Отличие постоянный и переменный ток: переменный и постоянный ток - это НЕ сложно - Санкт-Петербургское государственное бюджетное учреждение социального обслуживания населения

Содержание

В розетке постоянный ток или переменный? Переменный ток и постоянный ток: отличие.

И . Прежде чем подробно разбирать эти термины следует вспомнить, что понятие электрического тока заключается в упорядоченном движении частиц, имеющих электрические заряды. Если электроны постоянно осуществляют движение в одном направлении, то ток носит название постоянного. Но, когда электроны в один момент времени двигаются в одном направлении, а в другой момент осуществляется движение в другом направлении, то это является упорядоченным движением заряженных частиц, двигающихся без остановки. этот ток называют переменным. Существенным различием между ними считают то, что у постоянного значения «+» и «-» постоянно находятся на одном определенном месте.

Что такое постоянное напряжение

В качестве примера постоянного напряжения служит обычная батарейка. На корпусе любой батарейки есть обозначения «+» и «-». Это говорит о том, что при постоянном токе эти значения имеют постоянное местоположение. У переменного наоборот, значения «+» и «-» изменяются через определенные короткие промежутки времени. Поэтому обозначение постоянного тока применяется в виде одной прямой линии, а обозначение переменного – в виде одной волнистой линии.

Отличие постоянного тока от переменного

Большинство устройств, использующих постоянный ток, не позволяют при подключении источника питания путать контакты, поскольку в таком случае прибор может просто выйти из строя. При переменном этого не произойдет. Если вставить вилку в розетку любой стороной, то прибор все равно будет работать. Кроме того, существует такое понятие, как частота переменного тока. Она показывает, сколько раз в течение секунду меняются местами «минус» с «плюсом». Например, частота в 50 герц означает, изменение полярности напряжения за секунду 50 раз.

На представленных графиках видно изменение напряжения в различные временные моменты. На графике слева, для примера показано напряжение на контактах лампочки карманного фонарика. На отрезке времени с «0» до точки «а» напряжение вообще отсутствует, так как фонарик выключен. В точке времени «а» возникает напряжение U1, которое не меняется в промежутке времени «а» – «б», когда фонарик включен. При выключении фонарика в момент времени «б» напряжение снова становится равным нулю.

На графике переменного напряжения можно наглядно увидеть, что напряжение в различных точках, то поднимается до максимума, то становится равным нулю, то падает до минимума. Это движение происходит равномерно, через одинаковые промежутки времени и повторяется до тех пор, пока не отключат свет.

Говоря о постоянном токе (см. раздел «Про ток»), мы выяснили, что он протекает в одном направлении – от плюса источника к минусу(так было принято, хотя на самом деле наоборот). Однако в большинстве случаев приходится иметь дело с током переменным. При переменном токе электроны движутся не в одном направлении, а попеременно то в одном, то в другом, меняя свое направление. Поэтому, когда осветительная лампа включена, электроны в ее накаленной нити(да и в проводах тоже)движутся то в одну, то в другую сторону.

Это движение условно показано на рис.1 и рис.2. Попробуйте пробежаться то в одну, то в другую сторону. Нетрудно догадаться, что при таком движении, прежде чем изменить направление движения, нужно сначала его замедлить, потом застыть на месте, а уж потом ринуться в другую сторону. Какая взаимосвязь с током? Перед тем как изменить движение, электроны должны притормозить(всё это мы рассматриваем в замедленном времени). Значит ток уменьшится, а лампа должна уменьшить яркость. А уж когда они остановятся перед изменением движения – и вовсе должна погаснуть. Но мы этого не видим. Почему? Потому что накаленная нить имеет тепловую инертность и за долю секунды не может остыть. Поэтому мигания мы не видим. Однако, каждый из нас слышал жужжание работающего трансформатора, что и связано с попеременным направлением движения тока.

А теперь стоит задуматься. Означает ли это, что за долю секунды электроны от электростанции доходят до дома, а за следующую долю секунды – обратно? Ранее, в разделе«Про ток» мы выяснили, что электрическое поле в проводниках распространяется со скоростью 300000км/с. , а сами электроны движутся в проводниках со скоростью примерно 0,1мм/с. Но за 1/100 часть секунды (именно столько длится один полупериод, в течение которого электроны движутся в одну сторону) электроны только успевают переместиться в одном направлении, как электрическое поле начнет действовать в противоположном направлении. Вот почему электроны отклоняются то в одну, то в другую сторону и не покидают, так сказать, предела наших жилищ. То есть, у вас в доме(квартире) есть свои «домашние» электроны. Если мы могли бы замедлить время и включили бы в розетку вольтметр параллельно нагрузке, т.е. лампе (рис.3) или амперметр последовательно через нагрузку (рис.4), то увидели бы как стрелка прибора плавно изменяет свое показание от нуля до максимального значения при замере напряжения (рис.3) или тока (рис.4). На рисунке рядом это продемонстрировано. В действительности мы, конечно, этого не увидим. Причина в инертности стрелки, из-за которой она не может произвести сотню за секунду. Кстати, к рис.

3 и рис.4 приведен пояснительный рис.5, где уж точно без особых усилий можно увидеть, как подключаются вольтметр и амперметр при измерении напряжения и тока в электрической цепи. Где вольтметр, а где амперметр, я думаю, можно без труда догадаться. На схемах они обозначаются как V и А соответственно.

Итак, первое, что необходимо знать – это то, что изменения тока и напряжения в электрической цепи происходят по так называемому синусоидальному закону. Второе – любое синусоидальное колебание (ток или напряжение) характеризуются следующими важными величинами:

Период Т – время совершения одного полного колебания. Половина этого времени называется полупериодом. Очевидно, что в один полупериод ток течет(ну или как мы оговаривали – электроны движутся) в одном направлении, которое условно можем принять за положительное, а в другой полупериод он течет в другом направлении, которое можем принять за отрицательное. На графиках положительный полупериод будет представлен верхней полуволной над осью Х, а отрицательный – нижней.

Говоря про нашу сеть, можно указать, что период переменного тока Т = 1/50сек – 0,02сек.

Частота f – это число колебаний в секунду. Теперь давайте подсчитаем. Если одно колебание у нас происходит за время периода Т, которое равно 0,02сек, то тогда за одну секунду у нас произойдет 50 колебаний (1/0,02=50). А одно колебание представляет собой движение электронов сначала в одну сторону, потом в другую(два полупериода). Т.е. за 1сек электроны будут двигаться поочередно то в одну то в другую сторону 50раз. Вот вам и наша частота тока в сети, которая равна 50Гц (Герц).

Амплитуда – наибольшая величина тока(Imах) или напряжения (Umах=310В) за время периода Т. Очевидно, что за один период синусоидальный ток и напряжение достигают два раза своей максимальной величины.

Мгновенное значение – мы уже знаем, что переменный ток непрерывно изменяет свое направление и величину. Величина напряжения в данный момент называется мгновенным значением напряжения. Это же относится и к величине тока.

В качестве иллюстрации на рис.6 указаны несколько мгновенных значений (200В, 300В, 310В, – 150В, – 310В, – 100В) величины напряжения в электрической цепи в течение одного периода. Видно, что в начальный момент напряжение равно равно нулю, после чего постепенно нарастает до 100В, 200В и т.д. Достигнув максимального значения 310В, напряжение начинает постепенно уменьшаться до нуля, после чего изменяет свое направление и снова возрастает, достигая величины минус 310В (- 310В) и т.д. Если кто-то с трудом может себе представить, что такое смена направления, может представить себе, что плюс и минус в розетке меняются местами – т.е. если мы условно примем ноль(землю) за минус, а фазу за плюс. И происходит это 50 раз в секунду. Ну, вот где-то примерно так…

Действующее значение

Итак, зададимся вопросом – а какому постоянному напряжению равно по своему действию наше переменное напряжение в сети, показанное на рис.6? Теория и практика показывают, что оно равняется постоянному напряжению величиной 220В – рис.

7. Взять это на веру не так уж и сложно, поскольку несложно увидеть, что рассматриваемое в течение одного периода напряжение имеет значение 310В только в два момента, а в остальное время оно меньше. Так как наше синусоидальное напряжение изменяется непрерывно, то целесообразно было ввести такое понятие как – действующее напряжение . Ведь именно по какому-либо конкретному значению напряжения(или тока), а не его меняющемуся значению мы можем «прикинуть» его силу. Так вот, под действующим значением переменного тока (ну или напряжения) мы понимаем такой постоянный ток, который за то же самое время совершает ту же работу (или выделяет такое же количество тепла), что и данный переменный ток.

Поэтому, наша обыкновенная лампочка (или, например, обогревательный прибор) будет одинаково работать как при переменном напряжении, изменяющегося от нуля до 310В, так и при постоянном напряжении 220В. А 12-вольтовая лампочка будет одинаково светить как от источника переменного напряжения величиной 12В(изменяющегося от нуля до 16,8В), так и от любой батарейки или аккумулятора(а они являются, как известно, источниками постоянного напряжения).

Итак, запомните!!!

Электрический ток(напряжение), который периодически изменяет свое направление и величину, называется переменным током. Любой переменный ток характеризуется в основном своей частотой, амплитудой и действующим значением;

Приборы, предназначенные для измерения переменного тока, показывают его действующее значение;

Напряжение измеряют вольтметром(или комбинированным прибором – авометром), ток – амперметром(или комбинированным прибором – авометром). Также ток можно измерять так называемыми токовыми клещами . Служат они для бесконтактного измерения тока – рабочая часть прибора образует кольцо вокруг измеряемого провода и по величине электромагнитного поля, действующего на рабочую часть прибора, выводится информация на его небольшой дисплей о величине протекающего тока. Авометр – это комбинированный прибор(его в простонародье еще называют просто тестером), который полностью в своем техпаспорте называется ампервольтомметром и служит для измерения и тока, и напряжения, и сопротивлений. А цифровые модели могут измерять и частоту напряжения(тока), и емкости конденсаторов и другие вещи – это уж как задумает разработчик;

Зная значение (действующее) переменного напряжения, всегда можно узнать его максимальное значение (не забудьте – оно меняется по синусоидальному закону). А связь здесь такая – Umax = 1,4U , где U – действующее значение, а Umax- максимальное значение (амплитуда).

В 21-веке электроника стала очень популярной. Многие люди хотят узнать больше о радиотехнике и начинают читать специальные книги, хотя многое в книгах не понятно. И поэтому начинают путаться, задавать много вопросов. Не могут найти подходящие и понятные сайты о электронике, где можно вкратце и просто понять что к чему. Но что-то мы далеко ушли, ладно давайте приступим к делу. Задача – рассказать всё подробнее и понятнее о постоянном и переменном токе.

Постоянный ток

До того времени, когда не было радиоприёмников и радиосвязи, был ток который тёк в одну сторону – его назвали постоянным, на графике он изображается прямой линией, как показано на рисунке ниже.

Давайте разберёмся, каков принцип работы этого тока, а он очень прост. Потому что постоянный ток течёт только в одну сторону. На мощных электростанциях вырабатывается переменный ток, его нужно сделать в постоянный. Постоянный ток может создать только гальванический элемент. Гальванический элемент – это элемент вырабатывающим постоянный ток, то есть обычная батарейка. Принцип работы батарейки разбирать не будем, нам сейчас главное, чтобы в вашей памяти уложился только постоянный и переменный ток. Допустим, мы выработали постоянный ток, он начнёт двигаться от плюса к минусу, это обязательно запомнить.

Переменный ток

Теперь переходим к переменному току, всё радиосвязь появилась, переменный ток стал изюминкой. Рассмотрим график переменного тока. Вы сразу обратили внимание на эти странные буквы, они нам не нужны, кроме одной – Т. У переменного тока есть особенность, он может менять своё направление, например: он, движется то в одну сторону, потом в другую. Этот процесс называется колебанием или периодом. На рисунке период обозначен этой самой буквой Т. Видно, что выше оси t волна, и ниже её, тоже волна. Это значит, что выше оси это движение к плюсу, а ниже, движение к минусу, проще говоря, это положительный полупериод, почему полупериод, потому что два полупериода равны T, то есть равны периоду, значит они всё таки полупериоды. Период – то же самое, что и колебание. Несколько колебаний совершённые в 1 секунду называют частотой. Итак, разобрались, что такое постоянный и переменный ток, думаю что разобрались.

Запомните: В розетке всегда 220 В переменного тока – он очень опасный. Один удар может даже убить человека, поэтому соблюдайте осторожность!

В памяти у вас должно отложиться: движение постоянного и переменного тока; графики постоянного и переменного тока; что такое частота, полупериод, период.

Кстати забыл сказать, в чём измеряется частота. Запомните: частота измеряется в Герцах . Допустим, совершается 50 колебаний в секунду, это значит что частота равна 50 герц. Таким образом можно определять любые другие значения. Всем пока, с вами был Дмитрий Цывцын.

Сейчас невозможно представить себе человеческую цивилизацию без электричества. Телевизоры, компьютеры, холодильники, фены, стиральные машины – вся бытовая техника работает на нем. Не говоря уже о промышленности и больших корпорациях. Основным источником энергии для электроприемников является переменный ток. А что это такое? Каковы его параметры и характеристики? Чем отличаются постоянный и переменный ток? Мало кто из людей знает ответы на эти вопросы.

Переменный против постоянного

В конце девятнадцатого века, благодаря открытиям в области электромагнетизма, возник спор по поводу того, какой же ток лучше применять, чтобы удовлетворить человеческие потребности. Как же все начиналось? Томас Эдисон в 1878 году основал свою компанию, которая в будущем стала знаменитой General Electric. Компания быстро разбогатела и завоевала доверие инвесторов и простых граждан Соединенных Штатов Америки, так как было построено по всей стране несколько сотен электростанций, работающих на постоянном токе. Заслуга Эдисона – в изобретении трехпроводной системы. Постоянный ток замечательно работал с первыми электрическими двигателями и лампами накаливания. Это были фактически единственные приемники энергии на то время. Счетчик, который также был изобретен Эдисоном, работал исключительно на постоянном токе. Однако в противовес развивающейся компании Эдисона выступили конкурентные корпорации и изобретатели, которые хотели противопоставить постоянному току переменный.

Недостатки изобретения Эдисона

Джордж Вестингауз, инженер и бизнесмен, заметил в патенте Эдисона слабое звено – огромные потери в проводниках. Однако ему не удалось разработать конструкцию, которая могла бы конкурировать с этим изобретением. В чем же недостаток Эдисоновского постоянного тока? Основная проблема – передача электроэнергии на расстояния. А так как при его увеличении растет и сопротивление проводников, то это значит, что будут увеличиваться и потери мощности. Для понижения этого уровня необходимо либо повышать напряжение, а это приведет к понижению силы самого тока, либо утолщать провод (то есть снижать сопротивление проводника). Способов эффективного повышения напряжения постоянного тока в то время не было, поэтому электростанции Эдисона держали напряжение, близкое к двум сотням вольт. К сожалению, передаваемые таким образом потоки мощности не могли обеспечить нужды промышленных предприятий. Постоянный ток не мог гарантировать генерацию электроэнергии мощным потребителям, которые находились на значительном расстоянии от электростанции. А повышать толщину проводов или строить больше станций было слишком дорого.

Переменный ток против постоянного

Благодаря разработанному в 1876 году инженером Павлом Яблочковым трансформатору, изменять напряжение у переменного тока было очень просто, что давало потрясающую возможность передавать его на сотни и тысячи километров. Однако на тот момент не существовало двигателей, которые работали бы на переменном токе. Соответственно, не было и генерирующих станций, и сетей для передачи.

Изобретения Николы Теслы

Несомненное преимущество постоянного длилось недолго. Никола Тесла, работая инженером в фирме Эдисона, понял, что постоянный ток не может обеспечить человечество электроэнергией. Уже в 1887 году Тесла получил сразу несколько патентов на аппараты переменного тока. Началась целая борьба за более эффективные системы. Основными конкурентами Теслы были Томсон и Стенли. А 1888 году однозначную победу получил сербский инженер, который предоставил систему, способную транспортировать электрическую энергию на расстояния в сотни миль. Молодого изобретателя быстро взял к себе Вестингауз. Однако сразу же началось противостояние между компаниями Эдисона и Вестингауза. Уже в 1891 году была разработана Теслой система трехфазного переменного тока, что позволило выиграть тендер по строительству огромной электрической станции. С тех пор однозначно позицию лидера занял переменный ток. Постоянный же сдавал свои позиции по всем фронтам. Особенно когда появились выпрямители, способные преобразовывать переменный ток в постоянный, что стало удобно для всех приемников.

Определение переменного тока

Пример простейшего генератора

В качестве самого простого источника используют прямоугольную рамку, изготовленную из меди, которая закреплена на оси и вращается в магнитном поле при помощи ременной передачи. Концы этой рамки припаяны контактными кольцами к медным, которые скользят по щеткам. Магнит создает равномерно распределенное в пространстве магнитное поле. Плотность силовых магнитных линий здесь одинакова в любой части. Вращающаяся рамка пересекает эти линии, и на ее сторонах индуцируется переменная электродвижущая сила (ЭДС). С каждым поворотом направление суммарной ЭДС меняется на обратное, так как рабочие стороны рамки за оборот проходят через разные полюса магнита. Так как меняется скорость пересечения силовых линий, то становится другой и величина электродвижущей силы. Поэтому если равномерно вращать рамку, то индуктированная электродвижущая сила периодически будет меняться как по направлению, так и по величине, ее можно измерить при помощи внешних приборов и, как следствие, использовать для того, чтобы создавать переменный ток во внешних цепях.

Синусоидальность

Что это такое? Переменный ток графически характеризуется волнообразной кривой – синусоидой. Соответственно, ЭДС, ток и напряжение, которые изменяются по этому закону, называются параметрами синусоидальными. Кривая так названа потому, что является изображением тригонометрической переменной величины – синуса. Именно синусоидальный характер переменного тока – наиболее распространенный во всей электротехнике.

Параметры и характеристики

Переменный ток – это явление, которое характеризуется определенными параметрами. К ним относят амплитуду, частоту и период. Последний (обозначается буквой Т) – это промежуток времени, в течение которого напряжение, ток или ЭДС совершает цикл полного изменения. Чем быстрее будет вращение ротора у генератора, тем период будет меньше. Частотой (f) называют количество полных периодов тока, напряжения или ЭДС. Она измеряется в Гц (герцах) и обозначает количество периодов за одну секунду. Соответственно, чем больше период, тем меньше частоты. Амплитудой такого явления, как переменный ток, называют наибольшее его значение. Записывается амплитуда напряжения, тока или электродвижущей силы буквами с индексом «т» – U т I т, Е т соответственно. Часто к параметрам и характеристикам переменного тока относят действующее значение. Напряжение, ток или ЭДС, которая действует в цепи в каждый момент времени – мгновенное значение (помечают строчными буквами – і, u, e). Однако оценивать переменный ток, совершенную им работу, создаваемое тепло сложно по мгновенному значению, так как оно постоянно меняется. Поэтому применяют действующее, которое характеризует силу постоянного тока, выделяющего за время прохождения по проводнику столько же тепла, сколько это делает переменный.

Несмотря на то, что электрический ток является незаменимой частью современной жизни, многие пользователи не знают о нем даже основополагающих сведений. В данной статье, опустив курс базовой физики, рассмотрим, чем отличается постоянный ток от переменного, а также какое он находит применение в современных бытовых и промышленных условиях.

Вконтакте

Различие типов тока

Что такое ток, рассматривать здесь не будем, а сразу перейдем к основной теме статьи. Переменный ток отличается от постоянного тем, что он непрерывно изменяется по направлению движения и своей величине .

Изменения эти осуществляются периодами через равные временные отрезки. Для создания подобного тока применяют специальные источники или генераторы, выдающие переменную ЭДС (электродвижущую силу), которая регулярно изменяется.

Основополагающая схема упомянутого устройства для генерации переменного тока довольно проста. Это рамка в виде прямоугольника, изготавливаемая из медных проволок, которая закрепляется на ось, а затем при помощи ременной передачи вращается в поле магнита. Кончики этой рамки припаиваются к медным контактным колечкам, скользящим по непосредственно контактным пластинкам, вращаясь синхронно с рамкой.

При условии равномерного ритма вращения начинает индуцироваться ЭДС, которая периодически изменяется. Измерить ЭДС, возникшую в рамке, возможно специальным прибором. Благодаря появлению реально определить переменную ЭДС и вместе с ней переменный ток.

В графическом исполнении эти величины характерно изображаются в виде волнообразной синусоиды . Понятие синусоидального тока зачастую относится к переменному току, поскольку подобный характер изменения тока является наиболее распространенным.

Переменный ток – алгебраическая величина, а его значение в конкретный временной момент именуется мгновенным значением. Знак непосредственно самого переменного тока определяется по направлению, в котором в данный временной момент проходит ток. Следовательно, знак бывает положительным и отрицательным.

Характеристики тока

Для сравнительной оценки всевозможных переменных токов применяют критерии, именуемые параметрами переменного тока , среди которых:

период;
амплитуда;
частота;
круговая частота.

Период – отрезок времен, когда производится законченный цикл изменения тока. Амплитудой называют максимальное значение. Частотой переменного тока назвали количество законченных периодов за 1 сек.

Перечисленные выше параметры дают возможность отличать различные виды переменных токов, напряжений и ЭДС.

При расчете сопротивления разных цепей воздействию переменного тока допустимо подключить еще один характерный параметр, именуемый угловой либо круговой частотой . Этот параметр определяется скоростью вращения вышеупомянутой рамки под определенным углом в одну секунду.

Важно! Следует понимать, чем отличается ток от напряжения. Принципиальная разница известна: ток является количеством энергии, а напряжением называется мера .

Переменный ток получил свое название, потому что направление движения у электронов безостановочно изменяется, как и заряд. У него встречается различная частота и электрическое напряжение.

Это и является отличительной чертой от постоянного тока, где направление движения электронов неизменно . Если сопротивление, напряжение и сила тока неизменны, а ток течет только в одну сторону, то такой ток является постоянным.

Для прохождения постоянного тока в металлах потребуется, чтобы источник постоянного напряжения оказался замкнут на себя при помощи проводника, которым и является металл. В отдельных ситуациях для выработки постоянного тока применяют химический источник энергии, который называется гальваническим элементом.

Передача тока

Источники переменного тока – обычные розетки. Они располагаются на объектах разнообразного назначения и в жилых помещениях. К ним подключаются различные электрические приборы, которые получают необходимое для их работы напряжение.

Использование переменного тока в электрических сетях является экономически обоснованным, поскольку величина его напряжения может преобразовываться к уровню необходимых значений. Совершается это при помощи трансформаторного оборудования с допускаемыми незначительными потерями. Транспортировка от источников электроснабжения к конечным потребителям является более дешевой и простой.

Передача тока к потребителям начинается непосредственно с электростанции, где используется разновидность чрезвычайно мощных электрических генераторов. Из них получают электрический ток, который по кабелям направляется к трансформаторным подстанциям. Зачастую подстанции располагают неподалеку от промышленных либо жилых объектов электрического потребления. Полученный подстанциями ток преобразуется в трехфазное переменное напряжение.

В батарейках и аккумуляторах содержится постоянный ток , который отличается устойчивостью свойств, т.е. они не изменяются со течением времени. Он используется в любых современных электрических изделиях, а еще в автомобилях.

Преобразование тока

Рассмотрим отдельно процесс преобразования переменного тока в постоянный. Данный процесс производится при помощи специализированных выпрямителей и включает три шага:

Первым шагом подключается четырехдиодный мост заданной мощности. Это в свою очередь позволяет задать движение однонаправленного типа у заряженных частиц. Кроме того, он понижает верхние значения у синусоид, свойственных переменному току.
Далее подключается фильтр для сглаживания либо специализированный конденсатор. Это осуществляется с диодного моста на выход. Сам же фильтр способствует исправлению впадин между пиковыми значениями синусоид. А подключение конденсатора значительно снижает пульсации и приводит их к минимальным значениям.
Затем производится подключение устройств, стабилизирующих напряжение, с целью снижения пульсаций.

Данный процесс, в случае необходимости, способен производиться в двух направлениях, конвертируя постоянный и переменный ток.

Еще одной отличительной чертой является распространение электромагнитных волн по отношению к пространству. Доказано, что постоянный тип тока не позволяет электромагнитным волнам распространяться в пространстве, а переменный ток может вызывать их распространение. Кроме того, при транспортировке переменного тока по проводам индукционные потери значительно меньше, нежели при передаче постоянного тока.

Обоснование выбора тока

Разнообразие токов и отсутствие единого стандарта обуславливается не только потребностью в различных характеристиках в каждой индивидуальной ситуации. В решении большинства вопросов перевес оказывается в пользу переменного тока. Подобная разница между видами токов обуславливается следующими аспектами:

Возможность передачи переменного тока на значительные расстояния. Возможность преобразования в разнородных электрических цепях с неоднозначным уровнем потребления.
Поддержание постоянного напряжения для переменного тока оказывается в два раза дешевле, нежели для постоянного.
Процесс преобразования электрической энергии непосредственно в механическую силу осуществляется со значительно меньшими затратами в механизмах и двигателях переменного тока.

В чем отличие переменного тока от постоянного. Электрический ток постоянный и переменный

Постоянный и переменный то к

В предыдущей статье, что такое электрический ток ты узнал, как происходит упорядоченное движение электронов в замкнутой цепи. Теперь, я расскажу тебе, каким бывает электрический ток. Электрический ток бывает постоянный и переменный. Чем отличается переменный ток от постоянного? Характеристики постоянного тока.

Постоянный ток

Direct Current или DC так по-английски обозначают электрический ток который на протяжении любого отрезка времени не меняет направление движения и всегда движется от плюса к минусу. На схеме обозначается как плюс (+) и минус (-), на корпусе прибора, работающего от постоянного тока наносят обозначение в виде одной (-) или (=) полос. Важная особенность постоянного электрического тока – это возможность его аккумулирования, т.е. накопления в аккумуляторах или получения его за счет химической реакции в батарейках. Множество современных переносных электрических устройств, работают, используя накопленный электрический заряд постоянного тока, который находится в аккумуляторах или батарейках этих самых устройств.

Переменный ток

(Alternating Current) или АС английская аббревиатура обозначающая ток, который меняет на временном отрезке свое направление и величину. На электрических схемах и корпусах электрических аппаратов, работающих от переменного тока, символ переменного тока обозначают как отрезок синусоиды «~». Если говорить о переменном токе простыми словами , то можно сказать что в случае подключения электрической лампочки к сети переменного тока плюс и минус на ее контактах будут меняться местами с определенной частотой или иначе, ток будет менять свое направление с прямого на обратное. На рисунке обратное направление – это область графика ниже нуля.

Теперь давай разберемся, что такое частота. Частота это – период времени, в течение которого ток выполняет одно полное колебание, число полных колебаний за 1 с называется частотой тока и обозначается буквой f. Частота измеряется в герцах (Гц) . В промышленности и быту большинства стран используют переменный ток с частотой 50 Гц. Эта ве6личина показывает количество изменений направления тока за одну секунду на противоположное и возвращение в исходное состояние. Иными словами в электрической розетке, которая есть в каждом доме и куда мы включаем утюги и пылесосы, плюс с минусом на правой и левой клеммах розетки будет меняться местами с частотой 50 раз в секунду – это и есть, частота переменного тока. Для чего нужен такой “переменчивый “ переменный ток, почему не использовать только постоянный? Это сделано для того, чтобы получить возможность без особых потерь получать нужное напряжение в любом количестве способом применения трансформаторов. Использование переменного тока позволяет передавать электроэнергию в промышленных масштабах на значительные расстояния с минимальными потерями.

Напряжение, которое подается мощными генераторами электростанций, составляет порядка 330 000-220 000 Вольт. Такое напряжение нельзя подавать в дома и квартиры, это очень опасно и сложно с технической стороны. Поэтому переменный электрический ток с электростанций подается на электрические подстанции, где происходит трансформация с высокого напряжения на более низкое, которое мы используем.

Преобразование переменного тока в постоянный

Из переменного тока, можно получить постоянный ток, для этого достаточно подключить сети переменного тока диодный мост или как его еще называют “выпрямитель” . Из названия “выпрямитель” как нельзя лучше понятно, что делает диодный мост, он выпрямляет синусоиду переменного тока в прямую линию тем самым заставляя двигаться электроны в одном направлении.

что такое диод и как работает диодный мост , ты можешь узнать в моих следующих статьях.

Электрическим током называют направленное, упорядоченное движение заряженных частиц.

Постоянный ток имеет устойчивые свойства и направление движения заряженных частиц, которые не изменяются со временем. Он используется многими электрическими устройствами в домах, а также в автомобилях. От постоянного тока работают современные компьютеры, ноутбуки, телевизоры и многие другие устройства. Для преобразования переменного тока в постоянный используются специальные блоки питания и трансформаторы напряжения .

Все электрические устройства и электрические инструменты, работающие от батарей и аккумуляторов считаются потребителями постоянного тока, так как батарея – это источник постоянного тока, который может быть преобразован в переменный с помощью инверторов.

Разница переменного тока от постоянного

Переменным называют электрический ток, который может изменяться по направлению движения заряженных частиц и величине с течением времени. Важнейшими параметрами переменного тока считаются его частота и напряжение. В современных электрических сетях на разных объектах используется именно переменный ток, имеющий определенное напряжение и частоту. В России в бытовых электросетях ток имеет напряжение 220 В и частоту равную 50 Гц. Частота электрического переменного тока – это число изменений направления движения заряженных частиц за 1 секунду, то есть, при частоте в 50 Гц он меняет направление 50 раз в секунду. Таким образом, отличие переменного тока от постоянного заключается в том, что в переменном заряженные частицы могут менять направление движения.

Источниками переменного тока на объектах различного назначения являются розетки . К розеткам мы подключаем различные бытовые приборы, получающие необходимое напряжение. Переменный ток используется в электрических сетях потому, что величина напряжения может быть преобразована до необходимых значений с помощью трансформаторного оборудования с минимальными потерями. Другими словами, его гораздо проще и дешевле транспортировать от источников электроснабжения до конечных потребителей.

Передача переменного тока потребителям

Путь переменного тока начинается с электростанций, на которых устанавливаются мощнейшие электрические генераторы, из которых выходит электрический ток с напряжением на уровне 220-330 кВ. Через электрические кабели ток идет к трансформаторным подстанциям, устанавливаемым в непосредственной близости от объектов электрического потребления – домов, квартир, предприятий и других сооружений.

Подстанции получают электрический ток с напряжением около 10 кВ и преобразуют его в трехфазное напряжение 380 В. В некоторых случаях на питание объектов идет ток с напряжением 380 В, этого требуют мощные бытовые и производственные приборы, но чаще всего в месте ввода электричества в дом или квартиру, напряжение снижается до привычных нам 220 В.

Преобразование переменного тока в постоянный

Мы уже разобрались с тем, что в розетках бытовых электрических систем находится переменный ток, однако многие современные потребители электричества нуждаются в постоянном. Преобразование переменного тока в постоянный осуществляется с помощью специальных выпрямителей. Весь процесс преобразования включает в себя три этапа:

Подключение диодного моста с 4-мя диодами необходимой мощности. Такой мост может «срезать» верхние значения синусоид переменного тока или делать движение заряженных частиц однонаправленным.
Подключение сглаживающего фильтра или специального конденсатора на выход с диодного моста. Фильтр способен исправить провалы между пиками синусоид переменного тока. Подключение конденсатора серьезно уменьшает пульсации и может довести их до минимальных значений.
Подключение стабилизаторов напряжения для снижения пульсаций.

Преобразование тока может осуществляться в обоих направлениях, то есть, из постоянного тоже можно сделать переменный. Но этот процесс значительно сложнее и осуществляется он за счет использования специальных инверторов, которые отличаются высокой стоимостью.

Постоянный ток

Переменный ток

Запомните: В розетке всегда 220 В переменного тока – он очень опасный. Один удар может даже убить человека, поэтому соблюдайте осторожность!

Виды тока

Среди видов электрического тока различают:

Постоянный ток:

Обозначение (-) или DC (Direct Current = постоянный ток).

Переменный ток:

Обозначение (

) или AC (Alternating Current = переменный ток).

В случае постоянного тока (-) ток течет в одном направлении. Постоянный ток поставляют, например, сухие батарейки, солнечные батареи и аккумуляторы для приборов с небольшим потреблением электротока. Для электролиза алюминия, при дуговой электросварке и при работе электрифицированных железных дорог требуется постоянный ток большой силы. Он создается с помощью выпрямления переменного тока или с помощью генераторов постоянного тока.

В качестве технического направления тока принято, что он течет от контакта со знаком «+» к контакту со знаком «-».

В случае переменного тока (

) различают однофазный переменный ток, трехфазный переменный ток и высокочастотный ток.

При переменном токе ток постоянно изменяет свою величину и свое направление. В западноевропейской энергосети ток за секунду меняет свое направление 50 раз. Частота изменения колебаний в секунду называется частотой тока. Единица частоты – герц (Гц). Однофазный переменный ток требует наличия проводника, проводящего напряжение, и обратного проводника.

Переменный ток применяется на стройплощадке и в промышленности для работы электрических машин, например ручных шлифовальных устройств, электродрелей и круговых пил, а также для освещения стройплощадок и оборудования стройплощадок.

Генераторы трехфазного переменного тока вырабатывают на каждой из своих трех намоток переменное напряжение частотой 50 Гц. Этим напряжением можно снабжать три раздельные сети и при этом использовать для прямых и обратных проводников всего шесть проводов. Если объединить обратные проводники, то можно ограничиться только четырьмя проводами

Общим обратным проводом будет нейтральный проводник (N). Как правило, он заземляется. Три другие проводника (внешние проводники) имеют краткое обозначение LI, L2, L3. В единой энергосистеме Германии напряжение между внешним проводником и нейтральным проводником, или землей, составляет 230 В. Напряжение между двумя внешними проводниками, например между L1 и L2, составляет 400 В.

О высокочастотном токе говорят, когда частота колебаний значительно превышает 50 Гц (от 15 кГц до 250 МГц). С помощью высокочастотного тока можно нагревать токопроводящие материалы и даже плавить их, например металлы и некоторые синтетические материалы.

Преобразователи переменного постоянного тока. Устройство.

Василий Сонькин

Если вдоль всего Садового кольца встанут люди, возьмутся за руки, и одновременно будут шагать в одну сторону, то через каждый перекресток будет проходить много людей. Это постоянный ток. Если же они будут делать пару шагов вправо, потом влево, через каждый перекресток пройдет много людей, но это будут одни и те же люди. Это переменный ток.

Ток – это движение электронов в определенном направлении. Оно нужно, чтобы в наших устройствах тоже двигались электроны. Откуда берется ток в розетке?

Электростанция преобразует кинетическую энергию электронов в электрическую. То есть, гидроэлектростанция использует проточную воду для вращения турбины. Пропеллер турбины вращает клубок меди между двух магнитов. Магниты заставляют электроны в меди двигаться, из-за этого начинают двигаться электроны в проводах, которые присоединены к клубку меди – получается ток.

Генератор – как насос для воды, а провод – как шланг. Генератор-насос качает электроны-воду через провода-шланги.

Переменный ток – это тот ток, который у нас в розетке. Он называется переменным, потому что направление движения электронов постоянно меняется. У переменного тока из розеток бывает разная частота и электрическое напряжение. Что это значит? В российских розетках частота 50 герц и напряжение 220 вольт. Получается, что за секунду поток электронов 50 раз меняет направление движения электронов и заряд с положительного на отрицательный. Смену направлений можно заметить в флуоресцентных лампах, когда их включаешь. Пока электроны разгоняются, она несколько раз мигает – это и есть смена направлений движения. А 220 вольт – это максимально возможный «напор», с которым движутся электроны в этой сети.

В переменном токе постоянно меняется заряд. Это значит, что напряжение составляет то 100%, то 0%, то снова 100%. Если бы напряжение было 100% постоянно, то понадобился бы провод огромного диаметра, а с меняющимся зарядом провода могут быть тоньше. Это удобно. По небольшому проводу электростанция может отправить миллионы вольт, потом трансформатор для отдельного дома забирает, например 10000 вольт, и в каждую розетку выдает по 220.

Постоянный ток – это ток, который у вас в телефонном аккумуляторе или батарейках. Он называется постоянным, потому что направление движения электронов не меняется. Зарядные устройства трансформируют переменный ток из сети в постоянный, и уже в таком виде он оказывается в аккумуляторах.

Что такое переменный ток и чем он отличается от тока постоянного

Переменный ток. в отличие от тока постоянного. непрерывно изменяется как по величине, так и по направлению, причем изменения эти происходят периодически, т. е. точно повторяются через равные промежутки времени.

Чтобы вызвать в цепи такой ток, используются источники переменного тока, создающие переменную ЭДС, периодически изменяющуюся по величине и направлению. Такие источники называются генераторами переменного тока.

На рис. 1 показана схема устройства (модель) простейшего генератора переменного тока.

Прямоугольная рамка, изготовленная из медной проволоки, укреплена на оси и при помощи ременной передачи вращается в поле магнита. Концы рамки припаяны к медным контактным кольцам, которые, вращаясь вместе с рамкой, скользят по контактным пластинам (щеткам).

Рисунок 1. Схема простейшего генератора переменного тока

Убедимся в том, что такое устройство действительно является источником переменной ЭДС.

Предположим, что магнит создает между своими полюсами равномерное магнитное поле. т. е. такое, в котором плотность магнитных силовых линий в любой части поля одинаковая. вращаясь, рамка пересекает силовые линии магнитного поля, и в каждой из ее сторон а и б индуктируются ЭДС.

Стороны же в и г рамки – нерабочие, так как при вращении рамки они не пересекают силовых линий магнитного поля и, следовательно, не участвуют в создании ЭДС.

В любой момент времени ЭДС, возникающая в стороне а, противоположна по направлению ЭДС, возникающей в стороне б, но в рамке обе ЭДС действуют согласно и в сумме составляют обшую ЭДС, т. е. индуктируемую всей рамкой.

В этом нетрудно убедиться, если использовать для определения направления ЭДС известное нам правило правой руки.

Для этого надо ладонь правой руки расположить так, чтобы она была обращена в сторону северного полюса магнита, а большой отогнутый палец совпадал с направлением движения той стороны рамки, в которой мы хотим определить направление ЭДС. Тогда направление ЭДС в ней укажут вытянутые пальцы руки.

Для какого бы положения рамки мы ни определяли направление ЭДС в сторонах а и б, они всегда складываются и образуют общую ЭДС в рамке. При этом с каждым оборотом рамки направление общей ЭДС изменяется в ней на обратное, так как каждая из рабочих сторон рамки за один оборот проходит под разными полюсами магнита.

Величина ЭДС, индуктируемой в рамке, также изменяется, так как изменяется скорость, с которой стороны рамки пересекают силовые линии магнитного поля. Действительно, в то время, когда рамка подходит к своему вертикальному положению и проходит его, скорость пересечения силовых линий сторонами рамки бывает наибольшей, и в рамке индуктируется наибольшая ЭДС. В те моменты времени, когда рамка проходит свое горизонтальное положение, ее стороны как бы скользят вдоль магнитных силовых линий, не пересекая их, и ЭДС не индуктируется.

Таким образом, при равномерном вращении рамки в ней будет индуктироваться ЭДС, периодически изменяющаяся как по величине, так и по направлению.

ЭДС, возникающую в рамке, можно измерить прибором и использовать для создания тока во внешней цепи.

Используя явление электромагнитной индукции. можно получить переменную ЭДС и, следовательно, переменный ток.

Переменный ток для промышленных целей и для освещения вырабатывается мощными генераторами, приводимыми во вращение паровыми или водяными турбинами и двигателями внутреннего сгорания.

Графическое изображение постоянного и переменного токов

Графический метод дает возможность наглядно представить процесс изменения той или иной переменной величины в зависимости от времени.

Построение графиков переменных величин, меняющихся с течением времени, начинают с построения двух взаимно перпендикулярных линий, называемых осями графика. Затем на горизонтальной оси в определенном масштабе откладывают отрезки времени, а на вертикальной, также в некотором масштабе, – значения той величины, график которой собираются построить (ЭДС, напряжения или тока).

На рис. 2 графически изображены постоянный и переменный токи. В данном случае мы откладываем значения тока, причем вверх по вертикали от точки пересечения осей О откладываются значения тока одного направления, которое принято называть положительным, а вниз от этой точки – противоположного направления, которое принято называть отрицательным.

Рисунок 2. Графическое изображение постоянного и переменного тока

Сама точка О служит одновременно началом отсчета значений тока (по вертикали вниз и вверх) и времени (по горизонтали вправо). Иначе говоря, этой точке соответствует нулевое значение тока и тот начальный момент времени, от которого мы намереваемся проследить, как в дальнейшем будет изменяться ток.

Убедимся в правильности построенного на рис. 2, а графика постоянного тока величиной 50 мА.

Так как этот ток постоянный, т. е. не меняющий с течением времени своей величины и направления, то различным моментам времени будут соответствовать одни и те же значения тока, т. е. 50 мА. Следовательно, в момент времени, равный нулю, т. е. в начальный момент нашего наблюдения за током, он будет равен 50 мА. Отложив по вертикальной оси вверх отрезок, равный значению тока 50 мА, мы получим первую точку нашего графика.

То же самое мы обязаны сделать и для следующего момента времени, соответствующего точке 1 на оси времени, т. е. отложить от этой точки вертикально вверх отрезок, также равный 50 мА. Конец отрезка определит нам вторую точку графика.

Проделав подобное построение для нескольких последующих моментов времени, мы получим ряд точек, соединение которых даст прямую линию, являющуюся графическим изображением постоянного тока величиной 50 мА.

Построение графика переменной ЭДС

Перейдем теперь к изучению графика переменной ЭДС. На рис. 3 в верхней части показана рамка, вращающаяся в магнитном поле, а внизу дано графическое изображение возникающей переменной ЭДС.

Рисунок 3. Построение графика переменной ЭДС

Начнем равномерно вращать рамку по часовой стрелке и проследим за ходом изменения в ней ЭДС, приняв за начальный момент горизонтальное положение рамки.

В этот начальный момент ЭДС будет равна нулю, так как стороны рамки не пересекают магнитных силовых линий. На графике это нулевое значение ЭДС, соответствующее моменту t = 0, изобразится точкой 1.

При дальнейшем вращении рамки в ней начнет появляться ЭДС и будет возрастать по величине до тех пор, пока рамка не достигнет своего вертикального положения. На графике это возрастание ЭДС изобразится плавной поднимающейся вверх кривой, которая достигает своей вершины (точка 2).

По мере приближения рамки к горизонтальному положению ЭДС в ней будет убывать и упадет до нуля. На графике это изобразится спадающей плавной кривой.

Следовательно, за время, соответствующее половине оборота рамки, ЭДС в ней успела возрасти от нуля до наибольшей величины и вновь уменьшиться до нуля (точка 3).

При дальнейшем вращении рамки в ней вновь возникнет ЭДС и будет постепенно возрастать по величине, однако направление ее уже изменится на обратное, в чем можно убедиться, применив правило правой руки.

График учитывает изменение направления ЭДС тем, что кривая, изображающая ЭДС, пересекает ось времени и располагается теперь ниже этой оси. ЭДС возрастает опять-таки до тех пор, пока рамка не займет вертикальное положение. Затем начнется убывание ЭДС, и величина ее станет равной нулю, когда рамка вернется в свое первоначальное положение, совершив один полный оборот. На графике это выразится тем, что кривая ЭДС, достигнув в обратном направлении своей вершины (точка 4), встретится затем с осью времени (точка 5).

На этом заканчивается один цикл изменения ЭДС, но если продолжать вращение рамки, тотчас же начинается второй цикл, в точности повторяющий первый, за которым, в свою очередь, последует третий, а потом четвертый, и так до тех пор, пока мы не остановим вращение рамки.

Таким образом, за каждый оборот рамки ЭДС, возникающая в ней, совершает полный цикл своего изменения.

Если же рамка будет замкнута на какую-либо внешнюю цепь, то по цепи потечет переменный ток, график которого будет по виду таким же, как и график ЭДС.

Полученная нами волнообразная кривая называется синусоидой. а ток, ЭДС или напряжение, изменяющиеся по такому закону, называются синусоидальными.

Сама кривая названа синусоидой потому, что она является графическим изображением переменной тригонометрической величины, называемой синусом.

Синусоидальный характер изменения тока – самый распространенный в электротехнике, поэтому, говоря о переменном токе, в большинстве случаев имеют в виду синусоидальный ток.

Для сравнения различных переменных токов (ЭДС и напряжений) существуют величины, характеризующие тот или иной ток. Они называются параметрами переменного тока.

Период, амплитуда и частота – параметры переменного тока

Переменный ток характеризуется двумя параметрами – периодом и амплитудо й, зная которые мы можем судить, какой это переменный ток, и построить график тока.

Рисунок 4. Кривая синусоидального тока

Промежуток времени, на протяжении которого совершается полный цикл изменения тока, называется периодом. Период обозначается буквой Т и измеряется в секундах.

Промежуток времени, на протяжении которого совершается половина полного цикла изменения тока, называется полупериодом. Следовательно, период изменения тока (ЭДС или напряжения) состоит из двух полупериодов. Совершенно очевидно, что все периоды одного и того же переменного тока равны между собой.

Как видно из графика, в течение одного периода своего изменения ток достигает дважды максимального значения.

Максимальное значение переменного тока (ЭДС или напряжения) называется его амплитудой или амплитудным значением тока.

Im, Em и Um – общепринятые обозначения амплитуд тока, ЭДС и напряжения.

Мы прежде всего обратили внимание на амплитудное значение тока. однако, как это видно из графика, существует бесчисленное множество промежуточных его значений, меньших амплитудного.

Значение переменного тока (ЭДС, напряжения), соответствующее любому выбранному моменту времени, называется его мгновенным значением.

i. е и u – общепринятые обозначения мгновенных значений тока, ЭДС и напряжения.

Мгновенное значение тока, как и амплитудное его значение, легко определить с помощью графика. Для этого из любой точки на горизонтальной оси, соответствующей интересующему нас моменту времени, проведем вертикальную линию до точки пересечения с кривой тока полученный отрезок вертикальной прямой определит значение тока в данный момент, т. е. мгновенное его значение.

Очевидно, что мгновенное значение тока по истечении времени Т/2 от начальной точки графика будет равно нулю, а по истечении времени – T/4 его амплитудному значению. Ток также достигает своего амплитудного значения но уже в обратном на правлении, по истечении времени, равного 3/4 Т.

Итак, график показывает, как с течением времени меняется ток в цепи, и что каждому моменту времени соответствует только одно определенное значение как величины, так и направления тока. При этом значение тока в данный момент времени в одной точке цепи будет точно таким же в любой другой точке этой цепи.

Число полных периодов, совершаемых током в 1 секунду, называется частотой переменного тока и обозначается латинской буквой f.

Чтобы определить частоту переменного тока, т. е. узнать, сколько периодов своего изменения ток совершил в течение 1 секунды. необходимо 1 секунду разделить на время одного периода f = 1/T. Зная частоту переменного тока, можно определить период: T = 1/f

Частота переменного тока измеряется единицей, называемой герцем.

Если мы имеем переменный ток. частота изменения которого равна 1 герцу, то период такого тока будет равен 1 секунде. И, наоборот, если период изменения тока равен 1 секунде, то частота такого тока равна 1 герцу.

Итак, мы определили параметры переменного тока – период, амплитуду и частоту. – которые позволяют отличать друг от друга различные переменные токи, ЭДС и напряжения и строить, когда это необходимо, их графики.

При определении сопротивления различных цепей переменному току использовать еще одна вспомогательную величину, характеризующую переменный ток, так называемую угловую или круговую частоту.

Круговая частота обозначается буквой #969 и связана с частотой f соотношением #969 = 2#960 f

Поясним эту зависимость. При построении графика переменной ЭДС мы видели, что за время одного полного оборота рамки происходит полный цикл изменения ЭДС. Иначе говоря, для того чтобы рамке сделать один оборот, т. е. повернуться на 360°, необходимо время, равное одному периоду, т. е. Т секунд. Тогда за 1 секунду рамка совершает 360°/T оборота. Следовательно, 360°/T есть угол, на который поворачивается р а мка в 1 секунду, и выражает собой ско р ость вращения рамки, которую принято называть угловой или круговой скоростью.

Но так как период Т связан с частотой f соотношением f=1/T, то и круговая скорость может быть выражена через частоту и будет равна #969 = 360°f.

Итак, мы пришли к выводу, что #969 = 360°f. Однако для удобства пользования круговой частотой при всевозможных расчетах угол 360°, соответствующий одному обороту, заменяют его радиальным выражением, равным 2 #960 радиан, где #960 =3,14. Таким образом, окончательно получим #969 = 2 #960 f. Следовательно, чтобы определить круговую частоту переменного тока (ЭДС или напряжения), надо частоту в герцах умножить на постоянное число 6,28.

Наш сайт в Facebook:

В электричестве есть два рода тока – постоянный и переменный. Устройства также требуют для питания один или другой вид тока. От этого зависит возможность их работы, а иногда и целостность после подключения к неправильному питанию. Чем отличается переменный ток от постоянного мы расскажем в этой статье, дав краткий ответ наиболее простыми словами.

Определение

Электрическим током называется направленное движение заряженных частиц. Так звучит определение из учебника по физике. Простыми словами можно перевести так, что у его составляющих всегда есть какое-то направление. Собственно, это направление и является определяющем в сегодняшнем разговоре.

Переменный ток (Alternative Current – AC) отличается от постоянного (Direct Current – DC) тем, что у последнего электроны (носители заряда) всегда движутся в одном направлении. Соответственно отличием переменного тока является то, что направление движения и его сила зависят от времени. Например, в розетке направление и величина напряжения, соответственно и сила тока, изменяется по синусоидальному закону с частотой в 50 Гц (50 раз за секунду изменяется полярность между проводами).

Для так сказать чайников в электрике изобразим это на графике, где по вертикальной оси изображена полярность и напряжение, а по горизонтальной время:

Красной линией изображено постоянное напряжение, оно остаётся неизменным с течением времени, разве что изменяется при коммутации мощной нагрузки или КЗ. Зелеными волнами показан синусоидальный ток. Вы можете видеть, что он протекает то в одну, то в другую сторону, в отличие от постоянного тока, где электроны всегда протекают от минуса к плюсу, а направлением движения электрического тока выбран путь от плюса к минусу.

Если сказать по-простому, то разницей в этих двух примерах является то, что у постоянки всегда плюс и минус находятся на одних и тех же проводах. Если говорить о переменном, то в электроснабжении используют понятия фазы и нуля. Если рассматривать по аналогии с постоянкой, то фаза и ноль являются плюсом и минусом, только полярность меняется 50 раз в секунду (в США и ряде других стран 60 раз в секунду, а в самолётах более 400 раз).

Происхождение

Разница между AC и DC заключается в их происхождении. Постоянный ток можно получить из гальванических элементов, например, батареек и аккумуляторов.

Также его можно получить с помощью динамомашины – это устаревшее название генератора постоянного тока. Кстати с их помощью генерировалась энергия для первых электросетей. Мы об этом говорили в статье об , в заметках о войне идей между Теслой и Эдисоном. Позже так называли небольшие генераторы для питания велосипедных фар.

Переменный ток добывают также с помощью генераторов, в наше время в основном трёхфазных.

Также и то и другое напряжение можно получить с помощью полупроводниковых преобразователей и выпрямителей. Так вы можете выпрямить переменный ток или получить его же, преобразовав постоянный.

Формулы для расчета постоянного тока

Разницей между переменкой и постоянкой являются и формулы для расчетов процессов, происходящих в цепи. Так сопротивление рассчитываются по для участка цепи или для полной цепи:

E=I/(R+r)

Мощность также просто рассчитываются:

Формулы для расчета переменного тока

В расчётах цепей переменного тока разница в формулах обусловлена отличием процессов, протекающих в емкостях и индуктивностях. Тогда формула закона Ома будет для активного сопротивления.

Постоянный ток и переменный ток разница примеры. Что такое постоянное напряжение. Почему в сети переменное напряжение, а не постоянное

Электрический ток- это направленное или упорядоченное движение заряженных частиц: электронов в металлах, в электролитах – ионов, а в газах – электронов и ионов. Электрический ток может быть как постоянным, так и переменным.

Определение постоянного электрического тока, его источники

Постоянный ток (DC, по-английски Direct Current) – это электрический ток, у которого свойства и направление не меняются с течением времени. Обозначается постоянный ток и напряжение в виде короткой горизонтальной черточки или двух параллельных, одна из которых штриховая.

Постоянный ток используется в автомобилях и в домах, в многочисленных электронных приборах: ноутбуки, компьютеры, телевизоры и т. д. Перемеренный электрический ток из розетки преобразуется в постоянный при помощи блока питания или трансформатора напряжения с выпрямителем.

Любой электроинструмент, устройство или прибор, работающие от батареек так же являются потребителями постоянного тока, потому что батарея или аккумулятор- это исключительно источники постоянного тока, который при необходимости преобразуется в переменный с использованием специальных преобразователей (инверторов).

Принцип работы переменного тока

Переменный ток (AC по-английски Alternating Current)- это электрический ток, который изменяется по величине и направлению с течением времени. На электроприборах условно обозначается отрезком синусоиды « ~ ».
Иногда после синусоиды могут указываться характеристики переменного тока – частота, напряжение, число фаз.

Переменный ток может быть как одно- , так и трёхфазным, для которого мгновенные значения тока и напряжения меняются по гармоническому закону.

Основные характеристики переменного тока – действующее значение напряжения и частота.

Обратите внимание , как на левом графике для однофазного тока меняется направление и величина напряжения с переходом в ноль за период времени Т, а на втором графике для трехфазного тока существует смещение трех синусоид на одну третью периода. На правом графике 1 фаза обозначена буквой «а», а вторая буквой «б». Хорошо известно, что в домашней розетке 220 Вольт. Но мало кто знает, что это действующие значение переменного напряжения, но амплитудное или максимальное значение будет больше на корень из двух, т.е будет равно 311 Вольт.

Таким образом, если у постоянного тока величина напряжения и направление не изменяются в течении времени, то у переменного тока- напряжение постоянно меняется по величине и направлению (график ниже нуля это обратное направление).

И так мы подошли к понятию частота — это отношение числа полных циклов (периодов) к единице времени периодически меняющегося электрического тока. Измеряется в Герцах. У нас и в Европе частота равна 50 Герцам, в США- 60 Гц.

Что означает частота 50 Герц? Она означает, что у нас переменный ток меняет свое направление на противоположное и обратно (отрезок Т- на графике) 50 раз за секунду!

Источниками переменного тока являются все розетки в доме и все то, что подключено напрямую проводами или кабелями к электрощиту. У многих возникает вопрос: а почему в розетке не постоянный ток? Ответ прост. В сетях переменного тока легко и с минимальными потерями преобразовывается величина напряжения до необходимого уровня при помощи трансформатора в любых объемах. Напряжение необходимо увеличивать для возможности передачи электроэнергии на большие расстояния с наименьшими потерями в промышленных масштабах.
С электростанции , где стоят мощные электрогенераторы, выходит напряжение величиной 330 000-220 000 , далее возле нашего дома на трансформаторной подстанции оно преобразуется с величины 10 000 Вольт в трехфазное напряжение 380 Вольт, которое и приходит в многоквартирный дом, а к нам в квартиру приходит однофазное напряжение, т. к. между напряжение равняется 220 В, а между разноименными фазами в электрощите 380 Вольт.

И еще одним из важных достоинств переменного напряжения является то, что асинхронные электродвигатели переменного тока конструктивно проще и работают значительно надежнее, чем двигатели постоянного тока.

Как переменный ток сделать постоянным

Для потребителей, работающих на постоянном токе- переменный преобразуется при помощи выпрямителей.

Преобразователь постоянного тока в переменный

Если с преобразованием переменного тока в постоянный не возникает сложностей, то со обратным преобразованием все гораздо сложнее. В домашних условиях для этого используется инвертор – это генератор периодического напряжения из постоянного, по форме приближённого к синусоиде.

Движение электронов в проводнике

Чтобы понимать что такое ток и откуда он берётся, нужно иметь немного знаний о строении атомов и законах их поведения. Атомы состоят из нейтронов (с нейтральным зарядом), протонов (положительный заряд) и электронов (отрицательный заряд).

Электрический ток возникает в результате направленного перемещения протонов и электронов, а также ионов. Как можно направить движение этих частиц? Во время любой химической операции электроны «отрываются» и переходят от одного атома к другому.

Те атомы, от которых «оторвался» электрон становятся положительно заряженным (анионы), а те к которым присоединился – отрицательно заряженными и называются катионами. В результате этих «перебеганий» электронов возникает электрический ток.

Естественно, этот процесс не может продолжаться вечно, электрический ток исчезнет когда все атомы системы стабилизируются и будут иметь нейтральных заряд (отличный бытовой пример – обычная батарейка, которая «садится» в результате окончания химической реакции).

История изучения

Древние греки первыми заметили интересное явление: если потереть камень янтаря об шерстяную ткань, то он начинает притягивать мелкие предметы. Следующие шаги начали делать ученые и изобретатели эпохи ренессанса, которые построили несколько интересных устройств, демонстрировавших это явление.

Новым этапом изучения электричества стали работы американца Бенджамина Франклина, в частности его опыты с Лейденовской банкой – первым в мире электроконденсатором.

Именно Франклин ввёл понятия положительных и отрицательных зарядов, а также он придумал громоотвод. И наконец, изучение электротока стало точной наукой после описания закона Кулона.

Основные закономерности и силы в электрическом токе

Закон Ома – его формула описывает взаимосвязь силы, напряжения и сопротивления. Открыт в 19м веке немецким ученым Георгом Симоном Омом. Единица измерения электросопротивления названа в его честь. Его открытия были очень полезны непосредственно для практического использования.

Закон Джоуля – Ленца говорит, что на любом участке электрической цепи совершается работа. В результате этой работы нагревается проводник. Такой тепловой эффект часто используется на практике в инженерии и технике (отличный пример – лампа накаливания).

Движение зарядов при этом совершается работа

Эта закономерность получила такое название потому что сразу 2 ученых примерно одновременно и независимо, вывели её с помощью опытов
.

В начале 19го века британский ученый Фарадей догадался, что изменяя количество линий индукции, которые пронизывают поверхность ограниченную замкнутым контуром, можно сделать индукционный ток. Посторонние силы, действующие на свободные частицы, называют электродвижущей силой (ЭДС индукции).

Разновидности, характеристики и единицы измерения

Электрический ток может быть или переменным , или постоянным .

Постоянный электроток — это ток, который не меняет своё направление и знак во времени, однако он может менять свою величину. Постоянный электроток в качестве источника чаще всего использует гальванические элементы.

Переменным называется тот, который меняет направление и знак по закону косинуса. Его характеристикой является частота. Единицы измерения в системе СИ – Герцы (Гц).

В последние десятилетия очень большое распространение получил . Это вид переменного тока, который включает в себя 3 цепи. В этих цепях действует переменные ЭДС одинаковой частоты, но развернутые по фазе одна относительно другой на треть периода. Фазой называют каждую отдельную электроцепь.

Почти все современные генераторы производят трёхфазный электроток.

Сила и количество тока

Сила тока зависит от величины заряда, протекающего в электроцепи за единицу времени. Сила тока это отношение электрозаряда, проходящего сквозь сечение проводника, ко времени его прохождения.

В системе СИ единица измерения силы заряда – кулон (Кл), времени – секунда (с). В итоге получаем Кл/с, данную единицу называют Ампер (A). Измеряется сила электротока с помощью прибора – амперметра.

Напряжение — это соотношение работы к величине заряда. Работа измеряется в джоулях (Дж), заряд в кулонах. Данная единица называется Вольт (В).

Электрическое сопротивление

Показания амперметра на различных проводниках дают разные значения. А для того чтобы замерять мощность электроцепи пришлось бы использовать 3 прибора. Явление объясняется тем, что у каждого проводника различная проводимость. Единица измерения называется Ом и обозначается латинской буквой R. Сопротивление также зависит и от длины проводника.

Электрическая емкость

Два проводника, которые изолированы один от второго, могут накапливать электрические заряды. Данное явление характеризуется физ. величиной, которую называют электрической емкостью. Её единицей измерения – фарад (Ф).

Мощность и работа электрического тока

Работа электротока на конкретном участке цепи равняется перемножению напряжения тока на силу и время. Напряжение меряют вольтами, силу амперами, время секундами. Единицей измерения работы приняли джоуль (Дж).

Мощность электротока – это отношение работы ко времени её совершения. Мощность обозначают буквой P и измеряют ваттами (Вт). Формула мощности очень простая: Сила тока умноженная на напряжение тока.

Существует также единица именуемая ватт-час. Её не следует путать с ваттами, это 2 разные физические величины. В ваттах измеряют мощность (скорость потребления или передачи энергии), а в ватт-часах выражается энергия произведённая за конкретное время. Это измерение часто применяют в отношении бытовых электроприборов.

Например, лампа мощность которой равняется 100 Вт работала в течении одного часа, то она потребила 100 Вт*ч, а лампочка мощность которой 40 ватт потребит столько же электроэнергии за 2. 5 часа.

Для того, чтобы замерять мощность электроцепи используют ваттметр

Какой вид тока эффективнее и какая между ними разница?

Постоянный электроток легко использовать в случае параллельного подключения генераторов, для переменного необходима синхронизация генератора и энергосистемы.

В истории произошло событие под названием «Война токов». Эта «война» произошла между двумя гениальными изобретателями – Томасом Эдисоном и Николой Теслой. Первый поддерживал и активно продвигал постоянный электроток, а второй переменный. «Война» закончилась победой Теслы в 2007 году, когда Нью-Йорк окончательно перешел на переменный.

Разница в эффективности передачи энергии на расстоянии оказалось огромной в пользу переменного тока. Постоянный электроток невозможно использовать, если станция находятся далеко от потребителя.

Но постоянный всё равно нашел сферу применения: он широко используется в электротехнике, гальванизации, некоторых видах сварки. Также постоянный электроток получил очень большое распространение в сфере городского транспорта (троллейбусы, трамваи, метро).

Естественно, не бывает плохих или хороших токов, у каждого вида есть свои преимущества и недостатки, самое главное – правильно их использовать.

Что такое постоянное напряжение

Отличие постоянного тока от переменного

Переменный ток , в отличие от , непрерывно изменяется как по величине, так и по направлению, причем изменения эти происходят периодически, т. е. точно повторяются через равные промежутки времени.

На рис. 1 показана схема устройства (модель) простейшего .

Прямоугольная рамка, изготовленная из медной проволоки, укреплена на оси и при помощи ременной передачи вращается в поле . Концы рамки припаяны к медным контактным кольцам, которые, вращаясь вместе с рамкой, скользят по контактным пластинам (щеткам).

Рисунок 1. Схема простейшего генератора переменного тока

Убедимся в том, что такое устройство действительно является источником переменной ЭДС.

Предположим, что магнит создает между своими полюсами , т. е. такое, в котором плотность магнитных силовых линий в любой части поля одинаковая. вращаясь, рамка пересекает силовые линии магнитного поля, и в каждой из ее сторон а и б .

ЭДС, возникающую в рамке, можно измерить прибором и использовать для создания тока во внешней цепи.

Используя , можно получить переменную ЭДС и, следовательно, переменный ток.

Переменный ток для промышленных целей и вырабатывается мощными генераторами, приводимыми во вращение паровыми или водяными турбинами и двигателями внутреннего сгорания.

Графическое изображение постоянного и переменного токов

На рис. 2 графически изображены постоянный и переменный токи . В данном случае мы откладываем значения тока, причем вверх по вертикали от точки пересечения осей О откладываются значения тока одного направления, которое принято называть положительным, а вниз от этой точки – противоположного направления, которое принято называть отрицательным.

Рисунок 2. Графическое изображение постоянного и переменного тока

Убедимся в правильности построенного на рис. 2, а графика постоянного тока величиной 50 мА.

Перейдем теперь к изучению графика переменной ЭДС . На рис. 3 в верхней части показана рамка, вращающаяся в магнитном поле, а внизу дано графическое изображение возникающей переменной ЭДС.

Рисунок 3. Построение графика переменной ЭДС

Затем начнется убывание ЭДС, и величина ее станет равной нулю, когда рамка вернется в свое первоначальное положение, совершив один полный оборот. На графике это выразится тем, что кривая ЭДС, достигнув в обратном направлении своей вершины (точка 4), встретится затем с осью времени (точка 5)

Таким образом, за каждый оборот рамки ЭДС, возникающая в ней, совершает полный цикл своего изменения.

Полученная нами волнообразная кривая называется синусоидой , а ток, ЭДС или напряжение, изменяющиеся по такому закону, называются синусоидальными .

Период, амплитуда и частота – параметры переменного тока

Рисунок 4. Кривая синусоидального тока

Как видно из графика, в течение одного периода своего изменения ток достигает дважды максимального значения.

Im, Em и Um – общепринятые обозначения амплитуд тока, ЭДС и напряжения.

Мы прежде всего обратили внимание на , однако, как это видно из графика, существует бесчисленное множество промежуточных его значений, меньших амплитудного.

i, е и u – общепринятые обозначения мгновенных значений тока, ЭДС и напряжения.

Мгновенное значение тока, как и амплитудное его значение, легко определить с помощью графика. Для этого из любой точки на горизонтальной оси, соответствующей интересующему нас моменту времени, проведем вертикальную линию до точки пересечения с кривой тока; полученный отрезок вертикальной прямой определит значение тока в данный момент, т. е. мгновенное его значение.

Очевидно, что мгновенное значение тока по истечении времени Т/2 от начальной точки графика будет равно нулю, а по истечении времени – T/4 его амплитудному значению. Ток также достигает своего амплитудного значения; но уже в обратном на правлении, по истечении времени, равного 3/4 Т.

Чтобы определить частоту переменного тока, т. е. узнать, сколько периодов своего изменения ток совершил в течение 1 секунды , необходимо 1 секунду разделить на время одного периода f = 1/T. Зная частоту переменного тока, можно определить период: T = 1/f

Измеряется единицей, называемой герцем.

Если мы имеем переменный ток , частота изменения которого равна 1 герцу, то период такого тока будет равен 1 секунде. И, наоборот, если период изменения тока равен 1 секунде, то частота такого тока равна 1 герцу.

Итак, мы определили параметры переменного тока – период, амплитуду и частоту , – которые позволяют отличать друг от друга различные переменные токи, ЭДС и напряжения и строить, когда это необходимо, их графики.

Круговая частота обозначается связана с частотой f соотношением 2пиf

Поясним эту зависимость. При построении графика переменной ЭДС мы видели, что за время одного полного оборота рамки происходит полный цикл изменения ЭДС. Иначе говоря, для того чтобы рамке сделать один оборот, т. е. повернуться на 360°, необходимо время, равное одному периоду, т. е. Т секунд. Тогда за 1 секунду рамка совершает 360°/T оборота. Следовательно, 360°/T есть угол, на который поворачивается рамка в 1 секунду, и выражает собой скорость вращения рамки, которую принято называть угловой или круговой скоростью.

Но так как период Т связан с частотой f соотношением f=1/T, то и круговая скорость может быть выражена через частоту и будет равна 360°f.

Итак, мы пришли к выводу, что 360°f. Однако для удобства пользования круговой частотой при всевозможных расчетах угол 360°, соответствующий одному обороту, заменяют его радиальным выражением, равным 2пи радиан, где пи=3,14. Таким образом, окончательно получим 2пиf. Следовательно, чтобы определить круговую частоту переменного тока (), надо частоту в герцах умножить на посто янное число 6,28.

Очень давно, учеными был изобретен электрический ток. Первым изобретением был постоянный. Но в последующем, проводя в своей лаборатории опыты, Никола Тесла изобрел переменный ток. Между ними было и есть много различий, согласно которым один из них используется в слаботочной аппаратуре, а другой имеет возможность преодолевать различные расстояния с небольшими потерями. Но многое зависит от величин токов.

Ток переменный и постоянный: разница и особенности

Отличие переменного тока от постоянного, можно понять исходя из определений. Для того чтобы лучше разобраться в принципе работы и особенностях, необходимо знать следующие факторы.

Основные отличия:

Движение заряженных частиц;
Способ производства.

Переменным, называют такой ток, в котором заряженные частицы, способны изменять направление движения и величину в определенное время. К главным параметрам переменного тока относят его напряжение и частоту.

В настоящее время, общественные электрические сети и различные объекты, используют переменный ток, с определенным напряжением и частотой. Данные параметры определяются оборудованием и устройствами.

Обратите внимание! В бытовых электросетях, используется ток величиной 220 Вольт и тактовой частотой 50 Гц.

Направление движения и частота заряженных частиц в постоянном токе неизменны. Данный ток для питания используют различные бытовые устройства, такие как телевизоры и компьютеры.

В связи с тем, что переменный ток, проще и экономичнее по способу производства и передачи на различные расстояния, он стал основой электрификации объектов. Производят переменный ток на различных электростанциях, с которых посредством проводников, то поступает к потребителю.

Постоянный ток, получают при преобразовании переменного тока или путем химических реакций (например, щелочная батарейка). Для преобразования, используют трансформаторы тока.

Какой уровень напряжения является допустимым для человека: особенности

Для того чтобы знать, какие значения электрического тока являются допустимыми для человека, составлены соответствующие таблицы, в которых указаны величины переменного и постоянного тока и время.

Параметры воздействия электрического тока:

Сила;
Частота;
Время;
Относительная влажность.

Допустимое напряжение прикосновения и ток, которые протекают через человеческое тело в различных режимах электроустановок, не превышают следующих значений.

Переменный ток 50 Гц, должен быть не более 2,0 Вольт и силой тока 0,3 мА. Ток с частотой 400 Гц напряжением 3,0 Вольт и сила тока 0,4 мА. Постоянный ток напряжением 8 и силой тока 1 мА. Безопасное воздействие тока с такими показателями, до 10 минут.

Обратите внимание! Если электромонтажные работы производятся при повышенных температурах и высокой относительной влажности, данные значения уменьшаются в три раза.

В электроустановках с напряжением до 100 Вольт, которые глухо заземлены, или изолирована нейтраль, безопасные токи прикосновения следующие.

Переменный ток 50 Гц с разбросом напряжения от 550 до 20 Вольт и силой тока от 650 до 6 мА, переменный ток 400Гц с напряжением от 650 до 36 Вольт, и постоянный ток от 650 до 40 Вольт, не должен воздействовать на тело человека в пределах от 0,01 до 1 секунды.

Опасный переменный ток для человека

Считается, что для жизни человека, переменный электрический ток наиболее опасен. Но это при условии, если не вдаваться в подробности. Многое зависит от различных величин и факторов.

Факторы, влияющие на опасное воздействие:

Продолжительность контакта;
Путь прохождения электрического тока;
Сила тока и напряжение;
Какое сопротивление тела.

Согласно правилам ПУЭ, самый опасный ток для человека, это переменный с частотой, которая варьируется в пределах от 50 до 500 Гц.

Стоит отметить, что при условии, сила тока не превышает 9 мА, то любой, может сам освободиться от токоведущей части электроустановки.

Если данное значение превышено, то для того чтобы освободиться от воздействия электрического тока, человеку нужно стронная помощь. Связано это с тем, что ток переменный, намного сильнее способен возбуждать нервные окончания, и вызывать непроизвольные судороги мышц.

Например, при касании токоведущей части устройства внутренней частью ладони, мышечная судорога будет сильнее сжимать кулак, с течением времени.

Почему еще переменный ток опаснее? При одинаковых значениях силы тока, переменный в несколько раз сильнее воздействует на организм.

Так как, переменный ток воздействует на нервные окончания и мышцы, то стоит понимать, что этим, том влияет и на работу сердечной мышцы. Из чего следует, что при контакте с переменным током, возрастает риск летального исхода.

Важным показателем, является сопротивление тела человека. Но при ударе переменным током с высокими частотами, сопротивление тела значительно снижается.

Какой величины опасен для человека постоянный ток

Опасным для человека, может быть и постоянный ток. Конечно переменный, в десятки раз опаснее. Но если рассматривать токи в различных величинах, то постоянный может быть намного опаснее переменного.

Воздействие постоянного тока на человека разделяют:

1 порог;
2 порог;
3 порог.

При воздействии постоянного тока перового порога (ток ощутимый), начинают немного дрожать руки, и появляется легкое покалывание.

Второй порог (ток не отпускающий), в пределах от 5 до 7 мА, является наименьшим значением, при котором человек, не может освободиться от проводника самостоятельно.

Данный ток считается не опасным, так как сопротивление тела человека выше, чем его значения.

Третий порог (фибрилляционный), при значениях от 100 мА и выше, ток сильно воздействует на организм и на внутренние органы. При этом ток при данных значениях, способен вызвать хаотичное сокращение сердечной мышцы и привести к его остановке.

На силу воздействия, влияют и другие факторы. Например сухая кожа человека, обладает сопротивлением от 10 до 100 кОм. Но если касание произошло мокрой поверхностью кожи, то сопротивление значительно снижается.

Отличие переменного тока от постоянного. Отличие переменного тока от постоянного Из 12 переменного в 12 постоянного

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.

Зависимость пульсаций от емкости конденсатора

Давайте же рассмотрим на практике, зачем нам надо ставить конденсатор большой емкости. На фото ниже у нас три конденсатора различной емкости:

Рассмотрим первый. Замеряем его номинал с помощью нашего LC – метр . Его емкость 25,5 наноФарад или 0,025микроФарад.

Цепляем его к диодному мосту по схеме выше

И цепляемся осциллографом:

Смотрим осциллограмму:

Как вы видите, пульсации все равно остались.

Ну что же, возьмем конденсатор емкостью побольше.

Получаем 0,226 микрофарад.

Цепляем к диодному мосту также, как и первый конденсатор снимаем показания с него.

А вот собственно и осциллограмма

Не… почти, но все равно не то. Пульсации все равно видны.

Берем наш третий конденсатор. Его емкость 330 микрофарад. У меня даже LC-метр не сможет ее замерить, так как у меня предел на нем 200 микрофарад.

Цепляем его к диодному мосту снимаем с него осциллограмму.

А вот собственно и она

Ну вот. Совсем ведь другое дело!

Итак, сделаем небольшие выводы:

– чем больше емкость конденсатора на выходе схемы, тем лучше. Но не стоит злоупотреблять емкостью! Так как в этом случае наш прибор будет очень габаритный, потому что конденсаторы больших емкостей как правило очень большие. Да и начальный ток заряда будет огромным, что может привести к перегрузке питающей цепи.

– чем низкоомнее будет нагрузка на выходе такого блока питания, тем больше будет проявляться амплитуда пульсаций. С этим борются с помощью , а также используют интегральные стабилизаторы напряжения , которые выдают чистейшее постоянное напряжение.

Как подобрать радиоэлементы для выпрямителя

Давайте вернемся к нашему вопросу в начале статьи. Как все-таки получить на выходе постоянный ток 12 Вольт для своих нужд? Сначала нужно подобрать трансформатор, чтобы на выходе он выдавал … 12 Вольт? А вот и не угадали! Со вторичной обмотки трансформатора мы будем получать .

где

U Д – действующее напряжение, В

U max – максимальное напряжение, В

Поэтому, чтобы получить 12 Вольт постоянного напряжения, на выходе трансформатора должно быть 12/1,41=8,5 Вольт переменного напряжения. Вот теперь порядок. Для того, чтобы получить такое напряжение на трансформаторе, мы должны убавлять или добавлять обмотки трансформатора. Формула . Потом подбираем диоды. Диоды подбираем исходя из максимальной силы тока в цепи. Ищем подходящие диоды по даташитам (техническим описаниям на радиоэлементы). Вставляем конденсатор с приличной емкостью. Его подбираем исходя из того, чтобы постоянное напряжение на нем не превышало то, которое написано на его маркировке. Простейший источник постоянного напряжения готов к использованию!

Кстати, у меня получился 17 Вольтовый источник постоянного напряжения, так как у трансформатора на выходе 12 Вольт (умножьте 12 на 1,41).

Ну и напоследок, чтобы лучше запомнилось:

Сегодня мы с вами попробуем разобраться, что из себя представляет напряжение 12 вольт. Кто это за монстр такой? Насколько сильно кусается? И вообще, на что он способен? Поверьте, то, что он слабее чем обычный монстр с напряжением в 220 вольт – это сказки. Интересно, тогда поехали.

Начнём с истории возникновения. А история проста, вся суть в безопасности. Ведь все, что изобретается, делается по двум причинам. Первая – лень, она, как известно, двигатель прогресса. Вторая – желание себя обезопасить, ведь мы с вами частенько чего-нибудь боимся. Тут и возникает потребность в инновациях. Ведь нас постоянно пугают тем, что нельзя совать пальцы в розетку – убьёт. Хотя, если мы с вами засунем пальцы в розетку, вряд ли с нами случится что-то более страшное, чем легкий шок. Но ведь у многих из нас с вами дома есть дети и домашние животные. Дети – люди любознательные. Им все всегда интересно, и ребёнок не ребёнок, если прополз мимо розетки. Он обязательно должен засунуть туда пальцы. А вот если его ударит током, то ничего хорошего точно не будет. Понятно, что все зависит от конкретного случая, но лучше не экспериментировать. А если животное залезет в розетку? И хорошо, если ваш кот спалит себе только усы и пару минут посидит в шоке под кроватью. Но все может быть страшнее.

Так, хватит жути нагонять. 12 вольт – это безопасное напряжение, которое способно решить сразу массу проблем. Но к сожалению это напряжение не распространено именно в розетках, так как под него просто не делают электроприборов.

Давайте обратимся к истокам. Существует масса опасных для электричества помещений или имеющих повышенный уровень опасности. К таким помещениям в вашей квартире можно отнести – кухню, ванную комнату и другие подобные пространства. Представьте какое короткое замыкание способен устроить электрический монстр на 220 вольт? Последствия могут выходить далеко за грань нашего представления. И поверьте, они могут не ограничиться сработавшими системами безопасности. 12 же вольт, точно не устроят катастрофу планетарного или даже квартирного масштаба. В худшем случае сработают системы безопасности или перегорит трансформатор.

Теперь про то, откуда появилось напряжение на 12 вольт. Такое напряжение в большинстве случаев используется для освещения и оттуда оно и берет начало. Несколько десятков лет назад были изобретены галогенные лампы для бытового применения. Что такое галогенная лампа? Эта та же самая лампа накаливания, но имеет больший срок службы и гораздо меньший размер. Благодаря чему это возможно? Благодаря тому, что колба такой лампы заполнена газом, содержащим галоген, например йод. Нить накаливания в такой среде изнашивается гораздо медленнее. Вот и получается, что такая лампа работает в два раза дольше, при размере в одну четвертую обычной. Но причём тут напряжение 12 вольт? А при том. Кто-то провёл опыты и понял, что при таком напряжении нить накала подвержена гораздо меньшему разрушительному воздействию электрического тока. А это значит, что её можно нагреть до большей температуры и, следовательно, получить больше света. Добавьте к этому практически абсолютную безопасность для влажных помещений. Получается очень крутой способ проводки и освещения.

Но не стоит торопиться, как и с любым бесплатным сыром, здесь тоже есть мышеловки. Заключаются они в трансформаторе. А так как во всей остальной квартире напряжение 220 вольт, он нам обязательно понадобиться, без него никак не обойтись. А лишний элемент в сети электропитания, как известно, снижает её надежность. Но единственное, чем может быть опасен трансформатор, так это тем, что он попросту перегорит. Давайте теперь перейдём к описанию самой сети, к тому как она строиться и что для этого нужно.

Сама по себе сеть с напряжением 12 вольт начинается именно с трансформатора. Именно он преобразует обычные 220 вольт в 12. Но трансформатор нужно подбирать с умом. Не будем вдаваться в частности устройства самого трансформатора. Скажу одно, трансформатор должен быть подходящей мощности. Это значит, что для начала стоит понять сколько будет ламп, какова их суммарная мощность. К полученному значению стоит прибавить процентов 40 запаса, и вы получите нужную мощность трансформатора. В противном случае трансформатор может очень быстро выйти из строя, а это не есть хорошо.

После того, как вы выбрали трансформатор, стоит задуматься о светильниках и лампах. В светильниках нет ничего необычного, многие светильники универсальны, но перед покупкой на всякий случай стоит уточнить. А вот с лампами дела обстоят несколько сложнее. Они разделяются на лампы, которые работают от 220 вольт, и те, что работают от 12. И если 220-ваттные лампы от 12 вольт просто не заработают, то в обратной последовательности начнутся вспышки. Из-за перенапряжения лампа может взорваться. Поэтому просто проверяйте маркировку, и все, как говориться, будет пучком. Лампы, рассчитанные на 12 вольт, как правило стоят дороже. Просто потому, что безопаснее, никакой другой конструктивной и кардинальной разницы в конструкции нет.

Если говорит про связующее звено ламп и трансформатора – провод, то он может быть любым. Но огромным плюсом является то, что можно использовать провода маленького сечения. Так как при таком напряжении сети перегревы практически невозможны. Есть специальные провода, они продаются в магазинах, но подойдет любой провод маленького сечения. Теперь вы знаете все.

Вывод: Низковольтное освещение это огромный плюс для бытового использования, да и для некоторых промышленных объектах. Сами понимаете, безопасность превыше всего. Так же огромным и несомненным плюсом является то, что вы можете сами сделать такую проводку у себя в ванной или на кухне. Согласитесь в статье не описано не одного сложного процесса. С многими из этих процессов справиться даже ребенок, но им этого лучше не поручать.

Определение постоянного электрического тока, его источники

Принцип работы переменного тока

Основные характеристики переменного тока – действующее значение напряжения и частота.

Как переменный ток сделать постоянным

Для потребителей, работающих на постоянном токе- переменный преобразуется при помощи выпрямителей.

Преобразователь постоянного тока в переменный

Для проверки работы отдельных блоков бытовых приборов домашнему мастеру может понадобиться напряжение 12 вольт как постоянного, так и переменного тока. Подробно разберем оба случая, но вначале необходимо рассмотреть еще одну величину электроэнергии – мощность, которая характеризует способность устройства надежно совершить работу.

Если мощности источника будет недостаточно, то он не выполнит задачу. К примеру, блок питания компьютера и аккумулятор автомобиля выдают 12 вольт. Токи нагрузки у компьютера редко превышают значения 20 ампер, а стартерный ток аккумулятора автомобиля больше 200 А.

Автомобильный аккумулятор обладает большим резервом мощности для задач компьютера, а вот блок питания ПК при таком же напряжении 12 вольт абсолютно не пригоден для раскрутки стартера, он просто сгорит.

Способы получения постоянного напряжения

Из гальванических элементов (батареек)

Промышленность выпускает круглые батарейки различных габаритов (зависят от мощности) с напряжением 1,5 вольта. Если взять 8 штук, то из них при последовательном подключении как раз получится 12 вольт.

Соединять между собой выводы батареек надо поочередно «плюсом» предыдущей к «минусу» последующей. Напряжение 12 вольт будет между первым и последним выводами, а промежуточные значения, например, 3, 6 или 9 вольт можно замерить на двух, четырех, шести батарейках.

Емкости элементов не должны отличаться, иначе мощность схемы будет уменьшена ослабленной батарейкой. Для таких устройств желательно применять все элементы однотипной серии с общей датой изготовления. Ток нагрузки от всех 8 батареек, собранных последовательно, соответствует величине, указанной для одного элемента.

Если возникнет необходимость подключения такой батареи к нагрузке, в два раза превышающей номинальную величину источника, то потребуется создать еще одну подобную конструкцию и обе батареи подключить параллельно, соединив между собой их однополярные выводы: «+» к «+», а «-» к «-».

Из малогабаритных акккумуляторов

Никель-кадмиевые аккумуляторы выпускаются с напряжением 1,2 вольта. Чтобы получить от них 12 вольт понадобится 10 элементов соединять последовательно, как в рассмотренной перед этим схеме.

По такому же принципу собирают батарею из никель-металл-гидридных АКБ.

Аккумуляторная батарея используется для более длительной работы, чем из обычных гальванических элементов: АКБ можно подзаряжать и перезаряжать многократно при необходимости.

От блоков питания, работающих на переменном токе

Многие бытовые приборы имеют встроенную электронику, которая питается от выпрямленного напряжения, получаемого в результате преобразования 220 вольт. Блоки питания компьютера, ноутбука как раз выдают 12 вольт выпрямленного и .

Достаточно подключиться к соответствующим клеммам выходного разъема и запитать блок питания, чтобы получить от него 12 вольт.

Аналогичным образом можно воспользоваться блоками питания старых радиоприемников, магнитофонов и устаревших телевизоров.

Кроме того, можно самостоятельно собрать блок питания для постоянного тока, выбрав для него подходящую схему. Наиболее распространены , преобразующие 220 вольт во вторичное напряжение, которое выпрямляется диодным мостом, сглаживается конденсатором и регулируется транзистором с помощью подстроечного резистора.

Подобных схем можно найти много. В них удобно включать стабилизаторные устройства.

Способы получения переменного напряжения

Посредством трансформатора

Самым доступным методом считается применение понижающего трансформатора, который уже показан на предыдущей схеме. Промышленность уже давно выпускает такие устройства для различных целей.

Однако домашнему мастеру совсем не сложно сделать трансформатор для своих нужд из старых конструкций.

Для подключения трансформатора к сети 220 на первичную обмотку следует подавать питание через защиту, вполне можно обойтись проверенным предохранителем, хотя автоматический выключатель лучше подойдет для этих целей.

Вся схема вторичной нагрузки должна быть собрана заранее и проверена. Резерв мощности трансформатора около 30% позволит длительно его эксплуатировать без перегрева изоляции.

Другие методы

Технически возможно получить 12 вольт переменного тока от генератора, который приводится во вращение каким-либо двигателем или за счет преобразования постоянного тока инвертором. Однако эти способы более подходят для промышленных установок и отличаются сложной конструкцией. Поэтому в быту практически не используются.

На простых механизмах удобно устанавливать аналоговые регуляторы тока. К примеру, они могут изменить скорость вращения вала мотора. С технической стороны выполнить такой регулятор просто (потребуется установка одного транзистора). Применим для регулировки независимой скорости моторов в робототехнике и источниках питания. Наиболее распространены два варианта регуляторов: одноканальные и двухканальные.

Видео №1 . Одноканальный регулятор в работе. Меняет скорость кручения вала мотора посредством вращения ручки переменного резистора.

Видео №2. Увеличение скорости кручения вала мотора при работе одноканального регулятора. Рост числа оборотов от минимального до максимального значения при вращении ручки переменного резистора.

Видео №3 . Двухканальный регулятор в работе. Независимая установка скорости кручения валов моторов на базе подстроечных резисторов.

Видео №4. Напряжение на выходе регулятора измерено цифровым мультиметром. Полученное значение равно напряжению батарейки, от которого отняли 0,6 вольт (разница возникает из-за падения напряжения на переходе транзистора). При использовании батарейки в 9,55 вольт, фиксируется изменение от 0 до 8,9 вольт.

Функции и основные характеристики

Ток нагрузки одноканального (фото. 1) и двухканального (фото. 2) регуляторов не превышает 1,5 А. Поэтому для повышения нагрузочной способности производят замену транзистора КТ815А на КТ972А. Нумерация выводов для этих транзисторов совпадает (э-к-б). Но модель КТ972А работоспособна с токами до 4А.

Одноканальный регулятор для мотора

Устройство управляет одним мотором, питание осуществляется от напряжения в диапазоне от 2 до 12 вольт.

Конструкция устройства

Основные элементы конструкции регулятора представлены на фото. 3. Устройство состоит из пяти компонентов: два резистор переменного сопротивления с сопротивлением 10 кОм (№1) и 1 кОм (№2), транзистор модели КТ815А (№3), пара двухсекционных винтовых клеммника на выход для подключения мотора (№4) и вход для подключения батарейки (№5).

Примечание 1. Установка винтовых клеммников не обязательна. С помощью тонкого монтажного многожильного провода можно подключить мотор и источник питания напрямую.

Принцип работы

Порядок работы регулятора мотора описывает электросхема (рис. 1). С учетом полярности на разъем ХТ1 подают постоянное напряжение. Лампочку или мотор подключают к разъему ХТ2. На входе включают переменный резистор R1, вращение его ручки изменяет потенциал на среднем выходе в противовес минусу батарейки. Через токоограничитель R2 произведено подключение среднего выхода к базовому выводу транзистора VT1. При этом транзистор включен по схеме регулярного тока. Положительный потенциал на базовом выходе увеличивается при перемещении вверх среднего вывода от плавного вращения ручки переменного резистора. Происходит увеличение тока, которое обусловлено снижением сопротивления перехода коллектор-эмитттер в транзисторе VT1. Потенциал будет уменьшаться, если ситуация будет обратной.

Принципиальная электрическая схема

Материалы и детали

Необходима печатная плата размером 20х30 мм, изготовленная из фольгированного с одной стороны листа стеклотекстолита (допустимая толщина 1-1,5 мм). В таблице 1 приведен список радиокомпонентов.

Примечание 2. Необходимый для устройства переменный резистор может быть любого производства, важно соблюсти для него значения сопротивления тока указанные в таблице 1.

Примечание 3 . Для регулировки токов выше 1,5А транзистор КТ815Г заменяют на более мощный КТ972А (с максимальным током 4А). При этом рисунок печатной платы менять не требуется, так как распределение выводов у обоих транзисторов идентично.

Процесс сборки

Для дальнейшей работы нужно скачать архивный файл, размещенный в конце статьи, разархивировать его и распечатать. На глянцевой бумаге печатают чертеж регулятора (файл ), а монтажный чертеж (файл ) – на белом листе офисной (формат А4).

Далее чертеж монтажной платы (№1 на фото. 4) наклеивают к токоведущим дорожкам на противоположной стороне печатной платы (№2 на фото. 4). Необходимо сделать отверстия (№3 на фото. 14) на монтажом чертеже в посадочных местах. Монтажный чертеж крепится к печатной плате сухим клеем, при этом отверстия должны совпадать. На фото.5 показана цоколёвка транзистора КТ815.

Вход и выход клеммников-разъемов маркируют белым цветом. Через клипсу к клеммнику подключается источник напряжения. Полностью собранный одноканальный регулятор отображен на фото. Источник питания (батарея 9 вольт) подключается на финальном этапе сборки. Теперь можно регулировать скорость вращения вала с помощью мотора, для этого нужно плавно вращать ручку регулировки переменного резистора.

Для тестирования устройства необходимо из архива распечатать чертеж диска. Далее нужно наклеить этот чертеж (№1) на плотную и тонкую картонную бумагу (№2). Затем с помощью ножниц вырезается диск (№3).

Полученную заготовку переворачивают (№1) и к центру крепят квадрат черной изоленты (№2) для лучшего сцепления поверхности вала мотора с диском. Нужно сделать отверстие (№3) как указано на изображении. Затем диск устанавливают на вал мотора и можно приступать к испытаниям. Одноканальный регулятор мотора готов!

Двухканальный регулятор для мотора

Используется для независимого управления парой моторов одновременно. Питание осуществляется от напряжения в диапазоне от 2 до 12 вольт. Ток нагрузки рассчитан до 1,5А на каждый канал.

Конструкция устройства

Основные компоненты конструкции представлены на фото.10 и включают: два подстроечных резистора для регулировки 2-го канала (№1) и 1-го канала (№2), три двухсекционных винтовых клеммника для выхода на 2-ой мотор (№3), для выхода на 1-ый мотор (№4) и для входа (№5).

Примечание.1 Установка винтовых клеммников не обязательна. С помощью тонкого монтажного многожильного провода можно подключить мотор и источник питания напрямую.

Принцип работы

Схема двухканального регулятора идентична электрической схеме одноканального регулятора. Состоит из двух частей (рис.2). Основное отличие: резистор переменного сопротивления замен на подстроечный резистор. Скорость вращения валов устанавливается заранее.

Примечание.2. Для оперативной регулировки скорости кручения моторов подстроечные резисторы заменяют с помощью монтажного провода с резисторами переменного сопротивления с показателями сопротивлений, указанными на схеме.

Материалы и детали

Понадобится печатная плата размером 30х30 мм, изготовленная из фольгированного с одной стороны листа стеклотекстолита толщиной 1-1,5 мм. В таблице 2 приведен список радиокомпонентов.

Процесс сборки

После скачивания архивного файла, размещенного в конце статьи, нужно разархивировать его и распечатать. На глянцевой бумаге печатают чертеж регулятора для термоперевода (файл termo2), а монтажный чертеж (файл montag2) – на белом листе офисной (формат А4).

Чертеж монтажной платы наклеивают к токоведущим дорожкам на противоположной стороне печатной платы. Формируют отверстия на монтажом чертеже в посадочных местах. Монтажный чертеж крепится к печатной плате сухим клеем, при этом отверстия должны совпасть. Производится цоколёвка транзистора КТ815. Для проверки нужно временно соединить монтажным проводом входы 1 и 2 .

Любой из входов подключают к полюсу источника питания (в примере показана батарейка 9 вольт). Минус источника питания при этом крепят к центру клеммника. Важно помнить: черный провод «-», а красный «+».

Моторы должны быть подключены к двум клеммникам, также необходимо установить нужную скорость. После успешных испытаний нужно удалить временное соединение входов и установить устройство на модель робота. Двухканальный регулятор мотора готов!

В представленные необходимые схемы и чертежи для работы. Эмиттеры транзисторов помечены красными стрелками.

CCS, CHAdeMO, Type2 и другие буквы: разбираем стандарты зарядок

Существует старая шутка о том, что электрический ток берется из розетки. Представим, что это действительно так. Тем более, что для большинства бытовых приборов обычному человеку в жизни действительно достаточно того самого круглого предмета интерьера с двумя или тремя дырочками, в который втыкается вилка.

Но вот вы покупаете электромобиль или хотя бы берете его во временное пользование. И вас ждет новый, удивительный мир зарядных устройств, кабелей и стандартов. Что же, настало время нам помочь вам со всем этим разобраться.

Война токов

Начать, увы, придется с давней, ставшей уже легендарной истории. Со знаменитой войны токов, в которой участвовали Никола Тесла и Томас Эдисон. Именно итоги этого сражения на сотню с лишним лет определили то, как во всем мире устроена электроэнергетика.

Эта борьба свелась к соперничеству двух систем: с использованием постоянного и переменного токов. И победителем вышел именно Тесла, который развивал системы переменного тока, и именно его мы теперь встречаем в розетках.

Вот только любой, абсолютно любой аккумулятор работает на постоянном токе. Его он выдает и, что еще важнее, им и только им он заряжается. Так что первое, что нужно учесть: от переменного тока напрямую вы батарею электромобиля не зарядите. Никак.

Так как же?

Для того, чтобы зарядить электромобиль, вам понадобится зарядное устройство, которое преобразует тот самый переменный ток из бытовой сети в постоянный ток для батареи. Во всех современных электромобилях такие зарядки установлены непосредственно на борту.

И вот что происходит, когда вы подключаете электромобиль к обычной бытовой электророзетке.

Электричество от розетки по проводу проходит через так называемый «кирпич» – устройство, расположенное непосредственно на кабеле и контролирующее вашу домашнюю электросеть дабы не допустить ее перегрузки. Другим концом кабель подключается уже к электромобилю, откуда энергия поступает в бортовое зарядное устройство и оттуда в батарею.

В России электросеть работает при напряжении 220 вольт. Стандартная сила тока, которую пропускает бытовая розетка, составляет 10 или 16 ампер. По простейшей формуле мы можем подсчитать, что на выходе из розетки мощность энергии составляет 2,2-3,6 киловатта.

Далее уже упомянутый «кирпич» урезает мощность еще сильнее. В итоге до батареи доходит 1-2 киловатта энергии. Современные электромобили расходуют 15-20 киловатт-часов на 100 километров пути. Несложно подсчитать, что при мощности зарядки в 2 киловатта на то, чтобы зарядиться только на 100 километров потребуется часов десять. А чтобы полностью наполнить аккумуляторы машины с батареей на 100 киловатт-часов уйдет более двух суток.

Иными словами, зарядиться от бытовой розетки можно, но оооооочень долго.

SAE J1772 и SAE J3068, они же Type 1 и Type2, они же IEC 61851-1 и IEC 62196-2

Запутались в этих бессмысленных хитросплетениях букв и цифр? Понимаем вас. На самом деле речь идет всего о двух типах зарядных разъемов, первом и втором. Есть еще третий тип, но он встречается так редко, что им можно пренебречь.

Оба типа рассчитаны на переменный ток, но позволяют подключать машину напрямую, без всякого «кирпича». Для этого вам понадобится провести выделенную электрическую линию и установить в гараже или на парковке соответствующий разъем, а также защитное устройство. Благо предложений соответствующего оборудования и установки в России уже достаточно.

Первый тип, он же Type 1, в теории способен проводить ток силой до 80 ампер, но обычно встречаются варианты на 32 ампера. Это 7,4 киловатта при 220-вольтном напряжении. На 100 километров вы зарядитесь часа за три, а полностью батарею современного электромобиля можно будет заполнить за 12-14 часов. То есть уже за вечер+ночь.

Разъемы первого типа в свое время получили распространение в Америке и Азии, но до Европы и России толком не добрались. Дело в том, что у них есть один недостаток – они могут быть только однофазными.

Поэтому сейчас более распространен второй тип, Type 2. Он также рассчитан на переменный ток, но может быть подключен как к одной фазе, так и сразу к трем.

Во втором случае мы имеем три фазы по 7,4 киловатта в каждой, итого 22 киловатта в сумме. Именно такие устройства вы видели в зеленых корпусах на тротуарах московских улиц.

На 100 километров пути от такого источника можно было бы напитаться менее чем за час, а часа за четыре полностью зарядить электромобиль с добротной батареей. Но, к сожалению, есть нюанс.

Помните, мы говорили, что батарея сама по себе может заряжаться только постоянным током, причем в случае с электромобилем с напряжением от 400 и более вольт? А не переменным на 220 вольт. И что для преобразования на борту есть зарядное устройство.

Так вот, мощность этих устройств бывает разной. У топовых образцов она достигает тех самых 22 киловатт. Но, к сожалению, таких машин немного. Это «Теслы», топовые версии Audi e-tron… да что-там говорить, даже Porsche Taycan в базе оснащается 11-киловаттной зарядкой, а 22-киловаттная идет только с топ-версиями.

Так как же быстро заряжать электромобили? Сразу постоянным током!

CCS Combo

Пожалуй, это самый распространенный в Европе и в России стандарт разъемов для быстрой зарядки. И самый простой, в том смысле, что все гениальное просто. CCS бывают первого и второго типа, и это все те же Type 1 и Type 2, только с двумя дополнительными коннекторами под плюсовой и минусовой кабели мощного постоянного тока. То есть в один и тот же разъем на электромобиле вы можете воткнуть как кабель Type 2 с переменным током, так и CCS Combo 2 с постоянным током.

Подключаются CCS к стационарным зарядным станциям, эдаким большим трансформаторам, которые делают то же самое, что и бортовые зарядки, но с током существенно большей мощности. И потом подают его на батарею почти что напрямую, минуя бортовое зарядное устройство, но, конечно, не обходя мимо бортовой контроллер.

В CCS используются разъемы, способные пропускать ток силой до 200 ампер, а сейчас появились и 500-амперные версии. Но еще важнее то, что напряжение не ограничено 220 вольтами. Большинство современных электрокаров работают при напряжении примерно в 400 вольт, но все чаще появляются 800-вольтные варианты.

Это, в частности, Porsche Taycan, а также новое поколение электромобилей Hyundai и Kia. Перемножив 500 на 800 мы получаем 400 киловатт разом! То есть полная зарядка батареи на 100 киловатт-часов проходит за 15 минут.

В теории. На практике опять есть свои нюансы. Во-первых, легковые электромобили, способные заряжаться током мощностью более 350 киловатт никто из серьезных автопроизводителей еще не то чтобы не представил, но даже не анонсировал.

Во-вторых, речь идет о пиковой мощности, которую батарея может принимать считанные минуты, а затем контроллер начинает ее ограничивать, дабы не допускать перегрева. То есть на деле средняя мощность зарядки от 0 до 100% будет хорошо если достигать 100 киловатт. Вот почему электромобилей, которые бы действительно полностью заряжались до 100% быстрее чем за час пока по факту не существует (но существуют те, кто заряжается на 50% менее чем за полчаса).

В-третьих быстрая зарядка для батарей попросту вредна. Это скорее экстренная мера для тех, кто действительно спешит, например путешествуя и остановившись пополнить энергию за время обеда. Остальным советуем медленно заряжать машину ночью у дома или днем на парковке у работы.

Наконец, в России быстрых зарядок постоянного тока попросту очень мало. Правда, в правительстве всерьез говорят о том, чтобы строить их больше. И все же пока советуем ориентироваться на 22-киловаттные трехфазные терминалы переменного тока Type 2 и интересоваться мощностью бортового зарядного устройства при выборе электромобиля.

Что еще?

CCS является доминирующим в Европе стандартом, именно его поддерживают поставляемые в Россию новые электромобили. Однако есть еще как минимум два разъема, которые вы встретите на подержанной электротехнике.

Этот стандарт был разработан японскими автопроизводителями Toyota, Mitsubishi, Subaru, Honda и Nissan как мировой и появился раньше CCS. Он до сих пор распространен на японских машинах, и тут стоит напомнить, что первым официально поставляемым в Россию электрокаром был Mitsubishi iMiEV, а самой популярной моделью на наших дорогах остается праворульный Nissan Leaf первого поколения. И тот и другой поддерживают кабели CHAdeMO.

В целом, у этого стандарта есть только один очевидный недостаток. Он поддерживает только постоянный ток, то есть для зарядки переменным требуется отдельный коннектор, в то время как в CCS можно воткнуть разъемы Type 1 или Type 2. Это не самый существенный минус, так что пока CHAdeMO окончательно не сдался, хотя как минимум в Европе побеждает CCS.

Одной из причин успеха компании Илона Маска в свое время стало то, что она взялась не просто выпускать электромобили, но и строить для них сеть зарядных станций, причем в первое время бесплатных. Увы, у этого решения был побочный эффект: Tesla не удержалась от соблазна сделать собственный стандарт зарядных разъемов, чтобы владельцы других электрокаров у них бесплатно не заряжались.

Сейчас компания отработала иной способ идентификации владельцев Tesla при подключении к зарядке, да и бесплатный период закончился, так что необходимости в собственном разъеме нет. Более того, «Теслы» для Европейского рынка давно комплектуются разъемами CCS.

Однако и от своего разъема Tesla до конца не отказывается. Почему? Ну, наверное потому же, почему Apple не переходит на зарядку через стандартные разъемы USB Type C…

И последнее. Сейчас на рынке аксессуаров существуют переходники буквально со всего на все. За исключением, само собой, коннекторов переменного постоянного токов. То есть с кабеля Type 2 на CHAdeMO переходника нет, а вот с CCS на CHAdeMO и обратно – пожалуйста.

Есть переходники фирменные, официальные, сертифицированные автопроизводителем. Но как раз такие существуют не на все случаи жизни. Благо на рынке масса предложений от сторонних компаний.

Однако тут нужно всегда помнить, что переходник – это по определению не идеальное решение. Во-первых, мелкие производители не гарантируют вам полной безопасности соединения. Во-вторых, в переходниках всегда будут какие-то потери мощности.

А потому, выбирая себе электромобиль, лучше заранее продумать, где, от каких разъемов и каким кабелем вы станете его заряжать. И позаботиться об установке у себя в гараже или на месте регулярной парковки соответствующего оборудования.

Отличия ксенона постоянного тока (DC) от ксенона переменного тока (AC)

На первый взгляд отличить качество ксенона постоянного тока и ксенона переменного тока сложно. Только мерцание ламп выдает отсутствие в системе DC стабилизатора напряжения. Чтобы понять принцип работы каждой системы, необходимо знать их конструктивные особенности. Основной отличительный аспект ксенона AC от DC – принцип работы блока розжига. Причем это касается непосредственно момента розжига ксеноновых ламп и поддержания режима их нормального функционирования. Для создания дугового разряда между электродами лампы необходим мощный импульс. В этот момент напряжение достигает отметки в 25кВ. После запуска лампы контроль над поддержанием напряжения передается на контроллер, интегрированный в балласт. Питающее напряжение ксенона в нормальном режиме функционирования – 80В. Питание должно подаваться на систему беспрерывно.

В DC комплектах балласты создают нецикличный, единичный разряд. Это становится причиной дрожания электрической дуги ксенона. Для правильного розжига лампы необходим повторный импульс. Время ожидания разряда и прогрева лампы занимает несколько секунд. Все зависит от мощности блока управления ксеноновой системы. Ксенон постоянного тока значительно опережает по качеству галогеновое освещение, но уступает показателям надежности систем переменного тока. Ксенон АС безукоризненно работает, благодаря возможностям переменного тока создавать импульсы нужной частоты и мощности для бесперебойного свечения ламп. Для создания амплитуд колебаний используют источники переменного тока – инверторы. Эти устройства преобразуют низковольтный импульс в высоковольтный разряд и наоборот. Напряжение бортовой сети транспортного средства (12В) достигает нужной величины в 25КВ. При этом блоки розжига АС предусматривают двустороннюю связь между основными функциональными узлами системы. Лампы ксенона работают от прямоугольной волны высокой частоты. Специальная микросхема отвечает за обратную связь лампы с балластом. Как только мощность дугового разряда в колбе с ксеноном падает, блок управления на лампу отправляет импульс поддержания ее свечения. Корректная работа системы и мощный поток света напрямую зависит от поставляемого напряжения.

Комплекты переменного тока отличаются от ксенона DC также эргономичными показателями блоков управления. Ксенон АС по весу тяжелее и габаритней, поскольку содержит преобразователь сигнала. Этот встроенный стабилизатор может размещаться отдельно от балласта или монтироваться непосредственно в его корпус. Расположение высоковольтной катушки определяет, какого строения будет блок АС – одно- или двухкомпонентного. Форма устройства может быть стандартно (normal) или тонкой (Slims).

Большинство владельцев авто в качестве ксенонового освещения предпочитают использование систем переменного тока двухкомпонентного строения. Данное конструктивное решение максимально защищает проводку автомобиля от опасных проводов высокого напряжения, поскольку они рассредоточены по периметру специального изолированного пластикового блока. Балласты с вынесенной катушкой более мощные, сводят до минимума возникновение помех в вещании радиоаппаратуры транспортного средства, наводок от высоковольтных узлов, пагубно влияющих на работоспособность электроники авто. В некоторых моделях двухкомпонентного строения устанавливают дополнительные заглушки помех. Часто современные ксеноновые системы используют лампы, совмещенные с игниторами в одно целое.

Блоки ксенона переменного тока, в отличие от узлов управления DC, издают громкий сигнал (писк) при розжиге лампы, который затихает по мере ее накаливания. Этот звук помогает уловить момент готовности ксенона к использованию. Ксеноновое освещение с балластами постоянного и переменного тока требует правильного подбора ламп. Их маркировка аналогична – АС, DC. От соответствия этих параметров зависит срок службы ксенона в целом (ламп и балласта), корректность его работы. Износостойкость блоков розжига и ламп, качество и беспрерывность светового потока уменьшается в разы, если использовать блок DC с лампами АС. Будет появляться «подрагивание» светового потока, поскольку нет стабильности в дуговом разряде. А коль лампу DC подключить к блоку АС, функционировать система вообще не будет. Ведь блок АС не создает полярность, так необходимую для работы ламп постоянного тока. При подключении DC блока к DC лампе минимальный срок службы комплектующих составляет 1 год. Время работы ксенона переменного тока составляет 3000 часов, ксенона DC – в два раза меньше (1,5тыс. часов).

Наиболее весомое отличие между двумя видами ксенона – стоимость. Блоки переменного тока значительно дороже DC систем. Причина кроется в оснащенности дополнительными компонентами. Не разбирая блоки розжига и лампы, сложно визуально определить, какой ксенон предлагают. Выбирать подобные системы освещения стоит вместе со специалистами, доверять добросовестным продавцам. Некоторые умельцы размещают в ксеноне DC муляжи инверторов, обманывая невнимательных покупателей. В чем системы ксенонового освещения АС и DC похожи – в стойкости к термальным перепадам. Конструктивные особенности каждой модели предполагают стойкость компонентов к атмосферному воздействию: корпус герметично запаян, наиболее уязвимые элементы надежно спрятаны от проникновения влаги.

Исходя из вышеизложенного, проанализировав статистику по процентам брака (АС – до 2%, DC- более 5%), видно, что отличия ксенона постоянного тока от ксенона AC колоссальные. Какой тип освещения и блоков управления выбрать, зависит от потребностей и возможностей каждого владельца авто. Оценив надежность и уровень выполнения комплектующих, становится понятно, что комплект АС никогда не будет стоить дешево. Не стоит поддаваться на пеструю рекламу и гоняться за дешевизной. Купив некачественный ксенон, возрастает вероятность повторной траты денег.

Гибкие вычислительные фотоприемники для регистрации активности с автономным питанием

Принцип работы

Вычислительный фотоприемник представляет собой параллельно соединенную матрицу фотодиодов с двухвыводным дифференциальным считыванием. Фотодиоды распределены по поверхностям объектов в пространстве в точках r _i со знаком спектральной чувствительности R _{λ , i}, что учитывает полярность устройств, в которых другие.Фотодиоды, подключенные с противоположной полярностью, как показано на рис. 1б, создают фототоки, текущие в разных направлениях и, следовательно, противоположного знака. Спектральная чувствительность R _λ вычислительного фотоприемника характеризуется вектором 1 × M вида:

$${{{{\bf{R}}}}}}_{\lambda }=\left[{R}_{\lambda,1}\{R}_{\lambda,2}\\ldots\{R}_{\lambda,M}\right]$$

(1)

, аналогично, вектор Φ _λ ( T ) от времени, зависящей от времени спектральная оптическая мощность φ _{λ , I} ( T ), полученные отдельным фотодиодом площади A _i в точке r _i можно определить как:

$${\bf{\Phi}}_{\lambda}(t)=\left[{{{\ Phi }}} _ {\ lambda, 1} (t) \ {{{\ Phi }}} _ {\ lambda, 2} (t) \ \ ldots \ {{{\ Phi }}} _ {\ lambda, M}(t)\right]$$

(2)

Выходной ток I _из вычислительного фотоприемника следует законодательством Кирххоффа и может быть описан как суммирование парных продуктов R _λ и Φ _λ ( т. {M}{I}_{i}(t)$$

(3)

Таким образом, вычислительный фотодетектор решает задачу взвешенной линейной комбинации в аналоговой области.Знание R _λ и пространственного положения каждого фотодиода необходимо для расшифровки информации из I _из . Следовательно, вычислительный фотодетектор не создает «изображение» распределения оптической мощности в пространстве. Поскольку сбор данных и вычисление происходят одновременно, они не масштабируются со сложностью дизайна шаблона, что приводит к общей сложности O (1). Для сравнения, обычные вычислительные иерархии, которые получают и обрабатывают выходные данные каждого отдельного элемента массива, включают: (1) оцифровку аналоговых сигналов, которая требует M операций; (2) попарное целочисленное умножение, которое требует M операций; и (3) суммирование M целых чисел, которое требует M − 1 операций, что дает общую сложность O ( M ).

Разработка вычислительных фотодетекторов

Гибкие фотодиоды, которые позволяют масштабируемо настраивать форму, размер, распределение и взаимосвязь отдельных фотодиодов, идеально подходят для реализации вычислительных фотодетекторов. Их конструкция зависит от типа (типов) интересующего восприятия. Пространство дизайна очень широкое, как показано на рис. 1с. Здесь мы представляем краткое обсуждение следующих параметров:

Соединение и выход датчика

Мы используем фотодиоды, соединенные параллельно, с одинаковой абсолютной спектральной чувствительностью, т.е.д., ∣ R _{λ , i} ∣ = ∣ R _{λ , j}9 ∣900. Пример на рис. 1б состоит из четного числа одинаковых устройств ( M = 2 n , где n целое число) с попарно противоположными полярностями, т. е. R _{λ , R _{λ , j} . В таком случае I _out ( t ₀ ) = 0, если весь массив находится в темноте или при равномерном освещении, и не равен нулю, т. е.g., I _OUT = I _{I _{I _{( T ), если фотодиод на R _{I 0 заблокирован, а I _OUT = – I _{i +1} ( t ) если другой фотодиод на r _{i +1} заблокирован. Следовательно, знак выходного сигнала в этих типах массивов может использоваться как двоичный код (например, $\left(1\ {-}1\ 1\ {-}1\right)$). Измерения показывают, что комбинированный выход фототока не зависит от количества подключенных устройств.Мы также можем использовать несбалансированную схему со смещением постоянного тока, например, I _out ( t ₀ ) = I ₀ , чтобы зафиксировать равномерное окружающее освещение.}}}}}

Форма устройства

Существуют две основные стратегии проектирования форм устройства — непрерывная и дискретная. Непрерывный дизайн использует большую, неправильную и асимметричную форму для создания отчетливого «аналогового» профиля сигнала от движения объекта. В дискретной конструкции используются фотодиоды небольшой площади, которые генерируют «оцифрованный» сигнал, как описано в предыдущем разделе.Форма фотодиодов не важна, поскольку предполагается, что их размер значительно меньше размера объекта, но достаточно велик, чтобы создать фототок, превышающий шум датчика. Хотя непрерывный подход может быть более привлекательным с эстетической точки зрения, дискретный подход более практичен и надежен с точки зрения производства и обработки сигналов.

Размер устройства

вместо того, чтобы иметь равномерное область устройства, Фотодиоды могут также модулировать их фототоки, управляя их размерами A _I, где A _I = η _I A _J такое, что | I _{I _I ( T ) | = η _I | I _J ( T ) |, η _и > 0.Это позволяет сочетанию знака и величины выходить за рамки двоичного кодирования.}

Пространственная компоновка

Узоры в 1D (например, прямая линия, кривая или окружность), 2D (например, матрица или шахматная доска) или 3D (например, грани трехмерного объекта или структура оригами) ) можно использовать для извлечения пространственной информации о движении, положении и ориентации.

Interspace

Ощущение приложения определяет Интерзерное: D _{I 0 = | R _{I +1} – R _I |.Для определения положения или скорости объекта d _i должен быть больше, чем размер тени, проецируемой объектом на плоскость фотоприемника, h _obj , чтобы положение объекта было зарегистрировано на один фотодиод. Если d _i ≤ h _obj , «вход» или «выход» все еще может быть обнаружен, поскольку объект начинает закрывать или открывать несколько устройств.}

В оставшейся части этого раздела мы представляем линейные, пересекающиеся и сеточные шаблоны, реализованные с помощью гибких OPD, как представителей пространства проектирования, которое охватывает полный спектр датчиков движения, положения и ориентации. Мы обсуждаем стратегию проектирования для каждого шаблона на основе моделирования и оцениваем их эффективность в зависимости от таких факторов, как расстояние обнаружения, окружающий свет, размер объекта и т. д., в реалистичных условиях.

Линейная диаграмма

На рис. 2а показана архитектура гибких ОПР, которые имеют спектральную чувствительность в красном диапазоне к ближней инфракрасной области спектра (рис. 2б) и низкие значения темнового тока при обратном смещении (рис. 2в), что позволяет им работать в условиях слабого освещения.Линейная схема двух OPD, подключенных параллельно и в противоположной полярности, при этом пользователь блокирует каждый OPD, показан на рис. 2d. На рис. 2f показаны выходные данные датчика в ответ на последовательное перекрытие каждого OPD в другом порядке или направлении. Рисунок 2f также показывает, что эти жесты могут быть разрешены с высоким отношением сигнал/шум при значениях освещенности до 2,8 нВт см ⁻² , когда для захвата взаимодействия можно использовать только тепловизионную камеру, как показано на рисунке 2e. . Было обнаружено, что шум в темноте и при однородном освещении имеет медианное значение 150 фА, как показано на рис.2г. Следовательно, эти OPD работают в условиях освещения, которые человеческий глаз воспринимает как почти темноту, открывая возможность создания вычислительных фотодетекторов, которые работают в широком динамическом диапазоне условий освещения, которые имеют отношение к деятельности человека.

Рис. 2: Устройство и характеристики.
a Схема одиночного органического фотодиода (OPD), используемого в вычислительном фотодетекторе. b Спектральная чувствительность OPD. c Вольт-амперные ( ВАХ ) характеристики ОПР в темноте и при освещении 270 лк при комнатном флуоресцентном освещении. d Фотографии вычислительного фотодетектора — пары ОФД, соединенных параллельно и противоположно полярно, при оптической мощности ~100 нВт см ⁻² оптической мощности красного светодиода с пиковым излучением 635 нм и близким взаимодействием с каждым ОФД. e Тепловое изображение взаимодействия при оптической мощности ~3 нВт см ⁻² того же светодиода с длиной волны 635 нм; условиях, которые слишком темны для обычного сенсора камеры. f Отличительные сигналы от проведения пальцем в направлениях вниз-вверх и вверх-вниз значительно превышают уровень шума. g Распределение среднеквадратичных значений тока шума, измеренных в ходе экспериментов в f .
Затем мы расширили линейный шаблон до четырех OPD в одномерной последовательности, чтобы подробно изучить линейное движение объекта (рис. 3а). Математически этот паттерн можно сравнить с рядом ядер-детекторов линий, которые «сворачиваются» с изображением проходящего объекта. Например, если объект может быть представлен как $\left(0\1\0\right)$, а нормализованный вывод линейного шаблона OPD со знаком как $\left(1\ {-}1\1\ {-}1\справа)$, мы можем получить последовательность шипов {1, −1, 1, 1} в качестве результата одномерной свертки и обнаружить следующую информацию о движении:
Направление можно определить по последовательности пиков, например. g., {−1, 1, −1, 1} и {1, −1, 1, −1}, соответствующие движению в противоположных направлениях.
скорость V , а ускорение δ V , может быть обнаружена путем деления интерпретации фотодиода D и продолжительность между соседними шипами T AS V = D T ^-1, а также получение первых производных Δ v = v _{i +1} − v _i .
Идентификация датчиков может быть достигнута с помощью отличительных шаблонов 1 и -1. Равное количество OPD в противоположной полярности соединено в асимметричных последовательностях, чтобы отличить одно направление от другого.
Рис. 3: Линейный шаблон.
а Конструкция и прототип вычислительного фотоприемника с линейной диаграммой направленности. b Моделирование откликов линейного шаблона с фотодиодами переменной полярности и промежутком 4 см, когда объект парит над объектом с различными размерами объекта или расстоянием обнаружения. c Экспериментальная установка для технической оценки с использованием линейного привода и вырезанных лазером деревянных брусков различной ширины для блокирования света. d Выход датчика в различных условиях окружающего освещения, расстояния срабатывания, размера объекта и скорости объекта. e Результат определения скорости для вышеуказанных условий.
Мы смоделировали выходной сигнал в зависимости от расстояния между устройствами и расстояния срабатывания, чтобы упростить расчет вычислительного фотодетектора, как показано на рис. 3b.
На основе моделирования был изготовлен линейный вычислительный фотоприемник с использованием ОПР с площадью устройства 4 × 4 мм и промежутком 4 см (рис.3а). Чтобы оценить его способность обнаруживать линейное движение объекта, мы разработали испытательную установку на основе линейного актуатора (рис. 3c) и точно контролируем условия испытаний, такие как скорость движения, расстояние срабатывания, размер объекта и окружающее освещение. .
Мы применяем фильтрацию шума к выходу датчика, чтобы удалить шум линии электропередачи и компонент постоянного тока (DC). На рис. 3d показана отфильтрованная форма сигнала датчика при двух событиях движения в противоположных направлениях. Отличительные пики {−1, 1, −1, 1} и {1, −1, 1, −1} можно увидеть при 75 люкс.Эффект расстояния обнаружения и размера объекта хорошо согласуется с нашими симуляциями. Мы сегментируем сигнал на основе его амплитуды и интервала между пиками, применяем обнаружение пика к сегменту и определяем скорость движения объекта. Как показано на рис. 3e, наш датчик может точно определять скорость движения в различных условиях с максимальной ошибкой −0,053 м с ⁻¹ и стандартным отклонением 0,09 м с⁻¹ на расстоянии обнаружения 20 мм.
Шаблон пересечения
Шаблон пересечения можно рассматривать как двумерную матрицу OPD, предназначенную для вызова характерных последовательностей сигналов в ответ на приближение или удаление более крупного объекта в разных двухмерных направлениях, блокируя или разблокируя несколько OPD (рис. 4а). Мы можем провести аналогию с ядром обнаружения границ. Например, 8 × 8 асимметричная матрица
$$ \ влево (\ начинают {массив} {llllllll} 0 & 0 & -1 & 0 & 0 & 0 & 0 & 0 \\ 0 & 0 & 0 & 1 & 0 & 0 & 0 & 0 \\ 0 & 0 & 0 & 0 & 0 & 0 & 0 & 1 \\ 0 & 0 & 0 & 0 & 0 & 0 & -1 & 0 \\ 0 & -1 & 0 & 0 & 0 & 0 & 0 & 0 \\ 1 & 0 & 0 & 0 & 0 & 0 & 0 & 0 \\ 0 & 0 & 0 & 0 & – 1&0&0&0\\ 0&0&0&0&0&1&0&0\end{массив}\right)$$
может генерировать последовательность {1, −1, −1, −1}, когда большой объект входит слева и последовательно блокирует OPD каждого столбца, {−1, 1, 1, 1}, когда он уходит вправо; и так далее для всех 8 уникальных последовательностей, соответствующих 4 направлениям движения (вверх-вниз, вниз-вверх, влево-вправо, вправо-влево) × 2 момента (вход и выход).Таким образом, мы можем получить следующую информацию о движении:
2D-направление может быть определено последовательностью пиков, которая сгруппирована набором из 4 уникальных последовательностей: {исходная, обратный порядок, обратная полярность, обратный порядок и обратная полярность}, соответствующие 4 событиям движения вдоль одна из двух осей датчика. Минимальная длина последовательности n равна 4. Чтобы преобразовать последовательность в шаблон, мы используем 2 n числа OPD, распределенных в матрице 2 n × 2 n с одним устройством в каждой строке или столбце. .OPD противоположной полярности используются для каждых двух столбцов или строк (т. е. «-1», за которым следует немедленная «-1» и наоборот), чтобы «сбросить» выходной сигнал для следующего выброса.
2D-скорость и идентификация могут быть обнаружены в момент входа или выхода для обеих осей на основе восьми отличительных последовательностей длиной n .
Рис. 4: Схема пересечения.
а Конструкция вычислительного фотоприемника с перекрестной диаграммой направленности. b Прототип с промежутком 1 см и общим размером 8 × 8 см. c Моделирование реакции вычислительного фотоприемника на объект шириной 10 и 20 см, перемещающийся в горизонтальном и вертикальном направлениях на высоте 0,25 и 0,5 мм. d Выход датчика всех событий движения с переменной скоростью объекта при освещенности 250 люкс. При освещенности 500 и 750 люкс сигнал имеет аналогичную огибающую с несколько большими амплитудами. Размер объекта зафиксирован на уровне 16 см, а диапазон чувствительности равен 0.25 см для любых условий. e Результат определения скорости для различных условий окружающего освещения и скорости объекта.
Мы моделируем вывод асимметричной матрицы 8 × 8 в примере в ответ на двумерное движение большого объекта (рис. 4c). На основе этих симуляций мы разрабатываем вычислительный фотодетектор с перекрестным рисунком, используя OPD с расстоянием между столбцами или строками 1 см (рис. 4b).
На рис. 4г, д показано, что при использовании метода характеризации, аналогичного тому, который используется для линейных решеток, вычислительный фотоприемник с перекрестной диаграммой может точно определять движение и скорость в 4 направлениях и при различных условиях с наибольшей ошибкой 0.06 м с ⁻¹ и стандартное отклонение 0,10 м с ⁻¹ при выходе справа для объекта, движущегося со скоростью 0,6 м с ⁻¹ при окружающем освещении 750 люкс.
Сетка
Сетка представляет собой распределение OPD с различными значениями фототока, которые можно сопоставить с их положением или ориентацией (рис. 5a). Например, шаблон сетки, разработанный как
$$\left(\begin{array}{lllll}0&2&0&4&0\\ -1&0&-2&0&-4\end{array}\right)$$
, может обнаружить любой из 5 своих OPD закрыты от окружающего света на основе выходного сигнала в установившемся режиме.Сетка позволяет обнаружить:
2D-позиция из взаимно однозначного отображения выходного сигнала датчика и соответствующего OPD. Чтобы учесть различные условия окружающего освещения, для калибровки выходного сигнала и устранения фактора окружающего освещения используется несбалансированная конструкция, которая естественным образом демонстрирует смещение постоянного тока в разблокированном состоянии. В данном примере смещение постоянного тока равно 1,
.
3D-ориентация, когда OPD установлены на объекте, обращенном в разные стороны.Простым примером могут быть два OPD противоположной полярности (т.е. (-1, 1)) на верхней и нижней сторонах объекта: большие значения указывают, что либо верхняя, либо нижняя сторона обращена вниз, в то время как малые значения (близкие к ноль) указывают на то, что объект расположен боком. Эту же установку можно также использовать для обнаружения сотрясений или ударов по высокочастотным компонентам сигнала из-за быстрых изменений ориентации.
Рис. 5: Сетка.
а Конструкция вычислительного фотоприемника с сетчатым рисунком. b Прототип с увеличивающейся площадью устройства и чередованием полярности слева направо. c Выходной сигнал датчика и результат определения положения объекта в зависимости от различных условий окружающего освещения. d Выход датчика и результат определения положения пальца в зависимости от различных условий окружающего освещения. Те же самые пороги из определения положения объекта используются без изменений.
Для реализации сетчатой конструкции фототок контролировался с помощью OPD с различной площадью.Предполагая, что объекты могут одновременно блокировать только один ОПР, мы разработали вычислительный фотодетектор с сеткой, используя ОПР площадью 12, 24 и 48 мм ² (рис. 5б).
Чтобы определить положение объекта, мы используем сигнал незаблокированного состояния при окружающем освещении для калибровки сигнала и применяем ряд пороговых значений к откалиброванному сигналу. На рис. 5с показаны необработанные и откалиброванные сигналы, измеренные для различных положений объекта. Эмпирически выбранный порог τ ₀ = 7 и набор пороговых значений {± τ ₀, ± 2 τ ₀, ± 4 τ ₀} четко отделить откалиброванный сигнала друг от друга и достичь 100% точности определения положения объекта.
Мы также собрали данные от двух исследователей (1 мужчина, 1 женщина), которые использовали свои указательные пальцы для блокировки каждой позиции в тех же условиях (рис. 5d). В то время как величина сигналов, генерируемых пальцем, блокирующим каждый OPD, в среднем на 12,3% слабее, чем сигналы от полностью непрозрачных объектов, тот же набор пороговых значений, который использовался ранее, обеспечивает 100% точность обнаружения.
Системная архитектура и приложения
Вычислительные фотодетекторы обеспечивают бесчисленное множество универсальных сенсорных приложений на повседневных поверхностях, фиксируя информацию об относительном расположении или движении между поверхностями, объектами и людьми.Чтобы продемонстрировать эти приложения, мы разрабатываем беспроводную систему с автономным питанием (рис. 6а, б) для сбора и передачи сигнала датчика. Вычислительный фотодетектор работает в фотогальваническом режиме (т. е. при В = 0 В) и имеет полностью автономное питание, а остальная часть системы питается от фотоэлектрического элемента. В отличие от других систем оптических датчиков с автономным питанием (например, ссылки ^10,29 ), ключевым преимуществом вычислительного фотодетектора является то, что он работает с постоянной задержкой и потреблением энергии независимо от количества OPD или дизайна шаблона.Чтобы фиксировать движение повседневных объектов и поддерживать взаимодействие в реальном времени, мы фиксируем частоту измерения (100 Гц) и интервал связи (160 мс) для всех приложений. Наша сенсорная платформа полагается только на энергию окружающего света. Как показано на рис. 6с, система работает при 96,6 мкм Вт , что на 44% меньше мощности, выдаваемой фотогальваническим элементом 14,5 см ² C-Si при 250 люкс.
Рис. 6: Система и приложения.
a Схема автономной беспроводной сенсорной системы, совместимой с различными конструкциями вычислительных фотодетекторов. b Цепь беспроводного датчика и перезаряжаемая батарея могут скрываться за солнечной батареей. c Потребляемая мощность и характеристики сбора данных: частота измерения датчика 100 Гц и интервал беспроводной связи 160 миллисекунд для всех приложений могут питаться исключительно от солнечной батареи при освещенности до 250 люкс. d Музыкальный проигрыватель: линейный рисунок может воспринимать движение пальца для переключения трека или регулировки громкости. e Настольная игра и кнопки: сетка может определять положение шахматной фигуры или прикосновение пальца. f Брайль: комбинация линейных и сетчатых шаблонов может использоваться для кодирования алфавитов Брайля по движению пальцев. г Мониторинг пакетов: шаблон сетки, развернутый на пакете, может определять его ориентацию и контролировать его обработку. h Управление запасами: шаблон пересечения, развернутый на стеллаже, может определять направление движения предмета.
Вычислительные фотодетекторы поддерживают взаимодействие на повседневных поверхностях, создавая выразительную палитру для касания пальцами, наведения и обнаружения объектов.В качестве интерфейса музыкального проигрывателя можно использовать вычислительный фотоприемник с линейным рисунком (рис. 6г). Благодаря L-образному рисунку — по горизонтали (1, −1, 1, −1) и по вертикали (1, −1, −1) датчик может обнаруживать четыре жеста смахивания пальца для регулировки громкости и выбора трека. Вычислительный фотодетектор с сеткой (например, несбалансированный пример с 5 устройствами) можно использовать для интерактивных настольных игр или сенсорных кнопок (рис. 6e). Датчик может отслеживать местоположение объекта на столе, играть в интерактивные настольные игры, такие как монополия, или активировать ввод с помощью кнопок, например, заказ еды на столике в ресторане.Наконец, комбинируя линейный и сетчатый шаблоны, вычислительный фотодетектор может быть разработан в виде шрифта Брайля для текстового ввода (рис. 6f). Как и в современных шеститочечных алфавитах Брайля, вычислительный фотодетектор использует до шести OPD для составления буквы, т. е. (4, 2, 1) сверху вниз слева и (−4, −2 , −1) справа. Когда пользователь проводит пальцем слева направо, каждая буква будет генерировать положительный сигнал, за которым следует отрицательный, с уникальными величинами.Например, буква «T» имеет расположение (2, 1 ∣ −4, −2) и порождает последовательность {3, −6}. Таким образом, мы можем уникально представить каждую букву, совместимую с тактильными представлениями для слабовидящих пользователей.
Вычислительные фотодетекторы также позволяют неявно обнаруживать деятельность человека в различных (например, промышленных) условиях. Вычислительный фотодетектор с сеткой может стать экономичным и самодостаточным решением для контроля обработки упаковки в процессе доставки (рис.6г). Шаблон из 2 устройств (1, −1), размещенный на верхней и нижней сторонах посылки, может определять статическую (например, сверху вниз) или динамическую (например, встряхивание или падение) ориентацию пакета. Вычислительный фотодетектор с перекрестным шаблоном (например, пример 8 × 8) может отслеживать предметы на полке (рис. 6h). Размещенный рядом с краем стеллажа, датчик улавливает движения предмета, который вдвигается внутрь, наружу, влево и вправо для управления запасами без явного сканирования или регистрации людей-работников.
Структуры ABC-транспортера PCAT1, содержащего пептидазу, в равновесных и неравновесных условиях
Значение
Последние достижения в области криоэлектронной микроскопии (крио-ЭМ) позволили нам определить несколько структур из одного и того же образца. В равновесии можно применить закон распределения Больцмана для определения самого низкого энергетического состояния белка. Мы обнаружили, что конформационное распределение PCAT1, транспортера 1 АТФ-связывающей кассеты (ABC), содержащего пептидазу, совершенно различно в присутствии и в отсутствие иона Mg ²⁺.Эта разница отражает приток энергии от гидролиза АТФ, выводящего систему из равновесия. Конформационное распределение в условиях оборота АТФ определяется скоростью перехода по транспортному пути, а не энергией каждого состояния. Это исследование демонстрирует, как данные крио-ЭМ можно использовать для понимания термодинамических и кинетических свойств активного переносчика.
Abstract
АТФ-связывающие кассетные переносчики (АВС) представляют собой вездесущие молекулярные насосы, которые переносят широкий спектр субстратов через биологические мембраны.Хотя структура и функция транспортеров ABC широко изучены, наше понимание их энергетики и динамики остается ограниченным. Здесь мы представляем исследования ABC-транспортера 1, содержащего пептидазу (PCAT1), транспортера ABC для процессинга и секреции полипептидов, который функционирует через классический механизм альтернативного доступа. PCAT1 представляет собой гомодимер, содержащий два домена пептидазы (PEP), два трансмембранных домена и два домена, связывающих нуклеотиды (NBD). Используя криоэлектронную микроскопию, мы проанализировали структуры PCAT1 дикого типа в условиях, которые либо предотвращают, либо разрешают гидролиз АТФ, и наблюдали два совершенно разных конформационных распределения.В присутствии АТФ, но в отсутствие Mg ²⁺, PCAT1 принимает NBD-димеризованную конформацию, обращенную наружу. Два домена PEP отделены от ядра транспортера, предотвращая расщепление несвязанного субстрата. Добавление Mg ²⁺ для ускорения гидролиза АТФ сдвигает большинство частиц в NBD-разделенные конформации, обращенные внутрь. При этом условии оборота АТФ только небольшая часть PCAT1 принимает NBD-димеризованную конформацию. Эти данные позволяют сделать два механистических вывода: 1) связанная с АТФ, NBD-димеризованная конформация является состоянием с наименьшей энергией, и 2) лимитирующей стадией в транспортном цикле PCAT1 является образование димера NBD.Термодинамический вывод, вероятно, является общим свойством многих переносчиков ABC. Однако кинетическое узкое место варьируется от транспортера к транспортеру.
АТФ-связывающие кассеты (АВС) — это молекулярные машины, которые преобразуют химическую энергию, запасенную в АТФ, в электрохимический потенциал субстрата. Пептидазосодержащие транспортеры ABC (PCAT) у грамположительных бактерий функционируют как протеазы созревания и экспортеры для формирования биопленки, определения кворума или антимикробных полипептидов (1, 2).Некоторые PCAT также обнаружены у грамотрицательных бактерий, взаимодействуя с периплазматическим адапторным белком и порином внешней мембраны для секреции антимикробных пептидов, называемых микроцинами (3). Субстраты PCAT синтезируются в виде предшественников с N-концевым лидерным пептидом. Протеолитическое расщепление лидерного пептида по консервативному двойному глициновому мотиву необходимо для секреции грузового пептида (4).
Ранее структура PCAT1 из Clostridium thermocellum была определена в трех конформационных состояниях: апо-конформация в отсутствие субстрата и нуклеотидов (5), связанная с субстратом конформация без нуклеотидов, захваченная протеолитически-дефицитным мутантом C21A (6) и связанная с ATPγS конформация, захваченная гидролитически-дефицитным мутантом E648Q (5).В отсутствие АТФ и субстрата PCAT1 проявляет обращенную внутрь (IF) конформацию. Два трансмембранных домена (TMD) образуют большую α-спиральную бочку, достаточную для размещения всего грузового пептида. Нуклеотидсвязывающие домены (NBD) разделены, а пептидазные (PEP) домены стыкуются с внутриклеточными отверстиями пути транслокации. В присутствии субстрата CtA, но в отсутствие АТФ, PCAT1 также образует конформацию IF (6). Два субстрата связаны своими лидерными пептидами, но только один из них расположен для расщепления и транслокации (6).Наконец, кристаллическая структура с низким разрешением некомпетентного к гидролизу мутанта E648Q в комплексе с ATPγS показывает закрытый димер NBD и закрытый путь транслокации (5). Два домена PEP не были разрешены в структуре, что позволяет предположить, что они гибко прикреплены к ядру транспортера (5).
Ограничением вышеупомянутых исследований является то, что структуры были получены путем биохимического «отлова», обеспечивающего только моментальные снимки во время транспортного цикла. Чтобы уменьшить конформационную гетерогенность, транспортный цикл был остановлен либо путем исключения АТФ, либо путем мутации каталитических остатков.Благодаря недавним достижениям в области криоэлектронной микроскопии (крио-ЭМ) теперь стало возможным анализировать транспортер в условиях активного оборота, чтобы понять его конформационное распределение (7⇓⇓–10). В этой работе мы определили структуры PCAT1 дикого типа ( wt PCAT1) в присутствии субстрата и АТФ с Mg ²⁺ или без него. Эти анализы выявили значительное изменение конформационного распределения при гидролизе АТФ, отражающее термодинамические и кинетические свойства транспортного цикла.
Результаты
Определение структуры
wt PCAT1 в АТФ-связанной прегидролитической конформации.
Предыдущие исследования показали, что добавление АТФ в отсутствие Mg ²⁺ ингибирует расщепление субстрата PCAT1 (5). Чтобы получить структурную основу для этого биохимического свойства, wt PCAT1 витрифицируют в присутствии избытка субстрата и АТФ. Ион Mg ²⁺ был исключен для предотвращения гидролиза АТФ. Крио-ЭМ реконструкция привела к преобладающей конформации при общем разрешении 4.5 Å (рис. 1 и Приложение SI , рис. S1 и таблица S1). Модификация плотности дополнительно улучшила карту, показав плотности боковых цепей для димеризованных NBD, а также плотности лигандов, соответствующие АТФ (рис. 1 B и SI Приложение , рис. S1 F ). ВНЧС имеют четко определенные плотности во внутриклеточной области. Внешняя створчатая область демонстрирует четкую вторичную особенность с небольшой информацией о боковой цепи, что указывает на более высокую степень гибкости (рис.1). Плотности, соответствующие двум доменам PEP, видны как два аморфных пятна, соединенных с ядром транспортера (рис. 1 B ). Плотность, соответствующая подложке, не наблюдается, возможно, из-за ограниченного разрешения доменов PEP.
Рис. 1.
Структура PCAT1 в равновесии с АТФ. ( A ) Мультяшная иллюстрация, изображающая доменную организацию PCAT1. ( B ) Два ортогональных вида карты крио-ЭМ плотности. Плотность кодируется цветом и маркируется доменами: пурпурный, NBD; оранжевый, ДВНЧС; и зеленый, ПКП.( C ) Ленточные представления общей структуры.
В присутствии АТФ без Mg ²⁺ , wt PCAT1 принимает обращенную наружу (OF) конформацию, в которой NBD образуют закрытый димер, а путь транслокации открывается во внеклеточное пространство (рис. 1 и 2 А ). Внутриклеточное латеральное открытие пути транслокации, наблюдаемое в конформациях IF, полностью закрыто (рис. 2 A ). Домены PEP гибко присоединены к основному транспортеру без определенных взаимодействий с TMD или NBD.
Рис. 2.
Структурное сравнение АТФ-связанного wt PCAT1 ( A ) и АТФγS-связанного мутанта E648Q ( B ). ( Слева ) Общая конструкция. Полость ТМ, созданная с помощью зонда радиусом 3 Å, показана синей сеткой. ( Справа ) Увеличенные изображения внеклеточных ворот (вид из внеклеточного пространства) и внутриклеточных ворот (рассматриваемых как общая структура). Спирали ТМ, образующие ворота, помечены.
Структурное сравнение с ATPγS-связанным мутантом E648Q (5) выявило два основных различия (рис.2). Во-первых, в кристаллической структуре мутанта E648Q домены PEP полностью невидимы, в то время как настоящая крио-ЭМ-реконструкция показывает четкую плотность доменов PEP, хотя и с низким разрешением. Во-вторых, структура E648Q демонстрирует закрытую конформацию, в которой трансмембранная (TM) полость закрыта с обеих сторон мембраны (Fig. 2 B ). Эти различия могут быть связаны с энергетическими различиями, вызванными мутацией E648Q, отсутствием Mg ²⁺ или присутствием субстрата в образце крио-ЭМ, или влиянием кристаллической упаковки.
Определение структуры PCAT1 в условиях активного оборота.
Для анализа конформационных состояний PCAT1 в условиях оборота АТФ образцы крио-ЭМ были приготовлены с использованием wt PCAT1, смешанного с двукратным молярным избытком субстрата CtA, 10 мМ ATP-Mg ²⁺ и креатинфосфата ATP. -регенерирующая система. В отличие от образца, приготовленного в отсутствие Mg ²⁺, наблюдались множественные отчетливые конформации (рис. 3 и SI Приложение , рис.S2 и S3 и Таблица S2). Среди 671 000 частиц, проанализированных с помощью трехмерной (3D) классификации, ~83% имеют конформации IF с разной степенью разделения NBD, 14% имеют NBD-димеризованную конфигурацию, а остальные 3% не проявляют никаких белковых свойств (). Приложение SI , рис. S2). Последующее уточнение привело к получению NBD-димеризованной структуры с низким разрешением (6,6 Å) и трех молекулярных структур NBD-разделенных конформаций IF, называемых широкими IF (IF _W, 4.1 Å), промежуточный (IF _I, 3,7 Å) и узкий (IF _N, 3,7 Å) соответственно (рис. 3 и SI Приложение , рис. S2).
Рис. 3.
Три конформации IF, определенные в условиях оборота АТФ. ( A ) Общая структура в ленточных представлениях, цветовая кодировка доменов: синий, CtA; пурпурный, NBD; оранжевый, ДВНЧС; и зеленый, ПКП. ( B ) Увеличенные изображения, показывающие, что NBD разделены в разной степени. Указаны расстояния Cα между G522 в мотиве Walker A одного NBD и S624 в мотиве сигнатуры ABC другого NBD.( C ) Поперечное сечение крио-ЭМ карт плотности. Плотность груза показана синим цветом. ( D ) Увеличенное изображение плотности, соответствующей АТФ-Mg ²⁺, показано синей сеткой.
Три структуры IF имеют сходную общую конформацию, в которой два домена PEP симметрично прикрепляются к внутриклеточным отверстиям полости TM (Fig. 3). Лидерный пептид (остатки с 8 по 24) субстрата образует L-образную структуру, обертывающую PEP-домен ( SI Приложение , рис.S4 А ). Сайт расщепления двойным глицином (G23/G24) расположен в узкой щели на PEP в непосредственной близости от остатков каталитической триады C21, H99 и D115 ( SI Приложение , рис. S4 B ).
Внутри полости ТМ во всех трех реконструкциях наблюдались аморфные уплотнения (рис. 3 C ). Исследования мутанта C21A показали, что аналогичная плотность соответствует карго-пептиду, встроенному в путь транслокации (6). В отличие от мутанта C21A, в котором отсутствует каталитический цистеин, PCAT1 wt является протеолитически активным.Биохимический анализ образца крио-ЭМ показывает, что часть субстрата была расщеплена в течение временного окна подготовки образца ( SI Приложение , рис. S4 C ). Соответственно, плотность внутри полости TM отделена от обоих лидерных пептидов, что указывает на то, что грузовой пептид внутри полости TM был освобожден от своего лидерного пептида. В отличие от недавнего исследования электронного парамагнитного резонанса (11), мы не наблюдаем каких-либо специфических взаимодействий между грузом и остатками, выстилающими полость ТМ, что подтверждает предыдущий вывод о том, что субстрат рекрутируется доменом ПЭП, а полость ТМ служит большой трубопровод для размещения груза (6).
Крио-ЭМ структуры определяли в присутствии системы регенерации АТФ, чтобы сохранить концентрацию АТФ на уровне 10 мМ. Плотности, соответствующие АТФ и Mg ²⁺, наблюдались во всех трех реконструкциях (рис. 3 D ). В отличие от NBD-димеризованной структуры, в конформациях, разделенных NBD, АТФ связывается с мотивами Walker A/B одного NBD, удаленными от сигнатурного мотива ABC противоположного NBD. Вполне вероятно, что эти структуры представляют собой конформации на пути к АТФ-связанному, NBD-димеризованному состоянию.
Обсуждение
В этом исследовании мы определили структуры wt PCAT1 в присутствии субстрата и АТФ с ионом Mg ²⁺ и без него. В отсутствие Mg ²⁺ PCAT1 преимущественно проявляет конформацию OF, в которой PEP-домены отсоединены от пути транслокации, NBD димеризованы с двумя молекулами АТФ, готовыми к гидролизу, и высвобождается грузовой субстрат. Включение Mg ²⁺ для обеспечения гидролиза АТФ привело к совершенно другим структурам.Большая часть PCAT1 принимает конформацию IF, в которой NBD разделены, субстрат заключен внутри полости TM, а домены PEP остаются связанными с ядром транспортера. Эти результаты вместе с предыдущей биохимической и структурной информацией (5, 6) поддерживают механизм, объясняющий, как процессинг субстрата, транслокация и гидролиз АТФ связаны в транспортном цикле PCAT1 (Fig. 4). В состояниях IF одновременно могут рекрутироваться два субстрата, но в полость ТМ вставляется только один.Протеолитическое расщепление происходит вблизи внутриклеточного отверстия, освобождая груз от лидерного пептида, который остается присоединенным к домену PEP. Связывание АТФ стабилизирует NBD-димеризованную конформацию OF, в которой субстрат высвобождается во внеклеточное пространство, а домены PEP отсоединяются от ядра транспортера. Диссоциация PEP-доменов снижает протеолитическую активность PCAT1, тем самым предотвращая расщепление субстратов до их размещения внутри пути транслокации.Наконец, гидролиз АТФ приводит к диссоциации NBD, тем самым возвращая транспортер в состояние IF.
Рис. 4.
Модель транспортного цикла PCAT1. Связанное с субстратом состояние IF основано на мутантной структуре C21A. Конформация IF, связанная с АТФ, основана на структурах, определяемых в условиях оборота АТФ. Состояние NBD-димеризованного OF основано на структуре, определяемой в равновесии с АТФ. Мы предполагаем, что диссоциация доменов PEP от ядра транспортера также делает возможной рекрутирование нового субстрата в конформации OF.
Заметная разница в конформационном распределении, наблюдаемая с Mg ²⁺ и без него, свидетельствует об энергетических и кинетических свойствах PCAT1. Чтобы проанализировать крио-ЭМ наблюдения, мы упростили транспортный цикл с помощью модели с двумя состояниями, объединив несколько конформаций IF, разделенных NBD, в одно состояние (рис. 5). Кроме того, поскольку PCAT1 катализирует гидролиз АТФ с константой Михаэлиса ( K _m ) 0,23 мМ (5) и 10 мМ АТФ был включен в образец, мы предполагаем, что все конформации IF содержат АТФ.В этой модели переход от NBD-разделенных к NBD-димеризованным состояниям включает стадию изомеризации ( k ₁). NBD-димеризованный OF PCAT1 имеет два пути возврата в NBD-разделенное состояние: через изомеризацию ( k _-1 ) или через гидролиз АТФ с последующей диссоциацией NBD и обменом нуклеотидов. Составная константа скорости k ₂ используется для описания последнего маршрута.
Рис. 5.
Упрощенная модель для интерпретации крио-ЭМ экспериментов.
Если предположить, что крио-ЭМ образцы были витрифицированы после того, как система достигла устойчивого состояния, то вероятность наблюдения состояния IF, разделенного NBD ( P _IF ) по сравнению с состоянием OF, димеризованного NBD ( P _OF ) определяется уравнением 1 :PIFPOF=k2+k−1k1.[1]
В первом эксперименте Mg ²⁺ опущено для предотвращения гидролиза АТФ, то есть k ₂ = 0 (12). При этом условии состояния IF и OF находятся в равновесии, и закон распределения Больцмана гласит, что конформационное распределение зависит от разности энергий между двумя состояниями (E _OF − E _IF ):PIFPOF =k-1k1 = e(EOF-EIF)kBT,[2]где k _B — постоянная Больцмана, а T — абсолютная температура системы.
Крио-ЭМ анализ разрешил только NBD-димеризованную конформацию OF, указав, что P _OF ≫ P _IF . Используя уравнение 2 , мы заключаем, что энергия конформации OF ниже, чем у конформации IF. Тот факт, что P _OF ≫ P _IF также означает k ₁ ≫ k ₋₁ ; то есть в присутствии АТФ NBD-димеризованная конформация OF стабильна, а обратная изомеризация ( k _-1 ) происходит значительно медленнее, чем у NBD-димеризации.
Во втором эксперименте добавление Mg ²⁺ позволяет рассеивать энергию гидролиза АТФ, выводя систему из равновесия. При этом условии распределение Больцмана больше не применяется. Как мы узнали из первого эксперимента, где k ₁ ≫ k ₋₁ , уравнение 1 можно аппроксимировать как PIFPOF=k2+k−1k1 =k2k1+ k-1k1 ≅ k2k1.[3]
Трехмерный классификационный анализ в присутствии Mg ²⁺ показывает, что ~83% частиц имеют NBD-разделенные конформации IF, и около 14% находятся в NBD-димеризованных OF конформациях ( SI Приложение , рис. .С2). Если бы мы сделали приблизительный вывод из этого результата, то отношение k ₂ / k ₁ равно примерно 6. ( k ₂ ) происходит в шесть раз быстрее, чем образование NBD-димеризованной конформации OF ( k ₁ ).
Приведенный выше анализ сделал несколько предположений, которые еще предстоит экспериментально подтвердить.Во-первых, мы предполагаем, что исключение Mg ²⁺ полностью устранило гидролиз АТФ во временных рамках крио-ЭМ пробоподготовки. Во-вторых, добавление Mg ²⁺ во втором эксперименте принципиально не меняет результат первого эксперимента: k ₁ ≫ k _−1. Наконец, мы предполагаем, что в обоих экспериментах ни транспортер IF, ни транспортер OF не подвергались предпочтительной денатурации на крио-ЭМ сетках.
Последние достижения в области крио-ЭМ позволили нам изучить конформационный ландшафт динамических молекул, таких как транспортеры ABC.Важно иметь в виду, что преобладание конформации в условиях оборота АТФ является кинетическим свойством, определяемым относительными скоростями переходов в транспортном цикле. Напротив, в равновесных условиях, когда гидролиз АТФ отменен, относительное обилие конформаций является термодинамическим свойством системы, определяемым относительными энергиями состояний. Наш анализ PCAT1 позволяет сделать два вывода: 1) в присутствии АТФ NBD-димеризованная конформация является состоянием с самой низкой энергией, и 2) в транспортном цикле PCAT1 лимитирующей стадией является димеризация NBD.
До сих пор структуры многих транспортеров ABC, определенные в равновесных условиях с использованием негидролизуемых аналогов АТФ или каталитически дефицитных мутантов, приводили к NBD-димеризованной конформации (13⇓⇓⇓⇓⇓⇓⇓–21). Таким образом, вероятно, общим свойством переносчиков ABC является то, что в присутствии АТФ NBD-димеризованная конформация является состоянием с наименьшей энергией.
Напротив, в условиях оборота АТФ разные конформационные распределения наблюдались для разных транспортеров ABC.Транспортер множественных лекарств ABCG2 демонстрирует только конформации, разделенные IF, NBD (22), что указывает на то, что, как и в PCAT1, димеризация NBD ограничивает скорость. Противоположный результат был получен с MRP1, который принимает NBD-димеризованную конформацию OF в присутствии ATP и Mg ²⁺ (23). Однако белки множественной лекарственной устойчивости A и B (TmrAB) Thermus thermophilus демонстрируют как NBD-разделенные, так и NBD-димеризованные конформации (10). Эти разные результаты предполагают, что кинетическое узкое место транспортного цикла варьируется от транспортера к транспортеру.
Материалы и методы
Экспрессия и очистка белков.
Wt и E648Q PCAT1 экспрессировали с N-концевой меткой глутатион- S -трансферазы (GST) и очищали, как описано ранее (6). Вкратце, конструкции экспрессировали в клетках штамма Escherichia coli BL21(DE3) кодон плюс (RIL). Клетки лизировали в буфере, содержащем 1% н -додецил-β-d-мальтозида (Anatrace), 50 мМ Трис, pH 7,0, 500 мМ NaCl, 10% глицерина и 5 мМ дитиотреитола (ДТТ).Супернатант наносили на аффинную смолу глутатион-сефарозы 4B с последующей интенсивной промывкой 50 мМ Трис, pH 7,0, 500 мМ NaCl, 10% глицерина, 5 мМ DTT и 2 мМ n -ундецил-β-d-мальтопиранозида (УДМ). ; Анатрац). Метку GST удаляли протеазой вируса травления табака (TEV), а затем белок очищали гель-фильтрационной хроматографией с использованием колонки Superdex 200 (GE Healthcare) в буфере, содержащем 50 мМ трис, pH 7,0, 150 мМ NaCl и 2 мМ УДМ.
Субстрат CtA экспрессировали и очищали, как описано ранее (6).Вкратце, CtA-содержащие тельца включения солюбилизировали в 8 М мочевине, 50 мМ Трис, рН 7,0, 150 мМ NaCl и 10% глицерине. Денатурированный белок очищали на кобальтовой аффинной смоле (Clontech Laboratories) и рефолдировали путем диализа. Метка His была удалена протеазой TEV, а образец белка был дополнительно очищен с помощью гель-фильтрационной хроматографии (Superdex 75 HiLoad 16/60, GE Healthcare).
Подготовка проб для крио-ЭМ, сбор и обработка данных.
Очищенный wt PCAT1 (43 мкМ) смешивали с двукратным молярным избытком CtA (86 мкМ) в присутствии АТФ-регенерирующей системы (0.1 мг/мл креатинфосфокиназы и 10 мМ креатинфосфата). После добавления 10 мМ АТФ в присутствии или в отсутствие 10 мМ Mg ²⁺ образец немедленно наносили на дырчатые углеродные сетки тлеющего разряда (Quantifoil gold R1.2-1.3), инкубировали в течение 20 с при 100% влажности. и промокали фильтровальной бумагой в течение 3 с перед погружением в жидкий этан с использованием Vitrobot Mark IV (FEI). Данные были собраны на трансмиссионном электронном микроскопе Titan Krios (FEI) с детектором прямых электронов K2 Summit (Gatan).
Процедуры обработки изображений обобщены в Приложение SI , рис. S1 и S2 и таблицы S1 и S2. Кадры фильма были скорректированы для эталонного усиления и объединены в два бина, чтобы получить размер пикселя 1,03 Å/пиксель. Выравнивание подкадра выполнялось с помощью MotionCorr2, а функция передачи контраста (CTF) оценивалась с помощью программного обеспечения Gctf (24). Сбор частиц, двумерную (2D) и трехмерную классификацию выполняли с помощью RELION-3 (25). Затем каждый класс подвергался одному раунду 3D-обработки с последующим маскированным 3D-обработкой.Затем были выполнены два цикла уточнения CTF, байесовской полировки и маскированного 3D-уточнения в RELION-3 для улучшения качества карты (26). Последний раунд уточнения был выполнен без наложения симметрии в программе CryoSPARC 2 с использованием неравномерного уточнения (27).
Наконец, для улучшения плотности боковых цепей и нуклеотидов была использована процедура модификации плотности с максимальной вероятностью (28). Две независимые половинные карты и полиаланиновая модель без нуклеотидных лигандов использовались в качестве входных данных для процедуры модификации плотности, реализованной в Phenix.Выходная карта крио-ЭМ использовалась для построения модели и подготовки рисунка.
Построение и уточнение моделей.
Структура АТФ-связанного PCAT1 была построена на основе кристаллической структуры апо-PCAT1 (банк данных белков [PDB]: 4RY2). Полиаланиновые модели помещали туда, где плотности боковых цепей были невидимы. Окончательная модель состоит из остатков PCAT1 с 9 по 722 и двух молекул АТФ.
Структуры конформаций IF в условиях активного оборота были построены путем стыковки крио-ЭМ структуры комплекса CtA-PCAT1 (PDB: 6V9Z) с крио-ЭМ картами с использованием подгонки жесткого тела в Chimera с последующей ручной корректировкой в Coot .Окончательные модели состоят из остатков PCAT1 с 9 по 722, остатков CtA с 14 по 24, двух молекул АТФ и двух ионов Mg ²⁺.
Все модели были уточнены по сравнению с их окончательными половинными картами с использованием процедуры уточнения в реальном пространстве в Phenix с последующими итерационными циклами уточнения в обратном пространстве в Refmac и ручным перестроением в COOT (29, 30). MolProbity использовался для оценки качества окончательной модели (31). Проверка структурной модели проводилась с помощью программы SPIDER (32).
Подготовка рисунка.
Рисунки были получены с использованием PyMOL (33), UCSF Chimera (34) и UCSF ChimeraX (35).
Доступность данных
Координаты атомов депонированы в PDB (инвентарные номера 7T54 [OF-конформация] и 7T55, 7T56 и 7T57 [IF-конформации]). Карты плотности крио-ЭМ были депонированы в Банке данных электронной микроскопии (номер доступа EMD-25694 [конформация OF] и EMD-25695, EMD-25696 и EMD-25697 [конформация IF]).
Благодарности
Мы благодарим Марка Эбрахима, Джоанну Сотирис и Хонкит Нг из Ресурсного центра крио-ЭМ Эвелин Грусс Липпер Университета Рокфеллера за помощь в работе с микроскопом, Мишу Копылова и Эдварда Энга из Центра электронной микроскопии Саймонса (Нью-Йорк). Центр структурной биологии) за помощь в сборе данных и Донну Таллент за корректуру рукописи.JC является следователем HHMI.
Сноски
Принято 14 декабря 2021 г.
Вклад авторов: В.К. и JC разработали исследование; В.К. проведенное исследование; В.К. и JC проанализировали данные; и В.К. и JC написали статью.
Рецензенты: Н.Г., Медицинская школа Массачусетского университета; и DR, HHMI, Калифорнийский технологический институт.
Авторы заявляют об отсутствии конкурирующих интересов.
Эта статья содержит вспомогательную информацию в Интернете по адресу https://www.pnas.org/lookup/suppl/doi:10.1073/pnas.2120534119/-/DCSupplemental.
Copyright © 2022 Автор(ы). Опубликовано ПНАС.
Как это работает Jameco Electronics
Меган Танг
Переменный ток (AC) — это когда электрический заряд периодически меняет направление. Для сравнения, постоянный ток (DC) — это когда электрический заряд течет только в одном направлении. В США направление тока меняется на противоположное с частотой 60 герц (циклов в секунду).Наиболее распространенной формой волны переменного тока является синусоида; хотя прямоугольные и треугольные волны являются другими формами сигналов переменного тока.

Электрический генератор особого типа, называемый генератором переменного тока, предназначен для производства переменного тока. Принцип работы генератора переменного тока заключается в том, что в нем есть вращающиеся магниты, известные как ротор, и проводник, намотанный в катушках на железном сердечнике, называемом статором. Когда статор совершает полный оборот, в статоре индуцируется электродвижущая сила в виде тока, создающая переменное напряжение.Переменный ток используется для подачи электроэнергии в дома, офисные здания и т. д. Переменный ток также можно использовать для питания электродвигателей, таких как посудомоечные машины и холодильники.
Генерировать и транспортировать переменный ток на большие расстояния относительно легко. Энергетические компании посылают очень высокое напряжение, чтобы иметь возможность передавать энергию на большие расстояния. Переменный ток можно легко преобразовать в высокое напряжение и обратно с помощью трансформаторов. Несколько трансформаторов используются для безопасной подачи нужного количества переменного тока от электростанций к домам.
Во-первых, электроэнергия вырабатывается огромными генераторами с помощью ветра, угля, природного газа или воды. Затем переменный ток проходит через трансформаторы для повышения напряжения, чтобы мощность могла передаваться на большие расстояния. Электрический заряд течет по высоковольтным линиям электропередачи. Затем он достигает подстанции, где напряжение снижается, чтобы его можно было направить по более мелким линиям электропередач. Заряд проходит по распределительным линиям в районе, где трансформаторы меньшего размера снова снижают напряжение, чтобы сделать электроэнергию безопасной для использования в домах.Затем электричество подключается к дому, где оно проходит через счетчик, который измеряет, сколько энергии потребляет домохозяйство. Ток проходит через сервисную панель, где выключатели/предохранители защищают провода от перегрузки. Затем электричество проходит по проводам к розеткам и выключателям в доме.

Некоторым устройствам потребуется адаптер переменного тока, который будет использовать другой трансформатор для преобразования электрического тока, поступающего в электрическую розетку, в более низкий переменный ток, который может использовать электронное устройство.Количество трансформаторов, через которые должен пройти ток, зависит от максимального количества тока, которое может выдержать электронное устройство.
Вам также может быть интересно прочитать: Как работает трансформатор
Меган Тунг проходит летнюю стажировку в Jameco Electronics , учится в Калифорнийском университете в Санта-Барбаре (UCSB). Ее интересы включают фотографию, музыку, бизнес и инженерное дело.
Фото предоставлено: Солнечные школы
Мощная альтернатива переменному току
Китай жаждет энергии.Быстро растущий средний класс стимулирует неустанный спрос на электроэнергию. По данным Китайского национального управления энергетики, ежегодное потребление электроэнергии растет примерно на 8%, что вдвое больше, чем в США.
Этот спрос не должен быть загрязняющим. У Китая есть возможность вырабатывать необходимую ему электроэнергию на своих гидроэлектростанциях. К сожалению, эти электростанции в основном находятся далеко от прибрежных городских центров, потребляющих большую часть электроэнергии страны.
В ответ Китай использовал передовую технологию передачи электроэнергии, которая может преодолевать огромные расстояния, — технологию, которая, по иронии судьбы, восходит к самым ранним дням электроэнергетики.
В 2010 году она стала первой страной, принявшей сверхвысокое напряжение постоянного тока (UHVDC). Хотя пионер отрасли Томас Эдисон выступал за передачу электроэнергии постоянным током еще в конце девятнадцатого века, переменный ток (AC) стал стандартом, потому что его было намного проще преобразовать между очень высокими напряжениями, необходимыми для линий электропередачи на большие расстояния, и гораздо более низкими напряжениями, используемыми в линиях электропередач. обычные бытовые. Недостатком переменного тока является то, что он теряет мощность во время передачи. Это потому, что направление тока колеблется взад и вперед (отсюда и «переменное»), что потребляет значительную часть энергии.При заданном напряжении система переменного тока имеет примерно вдвое большие потери, чем система постоянного тока.
Система сверхвысокого напряжения постоянного тока, построенная с помощью многонациональных компаний Siemens и ABB Group, передает 6,4 гигаватт от плотины Сянцзяба в провинции Сычуань почти на 2000 км в Шанхай при напряжении 800 киловольт (кВ), что вдвое превышает напряжение типичных систем дальней связи.
Фактически, система UHVDC может обеспечить до 10 гигаватт, что достаточно для питания почти 20 миллионов китайских домов. И это только начало больших линий электропередач.Ранее в этом году компания Siemens поставила в Китай первый в мире трансформатор на 1100 кВ, который может передавать мощность до 13 ГВт, что примерно равно мощности 10 атомных электростанций. «Если вы хотите преодолеть расстояния в несколько тысяч километров, вам просто нужно построить системы более высокого напряжения», — говорит Франк Шеттлер, менеджер по жизненному циклу продуктов подразделения Siemens HVDC plus.
Власть народу
Помимо обеспечения лучшей передачи энергии, некоторые части системы постоянного тока используют меньше материалов, что делает их более дешевыми и экологичными.Типичная система переменного тока использует шесть проводящих проводов, тогда как постоянный ток использует три провода немного большего размера. Это означает не только то, что системам постоянного тока требуется меньше алюминия для проводов, но и башни могут быть меньше и нуждаться в меньшем количестве стали, потому что они несут меньший вес, не говоря уже о меньшей физической площади.
Все эти факторы снижают стоимость.
«Когда вы находитесь на расстоянии 700 миль и выше, ваши капитальные затраты на систему 800 кВ становятся намного меньше по сравнению с системой переменного тока», — говорит Нил Кирби, менеджер по развитию бизнеса HVDC в подразделении Grid Solutions компании GE Power, которое в прошлом году помогли установить первую фазу системы передачи 800 кВ, 6000 МВт.
Экономия частично компенсируется стоимостью строительства и эксплуатации специализированных станций на обоих концах, необходимых для преобразования переменного тока в постоянный и обратно. Эти станции могут быть дорогими, в некоторых случаях до 1 миллиарда долларов за пару, по оценкам Кирби. И есть переменные, такие как конструкция системы, стоимость генерации и цены на энергию, которые затрудняют точное определение того, в какой момент система UHVDC становится дешевле, но при некоторых обстоятельствах она уже дешевле.
Новые технологии для развивающихся стран
По крайней мере, на данный момент наиболее благоприятными местами для UHVDC являются более крупные страны, которые способны производить большое количество электроэнергии и должны доставлять ее в города на большие расстояния.Наряду с Китаем и Индией, где в прошлом году была установлена первая очередь системы электропередач мощностью 800 кВ и мощностью 6000 МВт, потенциальные рынки включают Бразилию, которая зависит от гидроэнергетики более чем на 75 процентов своего электроснабжения и уже реализует проект. Большая часть гидроэнергии Бразилии вырабатывается в Амазонии на севере, но наибольший спрос наблюдается в городах на юго-востоке, таких как Рио-де-Жанейро и Сан-Паулу.
Также говорят о создании систем UHVDC для передачи энергии от ветряных электростанций в Северном море или солнечных батарей в пустыне.Однако здесь технические проблемы усугубляются проблемами пересечения границ юрисдикции и необходимостью заключать соглашения между отдельными правительствами и конкурирующими энергетическими компаниями.
Рэм Адапа, технический руководитель сектора поставки и использования электроэнергии в Исследовательском институте электроэнергетики, некоммерческой организации в Пало-Альто, Калифорния, указывает на проект HVDC на 600 кВ, который планировался для передачи энергии от ветряных электростанций в Оклахоме к клиентов в Мемфисе, Теннесси.Но Арканзас, расположенный между двумя штатами, возражал против прокладки через него линий электропередач, и в начале этого года Министерство энергетики США отозвало свою поддержку проекта.
Несмотря на этот интерес в Соединенных Штатах, будущее высоковольтной передачи постоянного тока находится в развивающемся мире.
Подробнее об альтернативной энергетике читайте на Mega.online. Mega стремится активизировать и обогатить дебаты о том, как создать более эффективную экономику и общество, с помощью статей и видеороликов с участием ведущих академиков, ученых и предпринимателей, работающих в области устойчивого развития, технологий, здравоохранения, альтернативной энергетики и сельского хозяйства.
переменного или постоянного тока? Должны ли мы переключать наш электрический ток?
Постоянный ток никуда не делся. Просто ушел в подполье.
В 1893 году Джордж Вестингауз выиграл «войну токов» над Томасом Эдисоном, и это решение проложило путь электричеству к завоеванию земного шара. Однако это также создало конфликт, который с тех пор нарастает.
Хотя переменный ток остается доминирующим стандартом передачи, большинство устройств, потребляющих электричество, — автомобили, самолеты, легкорельсовые системы, компьютеры, бытовая электроника и почти все, что связано с батареями, — на самом деле работают на постоянном токе.
«Старая телефонная система работала всегда», — сказал Брайан Фортенберри, руководитель программы Исследовательского института электроэнергетики, ссылаясь на еще одну историю успеха постоянного тока. «Надежность исключительная».
Тем временем солнечные панели и топливные элементы изначально производят энергию постоянного тока.
Чтобы устранить несоответствие, электричество преобразуется из переменного тока в постоянный и наоборот, часто несколько раз, прежде чем оно будет потреблено. В центрах обработки данных мощность переменного тока преобразуется в постоянный ток с помощью источника бесперебойного питания, который преобразует его в переменный ток перед отправкой на серверы, которые преобразуют его в постоянный ток.Каждое преобразование приводит к убыткам. Множественные преобразования также увеличивают количество переходов мощности от высокого к более низкому напряжению.
В зданиях мощность постоянного тока от солнечных панелей становится переменным в инверторе и снова постоянным, когда он попадает на светодиодные фонари. Тепло, исходящее от кирпича вашего ноутбука? Отходы преобразования переменного тока в постоянный.
Благодаря достижениям в области силовой электроники можно было бы сэкономить огромное количество энергии, обуздав эти преобразования. Компания Validus DC Systems создала систему, которая преобразует переменный ток в постоянный на входе в центр обработки данных, а затем использует постоянный ток во всем здании, эффективно превращая центр обработки данных в микросеть постоянного тока.General Electric, IBM и Sun сотрудничают с компанией.
Недавний тест Университета Дьюка показал, что центры обработки данных постоянного тока потребляют на 15 процентов меньше энергии. Другие оценивают потенциальную экономию ближе к 30 процентам.
По словам Джеймса Коакли, генерального директора Power Loft Services, в качестве дополнительного бонуса превращение центра обработки данных в остров постоянного тока сокращает количество необходимых компонентов: это повышает надежность, снижает затраты и увеличивает количество компьютеров, которые могут поместиться в комнате. проектирует энергоэффективные центры обработки данных.
«Чем больше устройств между источником питания и компьютером, тем больше возможностей для отказа», — сказал он.
Тем временем Nextek Power Systems и такие конгломераты, как Panasonic и Sharp, изучают способы подачи постоянного тока в коммерческие здания или дома, чтобы солнечные панели могли напрямую питать бытовые приборы или электромобили. Зарядное устройство постоянного тока на 380 вольт может зарядить электромобиль за 10 минут, сказал Лян Дауни, директор по цифровым приложениям. Зарядному устройству переменного тока на 220 вольт требуется пять часов.
На подходе даже трансконтинентальный постоянный ток: более 145 проектов постоянного тока высокого напряжения (HVDC) находятся в стадии реализации в Китае, Техасе и других странах, чтобы перенести постоянный ток прямо с ветряных электростанций в городские микросети постоянного тока.
Однако критики отмечают, что источники питания со временем становятся все более эффективными. Гибридные здания также создают потенциальную головную боль и путаницу для арендаторов и домовладельцев. Кондиционер работает везде, и это большое преимущество.
Но с учетом того, что политики и корпоративные клиенты ищут любые способы снижения энергопотребления, возвращение в прошлое имеет большую привлекательность.
Разница между переменным и постоянным током
Основное отличие — переменный и постоянный ток
Электроэнергия может подаваться либо в виде переменного тока (AC) , либо в виде постоянного тока (DC) . Основное различие между переменным и постоянным током заключается в том, что в постоянном токе электроны непрерывно текут в одном направлении , тогда как в переменном токе электроны периодически колеблются взад и вперед .
Что такое постоянный ток
В постоянном токе электроны движутся только в одном направлении.Постоянный ток можно получить, соединив проводником две точки с разными электрическими потенциалами. Затем электроны будут течь от более отрицательного потенциала к менее отрицательному потенциалу, пока потенциалы сохраняются. Например, если мы соединим две точки с электрическими потенциалами -2 В и -5 В, электроны будут течь от конца -5 В к концу -2 В.
По историческим причинам направление тока считается направлением, противоположным направлению потока электронов.Направление тока в приведенном выше примере от -2 В до -5 В. В этом направлении ничего не течет: это просто соглашение.
Что такое переменный ток
В переменном токе электроны колеблются вперед и назад. Дома обычно питаются от переменного тока. Здесь проводник соединен между потенциалом, который периодически меняет свое значение, и потенциалом, который остается на уровне 0 В. Переменный потенциал меняет свое значение между положительными и отрицательными значениями, так что электроны в проводнике вынуждены двигаться вперед и назад.Разность потенциалов, приложенная к проводнику, затем изменяется 90 585 по синусоидальному закону 90 586 :
.
Изменение напряжения во времени в цепях переменного тока (синий) и постоянного тока (красный)
Большинство электронного оборудования работает с постоянным током. Часто переменный ток от источника питания необходимо преобразовать в постоянный ток, прежде чем устройство сможет использовать ток. Основная причина использования переменного тока для передачи (а не постоянного тока) заключается в том, что исторически было легко изменить напряжение переменного тока с помощью трансформатора.Это означало, что электричество можно было передавать на большие расстояния при высоком напряжении и малом токе. Когда электричество передается с меньшим током, потери мощности при передаче значительно ниже. При подаче электроэнергии в дома можно использовать трансформатор, чтобы легко преобразовать меньший ток с высоким напряжением в линиях электропередачи в больший ток с меньшим напряжением, используемым в домах.
Поскольку ток постоянно колеблется, мощность, рассеиваемая на любом устройстве, подключенном к сети переменного тока, также будет периодически изменяться.Однако для переменного тока напряжение можно охарактеризовать одним числом, называемым среднеквадратичным значением напряжения . Для синусоидального переменного тока среднеквадратичное значение напряжения может быть выражено через максимальное напряжение () следующим образом:
Среднеквадратичное (RMS) напряжение и максимальное (пиковое) напряжение для синусоидального напряжения
Часто мощность, рассеиваемая компонентом, рассчитывается с использованием среднеквадратичного значения напряжения. Среднеквадратичное значение напряжения и частота (сколько раз ток меняет направление на противоположное в секунду) варьируются от страны к стране.Обычно используются среднеквадратичные значения напряжения 230 В при частоте 50 Гц. В США питание подается при действующем напряжении 120 В при частоте 60 Гц.
AC против DC: Война токов
В конце 1800-х годов Томас Эдисон выступал за использование постоянного тока для передачи электричества. Однако Никола Тесла и Джордж Вестингауз были убеждены в преимуществах переменного тока для передачи на большие расстояния. Соревнование между двумя группами получило название «Война токов». Говорят, что Эдисон пошел на многое, чтобы сделать переменный ток непопулярным, включая убийство животных переменным током, чтобы люди почувствовали, что это опасно.Однако в конце концов переменный ток победил, и сегодня большая часть передачи осуществляется с использованием переменного тока. Однако передача постоянного тока может быть относительно намного дешевле, и в настоящее время несложно изменить напряжение постоянного тока. Поэтому для передачи энергии иногда используются постоянные токи высокого напряжения.
Война токов: Эдисон (слева) хотел распределять электричество с помощью постоянного тока, а Тесла (справа) хотел распределять электричество с помощью переменного тока.
Разница между переменным и постоянным током
Поток носителей заряда
В постоянном токе носители заряда текут только в одном направлении.
В Переменный ток , носители заряда текут туда-сюда.
Изменение силы
В постоянном токе мощность, рассеиваемая на нагрузке, остается почти постоянной.
В переменном токе мощность, рассеиваемая на нагрузке, постоянно изменяется.
Кабели
Постоянный ток может передаваться только по двум кабелям.
Переменный ток (3 фазы) требует 3 кабелей для передачи.

Изображение предоставлено:
«Томас Альва Эдисон, портрет в три четверти длины, сидящий лицом вперед» Луи Бахраха, Bachrach Studios, восстановленный Мишелем Вуйльстеке (цифровой идентификатор отдела печати и фотографий Библиотеки Конгресса США cph.3c05139) [общественное достояние], через Wikimedia Commons
.
«Фотография Николы Теслы (1856-1943) в возрасте 34 лет». Наполеон Сарони (открытка (radiographics.rsna.org)) [общественное достояние], через Wikimedia Commons
.

В розетке постоянный ток или переменный? Переменный ток и постоянный ток: отличие.

Что такое постоянное напряжение

Отличие постоянного тока от переменного

Действующее значение

Итак, запомните!!!

Постоянный ток

Переменный ток

Переменный против постоянного

Недостатки изобретения Эдисона

Переменный ток против постоянного

Изобретения Николы Теслы

Определение переменного тока

Пример простейшего генератора

Синусоидальность

Параметры и характеристики

Различие типов тока

Характеристики тока

Передача тока

Преобразование тока

Обоснование выбора тока

В чем отличие переменного тока от постоянного. Электрический ток постоянный и переменный

Постоянный ток

Переменный ток

Преобразование переменного тока в постоянный

Разница переменного тока от постоянного

Передача переменного тока потребителям

Преобразование переменного тока в постоянный

Постоянный ток

Переменный ток

Василий Сонькин

Что такое переменный ток и чем он отличается от тока постоянного

Определение

Происхождение

Формулы для расчета постоянного тока

Формулы для расчета переменного тока

Рекомендуем также

Постоянный ток и переменный ток разница примеры. Что такое постоянное напряжение. Почему в сети переменное напряжение, а не постоянное

Определение постоянного электрического тока, его источники

Принцип работы переменного тока

Как переменный ток сделать постоянным

Преобразователь постоянного тока в переменный

История изучения

Основные закономерности и силы в электрическом токе

Разновидности, характеристики и единицы измерения

Какой вид тока эффективнее и какая между ними разница?

Что такое постоянное напряжение

Отличие постоянного тока от переменного

Ток переменный и постоянный: разница и особенности

Какой уровень напряжения является допустимым для человека: особенности

Опасный переменный ток для человека

Какой величины опасен для человека постоянный ток

Отличие переменного тока от постоянного. Отличие переменного тока от постоянного Из 12 переменного в 12 постоянного

Зависимость пульсаций от емкости конденсатора

Как подобрать радиоэлементы для выпрямителя

Определение постоянного электрического тока, его источники

Принцип работы переменного тока

Как переменный ток сделать постоянным

Преобразователь постоянного тока в переменный

Функции и основные характеристики

Одноканальный регулятор для мотора

Конструкция устройства

Принцип работы

Материалы и детали

Процесс сборки

Двухканальный регулятор для мотора

Конструкция устройства

Принцип работы

Материалы и детали

Процесс сборки

CCS, CHAdeMO, Type2 и другие буквы: разбираем стандарты зарядок

Война токов

Так как же?

SAE J1772 и SAE J3068, они же Type 1 и Type2, они же IEC 61851-1 и IEC 62196-2

CCS Combo

Что еще?

Отличия ксенона постоянного тока (DC) от ксенона переменного тока (AC)

Гибкие вычислительные фотоприемники для регистрации активности с автономным питанием

Принцип работы

Разработка вычислительных фотодетекторов

Соединение и выход датчика