Prąd stały - Polski Serwis Naukowy

Rodzaje zmienności prądu

Prąd stały (ang. direct current, DC) – w odróżnieniu od prądu zmiennego i przemiennego (ang. alternating current, AC) – prąd stały charakteryzuje się stałą wartością natężenia oraz kierunkiem przepływu.

Zaletą prądu stałego jest to, że w przypadku zasilania takim prądem wartość chwilowa dostarczanej mocy jest stała, co ma duże znaczenie dla wszelkich układów wzmacniania i przetwarzania sygnałów. Większość półprzewodnikowych układów elektronicznych zasilana jest prądem stałym (a przynajmniej napięciem stałym). Główną zaletą takiego rozwiązania jest to, że urządzenia zawierające układy elektroniczne mogą być zasilane bezpośrednio z przenośnych źródeł energii (baterii lub akumulatorów).

Wartość chwilowa przebiegu czasowego jest wartością przebiegu czasowego w dowolnym punkcie (chwili) czasu. Każdy rzeczywisty przebieg czasowy składa się z nieskończonej ilości następujących po sobie wartości chwilowych, których chronologiczne ułożenie powoduje powstanie całego przebiegu czasowego.

Materiał magnetyczny jest to materiał wykazujący własności magnetyczne. Generalnie, wszystkie pierwiastki chemiczne i wszystkie ich związki chemiczne wykazują pewne własności magnetyczne (zobacz tabela pierwiastków na dole strony).

Dla urządzeń, które używane są w pobliżu sieciowej energii elektrycznej stosuje się zasilanie prądem stałym wytwarzanym przez zasilacze sieciowe. W zasilaczu sieciowe napięcie przemienne jest najpierw transformowane na odpowiedni poziom napięcia, prostowane (na przykład za pomocą mostka Graetza) oraz filtrowane, tak aby jego ostateczny przebieg był jak najbardziej zbliżony do wartości stałej.

Wirnik, (rotor) - element maszyny lub mechanizmu, który w czasie pracy wiruje wokół stałej osi. Najczęściej stosowany w pompach, sprężarkach, wentylatorach, dmuchawach, maszynach elektrycznych, silnikach, prądnicach i turbinach.

Silnik elektryczny asynchroniczny jest maszyną elektryczną zmieniającą energię elektryczną w energię mechaniczną, w której wirnik obraca się z poślizgiem w stosunku do wirującego pola magnetycznego wytworzonego przez uzwojenia stojana.

Moc dowolnego odbiornika w układzie prądu stałego jest obliczana jako: $P = U \cdot I$

gdzie: P – moc, U – stałe napięcie elektryczne, I – stały prąd elektryczny.

Z powyższego równania wynika zatem, że tę samą moc (a więc i energię) można przesłać przy różnych wartościach napięcia i prądu. Przepływający prąd stały powoduje powstawanie strat cieplnych w przewodniku, których wartość jest wprost proporcjonalna do kwadratu wartości natężenia prądu. Dlatego też przy układach o wyższej mocy dąży się do zasilania jak najwyższym napięciem, co prowadzi do obniżenia wartości natężenia prądu (dla tej samej wymaganej mocy). Niestety, transformacja prądu stałego nie jest możliwa. Obniżenie wartości wymaganego napięcia można wykonać stosunkowo łatwo (np. za pomocą dzielnika napięcia, lub diody Zenera), niemniej jednak są to metody stratne. Podwyższenie wartości napięcia praktycznie może być zrealizowane tylko za pomocą uprzedniej zmiany prądu stałego w przemienny, transformacje prądu przemiennego a następnie przetworzenie ponownie na prąd stały. Obecnie elektroniczne układy transformujące prąd stały (zarówno na wartości wyższe jak i niższe) osiągają duże sprawności, powyżej 90%.

Zasilacz – urządzenie służące do dopasowania dostępnego napięcia do wymagań zasilanego urządzenia. Ze względu na sposób zmiany wielkości napięcia wyróżnić można:

Filtr jest to fragment obwodu elektrycznego lub obwodu elektronicznego odpowiedzialny za przepuszczanie lub blokowanie sygnałów o określonym zakresie częstotliwości lub zawierającego określone harmoniczne.

Jednym z najpopularniejszych źródeł prądu (napięcia) stałego jest bateria, której napięcie wyjściowe ma wartość rzędu 1,5 V. W miniaturowych urządzeniach użycie więcej niż 2 (rzadko więcej niż 4) baterii nie jest możliwe z uwagi na ograniczenia gabarytowe. Dostępne napięcie jest więc rzędu 3 V, co czasami jest wartością niewystarczającą. W takim przypadku stosuje się więc opisane powyżej układy transformujące prąd stały. (Przykładowo takie rozwiązanie zastosowano w przenośnym komputerze klasy palmtop – Psion 3a.)

Prąd przemienny (ang. alternating current, AC) – charakterystyczny przypadek prądu elektrycznego okresowo zmiennego, w którym wartości chwilowe podlegają zmianom w powtarzalny, okresowy sposób, z określoną częstotliwością. Wartości chwilowe natężenia prądu przemiennego przyjmują naprzemiennie wartości dodatnie i ujemne (stąd nazwa przemienny). Najczęściej pożądanym jest, aby wartość średnia całookresowa (tzn. składowa stała) wynosiła zero.

Palmtop (także: PDA, Personal Digital Assistant, komputer kieszonkowy) – mały, przenośny komputer osobisty. Mniejszy od laptopa – z powodzeniem mieści się w dłoni lub w kieszeni (ang. palm – dłoń, top – na wierzchu). Palmtopy są komputerami programowalnymi – można w nich instalować oprogramowanie, np. pobrane lub zakupione w Internecie.

Prąd stały w rzeczywistych układach

Termin prąd stały jest pojęciem wyidealizowanym. W rzeczywistości prąd taki zmienia się nieznacznie w czasie. Na przykład bateria lub akumulator ulegają procesowi rozładowania, co powoduje powolny spadek wartości napięcia – nie jest to więc prąd całkowicie stały. Niemniej jednak jego zmienność w czasie jest o wiele wolniejsza niż ma to miejsce dla dowolnego zasilacza – całkowite odfiltrowanie wyższych harmonicznych powstających jako rezultat zasilania o częstotliwości 50 Hz (ewentualnie 60 Hz) nie jest w praktyce możliwe. Stosuje się więc taki rodzaj filtrowania, który prowadzi do praktycznie pomijalnie małych wahań napięcia (dla danej aplikacji).

Komutator – element przełączający umieszczany na wirniku komutatorowych maszyn elektrycznych (silników prądu stałego i generatorów prądu stałego zwanych także prądnicami). Komutator umożliwia przepływ prądu elektrycznego do wirnika z synchronicznym z obrotem wirnika przełączaniem kierunku prądu w uzwojeniach wirnika. Komutator zbudowany jest z dielektrycznego walca o wysokiej odporności temperaturowej, nałożonego na oś wirnika. Na powierzchni walca umieszczone są wzdłużnie sekcje, najczęściej miedziane. Do nich podłączone są kolejne uzwojenia wirnika. Sekcje izolowane są między sobą przy pomocy polimerowych przekładek. Po powierzchni walca ślizgają się grafitowe szczotki dociśnięte przy pomocy sprężyn.

Transformator (z łac. transformare – przekształcać) – urządzenie elektryczne służące do przenoszenia energii elektrycznej prądu przemiennego drogą indukcji z jednego obwodu elektrycznego do drugiego, z zachowaniem pierwotnej częstotliwości. Zwykle zmieniane jest równocześnie napięcie elektryczne (wyjątek stanowi transformator separacyjny, w którym napięcie nie ulega zmianie).

Przykłady innych zastosowań

Prąd stały znalazł również szerokie zastosowanie w zasilaniu silników elektrycznych prądu stałego. Prędkość obrotowa takich silników może być regulowana w szerokim zakresie tylko poprzez zmianę wartości napięcia zasilającego. Niestety z uwagi na złożoność konstrukcyjną (uzwojenie wirnika, komutator, itp.) silniki prądu stałego są o wiele droższe niż powszechnie stosowane silniki indukcyjne.

Przekaźnik elektryczny[1][2] - urządzenie elektryczne lub elektroniczne zaprojektowane do wywołania ustalonej nagłej zmiany stanu w jednym lub więcej obwodów wyjściowych przy spełnieniu odpowiednich warunków wejściowych. Przekaźnik reaguje na zmianę pewnej wielkości fizycznej wejściowej (np. napięcia, natężenia prądu, ciśnienia płynu, temperatury itp.) w taki sposób, że po przekroczeniu pewnej jej wartości sygnał wyjściowy zmienia się skokowo (z reguły pomiędzy jedną z dwóch wartości: załącz/wyłącz).

Mostek Graetza to pełnookresowy prostownik z czterech diod prostowniczych połączonych w specyficzny układ prostujący prąd przy wykorzystaniu obu połówek napięcia przemiennego (prostownik dwupołówkowy). W układzie takim niezależnie od kierunku przepływu prądu na wejściu prąd na wyjściu płynie zawsze w tę samą stronę. W określonej chwili dwie z tych diod pracują przy polaryzacji w kierunku przewodzenia, a dwie w kierunku zaporowym; przy zmianie kierunku prądu wejściowego te pary zamieniają się rolami. Mostek ten jest czwórnikiem - ma dwa zaciski wejściowe (napięcie przemienne) oraz dwa zaciski wyjściowe.

W urządzeniach elektronicznych prąd stały stosuje się także do zasilania wszelkiego rodzaju przekaźników. Magnesowanie prądem stałym nie pociąga za sobą powstawania dodatkowych strat mocy na przemagnesowanie materiału magnetycznego rdzenia przekaźnika.