Kondensatory AC

Co to jest prąd przemienny?

Jeśli weźmiemy pod uwagę prąd stały, to nie zawsze może on być całkowicie stały: napięcie na wyjściu źródła może zależeć od obciążenia lub stopnia rozładowania akumulatora lub akumulatora galwanicznego. Nawet przy stałym ustabilizowanym napięciu prąd w obwodzie zewnętrznym zależy od obciążenia, co potwierdza prawo Ohma. Okazuje się, że nie jest to również prąd stały, ale takiego prądu również nie można nazwać zmiennym, ponieważ nie zmienia on kierunku.

Zmienna jest zwykle nazywana napięciem lub prądem, którego kierunek i wielkość nie zmieniają się pod wpływem czynników zewnętrznych, takich jak obciążenie, ale są całkowicie „niezależne”: tak generuje je generator. Ponadto zmiany te powinny mieć charakter okresowy, tj. powtarzanie przez pewien okres czasu zwany okresem.

Jeśli napięcie lub prąd i tak się zmieni, nie martwiąc się o częstotliwość i inne prawidłowości, taki sygnał nazywa się szumem. Klasycznym przykładem jest „śnieg” na ekranie telewizora o słabym sygnale telewizyjnym. Przykłady niektórych okresowych sygnałów elektrycznych pokazano na rycinie 1.

W przypadku prądu stałego istnieją tylko dwie cechy: biegunowość i napięcie źródła. W przypadku prądu przemiennego te dwie wielkości są wyraźnie niewystarczające, dlatego pojawia się kilka innych parametrów: amplituda, częstotliwość, okres, faza, natychmiastowa i efektywna wartość.

Rycina 1Przykłady niektórych okresowych sygnałów elektrycznych

Najczęściej w technologii należy radzić sobie z oscylacjami sinusoidalnymi, a ponadto nie tylko w elektrotechnice. Wyobraź sobie koło samochodowe. Podczas jazdy równomiernie po dobrej, gładkiej drodze środek koła opisuje linię prostą równoległą do powierzchni drogi. Jednocześnie dowolny punkt na obrzeżu koła porusza się wzdłuż sinusoidy względem wspomnianej właśnie linii.

Powyższe można potwierdzić na rycinie 2, która pokazuje graficzną metodę konstruowania sinusoidy: ktokolwiek studiował rysowanie, dobrze wie, jak wykonywać takie konstrukcje.

Rycina 2Metoda graficznej fali sinusoidalnej

Ze szkolnego kursu fizyki wiadomo, że sinusoida jest najbardziej powszechna i odpowiednia do badania krzywej okresowej. Dokładnie w ten sam sposób oscylacje sinusoidalne uzyskuje się w alternatoryze względu na ich urządzenie mechaniczne.

Ryc. 3 pokazuje wykres prądu sinusoidalnego.

Rycina 3Wykres prądu sinusoidalnego

Łatwo zauważyć, że wielkość prądu zmienia się w czasie, dlatego oś rzędnych jest pokazana na rysunku jako i (t), jest funkcją prądu w funkcji czasu. Pełny okres prądu jest wskazywany linią ciągłą i ma kropkę T. Jeśli zaczniesz rozważanie od początku, możesz zauważyć, że najpierw prąd wzrasta, osiąga Imax, przechodzi przez zero, zmniejsza się do –Imax, a następnie rośnie i osiąga zero. Następnie rozpoczyna się następny okres, jak pokazuje linia przerywana.

W postaci wzoru matematycznego bieżące zachowanie zapisuje się w następujący sposób: i (t) = Imax * sin (ω * t ± φ).

Tutaj i (t) jest chwilową wartością prądu, w zależności od czasu, Imax jest wartością amplitudy (maksymalne odchylenie od stanu równowagi), ω jest częstotliwością kołową (2 * π * f), φ jest kątem fazowym.

Częstotliwość kołowa ω jest mierzona w radianach na sekundę, a kąt fazowy φ w radianach lub stopniach. To ostatnie ma sens tylko wtedy, gdy występują dwa prądy sinusoidalne. Na przykład w łańcuchach z kondensator prąd wyprzedza napięcie o 90˚ lub dokładnie jedną czwartą okresu, jak pokazano na rycinie 4. Jeśli jest jeden prąd sinusoidalny, możesz przesuwać go wzdłuż osi rzędnych, jak chcesz, i nic się z tego nie zmieni.

Rycina 4 W obwodach z kondensatorem prąd wyprzedza napięcie o ćwierć okresu

Fizycznym znaczeniem częstotliwości kołowej ω jest kąt w radianach „przebiegający” przez sinusoidę w ciągu jednej sekundy.

Okres - T to czas, w którym fala sinusoidalna dokona jednej całkowitej oscylacji. To samo dotyczy wibracji o innym kształcie, na przykład prostokątnych lub trójkątnych. Okres jest mierzony w sekundach lub mniejszych jednostkach: milisekundach, mikrosekundach lub nanosekundach.

Innym parametrem dowolnego sygnału okresowego, w tym sinusoidy, jest częstotliwość, ile oscylacji sygnał wykona w ciągu 1 sekundy. Jednostką miary częstotliwości jest Hertz (Hz), nazwany na cześć XIX-wiecznego naukowca Heinricha Hertza. Częstotliwość 1 Hz to więc tylko jedna oscylacja na sekundę. Na przykład częstotliwość sieci oświetleniowej wynosi 50 Hz, czyli dokładnie 50 okresów sinusoidalnych mija w ciągu sekundy.

Jeśli bieżący okres jest znany (możesz zmierzyć za pomocą oscyloskopu), a następnie częstotliwość sygnału pomoże znaleźć wzór: f = 1 / T. Ponadto, jeśli czas jest wyrażony w sekundach, wynik będzie w hercach. I odwrotnie, T = 1 / f, częstotliwość w Hz, czas uzyskuje się w sekundach. Na przykład kiedy 50 herców okres wyniesie 1/50 = 0,02 sekundy lub 20 milisekund. W elektryczności często stosuje się wyższe częstotliwości: KHz - kiloherc, MHz - megaherc (tysiące i miliony oscylacji na sekundę) itp.

Wszystko, co powiedziano o prądzie, dotyczy również napięcia przemiennego: wystarczy na ryc. 6 tylko zmienić literę I na U. Wzór będzie wyglądał następująco: u (t) = Umax * sin (ω * t ± φ).

Te wyjaśnienia są wystarczające, aby powrócić do eksperymentuj z kondensatorami i wyjaśnij ich fizyczne znaczenie.

Kondensator przewodzi prąd przemienny, co pokazano na schemacie na rysunku 3 (patrz artykuł - Kondensatory do instalacji elektrycznych prądu przemiennego) Jasność lampy wzrasta po podłączeniu dodatkowego kondensatora. Kiedy kondensatory są połączone równolegle, ich pojemności po prostu sumują się, więc można założyć, że pojemność Xc zależy od pojemności. Ponadto zależy również od częstotliwości prądu, a zatem wzór wygląda następująco: Xc = 1/2 * π * f * C.

Wynika to ze wzoru: wraz ze wzrostem pojemności i częstotliwości napięcia przemiennego reaktancja Xc maleje. Zależności te pokazano na rysunku 5.

Rysunek 5. Zależność reaktancji kondensatora od pojemności

Jeśli podstawimy częstotliwość w hercach do wzoru i pojemność w faradach, wówczas wynik będzie w omach.

Czy skraplacz nagrzeje się?

Przypomnijmy teraz doświadczenie z kondensatorem i miernikiem elektrycznym, dlaczego się nie obraca? Faktem jest, że licznik uwzględnia energię czynną, gdy odbiorca jest obciążeniem czysto czynnym, na przykład żarówki, czajnik elektryczny lub kuchenka elektryczna. Dla takich odbiorców napięcie i prąd pokrywają się w fazie, mają jeden znak: jeśli pomnożysz dwie liczby ujemne (napięcie i prąd podczas ujemnego półcyklu), wynik zgodnie z prawami matematyki jest nadal dodatni. Dlatego zdolność takich konsumentów jest zawsze dodatnia, tj. wchodzi w ładunek i jest uwalniany w postaci ciepła, jak pokazano na rysunku 6 linią przerywaną.

Rycina 6

W przypadku, gdy kondensator jest włączony do obwodu prądu przemiennego, prąd i napięcie nie pokrywają się w fazie: prąd jest o 90 aheadпprzed fazą w napięciu, co prowadzi do kombinacji, gdy prąd i napięcie mają różne znaki.

Rycina 7

W tych momentach moc jest ujemna. Innymi słowy, gdy moc jest dodatnia, kondensator jest ładowany, a gdy ujemny, zgromadzona energia jest przenoszona z powrotem do źródła. Dlatego średnio okazuje się, że są zerami i po prostu nie ma tu co liczyć.

Kondensator, o ile oczywiście nie nadaje się do serwisowania, nawet się nie nagrzeje. Dlatego często kondensator zwany wolną rezystancją, co pozwala na jego zastosowanie w beztransformatorowych zasilaczach małej mocy.Chociaż takie bloki nie są zalecane ze względu na ich niebezpieczeństwo, nadal czasami trzeba to zrobić.

Przed instalacją w takim urządzeniu kondensator gaszenia, należy to sprawdzić przez proste połączenie z siecią: jeśli w ciągu pół godziny skraplacz nie nagrzeje się, można go bezpiecznie włączyć do obwodu. W przeciwnym razie musisz go po prostu wyrzucić bez żalu.

Co pokazuje woltomierz?

Podczas produkcji i naprawy różnych urządzeń, choć niezbyt często, konieczne jest mierzenie napięć przemiennych, a nawet prądów. Jeśli sinusoid zachowuje się tak gwałtownie, to w górę iw dół, co pokaże normalny woltomierz?

Średnia wartość sygnału okresowego, w tym przypadku sinusoidy, jest obliczana jako obszar ograniczony osią odciętych i obraz graficzny sygnału podzielony przez 2 * π radianów lub okres sinusoidy. Ponieważ górna i dolna część są absolutnie identyczne, ale mają różne znaki, średnia wartość sinusoidy wynosi zero i nie trzeba jej w ogóle mierzyć, a nawet jest ona po prostu bez znaczenia.

Dlatego urządzenie pomiarowe pokazuje nam wartość skuteczną napięcia lub prądu. Średnia wartość kwadratowa to taka wartość prądu okresowego, przy którym ta sama ilość ciepła jest uwalniana przy takim samym obciążeniu jak w przypadku prądu stałego. Innymi słowy, żarówka świeci z tą samą jasnością.

Jest to opisane następującymi wzorami: Icrc = 0,707 * Imax = Imax / √2 dla napięcia, wzór jest taki sam, wystarczy zmienić jedną literę Ucrc = 0,707 * Umax = Umax / √2. Te wartości pokazuje urządzenie pomiarowe. Można je zastąpić formułami przy obliczaniu zgodnie z prawem Ohma lub przy obliczaniu mocy.

Ale to nie wszystko, do czego zdolny jest kondensator w sieci prądu przemiennego. W następnym artykule rozważymy zastosowanie kondensatorów w obwodach pulsacyjnych, filtrach górnoprzepustowych i dolnoprzepustowych, w generatorach fal sinusoidalnych i falach kwadratowych.

Boris Aladyshkin

Kontynuacja artykułu: Kondensatory w obwodach elektronicznych