Загрузка...История развития источника питания в радиоэлектронике
История развития источника питания в радиоэлектронике
Нижний Новгород,26.11.2013 18:16, INNOV.RU
Первым изобретателем источников питания стал Алессандро Вольта в 1800 году. Он состоял из сосуда с солёной водой и опущенных в него пластин из разных металлов, в которых создавался постоянный ток. А 30 ноября 1876 года считается датой рождения первого трансформатора. В этот день Яблочков Павел Николаевич получил патент.
Первым изобретателем источников питания стал Алессандро Вольта в 1800 году. Он состоял из сосуда с солёной водой и опущенных в него пластин из разных металлов, в которых создавался постоянный ток. А 30 ноября 1876 года считается датой рождения первого трансформатора. В этот день Яблочков Павел Николаевич получил патент на это изобретение. В 1899 году германский учёный Карл Фердинанд Браун запатентовал выпрямитель на кристалле, впоследствии, получившем название диод. Никола Тесла в 1880 году запатентовал генератор переменного тока. Его системой переменного тока мы пользуемся и сейчас. А в 1905 году член Лондонского королевского общества сэр Джон Амброз Флеминг запатентовал первую электронную лампу. Тем самым открыв век электроники. СС этого момента электроника и источники питания неразлучны.
Первые изобретатели радио (Сэр Оливер Джозеф Лодж, Попов Александр Степанович, Гульельмо Маркони) использовали для питания своих изобретений источники тока в виде химических элементов. Но, с распространением сети переменного тока, увеличением электронных компонентов и большей сложностью электронных схем, возникла необходимость в блоках питания.
Таким стал трансформаторный блок питания. Он должен преобразовать напряжение сети (110-220v (вольт) и частотой 50-60 Гц (Герц)) в напряжения постоянного тока, необходимые для работы электронных приборов. Классическая схема такого источника питания состоит из трёх блоков: трансформатор, выпрямитель и сглаживающий фильтр. В более сложных блоках питания, вместо сглаживающего фильтра устанавливается стабилизатор напряжения. До 1950-х годов стабилизаторы строились на электронных лампах. А с изобретением в 1947 году Уильямом Шокли, Джоном Бардином и Уолтером Браттейном транзистора, и позже с его повсеместным распространением, стабилизаторы делались на них. Трансформаторный блок питания становился компактным. В 1962-1965 годах произошёл прорыв в изготовлении интегральных микросхем. И трансформаторный блок питания становится ещё более компактными и надёжными. Но при увеличении мощности блока питания увеличивается габариты и вес трансформатора. Позже, трансформаторные блоки питания заменили импульсными, которые имеют меньшие габариты при большей мощности.
Импульсный источник питания выполняет работу такую же, как и трансформаторный, но отличается от последнего тем, что он работает на частоте значительно превышающей частоту электросети (50-60 Гц). Упоминания о первых импульсных источниках питаниях относятся к 1940-м годам. С изобретением и развитием полупроводниковых элементов он становился всё легче и компактнее, что приводит к массовости производства. В период 1970-1980 годов появились транзисторы повышенной мощности. Это позволило увеличить мощность импульсного источника питания до 400 ватт. В 1976 году фирмой Silicon General была изобретена интегральная микросхема специально для средств электропитания. После чего стала бурно развиваться микроэлектроника именно для источников питания.
Современные источники питания имеют широчайшие диапазоны управления параметрами, микропроцессоры и цифровые технологии обеспечивают минимальную инерционность и высокую точность задаваемых режимов. Более того, в состав блока питания входят управляемые схемы защит, которые оберегают не только источник питания, но и ценную аппаратуру.
Где и почему используется постоянный ток
Нет сегодня ни одной области техники, где в том или ином виде не использовалось бы электричество. Между тем, с требованиями к электрическим аппаратам связан род тока, питающего их. И хотя переменный ток распространен нынче по всему миру очень широко, есть тем не менее области, где просто не обойтись без постоянного тока.
Первыми источниками годного к использованию постоянного тока были гальванические элементы, которые принципиально давали химическим путем именно постоянный ток, представляющий собой поток электронов, движущихся в одном неизменном направлении. От этого и название у него «постоянный ток».
Сегодня постоянный ток получают не только от батареек и аккумуляторов, но и путем выпрямления переменного тока. Как раз о том, где и почему используется в наш век постоянный ток, и пойдет речь в данной статье.
Начнем с тяговых двигателей электротранспорта. Метро, троллейбусы, теплоходы и электрички традиционно приводятся в движение двигателями, питаемыми постоянным током. Двигатели постоянного тока изначально отличались от двигателей тока переменного тем, что в них можно было плавно изменять скорость при сохранении высокого крутящего момента.
Переменное напряжение выпрямляется на тяговой подстанции, после чего подается на контактную сеть, — так получают постоянный ток для общественного электротранспорта. На теплоходах электричество для питания двигателей может быть получено от дизельных генераторов постоянного тока.
В электромобилях так же применяются моторы постоянного тока, которые питаются от аккумулятора, и здесь снова получаем преимущество в виде быстро развиваемого крутящего момента привода, и имеем еще один важный плюс — возможность рекуперативного торможения. В момент торможения мотор превращается в генератор постоянного тока и заряжает аккумулятор.
Мощные подъемные краны на металлургических заводах, где необходимо плавно орудовать огромного размера и чудовищной массы ковшами с расплавленным металлом — используют моторы постоянного тока опять же в силу их отличной регулируемости. Это же преимущество относится к применению моторов постоянного тока в шагающих экскаваторах.
Бесколлекторные двигатели постоянного тока способны развивать огромные скорости вращения, измеряемые десятками и сотнями тысяч оборотов в минуту. Так, высокоскоростные электродвигатели постоянного тока небольших размеров устанавливают на жесткие диски, квадрокоптеры, пылесосы и т. д. Незаменимы они и в качестве шаговых приводов управления различными шасси.
Само по себе прохождение электронов и ионов в одном направлении при постоянном токе делает постоянный ток принципиально незаменимым при осуществлении электролиза.
Реакция разложения в электролите, под действием в нем постоянного тока, позволяет осадить на электродах определенные элементы. Так получают алюминий, магний, медь, марганец и другие металлы, а также газы: водород, фтор и т.д, и многие прочие вещества. Благодаря электролизу, то есть по сути — постоянному току, существуют целые отрасли металлургии и химической промышленности.
Гальванотехника немыслима без постоянного тока. Металлы осаждают на поверхность изделий различной формы, таким образом осуществляют в частности хромирование и никелирование, создают печатные формы и металлические монументы. Что и говорить о применении гальванизации в медицине для лечения болезней.
Сварка на постоянном токе гораздо эффективнее, чем на токе переменном, шов получается на много более качественным, чем при сварке того же изделия тем же электродом, но током переменным. Все современные сварочные инверторы выдают на электрод постоянное напряжение.
Мощные дуговые лампы, устанавливаемые в кинопроекторах многочисленных профессиональных киностудий дают ровный свет без гудящей дуги как раз благодаря питанию дуги постоянным током. Светодиоды, так те принципиально питаются током постоянным, именно поэтому большинство сегодняшних прожекторов питаются постоянным током, хотя и получаемым путем преобразования переменного сетевого тока или же от аккумуляторов (что иногда очень даже удобно).
Двигатель внутреннего сгорания автомобиля хоть и питается бензином, однако стартует он от аккумулятора. И здесь постоянный ток. Стартер получает питание от батареи с напряжением в 12 вольт, и в момент старта забирает от нее ток в десятки ампер.
После старта аккумулятор в автомобиле заряжается генератором, который вырабатывает переменный трехфазный ток, тут же выпрямляемый и подаваемый на клеммы аккумулятора. Переменным током аккумулятор не зарядишь.
А резервные источники питания? Если даже огромная электростанция встала из-за аварии, то и здесь дать старт турбогенераторам помогут вспомогательные аккумуляторы. И самые простые домашние источники бесперебойного питания компьютеров — тоже не обойдутся без аккумуляторов, дающих постоянный ток, из которого путем преобразования в инверторе получается ток переменный. А сигнальные лампы и аварийное освещение — почти везде питается от аккумуляторов, то есть и здесь пригодился постоянный ток.
Подводная лодка — и та использует на борту постоянный ток для питания электродвигателя, вращающего гребной винт. Вращение турбогенератора на самых современных атомоходах хотя и достигается путем ядерных реакций, однако электроэнергия подается на двигатель в виде все того же постоянного тока. Это же касается и дизель-электрических субмарин.
И конечно, не только электровозы шахт, погрузчики или электрокары используют постоянный ток от аккумуляторов. Все электронные гаджеты, которые мы носим с собой, содержат литиевые аккумуляторы, которые выдают постоянное напряжение и заряжаются постоянным током от зарядных устройств. А если вспомнить радиосвязь, телевидение, радио- и теле- вещание, интернет и т. д. На самом деле выходит, что добрая часть всех устройств питается прямо или косвенно постоянным током от аккумуляторов.
Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!
Кто изобрел электричество?
Одним из самых величайших открытий человечества стало электричество, с самого начала своего появления оно помогало нашей цивилизации активно развиваться. Электричество – это, пожалуй, самый экологический вид энергии. И не исключено, что в скором времени оно станет основным видом энергии, если на планете не останется сырьевых ресурсов.
Итак, кто изобрел электричество?
Электричество обнаружил ещё в прошлой эре греческий философ Фалес (VII век до нашей эры). Он увидел, что при трении янтаря о шерсть, камень начинает притягивать к себе лёгкие предметы. Кстати, электрон в греческом значит «янтарь», а электричество — «янтарность». Данные термины появились лишь в 1600 году, т.к. наблюдения Фалеса так и ни к чему не привели.
В 1650 году Магдебургским бургомистром Отто фоном Герике была построена электростатическая установка. Выглядела она как металлический стержень с шаром из серы. Это устройство помогало наблюдать свойства притягивания и отталкивания.
В 1729 году англичанин Стивен Грей проводил опыты по передаче электричества на расстояние. Эти опыты показали, что не каждому материалу свойственно проводить электричество, т.е. все материалы можно разделить на электрики и диэлектрики.
В 1733 году Шарль Дюфе открыл 2 вида электричества, получившие названия: стеклянное и смоляное. Обнаружить их удалось во время трения смолы о шерсть и стекол о шёлк.
В 1745 году появился первый электрический конденсатор с названием – Лейденская банка. Автором данного изобретения стал голландец Питер ван Мушенбрук.
В 1747 году американец Бенджамин Франклин написал очерк «Эксперименты и наблюдения над электричеством». Эта работа, по сути, является первой теорией электричества, где Франклином применяется к электричеству термин «нематериальная жидкость». В ней также была выдвинута теория о существовании положительных и отрицательных зарядов. Ещё Бенджамин Франклин придумал громоотвод и с его помощью наглядно доказал, что молния имеет именно электрическую природу.
1785 год стал переломным, исследование электричества попало в научную плоскость. Это открытие Закона Кулона.
В 1800 год – время ещё одного ключевого изобретения, когда удалось исследовать электричество более досконально, поставив много важных опытов. Итальянец Вольт придумал первый источник постоянного тока. Это изобретение было первым гальваническим элементом, состоящим из серебряных и цинковых кружков; между ними помещали бумагу, смоченную в соленой воде.
1820 году датским физиком Эрстедом было открыто электромагнитное взаимодействие, обнаружил которое он практически случайно, заметив колебания стрелки компаса, лежащего рядом с проводником. Электрический ток на проводник подавался циклично, при этом стрелка компаса колебалась в такт с включениями проводника в электрическую цепь.
Уже в 1821 году французский физик Ампер сделал открытие – магнетизм вокруг проводника образуется во время подачи на него электрического тока, в то время как при статическом электричестве магнетизма нет.
Также немалый вклад в изучение электричества был внесён учеными Джоулем, Ленцем, Омом и Гауссом. Гаусс в 1830 году уже описал главную теорию электростатического поля.
Вышеперечисленные открытия в области исследования электричества помогли Майклу Фарадею в 1831 году открыть электромагнитную индукцию. Это был важнейший момент в изучении электричества и его свойств. Благодаря этому открытию Фарадей создал первый электрогенератор. Он задвигал катушку в намагниченный сердечник, в результате на обмотке катушки появлялся электрический ток. Чуть позже, в 1834 году Фарадеем были открыты законы электролиза. После чего он описал новые термины: электрическое и магнитное поля.
Фарадей также придумал самый первый электродвигатель – проводник с электрическим током, способный вращаться вокруг постоянного магнита.
Как видите, появлению электричества поспособствовали многие учёные, но кого именно стоит считать его изобретателем, ответить крайне сложно.
Вместе со статьёй «Кто изобрел электричество?» читают:
Драмы науки: неизвестная «война токов»
В школе нам рассказывали о знаменитых войнах, которые меняли ход истории. Все мы знаем о Столетней войне между Францией и Англией, хотя она закончилась еще в середине XV века. А вот о другом столетнем конфликте, завершившемся в конце ноября 2007 года, мало кто знает. Отчасти потому, что он разворачивался в США — и отнюдь не на полях сражений.
Проницательные читатели уже догадались, что речь пойдет о так называемой «Войне токов» — War of the Currents или Battle of Currents. Так стали называть противостояние между Томасом Эдисоном (1847-1931) и Джорджем Вестингаузом (1846-1914) за использование постоянного и переменного тока. Неизвестно точно, кто и когда первым использовал это определение — в газетах конца XIX века оно не встречается. Спор, начатый двумя американскими изобретателями и бизнесменами еще в 1880-е годы, окончательно завершился в конце ноября 2007 года, когда Нью-Йорк, электрифицированный 125 лет назад Эдисоном, окончательно перешел с постоянного тока на переменный.
Это была война за столь огромный рынок, как Соединенные Штаты Америки, которую вели две крупнейшие корпорации, Edison General Electric (в начале 1890-х годов она стала называться General Electric) и Westinghouse Electric. Первоначально в США стали использоваться стандарт постоянного тока. Патент на предоставление этого вида услуг имел Эдисон, поэтому он отстаивал право передавать электрическую энергию таким способом.
Однако при передаче постоянного тока, в котором электроны летят в одном направлении, на большие расстояния значительное количество электроэнергии теряется. Ток с электростанций Эдисона, вырабатывавших напряжение 110 вольт, эффективно передавался лишь на расстояние чуть более полутора километров. Ликвидировать этот недостаток можно было, используя медные провода очень большого сечения или строя множество локальных электростанций. Обе перспективы оказались не слишком радужными из-за их сложности и дороговизны.
Когда Джордж Вестингауз узнал про планы Эдисона, он выступил за ток переменный. К тому времени уже появились недорогие трансформаторы, работавшие на высоких мощностях. Передавать электричество на большие расстояния с минимальными потерями можно было при помощи высоковольтных линий. Кроме того, выпускник высшего технического училища в Граце и Пражского университета, серб-эмигрант Никола Тесла, в течение года успешно работавший на фирму Эдисона, в 1885 году оказался у Вестингауза — на предыдущем месте ему опрометчиво отказались повысить зарплату. Уже в 1888 году Тесла запатентовал работавший на переменном токе индукционный двигатель.
Казалось, у Эдисона не было никаких шансов победить. Тогда предприниматель в Эдисоне взял верх над изобретателем и физиком. Он подал дюжину исков, обвиняя Вестингауза в плагиате, но сутяге Эдисону во всех случаях было отказано. И тогда отец фонографа решил создать своему противнику имидж злокозненного изобретателя — посредством черного пиара представить Вестингауза зловещим мистером Хайдом, скрывавшимся под личиной добренького доктора Джекила.
Как-то раз в результате несчастного случая погиб человек. Его убило переменным током от пробитого трансформатора, стоявшего у него в подвале. Происшествие широко освещалось в прессе, что сыграло на руку Эдисону. Вдобавок Эдисон в 1903 году заснял казнь слонихи Топси — она была приговорена к убийству электрическим током за то, что растоптала троих людей, в том числе и жестокого дрессировщика.
При помощи электричества стали отправлять в лучший мир не только слонов. Первым преступником, казненным в США на электрическом стуле, стал некий Уильям Кеммлер, убивший жену топором. В 1890 году через тело Кеммлера пропустили два мощных разряда переменного тока напряжением 1,3 тысяч вольт каждый. А уже на следующий день появилась статья с громким заголовком «Вестингауз казнил Кеммлера». Казнь выглядела настолько мерзко, что сам Вестингауз мрачно заметил: «Топором бы у них вышло лучше». В итоге он отказался поставлять генераторы переменного тока для казни на электрическом стуле.
Однако победа Эдисона на поверку оказалась пирровой. Несмотря на то, что уже в 1892 году на Манхэттене появилась первая в США работающая на постоянном токе электростанция и количество потребителей увеличивалось год от года, законы рынка, как водится, были неумолимы.
Уже в 1893 году Вестингауз и Тесла выиграли тендер на освещение Всемирной ярмарки в Чикаго, а три года спустя смонтировали на Ниагарском водопаде первую гидросистему для питания переменным током второго по величине города штата Нью-Йорк — Буффало. В то же время Эдисону спешно пришлось объединить свою компанию с Thomson-Houston Electric Company, занимавшейся производством продукции для инфраструктуры энергоснабжения переменным током.
Персональный спор двух деловых людей завершился к 1896 году, его результат определили соображения экономической выгоды от использования переменного тока. Все дела в General Electric Эдисон передал в руки профессиональных менеджеров. Скрепя сердце он вынужден был признать поражение и назвал свое выступление в поддержку постоянного тока самой большой ошибкой в своей карьере.
Впрочем, не исключено, что «война токов» скоро возобновится, поскольку у постоянного тока появился шанс взять реванш. Дело в том, что в активно разрабатываемых сейчас сверхпроводящих кабелях наиболее выгодно использовать именно эту разновидность электрического тока. Поэтому говорить об окончательной победе сторонников переменного тока пока что рано…
Добавьте «Правду.Ру» в свои источники в Яндекс.Новости или News.Google, либо Яндекс.Дзен
Быстрые новости в Telegram-канале Правды.Ру. Не забудьте подписаться, чтоб быть в курсе событий.
