Кто создал источник тока: 2.2. СОЗДАНИЕ ПЕРВОГО ИСТОЧНИКА ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОКА. История электротехники

2.2. СОЗДАНИЕ ПЕРВОГО ИСТОЧНИКА ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОКА. История электротехники

2.2. СОЗДАНИЕ ПЕРВОГО ИСТОЧНИКА ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОКА

В течение нескольких лет (1792–1795 гг.) А. Вольта не только повторил все опыты Л. Гальвани, но и произвел ряд новых исследований. И если Л. Гальвани искал причину обнаруженных им явлений как физиолог, то А. Вольта, будучи физиком, искал в них физические процессы [1.1; 1.6; 1.12; 1.13].

А. Вольта прежде всего обратил внимание на факт, уже известный Л. Гальвани, что сокращения мышц наиболее интенсивно происходят при использовании двух разнородных металлов. Продолжая исследования, он отверг идеи Л. Гальвани о «животном» электричестве и пришел к выводу, что источником электричества является контакт двух разнородных металлов: «Металлы не только прекрасные проводники, но и двигатели электричества», — утверждал А. Вольта. А «… лягушка, приготовленная по способу Гальвани, есть чувствительнейший электрометр» [1.1; 1.2].

Обобщением исследований А. Вольта была предложенная им теория «контактного электричества». Эта теория утверждала, что при соприкосновении различных металлов происходит разложение их «естественного» электричества; при этом электричество одного знака собирается на одном металле, а другого — на другом. Силу, возникающую при контакте двух металлов и разлагающую их «естественное» электричество, А. Вольта назвал электровозбудительной, или электродвижущей силой; эта сила «перемещает электричество так, что получается разность напряжений» (между металлами. —

Авт.) [1.2].

Произведя исследование этого вопроса при помощи созданного им весьма чувствительного прибора — электроскопа с конденсатором, А. Вольта установил, что металлы можно распределить в некоторый ряд, в котором «разность напряжений» между двумя металлами будет тем больше, чем дальше они расположены один от другого.

С современной точки зрения совершенно очевидна ошибочность идеи Вольта о возможности получения электрического тока посредством простого контакта разнородных металлов, т.

е. получения электрической энергии без затраты для этого какого-либо другого вида энергии. Однако в начале прошлого века эта теория контактного электричества нашла много сторонников и на некоторое время удержалась в науке.

Многочисленные эксперименты привели А. Вольта к выводу, что непрерывный электрический «флюид» может возникнуть лишь в замкнутой цепи, составленной из различных проводников — металлов (которые он называл проводниками первого класса) и жидкостей (названных им проводниками второго класса).

Опыты А. Вольта завершились построением в 1799 г. первого источника непрерывного электрического тока, составленного из медных и цинковых кружков (пар), переложенных суконными прокладками, смоченными водой или кислотой. Этот прибор, о котором он впервые сообщил президенту Лондонского королевского общества в марте 1800 г., был назван им «электродвижущим аппаратом», а позже французы стали его называть «гальваническим или вольтовым столбом» (рис. 2.1).

^{Рис. 2.1. Вольтов столб}

Необходимость применения проводников второго класса (суконных кружков, смоченных водой или кислотой) А. Вольта объяснял следующим: при соприкосновении двух различных металлов электричество одного знака сосредоточивается на одном металле, а электричество противоположного знака — на другом. Если составить столб из нескольких пар различных металлов, например цинка и серебра (без прокладок), то каждая цинковая пластина будет находиться в соприкосновении с одинаковыми серебряными пластинами и их общее действие будет взаимно уничтожаться. Для того чтобы действие отдельных пар суммировалось, необходимо обеспечить соприкосновение каждой цинковой пластинки только с одной серебряной. Это осуществляется с помощью проводников второго рода — суконных кружков, смоченных водой или кислотой, разделяющих пары металлов и не препятствующих движению электричества. Таким образом, А. Вольта, не понимая того, что электрический ток возникает в результате химических процессов между металлами и жидкостями, практически пришел к созданию гальванического элемента, действие которого основывалось именно на превращении химической энергии в электрическую.

Хотя А. Вольта и заметил, что поверхности приведенных в контакт разнородных металлов, составляющих гальваническую пару, подвергаются изменению — окисляются, тем не менее он не придал этому факту никакого значения.

^{Рис. 2.2. Чашечная батарея Вольта} 

А. Вольта предложил кроме столба еще и несколько иную конструкцию источника электрического тока — так называемую чашечную батарею (рис. 2.2), действие которой, по его мнению, также было основано на контакте между двумя металлами (влажную суконную прокладку столба заменяла жидкость). Чашечная батарея представляла собой соединение отдельных элементов, имевших форму банок, наполненных разбавленной серной кислотой, в которую погружались одна медная и одна цинковая пластины. Кроме предложенных А. Вольта конструкций источника электрического тока вскоре были разработаны некоторые другие его модификации.

Создание вольтова столба подготовило почву для закладки фундамента электротехники. Современник А. Вольта, выдающийся французский ученый академик Доменик Франсуа Араго (1786–1853 гг.) считал вольтов столб «самым замечательным прибором, когда-либо изобретенным людьми, не исключая телескопа и паровой машины». В этом определении нельзя усматривать преувеличения. Вольтов столб — это первый источник непрерывного электрического тока, сыгравший громадную роль как в развитии науки об электричестве, так и в расширении его практических приложений. Вольтов столб в различных своих модификациях долгое время оставался самым распространенным источником электрического тока. Как будет видно из последующего, крупнейшие ученые первой половины XIX в. В.В. Петров, X. Дэви, А. Ампер, М. Фарадей широко применяли вольтов столб для своих опытов.

Научный вклад итальянского ученого был высоко оценен его современниками. Легенды об А. Вольта ходили среди ученых уже при его жизни. Создав вольтов столб, А. Вольта подарил миру, как писал один из его биографов, «невиданный ранее источник электричества, не порциями, как от банок и электрофоров, а непрерывным потоком».

Заслуживают внимания трактат А. Вольта «Об идентичности гальванического и электрического флюидов», его высказывания о «сходстве» электричества и магнетизма.

Современники называли А. Вольта самым великим физиком, жившим в Италии после Галилея. В 1881 г. на Международном конгрессе электриков в Париже единице напряжения было присвоено наименование «Вольт».

Данный текст является ознакомительным фрагментом.

Продолжение на ЛитРес

Источник тока – это… Что такое Источник тока?

Рисунок 1 — схема с условным обозначением источника тока

[1] Рисунок 2.1 — Обозначение на схемах источника тока

Исто́чник то́ка (также генератор тока) — двухполюсник, который создаёт ток , не зависящий от сопротивления нагрузки, к которой он присоединён. В быту «источником тока» часто неточно называют любой источник электрического напряжения (батарею, генератор, розетку), но в строго физическом смысле это не так, более того, обычно используемые в быту источники напряжения по своим характеристикам гораздо ближе к источнику ЭДС, чем к источнику тока.

На рисунке 1 представлена схема замещения триполярного транзистора, содержащая источник тока (с указанием S·U_бэ; стрелка в кружке указывает положительное направление тока источника тока), генерирующий ток S·U_бэ, т. е. ток, зависящий от напряжения на другом участке схемы.

Свойства

Идеальный источник тока

Напряжение на клеммах идеального источника тока зависит только от сопротивления внешней цепи:

Мощность, отдаваемая источником тока в сеть, равна:

Так как для источника тока , напряжение и мощность, выделяемая им, неограниченно растут при росте сопротивления.

Реальный источник тока

Реальный источник тока, так же как и источник ЭДС, в линейном приближении может быть описан таким параметром, как внутреннее сопротивление . Отличие состоит в том, что чем больше внутреннее сопротивление, тем ближе источник тока к идеальному (источник ЭДС, наоборот, тем ближе к идеальному, чем меньше его внутреннее сопротивление). Реальный источник тока с внутренним сопротивлением эквивалентен реальному источнику ЭДС, имеющему внутреннее сопротивление и ЭДС .

Напряжение на клеммах реального источника тока равно:

Сила тока в цепи равна:

Мощность, отдаваемая реальным источником тока в сеть, равна:

Примеры

Источником тока является катушка индуктивности, по которой шёл ток от внешнего источника, в течение некоторого времени () после отключения источника. Этим объясняется искрение контактов при быстром отключении индуктивной нагрузки: стремление к сохранению тока при резком возрастании сопротивления (появление воздушного зазора) ведёт к пробою зазора.

Вторичная обмотка трансформатора тока, первичная обмотка которого последовательно включена в мощную линию переменного тока, может рассматриваться как почти идеальный источник тока, только не постоянного, а переменного. Поэтому размыкание вторичной цепи трансформатора тока недопустимо; вместо этого при необходимости перекоммутации в цепи вторичной обмотки без отключения линии эту обмотку предварительно шунтируют.

Применение

Реальные генераторы тока имеют различные ограничения (например по напряжению на его выходе), а также нелинейные зависимости от внешних условий. Например, реальные генераторы тока создают электрический ток только в некотором диапазоне напряжений, верхний порог которого зависит от напряжения питания источника. Таким образом, реальные источники тока имеют ограничения по нагрузке.

Источники тока широко используются в аналоговой схемотехнике, например, для питания измерительных мостов, для питания каскадов дифференциальных усилителей, в частности операционных усилителей.

Концепция генератора тока используется для представления реальных электронных компонентов в виде эквивалентных схем. Для описания активных элементов для них вводятся эквивалентные схемы, содержащие управляемые генераторы:

• Источник тока, управляемый напряжением (сокращенно ИТУН)
• Источник тока, управляемый током (сокращенно ИТУТ)

Примечания

См. также

Литература

• Бессонов Л.А. Теоретические основы электротехники. Электрические цепи. — М.: Гардарики, 2002. — 638 с. — ISBN 5-8297-0026-3

Источник тока: типы, принцип работы, особенности

Источник тока – элемент питания электрической цепи, обеспечивающий постоянное потребление, измеренное амперами, либо заданную форму закона изменения параметра. Так работают сварочные аппараты, каждой толщине металла соответствует номер (диаметр) электрода. Процесс обеспечен постоянным током. В противном случае начинается срыв дуги, происходят другие неприятные эффекты.

Отличие реального источника от идеального

Известно, мощность источника питания электрической цепи ограничена. В результате увеличение нагрузки вызывает изменение параметров. Общеизвестны скачки напряжения гаражных кооперативов, дач, прочих специфичных объектов. Подстанция выделяет ограниченный ресурс, потребление бывает немаленьким. В первую очередь, подразумеваются нагревательные приборы (воды), сварочные аппараты.

Таким образом, розетка выступает источником напряжения. Вольтаж сильно зависит от поведения потребителей. Замечено, утренние часы подстанции перегружают, соответствующим образом учитывается областями при тарификации. Что касается идеальных источников, подразумевается, параметры постоянные. До некоторых пор встретить подобное оборудование представлялось невозможным, современные технологии рамки ограничений сильно расширили.

Инвертор сварочный

Сварочный инвертор IWM 220 сохраняет работоспособность в диапазоне питающих напряжений 180 – 250 вольт, выдавая постоянное действующее значение тока на зажимы. Электронные блоки питания достигают столь высоких показателей путем гибкого регулирования режимов работы. Брать инверторы, принцип действия основан на выпрямлении, фильтрации напряжения 220 вольт, последующей нарезкой пачками импульсов. Варьированием скважности посылок, длиной достигается изменение тока.

Измерительный датчик Холла влияет, напрямую или опосредованно, на напряжение смещения силового ключа. Возможны другие, процессорные, схемы управления выходными параметрами приборов. В последнем случае заботы забирает процессор, несущий соответствующую программу, заложенную в память цифровым кодом.

Для сварки используются переменный и постоянный токи, для черных и цветных металлов. Важно понимать: источник способен поддерживать любой закон изменения параметров. Это признаётся отличительной особенностью, предназначением. Обеспечивает правильное функционирование потребителей.

Работа источника тока

Требования к факторам питания

В учебниках физики приводятся в качестве примеров источников тока:

1. Батарейки.
2. Аккумуляторы.

Несложно заметить, сплошь гальванические источники питания химического принципа действия. Автоводитель знает: аккумулятор бессилен выдать постоянный ток, напряжение. Мощность ограничена скоростью протекания химических реакций на пластинах, обкладках. В результате параметры не остаются постоянными.

Лучший пример источника питания тока, напряжения – инвертор. Электроника гибко изменяет параметры устройства, добиваясь достижения нужного эффекта. На выходе переменные, постоянные напряжения, токи. В зависимости от возникающих потребностей. В персональном компьютере уйма питающих напряжений: для жестких дисков, процессора, DVD-приводов. 5, 12, 3,3 В. У каждого предназначение, несколько предназначений.

Протекание тока в цепи

Таким образом, потребитель определяет, нужен постоянный ток, либо требуется напряжение, сформированное по определенному закону. Если брать сварку, скорость протекания через плазму зарядов определяет рабочую температуру процесса, напрямую предопределяет условия существования дуги, глубину плавления металла. Технологи давно просчитали условия, определили экспериментально, руководство сварочного аппарата пишет следующее:

• толщина листа – 3 мм;
• диаметр электрода – 3,2 мм;
• рабочий ток процесса 100 – 140 А.

Сварщик молниеносно выставляет указанные параметры на корпусе IWM 220, берет электрод нужного диаметра, обжимает ухватом, заводит второй выход на землю. Потом надевает маску, начинает легонько постукивать детали, получая искру. Не слишком обеспокоен результатами труда, отраслевое пособие промышленности сообщает, с какой скоростью двигаться вдоль шва, под каким углом наблюдать результат процесса. Сварщик твердо знает, чего делать не нужно. Чтобы удостовериться, специальная комиссия по результатам тестов (выполнение определенных швов) присваивает рабочему разряд (ощутимо влияет на спектр полномочий, заработную плату).

Итак, род тока определяют потребности идущего процесса. В большинстве случаев требуется напряжение, часто приборы первоначально требовали постоянства тока. Прежде это обогреватели различного толка, основывающие принцип действия законом Джоуля-Ленца. Мощность, преобразующаяся в тепло, определяется размером сопротивления, протекающим током.

В бытовых целях удобнее поддерживать напряжение. Помимо обогревателей имеется множество других приборов. Прежде всего электроника. Напряжение на активном сопротивлении проводника линейно зависит от тока. Нет разницы, что поддерживать постоянным. Отчего тогда при сварочном процессе приходится стабилизировать.

Рука сварщика неспособна двигаться с достаточной твердостью, флуктуации воздуха постоянно меняют длину дуги. Имеются другие помехи. Напряжение на участке непостоянно. Следовательно, ток менялся бы (согласно закону Ома). Недопустимо по причинам описанным выше: изменится температура, технологический процесс пойдет неправильным путем. Приходится поддерживать постоянным ток, не напряжение.

Как практики получают ток заданной формы

Исторически первыми открыты гальванические источники тока. Произошло в 1800 году. Гением, подарившим человечеству первый источник питания, является Алессандро Вольта. Последовала плеяда открытий. Первым измерителем стал гальванометр – прибор, регистрирующий силу электрического тока. Принцип действия новинки, представленной миру Швейггером, основывался на взаимодействии магнитных полей проводника, стрелки компаса.

Вопрос важен по простой причине, для поддержания нужного закона тока нужно измерить физическую величину. Первые гальванометры оценивали параметр по силе магнитного поля, создаваемого проводником. В дальнейшем заложило основу действия первых тестеров. Как работает современное оборудование?

В зарядных устройствах поддерживается постоянным напряжение. Ток измеряется с целью оценки полноты наполненности батареи. Благодаря продуманному подходу, телефон способен сигнализировать мнемонически о ходе процесса. Когда батарея полна, полоса зарядки полностью закрашивается (первые сотовые телефоны), либо исчезает (на многих смартфонах в выключенном состоянии). Ход процесса регистрируется датчиком Холла: только исчезают импульсы, считается, устройство не нуждается в дальнейшей подзарядке.

На основе указанного эффекта первое время было возможным регистрировать наличие/отсутствие тока. С развитием науки, техники появились преобразователи на основе соединений индия, отличающиеся неплохими метрологическими качествами. По величине выходного напряжения способные оценивать параметры тока. Современные аналого-цифровые преобразователи измерения позволят перевести разницу потенциалов в цифры, понятные процессору. Последний выполняет необходимые операции по управлению устройством, способствуя получению тока заданной формы.

Инвертор действует схожим образом. Последовательности импульсов, нарезаемые ключом, проходят малогабаритный параметр в неизменном виде (форма графика), с измененными характеристиками. Остается только измерить нужные величины, произвести интегрирование на некотором участке. В результате современный сварочный аппарат по определению защищен против залипания: при резком возрастании тока питания отключается. Имеются у инверторов некоторые другие полезные качества, обеспечиваемые электроникой. Вот почему сварщикам нравятся аппараты.

В мощных цепях ток контролируется трансформаторами. Датчики Холла с десятками, сотнями амперов не работают напрямую. Типичный лимит составляет десятки мА. Используется принцип, схожий с имеющим место быть в цифровых мультиметрах: из потока движущихся по электрической цепи зарядов вычленяется некоторая малая часть. Далее пропорцией оценивается полная величина. Трансформаторы тока действуют аналогичным образом. Не имея первичной обмотки, путем электромагнитной индукции передают малую часть энергии поля измерительному средству (например, счетчику, аппаратуре контроля).

Отличительные особенности

Из сказанного понимаем следующее:

1. Физика под источником тока понимает агрегат, формирующий на выходе постоянный параметр. Практика часто предъявляет иные требования. Хотя чаще ток требуется постоянный.
2. На схемах источник тока обозначают по-другому, нежели источник ЭДС. Круг с двумя галками. Иногда рядом стоит латинская литера I. Сие помогает решать согласно уравнениям Кирхгофа задачи нахождения условий элементов электрической цепи.
3. Форма закона генерируемого тока определяется нуждами потребителя. Большинство бытовых приборов питается напряжением. Постоянство тока, особая форма не нужны, даже приносят вред. Мясорубка при заклинивании вала костью требует больше энергии. На это настроена регулирующая и защитная электроника.
4. Мощность, отдаваемая идеальным источником, растет пропорционально активному сопротивлению нагрузки. В реальности видим некий лимит, выше которого параметры начнут отличаться от заданных.

Проще говоря, исторически с точки зрения практики удобнее постоянным поддерживать напряжение, не ток. Термин, рассматриваемый разделом, вызывает много затруднений у людей посторонних, далеких электронике, вполне сведущих в технике. Итак, источник тока – отвечает за поддержание нужной формы тока. Чаще требуется постоянный.

Величина тока послужит целям регулирования. Искрение коллекторного двигателя сопровождается возрастанием нагрузки. Растет потребляемый ток, цепи контроля повышают напряжение на обмотках с целью преодолеть возникший «кризис». Приводит к необходимости контроля величины тока. В мясорубках задачу решает цепь обратной связи, формирующая угол отсечки ключом входного напряжения.

Пытаясь сохранить постоянной разность потенциалов, приборы варьируют потребление тока. В результате запрашиваемая от подстанции мощность меняется, эффект приводит к проседанию вольтажа. Визуально наблюдаем медленным миганием лампочек накала (энергосберегающие несут в цоколе драйвер для поддержания постоянства напряжения). Аналогичным образом устройства показали бы проседание тока при неизменном напряжении.

От Вольты до Гасснера, или Химические источники тока в XIX веке

Илья Леенсон
«Химия и жизнь» №1, 2017

Первые шаги: Гальвани и Вольта

Вплоть до конца XVIII века физики, изучавшие электрические явления, имели в своем распоряжении лишь источники статического электричества — куски янтаря, шары из плавленой серы, электрофорные машины, лейденские банки. С ними экспериментировали многие ученые, начиная с английского физика и врача Уильяма Гильберта (1544–1603). Имея в распоряжении такие источники, можно было открыть, например, закон Кулона (1785), но нельзя было открыть даже закон Ома (1826), не говоря уже о законах Фарадея (1833). Потому что накопленный статически заряд был мал и не мог обеспечить ток, длящийся хотя бы несколько секунд.

Ситуация изменилась после работ профессора медицины Болонского университета Луиджи Гальвани (1737–1798), открывшего, как он полагал, «животное электричество». Его знаменитый трактат назывался «О силах электричества при мышечном движении». В некоторых опытах Гальвани произошел первый в мире прием радиоволн. Генератором служили искры электрофорной машины, приемной антенной — скальпель в руках Гальвани, а приемником — лягушачья лапка. Помощник Гальвани проводил опыты с электрической машиной в некотором отдалении от препарированной лягушки. При этом жена Гальвани Лючия заметила, что лягушачьи лапки сокращаются в тот самый момент, когда в машине проскакивает искра, так что видна роль и случайности и наблюдательности.

Опытами Гальвани заинтересовался итальянский физик Алессандро Джузеппе Антонио Анастасио Вольта (1745–1827). Он был уже известным ученым: в 1775 году сконструировал смоляной электрофор, то есть обнаружил вещества-электреты, в 1781-м — чувствительный электроскоп, а немного позже — конденсатор, электрометр и другие приборы. В 1776 году он же обнаружил электропроводность пламени, а в 1778-м впервые получил чистый метан из собранного им в болотах газа и продемонстрировал возможность зажечь его от электрической искры. Вольта вначале был ревностным сторонником теории «животного электричества» Гальвани. Но собственноручное повторение его опытов убедило Вольту, что опыты Гальвани следует объяснять совершенно иначе: лягушачья ножка — не источник, а лишь приемник электричества. Источник же — разные металлы, которые касаются друг друга. «Металлы не только прекрасные проводники, — писал Вольта, — но и двигатели электричества».

Это было ключевое утверждение, позволившее создать гальванические элементы, батарейки, аккумуляторы, которые окружают нас со всех сторон и всю жизнь. Принцип их действия изложен в школьном учебнике, причем значительно подробнее, чем это нужно для дальнейшего. Суть проста: в проводящей среде (электролите) находятся два разных проводника (электрода), которые вступают с ней в такие реакции, что они заряжаются разноименными зарядами. Если соединить эти электроды (анод и катод) внешним проводником (нагрузкой), по ней начнет протекать ток.

Возражая Гальвани, Вольта сначала избавился от лягушки, заменив ее собственным языком. Он, например, клал на язык золотую или серебряную монету, а под язык — медную. Как только две монеты соединяли кусочком проволоки, сразу же во рту ощущался кислый вкус, знакомый каждому, кто пробовал на язык контакты батарейки для карманного фонаря. Затем Вольта и вовсе исключил из экспериментов «животное электричество», используя в опытах только приборы.

Оставался один шаг до изобретения в 1800 году первого постоянно действующего источника электрического тока. Это произошло, когда Вольта соединил последовательно пары цинковых и медных пластинок, разделенных прокладками из картона или кожи, которые были пропитаны раствором щелочи или соленой водой. Эту конструкцию назвали по имени изобретателя «вольтовым столбом». Конструкция была тяжелой, жидкость из прокладок выдавливалась, поэтому Вольта заменил ее чашечками с раствором кислоты, в которые были опущены цинковые и медные (или серебряные) полоски или кружочки. Чашки были соединены последовательно, а чтобы выводы батареи были близко, отдельные ее элементы Вольта расположил по кругу. Эту конструкцию по ее форме назвали «вольтовой короной».

После своего открытия Вольта потерял к нему интерес и отошел от научной работы, предоставив другим ученым развивать учение об электричестве. Но вклад Алессандро Вольты в учение об электричестве столь значим, что его именем названа единица напряжения. А когда Наполеон увидел в библиотеке Академии наук изображение лаврового венка с надписью «Великому Вольтеру», он стер несколько букв, так что получилось: «Великому Вольте». Вольтов столб и его разновидности дали возможность многочисленным ученым проводить эксперименты с длительно действующим источником постоянного тока. Именно с этого открытия началась эра электричества. Вероятно, самый восторженный отзыв об открытии Вольты оставил его биограф французский физик Доминик Франсуа Араго (1786–1853): «Столб, составленный из кружков медного, цинкового и влажного суконного. Чего ожидать априори от такой комбинации? Но это собрание, странное и, по-видимому, бездействующее, этот столб из разнородных металлов, разделенных небольшим количеством жидкости, составляет снаряд, чуднее которого никогда не изобретал человек, не исключая даже телескопа и паровой машины».

«Огромные наипаче батареи»

Вольта поступил очень мудро, послав в марте 1800 года письмо Джозефу Бэнксу (1743–1820), президенту Лондонского королевского общества — ведущего научного центра того времени. В письме Вольта описал различные конструкции своих источников электричества, которые в память о Гальвани назвал гальваническими. Бэнкс был ботаником, поэтому он показал письмо своим коллегам — физику и химику Уильяму Николсону (1753–1815) и врачу и химику, президенту Королевского колледжа хирургов Энтони Карлайлу (1768–1842). И уже в апреле они по описанию Вольты изготовили батарею из 17, а затем из 36 последовательно соединенных цинковых кружков и монет в полкроны, которые тогда были из серебра 925-й пробы. Между ними помещались картонные прокладки, пропитанные соленой водой.

В ходе опытов Николсон обнаружил около контакта цинка и медного проводника выделение пузырьков газа. Он определил, что это водород — причем по запаху, ибо водород, получаемый при растворении цинка в кислотах или щелочах, часто имеет запах. В цинке обычно есть примесь мышьяка, который восстанавливается до арсина, а продукты его разложения пахнут чесноком. В сентябре 1800 года немецкий физик Иоганн Риттер (1776–1810), собрав газ, выделявшийся при электролизе воды, с другого электрода батареи, показал, что это кислород. В том же году английский химик Уильям Крукшенк (1745–1800) расположил цинковые и медные пластинки в горизонтальном длинном ящике — при этом легко было заменять отработанные (полурастворившиеся и покрытые продуктами реакции) цинковые электроды. В нерабочем состоянии электролит из ящика сливали, чтобы не расходовать цинк зря. В качестве электролита Крукшенк использовал раствор хлорида аммония, а затем — разбавленную кислоту. Фарадей рекомендовал смесь слабых (1–2 %) растворов серной и азотной кислот. С таким электролитом цинк медленно растворялся с выделением маленьких пузырьков водорода. Водород выделялся и на медном аноде, а ЭДС^* одного элемента батареи была всего 0,5 В.

Выделение водорода на цинке связано с поляризацией этого электрода, которая увеличивает внутреннее сопротивление и понижает потенциал элемента. Чтобы предотвратить это явление, британский физик и электротехник Уильям Стёрджен (1783–1850), создатель первого электромагнита, амальгамировал цинковые пластинки. В 1840 году английский врач Альфред Сми (1818–1877) заменил медный электрод серебряным, покрытым шероховатым слоем платины. Это ускоряло выделение из раствора пузырьков водорода и увеличивало ЭДС. Такие батареи широко использовали в гальванотехнике. Так, методом гальванопластики были изготовлены скульптуры на Исаакиевском соборе в Петербурге. Метод получения электролитическим путем копий в металле разработал петербургский академик Мориц Герман (Борис Семенович) Якоби в 1838 году, как раз во время строительства собора. Подробнее об этой технике можно прочитать на сайте «Библиотека с книгами по скульптуре».

Одну из лучших батарей своего времени собрал известный английский медик и химик Уильям Хайд Волластон (Уолластон, 1766–1828), прославившийся открытием палладия и родия, а также технологией изготовления тончайших металлических нитей, которые применялись в чувствительных приборах. В каждом элементе цинковый электрод был с трех сторон окружен медным с малым зазором, через который пузырьки водорода выделялись в воздух.

Знаменитый английский физик Гемфри Дэви (1778–1829) сначала проводил опыты с батареей, подаренной ему самим Вольтой; затем начал изготовлять все более мощные собственной конструкции — из медных и цинковых пластинок, разделенных водным раствором аммиака. Первая его батарея состояла из 60 таких элементов, но через несколько лет он собрал очень большую батарею, уже из тысячи элементов. С помощью этих батарей он впервые смог получить такие металлы, как литий, натрий, калий, кальций и барий, а в виде амальгамы — магний и стронций.

Одну из самых больших батарей создал в 1802 году физик и электротехник Василий Владимирович Петров (1761–1834). Его «огромная наипаче батарея» из 4200 медных и цинковых пластин «по полтора дюйма» размером располагалась в узких деревянных ящиках. Вся батарея была составлена из четырех рядов, каждый длиной около 3 м, соединенных последовательно медными скобками. Теоретически такая батарея может давать напряжение до 2500 В, а реально давала около 1700. Эта гигантская батарея позволила Петрову провести множество опытов: он разлагал током различные вещества, а в 1803 году впервые в мире получил электрическую дугу. С ее помощью удалось расплавлять металлы, ярко освещать большие помещения. Однако обслуживание этой батареи было исключительно трудоемким. Во время опытов пластины окислялись, и их приходилось регулярно чистить. При этом один работник мог за час почистить 40 пластин. Работая по 8 часов в день, этот работник в одиночку потратил бы не меньше двух недель, чтобы приготовить батарею к следующим опытам.

Вероятно, самый необычный гальванический элемент изготовил немецкий химик Фридрих Вёлер (1800–1882). В 1827 году, нагревая хлорид алюминия с калием, он получил металлический алюминий — в виде порошка. Ему понадобилось 18 лет, чтобы получить алюминий в виде слитка. В элементе Вёлера оба электрода были из алюминия! Причем один был погружен в азотную кислоту, другой — в раствор гидроксида натрия. Сосуды с растворами соединял солевой мостик.

Даниель, Лекланше и другие

Основу современных гальванических элементов разработал в 1836 году Джон Фредерик Даниель (1790–1845), английский физик, химик и метеоролог (он изобрел также измеритель влажности — гигрометр). Даниелю удалось преодолеть поляризацию электродов. В его первом элементе в медный сосуд с раствором сульфата меди был вставлен кусочек пищевода быка, наполненный разбавленной серной кислотой с цинковым стержнем посередине. Фарадей предложил изолировать цинк оберточной бумагой, поры которой тоже могут пропускать ионы электролита. Но Даниель в качестве диафрагмы стал использовать пористый глиняный сосуд. Заметим, что с медным и цинковым электродами, погруженными в растворы соответственно нитрата меди и сульфата цинка, еще в 1829 году экспериментировал Антуан Сезар Беккерель (1788–1878), дед более известного Антуана Анри Беккереля, открывшего радиоактивность и разделившего в 1903 году с супругами Кюри Нобелевскую премию по физике. Элемент Даниеля длительно давал стабильное напряжение 1,1 В. За это изобретение Даниель был удостоен высшей награды Королевского общества — золотой медали Копли. За прошедшие 180 лет появилось множество модификаций этого элемента; при этом их разработчики пытались разными способами избавиться от пористого сосуда.

С появлением телеграфных линий возникла потребность в более удобных и недорогих источниках тока, без пористых перегородок, с одним электролитом и с большим сроком службы. В 1872 году элемент Даниеля сменил нормальный элемент Джосайи Латимера Кларка (1822–1898): положительный электрод — ртуть, отрицательный — 10%-ная амальгама цинка, ЭДС 1,43 В. А в 1892 году ему на смену пришел ртутно-кадмиевый элемент Эдварда Вестона (1850–1936) с ЭДС 1,35 В. Его модификация под названием нормальный элемент Вестона используется до сих пор в качестве эталона напряжения — при малых нагрузках он дает высокостабильное напряжение в диапазоне 1,01850–1,01870 В, известное с точностью до пятого знака.

Один из вариантов элемента Даниеля, в котором не было пористой перегородки, разработал в 1859 году немецкий физик и изобретатель Генрих Мейдингер (1831–1905). На дне сосуда расположены медный электрод и кристаллы медного купороса (они поступают из воронки), цинковый электрод укреплен вверху. Тяжелый насыщенный раствор сульфата меди остается в нижней части: диффузии ионов меди к цинковому электроду противодействует разряд этих ионов при работе элемента, а граница между растворами выделяется очень резко. Отсюда название источников такого типа — гравитационный элемент. Элемент Мейдингера без ухода и добавления реактивов может непрерывно работать в течение нескольких месяцев. Этот элемент широко использовали в Германии с 1859 по 1916 год как источник питания для железнодорожной телеграфной сети. Аналогичные источники существовали во Франции и в США — под названием элементов Калло и Локвуда. Хорошими характеристиками обладал элемент, предложенный в 1839 году английским физиком и химиком Уильямом Робертом Грове (1811–1896). Электродами в нем служили цинк и платина, разделенные пористой перегородкой и погруженные соответственно в растворы серной и азотной кислот.

Роберт Вильгельм Бунзен (1811–1899), известный своими открытиями и изобретениями (спектральный анализ, горелка и др.), заменил дорогой платиновый электрод прессованным угольным. Угольные электроды присутствуют и в современных батарейках, однако у Бунзена они были погружены в азотную кислоту, играющую роль деполяризатора (сейчас им служит диоксид марганца). Элементы Бунзена долгое время широко использовались в лабораториях. Они могли обеспечить, хотя и недолго, большой ток. Элементы Бунзена, например, использовал молодой Чарльз Мартин Холл (1863–1914), открывший электролитический способ получения алюминия. Множество таких элементов было соединено в батарею; при этом на 1 г выделенного алюминия уходило почти 16 г цинка! Французский химик и изобретатель Эдм Ипполит Мари-Дэви (1820–1893) заменил в элементе Бунзена азотную кислоту на пасту из сульфата ртути (I) и серной кислоты; электролитом служил раствор сульфата цинка. В 1859 году было проведено сравнение батареи из 38 этих элементов (ЭДС каждой 1,4 В) с батареей из 60 элементов Даниеля. Первая проработала 23 недели, вторая — только 11. Однако высокая стоимость и ядовитость солей ртути препятствовали широкому распространению таких элементов.

Немецкий физик Иоганн Кристиан Поггендорф (1796–1877) в качестве деполяризатора использовал в своем элементе раствор дихромата калия в серной кислоте. Поггендорф известен как издатель журнала Annalen der Physik und Chemie — он занимал этот пост на протяжении 36 лет. Элемент Поггендорфа давал наибольшую ЭДС (2,1 В) и непродолжительно — большой ток. Важным преимуществом была возможность извлечь из раствора цинковый электрод, чтобы его очистить или заменить.

Уоррен де ла Рю (1815–1889), который впервые получил фотографии Луны и Солнца, в 1868 году собрал большую батарею из 14 тысяч элементов. Электродами в них служили серебро, покрытое хлоридом серебра, и амальгамированный цинк, а электролитом — раствор хлорида натрия, хлорида цинка или гидроксида калия. Цинк-хлорсеребряные элементы используются до сих пор; их хранят в сухом виде и активируют, заполняя пресной или морской водой, после чего элемент может работать до 10 месяцев. Такие элементы могут использовать потерпевшие аварию на воде. В более дешевых, но и менее мощных элементах применяется Cu/CuCl-электрод.

Один из самых известных химических источников тока — марганцево-цинковый элемент, описанный в 1868 году французским химиком Жоржем Лекланше (1839–1882) и разработанный им несколькими годами ранее. В этом элементе угольный электрод окружен деполяризатором из диоксида марганца, смешанным для лучшей электропроводности с угольным порошком. Чтобы смесь не рассыпалась при заливке электролита (раствора хлорида аммония), ее вместе с анодом помещали в пористый сосуд. Элемент Лекланше служил долго, не требовал ухода и мог давать довольно большой ток. Пытаясь сделать его более удобным, Лекланше решил загустить электролит клейстером. Это революционным образом изменило дело: элементы Лекланше перестали бояться случайного опрокидывания, их можно было использовать в любом положении. Изобретение Лекланше тут же получило коммерческий успех, а сам изобретатель, забросив свою основную профессию, открыл фабрику по производству элементов. Марганцево-цинковые элементы Лекланше были дешевыми и выпускались в больших количествах. Однако называть их «сухими» не вполне правильно: электролит в них был «полужидким», а в настоящих сухих элементах он должен быть твердым. Лекланше умер в возрасте 43 лет, не дожив до изобретения таких элементов.

С 1802 по 1812 год было сконструировано несколько сухих батарей, самая известная из которых — так называемый замбониев, или дзамбониев столб (см. «Химию и жизнь» № 6, 2007). Итальянский физик и священник Джузеппе Дзамбони (1776–1846) в 1812 году собрал столб из нескольких сотен бумажных кружков, на одной стороне которых был тонкий слой цинка, а на другой — смесь диоксида марганца и растительной камеди. Электролитом служила содержащаяся в бумаге влага. Такой столб давал высокое напряжение, но только очень малый ток. Именно столб Дзамбони позволяет уже почти два века позвякивать чашечкам в звонке, находящемся в Кларендонской лаборатории в Оксфорде. Однако для практических целей такая батарея не подходит.

Первый сухой гальванический элемент, который можно было применять на практике, запатентовал в 1886 году немецкий инженер Карл Гасснер (1855–1942). Протекающие в нем химические реакции были такими же, как и в предыдущих конструкциях: Zn + 2MnO₂ + 2NH₄Cl → 2MnO(OH) + [Zn(NH₃)₂]Cl₂. При этом цинковый электрод одновременно служил и наружным контейнером. Электролитом была смесь муки и гипса, на ней был абсорбирован раствор хлоридов аммония и цинка (гипс потом заменили крахмалом). Добавление в электролит хлорида цинка значительно снижало коррозию цинкового электрода и продлевало срок хранения элемента. Положительным электродом служил угольный стержень, который окружала масса из диоксида марганца и сажи в бумажном мешочке. Сверху элемент герметизировали битумом. Емкость элементов компенсировали их размером. Солевой элемент Гасснера в общих чертах сохранился до наших дней и выпускается в количестве многих миллиардов штук в год. Но в ХХ веке конкуренцию им составили щелочные элементы, которые иногда ошибочно называют «алкалиновыми», не трудясь заглянуть в словарь при переводе с английского.

В заключение отметим, что гальванические батареи той или иной конструкции были основными источниками электричества вплоть до изобретения динамо-машины.

---

^* Электродвижущая сила. — «Элементы».

2. Электрический ток. Электрическая цепь. Гальванические элементы. Аккумуляторы

Электрический ток — направленное, упорядоченное движение электрических зарядов.

Электрические заряды могут быть разными. Это могут быть электроны или ионы (положительно или отрицательно заряженные).
Чтобы получить электрический ток в проводнике, надо создать в нём электрическое поле. Под действием поля электрические заряды начнут перемещаться, возникнет электрический ток.

 

Обрати внимание!

Условия существования электрического тока:

• наличие свободных электрических зарядов;
• наличие электрического поля, которое обеспечивает движение зарядов;
• замкнутая электрическая цепь.
Электрическое поле создают источники электрического тока.

Источник тока — это устройство, в котором происходит преобразование какого-либо вида энергии в электрическую энергию.

В любом источнике тока совершается работа по разделению положительно и отрицательно заряженных частиц, которые накапливаются на полюсах источника.

 

Существуют различные виды источников тока:

  

• Механический источник тока — механическая энергия преобразуется в электрическую энергию. Сюда относятся: электрофорная машина, динамо-машина, генераторы.

 

Диски электрофорной машины приводятся во вращение в противоположных направлениях. В результате трения щёток о диски на кондукторах машины накапливаются заряды противоположного знака.

 

• Тепловой источник тока — внутренняя энергия преобразуется в электрическую энергию.

 

 

 

К нему относится термоэлемент. Две проволоки из разных металлов спаяны с одного края. Затем место спая нагревают, тогда между другими концами этих проволок появляется напряжение.

 

• Световой источник тока — энергия света преобразуется в электрическую энергию.  Сюда относится фотоэлемент.

 

При освещении некоторых полупроводников световая энергия превращается в электрическую. Из фотоэлементов составлены солнечные батареи.

 

• Химический источник тока — внутренняя энергия преобразуется в электрическую в результате протекающих химических реакций.
Примером такого источника является гальванический элемент. 

 

 

Угольный стержень У (с металлической крышкой М) помещают в полотняный мешочек, наполненный смесью оксида марганца с углём С, а затем  в цинковый сосуд Ц. Оставшееся пространство заполняют желеобразным раствором соли Р. При протекании химической реакции цинк заряжается отрицательно (отрицательный электрод), а угольный стержень — положительно (положительный электрод). Между заряженным угольным стержнем и цинковым сосудом возникает электрическое поле.

Из нескольких гальванических элементов можно составить батарею.

 

 

Источники тока на основе гальванических элементов применяются в бытовых автономных электроприборах, источниках бесперебойного питания. Они являются одноразовыми. В быту часто используют батарейки, которые можно подзаряжать многократно. Их называют аккумуляторами.

 

 

 

Простейший аккумулятор состоит из сосуда, наполненного слабым раствором серной кислоты в воде, в который опущены две свинцовые пластины (электроды). Чтобы аккумулятор стал источником тока, его надо зарядить. Если обе пластины соединить с полюсами какого-либо источника электрической энергии, то электрический ток, проходя через раствор, зарядит один электрод положительно, а другой — отрицательно. Такие аккумуляторы называют кислотными или свинцовыми. Кроме них ещё существуют щелочные или железоникелевые аккумуляторы. В них используется раствор щёлочи и пластины: одна — из спрессованного железного порошка, а вторая — из пероксида никеля.   
Аккумуляторы используют в автомобилях, электромобилях, сотовых телефонах, железнодорожных вагонах и даже на искусственных спутниках Земли.
Наряду с источниками тока существуют различные потребители электроэнергии: лампы, пылесосы, компьютеры и многие другие. Чтобы электроэнергию доставить от источника до потребителя, необходимы соединительные проводники, а чтобы её поступлением можно было управлять, нужны рубильники, выключатели, кнопки и т.д.

 

Обрати внимание!

Источник электроэнергии, потребители электроэнергии, замыкающие устройства, соединённые между собой проводами, называют электрической цепью.

Необходимое условие существования тока  – замкнутая цепь! Это означает, что все элементы цепи должны быть проводниками электричества и в цепи не должно быть разрывов. В случае размыкания цепи ток прекращает течь. Именно размыкание цепи и лежит в основе работы всех реле, кнопок и выключателей.

  

Порядок сборки электрической цепи указывается на специальном чертеже, который принято называть схемой.

  

 

Приборы на схемах обозначают условными знаками. Вот некоторые из них:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Источники:

 

 

http://www.fizika.ru/kniga/index.php?mode=paragraf&theme=09&id=9010
http://files.school-collection.edu.ru/dlrstore/669ba06a-e921-11dc-95ff-0800200c9a66/3_8.swf

Химический источник тока

                                     

1. История создания.

(The history of creation)

Первый химический источник тока был изобретен итальянским ученым Алессандро Вольта в 1800 году. он был “элемент Вольта” – склянка с серной кислотой опускаем в него цинковые и медные пластины, провода с холодного конца. затем ученый собрал батарею из этих элементов, которая впоследствии была названа “вольтовым столбом”. это изобретение, и впоследствии использовали другие ученые в своих исследованиях. так, например, в 1802 году академик В. В. Петров сконструировал Вольтов столб из 2100 элементов для получения электрической дуги. В 1836 году английский химик Джон Дэниелл улучшенная элемент Вольта, поместив цинковый и медный электроды в раствор серной кислоты. эта конструкция стала называться “элементом Даниеля”.

В 1859 году французский физик Гастон Планте изобрел свинцово-кислотный аккумулятор, поместив свернутую в рулон тонкую свинцовую пластину в серной кислоте. этот тип элемента и по-прежнему используется в автомобильных аккумуляторах.

В 1865 году французский химик Ж. Лекланш предложил свой сотовый Лекланш, который состоял из цинкового стаканчика, наполненных водным раствором хлористого аммония или другие соли хлорида, в который был помещен агломерат оксида марганцаIV MnO 2 (Мно 2) в качестве деполяризатора с угольными электродами. модификация этой конструкции используется до сих пор в солевых батарейках для различных бытовых устройств.

В 1890 году в Нью-Йорке Конрад Губерт, русский иммигрант, создал первый карманный электрический фонарик. И уже компании в 1896 году National Carbon (Национальная Углерода) начинается массовое производство первого сухих клеток мире Лекланш “Columbia”.

Старейший, по-прежнему работать гальванический элемент, серебряно-цинковый аккумулятор, сделанные в Лондоне в 1840 году. подключен к двум последовательно Соединенным Call батарея работает по сей день в Clarendons лаборатории Оксфорда.

Химические источники тока. Виды и особенности. Устройство и работа

Химические источники тока (ХИТ) — эта тема имеет высокое практическое значение. Это кардиостимуляторы, электромобили, которые пытаются сохранить экологию, портативные устройства, включая фото и видеотехнику, компьютерную технику, навигаторы. За последние годы прогресс химических источников тока произошел большой, от известных свинцовых аккумуляторов, которые постепенно вытесняются литий-ионными, литий-полимерными и другими аккумуляторами.

В этой области борьба идет за мощность, емкость, которая позволяет максимально долго использовать источники тока. Дополнительным стимулом к их развитию является создание гибких источников тока. Научная составляющая в этой области лежит в плане разработки материалов для таких химических элементов.

Устройство и работа

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.

Из чего состоят химические источники тока

В качестве окислителей применяются соли и кислородосодержащие кислоты, а также нитроорганические вещества, кислород. В качестве восстановителей применяются металлы, оксиды, углеводороды.

Электролит может состоять из:

• Соли, щелочи и кислоты, растворенные в воде.
• Соли в растворе, с возможностью электронной проводимости.
• Расплавленные соли.
• Твердые вещества с подвижным ионом.
• Электролиты в виде матрицы. Это растворы жидкости, расплавы, которые находятся в порах электроносителя.
• Электролиты с ионным обменом. Твердые вещества с закрепленными ионогенными группами, с одним знаком. С другим знаком ионы подвижны. Эта характеристика позволяет создать однополярную проводимость.

Гальванические элементы

Напряжение на ячейке составляет 0,5-4 вольта. В химических образцах источника применяют гальваническую батарею, которая состоит из элементов. Может использоваться параллельная схема нескольких элементов. При последовательной схеме в цепь включены одинаковые батареи. Они должны обладать одинаковыми свойствами, с одной конструкцией, технологией, типоразмером. Для схемы параллельного соединения подойдут элементы с различными свойствами.

Классы

Химические источники тока делятся по следующим свойствам:

• Размерности.
• Конструктивным особенностям.
• Применяемым химическим веществам.
• Источнику реакции.

Эти свойства создают эксплуатационные параметры источников, которые подходят для определенной области использования.

Деление на классы электрохимических источников основывается на отличии в способе действия устройства. По этим свойствам их различают:

• Первичные источники – для однократного применения. В них заключен определенный запас веществ, который будет израсходован при реакции. Когда произойдет разряд, ячейка исчерпывает свою способность к работе. Первичные источники, основанные на химических реакциях, называются элементами. Наиболее простой элемент – это батарейка типа АА.
• Химические источники тока, которые имеют возможность перезаряжаться, называются аккумуляторами, это вторичные многоразовые элементы. Израсходованные химические элементы могут регенерироваться и снова накопить энергию, путем подключения к ним тока. Это называется зарядкой элементов. Такие элементы применяют длительное время, так как их легко зарядить. В процессе разряда вырабатывается электрический ток. К таким источникам можно причислить элементы питания различных видов приборов и устройств, таких как смартфоны, ноутбуки и т.д.
• Тепловые химические источники тока – это приборы постоянного действия. В результате их работы постоянно поступает новая порция веществ и удаляется использованный продукт реакции.
• В смешанных элементах находится запас реагента. Другой реагент поступает в устройство снаружи. Время действия устройства имеет зависимость от резерва первого вещества. Комбинированные элементы применяются в качестве аккумуляторов, когда имеется возможность регенерации их заряда через прохождение тока от внешнего питания.
• Химические источники тока, которые могут возобновлять заряд, заряжаются разными способами. В них можно заменять израсходованные реагенты. Такие источники действуют не постоянно.

Свойства

Основные характеристики ХИТ можно перечислить в таком виде:

• Разрядное напряжение. Это свойство имеет зависимость от определенной электрохимической системы. А также оказывает влияние процент концентрации электролита, температура, ток.
• Мощность.
• Разрядный ток, зависящий от сопротивления цепи.
• Емкость, наибольшее количество энергии, которое источник выдает при общем разряде.
• Запас энергии – наибольшая энергия, которая получена при полном разряде устройства.
• Энергетические свойства и характеристики. Для батарей аккумуляторов это число циклов заряда и разряда, без уменьшения емкости и напряжения (ресурс).
• Температурный интервал работы.
• Сохраняемый срок – наибольший допускаемый период времени от изготовления до первого разряда элемента.
• Время службы – наибольший допускаемый срок работы и хранения. Для элементов на топливе имеют значение сроки работы при постоянной и периодической работе.
• Полная энергия, отданная за все время работы.
• Механическая, вибрационная прочность.
• Возможность функционирования в любом положении.
• Надежная работа.
• Простота в уходе.

Сахарная батарея

Чтобы произвести литий-ионные аккумуляторы в Японии закупают материалы в других странах. Это негативно сказывается на экономическом положении страны. Поэтому ученые ищут способы изготовления аккумуляторов из того сырья, которое имеется в наличии. Таким сырьем в Японии стал сахар. Аккумулятор на сахаре в Японии по свойствам имеет надежность и энергоемкость выше обычных аналогов, и стоимость его ниже.

Большой спрос на литий, который вызван резким распространением переносных аккумуляторов, озаботил производителей аккумуляторов, так как этот элемент добывается только в странах с политической нестабильностью. Это явилось вторым фактором поиска альтернативных материалов для недорогих аккумуляторов с высокой надежностью. Сахароза легко преобразуется в дешевый материал для анодного сырья в литий-ионных батареях.

Сахар нагревают в условиях вакуума под давлением до 1500 градусов. Он превращается в порошок, состоящий из углерода, который может повысить заряд на 20% больше аналогичных изделий. Это явилось первым шагом в разработке дешевых батарей. Пока такие виды батарей не составляют конкуренции современным аккумуляторам. Но ученые предполагают, что в будущем подобные разработки вытеснят дорогие изделия.

Требования

Конструктивные особенности химических источников тока должны создавать условия, которые способствовали бы максимальной эффективности химических реакций.

К таким условиям можно отнести:

• Недопущение утечек тока.
• Постоянная работа.
• Герметичность.
• Раздельное помещение реагентов.
• Качественное контактирование электролита с электродами.
• Хороший отвод тока из объекта химической реакции до наружного вывода с наименьшими потерями.

К химическим элементам предъявляются требования:

• Повышенные значения свойств.
• Максимальный диапазон температуры работы.
• Наибольшее напряжение.
• Минимальная себестоимость электричества.
• Постоянное значение напряжения.
• Хорошее сохранение заряда.
• Безопасное функционирование.
• Простое обслуживание, или ее отсутствие.
• Долговременная работа.

Эксплуатация источников тока

Основное достоинство первичных элементов состоит в отсутствии надобности обслуживания. Перед работой нужно просто осмотреть их, определить срок годности. При включении в цепь нельзя путать полярность и допускать повреждения контактов. Сложные конструкции источников требуют особого ухода. Цель его заключается в удлинении срока службы до максимума.

Уход за аккумуляторами требует выполнения следующих мероприятий:

• Обеспечение чистоты.
• Контроль параметра напряжения отключенной цепи.
• Обеспечение необходимого уровня электролита, доливки дистиллированной воды.
• Проверка концентрации электролита ареометром.

При использовании батареек (гальванических элементов) нужно выполнять требования, которые относятся к применению электрических приборов.

Сфера использования

В современное время химические источники тока используются в:

• Транспорте.
• Переносных устройствах.
• Космической технике.
• Оборудовании научных исследований.
• Медицинских приборах.

Применяются в бытовой сфере:

• Батарейки (сухие).
• Батареи аккумуляторов электроники.
• Аккумуляторы на автомобилях.

Большое распространение нашли литиевые химические источники тока. Это обусловлено наличием у лития максимальной удельной энергии. Он отличается наиболее отрицательным потенциалом электрода из металлов. Батареи литий ионного типа опередили все другие источники по размеру значений удельной энергии. В настоящее время ученые разрабатывают различные усовершенствования литиевых аккумуляторов. Разработки ведутся в направлении получения конструкций корпуса сверхмалой толщины, которые будут использоваться для питания смартфонов и подобных им гаджетов, а также создание сверхмощных батарей аккумуляторов.

В последнее время серьезные работы ученых ведутся по изобретению и модернизации топливных батарей – устройств, которые создают электрическую энергию, за счет проведения химических реакций веществ, постоянно подающихся к электродам снаружи. Для окисления берут кислород, а в качестве топлива пытаются использовать водород. На основе таких батарей уже действуют некоторые опытные образцы на электростанциях.

Похожие темы:

Что такое текущий источник?

Прочитав ваши комментарии, я дам несколько иной ответ на этот вопрос.

Что такое текущий источник? Ничего особенного, или, проще говоря, это просто математическая модель. Тот, который вы описываете, не существует, как не существует источника напряжения.

Я думаю, что основная проблема здесь связана с этим утверждением: , например, батарея, которая имеет постоянную разность потенциалов на концах, независимо от изменений в цепи, в которой она подключена к , что неверно.Это поведение идеальной батареи, которая реальна как идеальный источник тока и как идеальный источник тока не существует. На выход (и внутреннее состояние) каждой реальной батареи влияет схема, к которой она подключена.

Так зачем нам источники напряжения и тока? Идея состоит в том, что работа инженера состоит в том, чтобы сконструировать устройство, которое делает что-то довольно хорошо и, как выясняется, для полного понимания того, как каждый компонент, используемый в устройстве, не нужен.Вот почему у нас есть такие вещи, как идеальные источники тока и напряжения.

Вернемся еще раз к примеру с батареей. Вот простой эксперимент, который я проделал с литий-полимерным аккумулятором, который у меня есть: сначала я полностью зарядил аккумулятор. Поскольку это двухэлементный аккумулятор, его напряжение при полной зарядке составляло 8,4 В, хотя его номинальное напряжение составляет 7,4 В. Затем я подключил к аккумулятору резистор \ $ 100 \ mbox {} k \ Omega \ $. Его напряжение осталось 8,4 В, и из этого я мог бы сделать вывод, что батарея действительно является идеальным источником напряжения, так как я подключил к ней нагрузку, но ее напряжение не изменилось.Затем я взял электродвигатель, который у меня есть, подключил его к батарее и снова измерил напряжение батареи. На этот раз оно составило 8,2 В. Очевидно, что двигатель повлиял на батарею, и она больше не является идеальным источником напряжения, хотя это та же батарея, что и раньше. Я отключил двигатель и снова подключил резистор, и снова напряжение на батарее было 8,4 В.

Так что здесь происходит? Аккумулятор – идеальный источник напряжения или нет? Мы знаем, что это не потому, что я сказал об этом в начале ответа, но здесь я объясню, почему иногда кажется, что это так, а иногда кажется, что это не так.Как я уже сказал, источник напряжения – это математическая модель. Когда внешняя цепь не оказывает большого влияния на работу батареи, я могу ее использовать, а когда внешняя цепь действительно оказывает большое влияние на батарею, я не могу ее использовать. Итак, мы используем простую модель для представления поведения реальной схемы. Другая модель – использовать идеальный источник напряжения с последовательно включенным резистором на выходе. Когда я подключаю к этой цепи внешнюю нагрузку, на внутреннем резисторе будет падать некоторое напряжение, а на выходе внешнего резистора будет более низкое напряжение.Это позволяет мне снова использовать идеальный источник напряжения для представления батареи, и, поскольку я использую внутренний резистор вместе с идеальным источником напряжения, выходной сигнал будет более точно отражать поведение реальной батареи. Если мне нужна более высокая точность, я могу решить использовать более сложную модель и получить более точные результаты.

Важным моментом в электротехнике является изучение того, когда использовать правильную модель для представления чрезвычайно сложного компонента реальной схемы (и даже скромный резистор при детальном анализе является шедевром современной науки).Но чтобы сделать это, мы начнем с простых схем, чтобы узнать, как на самом деле работают простейшие математические модели.

Когда мы начинаем анализ более сложных компонентов схемы, таких как, например, транзистор или диод, мы разбиваем их на простую схему, состоящую из таких элементов, как резисторы и идеальные источники тока и напряжения. Это позволит нам упростить поведение более сложного компонента и избежать подробного анализа того, как он работает, если для наших нужд достаточно простой модели.

Полностью такая же история работает с источниками тока, но я решил не рассказывать ее здесь, поскольку, как вы можете видеть из других ответов, схемы, которые можно смоделировать как идеальные источники тока, слишком сложны для понимания на данном этапе.

Итак, подведем итоги: не существует реальных объектов, которые можно было бы использовать для представления идеальных источников напряжения и тока, но есть некоторые объекты, которые могут быть (в некоторых случаях довольно близко) представлены идеальными источниками напряжения и тока.Лучшее, что вы можете сделать сейчас, – это правильно запомнить определения идеальных источников напряжения и тока и не путать их с реальными объектами. Таким образом, вы не будете удивлены, если батарея не обеспечивает свое номинальное напряжение или если цепь, обозначенная как идеальный источник тока, в какой-то момент начнет дымиться, хотя она должна быть полностью невосприимчивой к внешним изменениям в цепи.

В качестве примечания рассмотрим, что происходит с идеальным источником напряжения, когда его выходы закорочены, и что происходит с идеальным источником тока, когда его выходы разомкнуты? И что происходит, когда вы закорачиваете батарею, и почему все батареи имеют предупреждение о том, что выходные контакты не должны закорачиваться?

Как сделать источник постоянного тока

Понимание конкретных схемных решений основано на выявлении лежащих в их основе основных идей.Итак, давайте посмотрим, что это за идеи в случае …

Для выработки тока по закону Ома I = V / R нам нужны только напряжение и сопротивление. Итак, если бы нагрузка была чисто резистивной, нам понадобился бы только источник напряжения для выработки тока. Изменяя напряжение, мы можем установить желаемую величину тока.

Но если нагрузка ведет себя как источник напряжения (например, аккумуляторная батарея, конденсатор, стабилитрон, короткое замыкание, отрицательный резистор и т. Д.), Нам необходимо дополнительное сопротивление последовательно для установки (ограничения) тока.Таким образом, в общем случае источник тока состоит из двух последовательно соединенных элементов – источника напряжения с напряжением V и резистора с сопротивлением Ri … и он подключен к нагрузке с напряжением VL и сопротивлением RL. Эти четыре элемента соединены по кругу, и каждый из них влияет на величину тока, определяемую соотношением полного напряжения Vt и сопротивления Rt; I = Vt / Rt = (V ± VL) / (Ri ± RL). В этой схеме источник входного напряжения пытается установить ток своим напряжением V и сопротивлением Ri, в то время как нагрузка мешает ему своим напряжением VL и сопротивлением RL.И источник, и нагрузка влияют на общий ток, и проблема состоит в том, чтобы исключить влияние нагрузки на ток.

Самый простой способ (типичный для электрических цепей) – значительно увеличить как напряжение, так и сопротивление входного источника (это хорошо известное определение идеального источника тока из учебников по электротехнике). Они высокие, но постоянные (статические) … и в этом беда. Таким образом, напряжение и сопротивление нагрузки становятся незначительными по сравнению с входным источником.Понятно, что создание хорошего источника тока таким образом связано с большими потерями мощности в сопротивлении.

Более умный способ (типичный для электронных схем) – это изменять напряжение или сопротивление источника. Они динамичные, но низкие … поэтому потери мощности низкие … и это прибыль. У нас есть иллюзия чрезвычайно высокого (дифференциального) сопротивления, но фактическое (статическое) сопротивление низкое. Посмотрим, как эта идея реализуется на практике …

Хитрость в том, что , когда нагрузка увеличивает / уменьшает свое напряжение или сопротивление, источник уменьшает / увеличивает свое напряжение или сопротивление с тем же значением ; так что ток не меняется.

Эту компенсацию можно выполнить без какой-либо отрицательной обратной связи с помощью следующего источника напряжения (так называемая «самозагрузка») или резистора для стабилизации тока (реализованного с помощью BJT или полевого транзистора с постоянным входным напряжением).

Один из вариантов этого метода состоит в том, чтобы вместо изменения самого напряжения источника добавить дополнительное напряжение последовательно к постоянному напряжению источника , таким образом компенсируя влияние нагрузки. Эта идея реализована, например, в инвертирующем источнике тока операционного усилителя.

Еще одна более экстравагантная идея – это для подачи дополнительного тока в нагрузку путем подключения дополнительного источника тока параллельно основному входному источнику . Это реализовано в текущем источнике Howland.

Вы можете увидеть больше об этих методах в моих рассказах о схемах об источниках постоянного тока.

В заключение, сила этого подхода заключается в том, что, зная основные идеи, мы можем объяснить и реализовать конкретные конфигурации схем из прошлого, настоящего и будущего (реализованные лампами, BJT, полевыми транзисторами, операционными усилителями и т. Д.)

батарей – есть ли какое-либо физическое устройство, называемое источником тока?

Давайте представим очень простую схему – например, источник постоянного напряжения, который обеспечивает разность потенциалов в 1 вольт на сопротивлении в 1 Ом, что вызывает протекание тока в 1 ампер. Если вы затем разорвали цепь на стороне низкого напряжения (между резистором и землей), а затем добавили мультиметр последовательно с резистором, вы бы измерили ток в 1 ампер.

^{смоделировать эту схему – Схема создана с помощью CircuitLab}

Если описанная мною схема является эквивалентом Тевенина, то с точки зрения «анализа схемы» источник тока больше похож на преобразование Нортона.

Если вы затем подумали обо всей системе, включая источник напряжения, как о «черном ящике» и имеющем только два выхода (клеммы, к которым подключается мультиметр), то вы могли бы назвать это источником тока.

Однако, если вы затем попытаетесь подключить нагрузку к этому источнику тока, вы обнаружите, что ток изменится (из-за закона Ома, действующего в черном ящике).

Итак, существуют практические схемы, которые могут быть построены из совокупностей операционных усилителей или других полупроводниковых материалов, обладающих «эффектом постоянного тока».Однако ни один из них не является чистым «источником тока».

Вы говорите, что аккумулятор – это «источник напряжения».

Однако без резистора, подключенного для протекания тока, батарея не может рассеивать электрическую энергию, поэтому ваш источник напряжения не может делать ничего полезного, не позволяя току течь. Определение тока – это скорость потока заряда. Хорошее определение напряжения – это электрическая энергия на единицу заряда. Разделить два на «источники» сложно, потому что:

(а) пучки электронов, которые мы называем кулонами, не собираются двигаться и создавать явления, которые мы называем «током», без движения электронов.

(b) разность потенциалов или работа, совершаемая против электронного поля при перемещении заряда из физической точки a в физическую точку b, также требует перемещения.

Я пытаюсь сказать, что напряжение и ток не возникают независимо, когда источник (называем мы его током или напряжением) подает энергию на нагрузку, поэтому я думаю, что концептуально трудно «думать» об этом. источники напряжения и тока как будто они разные.

Активный источник транзистора

»Примечания по электронике

Простейшей формой источника тока является резистор, но активные источники тока, использующие транзисторы, могут обеспечивать гораздо более постоянный ток или управляемый ток.

---

Типы транзисторных цепей включают:
Типы транзисторных цепей Общий эмиттер Эмиттерный повторитель Общая база Пара Дарлингтона Пара Шиклай Текущее зеркало Длиннохвостая пара Источник постоянного тока Множитель емкости Двухтранзисторный усилитель Фильтр высоких частот

См. Также: Конструкция транзисторной схемы

---

Активные источники постоянного тока часто используются при проектировании электронных схем.Некоторые цепи постоянного тока могут быть изготовлены с использованием очень небольшого количества электронных компонентов, но другие, обеспечивающие лучшую производительность, могут использовать несколько больше.

В простейшем источнике постоянного тока используется один электронный компонент: резистор, но часто в источниках постоянного тока используются транзисторы, хотя можно также использовать полевые транзисторы и, где это применимо, вакуумные настройки термоэмиссионных клапанов.

Можно сделать активный источник постоянного тока, используя один транзистор и пару резисторов, хотя также доступны более сложные конструкции с использованием нескольких дополнительных электронных компонентов.

Обозначения цепи источника тока

Что такое источник постоянного тока

Базовым элементом является источник тока, а это элемент или блок в цепи, функция которого заключается в обеспечении тока, при этом основное внимание уделяется обеспечению тока, а не напряжения.

Более полезный элемент с точки зрения подачи тока – это то, что называется источником постоянного тока. Этот объект обеспечивает заданный уровень тока независимо от импеданса нагрузки, на которую он пропускает ток.

Теоретический источник постоянного тока сможет обеспечить постоянный ток полностью независимо от импеданса. Проблемы могут возникнуть, когда встречаются очень высокие уровни импеданса или даже разомкнутые цепи, потому что для достижения требуемых уровней тока могут потребоваться очень высокие напряжения.

В связи с этим у реальных источников постоянного тока есть ограничения на диапазон уровней импеданса, при которых они могут обеспечивать постоянный ток.

На графике ВАХ выхода источника постоянного тока характеристика представлена ​​прямой линией.

Есть два типа источников постоянного тока:

• Независимый источник тока: Для этой формы источника тока ток не зависит от какой-либо переменной в цепи. Другими словами, он производит фиксированный ток.

• Контролируемый источник тока: Эта форма устройства постоянного тока вырабатывает уровень тока, которым можно управлять с помощью внешнего фактора, такого как управляющее напряжение, но оно сможет обеспечить требуемый уровень тока независимо от Загрузка.

Применения активного источника тока

Источники тока необходимы в различных областях проектирования электронных схем.

Источники тока могут использоваться для смещения транзисторов, а также могут использоваться в качестве активной нагрузки для каскадов усилителей с высоким коэффициентом усиления. Они также могут использоваться в качестве источников излучения для дифференциальных усилителей – например, они могут использоваться в паре транзисторов с длинными хвостами.

Их также можно использовать в качестве повышающих звеньев с широким диапазоном напряжений в источниках питания и других цепях с широким диапазоном напряжений.Если бы использовались обычные резисторы, то ток значительно варьировался бы в диапазоне напряжений.

Одним из распространенных примеров использования источников тока является управление стабилитроном в цепи регулятора. Поддержание постоянного тока независимо от тока, потребляемого последовательным транзистором в цепи, помогает поддерживать гораздо лучший уровень регулирования.

Отдельные источники тока также необходимы в различных процессах, включая электрохимию и электрофорез.

Таким образом, можно увидеть, что источник постоянного тока является важным схемным блоком, используемым в самых разных областях проектирования электронных схем.

Схема простого резисторного источника тока

В простейшей форме цепи постоянного тока используется единственный электронный компонент: резистор. Если напряжение источника намного выше, чем напряжение, при котором требуется ток, то выходной ток будет почти независимым от нагрузки.

Для идеального источника постоянного тока источник напряжения должен иметь бесконечное напряжение, а резистор – бесконечное сопротивление.

Для практических применений напряжение и сопротивление должны позволять току быть достаточно постоянным во всем диапазоне требуемых нагрузок.

Простой источник постоянного тока, состоящий из источника высокого напряжения и резистора высокого номинала

. Для приведенной выше схемы ток можно очень легко рассчитать, так как он приблизительно равен I = V / R, потому что Vload (напряжение на нагрузке) намного меньше, чем V (напряжение источника).

Эта простая форма источника тока имеет множество ограничений:

• Высокие значения сопротивления, необходимые для рассеивания мощности, делают цепи неэффективными.
• Необходимы источники высокого напряжения, которые не всегда легко доступны.
• Изменения нагрузки могут вызвать некоторые колебания тока, если недоступны достаточно высокие значения напряжения источника.

Ввиду этих ограничений этот простой источник постоянного тока не широко используется там, где требуется истинный постоянный ток.

Для достижения лучших характеристик при использовании источника более низкого напряжения и меньшей рассеиваемой мощности, хотя и с несколькими дополнительными электронными компонентами, более широко используется активная цепь постоянного тока, которая обеспечивает лучшую общую производительность для большинства практических требований.

Основы транзисторного активного источника постоянного тока

Простое использование транзистора позволяет создать гораздо более эффективный источник тока, используя всего несколько дополнительных электронных компонентов, включая транзистор, несколько резисторов и несколько простых уравнений для конструкции электронной схемы.

Источник тока работает из-за того, что ток коллектора в схеме транзистора в раз больше тока базы. Это не зависит от напряжения коллектора при условии, что имеется достаточное напряжение для пропускания тока через нагрузочное устройство в коллекторе.

Однотранзисторный активный источник тока

В этой схеме ток коллектора в β раз больше тока базы. Обычно β велико, и поэтому можно предположить, что ток эмиттера, который в (β + 1) раз больше тока базы, и ток коллектора, который в β раз больше тока базы, одинаковы.

Ввиду этого спроектировать схему для заданного тока несложно.

Ie = (β + 1) Ib

Iload = Ic = βIb

Iload = β Ve (β + 1) Re

Iload = Vb – 0.6Re

Примечание: здесь предполагается использование кремниевого транзистора, поскольку падение напряжения на базе эмиттера составляет 0,6 В

Установкой резисторов R1 и R2 можно установить базовое напряжение. Напряжение эмиттера будет на 0,6 вольт меньше, если предположить, что это кремниевый транзистор. Зная напряжение эмиттера, можно рассчитать ток эмиттера, просто зная закон Ома.

Схема простого стабилизированного активного источника тока

Чтобы устранить любые колебания тока, возникающие из-за изменений напряжения питания, очень просто добавить некоторую регулировку в основную схему, заменив несколько электронных компонентов.Это достигается заменой R2 на стабилитрон или опорный диод напряжения.

Транзистор активного источника тока с использованием стабилитрона для улучшения стабильности

Тех же уравнения применяются, как и раньше, но с той лишь разницей, что напряжение базы удерживается на более постоянный уровне в результате присутствия Зенера, опорное напряжение диода.

Температурная зависимость активного источника тока

Одним из основных недостатков основного активного источника тока является то, что он в определенной степени зависит от температуры.Для многих приложений это может быть не важно, но там, где требуются очень жестко контролируемые условия, температурные характеристики могут быть очень важны.

Существует два основных варианта:

• Изменение Vbe в зависимости от температуры Эффект изменения Vbe, вызванного температурой, составляет приблизительно -2 мВ / ° C. Это приводит к изменению Vce. Можно рассчитать приблизительное соотношение: ΔVbe примерно равно -0.0001ΔVce.

  Это можно свести к минимуму, выбрав достаточно большое значение эмиттерного резистора, чтобы гарантировать, что изменения напряжения эмиттера в десятки милливольт будут составлять лишь небольшую часть от общего напряжения эмиттера. Однако необходимо следить за тем, чтобы между коллектором и шиной оставалось достаточное напряжение, чтобы пропускать ток через нагрузку и компенсировать любые изменения напряжения питания.

• Изменения β относительно температуры Это может не быть серьезной проблемой, и любые отклонения можно минимизировать, выбрав транзистор с высоким значением / Hfe.Таким образом, вклад базового тока в ток эмиттера сводится к минимуму, а отклонения уменьшаются, насколько это возможно.

Цепи активного источника тока с хорошей температурной стабильностью

Можно разработать схемы транзисторных активных источников тока, у которых внутренняя температурная стабильность лучше, чем у простых схем, приведенных выше.

Одна из простейших схем – использовать схему, в которой используются транзисторы NPN и PNP. В показанной схеме изменения падения напряжения Vbe в TR1 компенсируются соответствующими изменениями в TR2.В этой схеме следует отметить, что R3 является подтягивающим резистором для коллектора TR1, потому что база TR2 может принимать ток, но не является его источником.

Активный источник тока на транзисторах с температурной компенсацией

Схемы, прежде всего, включают транзисторы, но также могут использоваться другие активные электронные компоненты, включая полевые транзисторы и даже вакуумные лампы / термоэмиссионные клапаны. При использовании других электронных компонентов в качестве активного устройства в источнике тока, устройства и схема смещения должны учитывать тот факт, что и полевые транзисторы, и клапаны / лампы управляются напряжением, а не током.Тем не менее их можно использовать так же эффективно.

Транзисторные активные источники тока используются во многих областях, особенно в интегральных схемах и некоторых зарядных устройствах. Они позволяют подавать фиксированный или контролируемый ток независимо от напряжения (в определенных пределах) и поэтому очень полезны.

Другие схемы и схемотехника:
Основы операционных усилителей Схемы операционных усилителей Цепи питания Конструкция транзистора Транзистор Дарлингтона Транзисторные схемы Схемы на полевых транзисторах Условные обозначения схем
Вернуться в меню «Конструкция схемы».. .

Простые источники тока – электронные изделия

Конструктивные соображения для различных уровней выходного тока, краткие соображения по поводу шума и проблемы соответствия напряжения

НИКОЛАУС У. СМИТ
Технология интегрированных устройств
www.idt.com

Источник тока является критическим компонентом в большинстве интегральных и дискретных схем и может быть описан как электрическая цепь, которая генерирует постоянный поток электронов в течение заданного периода времени, независимо от того, какое сопротивление нагрузки он вызывает.Что делает источник тока интересным, так это то, что он подает ток с постоянным потоком в любую нагрузку, реактивную или резистивную, до тех пор, пока существует полный путь для прохождения тока.

Любой хороший учебник [1] ​​скажет вам, что источник тока обеспечивает постоянный ток и может принимать любое падение напряжения, необходимое источнику для поддержания этого тока, и это изображено как одна из картинок на рис. 1a. Чисто теоретический способ подумать о том, что на самом деле делает источник тока, – это то, что теоретическая схема будет делать на рис.1b. Эта схема, если бы она существовала, могла бы управлять напряжением на известном сопротивлении, поддерживая падение напряжения на этом компоненте, как показано на рис. 1b.

Рис. 1: Условные обозначения источника тока (a), генератор постоянного напряжения (b).

Символ схемы, показанный на рис. 1b, должен работать, не выполняя никакой работы. Эта схема будет форсировать напряжение на ZKNOWN, не подавая никакого тока на ZKNOWN и не отбирая ток из других цепей, подключенных к ZKNOWN.Эта схема всегда будет поддерживать напряжение независимо от того, как быстро меняется нагрузка; поэтому потребуется бесконечная полоса пропускания, чтобы он мог быстро реагировать на изменяющиеся сигналы и скачки тока или напряжения.

Эта схема в коробке заставит элементы схемы, подключенные к ZKNOWN, подавать ток, необходимый для удовлетворения закона Ома, и, таким образом, зафиксировать ток, протекающий через ZKNOWN, чтобы сделать VZ падением напряжения.

Хотя этой схемы не существует, идея заставить известное напряжение падать на известном сопротивлении для генерации постоянного тока будет основной теорией, лежащей в основе работы источников тока, обсуждаемых в этой статье.Концепция фиксации напряжения на известном импедансе для генерации известного тока может быть легко расширена за счет использования программируемого резистора, позволяющего вносить в схему изменения выходного тока схемы.

Соображения по конструкции

Источник тока показана на рис. 2, с использованием стабилитрон для генерации опорного напряжения может быть найдено в области электроники, П. Horrowitz и У. Хилл. [2] Если R1 на рис. 2 был программируемым резистором, то Iout легко управляется с помощью шины I2 C или USB.Схема, показанная на фиг. 2 представляет собой источник тока, который использует стабилитрон для генерирования опорного напряжения, VREF, R1 капли опорного напряжения для генерации тока, ОУ и Р-канальный полевой транзистор Ч. стабилизации цикла.

Важным ключом к точности является ограничение источников ошибок, таких как шум и напряжения смещения. Эта схема дополнительно улучшена за счет использования нескольких конденсаторов для уменьшения шума и статических нагрузок постоянного тока. Конденсатор COUT имеет обратную сторону – замедление времени отклика источника тока на быстро меняющиеся нагрузки, такие как переходные нагрузки.

.

Рис 2: Простой источник тока с использованием стабилитрон в качестве опорного напряжения 1.

Когда присутствует VDD, работа этой схемы определяется обратным смещением стабилитрона и снижением напряжения стабилитрона (VZ) на его выводах. Ток, протекающий от VDD через стабилитрон, ограничен R2. Резистор R2 ограничивает ток на различные уровни в зависимости от фактического напряжения VDD и этот компонент будет стабилизировать опорное напряжение, генерируемое напряжением стабилитрона.

Другой фактор, который может сместить опорное напряжение не зависит от температуры; поэтому важно не рассеивать большую мощность в стабилитроне, чтобы разработчик заставил R2 иметь большое омическое значение. Поскольку R2 обычно находится в диапазоне 100 кОм или более, CIN является ценным дополнением для уменьшения высокоскоростного шума на неинвертирующем входе путем шунтирования сигнала на землю. Это поможет предотвратить реакцию операционного усилителя на нежелательные источники высокочастотного шума.

Полюс, создаваемый R2 и CIN, изменяет реакцию схемы и увеличивает время установления при запуске.Другой источник ошибок происходит от изменений в VDD, потому что изменения в подаче изменения тока через стабилитрон, таким образом делая изменение опорного напряжения. Это означает, что источник тока обычно имеет плохие характеристики отклонения источника питания.

Этих ошибок можно избежать, регулируя R1 или R2 при смене источника питания. Поскольку неинвертирующий вход операционного усилителя имеет фиксированное значение VDD – VZ, это будет напряжение, которое операционный усилитель будет пытаться зафиксировать, управляя затвором полевого транзистора P-Ch и открывая канал проводимости, достаточный для пропускания тока IOUT. течь.

Добавление COUT будет способствовать стабильности, не допуская мгновенного изменения напряжения на резисторе R1. Стабилитрон следует выбирать с учетом диапазона входного напряжения операционного усилителя и диапазона выходного напряжения, чтобы предотвратить насыщение операционного усилителя на одной из шин питания. Также полезно сохранять это напряжение небольшим, чтобы мощность в R1 оставалась низкой, чтобы не допустить дрейфа сопротивления компонента, вызванного нагревом. Узел IOUT может управлять любым сопротивлением до тех пор, пока полное сопротивление нагрузки IOUT * не превышает VDD VZ.

Наконец, как указано в уравнении на рис. 2, IOUT вычисляется простым делением VZ на R1. Это хороший источник тока, но подавление подачи питания слабое, и нагрузки должны быть привязаны к земле, или для отрицательных нагрузок следует учитывать особые соображения. Большое улучшение может быть сделано путем изменения топологии и использования дополнительного операционного усилителя и дискретного опорного напряжения IC. Эта архитектура изображена на рис. 3, где показан простой слаботочный пример.

Рис. 3: Изменение топологии и использование дополнительного операционного усилителя и дискретный источник опорного напряжения IC.

В схеме, показанной на рис. 3, постоянный ток будет течь от узла IOUT к узлу Com. Напряжение Com может быть любым напряжением в шинах питания усилителей U1 и U2, если учитывается устойчивость усилителя к работе вблизи их шин питания. Эта конструкция использует LDO в качестве опорного напряжения 1,2 В постоянного тока.

Величина импеданса нагрузки ограничена умножением IOUT х RL и страхования напряжение узла Iout меньше положительной шины питания от U1 минус опорного напряжения.Предполагая, что схема работает в установившемся режиме, падение напряжения на RL рассчитывается путем умножения полного сопротивления нагрузки на запрограммированный ток (IOUT).

IOUT ток определяется путем взятия опорного напряжения и деления на величину резистора R1. В этом примере R1 представляет собой 1,2 кОм, поэтому принимать опорное напряжение, разделенное на R1, IOUT оказывается 1 мА. Теперь, начиная с напряжения на узле Com и добавляя IOUT x RL, определяется напряжение на узле IOUT. Поскольку U2 находится в буферной конфигурации, узел A имеет почти такое же напряжение, что и узел IOUT.LDO принимает это напряжение и добавляет 1.2 V к этому значению, которое напряжение на узле B. Далее, U1, другой буфер сила напряжения на узел B появляться на узел C. Теперь узел C фиксируется и удерживается на опорном напряжении выше напряжение узла IOUT независимо от значения RL или напряжения в контрольной точке «Com». Пример был проиллюстрирован с Com, поддерживаемым на уровне 0 В, и напряжения на каждом узле были отмечены с учетом показанных значений компонентов. В слаботочных приложениях, таких как показанное, U1 можно обойти, чтобы удалить ошибку смещения, которую U1 вносит в систему, пока LDO, выбранный для эталона, имеет достаточную способность передачи тока.

Особые соображения

При выборе компонентов этой схемы следует учесть некоторые особые соображения. U1 – это главный драйвер-усилитель, поэтому он должен обеспечивать ток, превышающий максимально допустимую настройку выходного тока. Ток, выходящий из узла IOUT, всегда будет IOUT = VREF / R1, поскольку присутствует нагрузка, замыкающая цепь, и ни вход, ни выход усилителя не должны подниматься над шинами питания.

В идеале оба усилителя должны работать с входными и выходными напряжениями rail-to-rail, чтобы обеспечить максимальное соответствие напряжения источника тока.Можно ограничить выходное напряжение, присутствующее на IOUT, поместив дополнительные стабилитроны на узел B на землю. Это ограничит напряжение на IOUT до «ограничивающего» напряжения стабилитрона.

Еще один способ повысить производительность – выбрать высокоскоростные усилители. Чем выше произведение коэффициента усиления на полосу пропускания, тем быстрее схема будет реагировать на изменения нагрузки. Как обсуждалось с источником тока стабилитрона, шум можно уменьшить, добавив конденсатор параллельно с R1, этот конденсатор снова не позволит мгновенно изменять напряжение на R1, создавая тем самым более постоянное напряжение на резисторе, которое фиксация тока, который выводится источником.Некоторыми хорошими приложениями для этого типа схемы являются нагрузки для тестируемых устройств, зарядка или разрядка аккумуляторов с правильным использованием зажима (может быть опасна перезарядка Li + батареи) или управление светодиодной подсветкой с постоянным током.

В духе постоянного совершенствования и создания схем более идеальных и гибких, несколько идей по улучшению источника, показанного на рисунке 3, были добавлены к источнику на рисунке 4. Здесь добавлено несколько стабилитронов, идея заключалась в том, что каждый из них имел различное напряжение стабилитрона, и, таким образом, путем подключения катодов по одному с помощью программатора создается фиксатор напряжения, который ограничивает напряжение IOUT до безопасного программируемого уровня напряжения, ограничивая напряжение на узле B.Кроме того, R1 стал программируемым резистором, позволяющим получить несколько выходных токов с помощью программирования или настройки потенциометра. Конденсатор также добавлен параллельно с R1, чтобы замедлить изменения напряжения на резисторе и уменьшить плотность шума выходного тока. К сожалению, этот конденсатор уменьшает полосу пропускания и время отклика на переходные процессы, поэтому следует соблюдать осторожность при выборе значения, чтобы получить наилучший компромисс между шумом и скоростью. Последнее замечание касается источника тока для источника тока.Независимо от того, что это за нагрузка или к чему она привязана, в конечном итоге весь ток, входящий в нагрузку, должен вернуться на одну из шин питания, питающих U1, как показано; поэтому узел Com должен иметь путь с наименьшим возможным сопротивлением обратно к источнику питания, обеспечивающему питание усилителя U1.

Рис. 4: Улучшенный источник тока.

Это все отличные источники тока, которые следует изучить и использовать из-за их простоты и гибкости. Источник на рис. 4 особенно настраивается, а приложения бесконечны, получайте удовольствие, настраивая источник, чтобы он идеально соответствовал требованиям вашей нагрузки.■

Список литературы-

1. Нильссон, Джеймс, и Ридель, Сьюзен. Электрические схемы, восьмое издание. Прентис Холл. Май 2007. Печать.

2. Горовиц, Пол, и Хилл, Уинфилд. Искусство электроники. Кембриджский университет. Июль 1989 г. Печать.

Введение в электрическую энергию: источник тока и источник напряжения

Инженеры-электрики используют электричество для выполнения полезных задач, проектируя схемы, в которых напряжения и токи контролируются, изменяются и используются множеством различных компонентов.Эти напряжения и токи, тем не менее, представляют энергию : цепь – это энергетическая система, в которой напряжение функционирует как потенциальная энергия, а ток подобен кинетической энергии. Компоненты, которые мы включаем в электрические цепи, не могут контролировать и использовать электрическую энергию, если только что-то не генерирует электрической энергии, и именно поэтому схемы имеют источников напряжения и источников тока . Мы называем эти элементы источниками , потому что они снабжают цепь электрической энергией, необходимой для правильной работы.

Характеристики источников напряжения

Источник напряжения создает разность потенциалов на своих двух выводах. Когда эти два терминала соединены с сетью взаимосвязанных компонентов, образующих непрерывный токопроводящий путь, будет течь ток.

Простые электрические цепи часто состоят из одного источника напряжения, подключенного к нескольким компонентам. В этих ситуациях отрицательный вывод источника интерпретируется как опорный узел нулевого напряжения, и, следовательно, узел, подключенный к положительному выводу источника, будет иметь напряжение, равное значению источника.

Однако важно иметь в виду, что источники напряжения могут занимать различные позиции в электрической сети, и, следовательно, отрицательный вывод не всегда будет на 0 В. Например:

Таким образом, значение источника не всегда указывает напряжение на положительном выводе; скорее, значение источника указывает разность напряжения между отрицательной клеммой источника и положительной клеммой источника.

Квартир

Значение источника напряжения – это разность потенциалов, возникающая между двумя выводами источника, и, следовательно, значение указывается в вольтах. Один вольт равен одному джоулю на кулон. Таким образом, напряжение указывает количество потенциальной энергии на кулон электрического заряда. Чтобы выразить это на практике, если источник 5 В и источник 10 В подключены к двум идентичным цепям, источник 10 В продвигает электрический заряд с вдвое большей энергией и, следовательно, будет производить вдвое больший ток.

Идеальные источники напряжения

Когда на схеме появляется символ источника напряжения, он представляет собой источник напряжения слияния i . Под «идеальным» мы подразумеваем, что напряжение, генерируемое источником, никогда не колеблется и не зависит от величины тока, потребляемого цепью. Источники напряжения в реальной жизни никогда не бывают идеальными.

Часто бывает, что это различие между теорией и реальностью не оказывает существенного влияния на работу схемы, и поэтому им можно пренебречь.Однако иногда нам необходимо ввести дополнительные элементы схемы, чтобы учесть неидеальные характеристики реальных источников напряжения.

Характеристики источников тока

Источник тока устанавливает определенную величину электрического тока в части цепи. Значение источника тока – это величина тока, создаваемого источником, а символ включает стрелку, указывающую направление тока.

Когда вы видите источник тока на принципиальной схеме, вы знаете, что токопроводящий путь, подключенный к источнику тока, будет иметь ток, равный значению источника.Если этот путь разделяется на несколько ветвей , как показано на диаграмме ниже, вам необходимо выполнить анализ цепи, чтобы определить долю тока источника, которая доставляется в каждую ветвь.

Квартир

Значение источника тока указывается в амперах. Этот блок сообщает нам скорость, с которой электрический заряд проходит через данную точку в цепи. Если мы измеряем ток в один ампер, мы знаем, что один кулон заряда проходит через любую точку измеряемой ветви каждую секунду.

Идеальные источники тока

Идеальный источник тока всегда генерирует точный номинальный ток и не зависит от характеристик цепи, к которой он подключен. Реальные источники тока, как и реальные источники напряжения, не идеальны и должны быть представлены идеальным источником в сочетании, по крайней мере, с одним дополнительным компонентом.

Примеры источников напряжения и тока

Когда мы анализируем и проектируем базовые схемы, мы видим источники напряжения гораздо чаще, чем источники тока, потому что электронные системы обычно питаются от батарей или регулируемых источников питания постоянного тока, и оба они функционируют как источники напряжения.

Обычно мы не рассматриваем источники тока как основного поставщика электрической энергии в цепи. Чаще они используются для регистрации поведения компонентов схемы, таких как светочувствительные диоды и транзисторы. Исключением является фотоэлектрический элемент, который моделируется как источник тока (в сочетании с несколькими другими компонентами) и может функционировать как основной источник энергии для цепи, работающей от солнечной энергии.

Заключение

Это краткое обсуждение источников напряжения и тока дало вам некоторую базовую информацию об этих двух основных способах введения электрической энергии в цепь.В будущих видеоуроках мы рассмотрим разницу между зависимыми источниками и независимыми источниками, а также взаимосвязь между источниками переменного (AC) напряжения и источниками постоянного (DC) напряжения.

Аналог планеты – Учебное пособие по аналогам: Источники тока

Я работал в Burr-Brown в 1988 году и хорошо знал Марка Ститта. Он был для меня наставником, и я был опустошен его безвременной смертью. Он написал замечательную заметку о приложении Burr-Brown Current Source ¹ , на которую я ссылался в конце этого руководства.Я представлю вам серию основ аналогового и энергетического оборудования на Planet Analog со ссылками на EDN с более подробными статьями по этим различным темам обучения.

Итак, сначала, каков текущий источник?

Базовый источник тока – это цепь, которая просто подает ток на нагрузку.

Вот простой источник тока транзистора с одним биполярным переходным транзистором (BJT) на Рисунке 1:

Рисунок 1

Рисунок 1: Простой источник тока, сделанный из одного BJT ² (Изображение любезно предоставлено Ссылкой 2)

Джеймс Брайант, бывший «гуру» компании Analog Devices, говорит: «… токовые выходы имеют преимущества в ряде ситуаций, включая аналоговую сигнализацию токовой петли (от 0 мА до 20 мА и от 4 мА до 20 мА) в средах с высоким уровнем шума, и смещение уровня аналогового сигнала через большую разность потенциалов без использования методов оптической или магнитной изоляции.(См. Ссылку 4)

Текущее зеркало)

Теперь давайте посмотрим на двухтранзисторный источник тока, называемый Current Mirror. Здесь два транзистора, Q ₁ и Q ₂ , сопоставлены на рисунке 2:

Рисунок 2

Здесь Q ₁ подключен как диод с коротким замыканием от коллектора к базе. Два транзистора совпадают с равными В _BE , I _B и I _C . R ₁ > устанавливает эталонный ток I _REF (Изображение предоставлено ссылкой 3)

Архитектура «Full Wilson»

REF200 имеет архитектуру «Full Wilson», которая обеспечивает высокую точность при проектировании в виде ИС с лазерной подстройкой резисторов, показанной на рис. 3.

Рисунок 3

Источник тока Уилсона – еще один источник тока с трехтранзисторной архитектурой.Все транзисторы идентичны (это легко сделать в ИС на монолитной подложке) (см. Ссылку 3)

Добавление еще одного транзистора (T4) улучшит точность и динамический диапазон источника тока, как показано на рисунке 4.

Рисунок 4

Добавление T4 повысит точность и динамический диапазон токового зеркала Вильсона (изображение любезно предоставлено ссылкой 4)

Источник тока «Видлар» ³

У меня никогда не было удовольствия познакомиться с Бобом Видларом, но я узнал о его Текущем источнике Видлара в Нью-Йоркском университете в 1969 году во время учебы в бакалавриате (См.Я также являюсь его братом на ужине Analog Aficionado. (См. Ужин поклонников аналогов 2018: Уникальные аналоговые моменты)

В этом источнике тока используются резисторы меньшего номинала в диапазоне низких кОм, что хорошо для конструкций ИС, поскольку резисторы 1 МОм занимают довольно большую площадь на ИС. См. Рисунок 5.

Рисунок 5

Источник тока Видлара обычно используется во входном каскаде пары дифференциальных транзисторов во многих операционных усилителях. (Изображение предоставлено ссылкой 3)

Источник тока «Хауленд» ⁴

Насос Howland имеет биполярный выход, тогда как предыдущие архитектуры, указанные выше, были униполярными.См. Рисунок 6.

Рисунок 6

The Howland Pump: помните, что для этой архитектуры требуются точно согласованные резисторы, что легко сделать с лазерной подстройкой в ​​ИС, но не так просто с дискретной схемой. (Изображение предоставлено ссылкой 4)

Недорогой биполярный источник тока с дискретными усилителями и резистором ⁴ .

Мы также можем разработать схему биполярного тока, используя операционный усилитель, инструментальный усилитель и резистор для измерения уровня выходного тока в конфигурации обратной связи.