Není nic konstantnějšího než střídavý proud: jaký proud používáme?
Elektrický proud může být střídavý nebo stejnosměrný. Ruské zásuvky vedou střídavý proud o frekvenci 50 Hz a napětí 220 V. Proč tedy potřebujeme stejnosměrný proud? A používá se v moderních elektrických sítích? Pojďme na to přijít.
Zajímavý příběh: jednoho dne dívka jménem Margaret uviděla nápis „AC/DC“ na zadní straně šicího stroje a navrhla, aby její mladší bratři dali své hudební skupině toto jméno. Tvorba australské rockové kapely AC/DC po mnoha letech neztrácí na oblibě a zkratku pro střídavý proud (AC) a stejnosměrný proud (DC) znají i lidé daleko od elektrotechniky.
Střídavý a stejnosměrný proud jsou přítomny nejen v hudbě, ale i v našem každodenním životě. Pojďme pochopit rozdíly mezi oběma typy proudu a zjistit, jaký druh proudu používáme v domácích a průmyslových sítích.
Elektrický proud je řízený pohyb nabitých částic. Pokud se částice pohybují jedním směrem, proud bude konstantní. Navíc velikost stejnosměrného proudu I a napětí U protože jakýkoli časový okamžik také zůstává nezměněn. DC graf je přímka rovnoběžná s horizontální časovou osou.
Obrázek převzat z otevřených zdrojů
Stejnosměrný proud je široce používán v technologii: většina elektronických obvodů je napájena stejnosměrným proudem. Elektrické vlaky metra jezdí na stejnosměrný proud 825 V Historicky se stejnosměrný proud volil i pro tramvajové a trolejbusové linky. Řada elektrifikovaných úseků železnic u nás navíc využívá stejnosměrný proud 3000 Voltů. Stejnosměrný proud generovaný galvanickými články a bateriemi slouží k autonomnímu napájení mobilních telefonů, notebooků, svítilen, hraček a mnoha dalších atributů každodenního života. V průmyslu se stejnosměrný proud používá v elektrolýze a galvanizaci, v medicíně – v elektroforéze. Díky schopnosti poskytovat stabilní a spolehlivé napájení je DC volbou pro řídicí a automatizační aplikace.
Hlavní rozdíl mezi střídavým proudem spočívá v tom, že v elektrickém obvodu se v průběhu času mění jak směr, tak i velikost. Jeden ze směrů střídavého proudu v obvodu je konvenčně považován za pozitivní a druhý – negativní. Síla střídavého proudu je skalární veličina, její znaménko je určeno směrem, kterým proud v daném čase protéká.
Obrázek převzat z otevřených zdrojů
Střídavý proud je základem celého elektroenergetického systému, který zajišťuje elektřinu do domácností, podniků a měst. Jeho hlavní výhodou je schopnost zvyšovat a snižovat napětí a také přenášet elektřinu na velké vzdálenosti s minimálními ztrátami. Počítače, televize a domácí spotřebiče jsou napájeny střídavým proudem. Velké výrobní závody a motory obvykle používají střídavý proud. Důležitou aplikací je doprava: většina železničních tratí je elektrifikována jednofázovým střídavým proudem o frekvenci 50 Hz.
Abychom to shrnuli: je těžké si představit náš život bez střídavého i stejnosměrného proudu. Stejnosměrný proud je stabilnější, což je důležité zejména u elektronických zařízení, která vyžadují stálý zdroj energie. Střídavý proud lze transformovat a regulovat, přenášet na velké vzdálenosti s minimálními ztrátami. Dnes se lidstvo naučilo úspěšně kombinovat dva druhy proudu v elektrických sítích, ale na konci 19. století vypukla skutečná válka o střídavý a stejnosměrný proud. To je však, jak se říká, úplně jiný příběh.
Jak víte, v běžné elektrické síti (domácnosti) je střídavé napětí 220 voltů (s mírnou odchylkou v závislosti na různých faktorech). Střídavý typ proudu lze celkem snadno převést, to znamená, že v případě potřeby lze jednu hodnotu střídavého napětí a proudu převést na jinou, a to pomocí (obvykle) pouze jednoho zařízení zvaného transformátor. Někdy je však potřeba konstantní typ elektrického proudu se síťovým napětím 220 voltů. V tomto článku se podíváme na způsoby, kterými můžete převést střídavé napětí na stejnosměrné.
Pro získání stejnosměrného proudu ze střídavého proudu se obvykle používají polovodičové usměrňovací diody. Jsou schopny procházet elektrický proud pouze jedním směrem. Když se na ně pokusíte přivést proud v opačném směru, uzavřou se a stanou se dielektrikem. Střídavý proud, jak je známo z kurzu fyziky, je uspořádaný pohyb elektrických nábojů, které periodicky mění svůj směr. Tento typ proudu (střídavý) má sinusový tvar. Pokud jednoduše dáme jednu diodu do série se zátěží, pak již po této diodě dostaneme konstantní proud, ale bude mít následující tvar.
V tomto případě je jedna část vlny střídavého sinusového proudu jednoduše odříznuta. Zbývá jen jedna půlvlna. V důsledku toho se výkon na výstupech (za touto diodou) sníží 2krát. Při zapojení běžné žárovky se dočkáme výrazného blikání světla. Tato možnost pro získání stejnosměrného proudu s napětím 220 voltů se používá velmi zřídka.
Běžnějším a správnějším způsobem získání stejnosměrného proudu a napětí 220 voltů je použití tzv. usměrňovacího můstku sestávajícího ze 4 diod. V tomto případě dostaneme na výstupu oba půlcykly, které mají stejný pól. I když v tomto případě stejnosměrný proud nebude mít rovnoměrný a přímý tvar. Bude to křečovité. Tento problém lze vyřešit použitím elektrolytického filtračního kondenzátoru. V závislosti na tom, s jakým výkonem máme co do činění, bude záviset kapacita a hodnota napětí tohoto kondenzátoru.
Za zmínku stojí, že po přidání elektrolytického filtračního kondenzátoru se hodnota stejnosměrného napětí (jeho amplituda) na výstupu z usměrňovače zvýší asi 1,4krát. Proto nakonec na výstupu jednoduchého AC-DC měniče již dostaneme více než 220 voltů (pokud na vstup přivedeme 220 AC). Ale tvar stejnosměrného proudu bude docela hladký. Přebytečné napětí lze vždy odstranit (odříznout) různými způsoby: omezovacím odporem, obvodem elektronického stabilizátoru, jednoduchým parametrickým stabilizátorem napětí na zenerově diodě atd.
Nyní k problematice konkrétních diod. Jaké diody jsou vlastně potřeba, aby usměrňovač získal stejnosměrný proud ze střídavého proudu pro síťové napětí 220 voltů? Zde jsou důležité dva hlavní parametry: maximální napětí, pro které je dioda navržena a maximální proud, který je schopna sama procházet. Protože máme co do činění s napětím 220 voltů, musíme vzít diody, jejichž maximální napětí je 1,5krát větší než napětí sítě. No, s proudem taky. Vezmeme polovodič s rezervou maximálního proudu. Nejběžnější diody jsou řady 1n4007, která má maximální napětí 1000 voltů a proud až 1 ampér.
Kondenzátor musí být dimenzován na napětí vyšší, než jaké je do něj přiváděno. V našem případě (při použití 220 voltů) musí být napětí kondenzátoru alespoň 500 voltů (s přihlédnutím ke zvýšení amplitudy za můstkem). Kapacita by měla být od 1 do 10 000 mikrofaradů (čím větší kapacita, tím více budou pulsy vyhlazené, ale čím větší bude kondenzátor a tím dražší bude). Pokuste se najít nejoptimálnější možnost pomocí vzorců nebo online kalkulaček pro výpočet kapacity kondenzátoru pro usměrňovač diodového můstku pro konkrétní napětí a výkon.
Chcete-li vytvořit obvod produkující 220 voltů DC ze střídavého proudu, je lepší použít transformátor. V tomto případě již získáme galvanické oddělení od sítě. To znamená, že je odebrán výkonový transformátor vhodného výkonu, ve kterém jsou primární i sekundární vinutí navrženy pro napětí 220 voltů. A na výstupu sekundárního vinutí je umístěn diodový usměrňovač s kondenzátorem. Použití takového obvodu bude z elektrického hlediska bezpečnější. Schéma je uvedeno níže na obrázku.
Vezměte prosím na vědomí, že napětí 220 voltů (buď střídavé nebo konstantní) je považováno za nebezpečné, může snadno zranit a dokonce i zabít! Pro galvanické oddělení mezi městskou sítí a vaším AC měničem je vhodné nainstalovat výkonový transformátor, jehož vstupní a výstupní napětí bude stejné (220 voltů). Proud lze omezit správnou volbou průměru vodiče sekundárního vinutí na tomto transformátoru. V konečném důsledku to sníží riziko značných škod a následků v případě nehody nebo incidentu.
Pokud potřebujete, aby bylo stejnosměrné napětí usměrněného síťového proudu nastavitelné, pak se vyplatí vyrobit nebo zakoupit hotové zařízení (elektronická deska, která je relativně levná) – nastavitelný měnič síťového napětí se stejnosměrným výstupem. Takové obvody pracují na tyristorech a triacích místo diod. Jsou ovládány přídavnými prvky, které odříznou zbytečné napětí. V důsledku toho získáme stmívač, který je schopen produkovat požadované konstantní napětí od 0 do 220 voltů.
PS V současné době jsou rozšířené elektronické napájecí zdroje (používané v počítačových zdrojích, nabíječkách mobilních telefonů atd.). Právě v nich se tato možnost používá, když je nutné převést střídavé síťové napětí na stejnosměrné napětí, aniž by došlo ke snížení amplitudy. Na samém začátku obvodu jsou instalovány usměrňovací diodové můstky s elektrolytickým filtračním kondenzátorem, které byly diskutovány výše. Pozor! Vezměte prosím na vědomí, že napětí 220 voltů je považováno za nebezpečné pro život. Dodržujte pravidla elektrické bezpečnosti!
