Тепловой источник тока схема

Источник постоянного электрического тока

Средняя оценка: 4.2

Всего получено оценок: 246.

Средняя оценка: 4.2

Всего получено оценок: 246.

Для создания электрического тока в электрической цепи необходим элемент, который будет поддерживать электрическое поле, под воздействием которого заряды будут постоянно перемещаться. В любой электрической цепи существует такой элемент. Рассмотрим подробнее его работу и виды.

Сила тока и сопротивление

Как усилить поток воды из шланга? Можно добавить напор (увеличить давление), но не слишком сильно, иначе шланг разорвёт. А можно взять шланг большего диаметра.

То же справедливо и для проводника: чем больше он в сечении, тем больший поток электронов может пропустить. Но если сила тока окажется слишком большой, проводник перегреется и сгорит.

Именно так работают плавкие предохранители в электронных приборах: при резком скачке силы тока тонкий проводок перегорает, и устройство отключается от сети.

Чем короче и шире шланг, тем большее количество воды он способен пропустить за единицу времени. Также и с электричеством: сила тока, проходящего через проводник за секунду, зависит от сопротивления проводника. Только кроме длины и площади сечения на сопротивление влияет материал, из которого проводник сделан.

Формула сопротивления выглядит так:

l — это длина проводника, S — площадь его сечения, а ρ — удельное сопротивление, у каждого материала оно своё.

Вещества с низким удельным сопротивлением называются проводниками, они проводят электричество наиболее эффективно. Вещества с высоким удельным сопротивлением называют диэлектриками — их можно использовать в качестве изоляторов. Среднее положение занимают полупроводники — они проводят электричество, но не так хорошо, как проводники.

Сопротивление измеряется в Омах. Проводник обладает сопротивлением в 1 Ом, если на его концах возникает напряжение в 1 Вольт при силе тока в 1 Ампер.

Учите физику вместе с домашней онлайн-школой «Фоксфорда»! По промокоду PHYSICS82021 вы получите бесплатный доступ к курсу физики 8 класса, в котором изучается сила тока!

Классификация гальванических элементов и их подбор

Источники питания 24 и 12 Вольт

Генераторы электрического тока получающегося во время химической реакции разделяются по:

• Размерам;
• Конструктивным особенностям;
• Способу и реагенту, за счёт которого, и получается электроэнергия.

Все элементы вырабатывающее ток во время химической реакции делятся на:

1. Заряжаемые, которые в процессе эксплуатации могут неоднократно заряжаться от источника постоянного тока, они называются аккумуляторами;
2. Не заряжаемые, то есть источники одноразового использования которые после завершения химической реакции просто приходят в негодность и должны быть утилизированы. Попросту это гальванический элемент или батарейка.

Для того чтобы подобрать источник электроэнергии, основанный на химической реакции, нужно понимать его характеристики, к которым относятся:

• Напряжение между анодом и катодом при разомкнутой цепи. Этот показатель чаще всего зависит от выбранной электрохимической системы, а также концентрации и вылечены всех составляющих;
• Мощность источника;
• Показатель силы тока;
• Емкость;
• Электротехнические показатели, то есть количество циклов заряда и разряда;
• Диапазон рабочих температур;
• Срок хранения между тем временем как элемент был создан и до начала его эксплуатации;
• Полный срок службы;
• Прочность, то есть защита корпуса от различных механических повреждений и влияний, а также вибраций;
• Положение работы, некоторые из них работают только в горизонтальных положениях;
• Надёжность;
• Простота в эксплуатации и обслуживании. В идеале отсутствие необходимости малейшего вмешательства в работу в течение всего срока эксплуатации.

При выборе нужной батареи или аккумулятора обязательно нужно учесть его электрические номиналы такие как напряжение и ток, а также ёмкость. Именно она является ключевой для сохранения работоспособности, подключаемого к источнику прибора.

Стабилизаторы тока на транзисторах

Для стабилизации тока через светодиоды можно применить хорошо известные решения:

На рисунке 1 представлена схема, работа которой основана на т.н. эмиттерном повторителе. Транзистор, включенный таким образом, стремится поддерживать напряжение на эмиттере в точности таким же, как и на базе (разница будет только в падении напряжения на переходе база-эмиттер). Таким образом, зафиксировав напряжение базы с помощью стабилитрона, мы получаем фиксированное напряжение на R1.

Далее, используя закон Ома, получаем ток эмиттера: I_э = U_э/R1. Ток эмиттера практически совпадает с током коллектора, а значит и с током через светодиоды.

Обычные диоды имеют очень слабую зависимость прямого напряжения от тока, поэтому возможно их применение вместо труднодоступных низковольтных стабилитронов. Вот два варианта схем для транзисторов разной проводимости, в которых стабилитроны заменены двумя обычными диодами VD1, VD2:

Ток через светодиоды задается подбором резистора R2. Резистор R1 выбирают таким образом, чтобы выйти на линейный участок ВАХ диодов (с учетом тока базы транзистора). Напряжение питания всей схемы должно быть не меньше, чем суммарное напряжение всех светодиодов плюс около 2-2.5 вольт сверху для устойчивой работы транзистора.

Например, если нужно получить ток 30 мА через 3 последовательно включенных светодиодов с прямым напряжением 3.1 В, то схему следует запитать напряжением не ниже 12 Вольт. При этом сопротивление резистора должно быть около 20 Ом, мощность рассеивания — 18 мВт. Транзистор следует подобрать с максимальным напряжением Uкэ не ниже напряжения питания, например, распространенный S9014 (n-p-n).

Сопротивление R1 будет зависеть от коэфф. усиления транзистора h_fe и ВАХ диодов. Для S9014 и диодов 1N4148 достаточно будет 10 кОм.

Применим описанный стабилизатор для совершенствования одного из светодиодных светильников, описанного в этой статье. Улучшенная схема будет выглядеть так:

Данная доработка позволяет значительно снизить пульсации тока и, следовательно, яркости светодиодов. Но главный плюс схемы заключается в нормализации режима работы светодиодов и защита их от бросков напряжения во время включения. Это приводит к существенному продлению срока службы светодиодной лампы.

Из осциллограмм видно, что добавив в схему стабилизатор тока для светодиода на транзисторе и стабилитроне, мы тут же уменьшили амплитуду пульсаций в несколько раз:

При указанных на схеме номиналах, на транзисторе рассеивается мощность чуть больше 0.5 Вт, что позволяет обойтись без радиатора. Если емкость балластного конденсатора увеличить до 1.2 мкФ, то на транзисторе будет падать

23 Вольт, а мощность составит около 1 Вт. В этом случае без радиатора не обойтись, но зато пульсации понизятся чуть ли не до нуля.

Вместо указанного на схеме транзистора 2CS4544, можно взять 2SC2482 или аналогичный с током коллектора больше 100 мА и допустимым напряжением U_кэ не менее 300 В (подойдут, например, старые советские КТ940, КТ969).

Желаемый ток, как обычно, задается резистором R*. Стабилитрон рассчитан на напряжение 5.1 В и мощность 0.5 Вт. В качестве светодиодов применены распространенные smd-светодиоды из китайской лампочки (а еще лучше взять готовую лампу и добавить в нее недостающие компоненты).

Теперь рассмотрим схему, представленную на рисунке 2. Вот она отдельно:

Токовым датчиком здесь является резистор, сопротивление которого рассчитывается по формуле 0.6/I_нагр. При увеличении тока через светодиоды, транзистор VT2 начинает открываться сильнее, что приводит к более сильному запиранию транзистора VT1. Ток уменьшается. Таким образом происходит стабилизация выходного тока.

Достоинства схемы — ее простота. К недостатку можно записать довольно большое падение напряжения (а следовательно и мощности) на транзисторе VT1. Это не критично при небольших токах (десятки и сотни миллиампер), однако дальнейшее увеличение тока через светодиоды потребует установки этого транзистора на радиатор.

Также, вместо биполярного транзистора, можно применить p-канальный MOSFET. Схема, приведенная ниже, представляет собой мощный светильник на двух 10-ваттных светодиодах и 40-ваттном IRF9510 в корпусе ТО-220 (см. характеристики):

Ток через светодиоды задается подбором резистора R1. VT1 — любой маломощный. Светодиоды — Cree XM-L T6 10W (см. спецификацию) или аналогичные.

Транзистор VT2 и светодиоды необходимо разместить на общем радиаторе, площадью не менее 900 см 2 (это если без принудительного охлаждения). Использование термопасты обязательно. Ребра радиатора должен быть толстым и массивным, чтобы максимально быстро отводить тепло. Оцинкованные профили для гипсокартона, консервные банки из-под селедки и крышки от кастрюль категорически не подходят.

Если такая мощность не нужна, можно сократить количество светодиодов до одного. Но при этом придется понизить напряжение питания на 3-3.5 вольта. Иначе потребляемая мощность останется прежней, транзистор будет греться в два раза сильнее, а светить будет в два раза хуже.

Для снижения мощности правильнее было бы оставить оба светодиода, но уменьшить ток, например, до 2А — тогда мощность упадет с 20 до 12 Вт, а срок жизни светодиодов многократно возрастет. И площадь радиатора можно будет уменьшить до 600 см 2 .

Вместо IRF9510 можно взять, например, IRF9Z34N (19А, 55В) или NDP6020P (24А, 20В). Смотрите сами, какие есть в вашем распоряжении. Если совсем ничего нет, самое время закупиться по дешевке:

Ну а самая простейшая схема стабилизатора тока для светодиодов на полевом транзисторе состоит всего лишь из одного транзистора с закороченным накоротко затвором и истоком:

Вместо КП303Е подойдет, например, BF245C или аналогичный со встроенным каналом. Принцип действия схож со схемой на рисунке 1, только в качестве эталонного напряжения используется потенциал «земли». Величина выходного тока определяется исключительно начальным током стока (берется из даташита) и практически не зависит от напряжения сток-исток U_си. Это хорошо видно из графика выходной характеристики:

На схеме на рисунке 3 в цепь истока добавлен резистор R1, задающий некоторое обратное смещение затвора и позволяющий таким образом изменить ток стока (а значит и ток нагрузки).

Пример самого простого драйвера тока для светодиода представлен ниже:

Здесь применен полевой транзистор с изолированным затвором и встроенным каналом n-типа BSS229. Точное значение выходного тока будет зависеть от характеристик конкретного экземпляра и сопротивления R1.

Это, в общем-то, все способы превратить транзистор в стабилизатор тока. Есть еще так называемое токовое зеркало, но применительно к светодиодным светильникам оно не подходит. Поэтому перейдем к микросхемам.

Вторичные источники питания электронных устройств. Часть первая

На свете есть столь серьезные вещи,
что говорить о них можно только шутя.

Введение

Источники питания, которые вы используете для подключения ноутбука к сети 220В, к примеру, называются вторичными источниками питания. Вторичными они называются потому, что первичным источником питания будет генератор на электростанции, который вырабатывает ток, текущий по городским электросетям или химический элемент питания. Все источники питания можно грубо разделить так, как показано на диаграмме ниже.

Первичные источники питания

Первичные источники питания − это преобразователи неэлектрических видов энергии в электрическую. Например, ГЭС, ветрогенераторы, солнечные панели, химические источники тока, аккумуляторы, бензогенераторы и т.д. Первичными источниками занимаются в основном энергетики и производители всяких аккумуляторов. Мне они не сильно интересны, к примеру. Или интересны. Да, солнечные и геотермальные источники энергии мне интересны!

Вторичные источники питания

Вторичные же источники питания сами по себе не производят электроэнергию, они просто её преобразуют. Например, источник питания ноутбука преобразовывает переменное напряжение 220В в постоянное напряжение 19.2В.

Вторичные источники требуются, чтобы обеспечить устройствам заданные параметры напряжения, тока, пульсаций напряжения питания, частоты. Мы же не льем нефть в бензобак? Так и электронные устройства удобней и безопасней питать правильно.

Линейные источники питания

Так они называются за счет принципа работы. Дело в том, что регулирование выходного напряженния в них непрерывное, т.е. линейное. Эти источники питания появились в мире первыми. И строятся по классической схеме: трансформатор, выпрямитель, фильтр, стабилизатор:

На блок-схеме изображен стабилизированный линейный источник питания. Это значит, что он построен таким образом, чтобы поддерживать заданное напряжение, даже если прибор, подключенный к нему, будет кушать от него ток то 1А, то 5А.

А есть ещё нестабилизированные линейные источники питания. Если закрыть рукой на блок-схеме прямоугольник «стабилизатор», то получится именно такой ИП. Вот в нём при разной нагрузке напряжение на его выходе может слегка (ил в особо плоих случаях совсем не слегка) изменяться (обычно оно уменьшается).

Трансформатор понижает напряжение сети до требуемого, затем выпрямитель из обычного переменного напряжения делает пульсирующее напряжение, которое затем сглаживается фильтром до состояния постоянного, а стабилизатор используется для того, чтобы поддерживать напряжение на нагрузке в требуемых нагрузкой пределах. К примеру, нагрузка питается напряжением в 10В +/- 0.2В — тут уже нужен очень хороший источник питания с хорошей стабилизацией.

Их достаточно просто изготовить в домашних условиях, с хорошим фильтром выдают напряжение питания с малым уровнем пульсаций и соответственно не мешают работать устройствам, которые от них питаются. А также гальваническая развязка от сети.

Недостатки

Низкий КПД, который падает с ростом потребления тока. Дело в том, что чем больше потребляет устройство от линейного источника, тем сильнее в нем нагреваются регулирующие элементы (обычно либо транзисторы, либо специализированные микросхемы-стабилизаторы), а значит в атмосферу улетает прорва энергии в форме тепла. Другой минус линейных источников питания — вес. Хороший мощный трансформатор весит как гиря и имеет приличные габариты, да и цена у него достойная веса.

Ипульсные источники питания

Или иначе ИИП. Эти источники работают принципиально иначе чем линейные источники питания. При этом они могут при меньших габаритах питать значительно большие нагрузки. Принцип их работы основывается на ШИМ (широтно-импульсной модуляции).

Сначала в ИИП входное напряжение преобразуется в постоянное, а затем постоянное напряжение преобразуется в импульсы, идущие с определённой частотой и скважностью, а потом на трансформатор (для гальванической развязки сети и нагрузки) или сразу на нагрузку без всякой развязки.

На блок-схеме видно, что ИИП сложней устроены, чем линейные источники питания. Но их также всё еще можно собрать в домашних условиях. Или вообще переделать блок питания ATX PC. В сети полно таких примеров.

Преимущества

Малый вес, хороший КПД (до 90-98%), малые размеры. Обладает меньшей стоимостью, если сравнивать ИИП и линейный источник одинаковых характеристик. ИИП вокруг нас везде: зарядки мобильных телефонов, блоки питания компьютеров и ноутбуков, ламп, светодиодных лет и прочих устройств.

Недостатки

Часто не имеют гальванической развязки от сети. Являются источниками высокочастотных помех, которые полностью устранить практические невозможно. Так же поговаривают, что есть ограничение на минимальную мощность нагрузки. Дело в том, что при нагрузке меньше требуемой ИИП может просто не запуститься.

В следующей части я хочу показать конкретные примеры схематики источников питания, а может быть даже будем пошагово создавать линейный или импульсный источник питания. _{Добавляй запись в закладки (Ctrl+D) и подписывайся на рассылку!)}

Полярность и напряжение

Электроника питается электрическим током, который ходит по двум проводам. Все модули из набора питаются постоянным напряжением, поэтому на модулях указаны не “плюс +” и “минус -“, а общий и питание. Общий провод может обозначаться как GND или COM, а питание – как VCC, или даже с указанием напряжения: 5V, 3V3, 3.3V, и так далее.

При подключении модулей на макетной плате нужно очень внимательно и строго соблюдать полярность: GND соединяется с GND, а питание – с питанием, это называется полярность. Если перепутать провода – в 99% случаев модуль сгорит, защиту от переполюсовки на них делают редко.

Также нельзя превышать напряжение питания электронного компонента, иначе он просто сгорит. На деле всё очень просто: не подключайте провод питания с напряжением выше, чем указано на входе. То есть провод с 5 Вольтами нельзя подключать на пин, на котором написано 3V. А вот наоборот – можно: большинство модулей с питанием 5V будут работать от 3.3V. Это будет актуально при работе с Wemos, микроконтроллер которого работает от 3.3V. Подключение каждого компонента из набора к Wemos мы будем рассматривать в отдельности в блоке документация.

Что касается цветов – принято обозначать GND чёрным или синим, а VCC – красным. На схемах к набору цвета будут именно такие.

Пример реальной цепи

Самую простую электрическую цепь можно сделать самостоятельно. Её часто собирают на уроке физики. При этом не стоит опасаться поражения током, так как в ней будет использоваться низковольтный источник напряжения. Но всё же перед тем как приступить к сборке, следует знать о коротком замыкании. Под ним понимают состояние, при котором происходит закорачивание выхода.

Другими словами, вся энергия источника тока оказывается приложенной к нему же. В результате разность потенциалов снижается до нуля, а в цепи возникает максимальная сила тока. Непреднамеренное короткое замыкание может привести к выходу из строя генератор и радиодетали. Именно для защиты от этого пагубного воздействия в цепи ставят предохранитель.

Схема для самостоятельного повторения будет представлять собой узел управления освещением. Для её сборки необходимо подготовить:

1. Источник питания на 12 вольт. Это может быть аккумулятор, регулируемый лабораторный блок, батарейки. Главное, чтобы источник смог выдавать нужное напряжение. Например, нужную величину можно получить соединив последовательно несколько батареек со стандартным номиналом 1,5 В (1,5 * 4 = 12 В).
2. Лампочка. Подойдёт накаливания. Здесь важно обратить внимание на её характеристики. Она должна быть рассчитанной на нужное напряжение.
3. Ключ. Это обыкновенный выключатель, имеющий два устойчивых состояния — разомкнутое и замкнутое.
4. Провода. В сборке можно использовать любые медные проводники сечением от 0,25 мм 2 .

Сборка конструкции выполняют следующим образом. К плюсу батарейки подсоединяют провод, подключённый другим концом к выключателю. Затем свободный конец ключа подпаивают к любому из выводов лампы. Другой электрод осветительного устройства подсоединяют к минусу источника. Схема готова. Если теперь перевести ключ в положение «вкл» появится свет.