Kondenzátory striedavého prúdu

Čo je striedavý prúd?

Ak vezmeme do úvahy jednosmerný prúd, nemusí byť vždy dokonale konštantný: napätie na výstupe zdroja môže závisieť od zaťaženia alebo od stupňa vybitia batérie alebo galvanickej batérie. Aj pri konštantnom stabilizovanom napätí prúd vo vonkajšom obvode závisí od záťaže, čo potvrdzuje Ohmov zákon. Ukazuje sa, že to tiež nie je celkom konštantný prúd, ale taký prúd tiež nemožno označiť ako premenný, pretože nemení smer.

Premenná sa obvykle nazýva napätie alebo prúd, ktorého smer a veľkosť sa nemení pod vplyvom vonkajších faktorov, ako je napríklad záťaž, ale je úplne „nezávislý“: takto ju generuje generátor. Okrem toho by tieto zmeny mali byť periodické, t.j. opakovanie v určitom časovom období nazývanom perióda.

Ak sa napätie alebo prúd akýmkoľvek spôsobom zmení, bez obáv o frekvenciu a ďalšie zákonitosti, takýto signál sa nazýva šum. Klasickým príkladom je „sneh“ na televíznej obrazovke so slabým vysielacím signálom. Príklady niektorých periodických elektrických signálov sú uvedené na obrázku 1.

Pre jednosmerný prúd existujú iba dve charakteristiky: polarita a napätie zdroja. V prípade striedavého prúdu tieto dve hodnoty zjavne nestačia, takže sa objaví niekoľko ďalších parametrov: amplitúda, frekvencia, perióda, fáza, okamžitá a efektívna hodnota.

Obrázok 1Príklady niektorých periodických elektrických signálov

Najčastejšie v technológii sa človek musí vysporiadať so sínusovými osciláciami, a to nielen v elektrotechnike. Predstavte si koleso automobilu. Pri rovnomernej jazde na dobrej hladkej vozovke je v strede kolesa opísaná priamka rovnobežná s povrchom vozovky. Zároveň sa akýkoľvek bod na okraji kolesa pohybuje pozdĺž sínusoidy vzhľadom na práve spomínanú líniu.

To možno potvrdiť na obrázku 2, ktorý ukazuje grafickú metódu na zostavenie sínusoidu: každý, kto študoval kresbu, vie, ako vykonávať takéto konštrukcie.

Obrázok 2Metóda grafickej sinusovej vlny

Zo školského kurzu fyziky je známe, že sínusoid je najbežnejší a vhodný na štúdium periodickej krivky. Presne rovnakým spôsobom sa dosahujú sinusové kmity alternátorykvôli ich mechanickému zariadeniu.

Obrázok 3 zobrazuje graf sínusového prúdu.

Obrázok 3Sinusový prúdový graf

Je ľahké vidieť, že veľkosť prúdu sa mení v priebehu času, preto je na osi súradnice znázornené na obrázku ako i (t), je funkciou prúdu verzus čas. Celé obdobie prúdu je označené plnou čiarou a má obdobie T. Ak začnete uvažovať od začiatku, môžete vidieť, že najprv sa prúd zvyšuje, dosahuje hodnotu Imax, prechádza nulou, klesá na –Imax a potom sa zvyšuje a dosahuje nulovú hodnotu. Ďalej začne ďalšie obdobie, ako je znázornené prerušovanou čiarou.

Vo forme matematického vzorca je súčasné správanie napísané nasledovne: i (t) = Imax * sin (ω * t ± φ).

Tu (i) je okamžitá hodnota prúdu, v závislosti na čase, Imax je hodnota amplitúdy (maximálna odchýlka od rovnovážneho stavu), ω je kruhová frekvencia (2 * π * f), φ je fázový uhol.

Kruhová frekvencia co sa meria v radiánoch za sekundu a fázový uhol φ v radiánoch alebo stupňoch. Ten má zmysel iba vtedy, keď existujú dva sínusové prúdy. Napríklad v reťazcoch s kondenzátor prúd je pred napätím o 90˚ alebo presne o štvrtinu periódy, ako je to znázornené na obrázku 4. Ak existuje jeden sínusový prúd, môžete ho podľa potreby posúvať pozdĺž osi, a nič z toho sa nezmení.

Obrázok 4 V obvodoch s kondenzátorom je prúd pred napätím o štvrtinu periódy

Fyzikálny význam kruhovej frekvencie ω je to, aký uhol v radiánoch „prebehne“ sínusoid za jednu sekundu.

Obdobie - T je čas, počas ktorého sínusová vlna vykoná jednu úplnú osciláciu. To isté platí pre vibrácie iného tvaru, napríklad pravouhlé alebo trojuholníkové. Perióda sa meria v sekundách alebo menších jednotkách: milisekundy, mikrosekundy alebo nanosekundy.

Ďalším parametrom každého periodického signálu, vrátane sínusoidu, je frekvencia, koľko kmitov bude signál robiť za 1 sekundu. Jednotkou merania frekvencie je Hertz (Hz), pomenovaný pre vedca 19. storočia Heinricha Hertza. Frekvencia 1 Hz teda nie je nič viac ako jedna oscilácia za sekundu. Napríklad frekvencia osvetľovacej siete je 50 Hz, to znamená, že za sekundu prejde presne 50 sínusových období.

Ak je známe súčasné obdobie (môžete zmerajte osciloskopom), potom frekvencia signálu pomôže zistiť vzorec: f = 1 / T. Navyše, ak je čas vyjadrený v sekundách, výsledok bude v Hertzoch. Naopak, T = 1 / f, frekvencia v Hz, čas sa získa v sekundách. Napríklad, keď 50 Hz perióda bude 1/50 = 0,02 sekundy alebo 20 milisekúnd. Pri elektrine sa častejšie používajú vyššie frekvencie: KHz - kilohertz, MHz - megahertz (tisíce a milióny kmitov za sekundu) atď.

Všetko, čo sa hovorí o prúde, platí aj pre striedavé napätie: na obr. 6 stačí jednoducho zmeniť písmeno I na U. Vzorec bude vyzerať takto: u (t) = Umax * sin (ω * t ± φ).

Tieto vysvetlenia stačí na návrat experimentujte s kondenzátormi a vysvetliť ich fyzický význam.

Kondenzátor vedie striedavý prúd, ktorý bol zobrazený na obrázku 3 (pozri článok - Kondenzátory pre elektrické inštalácie striedavého prúdu). Jas žiarovky sa zvyšuje, keď je pripojený ďalší kondenzátor. Ak sú kondenzátory zapojené paralelne, ich kapacity sa jednoducho spočítajú, takže sa dá predpokladať, že kapacita Xc závisí od kapacity. Okrem toho záleží aj na frekvencii prúdu, a preto vzorec vyzerá takto: Xc = 1/2 * π * f * C.

Z tohto vzorca vyplýva: so zvyšujúcou sa kapacitou a frekvenciou striedavého napätia sa reaktancia Xc znižuje, Tieto závislosti sú znázornené na obrázku 5.

Obrázok 5. Závislosť reaktivity kondenzátora od kapacity

Ak nahradíme frekvenciu v Hertzoch do vzorca a kapacitu vo Faradoch, výsledok bude v Ohmoch.

Zahrieva sa kondenzátor?

Teraz si spomeňte na skúsenosti s kondenzátorom a elektromerom, prečo sa točí? Faktom je, že merač zvažuje aktívnu energiu, keď je spotrebiteľ čisto aktívnym zaťažením, napríklad žiarovky, rýchlovarná kanvica alebo elektrický sporák. U týchto spotrebiteľov sa napätie a prúd zhodujú vo fáze, majú jedno znamenie: ak vynásobíte dve záporné čísla (napätie a prúd počas záporného pol cyklu), výsledok podľa matematických zákonov je stále pozitívny. Preto je kapacita takýchto spotrebiteľov vždy pozitívna, t.j. ide do záťaže a uvoľňuje sa vo forme tepla, ako je znázornené na obrázku 6 čiarkovanou čiarou.

Obrázok 6

V prípade, že je kondenzátor zapojený do obvodu so striedavým prúdom, prúd a napätie sa nezhodujú vo fáze: prúd je o 90% pred fázou v napätí, čo vedie ku kombinácii, keď prúd a napätie majú rôzne znaky.

Obrázok 7

V týchto okamihoch je sila záporná. Inými slovami, keď je energia kladná, kondenzátor je nabitý a keď je záporná, uložená energia sa prenesie späť do zdroja. Preto sa v priemere ukazuje nulami a tu sa jednoducho nedá počítať.

Kondenzátor, pokiaľ to nie je samozrejme možné, sa vôbec nezahrieva. Preto často kondenzátor nazývaný voľný odpor, čo umožňuje jeho použitie v nízkoenergetických napájacích zdrojoch bez transformátorov.Aj keď sa takéto bloky kvôli ich nebezpečenstvu neodporúčajú, niekedy je to potrebné urobiť.

Pred inštaláciou do takejto jednotky kondenzačný kondenzátor, malo by sa skontrolovať jednoduchým pripojením k sieti: ak sa kondenzátor nezahrieva do pol hodiny, potom môže byť bezpečne zapojený do okruhu. V opačnom prípade to musíte jednoducho zahodiť.

Čo ukazuje voltmeter?

Pri výrobe a opravách rôznych zariadení, aj keď nie veľmi často, je potrebné merať striedavé napätie a dokonca aj prúdy. Ak sa sínusoid správa tak hekticky, potom hore a dole, čo bude normálny voltmetr ukazovať?

Priemerná hodnota periodického signálu, v tomto prípade sínusoidu, sa vypočíta ako plocha ohraničená osou xa a grafický obraz signálu vydelený 2 * π radiánmi alebo perióda sínusoidy. Pretože horná a dolná časť sú úplne totožné, ale majú rôzne znaky, priemerná hodnota sínusoidy je nulová a nie je potrebné ju vôbec zmerať a nemá ani žiadny zmysel.

Meracie zariadenie nám preto ukazuje efektívnu hodnotu napätia alebo prúdu. Stredná štvorcová hodnota je hodnota periodického prúdu, pri ktorom sa pri rovnakom zaťažení ako pri jednosmernom prúde uvoľňuje rovnaké množstvo tepla. Inými slovami, žiarovka svieti s rovnakým jasom.

Toto je popísané vzorcami takto: Icrc = 0,707 * Imax = Imax / √2 pre napätie, vzorec je rovnaký, stačí zmeniť jedno písmeno Ucrc = 0,707 * Umax = Umax / √2. Meracie zariadenie zobrazuje tieto hodnoty. Môžu byť nahradené vzorcami pri výpočte podľa Ohmovho zákona alebo pri výpočte sily.

Nie je to však všetko, čo je kondenzátor v AC sieti schopný. V nasledujúcom článku zvážime použitie kondenzátorov v impulzných obvodoch, hornopriepustných a dolnopriepustných filtroch v generátoroch sínusovej a štvorcovej vlny.

Boris Aladyshkin

Pokračovanie článku: Kondenzátory v elektronických obvodoch

Comments

[#1]

Tento článok je dobrý. Kognitívne, obrázok 7, chcem dodať, že dielektrikum je kvôli svojej polarizácii zahrievané v kondenzátoroch. Chcem položiť autorovi otázku. Nie je mi jasné, prečo, keď na kondenzátore nie je napätie, na platniach nie je žiadny potenciálny rozdiel, maximálny prúd preteká kondenzátorom.