Zdroje elektrického napätia

Podmienkou pre vznik trvalého prúdu vo vodiči je stály zdroj napätia. Na póloch zdroja sa udržiava potenciálový rozdiel. V zdrojoch napätia prebieha zmena rôznych foriem energie na elektrickú energiu. Podľa toho, aký druh energie sa mení na elektrickú energiu, rozoznávame zdroje elektrodynamické, termoelektrické, mechanické, elektrochemické, fotoelektrické, jadrové a iné.

1. Elektrochemický zdroj
V elektrochemickom zdroji vznikajú neelektrostatické sily chemickou reakciou elektród s elektrolytom. Príkladom je galvanický článok alebo akumulátor.
Galvanické články sú zdroje jednosmerného elektrického napätia, skladajúce sa z kladnej a zápornej elektródy ponorenej do vhodne voleného elektrolytu. Podľa druhu elektród a elektrolytov sa galvanické články skladajú:
a)z dvoch rôznych elektród ponorených do dvoch rôznych, ale stýkajúcich sa elektrolytov
b)z dvoch rôznych elektród ponorených do toho istého elektrolytu
c)z dvoch rovnakých elektród ponorených do dvoch rôznych elektrolytov
Ak zapojíme elektródy galvanického článku do elektrického obvodu, bude ním prechádzať jednosmerný elektrický prúd. Pritom prebiehajú elektrochemické procesy na povrchu elektród, ktoré udržujú rozdiel potenciálov medzi elektródami. Týmito procesmi sa vyčerpávajú zásoby aktívnych látok udržujúcich prúd v elektrickom obvode a článok sa vybíja. Elektromotorické napätie pracujúceho galvanického článku(svorkové napätie) je vždy o niečo menšie ako napätie nezapojeného galvanického článku. Je to spôsobené polarizáciou elektród, t.j. zmenou potenciálu elektród prechodom prúdu. Polarizácia sa odstraňuje pomocou depolarizátorov, ktoré obnovujú pôvodný stav elektród a elektrolytu.
Galvanické články schopné regenerácie sa nazývajú akumulátory.

2. Fotoelektrický zdroj
V tomto zdroji vzniká napätie vzájomným pôsobením svetla s elektrónmi v kovoch alebo polovodičoch. Príkladom je fotočlánok. Vo fotočlánku sa mení svetelná energia priamo na energiu elektrickú. Podmienkou vzniku fotoelektromotorického napätia je existencia elektrického poľa v materiáli pred jeho osvetlením. Žiarenie pri dopade na katódu uvoľňuje elektróny, ktoré priťahuje anóda, a obvodom prechádza fotoelektrický prúd. Fotočlánok je umiestený napr. v expozimetroch filmových kamier alebo niektorých fotografických prístrojov.

3. Termoelektrický zdroj
Keďže elektrické potenciály vnútri i na povrchu kovov vzhľadom na ich okolie závisia od teploty, možno z nich vytvoriť obvod, v ktorom výsledný rozdiel potenciálov nebude nulový. Na to je potrebné, aby sa aspoň dve stykové miesta udržovali pri nerovnakých teplotách.Takto vznikajúce napätie sa nazýva termoelektrické napätie a obvod termočlánok(termoelektrický článok).
Termočlánok je zariadenie pozostávajúce z dvoch kovových alebo polovodičových látok vybraných tak, aby v okruhu vznikalo čo najväčšie termoelektrické napätie. V termočlánku ide o priamu premenu tepelnej energie na elektrickú. Kovové termočlánky sa využívajú hlavne v meracej a regulačnej technike na meranie teplôt. Ako zdroje napätia sa využívajú hlavne polovodičové termočlánky , resp. termočlánkové batérie.

4. Mechanický zdroj
Van de Graafov generátor
Tvorí ho duté kovové teleso, obvykle guľa, do vnútra ktorého sa prináša elektrický náboj pomocou uzavretého bežiaceho pásu z kvalitného dielektrika, napr. hodvábu alebo zo špeciálnej gumy. Vo veľkých generátoroch sa náboj privádza na pás z pomocného vysokonapäťového usmerňovača, v malých sa vyrába trením pása. Pri konštrukcii generátora sa musia dodržať zásady vysokonapäťovej techniky. Veľké generátory bývajú namontované v samostatnej hale, majú výšku asi 10 metrov a priemer gule 1,5 až 5 metrov. Z praxe ich vo veľkej miere vytlačili kaskádne generátory, pri ktorých sa vysoké jednosmerné napätie získava usmernením striedavého napätia v tzv. násobiči napätia.

5. Elektrodynamický zdroj
Generátory vyrábajúce striedavý elektrický prúd sa volajú alternátory a generátory jednosmerného prúdu dynamá. Menia mechanickú energiu otáčavého pohybu na energiu elektrickú. Ich činnosť je založená na elektromagnetickej indukcii.
Podľa druhu pohonu generátorov elektrického prúdu sa rozoznávajú turbogenerátory, diselgenerátory, motorgenerátory a pod.

Alternátor sa skladá z pevnej časti - statora a pohyblivej - rotora. Rotor je otáčavo uložený elektromagnet. Má dva krúžky, ktorými sa privádza do magnetu budiaci jednosmerný prúd. Stator je z mäkkej ocele a skladá sa zo vzájomne izolovaných plechov, aby sa zamedzilo vzniku vírivých prúdov. Na statore sú umiestnené pevné cievky. S rotorom sa otáča i ním vytvorené magnetické pole, a tým sa v statorových cievkach indukuje striedavé elektromotorické napätie. Takýto alternátor sa volá synchrónny alternátor a frekvencia ním vyrábaného elektrického prúdu je úmerná rýchlosti otáčania rotora. Pri asynchrónnom, indukčnom alternátore nie je frekvencia vyrábaného elektrického prúdu úmerná rýchlosti otáčania rotora. Podľa spôsobu zapojenia vinutí statora rozoznáva sa jednofázový alebo viacfázový generátor. V elektrárňach sa vyrába výhradne trojfázový prúd. Trojfázový alternátor má rotor rovnaký ako jednofázový, v statore má však pre každú fázu osobitnú cievku.

Dynamo má tiež pevnú časť – stator, a pohyblivú - rotor. Na statore sa nachádzajú vinutia elektromagnetov. Magnet v statore dynama je potrebné budiť elektrickým prúdom. Pri jeho napájaní z vonkajšieho zdroja, napr. akumulátora hovoríme o dyname s cudzím budením, pri jeho napájaní prúdom od samotného dynama hovoríme o dyname s vlastným budením. Regulačnými odpormi v sérii s vinutím možno meniť budenie, a tak aj výstupné napätie dynama. Ako objavili roku 1867 súčasne W. Siemens a Ch. Wheatstone, dynamá sú schopné samobudenia pomocou remanentného magnetizmu magnetického obvodu.
Do elektromagnetov sa zavádza jednosmerný elektrický prúd, ktorý vytvára jednosmerné magnetické pole, v ktorom sa otáča rotor.

Na rotore sú vinutia, v ktorých sa pri otáčaní v jednosmernom magnetickom poli indukujú striedavé napätia. Konce vinutí rotora sú vyvedené na rozrezaný vodivý valec - komutátor, na ktorý priliehajú kefové zberné kontakty. Komutátorom sa indukované striedavé napätie mechanicky usmerní a zo zberných kontaktov sa odoberá slabo pulzujúce jednosmerné napätie. Podľa toho, ako sú vinutia elektromagnetov zapojené do obvodu, rozoznáva sa dynamo sériové, derivačné a zmiešané(kompaundné).
Sériové dynamá sa používajú málo, lebo ich svorkové napätie veľmi závisí od intenzity odoberaného prúdu. S rastúcou intenzitou prúdu odoberaného vonkajším vedením sa zväčšuje spočiatku úmerne aj magnetický indukčný tok v okruhu elektromagnetu. Svorkové napätie sa ustaľuje až pri odbere veľkých prúdov, keď jadro elektromagnetu je už magneticky nasýtené.

Vinutie elektromagnetu derivačného dynama je ku svorkám pripojené paralelne s vonkajším vedením a je tvorené veľkým počtom závitov tenkého drôtu. Preto prúd v nich, najmä keď je elektrický odpor rotora malý, slabo závisí od intenzity prúdu odoberaného vonkajším vedením. Preto aj magnetický indukčný tok v okruhu elektromagnetu, a tým aj svorkové napätie dynama slabo závisia od intenzity odoberaného prúdu.
Stabilizované svorkové napätia poskytujú dynamá zmiešané. Ich elektromagnety majú dve vinutia, z ktorých jedno je s vonkajším vedením zapojené paralelne a druhé sériovo.

Motory na jednosmerný prúd sú, pokiaľ ide o konštrukciu a zapojenie, rovnaké ako dynamá. Každé dynamo možno v zásade použiť aj ako motor a naopak. Pri zapnutí na zdroj napätia s vhodnými parametrami (U, Inom) sa kotva roztočí a môže konať mechanickú prácu. Založené sú na silovom pôsobení magnetického poľa na vodič, ktorým preteká prúd.

Momentová charakteristika jednosmerných motorov značne závisí od ich zapojenia. Najväčší silový moment vyvíjajú pri nulových otáčkach(tzv. záberový moment). Tento je veľmi veľký najmä pri sériových motoroch, lebo cez budiace vinutie ide plný prúd motora. So stúpajúcimi otáčkami klesá budiaci prúd (do kotvy sa indukuje protielektromotorické napätie) a silový moment sa prudko zmenšuje. Sériové motory majú preto otáčky veľmi závislé od záťaže. Bez záťaže stúpnu ich otáčky na veľmi vysokú hodnotu, obmedzenú iba trením v ložiskách a ventilátorom. Charakteristika derivačných a zmiešaných motorov je vyrovnanejšia. Pre veľký záberový moment sa jednosmerné motory používajú ako trakčné motory v elektrických rušňoch, v električkách a pod.

Na niektoré účely je vhodné využívať agregáty z uvedených typov strojov. Medzi najznámejšie patrí zvárací agregát z asynchrónneho motora a dynama, ktorý má „mäkkú" záťažovú charakteristiku, potom Wardov-Leonardov sústroj, ktorý má rovnaké zloženie, ale má dynamo s „tvrdou" charakteristikou a menič kmitočtu, skladajúci sa z asynchrónneho motora a z alternátora na zvýšenom kmitočte, obvykle 300 až 500 Hz.
Časté sú tiež motory na jednosmerný prúd vystrojené mechanickým usmerňovačom (kolektorovým) tak, aby ich bolo možné napájať priamo zo striedavej siete 220 V. Používajú sa pre vysokootáčkové zariadenia najmä ručné vŕtačky, mixéry, vysávače atď.