Виды источников тока

Что такое источники тока

Источники тока – это элементы электрической цепи, который поддерживают энергию с заданными параметрами. При этом, энергоснабжение цепи не зависит от характеристик элементов, входящих в её состав, в частности, сопротивления.

Прибор для выработки тока

Различают идеальные и реальные устройства для выработки тока:

• Идеальные определяются только благодаря гипотезам и теоретическим выкладкам. Так, учёные нередко определяют ряд условий, при которых ток имеет максимальные значения, приближенные к идеалу. То есть, осуществляется имитация идеального источника.
• Реальные условия поддерживают заданные параметры выходного тока и напряжения. Любой прибор обеспечивает свою работу, при условии, что это позволяют сделать его технические характеристики.

Важно! Таким образом, максимальное значение тока и напряжения дают возможность определить, какой именно вариант источника будет использован в цепи – идеальный или реальный.

Какие виды источников тока существуют

Энергия не может возникать из ничего. Об этом говорит закон сохранения энергии. Во всех без исключения источниках, электроэнергия создается за счет других ее видов.

В зависимости от того, какая именно энергия превращается в электрическую, выделяют такие виды (рис. 1) источников:

1. механические – генераторы,
2. тепловые – термопары, термогенераторы,
3. световые (фотоэлектрические) – солнечные батареи и фотоэлементы,
4. химические – гальванические элементы и аккумуляторы.
5.  В зависимости от видов энергии, преобразуемой в электрическую, источники разбивают на группы

Рассмотрим подробнее эти виды.

Механические источники

В этих источниках происходит преобразование механической энергии в электрическую. Преобразование осуществляется в специальных устройствах – генераторах. Основными генераторами являются турбогенераторы, где электрическая машина приводится в действие газовым или паровым потоком, и гидрогенераторы, преобразующие энергию падающей воды в электричество. Большая часть электроэнергии на Земле производится именно механическими преобразователями.

Тепловые источники

Здесь преобразуется в электричество тепловая энергия. Возникновение электрического тока обусловлено разностью температур двух пар контактирующих металлов или полупроводников — термопар. В этом случае заряженные частицы переносятся от нагретого участка к холодному. Величина тока зависит напрямую от разности температур: чем больше эта разность, тем больше электрический ток. Термопары на основе полупроводников дают термоэдс в 1000 раз больше, чем биметаллические, поэтому из них можно изготавливать источники тока. Металлические термопары используют лишь для измерения температуры.

СПРАВКА! Чтобы получить термопару, необходимо соединить 2 различных металла.

В настоящее время разработаны новые элементы на основе преобразования тепла, выделяющегося при естественном распаде радиоактивных изотопов. Такие элементы получили название радиоизотопный термоэлектрический генератор. В космических аппаратах хорошо себя зарекомендовал генератор, где применяется изотоп плутоний-238. Он даёт мощность 470 Вт при напряжении 30 В. Так как период полураспада этого изотопа 87,7 года, то срок службы генератора очень большой. Преобразователем тепла в электричество служит биметаллическая термопара.

Световые источники

С развитием физики полупроводников в конце ХХ века появились новые источники тока – солнечные батареи, в которых энергия света преобразуется в электрическую энергию. В них используется свойство полупроводников выдавать напряжение при воздействии на них светового потока. Особенно сильно этот эффект наблюдается у кремниевых полупроводников. Но всё-таки КПД таких элементов не превышает 15%. Солнечные батареи стали незаменимы в космической отрасли, начали применяться и в быту. Цена таких источников питания постоянно снижается, но остаётся достаточно высокой: около 100 рублей за 1 ватт мощности.

Химические источники

Все химические источники можно разбить на 3 группы:

1. Гальванические
2. Аккумуляторы
3. Тепловые

Гальванические элементы работают на основе взаимодействия двух разных металлов, помещённых в электролит. В качестве пар металлов и электролита могут быть разные химические элементы и их соединения. От этого зависит вид и характеристики элемента.

ВАЖНО! Гальванические элементы используются только разово, т.е. после разряда их невозможно восстановить.

Существует 3 вида гальванических источников (или батареек):

1. Солевые;
2. Щелочные;
3. Литиевые.

Солевые, или иначе «сухие», батарейки используют пастообразный электролит из соли какого-либо металла, помещённый в цинковый стаканчик. Катодом служит графито-марганцевый стержень, расположенный в центре стаканчика. Дешёвые материалы и лёгкость изготовления таких батареек сделали их самыми дешёвыми из всех. Но по характеристикам они значительно уступают щелочным и литиевым.

В щелочных батарейках в качестве электролита используется пастообразный раствор щёлочи — гидрооксида калия. Цинковый анод заменён на порошкообразный цинк, что позволило увеличить отдаваемый элементом ток и время работы. Эти элементы служат в 1,5 раза дольше солевых.

В литиевом элементе анод сделан из лития — щелочного металла, что значительно увеличило продолжительность работы. Но одновременно увеличилась цена из-за относительной дороговизны лития. Кроме того, литиевая батарейка может иметь различное напряжение в зависимости от материала катода. Выпускают батарейки с напряжением от 1,5 В до 3,7 В.

Аккумуляторы — источники электрического тока, которые можно подвергать многим циклам заряда-разряда. Основными видами аккумуляторов являются:

1. Свинцово-кислотные;
2. Литий-ионные;
3. Никель-кадмиевые.

Свинцово-кислотные аккумуляторы состоят из свинцовых пластин, погружённых в раствор серной кислоты. При замыкании внешней электрической цепи происходит химическая реакция, в результате которой свинец преобразуется в сульфат свинца на катоде и аноде, а также образуется вода. В процессе зарядки сульфат свинца на аноде восстанавливается до свинца, а на катоде до диоксида свинца.

СПРАВКА! Один элемент свинцово-цинкового аккумулятора вырабатывает напряжение 2 В. Соединив элементы последовательно, можно получить любое напряжение, кратное 2. Например, в автомобильных аккумуляторах напряжение 12 В, т.к. соединены 6 элементов.

Литий-ионный аккумулятор получил своё название из-за того, что в качестве носителя электричества в электролите служат ионы лития. Ионы возникают на катоде, который изготовлен из соли лития на подложке из алюминиевой фольги. Анод изготавливается из различных материалов: графита, оксидов кобальта и других соединений на подложке из медной фольги.

Напряжение в зависимости от применяемых компонентов может быть от 3 В до 4,2 В. Благодаря низкому саморазряду и большому количеству циклов заряда-разряда литий-ионные аккумуляторы приобрели большую популярность в бытовой технике.

ВАЖНО! Литий-ионные аккумуляторы очень чувствительны к перезарядке. Поэтому для их зарядки нужно использовать зарядные устройства, предназначенные только для них, которые имеют встроенные специальные схемы, предотвращающие перезаряд. Иначе может произойти разрушение аккумулятора и его возгорание.

В никель-кадмиевых аккумуляторах катод сделан из соли никеля на стальной сетке, анод из соли кадмия на стальной сетке, а электролит — смесь гидроксида лития и гидроксида калия. Номинальное напряжение такого аккумулятора — 1,37 В. Он выдерживает от 100 до 900 циклов зарядки-разрядки.

СПРАВКА! Никель-кадмиевые аккумуляторы можно хранить в разряженном состоянии, в отличии от литий-ионных.

Тепловые химические элементы служат как источники резервного питания. Они дают отличные характеристики по удельной плотности тока, но имеют короткий срок службы (до 1 часа). Применяются в основном в ракетной технике, где нужны надёжность и кратковременная работа.

ВАЖНО! Первоначально тепловые химические источники не могут давать электрический ток. В них электролит содержится в твёрдом состоянии и для приведения батареи в рабочее состояние необходим разогрев до 500-600°C. Такой разогрев осуществляется специальной пиротехнической смесью, которая воспламеняется в нужный момент.

Классификация источников электрического тока

В таблице источников электрического тока представлены основные виды источников и механизмы их работы.

Постоянно предпринимаются попытки использовать механическую энергию человека для выработки электроэнергии. Например, был предложен вариант скакалки, у которой внутри цилиндрической ручки имеются полости. В них размещены аккумуляторы. Согласно расчетам 20-25 прыжков со скакалкой позволят заряжать четыре аккумуляторных батарейки.

Обозначение источников тока

Чтобы при выборе не возникало вопроса относительно того, какой тип источника тока представлен, используются специальные обозначения. В физике существуют точные графические изображения, которые позволяют идентифицировать тип применяемого источника:

Обозначения

На каждой схеме условных обозначений можно увидеть следующие параметры:

• Общее обозначение источника тока и движущей силы ЭДС;
• Графическое изображение без ЭДС;
• Химический тип;
• Батарея;
• Постоянное напряжение;
• Переменное напряжение;
• Генератор.

Благодаря графическим идентификаторам на схеме электрической цепи всегда можно определить, какой именно тип используется в конкретной ситуации, и как правильно его обозначать. Существуют также международные обозначения, которые встречаются немного реже, обычно при реализации интернациональных проектов.

Схемы замещения реальных источников

Идеализированные источники тока и напряжения можно рассматривать как упрощенные модели реальных источников энергии. При определенных условиях, в достаточно узком диапазоне токов и напряжений, внешние характеристики ряда реальных источников энергии могут приближаться к характеристикам идеализированных активных элементов. Так, внешняя характеристика гальванического элемента в области малых токов имеет вид, близкий к внешней характеристике источника напряжения (см. рис. 1.12,6), а внешняя характеристика выходного каскада на транзисторе в определенном диапазоне напряжений приближается к внешней характеристике источника тока (см рис. 1.14,6).

В то же время свойства реальных источников энергии значительно отличаются от свойств идеализированных активных элементов. Реальные источники энергии обладают конечной мощностью; их внешняя характеристика, как правило, не параллельна оси токов или оси напряжений, а пересекает эти оси в двух характерных точках, соответствующих режимам холостого хода и короткого замыкания (иногда в источниках энергии применяют специальные виды защиты, исключающие работу в предельных режимах или в одном из них).

С достаточной для практики точностью внешние характеристики большинства реальных источников энергии могут быть приближенно представлены прямой линией, пересекающей оси токов и напряжений в точках 1 и 2 (рис. 1.16, а):

соответствующих режимам холостого хода и короткого замыкания источника. Источники, имеющие линейную внешнюю характеристику, в дальнейшем будем называть линеаризованными источниками энергии (реальными).

Покажем, что линеаризованный источник энергии может быть представлен моделирующей цепью, состоящей из идеализированного источника напряжения Е и внутреннего сопротивления
или идеализированного источника тока J и внутренней проводимости
Действительно, уравнение прямой, проходящей через две точки с координатами
имеет вид

Подставляя (1.28), (1.29) в (1.30) и представляя напряжение u как функцию тока i, находим аналитическое выражение для внешней характеристики линеаризованного источника

В соответствии с (1.31) напряжение линеаризованного источника состоит из двух составляющих. Первая их имеет размерность напряжения и не зависит от тока, протекающего через источник. Ее можно интерпретировать как напряжение некоторого идеального источника напряжения с э. д. с.
Вторая составляющая напряжения источника
прямо пропорциональна току. Ее можно рассматривать как падение напряжения на некотором сопротивлении 

через которое протекает ток источника i (это сопротивление в дальнейшем будем называть внутренним сопротивлением источника). Итак, уравнению (1.31) может быть поставлена в соответствие схема замещения линеаризованного источника, изображенная на рис. 1.16,б. Такая схема замещения получила название

последовательной. Можно убедиться, что зависимость напряжения на зажимах этой цепи от тока определяется уравнением

равносильным уравнению (1.31) и, следовательно, внешняя характеристика цепи имеет вид, показанный на рис. 1.16, а.

Из анализа выражения (1.32) видно, что с уменьшением внутреннего сопротивления источника внешняя 
характеристика линеаризованного источника приближается к внешней характеристике идеального источника напряжения (рис. 1.17, а). При
= 0 источник с линейной внешней характеристикой вырождается в идеальный источник напряжения. Таким образом, идеальный источник напряжения можно рассматривать как источник энергии, внутреннее сопротивление которого равно нулю.

Рассмотрим другую схему замещения линеаризованного источника, в которой содержится идеальный источник тока. Для этого, используя (1.31), выразим ток i как функцию напряжения на зажимах источника:

Как видно из выражения (1.33), ток линеаризованного источника состоит из двух составляющих. Первая
не зависит от напряжения на зажимах источника. Ее можно рассматривать как ток некоторого идеального источника тока
Вторая составляющая тока 
и прямо пропорциональна напряжению на зажимах источника, поэтому ее можно интерпретировать как ток, текущий через некоторую (внутреннюю) проводимость
к которой приложено напряжение u. Итак, выражению (1.33) можно поставить в соответствие схему замещения, изображенную на рис. 1.16, в. Такая схема замещения называется параллельной.

Зависимость между током и напряжением на зажимах соответствующей моделирующей цепи определяется уравнением, равносильным уравнению (1.33):

Из уравнения (1.34) видно, что с уменьшением внутренней проводимости источника
внешняя характеристика линеаризованного источника приближается к внешней характеристике идеального источника тока (рис. 1.17, б). В пределе, при
= 0, линеаризованный источник энергии вырождается в идеальный источник тока. Таким образом, идеальный источник тока можно рассматривать как источник энергии с бесконечно малой внутренней проводимостью (бесконечно большим внутренним сопротивлением).

Обе рассмотренные схемы замещения линеаризованного источника были получены из одного уравнения (1.30), имеют одну и ту же внешнюю характеристику и, следовательно, их поведение относительно внешних зажимов совершенно одинаково. Выбор той или иной схемы замещения может быть сделан совершенно произвольно, однако в процессе исследования цепи может возникнуть необходимость перехода от одной схемы к другой. Используя выражения (1.31)—(1.34), можно найти формулы перехода от последовательной схемы замещения к параллельной

и от параллельной схемы к последовательной

Необходимо обратить внимание на то, что переход от одной схемы замещения к другой возможен только для источников, внутреннее сопротивление которых имеет конечное значение

Соотношения для взаимного преобразования схем замещения источников энергии (1.35) и (1.36) применимы для источников постоянного тока и напряжения. Аналогичные соотношения могут быть получены и для источников, в которых напряжение u и ток i являются произвольными функциями времени.

Анализируя выражения (1 32), (1.34), можно установить, что цепь, составленная из источника напряжения с последовательно включенным сопротивлением
и цепь, представляющая собой параллельное соединение источника тока и проводимости
являются дуальными.

Управляемые источники тока и напряжения

Идеальные источники тока и напряжения могут быть либо неуправляемыми (независимыми) либо управляемыми (зависимыми). Неуправляемый источник представляет собой идеализированный элемент с одной парой выводов, параметр которого (ток или напряжение) не зависит ни от каких других гоков или напряжений, действующих в цепи. Управляемый источник тока или напряжения — это идеализированный активный элемент, параметр которого является определенной функцией тока или напряжения некоторого участка цепи. В общем случае управляемый источник — это идеализированный элемент с двумя парами выводов. К одной паре выводов (выводы источника) присоединяют идеализированный источник, параметр которого является заданной функцией напряжения или тока другой пары выводов (управляющие выводы). Как и для неуправляемых

источников, внутреннее сопротивление управляемого источника напряжения равно нулю, а внутреннее сопротивление управляемого источника тока равно бесконечности.

Различают четыре типа управляемых источников:

• а) источник напряжения, управляемый напряжением (рис. 1.18, а). Напряжение u этого источника является определенной функцией управляющего напряжения
• б) источник напряжения, управляемый током (рис. 1.18, б). Напряжение этого источника u — функция управляющего тока
  (в частном случае управляющим током может быть ток источника i, тогда управляемый источник напряжения представляет собой двухполюсный элемент);
• в) источник тока, управляемый напряжением (рис. 1.18, в). Ток i этого источника есть заданная функция управляющего напряжения
  (в частном случае управляющим напряжением может быть напряжение источника u);
• г) источник тока, управляемый током (рис. 1.18, г). Ток такого источника является определенной функцией управляющего тока

В теории цепей к управляемым источникам относят только те, параметр которых зависит от действующих в цепи токов и напряжений. Источники, параметр которых зависит от какой-либо неэлектрической величины, не связанной с токами или напряжениями рассматриваемой цепи, относят к неуправляемым.

Вид функциональной зависимости между током или напряжением управляемого источника и управляющим воздействием в принципе может быть произвольным, однако в теории цепей и во всех ее приложениях наибольшее распространение получили линейно управляемые источники, параметр которых у прямо пропорций^ лен управляющему воздействию х:

Коэффициент пропорциональности между параметром источника е или j и внешним воздействием называется коэффициентом управления
В зависимости от типа источника этот коэффициент может иметь размерность сопротивления (источник напряжения, управляемый током), проводимости (источник тока, управляемый напряжением) или быть безразмерной величиной (источник напряжения,

управляемый напряжением, и источник тока, управляемый током). Если управляющее воздействие линейно управляемого источника равно нулю, то параметр источника также будет равен нулю. Таким образом, линейно управляемые источники не могут отдавать энергию в отсутствие управляющего воздействия.

Управляемые источники тока и напряжения широко используют при построении эквивалентных схем различных электровакуумных и полупроводниковых приборов (рис. 1.19).

• Топологии электрических цепей
• Уравнения электрического равновесия цепей
• Линейные цепи при гармоническом воздействии
• Нелинейные резистивные цепи
• Однофазные цепи синусоидального тока
• Законы и правила Кирхгофа для электрических цепей
• Линии с распределенными параметрами
• Идеализированные пассивные элементы

Амперметр в электрической цепи

Амперметр — измерительный прибор. Поэтому, когда мы подключаем его к электрической цепи, он не будет влиять на величину силы тока. Он будет лишь показывать ее значение.

На схемах электрических цепей амперметр обозначается специальным условным знаком — кружочком с буквой “А”

Правила подключения амперметра в электрическую цепь

1. Амперметр необходимо включать в цепь последовательно с тем прибором/проводником, силу тока в котором нужно измерить
2.  Последовательное подключение амперметра в электрическую цепь
3. У амперметра имеется две клеммы для подсоединения проводников. Клемму, на которой стоит знак “+” нужно соединять с проводом, идущим от положительного полюса источника тока. И, соответственно, клемму, на которой стоит знак “-” нужно соединять с проводом, идущим от отрицательного полюса источника тока

Правильное подсоединение амперметра с учетом положительного и отрицательного полюсов источника тока

1. Нельзя подключать амперметр к цепи, в которой нет потребителя (приемника) тока. Это может привести к выходу прибора из строя.

Химические источники тока состоят из электродов и электролита, который находится в емкости. Электрод, на котором окисляется восстановитель, называется анодом. Электрод, на котором восстанавливается окислитель, называется катодом. В общем получается электрохимическая система.

Попутным результатом такой реакции стало возникновение тока. Восстановитель передает электроны на окислитель, который восстанавливается. Электролит, который находится между электродами, нужен для прохождения реакции. Если перемешать порошки различных двух металлов, то электричество не возникнет, энергия появится в виде теплоты. Электролит необходим для упорядочения процесса движения электронов. Электролит состоит обычно из раствора соли или расплавленного вещества.

Электроды имеют вид решеток или пластин из металла. При помещении их в раствор электролита получается разность потенциалов пластин. Анод отдает электроны, а катод их принимает. На поверхности возникают химические реакции. Когда цепь размыкается, то реакции прекращаются. Если реагенты закончились, то реакция также больше не идет. Если удалить один из электродов, то цепь размыкается.

Советы по эксплуатации аккумуляторов

А теперь самые простые советы, которые помогут прослужить вашим аккумуляторам максимально долго.

• Берегите элементы питания от огня и воды – оба фактора чреваты выходом из строя.
• Чрезмерное охлаждение и нагревание, а также резкая смена температур тоже губительны.
• Применяйте соответствующий вашему аккумулятору тип зарядки, коих есть аж 4 штуки.
• Первый – это медленный заряд низким постоянным током. Происходит он в течение довольно длительного времени – до 18 часов. Такой метод подходит почти для всех аккумуляторов и является самым безопасным.
• Второй – быстрый заряд. Происходит в течение 3-5 часов при постоянном токе в 1/3С.
• Третий – дельта V заряд (ускоренный) — начальные ток равен номинальной емкости элемента, напряжение постоянно меняется. Заряд происходит за 1-1,5 часа. При этом возможен перегрев и разрушение устройства.
• Четвертый тип называется реверсивным. При нем длинные импульсы заряда сменяются короткими импульсами разряда. Такой метод наиболее полезен для аккумуляторов с «эффектом памяти».

Совет! Прилагаемая к аккумуляторным батареям инструкция обычно содержит рекомендации по режиму зарядки.

На этом закончим наш обзор. Мы разобрали электрохимические источники тока и получили простейшее представление об их работе. Если вы хотите изучить тему глубже, то уже не обойтись без учебных пособий и видео, которые можно легко отыскать в сети.