Введение в источники постоянного тока
Источники постоянного тока относятся к источникам электрической энергии, которые связаны с постоянными напряжениями и токами. Источник постоянного тока может быть сконструирован как электронная схема, работающая от электросети переменного тока и предназначенная для целей.
Лекционные заметки в источниках электроэнергии и принципах электрических цепей постоянного тока
В качестве альтернативы он может быть получен из батареи, причем последний используется в переносном оборудовании и машинах, где подключение к сети переменного тока не является удобным или практичным.
Цепи постоянного тока, по существу, содержат только источники питания постоянного тока и резистивные элементы и, следовательно, образуют подходящую основу для изучения фундаментальных принципов анализа электрических цепей.
Давайте разложим эту статью на несколько разделов и начнем читать лекции:
-
- Несколько слов об аккумуляторах
- Одноразовая батарея
- Аккумулятор
- Конструкция батареи
- Идеальный источник напряжения
- Идеальный источник тока
- Неидеальный источник напряжения
- Неидеальный источник тока
- Расходы энергии и рассеиваемая мощность
- Несколько слов об аккумуляторах
1. Несколько слов об аккумуляторах
Аккумулятор постоянного тока сегодня является обычным явлением. Батареи используются в самых разнообразных сценариях - от самых маленьких применений слуховых аппаратов и небольших цифровых часов до больших тяжелых свинцово-кислотных батарей, используемых в автомобильной промышленности.
Ячейка напряжения была изобретена Алессандро Вольта (1745-1827), итальянским физиком в 1792 году во время его работы по электролизу и первой батареей в виде стопки таких ячеек в 1800 году.
Рисунок 0 - Вольтовая куча, ранняя форма батареи Алессандро Вольта в Италии, основанная на предыдущих работах Луиджи Гальвани
Сегодня термин «ячейка» и «батарея» используются почти взаимозаменяемо, но многие низковольтные батареи на самом деле являются одновольтными ячейками, в то время как строго говоря, батарея представляет собой несколько ячеек, уложенных последовательно, чтобы получить более высокие напряжения, чем может обеспечить одна ячейка.
Батарея по существу является источником электрической энергии постоянного тока. Он преобразует накопленную химическую энергию в электрическую энергию через электрохимический процесс. Затем это обеспечивает источник электродвижущей силы или э.д.с., чтобы потоки могли течь в электрических и электронных схемах.
Есть в основном два класса батареи, одноразовые и перезаряжаемые.
1.1. Одноразовая батарея
Одноразовая батарея, как следует из названия, предназначена только для одного использования, так что, когда энергия, содержащаяся в химических составляющих батареи, преобразуется в электрическую форму, тогда батарея «израсходована» и удаляется.
Эти батареи иногда упоминаются как первичные клетки и включают в себя обычные цинк-углеродные (Z n C) AAA, AA, C и D клетки или их эквивалентные щелочные версии Manganese-Dioxide (M n O 2), а также множество мелких (ZnO), оксид серебра (A g O) или диоксид хрома (C r O 2) среди других материалов.
Вернуться к содержанию ↑
1.2. Аккумулятор
Второй класс батареи - хорошо известный перезаряжаемый тип, который получил широкое распространение за последние два или три десятилетия.
В этом типе батареи, когда накопленная химическая энергия была израсходована, ее можно заменить поворотом химического процесса за счет использования электричества для «перезарядки», что может быть сделано из сети.
Таким образом, заряд, накопленный этим типом батареи, может быть пополнен, а батарея может использоваться в последовательных циклах зарядки и перезарядки.
В конце концов, однако, материалы в перезаряжаемой батарее ухудшаются и заканчиваются. Аккумуляторные батареи включают в себя эквивалент стандартных ячеек, таких как никель-кадмиевый (NiCd) или никель-металлгидридный (NiMH) или литий-ионные (литий-ионные) элементы с высоким напряжением вплоть до классического свинцово-кислотного (PbH2SO4) автомобиля аккумулятор.
Вернуться к содержанию ↑
1.3. Конструкция батареи
Конструкция и использование типичной ячейки типа C или D проиллюстрирована на рисунке 1. Внешний металлический корпус в виде цилиндрического контейнера выполнен из цинка и действует как отрицательный электрод ячейки. Его база также служит отрицательной клеммой аккумулятора.
Цилиндр заполнен химическим соединением, которое действует как электролит.
В современных батареях это находится в нежидкой форме пасты или сухого соединения.
Положительный электрод ячейки принимает форму Углеродного или графитового стержня с металлическим колпачком, который вставляется в электролит в центре цилиндра. Металлический колпачок на стержне служит в качестве положительного вывода батареи.
Рисунок 1 - Конструкция и работа батареи
Когда проводящая резистивная нагрузка соединена между положительной и отрицательной клеммами батареи, образуется замкнутая электрическая цепь. При этом условии в электролите происходит ряд химических реакций, приводящих к образованию положительно заряженных ионов и свободных отрицательно заряженных электронов внутри него.
Положительные ионы мигрируют через электролит к углеродному стержню и осаждаются на нем. С другой стороны, электроны не могут мигрировать через электролит, потому что его химический состав образует барьер, который препятствует прохождению через него электронов.
Вместо этого электроны накапливаются на отрицательном электроде ячейки. Это приводит к разности потенциалов между двумя клеммами батареи, что приводит к появлению э.д.с. или электрического поля через резистивную нагрузку, связанную между ними. ЭДС затем заставляет электроны течь во внешней электрической цепи через нагрузку и, наконец, к положительной клемме батареи.
Это вызывает непрерывный поток тока в электрической цепи.
В схеме, показанной на рисунке 1, электрическая нагрузка - это лампочка, а энергия, потребляемая батареей лампой, излучается как видимый свет. Пока существует замкнутая электрическая цепь, ток продолжает течь, и электрохимический процесс в электролите продолжается с превращением составляющих химических веществ в другие химические вещества.
В конце концов, подача оригинальных химических веществ в электролите истощается, и э. Д. С. Между клеммами батареи падает, в конечном счете до нуля, и батарея разряжается.
На этом этапе выбрасывается одноразовая батарея, в то время как перезаряжаемая батарея будет помещена на зарядное устройство, которое отменяет электрохимический процесс в электролите и восстанавливает заряд батареи, пропуская через него электрический ток в обратном направлении в течение достаточного периода времени, Таким образом, можно видеть, что существует предел времени, в течение которого батарея может генерировать электричество и, следовательно, имеет ограниченный срок службы или время цикла.
Продолжительность времени, в течение которого длится батарея, определяется суммой заряда, которую она хранит в сумме, и скоростью, с которой этот заряд используется, что в свою очередь зависит от величины выведенного тока.
Аккумулятор прослужит дольше, когда из него будет выведено низкое значение тока, чем при высоком значении тока.
Это показано на рисунке 2, где напряжение на клемме батареи отображается во времени для разных значений тока, исходящих из него, с I 4 > I 3 > I 2 > I 1.
Рисунок 2 - Профиль разряда батареи на разных токах
Срок службы (одноразовый) или время цикла (перезаряжаемый) зависит в основном от количества заряда, которое он хранит в электролите, который может быть преобразован в свободные электроны для обеспечения тока в электрической цепи.
Тогда можно ожидать, что эта емкость аккумулятора выражается в виде количества заряда в кулонах.
Однако на практике оказывается более полезным выразить емкость аккумулятора с точки зрения продукта тока (в амперах) и времени (в часах). Поэтому емкость аккумулятора выражается в единицах ампер-часов (Ahr).
Это позволяет рассчитывать эффективный срок службы батареи для разных уровней тока, исходящих из него, как указано в таблице 1.
Таблица 1 - Срок службы батареи против текущего тока
| Емкость батареи | Текущий поток | Продолжительность жизни |
| 10 Аrр | 10 A | 1 час |
| 10 Аrр | 1 A | 10 часов |
| 10 Аrр | 20 A | 30 минут |
| 10 Аrр | 0, 25 А | 40 часов |
| 1 Ahr | 1 A | 1 час |
| 1 Ahr | 5 A | 12 минут |
| 1 Ahr | 100 мА | 10 часов |
Однако важно также осознать, что на практике существует максимальный ток, который может обеспечить аккумулятор, и это необходимо также учитывать при выборе подходящей батареи для конкретного применения.
Например, батарея 1 Аr в таблице 1 может оказаться неспособной довести ток до 5А из-за ограничений его химического состава и в этом случае не может использоваться в сценарии, где этот уровень тока требуется, даже для короткий период 12 минут.
Вернуться к содержанию ↑
2. Идеальный источник напряжения
Символ, уже использованный для батареи постоянного тока, используется для идеального источника постоянного напряжения, как показано на рисунке 3. ЭДС идеальной батареи представляет собой сумму напряжений ячеек, которые складываются для получения более высокого напряжения, чем может обеспечить одна ячейка.
Напряжение, измеренное между клеммами батареи, представляет собой выходное напряжение, V O. Нагрузка, подключенная к батарее, показана как один резистор R L, который, конечно, может представлять собой эквивалентное сопротивление более сложной резистивной конфигурации. Ток, выведенный из источника напряжения и протекающий через сопротивление нагрузки, обозначен как I L.
Идеальный источник напряжения - это тот, который обеспечивает постоянное выходное напряжение независимо от нагрузки на него.
Рисунок 3 - Идеальный источник напряжения, управляющий резистивной нагрузкой
Таким образом, окончательная характеристика идеального источника напряжения:
V O = E
То есть выходное или клеммное напряжение батареи, измеренное между ее положительным и отрицательным контактами, всегда является внутренним напряжением коллективной ячейки, E.
Так как выходное напряжение батареи, V O, в этом случае идентично напряжению на одно нагрузочном резисторе V L, то из закона Ома мы имеем:
I L = V L / R L = E / R L
Это показывает, что ток через нагрузку является функцией сопротивления, R L, при этом напряжение на нагрузке не зависит от него.
Это подразумевает, что источник способен обеспечить любой поток, требуемый от него. Это, в свою очередь, предполагает, что если «короткое замыкание» расположено через источник с R L = 0, то ток будет неограниченным с I L → ∞.
Ясно, что подобная ситуация не может преобладать в реальности.
Например, если кусок сверхпрочного проводящего кабеля был помещен через 12 В свинцово-кислотную автомобильную батарею, аккумулятор быстро перегрелся, выпустил водородный газ, расплавился и, возможно, взорвался. Поэтому концепция нагрузки на короткое замыкание в основном теоретическая, которая должна использоваться только на бумаге для целей схемного анализа.
Однако на практике существуют сценарии, когда электронное оборудование должно быть защищено от повреждений в случае короткого замыкания, происходящего непреднамеренно или непреднамеренно.
Вернуться к содержанию ↑
3. Идеальный источник тока
Иногда необходимо генерировать определенное и постоянное значение тока для управления цепью или нагрузкой, а не постоянным напряжением. Это известно как источник тока, наиболее распространенным символом для которого являются двойные перекрывающиеся круги, показанные на рисунке 4.
Обратите внимание, что направление тока, генерируемого для вывода из клемм источника, должно быть указано каким-либо образом, как правило, с помощью направленной стрелки.
Источники тока не встречаются естественным образом в виде ячеек, подобных батареям, и строятся с использованием электронных схем, которые, в свою очередь, питаются от источника напряжения.
Рисунок 4 - Идеальный источник тока, управляющий резистивной нагрузкой
Определяющей характеристикой идеального источника тока является то, что:
I L = I
То есть ток, который вытекает из положительного вывода источника тока, вокруг схемы через нагрузочный резистор R L и обратно в отрицательную клемму источника всегда равен номинальному значению источника тока, I, Это значение не зависит от значения сопротивления нагрузки, R L. Напряжение, развиваемое через нагрузку V L, определяется законом Ома:
V L = I L R L = IR L
Это показывает, что напряжение на нагрузке, которое также является напряжением, которое разрабатывается на самом источнике тока, является функцией сопротивления R L.
Зарядное устройство является хорошим рабочим примером источника тока. Источник тока питается от электросети, и пользователь устанавливает значение постоянного тока, в то время как заряжаемая батарея формирует нагрузку, как показано в настройке, показанной на рисунке 5 ниже.
Напряжение, вырабатываемое через клемму источника тока, будет регулироваться так, чтобы оно было равно напряжению батареи.
Рисунок 5 - Источник постоянного тока, используемый для зарядки аккумулятора
Вернуться к содержанию ↑
4. Неидеальный источник напряжения
На практике источник напряжения не идеален и не обеспечивает неограниченный ток. Когда аккумулятор или источник напряжения не подключен к нагрузке, напряжение между его клеммами называется его напряжением на клеммах O OC, и по существу такое же, как напряжение ячейки, E.
Однако, когда нагрузка подключена к источнику, напряжение на клеммах падает, когда из него вытягивается ток, так что:
V O <E или V O <V OC
Этот эффект можно наблюдать на кривых, показанных на рисунке 2, где напряжение, доступное от батареи, немного ниже напряжения разомкнутой цепи, V OC, а падение напряжения становится более выраженным по мере увеличения тока, потребляемого от батареи.
Этот эффект может быть смоделирован путем приведения внутреннего или источника сопротивления R S к неидеальному источнику напряжения.
Затем это можно представить в виде идеального источника напряжения, генерирующего напряжение ячейки E, с сопротивлением внутреннего источника, R S, соединенным последовательно с идеальным источником и его выходными клеммами, как показано на рисунке 6.
В этом случае ток, исходящий от источника питания, протекает через сопротивление внутреннего источника, R S, что приводит к падению потенциала на нем, V S.
В этом случае по Закону Кирхгофа:
V O = E - V S
Но из Закона Ома:
V S = I L R S
Рисунок 6 - Неидеальный источник напряжения, управляющий резистивной нагрузкой
так что:
V O = E - I L R S
Заметим также, что для нагрузки:
V L = I L R L
Из соотношения для последовательно соединенных резисторов имеем:
I L = E / (R L + R S)
Итак, наконец:
V L = R L E / (R L + R S)
Это показывает, что существует по существу потенциал делителя между внутренним сопротивлением источника напряжения R S и сопротивлением нагрузки R L с тем же током, протекающим через оба сопротивления.
Это приводит к снижению эффективного выходного напряжения батареи.
Вернуться к содержанию ↑
5. Неидеальный источник тока
Аналогичным образом на практике источник тока не является идеальным. Выходной ток, создаваемый неидеальным источником тока, немного изменяется с изменением подключенного к нему сопротивления нагрузки. Этот эффект можно моделировать, приписывая внутреннее сопротивление источнику тока аналогично неидеальному источнику напряжения.
Однако внутреннее сопротивление в этом случае подключается к идеальному источнику тока, а не последовательно к нему, как показано на рисунке 7.
Рисунок 7 - Неидеальный источник тока, управляющий резистивной нагрузкой
В случае неидеального источника тока внутреннее сопротивление R S намного выше, чем в случае неидеального источника напряжения.
Эффект внутреннего сопротивления в неидеальном источнике тока заключается в том, чтобы шунтировать часть тока, генерируемого идеальным источником тока, I, так что ток, протекающий через нагрузку, I L, меньше идеального значения.
В этом случае:
I L <I
Степень падения выходного тока от идеального значения зависит от значения сопротивления нагрузки, R L, по сравнению с сопротивлением внутреннего источника R S.
Если действующий закон Кирхгофа применяется к положительному выходному терминалу текущего источника, мы имеем:
I = I S + I L
Из предыдущих работ по параллельному расщеплению тока между резисторами параллельно:
I L = R S I / (R S + R L)
Это показывает, что существует, по существу, разложение тока между сопротивлением внутреннего источника, R S и сопротивлением нагрузки, R L.
Заметим также, что для нагрузки:
V L = I L R L
так что:
V L = R S R L I / (R S + R L)
Вернуться к содержанию ↑
6. Расходы на энергию и рассеивание мощности
В цепях выше сопротивления нагрузки RL представляет электрический эквивалент той или иной формы нагрузки, которая требует или использует энергию.
Например, когда лампочка в факеле, питаемом от батарей, загорается, электрическая энергия извлекается из батарей и преобразуется в свет. Это использует энергию, хранящуюся в батареях, и скорость истощения энергии зависит от яркости лампы, часто называемой ее мощностью.
Вопрос в том, какая энергия или сила рассеивает электрическую нагрузку?
Если вспомнить, что рассеянная мощность - это скорость, с которой энергия расходуется в единицу времени, тогда:
Единицей Энергии является Джоуль (J), названный по имени английского физика Джеймса Прескотта Джоуля (1818-89), который открыл первый закон термодинамики. Единица мощности - Watt (W), названная в честь Джеймса Уотта (1736-1819), шотландского инженера-механика и разработчика парового двигателя.
Тогда для резистивного элемента в электрической цепи с потенциальным падением, V через него и тока, проходящего через него, мы имеем:
P = VI
Но из Закона Ома мы вспоминаем:
V = IR или I = V / R
так что:
P = VI = I 2 R = V 2 / R
Вернуться к содержанию ↑
Reference // DC Circuit Analysis - Лекция 5: Электрические источники постоянного тока, энергия и мощность