Kondenzátory střídavého proudu

Co je střídavý proud?

Pokud vezmeme v úvahu stejnosměrný proud, pak to nemusí být vždy dokonale konstantní: napětí na výstupu zdroje může záviset na zatížení nebo na stupni vybití baterie nebo galvanické baterie. I při konstantním stabilizovaném napětí závisí proud ve vnějším obvodu na zátěži, což potvrzuje Ohmův zákon. Ukazuje se, že to také není úplně konstantní proud, ale takový proud nelze nazvat proměnnou, protože to nemění směr.

Proměnná se obvykle nazývá napětí nebo proud, jejíž směr a velikost se nemění pod vlivem vnějších faktorů, jako je zátěž, ale je zcela „nezávislá“: takto ji generátor generuje. Tyto změny by navíc měly být periodické, tj. opakování po určitou dobu zvané období.

Pokud se napětí nebo proud jakýmkoli způsobem změní, bez obav o frekvenci a další zákonitosti, je takový signál nazýván šum. Klasickým příkladem je „sníh“ na televizní obrazovce se slabým vysílacím signálem. Příklady některých periodických elektrických signálů jsou uvedeny na obrázku 1.

Pro stejnosměrný proud existují pouze dvě charakteristiky: polarita a napětí zdroje. V případě střídavého proudu tyto dvě veličiny zjevně nestačí, takže se objeví několik dalších parametrů: amplituda, frekvence, perioda, fáze, okamžitá a efektivní hodnota.

Obrázek 1Příklady některých periodických elektrických signálů

Nejčastěji v technice se člověk musí vypořádat se sinusovými kmity, navíc nejen v elektrotechnice. Představte si kolo automobilu. Při rovnoměrné jízdě na dobré hladké vozovce popisuje střed kola přímku rovnoběžnou s povrchem vozovky. Současně se jakýkoli bod na obvodu kola pohybuje podél sinusoidy vzhledem k právě zmíněné linii.

Výše uvedené lze potvrdit na obrázku 2, který ukazuje grafickou metodu konstrukce sinusoidu: kdokoli studovaný výkres dobře ví, jak takové konstrukce provádět.

Obrázek 2Metoda grafické sinusové vlny

Ze školního kurzu fyziky je známo, že sinusoid je nejčastější a vhodný pro studium periodické křivky. Přesně stejným způsobem, sinusové oscilace jsou získány v alternátorydíky jejich mechanickému zařízení.

Obrázek 3 ukazuje graf sinusového proudu.

Obrázek 3Sinusový proudový graf

Je snadno vidět, že velikost proudu se mění s časem, a proto je osa na obrázku označena jako i (t), je funkcí proudu proti času. Celé období proudu je označeno plnou čarou a má období T. Pokud začnete uvažovat od počátku, můžete vidět, že nejprve se proud zvyšuje, dosahuje Imax, prochází nulou, klesá na –Imax, poté se zvyšuje a dosahuje nuly. Další období začíná, jak ukazuje přerušovaná čára.

Ve formě matematického vzorce je současné chování psáno následovně: i (t) = Imax * sin (ω * t ± φ).

Zde i (t) je okamžitá hodnota proudu, v závislosti na čase, Imax je hodnota amplitudy (maximální odchylka od rovnovážného stavu), ω je kruhová frekvence (2 * π * f), φ je fázový úhel.

Kruhová frekvence ω se měří v radiánech za sekundu a fázový úhel φ v radiánech nebo stupních. Ten má smysl pouze tehdy, když existují dva sinusové proudy. Například v řetězcích s kondenzátor proud je před napětím o 90˚ nebo přesně o čtvrtinu periody, jak je znázorněno na obrázku 4. Pokud existuje jeden sinusový proud, můžete jej podle potřeby posunout podél osy ordinátu a nic z toho se nezmění.

Obrázek 4 V obvodech s kondenzátorem je proud před napětím o čtvrt periody před napětím

Fyzikální význam kruhové frekvence ω je to, jaký úhel v radiánech „proběhne“ sinusoidem za sekundu.

Období - T je doba, během níž sinusová vlna provede jednu úplnou oscilaci. Totéž platí pro vibrace různého tvaru, například pravoúhlé nebo trojúhelníkové. Období se měří v sekundách nebo menších jednotkách: milisekundy, mikrosekundy nebo nanosekundy.

Dalším parametrem každého periodického signálu, včetně sinusoidu, je frekvence, kolik kmitů bude signál dělat za 1 sekundu. Jednotkou měření frekvence je Hertz (Hz), pojmenovaný pro vědce 19. století Heinricha Hertze. Frekvence 1 Hz tedy není nic jiného než jedna oscilace za sekundu. Například frekvence osvětlovací sítě je 50 Hz, to znamená, že za sekundu uplyne přesně 50 sinusových period.

Pokud je známo aktuální období (můžete měří osciloskopem), pak frekvence signálu pomůže zjistit vzorec: f = 1 / T. Navíc, pokud je čas vyjádřen v sekundách, výsledek bude v Hertzech. Naopak T = 1 / f, frekvence v Hz, čas je získán v sekundách. Například, když 50 hertzů tato doba bude 1/50 = 0,02 sekundy nebo 20 milisekund. V elektřině se častěji používají vyšší frekvence: KHz - kilohertz, MHz - megahertz (tisíce a miliony kmitů za sekundu) atd.

Vše, co bylo řečeno o proudu, platí také pro střídavé napětí: na obr. 6 stačí jednoduše změnit písmeno I na U. Vzorec bude vypadat takto: u (t) = Umax * sin (ω * t ± φ).

Tato vysvětlení stačí k návratu experimentujte s kondenzátory a vysvětlit jejich fyzický význam.

Kondenzátor vede střídavý proud, který byl zobrazen na obrázku na obrázku 3 (viz článek - Kondenzátory pro AC elektrické instalace) Jas lampy se zvyšuje, když je připojen další kondenzátor. Pokud jsou kondenzátory zapojeny paralelně, jejich kapacity se jednoduše sčítají, takže lze předpokládat, že kapacita Xc závisí na kapacitě. Kromě toho také záleží na frekvenci proudu, a proto vzorec vypadá takto: Xc = 1/2 * π * f * C.

Z vzorce vyplývá, že se zvyšující se kapacitou a frekvencí střídavého napětí reaktance Xc klesá. Tyto závislosti jsou znázorněny na obrázku 5.

Obrázek 5. Závislost reaktivity kondenzátoru na kapacitě

Pokud nahradíme frekvenci v Hertzech do vzorce a kapacitu ve Faradech, výsledek bude v Ohmech.

Zahřeje se kondenzátor?

Nyní si vzpomeňte na zkušenost s kondenzátorem a elektrickým měřičem, proč se točí? Skutečnost je taková, že měřič zvažuje aktivní energii, když je spotřebitel čistě aktivní zátěž, například žárovky, rychlovarná konvice nebo elektrický sporák. U těchto spotřebitelů se napětí a proud shodují ve fázi, mají jedno znaménko: pokud vynásobíte dvě záporná čísla (napětí a proud během záporného půl cyklu), výsledek podle zákonů matematiky je stále kladný. Proto je kapacita těchto spotřebitelů vždy pozitivní, tj. jde do zátěže a je uvolňován ve formě tepla, jak je znázorněno na obrázku 6 přerušovanou čarou.

Obrázek 6

V případě, že je kondenzátor zapojen do obvodu se střídavým proudem, proud a napětí se neshodují ve fázi: proud je 90 п před fází v napětí, což vede ke kombinaci, když proud a napětí mají různé znaky.

Obrázek 7

V těchto okamžicích je síla záporná. Jinými slovy, když je síla kladná, kondenzátor je nabitý a když je záporná, uložená energie je přenesena zpět do zdroje. Proto se v průměru ukazuje nulami a zde se prostě nedá počítat.

Kondenzátor, pokud to samozřejmě není možné, se vůbec nezahřívá. Proto často kondenzátor nazývaný volný odpor, což umožňuje jeho použití v nízkonapěťových zdrojích bez transformátoru.Ačkoli takové bloky nejsou doporučovány kvůli jejich nebezpečí, stále je někdy nutné to udělat.

Před instalací do takové jednotky kondenzační kondenzátor, mělo by být zkontrolováno jednoduchým připojením k síti: pokud se kondenzátor během půl hodiny nezahřeje, může být bezpečně zapojen do okruhu. Jinak to prostě musíte zahodit bez lítosti.

Co ukazuje voltmetr?

Při výrobě a opravách různých zařízení, i když ne velmi často, je nutné měřit střídavé napětí a dokonce i proudy. Pokud se sinusoid chová tak hekticky, pak nahoru a dolů, co se ukáže normální voltmetr?

Průměrná hodnota periodického signálu, v tomto případě sinusoidu, se vypočítá jako plocha ohraničená osou x-osa a grafický obraz signálu dělený 2 * π radiánů nebo periody sinusoidu. Protože horní a dolní část jsou naprosto identické, ale mají různé znaky, je průměrná hodnota sinusoidy nulová a není nutné ji vůbec měřit a dokonce ani nemá smysl.

Měřicí zařízení nám proto ukazuje efektivní hodnotu napětí nebo proudu. Střední čtvercová hodnota je taková hodnota periodického proudu, při které je stejné množství tepla uvolňováno při stejném zatížení jako na stejnosměrný proud. Jinými slovy, žárovka svítí se stejným jasem.

Toto je popsáno vzorci jako je tento: Icrc = 0,707 * Imax = Imax / √2 pro napětí, vzorec je stejný, stačí změnit jedno písmeno Ucrc = 0,707 * Umax = Umax / √2. Měřicí zařízení zobrazuje tyto hodnoty. Mohou být nahrazeny do vzorců při výpočtu podle Ohmova zákona nebo při výpočtu síly.

Ale to není všechno, co je kondenzátor v AC síti schopen. V dalším článku se budeme zabývat využitím kondenzátorů v pulzních obvodech, vysokopásmových a dolních propustích, v generátorech sinusové a čtvercové vlny.

Boris Aladyshkin

Pokračování článku: Kondenzátory v elektronických obvodech