DC-ток: постоянный ток в электротехнике¶

DC-ток (от англ. Direct Current, «постоянный ток») — электрический ток, направление которого в цепи не меняется со временем, а величина остаётся постоянной или изменяется незначительно. В отличие от переменного тока (AC, Alternating Current), который периодически меняет направление и амплитуду, DC-ток течёт в одном направлении — от положительного полюса источника к отрицательному. В русскоязычной технической литературе DC-ток обычно называют просто «постоянным током».

¶Основные характеристики

Постоянный ток характеризуется постоянной силой тока и напряжением во времени. На осциллограмме напряжение DC-цепи представляет собой горизонтальную линию, в то время как переменный ток описывается синусоидой или иной периодической кривой. Практически любой источник постоянного тока имеет небольшие пульсации — колебания напряжения вокруг среднего значения, но они, как правило, невелики и компенсируются фильтрами.

Основные параметры DC-цепи:

• Напряжение (U) — измеряется в вольтах (В);
• Сила тока (I) — измеряется в амперах (А);
• Сопротивление (R) — измеряется в омах (Ом);
• Мощность (P) — измеряется в ваттах (Вт), вычисляется по формуле P = U × I.

Для расчёта цепей постоянного тока применяется закон Ома: I = U / R. В отличие от переменного тока, в DC-цепях не действуют реактивные сопротивления (индуктивное и ёмкостное), поэтому расчёт существенно проще.

¶История

Первыми источниками постоянного тока были гальванические элементы, созданные в начале XIX века. В 1800 году итальянский физик Алессандро Вольта изобрёл вольтов столб — первое в мире устройство, способное непрерывно вырабатывать электрический ток. В 1821 году российский учёный Эмилий Ленц ввёл понятие «электрический ток» и сформулировал правило для определения направления индукционного тока.

В 1870-х годах Томас Эдисон разработал систему распределения электрической энергии постоянным током и построил первую коммерческую электростанцию в Нью-Йорке (1882). Однако система Эдисона имела серьёзное ограничение: постоянный ток нельзя было легко преобразовать в ток другого напряжения, из-за чего электростанции приходилось строить рядом с потребителями, а потери в линиях электропередачи были значительными. В «войне токов» 1880-х — 1890-х годов победил переменный ток, предложенный Николой Теслой и поддержанный Джорджем Вестингаузом, поскольку трансформаторы позволяли легко повышать и понижать напряжение.

¶Где применяется постоянный ток

Несмотря на то что большая часть мировой энергосистемы работает на переменном токе, DC-ток остаётся незаменимым во многих областях:

• Электроника и вычислительная техника — все современные электронные устройства (компьютеры, смартфоны, телевизоры) работают на постоянном току низкого напряжения (обычно 1,5–48 В);
• Автомобильная промышленность — бортовая сеть легковых автомобилей работает на постоянном токе напряжением 12 В (грузовые — 24 В);
• Аккумуляторы и батареи — все накопители энергии вырабатывают постоянный ток;
• Электротранспорт — трамваи, троллейбусы и электровозы получают постоянный ток от контактной сети (троллейбусы — 600 В, электровозы — 3 кВ);
• Сварка — дуговая сварка постоянным током обеспечивает стабильную дугу;
• Высоковольтные линии электропередачи — в последние десятилетия постоянный ток высокого напряжения (HVDC) активно используется для межсистемных и морских кабелей.

¶Высоковольтные линии постоянного тока

Технология HVDC (High Voltage Direct Current) получила развитие во второй половине XX века. Линии постоянного тока напряжением от 100 кВ до 1100 кВ используются для передачи электроэнергии на большие расстояния — до нескольких тысяч километров. Такие линии имеют меньшие потери, чем переменный ток, при передаче на сверхдальние дистанции, а также позволяют соединять энергосистемы с разной частотой. В России работает несколько HVDC-линий, в том числе БАКЭС — Байкало-Амурская электросистема, и планируется строительство новых объектов для вывоза энергии из Сибири.

¶Преимущества и недостатки

К достоинствам постоянного тока относятся: простота расчёта цепей, отсутствие реактивных потерь, возможность точного регулирования напряжения и тока, стабильность работы электронных компонентов. К недостаткам — сложность и дороговизна преобразования напряжений (требуются инверторы и выпрямители), ограниченная дальность распределительных сетей при низком напряжении, сложность генерации постоянного тока высокого напряжения.

¶Источники

• Физический энциклопедический словарь / Гл. ред. А. М. Прохоров. — М.: Советская энциклопедия, 1983.
• Сивухин Д. В. Общий курс физики. Том III. Электричество. — М.: Наука, 1989.
• ГОСТ 19750-87. Энергетика. Термины и определения.
• Электротехнический справочник / Под ред. И. Н. Бородина. — М.: Издательство МЭИ, 2005.