Постоянный электрический ток: принципы, история и применение.

Введение

Однонаправленный поток электрического заряда.

Прямой ток (DC) – это однонаправленный поток электрического заряда. Электрохимический элемент является ярким примером источника постоянного тока. Прямой ток может протекать через проводник, например, провод, но также может протекать 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). Ранее для обозначения этого типа тока использовался термин «гальванический ток». Аббревиатуры AC и DC часто используются для обозначения просто переменного и постоянного, например, при описании тока или напряжения. Прямой ток может быть получен из источника переменного тока с помощью выпрямителя, содержащего электронные (обычно) или электромеханические (в историческом плане) элементы, которые пропускают ток только в одном направлении. Прямой ток может быть преобразован в переменный ток с помощью инвертора. Прямой ток находит широкое применение – от зарядки аккумуляторов до крупных источников питания для электронных систем, двигателей и других устройств. Значительные объемы электроэнергии, передаваемой постоянным током, используются при плавке алюминия и других электрохимических процессах. Он также применяется на некоторых железных дорогах, особенно в городских районах. Высоковольтный постоянный ток используется для передачи больших объемов энергии от удаленных источников генерации или для объединения сетей переменного тока.

История

Прямой ток был получен в 1800 году благодаря батарее итальянского физика Алессандро Вольты, его вольтову столбу. Природа протекания тока ещё не была понята. Французский физик Андре-Мари Ампер предположил, что ток движется в одном направлении – от положительного к отрицательному. Когда французский приборостроитель Ипполит Пиксии построил первый динамо-электрический генератор в 1832 году, он обнаружил, что при прохождении используемого магнита мимо витков провода в каждом полуобороте, направление потока электричества меняется, генерируя переменный ток. По предложению Ампера, Пиксии позже добавил коммутатор – своего рода "переключатель", где контакты на валу взаимодействуют с "щётками", чтобы производить постоянный ток. В конце 1870-х и начале 1880-х годов началось производство электроэнергии на электростанциях. Первоначально они были предназначены для питания дугового освещения (популярного типа уличного освещения), работающего на очень высоком напряжении (обычно выше 3000 вольт) постоянного или переменного тока. За этим последовало широкое распространение низковольтного постоянного тока для внутреннего электрического освещения в офисах и домах после того, как изобретатель Томас Эдисон в 1882 году запустил свою электрическую "систему" на основе лампы накаливания. Благодаря значительным преимуществам переменного тока перед постоянным током в использовании трансформаторов для повышения и понижения напряжения, что позволяло значительно увеличить расстояния передачи, в течение следующих нескольких десятилетий постоянный ток был заменён переменным током в системах электроснабжения. В середине 1950-х годов была разработана высоковольтная передача постоянного тока, которая теперь является альтернативой системам переменного тока высокого напряжения на большие расстояния. Для подводных кабелей большой протяжённости (например, между странами, таких как NorNed), этот вариант с постоянным током является единственно технически реализуемым. Для применений, требующих постоянного тока, таких как системы питания третьего рельса, переменный ток подаётся на подстанцию, которая использует выпрямитель для преобразования энергии в постоянный ток.

Различные определения

Термин DC (постоянный ток) используется для обозначения электрических систем, использующих только одну полярность напряжения или тока, а также для обозначения постоянной, нулевой частоты или медленно изменяющегося среднего значения напряжения или тока. Например, напряжение на источнике постоянного напряжения постоянно, как и ток в источнике постоянного тока. Решение для постоянного тока в электрической цепи – это решение, при котором все напряжения и токи постоянны. Можно показать, что любая стационарная форма волны напряжения или тока может быть разложена на сумму составляющей постоянного тока и переменной составляющей с нулевым средним значением; составляющая постоянного тока определяется как математическое ожидание или среднее значение напряжения или тока во времени. Хотя DC расшифровывается как "direct current" (прямой ток), DC часто подразумевает "постоянную полярность". В соответствии с этим определением, напряжения постоянного тока могут изменяться во времени, как это видно на необработанном выходе выпрямителя или на колеблющемся голосовом сигнале телефонной линии. Некоторые формы постоянного тока (например, генерируемые регулятором напряжения) практически не имеют изменений напряжения, но все же могут иметь изменения выходной мощности и тока.

Схемы

Схема постоянного тока — это электрическая схема, состоящая из любой комбинации источников постоянного напряжения, источников постоянного тока и резисторов. В этом случае напряжения и токи в схеме не зависят от времени. Конкретное напряжение или ток в схеме не зависит от предыдущего значения какого-либо напряжения или тока в этой схеме. Это означает, что система уравнений, описывающая схему постоянного тока, не содержит интегралов или производных по времени. Если к схеме постоянного тока добавить конденсатор или индуктор, полученная схема, строго говоря, уже не является схемой постоянного тока. Однако большинство таких схем имеют решение в постоянном токе. Это решение определяет напряжения и токи в схеме, когда она находится в установившемся режиме постоянного тока. Такая схема описывается системой дифференциальных уравнений. Решение этих уравнений обычно включает в себя переходную (изменяющуюся во времени) часть, а также постоянную (установившуюся) часть. Именно установившаяся часть и является решением в постоянном токе. Существуют схемы, которые не имеют решения в постоянном токе. Два простых примера — источник постоянного тока, подключенный к конденсатору, и источник постоянного напряжения, подключенный к индуктору. В электронике часто называют схемой постоянного тока цепь, питаемую источником постоянного напряжения, таким как батарея или выход блока питания постоянного тока, хотя подразумевается, что цепь питается постоянным током. В схеме постоянного тока источник питания (например, батарея, конденсатор и т. д.) имеет положительную и отрицательную клемму, и аналогично нагрузка также имеет положительную и отрицательную клемму. Для замыкания цепи положительные заряды должны перемещаться от источника питания к нагрузке. Затем заряды возвращаются к отрицательной клемме нагрузки, а оттуда — к отрицательной клемме батареи, замыкая цепь. Если отключена положительная или отрицательная клемма, цепь будет разомкнута, и заряды не будут двигаться. В некоторых применениях схем постоянного тока полярность не имеет значения, то есть можно подключить положительные и отрицательные клеммы наоборот, и цепь все равно будет замкнута, а нагрузка будет работать нормально. Однако в большинстве применений постоянного тока полярность имеет значение, и неправильное подключение приведет к неисправности нагрузки.

A direct current circuit is an electrical circuit that consists of any combination of constant voltage sources, constant current sources, and resistors. In this case, the circuit voltages and currents are independent of time. A particular circuit voltage or current does not depend on the past value of any circuit voltage or current. This implies that the system of equations that represent a DC circuit do not involve integrals or derivatives with respect to time. If a capacitor or inductor is added to a DC circuit, the resulting circuit is not, strictly speaking, a DC circuit. However, most such circuits have a DC solution. This solution gives the circuit voltages and currents when the circuit is in DC steady state. Such a circuit is represented by a system of differential equations. The solution to these equations usually contain a time varying or transient part as well as constant or steady state part. It is this steady state part that is the DC solution. There are some circuits that do not have a DC solution. Two simple examples are a constant current source connected to a capacitor and a constant voltage source connected to an inductor. In electronics, it is common to refer to a circuit that is powered by a DC voltage source such as a battery or the output of a DC power supply as a DC circuit even though what is meant is that the circuit is DC powered. In a DC circuit, a power source (e. g. a battery, capacitor, etc.) has a positive and negative terminal, and likewise, the load also has a positive and negative terminal. To complete the circuit, positive charges need to flow from the power source to the load. The charges will then return to the negative terminal of the load, which will then flow back to the negative terminal of the battery, completing the circuit. If either the positive or negative terminal is disconnected, the circuit will not be complete and the charges will not flow. In some DC circuit applications, polarity does not matter, which means you can connect positive and negative backwards and the circuit will still be complete and the load will still function normally. However, in most DC applications, polarity does matter, and connecting the circuit backwards will result in the load not working properly.

Домашние и коммерческие здания

Постоянный ток обычно встречается во многих приложениях сверхнизкого напряжения и некоторых приложениях низкого напряжения, особенно там, где питание осуществляется от батарей или солнечных электростанций (поскольку оба могут производить только постоянный ток). Большинству электронных схем или устройств требуется источник питания постоянного тока. Бытовые установки постоянного тока обычно используют розетки, разъемы, выключатели и светильники, отличные от тех, что предназначены для переменного тока. Это в основном связано с использованием более низких напряжений, что приводит к более высоким токам для получения той же мощности. При использовании прибора постоянного тока обычно важно соблюдать полярность, если только устройство не оснащено диодным мостом для ее автоматической коррекции. EMerge Alliance – это открытая отраслевая ассоциация, разрабатывающая стандарты распределения постоянного тока в гибридных домах и коммерческих зданиях.

Автомобильная промышленность

Большинство автомобильных приложений используют постоянный ток. Автомобильный аккумулятор обеспечивает питание для запуска двигателя, освещения, системы зажигания, системы климат-контроля и информационно-развлекательной системы, среди прочего. Генератор – это устройство переменного тока, которое использует выпрямитель для получения 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 определенный момент рассматривалась возможность использования 42-вольтовой электрической системы в автомобилях, но она не получила широкого распространения. Для снижения веса и количества проводов металлическая рама автомобиля часто соединяется с одним полюсом аккумулятора и используется в качестве возвратного проводника в цепи. Обычно отрицательный полюс является заземлением на шасси, но в некоторых колесных или морских транспортных средствах может использоваться положительное заземление. В электромобиле с аккумуляторной батареей обычно имеются две отдельные системы постоянного тока. Система постоянного тока "низкого напряжения" обычно работает от 12 В и выполняет те же функции, что и в автомобиле с двигателем внутреннего сгорания. Система "высокого напряжения" работает от 300–400 В (в зависимости от автомобиля) и обеспечивает питание тяговых двигателей. Увеличение напряжения для тяговых двигателей снижает протекающий через них ток, повышая эффективность.

Телекоммуникации

Телефонная станция использует стандартное питание постоянным током −48 В. Отрицательная полярность достигается заземлением положительной клеммы системы питания и аккумуляторной батареи. Это делается для предотвращения электролитических отложений. Телефонные установки оснащены аккумуляторной системой для обеспечения непрерывного питания абонентских линий при перебоях в электроснабжении. Другие устройства могут питаться от телекоммуникационной системы постоянного тока с помощью DC-DC преобразователя для получения необходимого напряжения. Многие телефоны подключаются к витой паре проводов и используют разделительный фильтр (bias tee) для внутреннего разделения переменной составляющей напряжения между проводами (аудиосигнала) и постоянной составляющей напряжения между проводами (используемой для питания телефона).

Высоковольтные электропередачи

Системы передачи электроэнергии постоянного тока высокого напряжения (HVDC) используют постоянный ток для передачи больших объемов электроэнергии, в отличие от более распространенных систем переменного тока. Для передачи на большие расстояния системы HVDC могут быть экономичнее и иметь меньшие электрические потери.

Другое

Приложения, использующие топливные элементы (смешивание водорода и кислорода с катализатором для выработки электроэнергии и воды как побочных продуктов), также производят только постоянный ток. Электрические системы легких самолетов обычно работают от напряжения 12 или 24 В постоянного тока, как и в автомобилях.