poniedziałek, 17 marca 2014

Prąd zmienny- prąd stały, czyli o tym jak wyprostować prąd

 Co to jest prąd

     Czym różni się prąd zmienny od prądu stałego? Czy można zamieniać prąd zmienny na prąd stały? Co to jest w ogóle prąd? Na te pytania postaramy się dać tutaj odpowiedź. Zaczniemy od końca, ponieważ jest to pytanie najważniejsze. W encyklopedii przeczytamy, że prąd elektryczny jest to uporządkowany ruch ładunków elektrycznych. Oznacza to, że w danej chwili wszystkie ładunki zmierzają w jednym kierunku.

    W przewodach elektrycznych, które wykonane są z miedzi lub z aluminium nośnikami prądu są elektrony pochodzące z ostatnich powłok elektronowych tychże pierwiastków. Średnia prędkość tych elektronów wynosi około 1 cm/sek, tak więc po włączeniu prądu elektrony te nie dopłyną z wyłącznika od razu do żarówki, czy innego urządzenia elektrycznego. To, że żarówka zapala się od razu jest wynikiem tego, że co prawda, elektrony przesuną się tylko o jeden centymetr, ale przez to przesuną się także te elektrony będące tuż przy żarówce. I to one właśnie w danej chwili zasilają urządzenie elektryczne.
 
     Teraz możemy trochę uściślić nasze rozważania i powiedzieć, że zasadniczo rozróżniamy dwa rodzaje prądu: prąd stały i prąd zmienny. Prąd stały charakteryzuje się tym, iż zawsze posiada tę samą wartość oraz tę samą biegunowość (plus, minus). Znaczy to tyle, że prąd taki płynie zawsze tylko w jednym kierunku. Przed- stawia to Rys.1:


     Na Rys.2 widać wyraźnie, że prąd zmienny ma zupełnie inną charakterystykę. Raz, że zmienia kierunek (raz płynie w jedną stronę, a raz w drugą), dwa- bez przerwy zmienia swoją wartość. Zaczyna od zera, rośnie do maksymalnej wartości, a następnie znowu maleje do zera. Teraz zmienia kierunek poruszania się i znowu rośnie do maksymalnej wartości, maleje, zmienia kierunek i apiat, wszystko od nowa. Dlatego właśnie prąd ten nazywamy prądem przemiennym. Na przykład napięcie, jakie mamy w gniazdku osiąga w maksimum 325 woltów, choć wszędzie podaje się jego napięcie skuteczne czyli 230V / 50Hz. Ta druga wartość mówi, że w ciągu sekundy prąd wykonuje 50 cykli. W jednym cyklu prąd płynie w jedną stronę, po czym zawraca i płynie w stronę przeciwną. Z technicznego punktu widzenia, prąd pobierany z gniazdka jest prądem naprzemiennym, o charakterystyce zmiennej, czyli nie tylko zmienia swój kierunek, ale także bez przerwy zmienia swoją wartość. Popularnie jednak mówi się, że w gniazdku mamy prąd zmienny. Prąd zmienny używany jest dlatego, ponieważ łatwiej go "przetransportować" z elektrowni do odległych odbiorców, a potem łatwo zmieniać jego właściwości, o czym przekonamy się za chwilę.


     Prąd stały możemy spotkać np. w bateriach lub akumulatorach, choć występuje on także we wszystkich urządzeniach elektronicznych, takich jak telewizory, radia, czy magnetofony. Co prawda większość z nich zasilana jest z gniazdka, a więc prądem zmiennym, ale w środku tychże urządzeń prąd ten zamieniany jest na prąd stały. 


 Prostowanie prądu zmiennego

    Przechodzimy więc do sedna naszej opowieści: Jak wyprostować prąd zmienny? Na pewno nie przez naciąganie go jak wygiętego druta. A więc jak?

     Przede wszystkim musimy sprawić, aby prąd zaczął płynąć tylko w jedną stronę. Wystarczy w tym celu włączyć w obwód diodę prostowniczą (Rys.3a). Ma ona takie właściwości, że przepuszcza prąd tylko w jednym kierunku. W ten sposób charakterystyka naszego prądu będzie wyglądała tak, jak na Rys.3b. 




     Z rysunku widać wyraźnie, że prąd płynie tylko w jedną stronę, w tych zakreskowanych miejscach. Ale co nam po takim prądzie? Raz, że w połowie okresu w ogóle nie płynie (ponieważ w tym czasie powinien płynąć w stronę przeciwną), a dwa, nadal zmienia swoje wartości. Zaradzić temu możemy w ten sposób, że zamiast jednej diody, użyjemy ich cztery, które odpowiednio ze sobą połączymy (Rys. 4a i 4b).


     Dodatkowe diody sprawiły, że prąd zaczął płynąć nam także w tych miejscach, w których nie płynął prędzej. W ten sposób prąd płynie częściej, ale nadal zmienia się w czasie. Nazywamy go prądem pulsującym, ponieważ zachowuje się tak, jakby cały czas pulsował. Jeżeli między plusem a minusem włączymy kondensator o dużej pojemności, to dzięki temu będziemy mogli znacznie polepszyć właściwości naszego prądu. Kondensator bowiem gromadzi w sobie ładunki elektryczne, a gdy następuje spadek napięcia, oddaje je z powrotem do układu, dzięki temu sprawia, że pojawia się napięcie w tych momentach, w których przedtem nie było. Napięcie to jest jednak mniejsze od maksymalnego w związku z czym otrzymujemy właśnie taki a nie inny wykres dla prądu (Rys. 5). Może komuś wydawałoby się, że takie napięcie wystarczy do zasilania np. radia, ale okazuje się, że nie. Dla większości tego typu urządzeń potrzebne jest autentyczne napięcie stałe. Inaczej w głośniku słychać było by nieprzyjemne dla ucha buczenie, tzw. przydźwięk sieci. Należy więc jeszcze bardziej wyprostować prąd.

Stabilizacja prądu

     Do tej pory mówiliśmy, że prostujemy prąd. Dalsze czynności będziemy już nazywać stabilizowaniem, tzn. sprawianiem, aby z charakterystyki z Rys.5 zrobić tak, jak to mamy na Rys.1. Do tego celu musimy posłużyć się kolejnymi elementami elektronicznymi, takimi jak np. dioda Zenera. Dioda ta pozwala nam utrzymać stałą wartość napięcia niezależnie od jego wahań. Najprostszy taki układ przedstawiony jest na Rys.6.




     Stabilizacja polega tu mniej więcej na tym, że przy wszelkich zmianach napięcia na wejściu układu zmieniać się będzie natężenie prądu płynącego przez diodę, a tym samym zmieniać się będzie także spadek napięcia na rezystorze R. W efekcie z układu wychodzić będzie napięcie o stałej wartości a wszelkie zmiany napięcia będą niwelowane przez rezystor R, który w zależności od napięcia różnie się będzie nagrzewał i w ten sposób oddawał "nadwyżkę" napięcia. 

     Rozwiązanie to ma jednak jedną poważną wadę, mianowicie, nie można taki układ obciążać zbyt dużymi prądami. Innymi słowy uzyskaliśmy prąd stały, ale jest on za słaby aby mógł zasilić magnetofon, czy radio. Aby temu zaradzić należy zastosować dodatkowo tranzystor, który znacznie (ok.10 razy) poprawi własności układu, ponieważ jedną z zalet tranzystora jest to, że potrafi wzmocnić prąd. Rys.7 pokazuje jak należy włączyć go w układ. Zastosowanie dwóch takich tranzystorów poprawia do kilkuset razy właściwości całego układu, tak więc śmiało możemy już zasilać nim wszelkie urządzenia elektroniczne.



     Podsumowując teraz to wszystko co było tu powiedziane, zaprezentujemy w całości nasz układ do prostowania i stabilizowania prądu, który często można spotkać w różnych urządzeniach RTV (Rys.8).


Wykaz elementów:


B- Bezpiecznik topikowy 0,15A

Tr- Transformator TS 8/1 lub podobny obniżający napięcie z 230 do około 12V

D1-D4- Diody prostownicze BYP 401/50- 4szt.

C- Kondensator elektrolityczny 2000μF /min.16V

R- Rezystor 1,8 kΩ

DZ- Dioda Zenera na napięcie 10V

T1- Tranzystor BD137

T2- Tranzystor BC107


     Taki układ prostujący nazywamy popularnie zasilaczem stabilizowanym. Nasz akurat jest na napięcie 9V przy maksymalnym obciążeniu 0,4 A, ale zmieniając odpowiednio wartości poszczególnych elementów możemy przystosować go na inne napięcia i obciążenia. Mając w domu taki zasilacz możemy śmiało używać go zamiast baterii, które jak wiadomo nie są zbyt żywotne, gorzej, jeżeli nie będzie akurat w gniazdku prądu... Ale to już zupełnie inna opowieść...
  





    Zapoznaj się z innymi utworami. Przejdź do zakładki Spis artykułów.


11 komentarzy:

  1. super artykuł, można jeszcze dopisać na samym końcu że te 9V które dostajemy na wyjściu układu to prąd stały,dla jasności całego wypracowania

    Pozdrawiam

    OdpowiedzUsuń
  2. bardzo przydatny artykuł, zrozumiale i przejrzyście

    OdpowiedzUsuń
  3. Bardzo fajny artykuł, wiele mi rozjaśnił :)

    OdpowiedzUsuń
  4. Nie pisz prąd zmienny tylko przemienny. Prąd zmienny też płynie w jedny kierunku tylko jego wartość zmienia się w czasie.

    OdpowiedzUsuń
  5. Masz rację: Posługując się językiem technicznym, prąd w gniazdku jest prądem przemiennym a nie zmiennym, jednak w języku potocznym oba pojęcia są łączone w jedno. Prędzej spotkasz się z określeniem "silnik prądu zmiennego" niż "przemiennego". Zauważ także, że po przejściu przez diodę, prąd ten staje się już prądem zmiennym, a nie przemiennym, a o tym jest artykuł: jak wyprostować prąd.

    Dziękuję za uważne oko i pozdrawiam

    OdpowiedzUsuń
  6. No super wpis. Dużo szczegółów i na prawdę fajne zdjęcia. Cały blog jest świetny i nie szkoda poświęcać na niego czasu. Polecam!

    OdpowiedzUsuń
  7. Mimo wszystko popraw ten wpis (choćby przez dodanie na początku informacji, że potocznie ludzie mówią na napięcie sieciowe "prąd zmienny" co jest błędem...

    OdpowiedzUsuń
  8. Dobrze wytłumaczone krok po kroku, brakuje jednak informacji o tym dlaczego prąd przemienny jest tańszy np. w przesyłaniu niż prąd stały. Dopełnieniem wpisu byłby opis jak z poziomu elektrowni produkowany jest prąd przemienny.

    OdpowiedzUsuń
  9. Muszę przyznać, że ten artykuł wiele kwestii rozjaśnia. Przynajmniej takiemu laikowi jak ja. Na pewno jeszcze zgłębię ten temat.

    OdpowiedzUsuń
  10. Ciekawy wpis, wszystko wytłumaczone w nieskomplikowany sposób :)

    OdpowiedzUsuń
  11. Prąd sieciowy, hmmm
    Całkiem dobre tłumaczenie :)

    OdpowiedzUsuń

Tanie książki:

Polecane książki (Kliknij w okładkę, aby przeczytać opis):

e-booki   e-booki   e-booki   e-booki