні. В імпульсних джерелах доводиться застосовувати складні схемні рішення для боротьби з ними, що призводить до подорожчання виробів, в яких вони застосовуються.

Ув 'язнення

У статті було дано загальний огляд існуючих джерел постійного струму. Викладений матеріал лише знайомить читачів з основними принципами їхньої роботи. З нього можна зробити висновок, що кожен з видів джерел постійного струму використовується в своїй області.