AC кондензатори

Какво е променлив ток?

Ако вземем под внимание постоянен ток, тогава той не винаги може да бъде напълно постоянен: напрежението на изхода на източника може да зависи от натоварването или от степента на разреждане на батерията или галваничната батерия. Дори при постоянно стабилизирано напрежение токът във външната верига зависи от натоварването, което потвърждава закона на Ом. Оказва се, че това също не е съвсем постоянен ток, но такъв ток също не може да се нарече променлив, тъй като не променя посоката.

Променлива обикновено се нарича напрежение или ток, посоката и величината на която не се променят под въздействието на външни фактори, като товар, а са напълно "независими": така генераторът го генерира. Освен това тези промени трябва да бъдат периодични, т.е. повтарящ се през определен период от време, наречен период.

Ако напрежението или токът се променят по някакъв начин, без да се притеснявате за честотата и други закономерности, такъв сигнал се нарича шум. Класически пример е „сняг“ на телевизионен екран със слаб излъчващ сигнал. Примери за някои периодични електрически сигнали са показани на Фигура 1.

За постоянен ток има само две характеристики: полярността и напрежението на източника. В случай на променлив ток тези две количества очевидно не са достатъчни, така че се появяват още няколко параметъра: амплитуда, честота, период, фаза, моментална и ефективна стойност.

Фигура 1Примери за някои периодични електрически сигнали

Най-често в технологиите човек трябва да се справя със синусоидални трептения, освен това не само в електротехниката. Представете си колело за кола. Когато шофирате равномерно по добър гладък път, центърът на колелото описва права линия, успоредна на пътната настилка. В същото време всяка точка от периферията на колелото се движи по синусоида спрямо току-що споменатата линия.

Горепосоченото може да бъде потвърдено от Фигура 2, която показва графичен метод за конструиране на синусоида: който е учил добре да рисува, знае как да изпълнява такива конструкции.

Фигура 2Графичен метод на синусоида

От училищния курс по физика е известно, че синусоидът е най-често срещаният и подходящ за изучаване на периодична крива. По абсолютно същия начин се получават синусоидални трептения във генераторипоради механичното им устройство.

Фигура 3 показва графика на синусоидалния ток.

Фигура 3Синусоидален токов график

Лесно е да се види, че величината на тока варира с времето, следователно ординатната ос, показана на фигурата като i (t), е функцията на тока спрямо времето. Пълният период на тока е обозначен с плътна линия и има период Т. Ако започнете разглеждането от началото, можете да видите, че в началото токът се увеличава, достига Imax, преминава през нула, намалява до –Imax, след това се увеличава и достига до нула. След това започва следващият период, както е показано от пунктираната линия.

Под формата на математическа формула текущото поведение се записва, както следва: i (t) = Imax * sin (ω * t ± φ).

Тук i (t) е моментната стойност на тока, в зависимост от времето, Imax е стойността на амплитудата (максимално отклонение от равновесното състояние), ω е кръговата честота (2 * π * f), φ е фазовият ъгъл.

Кръговата честота ω се измерва в радиани в секунда, а фазовият ъгъл φ в радиани или градуси. Последното има смисъл само когато има два синусоидални тока. Например във вериги с кондензатор токът е по-напред от напрежението с 90˚ или точно една четвърт от периода, както е показано на фигура 4. Ако има един синусоидален ток, тогава можете да го преместите по оста на ордината, както искате, и нищо няма да се промени от това.

Фигура 4 В схеми с кондензатор токът изпреварва напрежението с четвърт период

Физическият смисъл на кръговата честота ω е какъв ъгъл в радианите ще „премине“ през синусоида за една секунда.

Период - T е времето, през което синусоидата ще направи едно пълно колебание. Същото се отнася и за вибрации с различна форма, например правоъгълна или триъгълна. Периодът се измерва в секунди или по-малки единици: милисекунди, микросекунди или наносекунди.

Друг параметър на всеки периодичен сигнал, включително синусоида, е честотата, колко трептения ще направи сигналът за 1 секунда. Единицата за измерване на честотата е Херц (Hz), кръстен на учения от 19 век Хайнрих Херц. Така че, честотата от 1 Hz не е нищо повече от едно трептене / секунда. Например честотата на осветителната мрежа е 50Hz, тоест точно 50 секунди преминават синусоидални периоди.

Ако текущият период е известен (можете измерете с осцилоскоп), тогава честотата на сигнала ще ви помогне да разберете формулата: f = 1 / T. Освен това, ако времето се изрази в секунди, резултатът ще бъде в Херц. Обратно, T = 1 / f, честотата в Hz, времето се получава в секунди. Например, когато 50 херца периодът ще бъде 1/50 = 0,02 секунди, или 20 милисекунди. В електроенергията по-често се използват по-високи честоти: KHz - килогерц, MHz - мегагерц (хиляди и милиони трептения в секунда) и т.н.

Всичко казано за ток важи и за променливото напрежение: на фиг. 6 е достатъчно просто да сменим буквата I на U. Формулата ще изглежда така: u (t) = Umax * sin (ω * t ± φ).

Тези обяснения са достатъчни, за да се върнем към експериментирайте с кондензатори и обясняват физическия им смисъл.

Кондензаторът провежда променлив ток, който беше показан на диаграмата на фигура 3 (вижте статия - Кондензатори за електрически инсталации с променлив ток). Яркостта на лампата се увеличава, когато е свързан допълнителен кондензатор. Когато кондензаторите са свързани паралелно, техните капацитети просто се сумират, така че може да се предположи, че капацитетът Xc зависи от капацитета. В допълнение, това също зависи от честотата на тока и следователно формулата изглежда така: Xc = 1/2 * π * f * C.

От формулата следва, че с увеличаване на капацитета и честотата на променливото напрежение, реактивността Xc намалява, Тези зависимости са показани на фигура 5.

Фигура 5. Зависимостта на реактивността на кондензатора от капацитета

Ако заместим честотата в Херц във формулата и капацитета във Фарад, тогава резултатът ще бъде в Ома.

Кондензаторът ще се нагрява ли?

Сега припомнете си опита с кондензатор и електромер, защо не се върти? Факт е, че електромерът отчита активната енергия, когато потребителят е чисто активно натоварване, например лампи с нажежаема жичка, електрическа кана или електрическа печка. За такива консуматори напрежението и токът съвпадат във фаза, имат един знак: ако умножите две отрицателни числа (напрежение и ток по време на отрицателния полуцикъл), резултатът според законите на математиката все още е положителен. Следователно капацитетът на такива потребители винаги е положителен, т.е. отива в товара и се отделя под формата на топлина, както е показано на фигура 6 от пунктираната линия.

Фигура 6

В случай, че кондензаторът е включен в веригата на променлив ток, токът и напрежението не съвпадат във фаза: токът е 90 оп пред фазата на напрежението, което води до комбинация, когато токът и напрежението имат различни знаци.

Фигура 7

В тези моменти силата е отрицателна. С други думи, когато мощността е положителна, кондензаторът се зарежда, а когато е отрицателен, съхранената енергия се прехвърля обратно към източника. Следователно средно се оказва по нули и тук просто няма какво да се брои.

Кондензаторът, освен ако разбира се не е годен за работа, дори няма да се нагрява. Затова често кондензатор, наречен свободно съпротивление, което позволява използването му в без трансформаторни захранвания с ниска мощност.Въпреки че такива блокове не се препоръчват поради тяхната опасност, все пак понякога е необходимо да се направи това.

Преди да инсталирате в такова устройство закаляващ кондензатор, трябва да се провери чрез обикновена връзка с мрежата: ако за половин час кондензаторът не се е загрял, тогава той може безопасно да бъде включен във веригата. В противен случай просто трябва да го изхвърлите без съжаление.

Какво показва волтметър?

При производството и ремонта на различни устройства, макар и не много често, е необходимо да се измерват променливи напрежения и дори токове. Ако синусоидът се държи толкова забързано, тогава нагоре и надолу, какво ще покаже нормален волтметър?

Средната стойност на периодичен сигнал, в случая синусоида, се изчислява като площта, ограничена от оста на абсцисата и графичното изображение на сигнала, разделено на 2 * π радиани или периода на синусоида. Тъй като горната и долната част са абсолютно идентични, но имат различни признаци, средната стойност на синусоида е нула и изобщо не е необходимо да се измерва и дори е просто безсмислено.

Следователно измервателното устройство ни показва rms стойността на напрежението или тока. Средната квадратна стойност е такава стойност на периодичния ток, при който се отделя същото количество топлина при същия товар, както при постоянен ток. С други думи крушката свети със същата яркост.

Това се описва с формулите така: Icr = 0.707 * Imax = Imax / √2 за напрежение, формулата е същата, просто сменете една буква Ucr = 0.707 * Umax = Umax / √2. Именно тези стойности показват измервателното устройство. Те могат да бъдат заместени във формули, когато се изчислява според закона на Ом или при изчисляване на мощността.

Но това не е всичко, на което е способен кондензатор в променлива мрежа. В следващата статия ще разгледаме използването на кондензатори в импулсни вериги, високочестотни и нискочестотни филтри, в синусоиди и генератори с квадратна вълна.

Борис Аладишкин

Продължение на статията: Кондензатори в електронни схеми