Как варить постоянным током: В чем разница между сваркой переменным и постоянным током? – Всё для сварки

В чем разница между сваркой переменным и постоянным током? – Всё для сварки

Если вы уже работали со сваркой или хотя бы немного знакомы с ней, то, скорее всего, слышали термины “AC” и “DC”. AC и DC — это различные типы токов, которые используются в процессе сварки. Поскольку при сварке используется электрическая дуга, создающая тепло, необходимое для расплавления металла, ей необходим стабильный ток с различной полярностью, которая зависит от свариваемого материала.

Чтобы сделать качественный сварной шов, для начала нужно понять, что означают эти два тока на сварочном аппарате, а также на электродах.

Но сначала: в чем разница между сваркой переменным и постоянным током?

Сварка DC и AC относится к полярности тока, проходящего через электрод аппарата. AC означает переменный ток, а DC — постоянный. Прочность и качество сварного шва будут зависеть от полярности электрода.

Что такое полярность?

Скорее всего, вы знакомы с термином «полярность».

Электрические цепи имеют полюса — отрицательный и положительный. В цепи с постоянным током (DC) движение электронов идет в одном направлении от плюса к минусу. Применительно к сварке отрицательный полюс получает меньше тепловой нагрузки.

Переменный ток (AC), как следует из названия, меняется в направлении, в котором он идет. Половину времени он идет в одном направлении, а другую половину — в противоположном. Переменный ток меняет свою полярность примерно 120 раз в секунду при токе 60 Гц.

Прямая полярность при сварке постоянным током дает более глубокое проплавление металла. А обратная полярность отлично подходит для сварки тонколистовых заготовок за счет меньшего тепловложения.

Покрытые электроды иногда могут использовать любую полярность, в то время как некоторые будут работать только на одной.

Качественный сварной шов предполагает правильное проплавление и равномерное наплавление валика, а для этого необходимо использовать правильную полярность. При неправильной полярности вы не только получаете плохое проплавление и неравномерное образование валика, но и чрезмерное разбрызгивание и перегрев, а в некоторых случаях можно даже потерять контроль над дугой.

Электрод также может быстро сгореть.

Большинство сварочных аппаратов для дуговой сваркиимеют обозначенные клеммы или направления, чтобы сварщики точно знали, как настроить сварочный аппарат на переменный или постоянный ток. Некоторые сварочные аппараты также используют переключатели для изменения полярности, а некоторые требуют переподключение клемм кабеля.

Сварка различными токами

Различные типы сварных швов требуют разного вида токов из-за природы их возникновения и оказываемого ими воздействия.

Сварка переменным током

Сварка переменным током считается уступающей сварке постоянным током и поэтому используется редко. Сварочные аппараты переменного тока чаще всего используются только при отсутствии аппаратов постоянного тока.

Сварку переменным током чаще всего используют для соединения толстолистового металла, быстрой наплавки и TIG-сварки с высокой частотой, хотя иногда она также используется для устранения проблем, связанных со сварочной дугой. Проблемы с дугой возникают, когда она прерывает сварное соединение, которое должно свариваться при более высоких уровнях тока, что происходит в основном при работе с электродами, имеющими большой диаметр.

Сварка переменным током также может использоваться для намагниченных металлов, что невозможно при сварке постоянным током. Постоянное изменение направления тока при сварке переменным током означает, что намагниченный металл не будет влиять на электрическую дугу.

Переменный ток также лучше подходит при работе с высокими температурами. Так как он обеспечивает высокий уровень тока, что создает глубокий провар, и поэтому используется для сварки при строительстве кораблей.

Сварка переменным током хорошо подходит для ремонта оборудования, так как многие из них имеют намагниченные поля и участки, подвергшиеся ржавчине.

Однако, нестабильность направления при сварке переменным током также может быть недостатком в том, что процесс имеет меньшую производительность, чем при сварке постоянным током.

Сварка постоянным током

Сварка постоянным током, как и сварка переменным током, имеет свои преимущества, и используется в случаях, когда сварка переменным током не может обеспечить должного результата, например, вертикальная сварка, пайка одним припоем или TIG-сварка нержавеющей стали.

Сварка на постоянном токе имеет более высокую скорость осаждения, она лучше всего подходит для сварщиков, которым требуются большие размеры наплавленного слоя. Несмотря на то, что сварка переменным током обеспечивает лучшее проплавление, она имеет более низкую скорость осаждения, что может быть непригодно.

При сварке постоянным током образуется также меньше брызг, чем при сварке переменным током, что делает сварочный шов более равномерным и гладким. Постоянный ток также является более надежным, и поэтому с ним легче работать, так как электрическая дуга остается стабильной.

Однако, несмотря на то, что само оборудование имеет более низкую стоимость, процесс фактического использования постоянного тока немного дороже.

Это происходит из-за того, что необходимо специальное оборудование для преобразования переменного тока на постоянный, потому что это не предусмотрено электрической сетью. Однако, поскольку постоянный ток лучше подходит для большинства видов сварочных процессов, эти затраты считаются необходимыми.

Хотя сварка постоянным током лучше для многих металлов, она не рекомендуется при работе с алюминием, так как для этого требуется выделение тепла высокой интенсивности, что невозможно при использовании постоянного тока. Кроме того, если при работе с постоянным током будет создаваться магнитное поле, то возрастет риск дугового разряда, что может быть опасно.

Какой электрод использовать?

Для сварки методом TIG чаще применяют постоянный ток прямой полярности. Иногда также используют ток обратной полярности или переменный ток. В этих случаях применяют вольфрамовые электроды с легирующими добавками для улучшения стабильности дуги.

Например, используют:

• WP — вольфрамовые электроды для сварки на переменном токе;
• WL-20 и WL-15 — легированные вольфрамовые электроды для сварки на постоянном и переменном токах.

Для ММА сварки в основном использую покрытые плавящиеся электроды.

В настоящее время производители выпускают электроды с четырьмя видами обмазки:

• Кислое (маркировка “А”). В его составе железо и марганец в довольно большом объеме. Можно сваривать неочищенный металл.
• Основное (маркировка “Б”). Эти электроды можно использовать для работы на переменном токе, но из-за малого потенциала ионизации не рекомендуется этого делать.
• Рутиловое (маркировка “Р”). Лучше всего подходит для работы на переменном токе. Небольшое разбрызгивание металла и хорошее качество шва.
• Целлюлозное (маркировка “Ц/С”). Подходит для работы на переменном и постоянном токе, но выдает много брызг металла.

Существует несколько различных видов электродов для сварки переменным током, но многие из них могут использоваться как для сварки переменным током, так и для сварки постоянным током.

Выбор правильной полярности и тока, а также правильного электрода может иметь решающее значение для выполнения хорошего сварного шва.

Сварка постоянным током

Кроме статьи «Сварка постоянным током» смотрите также:

Переменный и постоянный сварочный ток

Переменный и постоянный сварочный ток, их отличия и особенности применения вызывают много вопросов у сварщиков-любителей. Рассмотрим основные отличия и сферу их применения на практике.

Что такое переменный сварочный ток

Переменный ток синусоидально изменяется по направлению через одинаковые промежутки времени. В бытовой электросети он имеет частоту 50 Гц, и если для сварки использовать сварочный трансформатор, то частота его сварочного тока также будет 50 Гц.

Что такое постоянный сварочный ток

Постоянный ток получают из переменного при помощи выпрямителей и стабилизаторов, которыми оборудованы сварочные аппараты, рассчитанные на работу постоянным током. Он бывает прямой и обратной полярности — об этом вы можете подробнее прочитать тут: http://www.elektrosvarka-blog.ru/polyarnost-svarochnogo-toka/.

Отличие и преимущества постоянного сварочного тока на практике

• Низкая степень отклонений сварочной дуги. Это позволяет снизить уровень окалины в сварном шве и добиться максимальной ровности и прочности шва.
• Высокий КПД и меньшая шумность работы.
• Меньшее количество присадочного материала (электродов), необходимого для сварки.
• Практически отсутствую брызги расплавленного металла в процессе работы.

Тем не менее, в некоторых ситуациях «постоянка» не годится, и нужно использовать «переменку».

Переменный и постоянный сварочный ток. Особенности применения

Переменный больше всего подходит для сварки тугоплавких металлов, содержащих оксиды. Также его используют для сварки алюминия, т.к. изменение направления движения электронов разрушает оксидную плёнку на поверхности алюминия. Аналогичная ситуация и со сваркой металлов с загрязнёнными поверхностями (если их невозможно очистить), поскольку изменение направления движения электронов разрушает и грязь.

Кроме того, аппараты переменного тока обычно выбирают для таких работ, где не требуется высокая точность шва, но при этом есть необходимость снизить затраты на сварку.

Однако если вам требуется сварить, например, тонкостенные детали, то лучше всего использовать «постоянку». Его также используют и в том случае, если прочность и долговечность конструкции играют ключевую роль.

Ещё по теме:

Каким должен быть сварочный ток на самом деле

Полярность сварочного тока — прямая и обратная

Полярность при сварке. Что означают названия полярности

Видеокурсы:

Как варить электросваркой

Как установить сварочный ток правильно

Как выбрать маску «хамелеон»

Как настроить маску «хамелеон» правильно

Как выбрать сварочный инвертор

Прямая и обратная полярность при сварке инвертором

Сварку металлов постоянным током можно проводить двумя режимами: с прямой полярностью и обратной. Прямая полярность при сварке – это когда к электроду подключается минус, к металлической заготовке плюс. При сварке током обратной полярности все наоборот, то есть, к стержню подключается плюс, к изделию минус.

Содержание страницы

Зачем все это нужно

При сварке постоянным током на кончике электрода образуется термическое пятно, которое обладает высокой температурой. В зависимости от того, какой полюс подключен к электроду, будет зависеть и температура на его кончике, а соответственно будет зависеть режим сварочного процесса. К примеру, если подключен к расходнику плюс, то на его конце образуется анодное пятно, температура которого равна 3900С. Если минус, то получается катодное пятно с температурой 3200С. Разница существенная.

Что это дает.

• При сварке током прямой полярности основная температурная нагрузка ложится на металлическую заготовку. То есть, она разогревается сильнее, что позволяет углубить корень сварочного шва.
• При сварке током обратной полярности концентрация температуры происходит на кончике электрода. То есть, основной металл при этом нагревается меньше. Поэтому этот режим в основном используют при соединении заготовок с небольшой толщиной.

Необходимо добавить, что режим обратной полярности применяют также при стыковке высокоуглеродистых и легированных сталей, нержавейки. То есть, тех видов металлов, которые чувствительны к перегреву.

Внимание! Так как на анодном и катодном пятне температура разная, то от правильного подключения сварочного аппарата будет зависеть расход самого электрода. То есть, обратная полярность при сварке инвертором – это перерасход электродов.

В процессе сварки постоянным током необходимо добиться того, чтобы металл заготовок прогрелся хорошо, практически до состояния расплавленного. То есть, должна образоваться сварочная ванна. Именно прямая и обратная полярность режима сваривания влияет на качественное состояние ванны.

• Если сила тока будут большой, а значит, и температура нагрева также будет высокой, то металл разогреется до такого состояния, что электрическая дуга будут просто его отталкивать. Ни о каком соединении здесь уже говорить не придется.
• Если ток будут, наоборот, слишком мал, то металл не разогреется до необходимого состояния. И это тоже минус.

При прямой полярности внутри ванны будет создана среда, которой легко руководить электродом. Она растекается, поэтому одно движение стержня создает направленность сварного шва. При этом легко контролируется глубина сваривания.

Кстати, скорость движения электрода напрямую влияет на качество конечного результата. Чем скорость выше, тем меньше тепла поступает в зону сварки, тем меньше прогревается основной металл заготовок. Уменьшая скорость, увеличивается температура внутри сварочной ванны. То есть, металл хорошо прогревается. Поэтому опытные сварщики выставляют на инверторе ток больше необходимого. А вот качество сварного шва контролируют именно скоростью перемещения электрода.

Что касается самих электродов, то выбор полярности обусловлен материалом, из которого он изготовлен, или видом обмазки. К примеру, использование обратной полярности при сварке постоянным током, в которой применяется угольный электрод, приводит к быстрому расходу сварных стержней. Потому что при высоких температурах угольный электрод начинает разрушаться. Поэтому этот вид используется только при режиме прямой полярности. Чистый металлический стержень без покрытия, наоборот, хорошо заполняет сварочный шов при обратной полярности.

Глубина и ширина сварочного шва также зависит от используемого режима. Чем выше ток, тем происходит увеличение провара. То есть, увеличивается глубина сварного шва. Все дело в погонной энергии на дуге. По сути, это количество тепловой энергии, проходящей через единицу длины сварочного шва. Но увеличивать ток до бесконечности нельзя, даже в независимости от толщины свариваемых металлических заготовок. Потому что тепловая энергия создает давление на расплавленный металл, что вызывает его вытеснение. Конечный результат такой электросварки при повышенном токе – прожог сварочной ванны. Если говорить о влиянии прямой и обратной полярности при сварке инвертором, то большую глубину проплавки может обеспечить режим обратной полярности.

https://www.youtube.com/watch?v=GrVBaIZ3ddE

Некоторые особенности сваривания при прямой полярности

Что такое прямая полярность определено. Указаны некоторые качества сварных швов при проведении процесса соединения в режиме прямой полярности. Но остались некоторые тонкие моменты.

• В сварочную ванну металл от электродов или присадочных материалов переносится большими каплями. Это, во-первых, большой разбрызг металла. Во-вторых, увеличение коэффициента проплавления.
• При таком режиме электрическая дуга нестабильна.
• С одной стороны снижение глубины провара, с противоположной снижение внедрения углерода в массу металла заготовки.
• Правильный нагрев металла.
• Меньший нагрев стержня электрода или присадочной проволоки, что позволяет сварщику использовать токи с более высоким значением.
• При некоторых сварочных материалах наблюдается увеличение коэффициента наплавки. К примеру, при использовании плавящихся электродов в инертных и некоторых активных газах. Или при применении присадочных материалов, которые наносятся под флюсами некоторых типов, например, марки ОСЦ-45.
• Кстати, прямая полярность влияет и на состав материала, оказавшегося в шве между двумя металлическими заготовками. Обычно в металле практически отсутствует углерод, но зато в большом количестве присутствует кремний и марганец.

Особенности сварки током обратной полярности

Сваривание тонких заготовок – процесс с повышенной трудностью, потому что постоянно присутствует опасность появления прожогов. Поэтому их соединяют режимом обратной полярности. Но есть и другие методы, чтобы снизить опасность.

• Снизить потенциал тока, чтобы уменьшить температуру на заготовке.
• Сварку лучше проводить прерывистым швом. К примеру, сделать небольшой участок в начале, затем переместиться в центр, после начать стыковку с противоположной стороны, далее начать варить промежуточные участки. В общем, схему можно менять. Таким способом можно избежать коробления металла, особенно если длина стыка больше 20 см. Чем больше сваренных отрезков, чем короче каждый участок, тем меньше процент коробления металла.
• Очень тонкие металлические заготовки сваривают с периодическим прерыванием электрической дуги. То есть, электрод выдергивается из зоны сварки, затем тут же быстро снова поджигается, и процесс продолжается.
• Если проводится сварка внахлест, то две заготовки должны быть герметично прижиматься друг к другу. Небольшой воздушный зазор приводит к прожогу верхней детали. Для создания плотного прилегания нужно использовать струбцины или любой груз.
• При стыковочном соединении заготовок лучше минимизировать зазор межу деталями, а идеально, чтобы зазора не было бы вообще.
• Для сварки очень тонких заготовок с неровными кромками под стык необходимо уложить материал, который бы хорошо забирал на себя тепло процесса. Обычно для этого используют медную пластину. Можно и стальную. В данном случае, чем больше толщина вспомогательного слоя, тем лучше.
• Можно провести отбортовку кромок свариваемых изделий. Угол отбортовки – 180°.

Специалисты же рекомендуют, перед тем как начать сварку тонких заготовок обратной полярностью, лучше немного потренироваться на дефектном листе металла. Лучше потратите время на тренировку, чем латать дыры от прожога.

марки, какие лучше, маркировка, особенности постоянки

Сварка постоянным током имеет больший спектр применения, нежели соединение с использование переменного напряжения. Это обусловлено несколькими неоспоримыми преимуществами данного вида сваривания. Поэтому электроды для сварки постоянным током являются более востребованными. Именно постоянные материалы мы рассмотрим в статье.

Следует отметить, что не все оборудование имеет возможность давать постоянное напряжение. Если мастер сварочного дела располагает трансформатором без выпрямителя или генератором переменного тока, то необходимо использовать расходники для переменного тока.

Особенности сварки постоянным током

Сварочный процесс с применением постоянного напряжения имеет ряд отличительных свойств. Некоторые характеристики можно рассмотреть как достоинства, другие в качестве недостатков.

Плюсы:

• практически полное отсутствие разбрызгивания металла обеспечивает сокращение издержек электродов;
• постоянка делает работу сварщика проще;
• высокая производительность и эффективность труда;
• устойчивость и стабильность дуги даже при воздействии негативных влияний: порывы ветра, колебания напряжения и другие;
• качественный и аккуратный шов;
• возможность соединения изделий из тонкого металла;
• отсутствие непровариваемых участков.

Минусы:

• сваривание с применением постоянного тока осуществляется при помощи инверторных аппаратов. Данное оснащение отличается высокой стоимостью;
• “магнитное дутье” создает проблемы с нестабильной дугой в сложных местах (напр. углах).

Прямая или обратная полярность

Нужно знать сварщику! Соединение металлов постоянным током можно проводить двумя режимами: с прямой и обратной полярностью. Первый режим: к электроду подключается минус, а к металлическому изделию – плюс. При сваривании обратной полярности наоборот: к электроду- плюс, к заготовке – минус.

Сварочные работы прямой полярностью образуют на кончике электрода катодное пятно, обратной – анодное. В районе анодного пятна температура доходит до 3900°С, в районе катодного – до 3200°С. Во время сваривания на обратной полярности тепло концентрируется на обрабатываемом изделии, из-за этого происходит углубление корня сварочного шва.

Поэтому напряжение обратной полярности лучше применять при сваривании толстостенных изделий и в тех случаях, когда требуется высокая температура.

Ток прямой полярности используется для работы со следующими материалами:

• конструкции из тонколистовой стали;
• легкоплавкие металлы;
• чувствительные к перегреву стали: нержавеющие, легированные и высокоуглеродистые.

Особенности сварки при обратной полярности:

• большое разбрызгивание и высокий коэффициент проплавления обусловлены тем, что металл от материалов переносится в сварочную ванну большими каплями;
• электрическая дуга отличается нестабильностью;
• правильный нагрев изделия;
• некоторые сварочные материалы показывают увеличение коэффициента наплавки;
• сварочный шов имеет нестандартный состав материала: отсутствие углерода, большое количество кремния и марганца.
• меньший нагрев стержня позволяет специалисту использовать токи с более высоким значением.

Особенности соединения при обратной полярности:

• необходимость снижения потенциала тока для уменьшения температуры изделия;
• рекомендуется осуществлять сваривание прерывистым швом;
• очень тонкие детали свариваются с периодическим прерыванием дуги;
• при соединении внахлест, заготовки должны герметично прижиматься друг к другу. Несоблюдение данного условия может привести к прожиганию верхней детали.
• стыковочное соединение должно проводиться с минимальным зазором или, лучше всего, вообще без зазора;
• при сварки тонких изделий с неровными кромками следует укладывать под стык медную или стальную пластину. Подобный вспомогательный слой будет забирать часть тепла от сварочного процесса;
• можно провести отбортовку соединяемых кромок, угол – 90°.

Полезное видео

Посмотрите ролик, где наглядно разъясняется разница использования полярностей.

[ads-pc-2][ads-mob-2]

Маркировка электродов для постоянного тока

Различные типы сварочных материалов имеют собственную маркировку. Маркировка содержит основную информацию об электроде. Формат данных сведений включает 12 цифровых комбинаций, каждая из которых имеет собственное значение. Основной особенностью маркировок расходников для постоянного тока является цифра “0”, расположенная в конце записи. Именно она указывает, что определенная марка рассчитана только на постоянный ток.

Цифра “0” в строке “E 513 B20” обозначает, что данные электроды используются для сварки постоянным током обратной полярности.

Как выбрать

Как выбрать электроды постоянного тока. На рынке сварочных материалов представлено большое количество производителей и поставщиков электродов. Далее мы рассмотрим факторы, с помощью которых можно определить какие электроды лучше для постоянного тока.

При выборе расходников, в первую очередь, необходимо обращать внимание на бренд сварочных материалов. С положительной точки зрения себя зарекомендовали следующие торговые марки: ESAB, ЛЭЗ, Ресанта, Lincoln Electric, Kobelco. Узнать, какие самые популярные, можно, посмотрев результаты опроса в рейтинге.

Следующие составляющие определяются в соответствии с поставленной задачей.

При выборе диаметра электрода следует учитывать какой тип стали предстоит сваривать. Каждая марка материалов имеет определенное назначение.

Также необходимо учесть специфику сварки: бытовая, производственная или промышленная.

Нужно определить следующие параметры:

Важное значение играет покрытие сварочных материалов. Начинающим и неопытным мастерам лучше применять электроды с рутиловой обмазкой. Однако, такой тип покрытия не подойдет для соединения ответственных конструкций.

Ознакомившись с вышеперечисленными характеристиками, без особого труда можно определить какие лучше выбрать электроды для постоянного напряжения.

Лучшие марки

Рассмотрим лучшие марки электродов постоянного тока по мнению сварщиков.

Сварочные электроды «УОНИ-13/55» в упаковке.

1. Электроды УОНИ-13/55 являются одними из самых востребованных сварочных материалов для постоянного напряжения. Применяются для соединения ответственных деталей и конструкций из низколегированных и углеродистых сталей.

Достоинства: сварной шов обладает достаточной пластичностью и ударной вязкостью; покрытие электродов обеспечивает низкое содержание в металле шва газов и различных нежелательных примесей; проволока Св-08 или Св-08А, являющаяся базовым материалом для стержня, гарантирует долговечность шва; легкий поджиг дуги.

2. УОНИ-13/45 предназначены для сварки углеродистых и низколегированных сталей. Преимущества: стойкость сварного шва к образованию горячих и холодных трещин; пластичность и хорошая ударная вязкость соединения; высокая герметичность позволяет заваривать данными электродами емкости, эксплуатирующиеся под давлением; швы менее склонны к старению по сравнению со швами, выполненными материалами других марок.

3. ОЗЛ-6 – электроды, используемые для сварки жаропрочных сталей. Достоинства: шов не подвержен образованию пор и трещин, а также воздействию коррозии; металл шва обладает жаростойкостью; данная марка подходит для работы с металлами разных структур.
[ads-pc-3][ads-mob-3]

4. ОЗС-12 применяются для сварки низколегированных и углеродистых сталей. Плюсы использования данной марки: сварочный процесс можно проводить во всех положениях; возможно сваривание кромок с небольшим содержанием ржавчины; сварной шов характеризуется прочностью и долговечностью; устойчивая дуга; во время работ практическим не выделяются токсичные вещества.

5. ЦЛ-11 предназначены для сваривания коррозионностойких и хромоникелевых сталей. Преимущества: сварное соединение отличается повышенной стойкостью к коррозии; малое разбрызгивание; устойчивая дуга; шлак отделяется на удовлетворительном уровне.

6. АНО-21 используются для работы с углеродистыми и низколегированными сталями. Данная марка пользуется особым спросом у профессионалов и у начинающих мастеров. Обусловлено это несколькими причинами: стабильность, мягкость и легкая зажигаемость дуги; малое разбрызгивание металла; металл шва имеет мелкочешуйчатую структуру.

7. LB-52U используются для сваривания углеродистых и низколегированных сталей. Достоинства: высокая производительность; стабильная дуга; минимальное разбрызгивание; сварка может проводится в любом пространственном положении; высокая стойкость к образованию трещин.

8. МР-3 для работы с ответственными элементами из углеродистых и низколегированных сталей. Преимущества: высокая стойкость шва к образованию горячих трещин и пор; стабильная и мощная сварочная дуга; разбрызгивание металла находится на минимальном уровне; шлаковая корка легко отделяется.

9. ОЗЧ-2 – электроды, предназначенные для сварки и наплавки чугуна. Плюсы: универсальность данной марки; простота использования; устойчивое горение дуги; низкий уровень разбрызгивания; сварной шов характеризуется пластичностью, которая препятствует появлению трещин; легкая отделяемость шлака.

Больше информации:

Марки электродов отобраны по полярностям и дано больше информации по сварочному току на этой странице:

Где купить электроды для постоянного тока.

Что такое прямая и обратная полярность при сварке постоянным током

Качественное сварное соединение, при работе с аппаратами постоянного тока, во многом зависит от их настроек. Даже самый простой инвертор имеет не только настройки силы тока, но и полярности. Чаще всего, по умолчанию установлена прямая полярность при сварке и вы можете годами работать со своим инвертором, не зная всех его возможностей. Если у вас возникла необходимость сварить высоколегированную сталь или не получается добиться качественного шва, то знание всех тонкостей настроек вам просто необходимы. О том, какая бывает полярность и как она влияет на сварочные работы мы и поговорим.

Что такое прямая и обратная полярность

Сварка постоянным током подразумевает наличие гнезда, для подключения к “+” и “–” сварочного аппарата. В зависимости от того, куда подключена масса, а куда электрод и различают полярность.

• Прямая полярность – схема подключения, при которой к плюсовому гнезду присоединяется масса, а к минусу – электрод. При этом род и полярность тока обуславливает существование анодного и катодного пятен. При таком подключении анодное(более горячее) образуется на стороне заготовки.
• Обратная полярность – масса присоединена к минусу, а электрод к плюсу. На обратной полярности при сварке постоянным током анодное пятно с более высокой температурой, образуется на противоположной стороне, то есть – электроде.

Обратите внимание! Сварка переменным током подразумевает самостоятельное изменение полярности до сотни раз в секунду, поэтому в таких случаях соблюдать схему подключения не имеет смысла.

Чем обусловлен выбор полярности

Изменяя тип подключения, можно сконцентрировать нагрев или на свариваемой детали или на электроде (перемещая анодное пятно). За нагрев отвечает плюсовое гнездо, поэтому при прямом подключении, когда плюс присоединен к металлу наблюдается больший нагрев сварного соединения, а при обратной полярности больше греется электрод.

Благодаря этой особенности мы можем выбирать схему подключения исходя из:

• Толщины металла. Если мы свариваем толстые детали или средней толщины, то подойдет прямое подключение, при котором тепло, сконцентрированное на изделии поможет получить более глубокий шов и качественный провар. Также этот вид подключения подходит для отрезания металлов различной толщины. Тонкие металлы лучше всего сваривать при обратной полярности, концентрируя большую часть тепла на электроде. Таким образом деталь не будет поддаваться перегреву, а сам электрод будет плавиться быстрей.
• Типа металла. Возможность изменять локализацию теплового пятна помогает подобрать наиболее эффективные схемы работы для различных металлов. К примеру, если мы варим нержавеющие стали или чугун, то необходимо обратное подключение, помогающее избежать перегрева сплава и формирования тугоплавких соединений. Для алюминия необходимо прямое подключение иначе пробиться через окислы будет очень сложно. Перед началом работ внимательно изучите рекомендации по настройки аппарата к конкретному сплаву.
• Типа электрода или проволоки. Как и металлы, электроды имеют свои особенности температурных режимов, в большей степени связанных с типом флюса. К примеру, для работы с угольными электродами нельзя использовать обратную полярность иначе флюс перегреется и электрод придет в негодность. Чтобы подобрать настройку, подходящую для вашего электрода смотрите на тип проволоки и флюса или воспользуйтесь рекомендациями производителя. Говоря о проволоках для полуавтоматов, то они тоже имеют рекомендации, относительно подключения минуса и плюса аппарата.

Теперь вы знаете, что может повлиять на настройки подключения. Бывают случаи, когда металл требует одних, а электрод совсем других настроек. В таких случаях следует искать компромиссы, подстраивая силу тока и рабочие циклы.

Запомните! Тип подключения не зависит от пространственного положения.

Особенности сварки током прямой полярности

Прямая полярность при работе с постоянным током имеет ряд особенностей. Некоторые из них, мы уже перечислили, на остальные стоит обратить особое внимание:

• сварной шов получается глубоким, но достаточно узким.
• подходит для большинства сталей, толщиной от 3-х мм.
• цветные металлы с применением вольфрамового стержня варятся только прямой полярностью.
• характеризуется стабильной дугой и как следствие – более качественным швом.
• запрещено использовать электроды для сварочных аппаратов переменного тока.
• лучше подходит для резки металла.

Особенности сварки током обратной полярности

Как и прямая, обратная полярность при сварке инвертором имеет ряд особенностей, зная которые вы сможете избежать ряда ошибок, свойственных новичкам. Стоит выделить такие особенности:

• при сварке постоянным током на обратной полярности шов получается менее глубоким, но более широким
• отлично подходит для сваривания тонких металлов и средней толщины. При работе с толстыми заготовками качество шва резко снижается.
•  запрещено работать обратной полярностью с электродами, чувствительными к перегреву.
• при низких токах наблюдается значительное снижение качества сварного шва из-за скачущей дуги.
• помимо обратного подключения, для работы с высоколегированными сталями следует строго придерживаться рекомендаций о рабочем цикле и остывании заготовки.

Заключение

Сварочные аппараты постоянного тока, такие как инверторы или полуавтоматы – достаточно просты, чтобы использовать в быту. Именно поэтому спрос и предложение этих устройств на рынке постоянно растет. Этому способствует их доступность, дешевизна и постоянным током варить проще, чем переменным. Однако чтобы получить качественное, красивое и долговечное сварное соединение нужно знать ряд технологических особенностей, в том числе предназначение и виды полярности. Благодаря знаниям из этой статьи и источнику постоянного тока своими руками вы сможете выполнить любые сварочные работы. Главное – тщательный подход к работе и соблюдение всех защитных мер.

Глава 4. ЭЛЕКТРОДУГОВАЯ СВАРКА ПОСТОЯННЫМ ТОКОМ

Схема самодельного сварочного аппарата постоянного тока

Трансформатор Тр 1 – обычный сварочный, без каких-либо переделок. Лучше, если он будет иметь жесткую характеристику, то есть вторичная обмотка намотана поверх первичной. Диоды D 1 – D 4 – любые, рассчитанные на ток не менее 100 А.

Радиаторы диодов подбирают такой площади, чтобы нагрев диодов в процессе работы не превышал 100°С. Для дополнительного охлаждения можно использовать вентилятор.

Конденсатор С1 – составной из оксидных конденсаторов общей емкостью не менее 40 000 мкФ. Конденсаторы можно использовать любой марки емкостью по 100 — 1000 мкФ каждый, включая их параллельно. Рабочее напряжение не менее 100 В. Если в работе такие конденсаторы перегреваются, то их рабочее напряжение следует брать не менее 150 В. Возможно использование конденсаторов и других номиналов.

Если планируется работать только на больших токах, то конденсаторы можно вообще не ставить. Дроссель Др 1 – обычная вторичная обмотка сварочного трансформатора. Желательно, чтобы сердечник был набран из прямоугольных пластин. Через него не течет ток подмагничивания. Если используется тороидальный сердечник, то в нем необходимо ножовкой по металлу пропилить магнитный зазор.

Резистор R 1 – проволочный. Можно использовать стальную проволоку диаметром 6 – 8 мм и длиной несколько метров. Длина зависит от напряжения вторичной обмотки вашего трансформатора и от тока, который вы хотите получить. Чем длиннее проволока, тем меньше ток. Для удобства ее лучше намотать в виде спирали.

Получившийся у вас сварочный выпрямитель допускает сварку прямой и обратной полярности.

Сварка прямой полярности – на электрод подается «минус», на изделие «плюс».

Сварка обратной полярности – на электрод подается «плюс», на изделие – «минус» (показано на рис. 4. 1.).

Если трансформатор Тр 1 имеет свою регулировку тока, то лучше всего установить на нем максимальный ток, а избыток тока гасить сопротивлением R 1.

Сварка чугуна

Практикой частных сварщиков отработаны два надежных и эффективных способа сварки чугуна.

Первый используется для сварки изделий простой конфигурации, там, где чугун может «потянуться» вслед за остывающим швом. Следует учитывать, что чугун – абсолютно непластичный металл, а каждый остывающий шов делает поперечную усадку примерно на 1 мм.

Таким способом можно сваривать отвалившееся ушко станины, лопнувший пополам чугунный корпус и так далее.

Перед сваркой трещину разделывают V-образной разделкой на всю толщину металла.

Заваривать разделку можно любым электродом, хотя лучшие результаты дает сварка электродом марки УОНИ (с любыми цифрами) на постоянном токе обратной полярности.

Накладки следует наваривать во всех возможных местах. Чем их больше, тем сварное соединение прочнее. Наваривать накладки следует вдоль действующего усилия.

Сварные конструкции с накладками часто оказываются прочнее исходной чугунной отливки.

Второй способ разработан для изделий сложной конфигурации: блоков цилиндров, картеров и так далее. Чаще всего он используется для устранения течи различных жидкостей.

Перед сваркой трещина очищается от грязи, масла, ржавчины.

Для сварки используется медный электрод диаметром 3 – 4 мм. Ток постоянный обратной полярности.

Перед сваркой трещину или заплатку ставят на точечные прихватки.

Сварку ведут короткими швами вразброс. Первый шов выполняется в любом месте. Длина его не более 2 см.

Сразу после проварки шва его интенсивно проковывают молотком.

Остывающий шов уменьшается в размерах, а проковка, наоборот, его раздает. Проковку выполняют примерно минуту.

Затем дожидаются полного остывания металла. Остывание контролируют рукой. Если прикосновение ко шву не вызывает болезненных ощущений, сваривают второй короткий шов такой же длины.

Второй и все последующие швы сваривают как можно дальше от предыдущих. Их длина также в пределах 2 см. После сварки каждого короткого шва идет проковка и остывание.

Последними проваривают замыкающие участки между короткими швами. В результате получается сплошной шов.

Определение сорта стали по искре

В ремонтной практике достаточно много случаев сварки сталей, неизвестных по химическому составу. Без определения состава таких сталей качественная их сварка невозможна.

Существует способ определения содержания углерода в стали с точностью до ±0,05%. Он основан на соприкосновении испытываемого металла с вращающимся наждачным кругом. По форме образующихся при этом искр можно судить как о процентной доле углерода, так и о наличии легирующих примесей.

Углерод в отделяемых частичках металла сгорает, образуя вспышки в виде звездочек. Звездочки характеризуют содержание углерода в испытуемой стали. Чем выше в ней содержание углерода, тем усиленнее сгорают частички углерода и тем больше число звездочек (Рис. 4. 7.).

Такую пробу желательно проводить на карборундовом круге с зернистостью 35 – 46. Скорость вращения 25 – 30 м/сек. Помещение должно быть затемнено.

1 – искра имеет вид светлой, длинной, прямой линии с двумя утолщениями на конце, из которых первое светлое, а второе темно-красное. Весь пучок искр светлый и имеет продолговатую форму;

2 – от первого утолщения начинают отделяться новые светлые искры. Пучок искр становится короче и шире предыдущего, но тоже светлый.

3 – пучок искр получается короче и шире. От первого утолщения отделяется целый сноп искр светло-желтого цвета;

4 – на концах искр, отделяющихся от первого утолщения, наблюдаются блестяще-белого цвета звездочки;

5 – образуются длинные искры красноватого цвета с характерными отделяющимися звездочками;

6 – длинная прерывистая (пунктирная) искра темно-красного цвета со светлым утолщением на конце;

7 – двойная прерывистая (пунктирная) искра со светлыми утолщениями на концах, толстая и длинная — красного цвета, тонкая и короткая – темно-красного цвета;

8 – искра такая же, как и в пункте №7, с той лишь разницей, что искры имеют разрыв.

Обучение методу искровой пробы следует начинать с образцов известных марок стали.

Применяя этот метод, следует учитывать, что сталь в закаленном состоянии дает более короткий пучок искр, чем незакаленная.

Пробу на искру необходимо брать на глубине 1 – 2 мм от поверхности, так как на поверхности металла может быть обезуглероженный слой.

При соприкосновении с наждачным кругом цветных металлов и их сплавов, в которых углерод отсутствует, искр не получается.

Сварка среднеуглеродистой и высокоуглеродистой стали

Среднеуглеродистые стали сваривают электродами с небольшим содержанием углерода. Глубина провара должна быть небольшая, поэтому применяют постоянный ток прямой полярности. Величина тока выбирается пониженная.

Все эти мероприятия снижают содержание углерода в металле  шва и предупреждают появление трещин.

Для сварки используют электроды УОНИ-13/45 или УОНИ-13/55.

Некоторые изделия перед сваркой необходимо нагревать до температуры 250 — 300°С. Лучше всего полный нагрев изделия; если это невозможно, то применяют местный нагрев газовой горелкой или резаком. Нагрев до более высокой температуры недопустим, так как вызывает появление трещин из-за увеличения глубины провара основного металла и вызываемого этим повышения содержания углерода в металле шва.

После сварки изделие укутывают термоизолирующим материалом и дают возможность медленно остыть.

В случае необходимости после сварки производится термическая обработка: изделие нагревают до темно-вишневого цвета и обеспечивают медленное охлаждение.

Высокоуглеродистую сталь сваривать труднее всего. Сварных конструкций из нее не изготавливают, но в ремонтном производстве сварка применяется. Для сварки такой стали лучше всего применять те же методы, что описывались ранее для сварки чугуна.

Сварка марганцовистой стали

Марганцовистая сталь применяется для деталей с высокой износостойкостью: ковшей землечерпалок, зубьев ковшей экскаваторов, железнодорожных крестовин, шеек камнедробилок, тракторных траков и так далее.

Для сварки применяют электроды ЦЛ-2 или УОНИ-13нж.

Сварочный ток выбирается из расчета 30 – 35А на 1 мм диаметра электрода.

При сварке образуется большое количество газов. Для облегчения их выхода из расплавленного металла наплавку следует выполнять широкими валиками и короткими участками, иначе шов получается пористый.

Сразу после сварки требуется проковка.

Для повышения твердости, прочности, вязкости и износоустойчивости наплавки необходимо после наложения каждого валика, пока он еще нагрет до красного каления, производить закалку с помощью холодной воды.

Сварка хромистой стали

Хромистые стали применяются как нержавеющие и кислотостойкие для изготовления аппаратуры нефтеперерабатывающей промышленности.

Сварку хромистых сталей необходимо выполнять с предварительным нагревом до температуры 200 — 400°С.

При сварке используется пониженная сила тока из расчета 25 – 30 А на 1 мм диаметра электрода.

Применяют электроды ЦЛ-17-63, СЛ-16, УОНИ-13/85 на постоянном токе обратной полярности.

После сварки изделие охлаждают на воздухе до температуры 150 — 200°С, а затем производят отпуск.

Отпуск производят путем нагрева изделия до температуры 720 — 750°С с выдержкой при такой температуре не менее часа и последующим медленным охлаждением на воздухе.

Сварка вольфрамовой и хромовольфрамовой стали

Такая сталь используется для изготовления режущего инструмента.

С помощью сварки режущий инструмент можно изготовить двумя способами:

1) приваркой готовых пластин быстрорежущей стали на держатель из малоуглеродистой стали;

2) наплавкой быстрорежущей стали на малоуглеродистую сталь.

Готовые пластины наваривают способами:

1) используя контактную сварку;

2) с помощью аргоновой сварки неплавящимся электродом;

3) используя газовую пайку высокотемпературным припоем;

4) плавящимся электродом постоянного тока.

Для наплавки можно использовать отходы быстрорежущей стали: поломанные сверла, резцы, зенкеры, развертки и др.

Эти отходы можно наплавлять с помощью газовой или аргоновой сварки, а также изготавливая из них электроды для электродуговой сварки.

После наплавки инструмент отжигают, обрабатывают механическим путем, затем подвергают трехкратной закалке и отпуску.

Сварка высоколегированной нержавеющей стали

Нержавеющая сталь в быту нашла довольно широкое применение: из нее изготавливают различные емкости, теплообменники, водонагреватели. Используют в частных банях как жаростойкую.

Отличить такую сталь от обычной можно по трем характерным признакам:

1) «нержавейка» отличается светло-стальным цветом;

2) при приложении постоянного магнита не притягивается, хотя бывают и исключения;

3) при обработке на наждачном круге дает мало искр (или совсем не дает).

Нержавеющая сталь обладает повышенным коэффициентом линейного расширения и пониженным коэффициентом теплопроводности.

Увеличенный коэффициент линейного расширения вызывает большие деформации сварного соединения вплоть до появления трещин. Некоторые сварные конструкции из «нержавейки» перед сваркой желательно подогреть до температуры 100 — 300°С.

Низкий коэффициент теплопроводности вызывает концентрацию тепла и может привести к прожиганию металла. По сравнению со сваркой обычной стали такой же толщины при сварке «нержавейки» ток уменьшают на 10 – 20%.

Для сварки применяют постоянный ток обратной полярности.

Используют электроды марки ОЗЛ-8, ОЗЛ-14, ЗИО-3, ЦЛ-11, ЦТ-15-1.

Одно из главных условий при сварке – поддержание короткой дуги, это обеспечивает лучшую защиту расплавленного металла от кислорода и азота воздуха.

Коррозионная стойкость швов увеличивается при ускоренном их остывании. Поэтому сразу после сварки швы поливают водой. Поливание водой допустимо только для той стали, которая после сварки не дает трещин.

Сварка алюминия и его сплавов

Сварку покрытыми электродами применяют для алюминия и сплавов толщиной более 4 мм.

Для сварки технического алюминия применяют электроды марки ОЗА-1.

Для заварки литейных дефектов применяются электроды ОЗА-2.

В последнее время электроды марки ОЗА заменяются более совершенными электродами марки ОЗАНА.

Обмазка электродов для сварки алюминия сильно впитывает влагу. При хранении таких электродов без влагозащиты обмазка в буквальном смысле слова может стечь со стержня. Поэтому такие электроды хранят в пластиковом пенале со средствами влагопоглощения. Перед сваркой их дополнительно просушивают при температуре 70 – 100°С.

Перед сваркой алюминиевые детали обезжиривают ацетоном и зачищают до блеска металлической щеткой.

Сварку производят на постоянном токе обратной полярности.

Сварочный ток 25 – 32 А на 1 мм диаметра стержня электрода.

Деталь перед сваркой прогревают до температуры 250 — 400°С.

Сварку необходимо выполнять непрерывно одним электродом, так как пленка шлака на детали и конце электрода препятствует повторному зажиганию дуги.

Если есть возможность, с обратной стороны шва укладываются подкладки (см. газовая сварка алюминия).

Электродуговой сваркой получают швы среднего качества.

Сварка меди и ее сплавов

Чистая медь хорошо поддается сварке, и ее рекомендуется варить двумя способами. Способ сварки зависит от толщины детали.

При толщине изделия не более 3 мм лучше всего использовать сварку угольным электродом. Сварка выполняется постоянным током прямой полярности при длине дуги 35 – 40 мм.

В качестве присадочного материала можно использовать электротехнический провод. Не забудьте перед сваркой очистить его от изоляции.

Для повышения качества шва на свариваемые кромки и на присадочную проволоку наносят флюс, состоящий  из 95% прокаленной буры и 5% металлического порошкообразного магния. Можно использовать одну буру, но результаты будут хуже. Если не требуется высокое качество шва, флюс не применяется.

Второй способ применяется при сварке меди толщиной более 3 мм.

Сварка выполняется постоянным током обратной полярности. Иногда требуется предварительный общий подогрев до 300 — 400°С.

Применяются электроды марки «Комсомолец-100», или АНЦ.

Сварка латуни и бронзы в условиях частного сварочного цеха вызывает затруднения. Технология сварки медных сплавов зависит от того, какие использованы присадки к меди. Это может быть цинк, олово, марганец, свинец, фосфор, кремний, алюминий и другие.

Не зная состава медных сплавов, трудно получить приемлемое качество шва.

Однако заказы на сварку таких металлов не столь уж редкое явление. Здесь есть очень интересный выход. Высококачественные неразъемные соединения медных сплавов можно получить, используя методы пайки.

Пайка – это соединение двух металлов с использованием третьего. Он называется припоем. При этом основные металлы не нагреваются до плавления, что гарантирует сохранение их качественного состава.

В качестве припоя можно взять оловянно-свинцовый, тот, что применяется в радиотехнике.

Высокая прочность пайки таким припоем гарантируется при пайке деталей внахлестку. Чем больше площадь нахлестки, тем прочнее соединение.

Второе условие прочности паяного соединения – выполнение пайки вдоль действующего усилия.

Паяные соединения латуни и бронзы отличаются достаточной прочностью и герметичностью.

Техника безопасности при электродуговой сварке

Электродуговая сварка имеет несколько вредных для здоровья сварщика факторов: напряжение электрического тока, излучение электрической дуги, газы, искры и брызги металла, термический нагрев, сквозняки.

Предельно допустимым напряжением холостого хода сварочного трансформатора считается 80 В, а сварочного выпрямителя 100 В. В условиях сухой погоды такое напряжение практически не ощущается, но в условиях влажности начинается довольно ощутимое покалывание руки. Это же самое может наблюдаться при нахождении сварщика на свариваемой металлической детали, а тем более внутри нее.

При сварке в сырую погоду, а также стоя на металле, независимо от погоды, необходимо использовать резиновые перчатки, резиновый коврик, резиновые калоши. Перчатки, коврик и калоши должны быть из диэлектрической резины, то есть той, что используют электрики. Резиновые изделия, продающиеся для бытового использования, электроизолирующими не являются.

Для защиты сварщика от случайного пробоя трансформатора используется защитное заземление. Устройство заземления описано в Главе 1.

Для уменьшения вероятности электрического удара лучше всего использовать трансформаторы с невысоким напряжением холостого хода.

Защитой от излучения дуги является костюм сварщика, маска с набором стекол, рукавицы. Верхний ворот костюма всегда застегивайте, иначе у вас появится несмываемый «галстук».

Ультрафиолетовое излучение дуги с достаточной степенью надежности ослабляется столбом воздуха в 10 м, поэтому не подпускайте никого к месту сварки ближе, чем на 10 м (особенно детей!).

В состав покрытия электродов входят газообразующие вещества, поэтому покрытые электроды сильно дымят. Единственный способ защиты от дыма – принудительная вентиляция. Устройство такой вентиляции описано в Главе 1.

С вентиляцией связан еще один неблагоприятный фактор в работе сварщика – сквозняки. Нагрузка сварщика в процессе работы является чаще всего статической, то есть сварщик работает практически неподвижно. При этом не происходит саморазогрева тела, что может привести к переохлаждению.

Как показывает опыт многих сварщиков, никакая закалка от сквозняков не помогает. Более надежная защита – теплая одежда, особенно в районе пояса (сварщик работает согнувшись).

Теплая одежда может оказать и отрицательное влияние. При переходе к динамической нагрузке сварщик начинает потеть, пот вместе со сквозняком вызывает гарантированную простуду.

Лучший вариант избежать простуды – поставить приточный тепловентилятор. Он должен подогревать приточный воздух до плюсовой температуры даже в сильный мороз. Если вы в такие морозы предпочитаете не работать, то мощность вентилятора достаточна в 3 кВт.

Довольно неприятным явлением считаются брызги металла. Попадая на костюм, в обувь, они вызывают тление защитной одежды или пожар, если рядом горючие вещества. Приобретите кожаную защитную одежду и кирзовые сапоги – и вы в достаточной степени защитите свое тело.

При сварке на больших токах и электродуговой резке металла держатель электродов, сварочные провода и сварочная маска могут перегреваться. Поэтому не касайтесь лицом металлических частей маски, а на рукоятку держателя наденьте теплоизолирующий рукав. Регулярно проверяйте все соединения проводов – они могут стать причиной пожара.

Вышеуказанные правила применяются и для других видов электрической сварки: аргоновой, полуавтоматической, контактной.

Косвенный против. Прямое приготовление на гриле: наука, лежащая в основе теплообмена и гриля

У нас есть так много способов готовить еду: на плите, в духовке, в микроволновой печи, на гриле, в коптильне или на костре! В некоторых приборах используются такие технологии, как индукция и принудительная конвекция или давление для достижения отличных результатов. Все это может сбивать с толку, но важно понимать, что приготовление пищи — это просто передача тепловой энергии от источника тепла к вашей еде.

Понимание этих форм теплопередачи — теплопроводности, конвекции и излучения — может помочь вам понять, как работает ваш гриль для приготовления пищи. Лучшее понимание того, как работает ваш гриль , поможет вам освоить различные методы приготовления на гриле, такие как прямое и непрямое приготовление.

Проводимость

Проводимость — самая простая для понимания форма передачи энергии. Внутри гриля тепловая энергия излучается от источника тепла (конфорок) к твердой металлической массе (вашей варочной поверхности), такой как кастрюля, сковорода или кухонная решетка.Эти металлические массы поглощают эту тепловую энергию и временно удерживают ее, заряжаясь подобно батарее. Когда вы обжариваете или обжариваете, эта энергия передается от варочной поверхности к вашей пище посредством прямого контакта. Эта концепция объясняет, почему след от шипа обычно черный, а область вокруг него — золотисто-коричневая или серая.

Проводимость — это наиболее прямая и интенсивная передача энергии, но она происходит только при прямом контакте, поэтому она не оказывает никакого воздействия на какой-либо материал, который не контактирует. Вот почему ваше барбекю и большинство кастрюль имеют крышку, чтобы держать их в тепле.Кондуктивное тепло может действительно улучшить внешний вид вашей еды, но оно не может сравниться с…

Радиация

Мы не говорим о Чернобыле! Вспомните свой школьный урок естествознания, когда вы узнали о континууме длин волн в электромагнитном спектре. Верно, конечно, да … Вот коротко-краткая версия … Вся материя, имеющая температуру выше абсолютного нуля, излучает некоторую форму энергии. Магматическая порода будет излучать очень мало, в то время как все, что мы считаем опасным и радиоактивным, будет излучать много.При приготовлении пищи используется лучистая энергия, которая находится за пределами видимого спектра света.

Другими словами, жар, с которым мы готовим, мы не видим. В то время как открытое пламя видно, все тепло за ним — невидимая волна. Ни одна из наших продуктов не готовится непосредственно в пламени пропана или природного газа, она слишком горячая для использования, около 1900–2000 ° C (3452–3632 ° F), что примерно в 7 раз горячее, чем нужно для стейка. Подумайте о своей микроволновой печи, без видимого огня, без магии, о достаточном количестве энергии для приготовления пищи, чтобы приготовить всю еду.

Энергия, излучаемая этим пламенем (вашими горелками) — это то, с чем мы готовим, и она исходит от своего источника в виде пузыря, который ослабевает по мере удаления от источника. Нам нравится лучистая энергия, когда мы видим видео обжигающего рибай на инфракрасной боковой горелке от прямого тепла, исходящего от поверхности горелки менее чем в двух дюймах от стейка, ммммм. Тогда мы ненавидим лучистую энергию, когда наша пицца горит снизу, но остается холодной сверху.

Управляйте своим лучистым теплом, уменьшая интенсивность источника или перемещая пищу подальше и подальше от ее опаляющей досягаемости.Используйте лучистое тепло, чтобы приготовить идеальные куриные крылышки внутри и снаружи. Помните, что крышка гриля предназначена не только для того, чтобы перенаправлять лучистую энергию, ее основная цель — конвективное приготовление на гриле. Кроме того, правильная энергия отскакивает от крышки гриля обратно к вашей еде.

Конвекция

Конвективное приготовление пищи лучше всего визуализировать в кастрюле с кипящей водой. Вода, ближайшая к источнику тепла, закипает, что заставляет ее подниматься, вытесняя более холодную воду наверху, эта вода циркулирует вниз, затем нагревается, поднимается и циркулирует.Мы можем видеть конвективное течение в воде; визуализируйте этот ток в гриле, поскольку влажный воздух внутри регулируется теми же законами. Горячий влажный воздух, нагретый за счет лучистой энергии гриля, поднимается вверх, но не может уйти, поэтому он эффективно поднимается вверх, но на смену ему приходит новый горячий воздух, который по циклу толкает более холодный воздух вниз, снова и снова. Это естественная конвекция, и это то, что вы видите в газовом гриле.

Конвекционная печь заставляет этот процесс ускорять приготовление, но обеспечивает быструю циркуляцию воздуха, чтобы практически исключить охлаждение, вся духовка настроена на заданную температуру, обеспечивая равномерное обжаривание пищи.Герметичная система, такая как голландская духовка в вашей плите, работает примерно так же, поскольку влага может выходить только медленно. Скороварка делает еще один шаг вперед, поскольку она позволяет вам нагнетать воду выше ее естественной точки кипения, чтобы приготовить пищу намного быстрее. Мы могли бы продолжить, но не сегодня.

Конвекция — это причина того, что жареный продукт готовится равномерно, так как весь воздух вокруг него горячий и постоянно меняется. Любое медленное и медленное приготовление пищи — лучшее представление о конвекции, но газовый гриль непрямой приготовление с водяной кастрюлей тоже хорошо работает.

Когда использовать каждый тип гриля

Если вы подписаны на рецепт, в нем будет указана температура и будет ли использоваться прямой или косвенный гриль. Но если вы просто бросаете жратву на гриль, полезно знать лучший метод для достижения желаемых результатов.

Вот некоторые общие рекомендации:

Прямой (кондуктивный или радиационный) гриль предназначен для продуктов, которые готовятся достаточно быстро. Вы можете приготовить еду на высоком уровне, чтобы получить поджаривание, а затем выключить конфорку, чтобы закончить приготовление пищи, не поджигая ее.Овощи, гамбургеры, хот-доги, куриные грудки и бедра можно готовить на прямом огне. Все, что вы готовите на сковороде непосредственно над источником тепла, также можно приготовить на гриле.

Непрямое (конвекционное) приготовление предназначено для продуктов, для приготовления которых требуется больше времени. Вы можете разжечь пищу на прямом огне или на инфракрасной горелке, чтобы быстро поджечь ее, но тогда вы можете переместить пищу над выключенной горелкой. Большие куски мяса, гриля, печеный картофель и запеканки можно приготовить с использованием непрямого нагрева.Копчение пищи также является формой непрямого приготовления на гриле, так как газ (воздух) циркулирует вокруг пищи с добавлением древесного дыма для придания вкуса пище.

Вперед PhGriller и Sear-Science с уверенностью!

Если вы готовы обновить или пополнить свою коллекцию грилей, купите всю линейку на BroilKingBBQ.com.

Прямые и косвенные методы приготовления — Девочки за грилем

Понятно, что первое, что вам нужно делать [всегда], — это покупать сырые ингредиенты самого высокого качества.Тем не менее, секрет хорошего приготовления на гриле прост: знать, какой метод приготовления использовать. Практически все приготовления на газовом и / или угольном гриле можно разделить на три метода приготовления: прямой, непрямой или комбинированный. Как следует из названия, разница между методами определяется тем, где кладется еда по отношению к огню. Метод DIRECT готовит пищу на прямом огне. НЕПРЯМОЕ приготовление пищи использует отраженное тепло для приготовления пищи; продукты размещаются подальше от источника пламени. Комбинированное приготовление — это просто комбинация двух методов.

Прямой метод:

ПРЯМОЙ метод используется в основном для обжаривания продуктов и для приготовления продуктов, для приготовления которых требуется менее 20 минут, таких как креветки, стейки, гамбургеры, отбивные и большинство овощей. Пища размещается непосредственно над источником тепла, и ее необходимо перевернуть один раз по истечении половины времени приготовления, чтобы обе стороны продукта подверглись воздействию тепла. Прямой метод можно использовать на любом гриле, но лучше всего при закрытой крышке гриля во время приготовления. Помните: чем длиннее закрыта крышка, тем дольше будет готовиться еда.

Косвенный метод:

Этот метод используется для больших кусков мяса и других продуктов, для которых требуется более длительное время приготовления при более низких температурах, таких как целая индейка, грудинка, кусочки курицы, ребра и другое жаркое. Пища готовится за счет отраженного тепла, как в конвекционной печи. Это позволяет быстрее готовить и получать более сочное мясо, не переворачивая продукты. Этот метод можно использовать только на закрытом гриле. В КОСВЕННОМ методе пища помещается между источниками тепла, а не непосредственно над зажженными газовыми горелками или древесным углем.Помните, что непрямое приготовление — это метод приготовления без подглядывания: каждый раз, когда вы поднимаете крышку, тепло уходит и может увеличить время приготовления.

Секрет непрямого приготовления на древесном угле заключается в добавлении брикетов в огонь каждый час, чтобы поддерживать огонь и поддерживать равномерную температуру приготовления. Брикеты древесного угля можно добавить в огонь, бросив дополнительные брикеты через отверстие за ручки с каждой стороны решетки для готовки. Используйте это эмпирическое правило: положите около 30 углей, покрытых серой золой, с каждой стороны с поддоном для сбора жира между ними, чтобы собирать жиры и соки во время приготовления пищи.Каждый час добавляйте древесный уголь по мере необходимости для поддержания температуры приготовления.

Совет: Легкие брикеты из дымохода устанавливают в одноразовый алюминиевый поддон за 20 минут до того, как их нужно будет добавить. Таким образом, новые брикеты уже достигли начальной (серо-зольной) температуры.

Combo:

Это буквально комбинация двух методов приготовления. Он используется для поджаривания продуктов на сильном огне перед медленным завершением процесса приготовления непрямым нагревом. Поместите пищу непосредственно над источником тепла, пока она не станет хорошо прожаренной, обычно всего на несколько минут, а затем переместите ее в зону гриля, настроенную для непрямого нагрева, обычно в центр решетки для приготовления пищи, и завершите приготовление.Этот метод идеально подходит для отбивных, стейков, целой вырезки и кусочков курицы, которые имеют обжаренный карамелизованный внешний вид и сочную нежную внутреннюю часть. На самом деле, я использую комбинированный метод почти для всех своих блюд с белками и первыми блюдами, и это секрет приготовления пиццы на гриле!

Медленное электричество: возвращение постоянного тока?

Изображение: Брайтонская электрическая световая станция, 1887 г. Стационарные паровые машины приводят в действие генераторы постоянного тока с помощью кожаных ремней. Источник.

(Эта статья переведена на французский).

Электроэнергия может производиться и распределяться с использованием переменного или постоянного тока. В случае с электричеством переменного тока ток периодически меняет направление, в то время как напряжение меняется на противоположное вместе с током. В случае электричества постоянного тока ток течет в одном направлении, а напряжение остается постоянным. Когда в последней четверти девятнадцатого века была введена передача электроэнергии, переменный и постоянный ток конкурировали за то, чтобы стать стандартной системой распределения электроэнергии — период в истории, известный как «война токов».

AC выиграл, в основном из-за его более высокой эффективности при транспортировке на большие расстояния. Электрическая мощность (выраженная в ваттах) равна току (выраженному в амперах), умноженному на напряжение (выраженному в вольтах). Следовательно, данное количество мощности может быть произведено низким напряжением с более высоким током или высоким напряжением с более низким током. Однако потери мощности из-за сопротивления пропорциональны квадрату тока. Следовательно, высокое напряжение является ключом к энергоэффективной передаче электроэнергии на большие расстояния.[1]

Изобретение трансформатора переменного тока в конце 1800-х годов позволило легко повысить напряжение для передачи энергии на большие расстояния, а затем снова понизить его для местного использования. С другой стороны, электричество постоянного тока нельзя было эффективно преобразовать в высокое напряжение до 1960-х годов. Следовательно, невозможно было эффективно передавать мощность на большие расстояния (> 1-2 км).

Иллюстрация: динамо-машина центральной электростанции Brush Electric Company приводила в действие дуговые лампы для общественного освещения в Нью-Йорке.Начав работу в декабре 1880 года по адресу 133 West Twenty-Fifth Street, он питал цепь длиной 2 мили (3,2 км). Источник: Wikipedia Commons.

Сеть постоянного тока предполагала установку относительно небольших электростанций в каждом районе. Это было не идеально, потому что эффективность паровых двигателей, которые приводили в действие динамо-машины, зависела от их размера: чем больше паровой двигатель, тем эффективнее он становится. Кроме того, паровые двигатели были шумными и вызывали загрязнение воздуха, в то время как низкая транспортная эффективность постоянного тока исключала использование более удаленных чистых источников гидроэнергии.

Спустя более ста лет переменного тока по-прежнему составляет основу нашей энергетической инфраструктуры. Хотя высоковольтный постоянный ток все больше используется для транспортировки на большие расстояния, все электрические сети в зданиях основаны на переменном токе 110 В или 220 В. Низковольтные системы постоянного тока сохранились в автомобилях, грузовиках, автодомах, караванах и лодках, а также в телекоммуникационных офисах, удаленных научных станциях и убежищах для чрезвычайных ситуаций. В большинстве этих примеров устройства питаются от батарей, работающих от 12, 24 или 48 В постоянного тока.

В последнее время два сходящихся фактора возродили интерес к распределению энергии постоянного тока. Во-первых, теперь у нас есть лучшие альтернативы децентрализованному производству электроэнергии, наиболее значительными из которых являются солнечные фотоэлектрические панели. Они не загрязняют окружающую среду, и их эффективность не зависит от их размера. Поскольку солнечные панели могут быть расположены прямо там, где есть потребность в энергии, передача энергии на большие расстояния не является обязательной. Кроме того, солнечные панели «естественным образом» производят энергию постоянного тока, как и химические батареи, которые являются наиболее практичной технологией хранения для фотоэлектрических систем.

Солнечные фотоэлектрические панели естественным образом вырабатывают постоянный ток, и все большая часть наших электроприборов работают от внутреннего источника постоянного тока

Во-вторых, растущая доля наших электроприборов работает от источника постоянного тока. Это верно для компьютеров и всех других электронных устройств, а также для твердотельного освещения (светодиодов), телевизоров с плоским экраном, стереооборудования, микроволновых печей и все большего количества устройств, работающих от двигателей постоянного тока с регулируемой скоростью (вентиляторы, насосы). , компрессоры и тяговые системы).В течение следующих 20 лет мы можем увидеть, что до 50% общей нагрузки в домохозяйствах будет составлять потребление постоянного тока. [2]

DC Электростанция Ипподрома в Париже. Паровая машина запускает несколько динамо-машин, питающих дуговые лампы. Источник неизвестен.

В здании, которое генерирует солнечную фотоэлектрическую энергию, но распределяет ее внутри по электрической системе переменного тока, требуется двойное преобразование энергии. Во-первых, мощность постоянного тока от солнечной панели преобразуется в мощность переменного тока с помощью инвертора. Затем мощность переменного тока преобразуется обратно в мощность постоянного тока адаптерами внутренних устройств постоянного тока, таких как компьютеры, светодиоды и микроволновые печи.Эти преобразования энергии предполагают потери мощности, которых можно было бы избежать, если бы здание, работающее на солнечной энергии, было оборудовано распределительной системой постоянного тока. Другими словами, электрическая система постоянного тока может сделать солнечную фотоэлектрическую систему более энергоэффективной.

Поскольку эксплуатационное потребление энергии и затраты на солнечную фотоэлектрическую систему равны нулю, более высокая энергоэффективность приводит к более низким капитальным затратам, поскольку для выработки определенного количества электроэнергии требуется меньше солнечных панелей.Кроме того, нет необходимости устанавливать инвертор, который является дорогостоящим устройством, которое необходимо заменять хотя бы один раз в течение срока службы солнечной фотоэлектрической системы. Более низкие капитальные затраты также подразумевают более низкую воплощенную энергию: если требуется меньше солнечных панелей и не требуется инвертор, для производства солнечной фотоэлектрической установки требуется меньше энергии, что имеет решающее значение для повышения устойчивости технологии.

Для выработки определенного количества электроэнергии требуется меньше солнечных панелей

Аналогичное преимущество применимо к электрическим устройствам.В здании с распределением мощности постоянного тока внутренние электрические устройства постоянного тока могут избавиться от всех компонентов, необходимых для преобразования переменного тока в постоянный. Это сделало бы их более простыми, дешевыми, надежными и менее энергоемкими в производстве. Адаптеры переменного / постоянного тока (которые могут быть размещены во внешнем источнике питания или в самом устройстве) часто являются компонентом, ограничивающим срок службы внутренних устройств постоянного тока, и они довольно значительны по размеру. [2]

Иллюстрация: Драйвер питания для светодиодной лампы мощностью 35 Вт.[3] Все части, необходимые для преобразования переменного тока в постоянный, отмечены.

Например, для светодиодной лампы примерно 40% печатной платы занято компонентами, необходимыми для преобразования переменного тока в постоянный. [3] Адаптеры переменного / постоянного тока имеют больше недостатков. В результате сомнительной коммерческой стратегии они обычно относятся к конкретному устройству, что приводит к пустой трате ресурсов, денег и места. Более того, адаптер продолжает использовать энергию, когда устройство не работает, и даже когда устройство не подключено к нему.

Распределение питания постоянного тока сделает устройства более простыми, дешевыми, надежными и менее энергоемкими для производства

И последнее, но не менее важное: низковольтные сети постоянного тока (до 24 В) считаются безопасными от поражения электрическим током или возгорания, что позволяет электрикам устанавливать относительно простую проводку без заземления или металлических распределительных коробок и без защиты от прямого контакта. [4, 5, 6] Это еще больше увеличивает экономию средств и позволяет вам самостоятельно установить солнечную систему.Мы продемонстрируем такую ​​систему DIY в следующей статье, где мы также объясним, как получить устройства постоянного тока или преобразовать устройства переменного тока в постоянный ток.

Важно отметить, однако, что преимущество энергосберегающей сети постоянного тока не является очевидным. Экономия энергии может быть значительной, но она также может быть очень маленькой или даже отрицательной. То, является ли постоянный ток хорошим выбором, зависит в основном от пяти факторов: конкретных потерь преобразования в адаптерах переменного / постоянного тока всех устройств, времени «нагрузки» (потребления энергии), наличия накопителя электроэнергии, длина распределительных кабелей и мощность электроприборов.

Отсутствие инвертора приводит к вполне предсказуемой экономии энергии. Это касается только одного устройства с достаточно фиксированным КПД (+ 90% — хотя КПД может упасть примерно до 50% при низкой нагрузке). Однако этого нельзя сказать о AC / DC-адаптерах. Мало того, что адаптеров столько же, сколько и устройств с внутренним постоянным током, их эффективность преобразования также сильно различается: от менее 50% для устройств с низким энергопотреблением до более 90% для устройств с высоким энергопотреблением. [6, 7, 8]

Следовательно, общие потери энергии адаптеров переменного / постоянного тока могут сильно отличаться в зависимости от того, какие приборы используются в здании и как они используются.Как и инверторы, адаптеры тратят относительно больше энергии, когда используется мало энергии, например, в режимах ожидания или с низким энергопотреблением. [8]

Потери преобразования в адаптерах самые высокие для DVD / видеомагнитофонов (31%), домашнего аудио (21%), персональных компьютеров и сопутствующего оборудования (20%), перезаряжаемой электроники (20%), освещения (18%) и телевизоров (15%). %). Потери электроэнергии ниже (10-13%) для более приземленных приборов, таких как потолочные вентиляторы, кофеварки, посудомоечные машины, электрические тостеры, обогреватели, микроволновые печи, холодильники и т. Д.[8].

Освещение и компьютеры (с высокими потерями переменного / постоянного тока) обычно составляют значительную долю от общего потребления электроэнергии в офисах, магазинах и институциональных зданиях. В домашних хозяйствах имеется более разнообразная бытовая техника, в том числе устройства с более низкими потерями переменного / постоянного тока. Следовательно, система постоянного тока обеспечивает большую экономию энергии в офисах, чем в жилых зданиях.

Наибольшее преимущество в центрах обработки данных, где компьютеры являются основной нагрузкой. Некоторые центры обработки данных уже перешли на системы постоянного тока, даже если они не работают от солнечной энергии.Поскольку большой адаптер более эффективен, чем множество маленьких адаптеров, преобразование переменного тока в постоянный на локальном уровне (с использованием выпрямителя большого объема), а не на отдельных серверах, может обеспечить экономию энергии от 5 до 30%. [6, 9] [10, 11]

Если мы предположим, что потеря энергии в инверторе составит 10%, а средняя потеря 15% для всех адаптеров переменного / постоянного тока, мы ожидаем экономии энергии около 25% при переключении на распределение постоянного тока в здании с солнечной фотоэлектрической системой.Однако такая значительная экономия не гарантируется. Начнем с того, что большинство зданий, работающих на солнечной энергии, подключены к электросети. Они не хранят солнечную энергию в местных батареях, а полагаются на сеть, чтобы справиться с излишками и дефицитом.

В здании с солнечными батареями с чистым счетчиком только нагрузки, совпадающие с мощностью солнечной фотоэлектрической энергии, могут получить выгоду от сети постоянного тока

Это означает, что избыточная солнечная энергия должна быть преобразована из постоянного тока в переменный ток, чтобы отправить ее в электрическую сеть, в то время как мощность, полученная из сети, должна быть преобразована из переменного тока в постоянный ток, чтобы быть совместимой с системой распределения электроэнергии здание.Следовательно, в здании с солнечными фотоэлектрическими батареями с чистым счетчиком только нагрузки, совпадающие с выходной мощностью фотоэлектрических солнечных батарей, могут получить выгоду от сети постоянного тока.

Ранние электростанции постоянного тока имели по динамо-машине для каждой лампочки. Источник неизвестен.

Еще раз, это означает, что преимущества эффективности системы постоянного тока обычно больше в коммерческих зданиях, где большая часть потребления электроэнергии совпадает с выходной мощностью постоянного тока солнечной системы. С другой стороны, в жилых домах потребление энергии часто достигает пика по утрам и вечерам, когда солнечная энергия практически отсутствует.

Следовательно, есть только небольшое преимущество, которое можно получить от системы постоянного тока в жилом доме с сетевым счетчиком, так как большая часть электроэнергии будет преобразована в переменный ток или из него. Недавнее исследование подсчитало, что система постоянного тока может повысить энергоэффективность американского дома с солнечной батареей и сетевым счетчиком в среднем всего на 5% — это средний показатель для 14 домов по США. [12] [13]

Чтобы полностью реализовать потенциал сети постоянного тока, особенно когда это касается жилого дома, нам необходимо хранить солнечную энергию в местных батареях.Таким образом, система может хранить и использовать энергию в форме постоянного тока. Накопление энергии может происходить в автономной системе, которая полностью независима от сети, но добавление некоторого количества аккумуляторов к зданию с сетевым счетчиком также улучшает преимущества системы постоянного тока. Однако накопление энергии добавляет еще один вид потерь энергии: потери при зарядке и разрядке батарей. КПД для свинцово-кислотных аккумуляторов составляет 70-80%, а для литий-ионных — около 90%.

К сожалению, накопление энергии приводит к еще одному типу потерь энергии — потерям при зарядке и разрядке батарей — и сводит на нет экономические преимущества системы постоянного тока.

Точное количество энергии, которое можно сэкономить с помощью локального аккумулятора, опять же, зависит от времени загрузки.Электроэнергия, потребляемая в течение дня, когда батареи полностью заряжены, не вызывает потерь при зарядке и разрядке. В этом случае экономия энергии в системе постоянного тока может составить 25% (10% при отказе от инвертора и 15% при отказе от адаптеров).

Однако электричество, используемое после захода солнца, снижает экономию энергии до 15% для литий-ионных аккумуляторов и от -5% до + 5% для свинцово-кислотных аккумуляторов. В действительности электричество, вероятно, будет использоваться как до, так и после захода солнца, так что повышение эффективности будет где-то между этими крайностями (от -5% до 25% для свинцово-кислотных и 15-25% для литий-ионных).

Кенсингтонский суд: паровой двигатель, динамо-машина и батареи. Источник: Central-Station Electric Lighting, Killingworth Hedges, 1888.

С другой стороны, аккумуляторная батарея дает дополнительное преимущество: меньше или — в полностью независимой системе — нет дополнительных потерь энергии при передаче и распределении электроэнергии переменного тока на большие расстояния. Эти потери сильно различаются в зависимости от местоположения. Например, средние потери при передаче составляют всего 4% в Германии и Нидерландах, 6% в США и Китае и от 15 до 20% в Турции и Индии.[14] [15]

Если мы добавим еще 7% экономии энергии за счет предотвращения потерь при передаче, автономная система постоянного тока может обеспечить экономию энергии от 2% до 32% для свинцово-кислотных аккумуляторов и от 22% до 32% для литий-ионных аккумуляторов. , в зависимости от сроков загрузки.

В автономной системе постоянного тока потребление электроэнергии можно удовлетворить с помощью солнечной системы, которая на одну пятую или треть меньше, в зависимости от типа используемых батарей

Предполагая, что потребление энергии составляет 50% в течение дня и 50% энергии в ночное время, мы получаем прирост на 17% для автономной системы с использованием свинцово-кислотных аккумуляторов и 27% для литий-ионных аккумуляторов.Это означает, что потребление электроэнергии можно удовлетворить с помощью солнечной системы, которая на одну пятую или треть меньше, соответственно. Общая экономия затрат останется немного больше, потому что нам по-прежнему не нужен инвертор, а затраты на установку ниже или отсутствуют вовсе.

К сожалению, внедрение накопителя электроэнергии на месте снова увеличивает капитальные затраты, потому что нам нужно вкладывать средства в аккумуляторы. Это сведет на нет то преимущество в стоимости, которое мы получили при выборе системы постоянного тока. То же самое и с энергией, инвестируемой в производственный процесс: автономная система постоянного тока требует меньше энергии для производства солнечных панелей, но требует, по крайней мере, такого же потребления энергии для производства батарей.

Однако мы должны сравнивать яблоки с яблоками: автономная солнечная система постоянного тока дешевле и более энергоэффективна, чем автономная система переменного тока, и это главное. Анализ жизненного цикла солнечных систем с чистым счетчиком не соответствует действительности, потому что они игнорируют важный компонент систем солнечной энергии.

Но есть еще одна важная вещь, которую следует учитывать. Как мы видели, потери мощности из-за сопротивления пропорциональны квадрату тока.Следовательно, низковольтные сети постоянного тока имеют относительно высокие потери в кабеле внутри здания. Есть два пути, по которым потери в кабеле могут сделать выбор системы постоянного тока контрпродуктивным. Первый — это использование мощных устройств, а второй — использование очень длинных кабелей.

Регулировка напряжения на ранней электростанции. Источник неизвестен.

Потери энергии в кабелях равны квадрату силы тока (в амперах), умноженного на сопротивление (в омах). Сопротивление определяется длиной, диаметром и проводящим материалом кабелей.Медный провод сечением 10 мм2, распределяющий мощность 100 Вт при 12 В (8,33 А) на расстояние 10 метров, дает приемлемые потери энергии в размере 3%. Однако при длине кабеля 50 метров потери энергии становятся 16%, а на длине 100 метров потери энергии составляют 32% — этого достаточно, чтобы свести на нет преимущества эффективности сети постоянного тока даже в самом оптимистичном сценарии. .

Относительно высокие потери энергии в кабелях ограничивают использование приборов большой мощности

Относительно высокие потери в кабеле также ограничивают использование мощных устройств.Если вы хотите запустить микроволновую печь мощностью 1000 Вт в сети 12 В постоянного тока, потери энергии в сумме составят 16% при длине кабеля всего 1 метр и увеличатся до 47% при длине кабеля 3 метра.

Очевидно, низковольтная сеть постоянного тока не подходит для таких устройств, как стиральные машины, посудомоечные машины, пылесосы, электрические плиты, электрические духовки или водогрейные котлы. Обратите внимание, что в этом отношении важно использование мощности , а не энергии . Использование энергии равно использованию энергии, умноженному на время.Холодильник потребляет гораздо больше энергии, чем микроволновая печь, потому что он работает 24 часа в сутки, но его потребление энергии может быть достаточно небольшим, чтобы работать от сети постоянного тока.

Потери в кабеле также ограничивают комбинированное энергопотребление маломощных устройств. Если предположить, что длина распределительного кабеля 12 В составляет 12 метров, и мы хотим, чтобы потери в кабеле не превышали 10%, то суммарное энергопотребление всех устройств ограничивается примерно 150 Вт (потери в кабеле 8,5%). Например, это позволяет одновременно использовать два портативных компьютера (мощностью 20 Вт каждый), холодильник постоянного тока (45 Вт) и пять светодиодных ламп мощностью 8 Вт (всего 40 Вт), что оставляет еще 25 Вт мощности для пара устройств поменьше.

Есть несколько способов обойти потери распределения низковольтной системы постоянного тока. Если это касается нового здания, его пространственная планировка может значительно ограничить длину распределительного кабеля. Например, голландским исследователям удалось сократить общую длину кабеля в доме с 40 до 12 метров. Они сделали это, переместив кухню и гостиную (где используется большая часть электроэнергии) на второй этаж, чуть ниже крыши (где находятся солнечные батареи), а спальни переместили на первый этаж.Они также сгруппировали большинство приборов в центральной части здания, прямо под солнечными батареями (см. Иллюстрацию ниже). [16]

Еще один способ уменьшить потери в кабеле — установить несколько независимых солнечных систем на одну или две комнаты. Возможно, это единственный способ решить проблему в большом существующем здании, спроектированном без учета системы постоянного тока. Хотя эта стратегия подразумевает использование дополнительных контроллеров заряда солнечной энергии, она может значительно снизить потери в кабеле.Такой подход также позволяет потреблять мощность всех приборов выше 150 Вт.

Установка независимых солнечных систем для одной или двух комнат — один из способов ограничения потерь в кабелях и увеличения общего потребления энергии

Третий способ ограничить потери в кабеле — выбрать более высокое напряжение: 24 или 48 В вместо 12 В. Поскольку потери энергии увеличиваются пропорционально квадрату тока, удвоение напряжения с 12 до 24 В делает потери в кабеле в 4 раза меньше, а переключение на 48 В уменьшает их в шестнадцать раз.Этот подход также позволяет использовать устройства с более высокой мощностью и увеличивает общую мощность, которая может использоваться системой постоянного тока. Однако у более высоких напряжений есть и недостатки.

Во-первых, большинство низковольтных устройств постоянного тока, представленных в настоящее время на рынке, работают от 12 В, поэтому использование сети 24 или 48 В постоянного тока предполагает использование большего количества адаптеров постоянного / постоянного тока, которые понижают напряжение, а также имеют потери преобразования. Во-вторых, более высокие напряжения (выше 24 В) устраняют преимущества безопасности системы постоянного тока. В центрах обработки данных и офисах, а также в американских жилых домах в упомянутом ранее исследовании электричество постоянного тока распределяется по всему зданию с напряжением 380 В, но для этого требуются такие же строгие меры безопасности, как и с электричеством на 110 или 220 В переменного тока.[17]

Укорочение кабеля или удвоение напряжения до 24 В по-прежнему не позволяет использовать мощные устройства, такие как микроволновая печь или стиральная машина. Есть два способа решить эту проблему. Первый — это установка гибридной системы переменного / постоянного тока. В этом случае сеть постоянного тока настраивается для устройств с низким энергопотреблением, таких как светодиодные фонари (<10 Вт), ноутбуки (<20 Вт), телевизор (30-90 Вт) и холодильник (<50 Вт), в то время как отдельная сеть переменного тока настраивается для устройств большой мощности.Это подход для домов и небольших офисов, который продвигает EMerge Alliance, консорциум производителей продуктов постоянного тока, который разработал стандарт для гибридной системы 24 В постоянного тока / 110–220 В переменного тока. [18]

В конце 19 века единственной электрической нагрузкой в ​​домах было освещение.

На устройства малой мощности (в среднем) приходится 35-50% общего потребления электроэнергии в доме. Даже в лучшем случае (50% нагрузки) гибридная система вдвое уменьшает выигрыш от энергоэффективности, который мы рассчитали выше, в результате чего экономия энергии составляет всего 8.От 5% до 13,5%, в зависимости от типа используемых батарей. Эти цифры будут еще ниже из-за потерь в кабеле. Короче говоря, гибридная система переменного / постоянного тока дает довольно небольшую экономию энергии, которую можно легко стереть с помощью эффектов отскока.

Второй способ решить проблему мощных устройств — просто не использовать их. Это подход, которого придерживаются в парусных лодках, автодомах и караванах, где поддерживающая система распределения переменного тока просто не вариант. Это наиболее устойчивое решение для ограничения мощности постоянного тока, потому что в этом случае выбор постоянного тока также приводит к снижению потребности в энергии на .Таким образом, общая экономия энергии может стать намного больше, чем рассчитанные выше 17–27%, и тогда мы, наконец, имеем радикально лучшее решение, которое может иметь значение.

Один из способов решить проблему устройств большой мощности — просто не использовать их — это подход, который используется в парусных лодках, автодомах и караванах

Очевидно, эта стратегия подразумевает изменение нашего образа жизни. Это будет означать, что электричество используется только для освещения, электроники и охлаждения, в то время как неэлектрические альтернативы выбираются для всех других приборов.Не случайно, это очень похоже на то, как работали сети постоянного тока в конце девятнадцатого века, когда единственная электрическая нагрузка была для освещения — сначала дуговые лампы, а затем лампы накаливания.

Таким образом, не мыть посуду в посудомоечной машине, а мыть посуду вручную. Стиральной машины нет, но стирка осуществляется в прачечной или в машине с ручным управлением. Сушилки не было, зато есть веревка для белья. Никаких удобных и экономящих время кухонных приборов, таких как электрические чайники, микроволновые печи и кофеварки, но традиционная кухонная плита, работающая на (био) газе, солнечная плита или ракетная печь.Никакого пылесоса, а только метла и взбивалка для ковров. Без морозильника, но свежие ингредиенты. Никакого электрического водогрейного котла, зато есть солнечный бойлер и небольшая стирка у раковины, если не светит солнце. Не электромобиль, а велосипед.

Чтобы понять, что возможно, мы преобразовываем штаб-квартиру Low-tech Magazine в автономную систему на 12 В постоянного тока — подробнее об этом в следующем посте.

Автор Крис Де Деккер. Под редакцией Дженны Коллетт.

СТАТЬИ ПО ТЕМЕ:

ИСТОЧНИКИ И ПРИМЕЧАНИЯ

[1] Существует аналогия с гидравлической мощностью: электрическое напряжение соответствует давлению воды, а электрический ток — потоку воды.Изобретение гидроаккумулятора в 1850-х годах позволило повысить давление воды и, таким образом, обеспечить эффективную транспортировку гидроэнергии на большие расстояния.

[2] Исследование и моделирование микросети постоянного тока с упором на эффективность, использование материалов и экономические ограничения (PDF), Simon Willems & Wouter Aerts, 2013-14

[3] Решетки постоянного тока для светодиодного освещения, LED professional

[4] Предварительное исследование микросетей постоянного тока: оценка технических и экономических выгод, Scott Backhaus et al., Март 2015

[5] Микросети постоянного тока и преимущества местного электричества, Раджендра Сингх и Кришна Шенай, IEEE Spectrum, 2014

[6] Сравнение стоимости и эффективности постоянного и переменного тока в офисных зданиях (PDF), Джузеппе Лаудани, 2014

[7] Месть Эдисона, The Economist, 2013

[8] Каталог устройств постоянного тока и систем питания, Карина Гарбеси, Вагелис Воссос и Хунся Шен, 2011 г.

[9] DC, построение сети и хранилища для интеграции BIPV, J.Хофер и др., CISBAT 2015, 2015

[10] Однако питание постоянного тока в центрах обработки данных не принесет нам менее энергоемкого Интернета — наоборот.

[11] Также обратите внимание, что эффективность адаптеров переменного / постоянного тока может быть значительно повышена, особенно для устройств с низким энергопотреблением. Многие «настенные бородавки» напрасно расточительны, потому что производители электроприборов хотят снизить расходы. Если это изменится, например, из-за новых законов, преимущество перехода на сеть постоянного тока станет меньше.

[12] Экономия энергии от прямого постоянного тока в жилых домах в США, Вагелис Фоссос и др., В Energy and Buildings, 2014

[13] В этом исследовании в зданиях используется комбинация 24 В постоянного тока для маломощных нагрузок и 380 В постоянного тока для мощных устройств и для распределения мощности постоянного тока по всему дому для ограничения потерь в кабеле.

[14] Потери при передаче и распределении электроэнергии (% от выработки), Всемирный банк, 2014 г.

[15] Сельские районы обычно несут более высокие потери, чем городские районы, и одинокая линия деления, расходящаяся в сторону сельской местности, может привести к очень высоким потерям.

[16] Концепция дома с низким напряжением постоянного тока (PDF), Мааике Фридеман и др., Конференция по устойчивому строительству 2002 г.

[17] Последний — и довольно безнадежный — способ снизить потери при распределении — использовать более толстые кабели. Сопротивление в электрических проводах можно уменьшить не только за счет укорочения кабелей, но и за счет увеличения их диаметра (здесь диаметр относится к медному сердечнику). Например, если мы будем использовать кабели сечением 100 мм2 вместо кабелей сечением 10 мм2, мы получим кабели, которые будут в десять раз длиннее при тех же потерях энергии.Распределение электроэнергии 12 В постоянного тока по 100 м кабеля приведет к потере энергии всего 3%. Одна из проблем этого подхода заключается в том, что стоимость электрических кабелей линейно увеличивается с диаметром. Один метр кабеля сечением 100 мм2 обойдется вам примерно в 50 евро по сравнению с 5 евро за кабель сечением 10 мм2. Устойчивость также страдает, потому что более широкое использование меди влечет за собой значительные экологические издержки. Толстые кабели тяжелые и менее удобны в обращении. Спасибо Херману ван Мюнстеру и Ари ван Зилу за то, что они разъяснили это.

[18] Наши стандарты, Merge Alliance, данные получены в апреле 2016 г.

Электрическая плита постоянного тока для эффективного приготовления горячих блюд со скидкой 10%

 Купите одни из лучших и наиболее продуктивных.  электрическая плита постоянного тока  на Alibaba.com для разнообразных семейных и коммерческих кухонных целей. Эти невероятные продукты соответствуют высочайшим стандартам и могут обеспечивать стабильную производительность с течением времени. Опытный. Электрическая плита  постоянного тока  сертифицирована и протестирована на оптимальную производительность и вызвала ажиотаж среди обычных людей.Оборудованный всеми последними и расширенными функциями, эти. Электрическая плита  постоянного тока , как известно, работает от источников электроэнергии и может быстрее служить вашим целям приготовления пищи. Ведущие поставщики и оптовики на сайте предлагают эти безупречные продукты по самым доступным ценам и по отличным разовым предложениям. 
 Большой выбор передовых и модернизированных.  Электрическая плита постоянного тока , доступная на сайте, изготовлена ​​из прочных материалов, таких как чугун, нержавеющая сталь и чугун, и это лишь некоторые из них, которые обеспечивают неуклонную устойчивость на протяжении многих лет в отношении всех видов требовательного использования.Эти. Электрическая плита  постоянного тока  также идеально подходит для коммерческих кухонь, так как они могут приготовить пищу быстрее и при этом без дополнительных затрат энергии. Безупречный.  электрическая плита постоянного тока , представленные здесь, представляют собой изделия для установки на столешницу, которые могут быть установлены поверх индукционных духовок, нагревателей, которые в основном работают от электрических источников. 
 
 Alibaba.com предлагает экстравагантные разновидности.  электрическая плита постоянного тока  доступна в различных формах, размерах, материалах, характеристиках, поверхностях и других аспектах в зависимости от ваших конкретных требований.Эти спиральные конфорки, сплошные конфорки. Электрическая плита  постоянного тока  - это водонепроницаемые, экологически чистые и экономичные варианты для более быстрых, эффективных и надежных процедур приготовления пищи. Эти.  электрическая плита постоянного тока  также поставляется с опциями контроля температуры, световыми индикаторами, двойной спиралью, спиральной спиралью для нагрева, в зависимости от различных моделей. Эти портативные и электрические устройства идеально подходят для всех, кто находится в пути. 
 
 Alibaba.com демонстрирует доступные цены. Электроплита  постоянного тока  вариаций, чтобы купить эту продукцию в рамках вашего бюджета и требований.Эти качественные сертифицированные продукты предлагаются с превосходным послепродажным обслуживанием и снабжены гарантиями. Вы также можете выбрать параметры настройки на некоторых моделях. 
 

Микросети постоянного тока для обеспечения экологических амбиций Европы

Новый европейский проект TIGON будет развивать технологию и продемонстрирует, как микросети постоянного тока могут помочь электросетям Европейского Союза (ЕС) стать более экологичными, эффективными и отказоустойчивыми.

Автор gopixa / Shutterstock.com

В проекте участвуют 15 партнеров из восьми различных европейских государств-членов. Программа ЕС по исследованиям и инновациям Horizon 2020 частично финансирует проект стоимостью 9,4 миллиона долларов (США), который вписывается в более широкие планы ЕС по построению будущего с низким уровнем выбросов углерода и устойчивостью к изменению климата.

Большинство сетей работают на переменном токе (AC), но привлекательность постоянного тока возрастает. Это связано с распространением возобновляемых источников энергии, большая часть которых генерирует выход постоянного тока, а также с увеличением нагрузки постоянного тока от современного электрического оборудования, такого как ноутбуки, электромобили и светодиодное освещение.

Таким образом, проект TIGON направлен на демонстрацию развертывания сетевых архитектур на базе постоянного тока в рамках существующей энергетической системы с возможностью предоставления вспомогательных услуг основной сети.

«В классическом подходе электрическая сеть переменного тока, потому что легче изменить уровень напряжения с помощью силовых трансформаторов; это полезная функция », — сказал Microgrid Knowledge Хесус Муньос, координатор проекта TIGON и инженер силовой электроники в испанском исследовательском центре Fundación CIRCE.

«Если вы хотите подключиться к устройствам постоянного тока, это обременительно, потому что вам нужно сначала преобразовать в переменный ток, а затем обратно в постоянный ток».

Разработка решений для микросетей постоянного тока

В течение четырех лет проекта международная команда разработает новое программное обеспечение и аппаратные решения, которые позволят местной инфраструктуре постоянного тока лучше интегрировать возобновляемые источники энергии и хранить электроэнергию. Две микросети во Франции и Испании будут использоваться для демонстрации решений, а результаты впоследствии будут применены на двух объектах в Финляндии и Болгарии для проверки воспроизводимости.

Французские и испанские демонстрационные микросети будут объединять солнечную энергию, накопители энергии и нагрузки постоянного тока с использованием ряда технологий.

«На обоих демонстрационных сайтах у нас есть линия постоянного тока среднего напряжения, подключенная к твердотельному трансформатору, который работает как точка общего соединения с внешней сетью переменного тока», — сказал Муньос.

Он также объяснил, что линии постоянного напряжения среднего напряжения подключены к линиям переменного и постоянного тока низкого напряжения через выпрямители и преобразователи постоянного тока в постоянный.

«У нас есть смесь для изучения всех альтернатив.Одна из целей проекта — разработать новую систему энергоменеджмента для управления сетью ».

Эти решения будут дополнены разработкой систем WAMPAC, Wide Area of ​​Monitoring, Protection and Control, для обеспечения стабильности и безопасности сетей.

Бесплатные ресурсы из библиотеки знаний

Объединение чистой энергии и чистой мобильности с помощью устойчивых микросетей

Получите этот PDF-файл по электронной почте.

Следите за новостями о микросетях постоянного тока. Подпишитесь на бесплатный информационный бюллетень Microgrid Knowledge .

химических веществ в мясе, приготовленном при высоких температурах и риске рака

Вариабельность ответа при транскраниальной стимуляции постоянным током: почему имеет значение секс

Фронтальная психиатрия. 2020; 11: 585.

Thorsten Rudroff

¹ Департамент здравоохранения и физиологии человека, Университет Айовы, Айова-Сити, штат Айова, США

² Департамент неврологии, Медицинский колледж Карвера, Университет Айовы. Clinics, Айова-Сити, Айова, США

Крейг Д.Workman

¹ Департамент здравоохранения и физиологии человека, Университет Айовы, Айова-Сити, Айова, США

Александра К. Фиетсам

¹ Департамент здравоохранения и физиологии человека, Университет Айовы, Айова-Сити, Айова , США

Джон Камхольц

² Кафедра неврологии, Медицинский колледж Карвера, Больницы и клиники Университета Айовы, Айова-Сити, Айова, США

¹ Департамент здравоохранения и физиологии человека, Университет Айовы , Айова-Сити, Айова, США

² Кафедра неврологии, Медицинский колледж Карвера, Больницы и клиники Университета Айовы, Айова-Сити, Айова, США

Под редакцией: Алиреза Мохаммади, Университет медицинских наук Бакияталла, Иран

Рецензент: Kyung Mook Choi, Корейский университет, Южная Корея; Мо Чен, Университет Миннесотских городов-побратимов, США; Евангелия Г.Chrysikou, Университет Дрекселя, США

Эта статья была отправлена ​​в раздел «Нейровизуализация и стимуляция» журнала «Границы в психиатрии»

Поступила в редакцию 22 апреля 2020 г .; Принято 2020 8 июня.

Ключевые слова: транскраниальная стимуляция постоянным током, половые различия, гормоны, черепная кость, возбудимость коры

. Лицензия Creative Commons Attribution License (CC BY).Использование, распространение или воспроизведение на других форумах разрешено при условии указания автора (авторов) и правообладателя (ов) и ссылки на оригинальную публикацию в этом журнале в соответствии с принятой академической практикой. Запрещается использование, распространение или воспроизведение без соблюдения этих условий.

Введение

За последние 20 лет возрос интерес к неинвазивной стимуляции мозга, такой как транскраниальная стимуляция постоянным током (tDCS), транскраниальная стимуляция переменным током (tACS) и транскраниальная стимуляция случайным шумом (tRNS) (1).В tRNS к коже головы применяется переменный ток с постоянно изменяющейся частотой, в то время как tACS генерирует синусоидальный ток с выбранной частотой, чтобы взаимодействовать с естественными кортикальными колебаниями мозга. С момента открытия, что непрерывная слабая стимуляция постоянным током вызывает длительные изменения возбудимости в моторной коре человека (2, 3), tDCS применялась в различных исследованиях, связанных с индукцией и модуляцией нейропластичности коры. Общепринято, что анодная tDCS увеличивает возбудимость коры (3), а катодная tDCS снижает возбудимость коры (ингибирование) (4).Однако это слишком упрощенное предположение, и эффекты tDCS, вероятно, намного сложнее.

За последние 20 лет мы стали свидетелями большого количества открытий, касающихся влияния пола на многие аспекты функции и поведения мозга, включая эмоции, память, зрение, слух, обработку лица, восприятие боли, навигацию, уровни нейротрансмиттеров и гормон стресса. действие. Внедрение методов визуализации человеческого мозга, таких как позитронно-эмиссионная томография (ПЭТ) и функциональная магнитно-резонансная томография (ФМРТ), повысило осведомленность о половых различиях и выявило связанные с полом влияния на функции мозга, которые ранее считались одинаковыми для мужчин и женщин. (5).Например, в 2006 году Kuo et al. (6) предположили, что половые различия представляют собой потенциальный источник вариабельности кортикальных пластических изменений от tDCS и должны быть рассмотрены в исследованиях манипуляции кортикальной нейропластичностью у людей. Однако за прошедшие 15 лет большинство исследований tDCS игнорировали биологические половые различия. Это пренебрежение может объяснить некоторую высокую межпредметную изменчивость, на которую сетуют многие исследователи tDCS, и, безусловно, задерживает прогресс в этой области. Это прискорбно, потому что исследования влияния пола жизненно важны для полного понимания основных механизмов неинвазивной стимуляции мозга, особенно для tDCS, которая показала большую вариабельность (7–13).Действительно, примерно 50% участников не реагируют на tDCS, а некоторые даже демонстрируют эффекты, противоречащие ожидаемой реакции возбудимости (например, ингибирование от анодной tDCS и возбуждение от катодной tDCS), о чем свидетельствуют изменения амплитуды моторных вызванных потенциалов (MEP), вызванные транскраниальная магнитная стимуляция (ТМС) (14–16). Интересно, что Аденазато и др. (17) недавно показали связанные с полом различия в когнитивных способностях по теории разума (ToM) при здоровом старении. В частности, их результаты показали, что один сеанс анодной tDCS над медиальной префронтальной корой приводит к значительному замедлению времени реакции в задаче обработки коммуникативного намерения у пожилых женщин, но не у мужчин.

Целью данной статьи является акцент на рассмотрении биологического пола с точки зрения физиологических и анатомических соображений в отношении результатов tDCS и предоставление размышлений и направлений для будущих исследований в этой области. Основное внимание в этой статье уделяется транскраниальной стимуляции постоянным током (tDCS), хотя обсуждаемые вопросы могут быть применены к другим методам транскраниальной электростимуляции.

Гормональные уровни и баланс нейротрансмиттеров

Гормональные уровни колеблются значительно больше у женщин, чем у мужчин, и некоторые исследования исключают женщин из своих исследований, чтобы снизить уровень шума в своих результатах (18).У мужчин отсутствует циклическое колебание половых гормонов; Таким образом, тестостерон и его метаболиты одинаково модулируют возбудимость коры головного мозга в разные дни. Менструальный цикл женщины состоит из двух основных фаз: фолликулярная фаза, характеризующаяся повышением уровня эстрогена и низким уровнем прогестерона; и лютеиновая фаза, которая начинается с овуляции и сопровождается умеренным уровнем эстрогена и высоким уровнем прогестерона. Во время первой фолликулярной фазы менструации (дни 1-7) уровни прогестерона и эстрадиола низкие, а возбуждение коры и торможение со стороны tDCS менее чувствительны.Во второй фолликулярной фазе (7–14 дни) эстрадиол увеличивается, а прогестерон остается низким, повышается возбудимость и снижается торможение. В первой (14–21 дни) и второй лютеиновой фазе (21–28 дни), когда уровень эстрадиола умеренный, а уровень прогестерона высокий, возбуждение снижается, а торможение усиливается (19–21). Таким образом, похоже, что прогестерон вызывает усиление коркового торможения, а эстрадиол увеличивает возбудимость. Кроме того, измерения уровней нейромедиаторов, важных для ответов tDCS (например,g., гамма-аминомасляная кислота (ГАМК) и глутамат) поддерживают гормональное воздействие на возбудимость коры головного мозга. Используя магнитно-резонансную спектроскопию (MRS), Epperson et al. (22) показали, что у здоровых женщин концентрация ГАМК в первичной зрительной коре головного мозга была ниже в лютеиновой, чем в фолликулярной фазе, и что уровень ГАМК обратно коррелировал с уровнями прогестерона и эстрадиола. Точно так же другое исследование показало, что концентрация глутамата в медиальной лобной коре головного мозга была ниже во время лютеиновой фазы, чем во время фолликулярной (23).Следовательно, возможно, что оценка соотношения ГАМК / глутамат и эстроген / прогестерон в будущих исследованиях подтвердит предыдущие данные ТМС о том, что ингибирование увеличивается во время лютеиновой фазы и снижается во время фолликулярной фазы, а возбуждение снижается в лютеиновой фазе и увеличивается во второй фолликулярной фазе. В будущих исследованиях tDCS, в которых участвуют женщины, следует тщательно учитывать менструальные фазы в своих исследованиях, а женщин, включенных в исследования с повторными сеансами, следует стимулировать в течение той же фазы их менструального цикла.

Предполагая, что повышение возбудимости коры головного мозга полезно для улучшения когнитивных и двигательных функций, следует также отметить негативные последствия и неоптимальную производительность. Перевозбуждение коры, например, во второй фолликулярной фазе (т. Е. Чрезмерное высвобождение глутамата) может привести к эксайтотоксичности и гибели клеток (24, 25). Однако следует отметить, что не было случаев припадков, вызванных tDCS с интенсивностью ≤4 мА, что считается безопасным как для мужчин, так и для женщин.Перевозбуждение, вероятно, зависит от целевой области коры головного мозга, поскольку оптимальный баланс возбуждения / торможения (E / I) различается между областями мозга. В одном месте может наблюдаться перевозбуждение при заданном наборе параметров tDCS (например, интенсивности, продолжительности и т. Д.), В то время как в других с другими уровнями E / I или у человека с более низким возбуждением могут возникнуть преимущества (26). Действительно, более высокая утомляемость от tDCS 4 мА, обнаруженная у молодых женщин по сравнению с молодыми мужчинами, Workman et al. (27) могло быть результатом перевозбуждения женщины.Чрезмерное ГАМКергическое ингибирование также снижает выход нейронов (28), а усиленное ингибирование коррелирует с более высокой стабильностью сети и снижением корковой пластичности (29).

Исследование Stagg et al. (30) показали значительную корреляцию между степенью, в которой tDCS снижает ГАМК, и способностью испытуемого выучить новую задачу. В частности, те, кто продемонстрировал большее снижение ГАМК от tDCS, также продемонстрировали большее улучшение в обучении. Следовательно, баланс во взаимодействии E / I может быть необходим для повышения эффективности передачи информации в головном мозге (31, 32).Для tDCS это указывает на конкретную связь доза-ответ, которая взаимосвязана с ранее существовавшими исходными уровнями, которые неизвестны исследователю. В дополнение к другим смешивающим факторам, это взаимодействие могло бы прояснить наблюдаемые различия в результатах tDCS и большую вариабельность, характерную для исследований tDCS.

Структура кортикальной кости

Еще один фактор, который следует учитывать, — это различия в структуре / составе черепа у мужчин и женщин. Это важно, потому что исследование Vöröslakos et al.(33) обнаружили, что только небольшая часть транскраниального тока достигает мозга человеческих трупов. Они подсчитали, что мягкие ткани (например, кожа головы, подкожная клетчатка и мышцы) шунтировали ~ 50% силы тока, а череп шунтировал еще 10-25%. Кроме того, Russell et al. (34) смоделировали интенсивности тока (от 0,5, 1 до 2 мА tDCS), поступающего в кору головного мозга мужчин и женщин, с использованием различных половых характеристик черепа, полученных из реальных МР-изображений. Их результаты выявили интересные вариации, зависящие от пола, при этом их модель предполагала, что мужчины будут получать примерно на 45% больше тока в коре головного мозга, чем женщины.Авторы связали свои результаты с различиями в строении черепа, отмеченными на МРТ мужчин и женщин. В частности, у мужчин черепа были толще, чем у женщин, и костный состав мужчин был преимущественно губчатым, в то время как кортикальная кость была в основном обнаружена у женщин. Учитывая, что кортикальная кость имеет более высокую плотность, чем губчатая кость, авторы пришли к выводу, что более плотная кортикальная кость предотвращает поступление большего тока в кору головного мозга у женщин. Следовательно, возможные различия в плотности кортикальной кости и толщине губчатого вещества кости между мужчинами и женщинами и внутри каждого пола должны быть рассмотрены в будущих исследованиях tDCS.

Проблемы, решения и направления на будущее

Как отмечалось выше, некоторые исследования исключают женщин для контроля за гормональными колебаниями и их влиянием на возбуждение коры головного мозга. Хотя это представляет собой одно из возможных решений, если цель состоит в том, чтобы оказать влияние на мозг и поведение населения в целом с помощью tDCS, необходимо дополнительно изучить корреляцию между менструальным циклом и E / I, и женщины должны быть включены в качестве участников. Гормональные уровни, измеренные в образцах крови у женщин, могут указывать на относительные уровни корковой возбудимости.Однако необходимы дополнительные доказательства для подтверждения корреляции между E / I и гормональными взаимодействиями. Другое возможное решение — явно нацелить индивидуальный региональный баланс E / I путем измерения уровней ГАМК и глутамата, например, с помощью MRS, и тем самым определить текущую полярность / параметры для оптимизации E / I. Хотя этот метод может быть технически и практически сложным, такое исследование могло бы тщательно связать уровни ГАМК и глутамата с другими, более легко измеряемыми индивидуальными характеристиками (например,g., пол, возраст, уровни гормонов и т. д.), чтобы предоставить потенциальные биомаркеры реакции tDCS.

Для будущих исследований особенно важно, чтобы ученые планировали возможные различия, связанные с полом, и чтобы они тщательно выбирали желаемые исследуемые группы, чтобы избежать нежелательного шума в данных и / или, в крайних случаях, потенциального повышенного риска судорог. (35). Это может быть достигнуто путем учета этих переменных путем предварительной оценки уровней E / I или паттернов активации с использованием методов нейровизуализации (ПЭТ, фМРТ, MRS), TMS или, по крайней мере, поведенческих паттернов производительности.МРТ или компьютерная томография (КТ) также могут использоваться для оценки толщины и плотности черепной кости, а также следует учитывать гормональные уровни, особенно у женщин, чтобы избежать нежелательного воздействия на возбудимость кортикального слоя tDCS. В частности, систематические исследования для выявления типичных характеристик черепа мужчин и женщин и их связи с корковой возбудимостью помогут настроить интенсивность tDCS в зависимости от пола. tDCS также следует применять во время определенных фаз менструального цикла, чтобы оптимизировать эффекты результатов tDCS.Например, если tDCS применяется во время второй фолликулярной фазы менструального цикла, интенсивность может быть ниже, чем у мужчин, чтобы избежать перевозбуждения и создать положительный результат. Затем может последовать дальнейшая индивидуализация путем измерения гормонального фона и состава костей каждого человека и соответствующей стимуляции. Это еще больше усиливает аргумент о том, что tDCS следует настраивать для отдельных участников, и обнаружение параметров стимуляции, связанных с полом, было бы первым логическим шагом.Отмечено, что эти половые различия основаны на биологических вариантах, присущих мужчинам и женщинам. Таким образом, будущие исследования должны определить биологический пол их субъектов, чтобы контролировать потенциальные источники вариаций, обсуждаемых здесь.

Выявление идеальных методологий tDCS, специфичных для каждого пола (например, низкая интенсивность для мужчин, высокая интенсивность для женщин или , наоборот, ) составляет жизненно важную основу для индивидуального применения tDCS для участников.Однако различия, связанные с полом, являются лишь одной из многих проблем (например, возраст, руки, когнитивные способности, неврологические и психиатрические расстройства, лекарства, рекреационные наркотики, предшествующее воздействие стимуляции мозга, конфигурации электродов, параметры стимуляции, зависимость от задач), которые, как предполагается, способствуют возникновению высокая вариабельность результатов tDCS. Таким образом, возможность применения стандартизированных tDCS вызывает сомнения, по крайней мере, в ближайшем будущем. Кроме того, практически невозможно включить все характеристики каждого человека в дизайн исследования клинических испытаний для получения однородных образцов, а tDCS, адаптированный для отдельных участников, является более вероятным решением проблемы неоднородности ответа.

Вклад авторов

TR, CW, AF и JK внесли свой вклад в подготовку статьи и ее критическое исправление для важного интеллектуального содержания. Все авторы внесли свой вклад в статью и одобрили представленную версию.

Конфликт интересов

Авторы заявляют, что исследование проводилось в отсутствие каких-либо коммерческих или финансовых отношений, которые могли бы быть истолкованы как потенциальный конфликт интересов.

Ссылки