Постоянный и переменный ток — история великой битвы

ЭЛЕКТРОТЕХНИКА

Электротехника - это область науки и техники, изучающая электрические и магнитные явления и их использование в целях получения, преобразования, передачи и потребления электрической энергии.

Электроника – (выделилась из электротехники) - это область науки и техники, изучающая электрические и магнитные явления и их использование в целях получения, преобразования, передачи и потребления информации.

 

Продукты электротехники мы видим каждый день. Это электрооборудование домов (освещение и электроплиты, телевизоры и телефоны, пылесосы и вентиляторы), оборудование предприятий (электропривод станков и оборудования, устройства измерения и контроля производственными процессами).

 

Постоянный и переменный ток — история великой битвы

Электроэнергия в современном мире существует в двух видах – постоянный и  переменный ток. Разница между ними принципиальная и то, что доступно одному виду электричества, недоступно другому.

 

Постоянный ток, его происхождение и применение

От источников постоянного тока запитан компьютер и все его микросхемы. Постоянный ток протекает в фонарике и мобильном телефоне, в автомобиле и движет поезда на железной дороге.

Получают постоянный ток различными способами. Самый древний из них – химический, основанный на возникновении разницы потенциалов между проводниками из разных материалов, помещенных в кислую или щелочную среду. Археогами, производящими раскопки в долине Евфрата, были найдены керамические сосуды в жилищах некоторых ювелиров. Сосуды имели устройство, схожее с гальванической батареей и соединялись между собой медной проволокой. Когда ради эксперимента заполнили один из сосудов кислотой, получили на его полюсах потенциал, равный полутора вольтам! Оказалось, что блоки батарей древние ювелиры применяли для гальванического покрытия изделий различными металлами.

Химические батареи (аккумуляторы) и сегодня в ходу, только в усовершенствованном виде. Более современные источники постоянного тока – фотоэлементы, позволяющие получать разницу потенциалов при облучении их Солнцем. Генераторы постоянного тока, которые приводят в действие при помощи, прилагаемой снаружи механической энергии, наиболее распространены в ветроустановках.

Имеются ограничения, которые препятствуют использованию постоянного тока в повседневной деятельности. Связано это с большими потерями в проводниках. При увеличении расстояния повышается электрическое сопротивление проводов, растут потери на их нагрев. Снизить потери можно либо снижая электрическое сопротивление проводов (делая их толще или изготавливая их из другого материала), либо повышая напряжение (что приводит к уменьшению силы тока). Чтобы вчетверо снизить потери, приходится либо вчетверо снижать сопротивление, либо вдвое повышать напряжение. Поскольку эффективных способов изменять напряжение постоянного тока в те времена не существовало, в электростанциях Эдисона использовалось напряжение, близкое к потребительскому— от 100 до 200 В. Это не позволяло передавать большие мощности на значительные расстояния. В результате потребители электрической энергию должны быть расположены на расстоянии, не превышающем 1,5 км от электростанции.

Это заставило искать иные способы передачи электроэнергии на большие расстояния. Напряжение переменного тока легко изменяется (повышается и понижается) с помощью трансформаторов. Это даёт возможность передавать ток по высоковольтным магистральным линиям на сотни километров. Коммутация проводников постоянного тока, находящихся под нагрузкой, требует более сложных переключателей, так как при размыкании цепи постоянного тока возникает более устойчивая электрическая дуга, чем при размыкании цепей переменного тока.

 

История

Первые электросети

В 1878 году Эдисон основывает компанию «Эдисон электрик лайт» (сегодня General Electric). К 1879 году закончилась доводка электрической лампочки — одна лампа служила свыше 12 часов. Это число может показаться весьма скромным, но альтернативами в те времена были только свеча, керосиновая лампа и газовое освещение. В 1880 году Эдисон патентует всю систему производства и распространения электроэнергии, которая включала три провода — нулевой, +110 и −110 В (это снижало материалоёмкость при тех же потерях энергии). Одновременно был продемонстрирован невиданный доселе срок жизни лампочки — 1200 часов. Именно тогда Эдисон сказал: «Мы сделаем электрическое освещение настолько дешёвым, что только богачи будут жечь свечи».

В январе 1882 года Эдисон запускает первую электростанцию в Лондоне, а несколькими месяцами позже — в Манхэттене. К 1887 году в США существовало более сотни электростанций постоянного тока, работавших на трёхпроводной системе Эдисона.

Появление переменного тока

В отличие от Эдисона, который проявил себя неутомимым экспериментатором и умелым бизнесменом, сторонники переменного тока основательно знали математику и физику. Ознакомившись с патентом Эдисона, Джордж Вестингауз обнаружил слабое звено его системы — большие потери мощности в проводах.

В 1881 году Люсьен Голар (Франция) и Джон Гиббс (Великобритания) демонстрируют первый трансформатор, пригодный для работы на высоких мощностях. В 1885 Вестингауз покупает несколько трансформаторов Голара — Гиббса и генератор переменного тока производства Siemens & Halske и начинает эксперименты. Через год начинает работу первая 500-вольтовая ГЭС переменного тока в Грейт-Баррингтоне (штат Массачусетс).

Распространению переменного тока мешало отсутствие соответствующих моторов и счётчиков. В 1882 году Тесла изобретает многофазный электромотор, патент на который был получен в 1888 году. В 1884 году Тесла появляется в США. После года успешной работы Эдисон отказывает Тесле в повышении зарплаты, и Тесла уходит к Вестингаузу. В 1888 году появляется первый счётчик переменного тока.

Противостояние

ереход на переменный ток должен был стать финансовым поражением Эдисона, который зарабатывал немалую часть денег на патентных отчислениях. Эдисон подал в суд за нарушение более десятка патентов, но решение суда было не в его пользу.

Тогда Эдисон занялся чёрным пиаром: публично демонстрируя убийства животных переменным током рекламировал «безопасное» постоянное напряжение и предостерегал от «опасного» переменного. К тому же примерно в это же время некто Поуп был убит трансформатором с повреждённой изоляцией, стоявшим у него в подвале; это происшествие широко освещалось прессой. Наконец, в 1887 году финансируемый Эдисоном инженер Гарольд Браун предложил идею убивать преступников электричеством — разумеется, «опасным» переменным, а не «безопасным» постоянным.

Вестингауз, ярый противник использования электричества для казни, отказался поставлять генераторы переменного тока для этой цели (добывать их пришлось окольными путями), нанял адвокатов приговорённому к казни на электрическом стуле Кеммлеру, который убил свою сожительницу топором. Адвокаты требовали отменить приговор как противоречащий конституции США, запрещающей «жестокие и необычные наказания». Несмотря на их старания, в 1890 году произошла первая казнь на электрическом стуле. Эдисон подкупил газетчика, и на следующий день в газете появилась статья «Вестингауз казнил Кеммлера». Казнь выглядела настолько ужасно, что Вестингауз ответил на это однозначно: «Топором бы у них вышло лучше».

В 1891 году трёхфазная система переменного тока, разработанная М. О. Доливо-Добровольским в компании AEG, была представлена на выставке в Франкфурте-на-Майне. В 1893 году Вестингауз и Тесла выиграли заказ на освещение Чикагской ярмарки 200 тысячами электрических лампочек. В 1896 году компания Вестингауза выиграла тендер на строительство крупнейшей на ту пору электростанции на Ниагарском водопаде. По словам Теслы, «мощности водопада хватит на все США». Чтобы примирить Вестингауза и Эдисона, последнему досталось строительство линии электропередачи, ведущей от электростанции в Буффало — ближайший крупный город.

Ещё одним фактом в пользу переменного тока послужила покупка Эдисоном компании Томсон-Хьюстон, занимающейся изучением и строительством агрегатов, основанных на переменном токе.

Закон Кирхгоффа.

Закон Кирхгоффа на примере

Согласно этому закону сумма токов вошедших и вышедших из узела равна нулю, причем токи втекающие в узел принято обозначать с плюсом, а вытекающие с минусом. По аналогии с нашей канализацией – вода из одной мощной трубы разбегается по мелким. Данное правило позволяет вычислять примерный потребляемый ток, что необходимо при расчете принципиальных схем.

Мощность и потери

Мощность которая расходуется в цепи выражается как произведение напряжения на ток.

Р = U * I
Потому чем больше ток или напряжение, тем больше мощность. Т.к. резистор (или провода) не выполняет какой-либо полезной нагрузки, то мощность, выпадающая него это потери в чистом виде. В данном случае мощность можно через закон ома выразить так:

P= R * I²

Как видишь, увеличение сопротивления вызывает увеличение мощности расходующееся на потери, а если возрастает ток, то потери увеличиваются в квадратичной зависимости. В резисторе вся моща уходит в нагрев. По этой же причине, кстати, аккумуляторы нагреваются при работе – у них тоже есть внутреннее сопротивление, на котором и происходит рассеяние части энергии.

Резистор, о н же сопротивление. На схеме выглядит белым узким прямоугольником (на буржуйских схемах часто обозначен угловатой пружинкой). Замечательная деталь! Отличается тем, что не делает вообще ничего. Тупо потребляет энергию и греется на этом. Основное предназначение  - либо токоограничение, либо перераспределение напряжения. Непонятно? Сейчас поясню. Вот, например, светодиод. Ему для работы нужен мизерный ток, порядка 20 миллиампер, но вот беда – его сопротивление мало, поэтому если его воткнуть напрямую в 5 вольт, то через него ломанется ток в 400 миллиампер. От такой нагрузки бедняжка пожелтеет, позеленеет, а потом и вовсе загнется, источая вонь. Что делать? Правильно – поставить последовательно ему резистор, чтобы он ограничил ток, не пустив излишнюю мощу на хилый диодик. Даже если диод теперь тупо закоротить, то ток в цепи не превысит того, который разрешит резистор, исходя из закона Ома. Второе популярное применение это делители напряжения. Цель делителя — разделить входное напряжение пропорционально номиналам резисторов и подать часть этого напряжения в нужную точку схемы. Делитель представляет из себя два последовательно соединенных резистора. Один из которых подсоединен к точке нулевого потенциала (корпус), а второй к напряжению которое нужно поделить. Средняя точка между резисторам это выход нашего поделенного напряжения. Ток в последовательной цепи везде одинаков, а вот сопротивление разное, а значит напряжение (по закону Ома) разделится на резисторах пропорционально их сопротивлениям. Одинаковые резисторы – напряжение пополам, а если нет, то уже надо вычислять где как.

Применение резистора

КОНДЕНСАТОР, он же емкость. Еще один вид пассивных элементов. На схеме обозначен как две одинаковые параллельные черточки. В отличии от резистора, конденсатор это нелинейный элемент. По нашей водной аналогии его можно сравнить с резиновым баком. Вначале, когда он пуст, вода его заполняет, растягивая стенки. Постепенно, когда стенки растянутся до предела, его сопротивление возрастет настолько, что поток воды остановится. А если убрать внешнее давление, то хлынет обратно. Так же и электрический конденсатор, когда он не заряжен, то его сопротивление можно принять нулю, а вот когда зарядится, то бесконечностью, обрывом. Ток через него идет только лишь в момент заряда или разряда. После отсоединения источника тока конденсатор сам начинает действовать как источник, пока не разрядится. Конденсаторы в электронике используют в основном как фильтрующие элементы, удаляющие помехи. Здоровенные конденсаторы на силовых цепях в блоках питания служат для подпитки системы при пиковых нагрузках, сглаживая просадки напряжения. Основан этот эффект на том, что конденсатор не пропускает постоянный ток, вот переменная составляющая через него проходит на ура. Сопротивление конденсатора переменной составляющей тока зависит от частоты этой составляющей. Чем выше частота, тем меньше сопротивление конденсатора. В итоге, все высокочастотные помехи, идущие поверх постоянного напряжения, глушатся через конденсатор на землю, оставляя после себя чисто постоянное напряжение. Сопротивление конденсатора переменной составляющей также зависит и от емкости кондера, поэтому ставя конденсаторы с разной емкостью можно отсеять разные частоты.

Емкостное сопротивление рассчитывается так:
Хс = 1/w*C
Где Хс – емкостное сопротивление в омах
С – емкость в фарадах
w – угловая частота переменной составляющей в радиан/с

Применение конденсатора

Конденсатор может служить времязадающим элементов в разного рода генераторах – от него будет зависеть частота генерации, либо в качестве формирователя импульса.

Индуктивность. В народе катушка. Грубо говоря, это кусок проволоки намотанный на каркас. В эту группу входят дроссели, разного рода фильтры, а также некоторые антенны. Также индуктивностью обладает всё, что имеет обмотку, например двигатели или электромагниты. А значит это надо будет учитывать при проектировании цепей. Увязать индуктивность в нашу водную теорию было нелегко, но немного пораскинув мозгами мы таки придумали. В гидро модели катушка похожа на турбину с неслабой инерцией, где величина инерция является прообразом индуктивности. На стабильно текущий поток турбина, будучи раскрученной этим же потоком, не влияет никак, но стоит потоку ослабнуть, как турбина начнет за счет своей инерции подталкивать его. И наоборот, если турбина остановлена, то при появлении потока она будет его тормозить, пока не раскрутится. Чем больше инерция, тем сильней будет сопротивление изменению потоку.

Так и катушка индуктивности препятствует изменению тока, протекающего через неё. Основное применение катушки в колебательных контурах генераторов и в фильтрах. Т.к. катушка имеет отличное свойство пропускать через себя постоянную составляющую и подавлять переменную. В паре с конденсатором они образуют фильтр.

 

Пример использования индуктивности

Диод. Это такая хитрая фиговина, пропускающая ток только в одну сторону. Его можно сравнить с ниппелем. Применяется, например, в выпрямителях, когда из переменного тока делают постоянный. Или когда надо отделить обратное напряжение от прямого. Выводы диода называют анодом и катодом. Ток течет от анода к катоду. Запомнить где какой вывод очень просто: на условном обозначнеии стрелочка и палочка со стороны к атода как бы рисуют букву К вот, смотри — К |—. К= Катод! А на детали катод обозначается полоской или точкой.

 

Так работает диод

Есть еще один интересный тип диода – стабилитрон. Особенностью его является то, что в прямом направлении он работает как обычный диод, а вот в обратном его срывает на каком-либо напряжении, например на 3.3 вольта. Подобно ограничительному клапану парового котла, открывающемуся при превышении давления и стравливающему излишки пара. Стабилитроны используют когда хотят получить напряжение заданной величины, вне зависимости от входных напряжений. Им можно обрезать входящий сигнал до нужной величины или используют его как защиту.

Также есть такой зверь как супрессор. Тот же стабилитрон, только более мощный и часто двунаправленный. Используется для защиты по питанию.

 

Транзистор. В общем, транзистор можно сравнить с управляемым вентилем, где крохотным усилием мы управляем мощнейшим потоком. Чуть повернул рукоятку и тонны дерьма умчались по трубам, открыл посильней и вот уже все вокруг захлебнулось в нечистотах. Т.е. выход пропорционален входу умноженному на какую-то величину. Этой величиной является коэффициент усиления.

Делятся эти девайсы на полевые и биполярные.

В биполярном транзисторе есть эмиттер, коллектор и база (смотри рисунок условного обозначения). Эмиттер он со стрелочкой, база обозначается как прямая площадка между эмиттером и коллектором. Между эмиттером и коллектором идет большой ток полезной нагрузки, направление тока определяется стрелочкой на эмиттере. А вот между базой и эмиттером идет маленький управляющий ток. Грубо говоря, величина управляющего тока влияет на сопротивление между коллектором и эмиттером. Биполярные транзисторы бывают двух типов: p-n-p и n-p-n принципиальная разница только лишь в направлении тока через них.

Полевой транзистор отличается от биполярного тем, что в нем сопротивление канала между истоком и стоком определяется уже не током, а напряжением на затворе. Последнее время полевые транзисторы получили громадную популярность (на них построены все микропроцессоры), т.к. токи в них протекают микроскопические, решающую роль играет напряжение, а значит потери и тепловыделение минимальны.

 

Обозначение транзисторов или камень преткновения всех студентов. Как запомнить тип биполярного транзистора по его условной схеме? Представь что стрелочка это направление твоего движения на машине… Если едем в стенку то дружный вопль «П исец Н ам П исец

Короче, транзистор позволит тебе слабеньким сигналом управлять мощной нагрузкой типа реле, двигателя или лампочки. Если не хватит усиления одного транзистора, то их можно соединять каскадами – один за другим, все мощней и мощней.

 

Есть ещё один очень важный момент, о котором нужно знать. Все источники имеют максимальный отдаваемый ток, если этот ток превысить – источник может нагреться, выйти из строя, а в худшем случае загореться. Самый благоприятный исход это когда источник имеет защиту от перегрузки по току, в таком случае он просто отключит ток. Как мы помним из закона ома, чем меньше сопротивление, тем выше ток. То есть если взять в качестве нагрузки кусок провода, то есть замкнуть источник самого на себя, то сила тока в цепи подскочит до огромных значений, это называется короткое замыкание. Если подставить нулевое сопротивление в закон ома то мы получим бесконечно большой ток. На практике такое конечно не происходит, потому что источник имеет внутреннее сопротивление, которое подключено последовательно. Этот закон называется закон ома для полной цепи. Сейчас давайте вернёмся к максимальному току, который может выдать источник питания. Утрирую: есть блок питания на 12 вольт и 50 ампер. Если я подключу к нему маленький кусочек светодиодной ленты, она не сгорит? Нет, конечно же она не сгорит. 50 ампер – это максимальный ток, который способен выдать источник. Если ты подключишь к нему кусочек ленты, она возьмёт свои ну допустим 100 миллиампер, и все. Другое дело, если возьмёшь километр светодиодной ленты и подключишь его к этому блоку питания, то ток там будет выше допустимого, и блок питания скорее всего перегреется и выйдет из строя. Именно потребитель определяет величину тока в цепи. Если блок может выдать максимум 2 ампера, если его закоротить на болтик, с болтиком ничего не происходит. А вот блоку питания это не понравится. Аесли взять источник, способный выдать десятки ампер, такая ситуация не понравится уже болтику.

 

И напоследок коротенько о технике безопасности. Здесь вы можете видеть, до каких значений электричество считается неопасным для жизни человека.

ЭЛЕКТРОТЕХНИКА

Электротехника - это область науки и техники, изучающая электрические и магнитные явления и их использование в целях получения, преобразования, передачи и потребления электрической энергии.

Электроника – (выделилась из электротехники) - это область науки и техники, изучающая электрические и магнитные явления и их использование в целях получения, преобразования, передачи и потребления информации.

 

Продукты электротехники мы видим каждый день. Это электрооборудование домов (освещение и электроплиты, телевизоры и телефоны, пылесосы и вентиляторы), оборудование предприятий (электропривод станков и оборудования, устройства измерения и контроля производственными процессами).

 

Постоянный и переменный ток — история великой битвы

Электроэнергия в современном мире существует в двух видах – постоянный и  переменный ток. Разница между ними принципиальная и то, что доступно одному виду электричества, недоступно другому.