Электрический ток- это направленное или упорядоченное движение заряженных частиц: электронов в металлах, в электролитах - ионов, а в газах - электронов и ионов. Электрический ток может быть как постоянным, так и переменным.
Определение постоянного электрического тока, его источники
Постоянный ток (DC, по-английски Direct Current) - это электрический ток, у которого свойства и направление не меняются с течением времени. Обозначается постоянный ток и напряжение в виде короткой горизонтальной черточки или двух параллельных, одна из которых штриховая.
Постоянный ток используется в автомобилях и в домах, в многочисленных электронных приборах: ноутбуки, компьютеры, телевизоры и т. д. Перемеренный электрический ток из розетки преобразуется в постоянный при помощи блока питания или трансформатора напряжения с выпрямителем.
Любой электроинструмент, устройство или прибор, работающие от батареек так же являются потребителями постоянного тока, потому что батарея или аккумулятор- это исключительно источники постоянного тока, который при необходимости преобразуется в переменный с использованием специальных преобразователей (инверторов).
Принцип работы переменного тока
Переменный ток
(AC по-английски Alternating Current)- это электрический ток, который изменяется по величине и направлению с течением времени. На электроприборах условно обозначается отрезком синусоиды « ~ ».
Иногда после синусоиды могут указываться характеристики переменного тока - частота, напряжение, число фаз.
Переменный ток может быть как одно- , так и трёхфазным, для которого мгновенные значения тока и напряжения меняются по гармоническому закону.
Основные характеристики переменного тока - действующее значение напряжения и частота.
Обратите внимание , как на левом графике для однофазного тока меняется направление и величина напряжения с переходом в ноль за период времени Т, а на втором графике для трехфазного тока существует смещение трех синусоид на одну третью периода. На правом графике 1 фаза обозначена буквой «а», а вторая буквой «б». Хорошо известно, что в домашней розетке 220 Вольт. Но мало кто знает, что это действующие значение переменного напряжения, но амплитудное или максимальное значение будет больше на корень из двух, т.е будет равно 311 Вольт.
Таким образом, если у постоянного тока величина напряжения и направление не изменяются в течении времени, то у переменного тока- напряжение постоянно меняется по величине и направлению (график ниже нуля это обратное направление).
И так мы подошли к понятию частота — это отношение числа полных циклов (периодов) к единице времени периодически меняющегося электрического тока. Измеряется в Герцах. У нас и в Европе частота равна 50 Герцам, в США- 60 Гц.
Что означает частота 50 Герц? Она означает, что у нас переменный ток меняет свое направление на противоположное и обратно (отрезок Т- на графике) 50 раз за секунду!
Источниками переменного тока являются
все розетки в доме и все то, что подключено напрямую проводами или кабелями к электрощиту. У многих возникает вопрос: а почему в розетке не постоянный ток? Ответ прост. В сетях переменного тока легко и с минимальными потерями преобразовывается величина напряжения до необходимого уровня при помощи трансформатора в любых объемах. Напряжение необходимо увеличивать для возможности передачи электроэнергии на большие расстояния с наименьшими потерями в промышленных масштабах. 
С электростанции
, где стоят мощные электрогенераторы, выходит напряжение величиной 330 000-220 000 , далее возле нашего дома на трансформаторной подстанции оно преобразуется с величины 10 000 Вольт в трехфазное напряжение 380 Вольт, которое и приходит в многоквартирный дом, а к нам в квартиру приходит однофазное напряжение, т. к. между напряжение равняется 220 В, а между разноименными фазами в электрощите 380 Вольт.
И еще одним из важных достоинств переменного напряжения является то, что асинхронные электродвигатели переменного тока конструктивно проще и работают значительно надежнее, чем двигатели постоянного тока.
Как переменный ток сделать постоянным
Для потребителей, работающих на постоянном токе- переменный преобразуется при помощи выпрямителей.
Преобразователь постоянного тока в переменный
Если с преобразованием переменного тока в постоянный не возникает сложностей, то со обратным преобразованием все гораздо сложнее. В домашних условиях для этого используется инвертор
- это генератор периодического напряжения из постоянного, по форме приближённого к синусоиде.
Трансформатор 220 на 24 вольта где применяется? На самом деле устройства данного типа необходимы для различных электроприборов, которые способны работать от сети в 24 В. Для этого от розетки 220 В нужно преобразовать. С этой целью подбираются трансформаторы.
К оборудованию на 24 В относятся компрессоры, распределители и также электродвигатели. Также многие приводы работают от сети с В данном случае важно отметить, что трансформаторы выпускаются различной мощности. На сегодняшний день на рынке представлены модели даже на 20 Вт. Однако есть очень мощные модификации, которые активно используются на производстве.
Устройство простого трансформатора
Основным элементом трансформатора является реле. Непосредственно катушки устанавливаются с различными обмотками. Магнитопроводы имеются с сердечниками. По параметру проводимости тока они довольно сильно различаются. Также важно упомянуть, что в некоторых модификациях предусмотрены специальные расширители. В данном случае многое зависит от параметра рабочей частоты.
Изоляторы в трансформаторах предназначены для защиты сердечника от перегрузок. Для выпрямления постоянного тока в устройствах устанавливаются трансиверы. Выпускаются они ортогонального и подстроечного типа.
Понижающие модификации
Понижающий трансформатор с 220 на 24 вольта часто встречается с мощностью от 100 Вт. Используются устройства данного типа, как правило, для электроприводов. Магнитопроводы с реле у многих моделей имеются с ленточными сердечниками. Также важно отметить, что обмотки в устройствах на 3 кВт устанавливаются концентрические. Однако на рынке представлены модификации с трехслойными аналогами. Всего выводов у понижающих устройств имеется два.
Некоторые модификации выпускаются с клеммами. Весит понижающий трансформатор 220 на 24 вольта не более 5 кг. По параметру проводимости тока модели довольно сильно различаются. В данном случае необходимо учитывать тип трансивера. Отечественные трансформаторы в основном продаются с ортогональными аналогами. Однако зарубежные компании отдают предпочтение подстроченным трансиверам. Показатель перегрузки тока у моделей в среднем составляет 5,5 А. Некоторые устройства выпускаются с переключателями для регулировки фазы.
Тороидальные модели
Трансформатор тороидальный 220 на 24 вольта отличается тем, что в нем предусмотрен компаратор. За счет указанного элемента осуществляется изменение тактовой частоты от сети. Также важно упомянуть о том, что многие устройства оснащены стабилитронами. Магнитопроводы в аппаратах устанавливаются обычные.
Непосредственно обмотки для трансформаторов используются концентрического типа. Применяются данные устройства чаще всего для двигателей небольшой мощности. Также они подходят для многих типов компрессоров. Регуляторы в устройствах, как правило, отсутствуют. Изоляторы применяются композитного типа. В среднем параметр проводимости тока у моделей не превышает 50 мкСм. В свою очередь перегрузку аппараты с мощность 80 Вт способны выдерживать в 3 А.
Масляные модели
Масляный трансформатор 220 на 12-24 вольта оснащается специальным теплообменником. Непосредственно для охлаждающей жидкости используются каналы. Сердечники во многих модификациях предусмотрены ленточного типа. Обмотки чаще всего применяются трехслойные. Отдельного внимания заслуживают реле. Устанавливаются они с различной проводимостью. В среднем для масляных конфигураций указанный параметр колеблется в районе 60 мкСм.
Катушки в устройствах устанавливаются с магнитопроводами. Непосредственно выводов для подключения оборудования имеется два. Некоторые конфигурации производятся с клеммами. Для электроприводов масляные устройства подходят идеально. Трансиверы во всех моделях устанавливаются лишь ортогонального типа.
Как сделать устройство своими руками?
Сделать трансформатор 220 на 24 вольта своими руками довольно сложно. В первую очередь для понижающей модификации потребуется большая катушка с хорошей проводимостью тока. Для того чтобы обеспечивать стабильную рабочую частоту, обмотка должна быть предусмотрена концентрического типа. Непосредственно для подключения оборудования применяются выводы, которые представляют собой просто проводники.
В данном случае расширители устанавливаются обычные. Использовать их можно от любого поломанного трансформатора. Если рассматривать модификации с переключателями, то для них придется делать отдельно стойку. Для того чтобы сбои не происходили часто, применяются изоляторы. В наше время наиболее надежными принято считать композитные аналоги.
Модель на 80 Вт
Трансформатор 220 на 24 вольта постоянного тока на 80 Вт больше всего подходит для обычных компрессоров. На производстве модели данного типа встречаются довольно редко. Расход электроэнергии у них незначительный, однако мощности для нормального электропривода однозначно не хватит. Магнитопроводы в устройствах применяются, как правило, с низковольтной обмоткой.
Сердечники при этом встречаются штампованного типа. Если рассматривать конфигурации с высокой проводимостью тока, то у них предусмотрены специальные компараторы. Однако чаще всего устанавливаются обычные отводы. Также существуют модели со стабилизаторами. В данном случае параметр перегрузки тока в среднем составляет 3,5 А. Переключатели у моделей на 80 Вт никогда не используются.
Устройство на 100 Вт
Трансформатор 220 на 24 вольта (100Вт) может применяться для электроприводов. Многие модификации оснащаются надежными системами защиты. Чаще всего производителями указывается маркировка ИП20. Все это говорит о том, что у модели применяется с композитными изоляторами. Если говорить про магнитопроводы, то они используются с вторичной обмоткой.
Довольно часто сердечники встречаются листового типа. Однако штампованных аналогов на рынке имеется много. По качеству листовым сердечникам они не сильно уступают. Проводимость тока у конфигураций на 100 Вт в среднем равняется 70 мкСм. Если говорить про перегрузки, то многое в данной ситуации зависит от производителя. Устройства с трансиверами встречаются редко. Однако трансформаторы на 100 Вт со стабилизаторами пользуются большим спросом.
Трансформатор на 120 Вт
Трансформатор 220 на 24 вольта на 120 Вт подходит для электродвигателей разной мощности. Сердечники во многих конфигурациях устанавливаются листового типа. Магнитопроводы, в свою очередь, имеются с высоковольтной обмоткой. Выводы в устройствах стандартно имеются в количестве двух. Некоторые модели производятся с клеммами для подключения к оборудованию. Системы охлаждения на сегодняшний день существуют различные. Однако чаще всего речь идет об обычном понижении температуры за счет циркуляции воздуха.
Катушки в трансформаторах часто устанавливаются на опорные кольца. В некоторых случаях у моделей есть расширители. Переключатели также используются в трансформаторах. Трансиверы применяются как ортогонального, так и подстроечного типа. В данном случае многое зависит от показателя рабочей частоты сети. Если она не превышает 40 Гц, то можно смело использовать ортогональные трансиверы. В противном случае для нормальной эксплуатации устройства подходят лишь подстроечные компоненты. Стабилизаторы применяются довольно редко.
Однодиапазонные устройства
Однодиапазонный трансформатор 220 на 24 вольта способен эксплуатироваться в сети с частотой ниже 45 Гц. В данном случае во всех моделях устанавливаются компараторы. За счет них показатель проводимости тока можно легко стабилизировать. Трансиверы встречаются в основном ортогональные. Непосредственно изоляторы уславливаются у моделей композитные. Магнитопроводы для преобразования тока применяются на высоковольтной обмотке. Катушки в данном случае обязательно имеются с опорными кольцами. Теплообменники у однодиапазонных трансформаторов отсутствуют.
Многодиапазонные модификации
Многодиапазонный трансформатор 220 на 24 вольта способен довольно просто использоваться от сети с частностью свыше 45 Гц. Скачки в системе происходят у моделей редко. За счет этого электрооборудование работает более качественно, и расход электроэнергии не сильно большой. Компараторы в таких модификациях имеются двухполюсного типа.
Проводимость тока у моделей превышает 80 мкСм. В свою очередь параметр перегрузки составляет обычно 5,5 А. Изоляторы в данном случае устанавливаются на отводах. Для избегания различных электромагнитных сбоев применяются переключатели. Теплообменники в конструкциях используются различной емкости. Для укрепления их применяются опоры и рейки. Система охлаждения у многих моделей предусмотрена жидкостного типа. Магнитопроводы используются с высоковольтной обмоткой.
Трансформаторы с диэлектриками
Модели с диэлектриками используются для компрессоров. На производстве устройства данного типа являются довольно востребованными. Они способны работать от однофазной цепи.
Также важно учитывать, что частотность моделей в среднем равняется 35 Гц. Таким образом, большие перегрузки тока происходят редко. Изоляторы в представленных моделях не применяются. Непосредственно диэлектрики устанавливаются возле магнитопровода.
Эпоха научно-технического прогресса требует измерять всё. Электрические сети не являются исключением. Для проведения этих измерений важно знать, в каких единицах измеряется напряжение. В самой распространённой системе СИ единица измерения напряжения обозначается 1 Вольт или сокращённо – 1В. Может также обозначаться 1V. Это обозначение выбрано в честь физика из Италии Алессандро Вольта.
Что такое электрическое напряжение
Оно не может существовать само по себе, как вес. Есть два случая, требующих его измерения:
- Между разными узлами электрической цепи или концами проводника. 1 Вольт – это такой потенциал, при котором ток величиной 1 Ампер выделяет 1 Ватт мощности;
- Измерение напряженности электростатического поля проводится между двумя точками поля. Единица напряжения 1 Вольт – это такой потенциал, при котором заряд 1 Кулон совершает работу 1 Джоуль.
Эффект Джозефсона
С 1990 года есть ещё одно определение электрического напряжения. Его значение связано с эталоном частоты и цезиевыми часами. При этом используется нестационарный эффект Джозефсона6 при облучении специальной матрицы излучением на частоте 10-80 ГГц на ней появляется потенциал, величина которого не зависит от условий эксперимента.
Действующее значение напряжения
Определение величины электрического потенциала между участками сети производится по количеству тепла или работе, совершённой за определённое время. Но это справедливо только для постоянного тока. Переменное напряжение имеет синусоидальную форму. В максимуме амплитуды оно максимально, а при переходе от положительной полуволны к отрицательной равно нулю.
Поэтому для расчётов используется среднее значение, которое называется «действующее значение», при расчетах приравнивающееся к постоянному той же величины.
От максимального оно отличается в 1,4 раза или √2. Для сети 220В максимальное значение составляет 311В. Это имеет значение при выборе конденсаторов, диодов и других элементов электронных схем.
Определение величины напряжения
Чем измеряется напряжение? Это производится специальным прибором – вольтметром. Он может иметь различную конструкцию, быть цифровым или стрелочным, но его сопротивление должно быть максимально возможным, а ток – минимальным. Это необходимо для того, чтобы свести к минимуму влияние прибора на сеть и потери в проводах, идущих от источника питания к вольтметру.
Сеть постоянного тока
Эти измерения производятся магнитоэлектрическими приборами. В последнее время широко используются устройства с цифровым табло.
Самый простой способ – прямое подключение прибора к месту измерения. Это возможно при соблюдении ряда условий:
- Предел измерения больше ожидаемого максимума. Если оно до начала измерений неизвестно, то следует выбрать наибольший предел и последовательно его уменьшать;
- Соблюдение полярности подключения. При неправильном подключении стрелка отклонится в обратную сторону, а цифровое табло покажет отрицательную величину.
Если предел измерений недостаточен, то его можно расширить при помощи добавочного сопротивления. Оно может быть внешним или внутренним. Можно использовать несколько сопротивлений и переключать их для изменения предела прибора. Так устроен мультиметр.
Сеть переменного тока
Напряжение измеряется в сети переменного электрического тока приборами всех типов, кроме магнитоэлектрических. Эти устройства можно использовать, только подключив их к выходу выпрямителя.
Для увеличения предела измерения есть несколько способов. Для этого к прибору подключается дополнительно одно из устройств:
- добавочные сопротивления;
- при неизменной частоте сети вместо сопротивления используются конденсаторы;
- самый распространённый вариант – применение трансформатора напряжения.
Требования к измерительным устройствам и дополнительным приспособлениям такие же, как к устройствам постоянного тока.
Ток – это движение электронов в определенном направлении. Оно нужно, чтобы в наших устройствах тоже двигались электроны. Откуда берется ток в розетке?
Электростанция преобразует кинетическую энергию электронов в электрическую. То есть, гидроэлектростанция использует проточную воду для вращения турбины. Пропеллер турбины вращает клубок меди между двух магнитов. Магниты заставляют электроны в меди двигаться, из-за этого начинают двигаться электроны в проводах, которые присоединены к клубку меди - получается ток.
Генератор - как насос для воды, а провод - как шланг. Генератор-насос качает электроны-воду через провода-шланги.
Переменный ток - это тот ток, который у нас в розетке. Он называется переменным, потому что направление движения электронов постоянно меняется. У переменного тока из розеток бывает разная частота и электрическое напряжение. Что это значит? В российских розетках частота 50 герц и напряжение 220 вольт. Получается, что за секунду поток электронов 50 раз меняет направление движения электронов и заряд с положительного на отрицательный. Смену направлений можно заметить в флуоресцентных лампах, когда их включаешь. Пока электроны разгоняются, она несколько раз мигает - это и есть смена направлений движения. А 220 вольт - это максимально возможный «напор», с которым движутся электроны в этой сети.
В переменном токе постоянно меняется заряд. Это значит, что напряжение составляет то 100%, то 0%, то снова 100%. Если бы напряжение было 100% постоянно, то понадобился бы провод огромного диаметра, а с меняющимся зарядом провода могут быть тоньше. Это удобно. По небольшому проводу электростанция может отправить миллионы вольт, потом трансформатор для отдельного дома забирает, например 10000 вольт, и в каждую розетку выдает по 220.
Постоянный ток - это ток, который у вас в телефонном аккумуляторе или батарейках. Он называется постоянным, потому что направление движения электронов не меняется. Зарядные устройства трансформируют переменный ток из сети в постоянный, и уже в таком виде он оказывается в аккумуляторах.
Выбор сечения провода для постоянного тока. Падение напряжения (пояснения в статье)
Говорят, что в своё время между Эдисоном и Тесла проходило соперничество – какой ток выбрать для передачи на большие расстояния – переменный или постоянный? Эдисон был за то, чтобы для передачи электричества использовать постоянный ток. Тесла утверждал, что переменный ток легче передавать и преобразовывать.
Впоследствии, как известно, победил Тесла. Сейчас повсеместно используется переменный ток, в России с частотой 50 Гц. Такой ток дешевле передавать на большие расстояния. Хотя, есть и линии электропередач постоянного тока специального применения.
А если использовать высокие напряжения (например, 110 или 10 кВ), то выходит значительная экономия на проводах, по сравнению с низким напряжением. Об этом я рассказываю в статье про то, .
Забегая вперед, скажу, что расчет сечения провода для постоянного тока строится на двух критериях:
- Падение напряжения (потери)
- Нагрев провода
Первый пункт для постоянного тока наиболее важен, а второй лишь вытекает из первого.
Теперь обстоятельно, по порядку, для тех, кто хочет ПОНИМАТЬ.
Падение напряжения на проводе
Статья будет конкретная, с теоретическими выкладками и формулами. Кому не интересно, что откуда и почему, советую перейти сразу к Таблице 2 – Выбор сечения провода в зависимости от тока и падения напряжения.
2. Синий цвет – когда применение слишком толстого провода экономически и технически нецелесообразно и дорого. За порог взял падение менее 1 В на длине 100 м.
Как пользоваться таблицей выбора сечения?
Пользоваться таблицей 2 очень просто. Например, нужно запитать некое устройство током 10А и постоянным напряжением 12В. Длина линии – 5 м. На выходе блока питания можем установить напряжение 12,5 В, следовательно, максимальное падение – 0,5В.
В наличии – провод сечением 1,5 квадрата. Что видим из таблицы? На 5 метрах при токе 10 А потеряем 0,1167 В х 5м = 0,58 В. Вроде бы подходит, учитывая, что большинство потребителей терпит отклонение +-10%.
Но. ПрОвода ведь у нас фактически два, плюс и минус, эти два провода образуют кабель, на котором и падает напряжение питания нагрузки. И так как общая длина – 10 метров, то падение будет на самом деле 0,58+0,58=1,16 В.
Иначе говоря, при таком раскладе на выходе БП 12,5 Вольт, а на входе устройства – 11,34. Этот пример актуален для .
И это – не учитывая переходное сопротивление контактов и неидеальность провода (“проба” меди не та, примеси, и т.п.)
Поэтому такой кусок кабеля скорее всего не подойдет, нужен провод сечением 2,5 квадрата. Он даст падение 0,7 В на линии 10 м, что приемлемо.
А если другого провода нет? Есть два пути, чтобы снизить потерю напряжения в проводах.
1. Надо размещать источник питания 12,5 В как можно ближе к нагрузке. Если брать пример выше, 5 метров нас устроит. Так всегда и делают, чтобы сэкономить на проводе.
2. Повышать выходное напряжение источника питания. Это черевато тем, что с уменьшением тока нагрузки напряжение на нагрузке может подняться до недопустимых пределов.
Например, в частном секторе на выходе трансформатора (подстанции) устанавливают 250-260 Вольт, в домах около подстанции лампочки горят как свечи. В смысле, недолго. А жители на окраине района жалуются, что напряжение нестабильное, и опускается до 150-160 Вольт. Потеря 100 Вольт! Умножив на ток, можно вычислить мощность, которая отапливает улицу, и кто за это платит? Мы, графа в квитанции “потери”.
Вывод по выбору сечения провода для постоянного напряжения:
Чем короче и толще провод, по которому течет постоянный ток, тем меньше падение напряжения на нём, тем лучше . То есть, потеря напряжения в проводах минимальна.
Если смотреть на таблицу 2, нужно выбирать значения сверху-справа, не переходя в “синюю” зону.
Для переменного тока ситуация та же, но вопрос не стоит столь остро – там мощность передается за счет повышения напряжения и понижения тока. См. формулу (1).
В заключение – таблица, в которой падение постоянного напряжения задано пределом 2% , а напряжение питания равно 12 В. Искомый параметр – максимальная длина провода.
Внимание! Имеется ввиду двухпроводная линия, например кабель, содержащий 2 провода. То есть, тот случай, когда через кабель длиной 1 м ток делает путь 2 м, туда-сюда. Я привёл этот вариант, т.к. он чаще всего встречается на практике. Для одного провода, чтобы узнать падение на нём напряжения, надо число внутри таблицы умножить на 2. Спасибо внимательным читателям!
Таблица 3. Максимальная длина провода для падения постоянного напряжения 2%.
S,мм² 1 1,5 2,5 4 6 10 16 25 35 50 75 100 1 7 10,91 17,65 28,57 42,86 70,6 109,1 176,5 244,9 – – – 2 3,53 5,45 8,82 14,29 21,4 35,3 54,5 88,2 122,4 171,4 – – 4 1,76 2,73 4,41 7,14 10,7 17,6 27,3 44,1 61,2 85,7 130,4 – 6 1,18 1,82 2,94 4,76 7,1 11,7 18,2 29,4 40,8 57,1 87 117,6 8 0,88 1,36 2,2 3,57 5,4 8,8 13,6 22 30,6 42,9 65,25 88,2 10 0,71 1 1,76 2,86 4,3 7,1 10,9 17,7 24,5 34,3 52,2 70,6 15 – 0,73 1,18 1,9 2,9 4,7 7,3 11,8 16,3 22,9 34,8 47,1 20 – – 0,88 1,43 2,1 3,5 5,5 8,8 12,2 17,1 26,1 35,3 25 – – – 1,14 1,7 2,8 4,4 7,1 9,8 13,7 20,9 28,2 30 – – – – 1,4 2,4 3,6 5,9 8,2 11,4 17,4 23,5 40 – – – – – 1,8 2,7 4,4 6,1 8,5 13 17,6 50 – – – – – – 2,2 3,5 4,9 6,9 10,4 14,1 100 – – – – – – – 1,7 2,4 3,4 5,2 7,1 150 – – – – – – – – – 2,3 3,5 4,7 200 – – – – – – – – – – 2,6 3,5 Наша полторашка по этой таблице может иметь длину только 1 метр. Падать на ней будет 2%, или 0,24В. Проверяем по формуле (4) – всё сходится.
Если напряжение выше (например, 24 В постоянного тока), то и длина может быть соответственно больше (в 2 раза).
Всё вышесказанное относится не только к постоянному, но и вообще к низкому напряжению. И при выборе площади сечения в таких случаях следует руководствоваться не только нагревом провода, но и падением напряжения на нём. Например, при .
Прошу прокомментировать статью, у кого как теория совпадает с практикой?
