Источник тока

Такое понятие, как источник тока, имеет несколько трактовок. Одна из них – это строгое физическое определение, другая – устоявшийся термин, причем не только в бытовой среде, но и среди профессионалов. Оба варианта имеют право на существование в том случае, если из прямых указаний или из контекста ясно, какое из определений имеется в виду.

Обозначение на электрических схемах

Что такое источник тока

Будучи синонимами, оба термина имеют различное значение, хотя и относятся к электротехнике. Что они означают:

• Элемент электрической цепи, создающий постоянный ток, значение которого не зависит от сопротивления нагрузки и напряжения. Может иметь равнозначные термины: идеальный источник тока или токовый генератор. Данная формулировка используется в теоретической электротехнике для описания работы электрических цепей;
• Устройство электропитания (электрической энергии). Устоявшаяся терминология в практической области. Может означать источники питания постоянного тока (химические, аккумуляторы и т.д.), переменного тока (генераторы, трансформаторы).

Теоретическая электротехника

Источник тока, как и источник напряжения, используется в электротехнике для моделирования реальных устройств питания цепей с некоторыми допущениями.

Идеальный источник характеризуется следующими параметрами:

• Значение тока, протекающего через него, всегда постоянно, вне зависимости от значения нагрузки;
• Выходное напряжение зависит лишь от сопротивления нагрузки и определяется по закону Ома при условии, что I=const:

U=I·R

• Внутренняя проводимость бесконечно мала.

Из определения следует, что при увеличении сопротивления нагрузки напряжение и мощность, которые отдает источник тока, увеличиваются, стремясь к бесконечности.

Реальный источник тока имеет некоторое внутреннее сопротивление, аналогично реальному источнику напряжения, поэтому характеристики будут соответствовать определению только в некотором диапазоне сопротивления нагрузки. В частности, с некоторым приближением, таковым можно считать вторичную обмотку мощного трансформатора тока, включенного в цепь переменного тока.

Реальный источник тока

В теоретической электротехнике существует возможность взаимного преобразования токовых генераторов источников напряжения, то есть можно выбрать наиболее удобное для дальнейших расчетов отображение.

Применение

Источники с характеристиками, приближенными к идеальным, имеют и практическое применение. Яркий пример – зарядное устройство для аккумуляторов. Для заряда современных аккумуляторных батарей используются устройства, которые формируют зарядное напряжение по специальным алгоритмам, но наиболее просто и не менее надежно (особенно для простых кислотных и щелочных батарей) производить зарядку стабильным током до тех пор, пока напряжение на выходе не сравняется с ЭДС аккумуляторной батареи. К ним также можно отнести аппараты для электродуговой сварки, которые стабилизируют ток дуги для получения однородного сварного шва, вне зависимости от длины дуги.

В аналоговой схемотехнике применяются источники, сконструированные на основе биполярных и полевых транзисторов. Они применяются для питания дифференциальных и операционных усилителей, измерительных и сравнивающих мостовых схем.

Токовый генератор

Практическая электротехника

В практической электротехнике источниками тока именуются все, без исключения, устройства питания, хотя большинство из них относится к классу источников напряжения. К ним относятся преобразователи любых видов энергии в электрическую:

• Химические источники тока;
• Физические;
• Вторичные устройства электропитания.

Химические источники тока

К таким устройствам относятся такие, которые вырабатывают электрическую электроэнергию в результате химических процессов, в частности, окислительно-восстановительных реакций. Это:

• Устройства однократного применения – гальванические элементы;
• Устройства многократного применения – аккумуляторы;
• Электрохимические генераторы (топливные элементы).

Гальванические элементы реализуются наиболее просто, чем и объясняется то, что они были созданы самыми первыми. Особенность гальванических элементов – способность работать длительное время при небольших отборах мощности. Отрицательная сторона – при исчерпании запаса энергии химического преобразования элемент подлежит утилизации. Некоторые типы, например, щелочные элементы, допускают регенерацию в конце службы путем заряда со стороны внешнего блока питания, но эффективность таких действий невысока и является временным выходом из положения.

Гальванический элемент

Аккумуляторы рассчитаны на многократное повторение циклов разряд-заряд. Восстановление емкости производится от зарядного устройства. Аккумуляторы способны выдавать в импульсе большие значения мощности, а некоторые типы рассчитаны на длительную работу в буферном режиме.

Количество циклов работы ограничено, но даже с этим условием использование аккумуляторов экономически более выгодно, чем гальванических элементов.

Работа источника тока на электрохимическом генераторе по принципу выработки электроэнергии подобна гальваническому элементу, но в нем используется химическая реакция между веществами, подаваемыми в активную область непрерывно. Срок службы ограничивается запасом химических веществ.

Все химические устройства вырабатывают постоянный ток, и для получения переменного требуется использование преобразователя.

Физические источники

Данные устройства основаны на физических принципах выработки электроэнергии, преобразуя в нее энергию других видов:

• Тепловую;
• Механическую;
• Атомную;
• Солнечную.

Наиболее мощные преобразователи используют первые три типа энергии и работают на одном принципе. Это тепловые, атомные и гидроэлектростанции. Тепло при сгорании углеводородного топлива или распада атомного ядра используется для нагрева жидкости (воды), которая в виде пара под давлением крутит вал турбины генератора.

Гидроэлектростанции используют для вращения генераторов энергию падающей воды.

Все эти генераторы могут вырабатывать переменный или постоянный ток, но, главным образом, первый из них, поскольку его легко трансформировать для других значений напряжения.

Гидроэлектростанция

Существуют устройства, способные преобразовать тепловую энергию в электричество напрямую, без промежуточного использования воды, но они имеют ограниченное распространение из-за низкого КПД и эффективности.

Солнечные элементы (фотоэлементы) производят прямое преобразование энергии света в постоянный ток. В настоящее время КПД промышленных образцов солнечных батарей невысок, для устойчивой работы необходимо наличие прямого попадания солнечных лучей          на фотопреобразователи. Служат основным источником электроэнергии на космических кораблях, работающих на ближайших к солнцу орбитах. С удалением от солнца энергия лучей падает пропорционально квадрату расстояния, поэтому приходится переходить на электрохимические генераторы.

Солнечная батарея

Вторичные источники электропитания

Выходные параметры устройств питания не всегда соответствуют требованиям. Многие области применения требуют подачи различного по величине и другим характеристикам питающего напряжения.

Преобразование к нужным параметрам производится во вторичных блоках электропитания. Схемы построения во многом зависят от типа входного напряжения. Для преобразования напряжения постоянного тока используются, в основном, инверторные преобразователи, которые при помощи мощных транзисторных ключей формируют импульсы высокой частоты. Высокочастотный сигнал поступает на трансформатор, со вторичных обмоток которого снимается необходимое напряжение.

Для преобразования переменного напряжения применяется обычный трансформатор, но может использоваться и инверторная схема с предварительным выпрямлением входного напряжения.

Использование терминов зависит от того, в какой из областей их применение. Для строгости понятий термин «Источник тока» следует использовать только для определения идеального источника, в остальных случаях более корректным будет употребление формулировки «источник напряжения», питания, генератор.

Видео