能使电路中形成恒定电流的装置,如干电池、蓄电池、直流发电机等,称为大功率直流电源。
大小和方向都不随时间变化的电流。又称恒定电流。所通过的电路称直流电路,是由直流电源和电阻构成的闭合导电回路。在该电路中,形成恒定的电场,在电源外,正电荷经电阻从高电势处流向低电势处,在电源内,靠电源的非静电力的作用,克服静电力,再从低电势处到达高电势处,如此循环,构成闭合的电流线。所以,在直流电路中,电源的作用是提供不随时间变化的恒定电动势,为在电阻上消耗的焦耳热补充能量。
在比较简单的直流电路中,电源电动势、电阻、电流以及任意两点电压之间的关系可根据欧姆定律及电动势的定义得出。复杂的直流网络可根据G.R.基尔霍夫方程组求解。它包括节点电流方程和回路电压方程两部分,前者指出,对于任一节点(3个或3个以上支路的交点),流入和流出节点的各电流的代数和为零,这是恒定条件的要求,后者指出,对于任一闭合回路(网格),各部分电压降的代数和为零,这是静电场环路定理的结果,两者构成了完备的方程组。
测量直流电路中电流、电压、电阻、电源电动势等物理量的仪表称为直流仪表。常用的有电流计,安培计,伏特计,电桥,电势差计等。
直流电源有化学电池,燃料电池,温差电池,太阳能电池,直流发电机等。直流电主要应用于各种电子仪器,电解,电镀,直流电力拖动等方面。
直流电源有正负两个电极,正极的电势高,负极的电势低;当两个电极与电路连通后,直流电源能维持两个电极之间的恒定电势差,从而在外电路中形成由正极到负极的恒定电流。
要使直流电源两极间的电势差保持恒定必须使在外电路中由正极流到负极的正电荷,在电源内部逆着电场力的方向,由负极返回到正极去。这个过程不能靠静电力,只能靠某种与静电力方向相反的“非静电力”来实现。因此,电源就是一种提供非静电力的装置,通过非静电力做功,把非电能转化为正负电极之间的电势能。
表征电源特征的重要物理量有两个:一个是电源电动势E,另一个是电源的内电阻(简称内阻)r0。
直流电源的类型很多,不同类型的直流电源,非静电力的性质不同,能量转换的过程也不同。例如,在化学电池中,非静电力来自与离子的溶解和沉积过程相联系的化学作用,化学电池放电时,化学能转化为电能和电路中的内能。在直流发电机中,非静电力来自电磁感应作用,直流发电机供电时,机械能转化为电能和电路中的内能。
直流电源的分类:
直流稳定电源按惯可分为化学电源线性稳定电源和开关型稳定电源它们又分别具有各种不同类型:
化学电源:
我们平常所用的干电池、铅酸蓄电池、镍镉、镍氢、锂离子电池均属于这一类各有其优缺点。
随着科学技术的发展又产生了智能化电池;在充电电池材料方面美国研制人员发现锰的一种碘化物用它可以制造出便宜、小巧、放电时间长多次充电后仍保持性能良好的环保型充电电池。
线性稳定电源:
线性稳定电源有一个共同的特点就是它的功率器件调整管工作在线性区靠调整管之间的电压降来稳定输出。由于调整管静态损耗大需要安装一个很大的散热器给它散热。而且由于变压器工作在工频(50Hz)上所以重量较大。
该类电源优点是稳定性高纹波小可靠性高易做成多路输出连续可调的成品。缺点是体积大、较笨重、效率相对较低。这类稳定电源又有很多种从输出性质可分为稳压电源和稳流电源及集稳压、稳流于一身的稳压稳流(双稳)电源。从输出值来看可分定点输出电源、波段开关调整式和电位器连续可调式几种。从输出指示上可分指针指示型和数字显示式型等等。
开关型直流稳压电源:
与线性稳压电源不同的一类稳电源就是开关型直流稳压电源它的电路型式主要有单端反激式单端正激式、半桥式、推挽式和全桥式。它和线性电源的根本区别在于它变压器不工作在工频而是工作在几十千赫兹到几兆赫兹。功能管不是工作在饱和及截止区即开关状态;开关电源因此而得名。
开关电源的优点是体积小重量轻稳定可靠;缺点相对于线性电源来说纹波较大(一般≤1%VO(P-P)好的可做到十几mV(P-P)或更小)。它的功率可自几瓦-几千瓦均有产品。价位为3 元-十几万元/瓦。