Теория электрических цепей / 2.3. Что такое постоянное напряжение?
Что означает «неизменное во времени»?
Сигналы, неизменные во времени, называются постоянными. Это означает, что их значение не меняется ни по величине, ни по знаку в течение любого промежутка времени — от микросекунд до часов. Если подключить такой сигнал к входу осциллографа, на экране вы увидите ровную горизонтальную линию (рис. 1), расположенную на определённом уровне напряжения.
Поскольку значение сигнала постоянно, его мгновенное значение u(t) в любой момент времени t равно одному и тому же числу. Поэтому для таких сигналов принято использовать заглавную букву U, а не строчную u, чтобы подчеркнуть отсутствие зависимости от времени:
u(t) = U = const
Также для постоянных сигналов:
— размах напряжения Uₚ = 0 (если отсчёт ведётся от одного и того же уровня),— или Uₚ = U, если сигнал «однополярный» (например, от 0 В до +5 В).
В большинстве практических случаев в электронике под постоянным напряжением понимают однополярный уровень, поэтому справедливо соотношение:
U = Uₘ = Uₚ
где: U — постоянное напряжение, Uₘ — максимальное (и единственное) значение, Uₚ — размах (равный самому напряжению, так как минимальное значение часто принимается за 0 В).
Почему постоянное напряжение не может передавать информацию?
Чтобы передать информацию — будь то звук, изображение, текст или команды управления — сигнал должен меняться. Именно изменения во времени (амплитуде, частоте, фазе) позволяют кодировать данные.
Представьте радио: если передатчик будет излучать только постоянное напряжение, приёмник ничего не услышит — ни музыки, ни речи. Потому что информация = изменение. Постоянный сигнал — это как молчание: оно может быть фоном, но само по себе ничего не говорит.
Поэтому в системах связи, аудиотехнике, телевидении и цифровых сетях используются переменные сигналы:
— гармонические (для несущих частот),— импульсные (в цифровой передаче),
— модулированные (AM, FM, PWM и др.).
Постоянное напряжение не содержит частоты (его спектр — это дельта-функция на нулевой частоте), а значит, не может быть использовано для передачи динамической информации.
Где же тогда применяется постоянное напряжение?
Несмотря на невозможность передачи информации, постоянное напряжение — основа всей современной электроники. Вот ключевые области его применения:
1. Питание электронных схем
Все микросхемы, процессоры, датчики и логические элементы требуют стабильного источника питания. Например:
— Микроконтроллеры работают от 3,3 В или 5 В,
— Операционные усилители — от ±12 В,
— Светодиоды — от 2–3 В через токоограничивающий резистор.
Без постоянного напряжения эти устройства просто не включатся.
2. Установка рабочей точки в аналоговых схемах
В транзисторных усилителях (например, в аудиоусилителях) постоянное напряжение задаёт режим покоя (или рабочую точку). Это необходимо, чтобы переменный сигнал (например, звук) мог свободно колебаться вокруг этого уровня, не искажаясь.
Если рабочая точка выбрана неправильно, сигнал «обрезается» — возникают искажения. Таким образом, постоянное напряжение здесь выступает как опорный уровень, на который «накладывается» полезный переменный сигнал.
3. Логические уровни в цифровой электронике
В цифровых схемах (компьютеры, микроконтроллеры, FPGA) постоянные уровни напряжения обозначают двоичные состояния:
— 0 В → логический «0»,— +5 В, +3,3 В или +1,8 В → логическая «1».
Хотя каждый отдельный уровень не несёт информации, последовательность переключений между ними (0 → 1 → 0 → 0 → 1…) уже кодирует данные. То есть информация передаётся не самим постоянным напряжением, а его изменением во времени — переходами между уровнями.
Сравнение: постоянные vs переменные сигналы
Основные источники постоянного напряжения
Вот типичные устройства, которые генерируют постоянное напряжение:
— Гальванические элементы — химическая реакция → электричество. Пример: батарейки AA, AAA, CR2032.— Аккумуляторы — обратимые химические реакции. Пример: Li-ion в смартфонах, NiMH в пультах.
— Выпрямители — преобразуют переменный ток сети в постоянный. Пример: блоки питания, зарядные устройства.
— Стабилизированные источники — поддерживают точное напряжение при изменении нагрузки. Пример: лабораторные БП, промышленные системы.
Важно: даже «идеальный» источник в реальности имеет небольшие пульсации, но в учебной модели мы их игнорируем.
💡 Интересный факт:
Первый в мире источник постоянного напряжения создал итальянский учёный Алессандро Вольта в 1800 году — и это была «батарейка» из монет!
Он сложил чередующиеся диски из цинка и меди, проложив между ними кусочки ткани, смоченные солёной водой. Эта конструкция, названная «вольтовой кучей», вырабатывала устойчивое постоянное напряжение около 0,76 В на пару. Соединив десяток таких пар, Вольта получил напряжение свыше 7 вольт — достаточно, чтобы почувствовать лёгкий удар током!
Это изобретение не только дало первый надёжный источник постоянного тока, но и положило начало электрохимии, электротехнике и даже нейрофизиологии — ведь именно с помощью «вольтовой кучи» учёные впервые начали изучать, как электричество влияет на нервы и мышцы.
Именно в честь Вольты названа единица измерения напряжения — вольт (В). Так что каждый раз, когда вы вставляете батарейку в пульт, вы используете технологию, основанную на 225-летнем изобретении!