Принцип получения постоянного тока для поделки

Добавил пользователь Алексей Ф.
Обновлено: 04.10.2024

В данной короткой статье попытаюсь на пальцах объяснить основы электротехники. Для тех, кто не понимает откуда в розетке электричество, но спрашивать вроде как уже неприлично.

1. Что такое электрический ток.
"Главный инженер повернул рубильник, и электрический ток все быстрее и быстрее побежал по проводам" (с)

1.1 Пара общих слов по физике вопроса
Электрический ток - это движение заряженных частиц. Из заряженных частиц у нас имеются электроны и немножко ионы. Ионы - это атомы, которые потеряли или приобрели один или несколько электронов и поэтому потеряли электрическую нейтральность, приобрели электрический заряд. Так-то атом электрически нейтрален - заряд положительно заряженного ядра компенсируется зарядом электронной оболочки. Ионы обычно являются переносчиком заряда в электролитах, в металлических проводах носителями являются электроны. Металлы хорошо проводят ток, потому что некоторые электроны могут перескакивать от одного атому к другому. В непроводящих материалах электроны привязаны к своему атому и перемещаться не могут. (Напомню, данная статья - это объяснение физики на пальцах! Подробнее искать по "электронная теория проводимости").

Будем рассматривать ток в металлических проводниках, который создаётся электронами. Можно провести аналогию между электронами в проводнике и жидкости в водопроводной трубе. (На начальном этапе электричество так и считали особой жидкостью.) Как через стенки трубы вода не выливается, так и электроны не могут покинуть проводник, потому что положительно заряженные ядра атомов притянут их обратно. Электроны могут перемещаться только в внутри проводника.

1.2 Создание электрического тока.
Но просто так ток в проводнике не возникнет. Это все равно, что залить воду в кусок трубы и заварить с обоих концов. Вода никуда не потечет. В куске проводника электроны тоже не могут двигаться в одном направлении. Если электроны почему-то сдвинутся вправо, то слева возникнет нескомпенсированный положительный заряд, который потянет их обратно. Поэтому электроны могут только прыгать от одного атома к другому и обратно. Но если трубу свернуть в кольцо, то вода уже может течь вдоль трубы, если каким-то образом заставить ее двигаться. Точно также и концы проводника можно соединить друг с другом, и тогда электроны смогут перемещаться вдоль проводника, если их заставить. Если концы проводника соединены друг с другом, то получается замкнутая цепь. Постоянный ток может идти только в замкнутой цепи. Если цепь разомкнута, то ток не идет. Чтобы заставить воду течь по трубе используется насос. В электрической цепи роль насоса выполнят батарейка. Батарейка гонит электроны по проводнику и тем самым создает электрический ток. По научному батарейка называется генератором. Так в электротехнике называют насос для создания электрического тока.

Бывают два типа генераторов - генератор напряжения и генератор тока.
Это фундаментальная вещь на самом деле, обратите внимание! См. рисунок ниже

рис 1. Генератор напряжения величиной U

рис 2. Генератор тока величиной I

На верхней картинке изображен генератор напряжения, на нижней - генератор тока. Насос -генератор напряжения создает постоянное давление, насос-генератор тока создает постоянный поток. Верхняя цепь разомкнута, и нижняя - замкнута. Рассмотрим, какими свойствами обладает генератор напряжения. Представим следующую цепь

рис 3. Генератор напряжения величиной U с нагрузкой R1

В терминах водопроводной аналогии, генератор -это насос, создающий постоянное давление, выключатель SW1 - это клапан, открывающий\перекрывающий трубу, сопротивление R1 - это кран\вентиль который насколько-то приоткрыт. Этот крантель можно прикрыть - сопротивление увеличится, поток воды уменьшится. Можно открыть побольше - сопротивление уменьшится, поток воды увеличится. Вроде все интуитивно понятно. Теперь представим, что мы открываем кран все больше и больше. Тогда поток воды будет увеличиваться и увеличиваться. При этом генератор напряжения по определению поддерживает напряжение (давление) постоянным, независимо от величины потока! Если кран открыть полностью и сопротивление станет равно 0, то поток станет равным бесконечности. При этом генератор все равно будет выдавать напряжение равное U! Конечно все это происходит в идеальной модели, когда мощность генератора бесконечна. Реальные генераторы (батарейки или аккумуляторы) примерно соответствуют этой модели в определенном диапазоне напряжений и токов.

Рассмотрим теперь цепь с генератором тока.

рис 4. Генератор тока величиной I с нагрузкой R2

Что делает генератор тока? Он гонит ток! Ему сказано гнать ток величиной I, и он его гонит, невзирая на величину сопротивления (насколько открыт кран). Открыт кран полностью - ток будет равен I. Напряжение (давление) будет равно.
Закрыт кран полностью - ток все равно будет равен I! Но при этом напряжение (давление) будет равно бесконечности. Опять таки в модели.
Из этих рассуждений интуитивно понятно вытекает основной закон электротехники - Закон Ома. ( "С красной строки. Подчеркни" (с))

2. Закон Ома.

Сначала c точки зрения генератора напряжения

Если к сопротивлению R приложить напряжение U, то через сопротивление пойдет ток
I =U/R Теперь с точки зрения генератора тока

Если через сопротивление R пропускать ток I, то на сопротивлении возникнет падение напряжения U=I*R

Вот как-то надо этот момент осознать. Эти две формулировки совершенно равноправны и применение их зависит только от того, какой генератор рассматривается. Можно конечно еще записать R=U/I. Что-то вроде - если к участку цепи приложено напряжение U, и при этом в этом участке проходит ток I, то цепь имеет сопротивление R. Дальше по хорошему надо рассматривать варианты цепей с параллельным или последовательным включением резисторов, но неохота. Это чисто технические моменты. Что-то вроде

рис 5. Последовательное включение резисторов

Через данную цепь из последовательно соединенных резисторов R1 и R2 проходит ток величиной I. Какое падение напряжения будет на каждом резисторе U1 и U2?
Используйте закон Ома и все!
Эта цепь кстати с генератором тока, поскольку входная переменная здесь ток. Ну то есть самого генератора тока может и не быть, просто ток в цепи известен и считается постоянным и равным I. Поэтому как бы этот ток гонит генератор тока.
Еще - говорят "падение напряжения на резисторе", потому что "производит" напряжение (давление) генератор, а после каждого резистора напряжение будет уменьшаться, падать на этом резисторе на величину U=I*R.

Хотя пару важных практических случаев все таки рассмотрим.

1. Самая важная схема.
Самая важная схема, с которой инженеру-электронщику предстоит иметь дело постоянно на протяжении всей жизни - это делитель напряжения.
( "С красной строки. Подчеркни" (с))

3. Делитель напряжения
Схема имеет вид.

рис 6. Делитель напряжения

Делитель напряжения представляет собой два резистора, соединенных последовательно друг с другом.

Кстати, резистором называется электронный компонент (деталька), которая реализует электрическое сопротивление определенной величины . Его также (детальку) часто называют сопротивлением. Получается немного тавтология - сопротивление имеет сопротивление R. Поэтому для деталей лучше использовать название резистор. Резистор сопротивлением 1 килоом, например.

Так вот. Что же делает эта схема? Два последовательных резистора имеют некоторое эквивалентное сопротивление, назовем его R12. По цепи проходит ток I, от плюса генератора к минусу через резистор R1 и через резистор R2. При этом на резисторе R1 падает напряжение U1=I*R1, а на резисторе R2 падает напряжение U2=I*R2. Согласно закону Ома. Напряжение U=U1+U2, как видно из схемы. Таким образом U=I*R1+I*R2=I*(R1+R2).
То есть эквивалентное сопротивление последовательно соединенных резисторов равно сумме их сопротивлений.
Выражение для тока I=U/(R1+R2)
Найдем теперь, чему равно напряжение U2. U2=I*R2= U* R2/(R1+R2).

Пример картинки из интернета. Если резисторы равны, то входное напряжение Uвx делится пополам.

Второй важный случай - учет выходного сопротивления источника (генератора) и входного сопротивления приемника (цепи, к которой генератор подключен)

рис 7. Выходное сопротивление источника и входное сопротивление приемника.

Идеальный генератор напряжения имеет нулевое выходное сопротивление, то есть при нулевом сопротивлении внешней цепи величина тока будет равна бесконечности ∝. Реальный генератор напряжения обеспечить бесконечный ток не может. Поэтому при замыкании внешней цепи ток в ней будет ограничен внутренним сопротивлением генератора, на рис. обозначен буквой r.

Кстати, правильный способ проверки пальчиковых батареек, заключается в измерении тока, которые они могут отдать. То есть на тестере выставляется предел 10А, режим измерения тока, и щупы прикладываются к контактам батареи. Ток в районе 1А или больше говорит о том, что батарейка свежая. Если ток меньше 0.5А, то можно выкидывать. Или попробовать в настенных часах, может сколько-то проработает.

Если выходное сопротивление источника (внутреннее сопротивление r на рисунке) соизмеримо со входным сопротивлением приемника (R3 на рисунке), то эти резисторы будут действовать, как делитель напряжения. На приемник при этом будет поступать не полное напряжение источника U, а U1=U*R3/(r+R3). Если эта схема предназначена для измерения напряжения U, то она будет врать!

В следующих статьях планируется рассмотреть цепи с конденсаторами и индуктивностями.
Затем диоды, транзисторы и операционные усилители.

В позапрошлом веке, динамо-машиной называли генератор постоянного тока. Со временем промышленные генераторы, были вытеснены генераторами переменного тока, пригодного для преобразования посредством трансформаторов, и очень удобного для передачи тока на большие расстояния с незначительными потерями.

Динамо-машина для велосипеда

Диск Фарадея

Когда диск вращали, то в той части диска, которая пересекала магнитный поток между полюсами магнита статора, наводилась ЭДС, приводящая, в случае если цепь между щетками была замкнута на нагрузку, к появлению радиального тока в диске. Подобные униполярные генераторы по сей день используются там, где требуются большие постоянные токи без выпрямления.

Генератор переменного тока впервые построил француз Ипполит Пикси, это произошло в том же 1832 году. Статор динамо-машины содержал включенные последовательно пару катушек, ротор представлял собой подковообразный постоянный магнит, кроме того в конструкции имелся щеточный коммутатор.

Первый генератор переменного тока

Магнит вращался, пересекал магнитным потоком сердечники катушек, наводил в них гармоническую ЭДС. А автоматический коммутатор служил для выпрямления и получения в нагрузке постоянного пульсирующего тока.

Позже, в 1842 году, Якоби предложит разместить магниты на статоре, а обмотку — на роторе, который также вращался бы через редуктор. Это сделает генератор более компактным.

В 1856 году, для питания серийных дуговых ламп Фредерика Холмса, (эти лампы использовали в прожекторах маяков), самим Фредериком Холмсом была предложена конструкция генератора, похожая на генератор Якоби, но дополненная центробежным регулятором Уатта для поддержания напряжения на лампе постоянным при разном токе нагрузки, что достигалось путем автоматического сдвига щеток.

Генератор Холмса

Между тем, машины с постоянными магнитами отличались одним существенным недостатком, магниты теряли со временем намагниченность и портились от вибрации, в итоге генерируемое машиной напряжение становилось со временем все ниже и ниже. При этом намагниченностью нельзя было управлять, чтобы стабилизировать напряжение.

В качестве решения пришла идея электромагнитного возбуждения. Идея пришла в голову английского изобретателя Генри Уайльда, который в 1864 году запатентовал генератор с возбудителем на постоянном магните, — магнит возбуждения просто монтировался на валу генератора.

Позже настоящую революцию в генераторах совершит немецкий инженер Вернер Сименс, который откроет подлинный динамоэлектрический принцип, и поставит производство новых генераторов постоянного тока на поток.

Принцип самовозбуждения заключается в том, чтобы использовать остаточную намагниченность сердечника ротора для пускового возбуждения, а затем, когда генератор возбудится, использовать в качестве намагничивающего тока ток нагрузки, или включить в работу специальную обмотку возбуждения, питаемую генерируемым током параллельно нагрузке. В результате, положительная обратная связь приведет к увеличению магнитного потока возбуждения генерируемым током.

В числе первых принцип самовозбуждения, или динамоэлектрический принцип, отметит инженер из Дании Сорен Хиорт. Он упомянет в своем патенте от 1854 года возможность использования остаточной намагниченности с целью реализации явления электромагнитной индукции для получения генерации. Однако, опасаясь того, что остаточного магнитного потока будет недостаточно, Хиорт предложит дополнить конструкцию динамо постоянными магнитами. Этот генератор так и не будет воплощен.

Позже, в 1856 году, аналогичную идею выскажет Аньеш Йедлик — член Венгерской академии наук, но ничего так и не запатентует. Только спустя 10 лет Самюэль Варлей, ученик Фарадея, реализует на практике принцип самовозбуждающегося динамо. Его заявка на патент (в 1866 году) содержала описание устройства очень похожего на генератор Якоби, только постоянные магниты уже были заменены обмоткой возбуждения — электромагнитами возбуждения. Перед стартом сердечники намагничивались постоянным током.

Генератор постоянного тока Сименса

Это была настоящая революция в понимании и проектировании электрических машин. В Германии начался широкий выпуск динамо-машин Сименса — генераторов постоянного тока с самовозбуждением — первых промышленных динамо-машин.

Конструкция динамо-машин с течением времени менялась: Теофил Грамм, в том же 1867 году, предложил кольцевой якорь, а в 1872 году главный конструктор компании Сименс-Гальске, Гефнер Альтенек, предложит барабанную намотку.

Так генераторы постоянного тока примут свой окончательный облик. В 19 веке, с переходом на переменный ток, гидроэлектростанции и тепловые электростанции станут вырабатывать уже переменный ток на генераторах переменного тока. Но это уже совсем другая история…

Если начать издалека, то очевидно, что электрические разряды встречаются в природе. Первым на ум приходит грозовой разряд - молния. Это связано с тем, что его можно увидеть, он несёт угрозу, и людей с детства учат, как вести себя в грозу.

Краткая физика грозы - наличие разности потенциалов между землей и тучей, либо между тучами. Причем, о том, что суть молнии - это электрический разряд, а не гнев богов, было сказано лишь в 18 веке Бенджамином Франклином. Молнии не есть прерогатива планеты Земля - встречаются они и на других планетах, а значит явление это всеохватывающее, вселенского масштаба.

За долгие века до Франклина, человек, известный как Фалес, вырабатывал электричество между янтарной палочкой и шерстью. Тогда правда он не понимал, что это электроны, так как их открыли позже. Он просто видел, что после трения, мелкие предметы притягивались к палочке. Та самая эбонитовая палочка, с названия которой вы хохотали в школе на уроках физики. Возможно он считал, что это суть явление магнетизма, а не электричества.

Электричество встречается и в живых существах. Например, рыбы: электрические скаты, угри, африканские сомы. Величина напряжения у данных особей может доходить до 600 вольт, а сила тока превышать десятки ампер. Также известны рыбы с электрической локацией (клюворылообразные). У наземных созданий молнии вроде не вырываются, кроме разве мультипликационного Пикачу.

Ну и естественно атомы - ядро, протоны, электроны, нейтроны. Протоны это положительно заряженные частицы, электроны - отрицательно. Упорядоченное движение электронов - это ток. Но ток не течет, так как число протонов уравновешено числом электронов. Если же это равенство нарушается, то вещество имеет заряд. Тоже электричество. Все эти мозговые импульсы, мышечные сокращения, да и статическое электричество в конце-концов.

Всё вышеописанное конечно интересно, но имеет мало практического применения. Не будем же мы заставлять скатов бить разрядом по лампочкам, чтобы у нас был свет.

Как люди приручили электричество

Почему люди вообще пришли к выводу, что электричество может оказаться им полезным? Ведь воду, огонь, землю можно осязать, потрогать - найти применение в общем. А дело всё в светлом уме, который рождался и переходил от одного ученого к другому сквозь эпохи. То есть я хочу сказать, что цепь открытий ученых привела электричество к тому виду, что мы имеем сейчас.

Естественно вначале изобрели ток постоянный, и даже производились попытки его сохранить, для этих целей отлично подходили аналоги конденсаторов. Второй задачей являлось это электроэнергию передать на расстояние. Решить тот же вопрос с освещением. До 18 века с электричеством было так себе, в плане развития. Зато с 18 века понеслось: изобретение Лейденской банки, изучение атмосферного электричества, формулирования закона Кулона, изобретение лампы накаливания, опыты Ампера, Джоуля, Ома, Ленца, Гаусса, открытие электромагнитной индукции и первые образцы электродвигателей и генераторов. В конце 19 века появляются первые электростанции, далее конвейеры, электроника - и темпы растут в миллионы раз быстрее… И технократию уже было не остановить.

Важнейшим же для промышленного применения стало использование трехфазного переменного тока, как наиболее эффективного и экономичного. Здесь стоит упомянуть войну постоянного и переменного токов - противостояние, за которым стояли Никола Тесла и Томас Эдисон для обывателей, а также интересы корпораций для сторонников теорий заговоров. Сейчас же мы знаем, что использование переменного тока более выгодно за счет трансформации величины напряжения, следовательно уменьшения тока в проводнике, и следовательно следовательно - меньшим расходом сечения проводников (тех же лэп, кабелей). Мощность при этом, как произведение тока на напряжение остается одинаковой. Правда, не все так идеально, ведь борьбу с потерями мощности при передаче на длительные расстояния никто не отменял. Но в наш век экономики лидерство за током переменным. Хотя и постоянный широко используется - медицина, химпромышленность, электроника.

Преобразование одного вида тока в другой требуется довольно часто. Способ превращения переменного в постоянный прост: применяется диодный мост и сглаживающий конденсатор.

А вот как из постоянного тока сделать переменный, знают не все. Между тем, в сфере электротехники такое преобразование, как будет показано далее, также выполняется довольно часто.

Способы получения электричества

Электроток производят с помощью таких устройств:

механические генераторы

Из всех перечисленных источников только механический генератор дает переменный ток. Если же ток поступает от аккумулятора, например, установленного в источнике бесперебойного питания (ИБП), его из постоянного превращают в переменный.

Как из постоянного сделать переменный?

Устройство, преобразующее постоянный ток в переменный, называют инвертором. Существует несколько видов этих аппаратов.

Инвертор с электродвигателем

Вал двигателя постоянного тока подсоединяется к скользящему контактному узлу, состоящему из двух частей:

вращающейся: состоит из нескольких кольцевых и сегментных пластин, упакованных в форме цилиндра;
неподвижной: графитовые щетки в щеткодержателях.

Одна пара щеток подключена к источнику постоянного тока, другая — к цепи переменного тока. Первая пара контактирует с кольцевыми пластинами, другая — с сегментными.

Релейный инвертор

Как и предыдущий вариант, является электромеханическим. Переключение контактов осуществляет подключенное параллельно с нагрузкой реле с пружиной: при протекании тока катушка соленоида втягивает сердечник, в результате чего к 1-му контакту цепи переменного тока подключается анодный контакт цепи постоянного тока.
Тут же пружина отбрасывает сердечник в исходное положение, так что к упомянутому контакту подключается катод. Такие колебания повторяются многократно, пока на катушку соленоида подается постоянный ток.

Электронный инвертор

С появлением и постепенным удешевлением полупроводников электромеханические инверторы перекочевали в разряд устаревших.
В их электронном аналоге ток перенаправляется ключевыми транзисторами, управляемыми микросхемой. Именно такие инверторы применяются в инверторных сварочных аппаратах, импульсных блоках питания, ИБП и др.

При использовании особых быстро переключающихся транзисторов такой инвертор способен создать из постоянного тока переменный с частотой в десятки кГц. Это позволяет уменьшить габариты трансформатора и потери в нем (сварочные аппараты, импульсные блоки питания). Существует несколько видов электронных инверторов. Они описываются в последнем разделе.

Осциллограмма постоянного напряжения

Давайте для начала уточним, что мы подразумеваем под “постоянным напряжением”. Как гласит нам Википедия, постоянное напряжение (он же и постоянный ток) – это такой ток, параметры,свойства и направление которого не изменяются со временем. Постоянный ток течет только в одном направлении и для него частота равна нулю.

Осциллограмму постоянного тока мы с вами рассматривали в статье Осциллограф. Основы эксплуатации:

Как вы помните, по горизонтали на графике у нас время (ось Х), а по вертикали напряжение (ось Y).

Для того, чтобы преобразовать переменное однофазное напряжение одного значения в однофазное переменное напряжение меньшего (можно и большего) значения, мы используем простой однофазный трансформатор. А для того, чтобы преобразовать в постоянное пульсирующее напряжение, мы с вами после трансформатора подключали Диодный мост. На выходе получали постоянное пульсирующее напряжение. Но с таким напряжением, как говорится, погоду не сделаешь.

Но как же нам из пульсирующего постоянного напряжения

получить самое что ни на есть настоящее постоянное напряжение?

Для этого нам нужен всего один радиокомпонент: конденсатор. А вот так он должен подключаться к диодному мосту:

В этой схеме используется важное свойство конденсатора: заряжаться и разряжаться. Конденсатор с маленькой емкостью быстро заряжается и быстро разряжается. Поэтому, для того, чтобы получить почти прямую линию на осциллограмме, мы должны вставить конденсатор приличной емкости.

Переменный ток и его свойства

Переменный ток циклически меняет направление и силу, характеризуется следующими параметрами:

частота. Число циклов (периодов) в секунду. Например, частота тока в сети составляет 50 Гц;
амплитуда. Максимальное отклонение напряжения и силы тока от нуля. Так, сетевое напряжение 50 раз в секунду меняет значение от -311 В до 311 В;

действующее значение

Переменный ток уступает постоянному в следующем:

он менее качественный. Так, сварной шов получается более прочным и надежным, если сварка осуществлялась постоянным током. Качественнее работает и электроника;
при частоте в 50 Гц — более опасен. Нарушения в организме вызывает уже при силе в 50 мА, тогда как постоянный — при силе в 300 мА. Однако, с повышением частоты переменный ток становится уже не таким опасным. Так, выдающийся изобретатель Никола Тесла на публичных опытах пропускал через себя переменный ток большого напряжения (светилась зажатая в руке лампа), предварительно подняв его частоту до нескольких мегагерц;
сопротивление проводников переменному току выше, чем постоянному. Разъяснение этому будет дано ниже.

Но есть у переменного тока и полезная особенность: создаваемое им магнитное поле также является переменным, а значит, оно способно наводить в проводниках ЭДС (закон электромагнитной индукции).

Переменный ток делает возможным работу таких устройств:

трансформаторы. За счет повышения напряжения значительно сокращаются потери в линиях электропередач;
индукционные нагреватели;
дроссельные фильтры. Дроссель — катушка. Создаваемое ею переменное магнитное поле противодействует переменному току, то есть дроссель выступает в качестве сопротивления. От индуктивности катушки зависит частота тока, которому она сильнее всего противодействует. Эта особенность позволяет глушить дросселем высокочастотные помехи в сети.

Наличием переменного магнитного поля объясняется и упомянутое выше увеличение сопротивления проводника. В нем полем также наводится ЭДС, противодействующая данному переменному току. Эта ЭДС выше в центре проводника, где сконцентрированы силовые линии поля, соответственно, носители заряда вытесняются наружу (поверхностный или скин-эффект).

В итоге вместо всего сечения проводника ток пропускает только некоторая его часть, отчего и возрастает сопротивление. Еще отличие переменного тока от постоянного — способность протекать по цепи с последовательно включенным конденсатором. Для постоянного тока разрыв между обкладками непреодолим, тогда как переменный протекает почти свободно, заряжая обкладки то с одним, то с другим знаком.

Конденсатор, как и катушка, каждый раз накапливает энергию и затем возвращает ее в цепь, так что он тоже оказывает переменному току сопротивление, которое зависит от емкости конденсатора.

Видео по теме

О том, как из постоянного тока сделать переменный и наоборот, в видео:

У каждой разновидности тока есть и преимущества, и недостатки. Потому инверторы и выпрямители применяются достаточно часто. В статье приведены только основные схемы преобразователей, всего же их довольно много.

В. Д. Панченко, г.Киев

Отключение электроэнергии в наших домах, увы, становится традицией. Неужели ребенку придется делать уроки при свече? Или как раз интересный фильм по телевизору, вот бы досмотреть. Все это поправимо, если у вас есть автомобильный аккумулятор. К нему можно собрать устройство, называемое преобразователем постоянного напряжения в переменное (ипи по западной терминологии DC-AC преобразователь).

На рис.1 и 2 показаны две основные схемы таких преобразователей. В схеме на рис.1 используются четыре мощных транзистора VT1…VT4, работающих в ключевом режиме. В одном полупериоде напряжения 50 Гц открыты транзисторы VT1 и VT4. Ток от аккумулятора GB1 протекает через транзистор VT1, первичную обмотку трансформатора T1 (слева направо по схеме) и транзистор VT4. Во втором полупериоде открыты транзисторы VT2 и VT3, ток от аккумулятора GB1 идет через транзистор VT3, первичную обмотку трансформатора TV1 (справа налево по схеме) и транзистор VT2. В результате ток в обмотке трансформатора TV1 получается переменным, и во вторичной обмотке напряжение повышается до 220 6. При использовании 12-вопьтового аккумулятора коэффициент К= 220/12=18,3.

Генератор импульсов с частотой 50 Гц можно построить на транзисторах, логических микросхемах и любой другой элементной базе На рис.1 показан генератор импульсов на интегральном таймере КР1006ВИ1 (микросхема DA1). С выхода DA1 импульсы частотой 50 Гц проходят через два инвертора на транзисторах VT7, VT8. От первого из них импульсы поступают через усилитель тока VT5 на пару VT2, VT3, со второго – через усилитель тока VT6 на пару VT1, VT4. Если в качестве VT1…VT4 использовать транзисторы с высоким коэффициентом передачи тока (“супербета”), например, типа КТ827Б или мощные полевые транзисторы, например, КП912А, то усилители тока VT5, VT6 можно не ставить.

Читать также: Как сделать картофелесажалку для мотоблока своими руками

В схеме на рис.2 используются только два мощных транзистора VT1 и VT2, но зато первичная обмотка трансформатора имеет вдвое больше витков и среднюю точку. Генератор импульсов в этой схеме тот же самый, базы транзисторов VT1 и VT2 подключаются к точкам А и Б схемы генератора импульсов на рис.1.

Время работы преобразователя определяется емкостью аккумулятора и мощностью нагрузки. Если допустить разряд аккумулятора на 80 % (такой разряд допускают свинцовые аккумуляторы), то выражение для времени работы преобразователя имеет вид:

Т(ч) = (0,7WU)/P, где W – емкость аккумулятора, Ач; U – номинальное напряжение аккумулятора, В; Р – мощность нагрузки, Вт. В этом выражении учтен также КПД преобразователя, составляющий 0,85…0,9. Тогда, например, при использовании автомобильного аккумулятора емкостью 55 Ач с номинальным напряжением 12 В при нагрузке на лампочку накаливания мощностью 40 Вт время работы

составит 10…12 ч, а при нагрузке на телевизионный приемник мощностью 150 Вт 2,5—3ч.

Приведем данные трансформатора Т1 для двух случаев: для максимальной нагрузки 40 Вт и для максимальной нагрузки 150 Вт.

В таблице: S – площадь сечения магнитопровода; W1, W2 – количество витков первичной и вторичной обмоток; D1, D2 – диаметры проводов первичной и вторичной обмоток.

Можно использовать готовый силовой трансформатор, сетевую обмотку его не трогать, а домотать первичную обмотку. В этом случае после намотки нужно включить в сеть сетевую обмотку и убедиться, что напряжение на первичной обмотке равно 12 В.

Если использовать в качестве мощных транзисторов VT1…VT4 в схеме на рис.1 или VT1, VT2 в схеме на рис.2 КТ819А, то следует помнить следующее. Максимальный рабочий ток этих транзисторов 15 А, поэтому если рассчитывать на мощность преобразователя свыше 150 Вт, то необходимо ставить либо транзисторы с максимальным током свыше 15 А (например, КТ879А), либо включать параллельно по два транзистора. При максимальном рабочем токе 15 А мощность рассеяния на каждом транзисторе составит примерно 5 Вт, тогда как без радиатора максимальная рассеиваемая мощность – 3 Вт. Поэтому на этих транзисторах необходимо ставить небольшие радиаторы в виде металлической пластины площадью 15-20 см.

Выходное напряжение преобразователя имеет форму разнополярных импульсов амплитудой 220 В. Такое напряжение вполне подходит для питания различной радиоаппаратуры, не говоря уже об электрических лампочках. Однако однофазные электромоторы с напряжением такой формы работают плохо. Поэтому включать в такой преобразователь пылесос или магнитофон не стоит. Выход из положения можно найти, намотав на трансформаторе Т1 дополнительную обмотку и нагрузив ее на конденсатор Ср (на рис.2 показан пунктиром). Этот

конденсатор выбран такой величины, чтобы образовался контур, настроенный на частоту 50 Гц. При мощности преобразователя 150 Вт емкость такого конденсатора можно вычислить по формуле С = 0,25 / U2, где U -напряжение, образующееся на дополнительной обмотке, например, при U = 100 В, С = 25 мкФ. При этом конденсатор должен работать на переменном напряжении (можно использовать металлобумажные конденсаторы К42У или подобные) и иметь рабочее напряжение не меньше 2U. Такой контур забирает на себя часть мощности преобразователя. Эта часть мощности зависит от добротности конденсатора. Так, для металлобумажных конденсаторов тангенс угла диэлектрических потерь составляет 0,02…0,05, поэтому КПД преобразователя снижается примерно на 2…5%.

Во избежание выхода из строя аккумуляторной батареи преобразователь не мешает оборудовать сигнализатором разряда. Простая схема такого сигнализатора показана на рис.3. Транзистор VT1 является пороговым элементом. Пока напряжение аккумуляторной батареи в норме транзистор VT1 открыт и напряжение на его коллекторе ниже порогового напряжения микросхемы DD1.1, поэтому генератор сигнала звуковой частоты на этой микросхеме не работает. Когда напряжение батареи опускается до критического значения, транзистор VT1 запирается (точка запирания устанавливается переменным резистором R2), начинает работать генератор на микросхеме DD1 и акустический элемент НА1 начинает “пищать”. Вместо пьезоэлемента можно применить динамический громкоговоритель малой мощности.

После использования преобразователя аккумулятор необходимо зарядить. Для зарядного устройства можно использовать тот же трансформатор Т1, но количества витков в первичной обмотке недостаточно, так как она рассчитана на 12 В, а нужно, по крайней мере, 17 В. Поэтому при изготовлении трансформатора следует предусмотреть дополнительную обмотку для зарядного устройства. Естественно, при зарядке аккумулятора схему преобразователя необходимо отключить.

Схемы преобразователей

Инверторы классифицируются по принципу работы, форме и схеме.

Принцип действия

По данному признаку устройства делятся на два типа: автономные и инверторы, ведомые сетью.

Автономные делятся на несколько подгрупп, объединяющих инверторы:

напряжения (ИН): устанавливаются в большинстве ИБП;
тока;
резонансные.

Инверторы, ведомые сетью иначе называются зависимыми. Применяются, к примеру, в качестве силовых преобразователей на электровозах.

Схемы

Существует несколько основных схем инверторов:

мостовой ИН без трансформатора. Применяется в ИБП мощностью свыше 500 ВА и в различных устройствах, рассчитанных на 220 или 380 В;
ИН с нулевым выводом трансформатора. Применяется в ИБП мощностью 250-500 ВА, в установках напряжением 12 или 24 В и мобильных радиопередатчиках;
мостовой ИН с трансформатором. Используется в ИБП ответственных объектов с потребляемой мощностью от нескольких кВА до десятков.

Принципиальная схема преобразователя

Форма

По форме выходного напряжения инверторы делятся на:

Полученное постоянное напряжение преобразуется в близкое к синусоидальному переменное.

Универсальное применение электроэнергии во всех сферах человеческой деятельности сопряжено с поисками бесплатного электричества. Из-за чего новой вехой в развитии электротехники стала попытка создать генератор свободной энергии, который позволил бы значительно удешевить или свести к нулю затраты на получение электроэнергии. Наиболее перспективным источником для реализации этой задачи является свободная энергия.

Что представляет собой свободная энергия?

Термин свободной энергии возник во времена широкомасштабного внедрения и эксплуатации двигателей внутреннего сгорания, когда проблема получения электрического тока напрямую зависела от затрачиваемых для этого угля, древесины или нефтепродуктов. Поэтому под свободной энергией понимается такая сила, для добычи которой нет необходимости сжигать топливо и, соответственно, расходовать какие-либо ресурсы.

Первые попытки научного обоснования возможности получения бесплатной энергии были заложены Гельмгольцем, Гиббсом и Теслой. Первый из них разработал теорию создания системы, в которой вырабатываемая электроэнергия должна быть равной или больше затрачиваемой для начального пуска, то есть получения вечного двигателя. Гиббс высказал возможность получения энергии при протекании химической реакции настолько длительной, чтобы этого хватало для полноценного электроснабжения. Тесла наблюдал энергию во всех природных явлениях и высказал теорию о наличии эфира – субстанции, пронизывающей все вокруг нас.

Сегодня вы можете наблюдать реализацию этих принципов для получения свободной энергетики в бестопливных генераторах. Некоторые из них давно встали на службу человечеству и помогают получать альтернативную энергетику из ветра, солнца, рек, приливов и отливов. Это те же солнечные батареи, ветрогенераторы, гидроэлектростанции, которые помогли обуздать силы природы, находящиеся в свободном доступе. Но наряду с уже обоснованными и воплощенными в жизнь генераторами свободной энергии существуют концепции бестопливных двигателей, которые пытаются обойти закон сохранения энергии.

Проблема сохранения энергии

Главный камень преткновения в получении бесплатного электричества – закон сохранения энергии. Из-за наличия электрического сопротивления в самом генераторе, соединительных проводах и в других элементах электрической сети, согласно законов физики, происходит потеря выходной мощности. Энергия расходуется и для ее пополнения требуется постоянная подпитка извне или система генерации должна создавать такой избыток электрической энергии, чтобы ее хватало и для питания нагрузки, и для поддержания работы генератора. С математической точки зрения генератор свободной энергии должен иметь КПД более 1, что не укладывается в рамки стандартных физических явлений.

Схема и конструкция генератора Теслы

Никола Тесла стал открывателем физических явлений и создал на их основе многие электрические приборы, к примеру, трансформаторы Тесла, которые используются человечеством, и по сей день. За всю историю своей деятельности он запатентовал тысячи изобретений, среди которых есть не один генератор свободной энергии.

Рис. 1. Генератор свободной энергии Тесла

Посмотрите на рисунок 1, здесь приведен принцип получения электроэнергии при помощи генератора свободной энергии, собранного из катушек Тесла. Это устройство предполагает получение энергии из эфира, для чего катушки, входящие в его состав настраиваются на резонансную частоту. Для получения энергии из окружающего пространства в данной системе необходимо соблюдать следующие геометрические соотношения:

диаметр намотки;
сечения провода для каждой из обмоток;
расстояние между катушками.

Сегодня известны различные варианты применения катушек Тесла в конструкции других генераторов свободной энергии. Правда, каких-либо значимых результатов их применения добиться, еще не удалось. Хотя некоторые изобретатели утверждают обратное, и держат результат своих разработок в строжайшей тайне, демонстрируя лишь конечный эффект работы генератора. Помимо этой модели известны и другие изобретения Николы Теслы, которые являются генераторами свободной энергии.

Генератор свободной энергии на магнитах

Эффект взаимодействия магнитного поля и катушки широко применяется в магнитных двигателях. А в генераторе свободной энергии этот принцип применяется не для вращения намагниченного вала за счет подачи электрических импульсов на обмотки, а для подачи магнитного поля в электрическую катушку.

Толчком к развитию данного направления стал эффект, полученный при подаче напряжения на электромагнит (катушку намотанную на магнитопровод). При этом находящийся поблизости постоянный магнит притягивается к концам магнитопровода и остается притянутым даже после отключения питания от катушки. Постоянный магнит создает в сердечнике постоянный поток магнитного поля, которое будет удерживать конструкцию до тех пор, пока ее не оторвут физическим воздействием. Этот эффект был применен в создании схемы генератора свободной энергии на постоянных магнитах.

Рис. 2. Генератор свободной энергии на магнитах

Посмотрите на рисунок 2, для создания такого генератора свободной энергии и питания от него нагрузки необходимо сформировать систему электромагнитного взаимодействия, которая состоит из:

пусковой катушки (I);
запирающей катушки (IV);
питающей катушки (II);
поддерживающей катушки (III).

Также в схему входит управляющий транзистор VT1, конденсаторы Cб и Cф, диоды VD1-VD6, ограничительный резистор Rб и нагрузка Z_H.

От протекающего магнитного потока в катушках II, III, IV наводится ЭДС. Электрический потенциал от IV катушки подается на базу транзистора VT1, создавая управляющий сигнал. ЭДС в катушке III предназначена для поддержания магнитного потока в магнитопроводах. ЭДС в катушке II обеспечивает электроснабжение нагрузки.

Камнем преткновения в практической реализации такого генератора свободной энергии является создание переменного магнитного потока. Для этого в схеме рекомендуется установить два контура с постоянными магнитами, в которых силовые линии имеют встречное направление.

Кроме вышеприведенного генератора свободной энергии на магнитах сегодня существует ряд схожих устройств конструкции Серла, Адамса и других разработчиков, в основе генерации которых лежит использование постоянного магнитного поля.

Последователи Николы Теслы и их генераторы

Лестер Хендершот

Хендершот развивал теорию о возможности использования магнитного поля Земли для генерации электроэнергии. Первые модели Лестер представил еще в 1930-х годах, но они так и не были востребованы его современниками. Конструктивно генератор Хендершота состоит из двух катушек со встречной намоткой, двух трансформаторов, конденсаторов и подвижного соленоида.

Рис. 3: общий вид генератора Хендершота

Работа такого генератора свободной энергии возможна только при его строгой ориентации с севера на юг, поэтому для настройки работы обязательно используется компас. Намотка катушек выполняется на деревянных основаниях с разнонаправленной намоткой, чтобы снизить эффект взаимной индукции (при наведении в них ЭДС, в обратную сторону ЭДС наводится не будет). Помимо этого катушки должны настраиваться резонансным контуром.

Джон Бедини

Свой генератор свободной энергии Бедини представил в 1984 году. Особенностью запатентованного устройства был энерджайзер – устройство с постоянным вращающимся моментом, которое не теряет оборотов. Такой эффект был достигнут за счет установки на диск нескольких постоянных магнитов, которые при взаимодействии с электромагнитной катушкой создают в ней импульсы и отталкиваются от ферромагнитного основания. Благодаря чему генератор свободной энергии получал эффект самозапитки.

Более поздние генераторы Бедини стали известны за счет одного школьного эксперимента. Модель оказалась значительно проще и не представляла собой чего-то грандиозного, но она смогла выполнять функции генератора свободного электричества порядка 9 дней без помощи извне.

Рис. 4. Принципиальная схема генератора Бедини

Посмотрите на рисунок 4, здесь приведена принципиальная схема генератора свободной энергии того самого школьного проекта. В ней используются следующие элементы:

вращающийся диск с несколькими постоянными магнитами (энерджайзер);
катушка с ферромагнитным основанием и двумя обмотками;
аккумулятор (в данном примере он был заменен на батарейку 9В);
блок управления из транзистора (VT1), резистора (R1) и диода (VD1);
токосъем организован с дополнительной катушки, питающей светодиод, но можно производить питание и от цепи аккумулятора.

С началом вращения постоянные магниты создают магнитное возбуждение в сердечнике катушки, которое наводит ЭДС в обмотках выходных катушек. За счет направления витков в пусковой обмотке ток начинает протекать, как показано на рисунке ниже через пусковую обмотку, резистор и диод.

Рис. 5. Начало работы генератора Бедини

Когда магнит находится непосредственно над соленоидом, сердечник насыщается и запасенной энергии становится достаточно для открытия транзистора VT1. При открытии транзистора, ток начинает протекать и в рабочей обмотке, осуществляющей подзаряд аккумулятора.

Рис. 6. Запуск обмотки подзаряда

Энергии на этом этапе становится достаточно для намагничивания ферромагнитного сердечника от рабочей обмотки, и он получает одноименный полюс с находящимся над ним магнитом. Благодаря магнитному полюсу в сердечнике, магнит на вращающемся колесе отталкивается от этого полюса и ускоряет дальнейшее движение энерджайзера. С ускорением движения импульсы в обмотках возникают все чаще, и светодиод с мигающего режима переходит в режим постоянного свечения.

Увы, такой генератор свободной энергии не является вечным двигателем. На практике он позволил системе работать в десятки раз дольше, чем она смогла бы функционировать на одной батарейке, но со временем все равно останавливается.

Тариель Капанадзе

Капанадзе разрабатывал модель своего генератора свободной энергии в 80 — 90-х годах прошлого века. Механическое устройство основывалось на работе усовершенствованной катушки Тесла. Как утверждал сам автор, компактный генератор мог питать потребителей мощностью в 5 кВт. В 2000-х генератор Капанадзе промышленных масштабов на 100 кВт попытались построить в Турции, по техническим характеристикам ему для пуска и работы требовалось всего 2 кВт.

Рис. 7. Принципиальная схема генератора Капанадзе (вариант схемы от Jean-Louis Naudin)

Оригинальный вариант схемы генератора Капанадзе остается неизвестным. На рисунке выше приведена принципиальная схема генератора свободной энергии от исследователя Jean-Louis Naudin. Он провел серию экспериментов, цель которых была понять принцип работы генератора Капанадзе, который тот представлял в демонстрационном видео ролике. В итоге эта работа привела к созданию собственного варианта генератора, который близок к оригинальному устройству.

Практическая схема генератора свободной энергии

Несмотря на большое количество существующих схем генераторов свободной энергии совсем немногие из них могут похвастаться реальными результатами, которые можно было бы проверить и повторить в домашних условиях.

Рис. 8. Рабочая схема гегератора Тесла

На рисунке 8 выше приведена схема генератора свободной энергии, которую вы можете повторить в домашних условиях. Этот принцип был изложен Николой Тесла. Для его работы используется металлическая пластина, изолированная от земли и расположенная на какой-либо возвышенности. Пластина является приемником электромагнитных колебаний в атмосфере. Сюда входит достаточно широкий спектр излучений (солнечных, радиомагнитных волн, статического электричества от движения воздушных масс и т.д.)

Приемник подключается к одной из обкладок конденсатора, а вторая обкладка заземляется, что и создает требуемую разность потенциалов. Единственным камнем преткновения к его промышленной реализации является необходимость изолировать на возвышенности пластину большой площади для питания хотя бы частного дома.

Современный взгляд и новые разработки

Несмотря на повсеместную заинтересованность созданием генератора свободной энергии, вытеснить с рынка классический способ получения электроэнергии они еще не могут. Разработчикам прошлого, выдвигавшим смелые теории по поводу значительного удешевления электроэнергии, не хватало технического совершенства оборудования или параметры элементов не могли обеспечить надлежащего эффекта. А благодаря научно-техническому прогрессу человечество получает все новые и новые изобретения, которые делают уже осязаемым воплощение генератора свободной энергии. Следует отметить, что сегодня уже получены и активно эксплуатируются генераторы свободной энергии, работающие на силе солнца и ветра.

Но, в то же время, в интернете вы можете встретить предложения о приобретении таких устройств, хотя в большинстве своем это пустышки, созданные с целью обмануть неосведомленного человека. А небольшой процент реально работающих генераторов свободной энергии, будь то на резонансных трансформаторах, катушках или постоянных магнитах, может справляться лишь с питанием маломощных потребителей. Обеспечить электроэнергией, к примеру, частный дом или освещение во дворе они не могут.

Как итог, генераторы свободной энергии – перспективное направление, но их практическая реализация все еще не воплощена в жизнь.

Читайте также: