Πυκνωτές AC

Τι είναι το εναλλασσόμενο ρεύμα;

Αν λάβουμε υπόψη ένα συνεχές ρεύμα, τότε δεν μπορεί να είναι πάντα σταθερό: η τάση στην έξοδο της πηγής μπορεί να εξαρτάται από το φορτίο ή από τον βαθμό εκφόρτισης της μπαταρίας ή της γαλβανικής μπαταρίας. Ακόμη και με μια σταθερή σταθεροποιημένη τάση, το ρεύμα στο εξωτερικό κύκλωμα εξαρτάται από το φορτίο, το οποίο επιβεβαιώνει το νόμο του Ohm. Αποδεικνύεται ότι αυτό δεν είναι επίσης ένα σταθερό ρεύμα, αλλά ένα τέτοιο ρεύμα δεν μπορεί να ονομαστεί ούτε μεταβλητό, αφού δεν αλλάζει κατεύθυνση.

Μια μεταβλητή συνήθως ονομάζεται τάση ή ρεύμα, η κατεύθυνση και το μέγεθος της οποίας δεν αλλάζει υπό την επίδραση εξωτερικών παραγόντων, όπως φορτίο, αλλά είναι εντελώς «ανεξάρτητο»: έτσι δημιουργείται η γεννήτρια. Επιπλέον, αυτές οι αλλαγές πρέπει να είναι περιοδικές, δηλ. που επαναλαμβάνεται για μια συγκεκριμένη χρονική περίοδο που ονομάζεται περίοδος.

Εάν η τάση ή το ρεύμα αλλάξει ούτως ή άλλως, χωρίς να ανησυχείτε για τη συχνότητα και τις άλλες κανονικότητες, ένα τέτοιο σήμα ονομάζεται θόρυβος. Ένα κλασικό παράδειγμα είναι το "χιόνι" σε μια τηλεοπτική οθόνη με ένα ασθενές σήμα εκπομπής. Παραδείγματα ορισμένων περιοδικών ηλεκτρικών σημάτων φαίνονται στο σχήμα 1.

Για το συνεχές ρεύμα, υπάρχουν μόνο δύο χαρακτηριστικά: η πολικότητα και η τάση της πηγής. Στην περίπτωση εναλλασσόμενου ρεύματος, αυτές οι δύο ποσότητες είναι σαφώς ανεπαρκείς, έτσι εμφανίζονται αρκετές περισσότερες παράμετροι: πλάτος, συχνότητα, περίοδος, φάση, άμεση και αποτελεσματική τιμή.

Σχήμα 1Παραδείγματα ορισμένων περιοδικών ηλεκτρικών σημάτων

Πιο συχνά στην τεχνολογία, κάποιος πρέπει να ασχοληθεί με τις ημιτονοειδείς ταλαντώσεις, επιπλέον, όχι μόνο στην ηλεκτροτεχνία. Φανταστείτε έναν τροχό του αυτοκινήτου. Όταν οδηγείτε ομοιόμορφα σε καλό ομαλό δρόμο, το κέντρο του τροχού περιγράφει μια ευθεία γραμμή παράλληλη προς την επιφάνεια του δρόμου. Ταυτόχρονα, κάθε σημείο στην περιφέρεια του τροχού κινείται κατά μήκος ενός ημιτονοειδούς άκρου σε σχέση με τη γραμμή που μόλις αναφέρθηκε.

Τα προαναφερθέντα μπορούν να επιβεβαιωθούν από το Σχήμα 2, το οποίο δείχνει μία γραφική μέθοδο κατασκευής ενός ημιτονοειδούς: όποιος σπούδασε σχέδιο καλά ξέρει πώς να εκτελέσει τέτοιες κατασκευές.

Σχήμα 2Γραφική μέθοδος ημιτονοειδούς κύματος

Από το σχολικό μάθημα της φυσικής είναι γνωστό ότι ένα ημιτονοειδές είναι το πιο κοινό και κατάλληλο για τη μελέτη μιας περιοδικής καμπύλης. Με τον ίδιο ακριβώς τρόπο επιτυγχάνονται ημιτονοειδείς ταλαντώσεις εναλλάκτεςλόγω της μηχανικής τους διάταξης.

Το σχήμα 3 δείχνει μια γραφική παράσταση του ημιτονοειδούς ρεύματος.

Σχήμα 3Σχήμα συγχρονισμού ρεύματος

Είναι εύκολο να δούμε ότι το μέγεθος του ρεύματος ποικίλλει ανάλογα με το χρόνο, επομένως ο άξονας των τεταγμένων υποδεικνύεται στο σχήμα ως i (t), είναι η συνάρτηση του ρεύματος έναντι του χρόνου. Η πλήρης περίοδος του ρεύματος υποδεικνύεται από μια σταθερή γραμμή και έχει μια περίοδο T. Αν αρχίσετε την εξέταση από την προέλευση, μπορείτε να δείτε ότι στην αρχή το τρέχον αυξάνει, φτάνει στο Imax, μεταβαίνει στο μηδέν, μειώνεται στο -Imax, στη συνέχεια αυξάνει και φτάνει στο μηδέν. Στη συνέχεια ξεκινάει η επόμενη περίοδος, όπως φαίνεται από τη διακεκομμένη γραμμή.

Με τη μορφή μαθηματικού τύπου, η τρέχουσα συμπεριφορά γράφεται ως εξής: i (t) = Imax * sin (ω * t ± φ).

Εδώ i (t) είναι η στιγμιαία τιμή του ρεύματος, ανάλογα με το χρόνο, Imax είναι η τιμή πλάτους (μέγιστη απόκλιση από την κατάσταση ισορροπίας), ω είναι η κυκλική συχνότητα (2 * π * f), φ είναι η γωνία φάσης.

Η κυκλική συχνότητα ω μετράται σε ακτίνια ανά δευτερόλεπτο και η γωνία φάσης φ σε ακτίνες ή βαθμούς. Το τελευταίο έχει νόημα μόνο όταν υπάρχουν δύο ημιτονοειδή ρεύματα. Για παράδειγμα, σε αλυσίδες με πυκνωτή το ρεύμα βρίσκεται μπροστά από την τάση κατά 90˚ ή ακριβώς το ένα τέταρτο της περιόδου, όπως φαίνεται στο Σχήμα 4. Εάν υπάρχει ένα ημιτονοειδές ρεύμα, τότε μπορείτε να το μετακινήσετε κατά μήκος του άξονα των τεταγμένων όπως θέλετε και τίποτα δεν θα αλλάξει από αυτό.

Σχήμα 4 Σε κυκλώματα με πυκνωτή, το ρεύμα βρίσκεται μπροστά από την τάση κατά ένα τέταρτο μιας περιόδου

Το φυσικό νόημα της κυκλικής συχνότητας ω είναι ποια γωνία στα ακτίνια θα "τρέξει" μέσα από ένα ημιτονοειδές σε ένα δευτερόλεπτο.

Περίοδος - T είναι ο χρόνος κατά τον οποίο το ημιτονοειδές κύμα θα κάνει μια πλήρη ταλάντωση. Το ίδιο ισχύει και για δονήσεις διαφορετικού σχήματος, για παράδειγμα, ορθογώνια ή τριγωνικά. Η περίοδος μετράται σε δευτερόλεπτα ή μικρότερες μονάδες: χιλιοστά του δευτερολέπτου, μικροδευτερόλεπτα ή νανοδευτερόλεπτα.

Μια άλλη παράμετρος οποιουδήποτε περιοδικού σήματος, συμπεριλαμβανομένου ενός ημιτονοειδούς, είναι η συχνότητα, πόσες ταλαντώσεις το σήμα θα κάνει σε 1 δευτερόλεπτο. Η μονάδα μέτρησης της συχνότητας είναι Hertz (Hz), που ονομάζεται για τον επιστήμονα του 19ου αιώνα Heinrich Hertz. Έτσι, η συχνότητα 1 Hz δεν είναι τίποτα περισσότερο από μία ταλάντωση / δευτερόλεπτο. Για παράδειγμα, η συχνότητα του δικτύου φωτισμού είναι 50Hz, δηλαδή ακριβώς 50 ημιτονοειδείς περίοδοι περνούν μέσα σε ένα δευτερόλεπτο.

Εάν είναι γνωστή η τρέχουσα περίοδος (μπορείτε με ένα παλμογράφο), τότε η συχνότητα του σήματος θα βοηθήσει να μάθετε τον τύπο: f = 1 / T. Επιπλέον, αν ο χρόνος εκφράζεται σε δευτερόλεπτα, το αποτέλεσμα θα είναι στο Hertz. Αντιστρόφως, T = 1 / f, συχνότητα σε Hz, ο χρόνος επιτυγχάνεται σε δευτερόλεπτα. Για παράδειγμα, πότε 50 hertz η περίοδος θα είναι 1/50 = 0,02 δευτερόλεπτα ή 20 χιλιοστά του δευτερολέπτου. Στην ηλεκτρική ενέργεια χρησιμοποιούνται συχνότερα υψηλότερες συχνότητες: KHz - kilohertz, MHz - megahertz (χιλιάδες και εκατομμύρια ταλαντώσεις ανά δευτερόλεπτο) κ.λπ.

Όλα τα αναφερόμενα για το ρεύμα ισχύουν επίσης και για την εναλλασσόμενη τάση: αρκεί στο Σχήμα 6 μόνο να αλλάξουμε το γράμμα I στο U. Ο τύπος θα μοιάζει με αυτόν: u (t) = Umax * sin (ω * t ± φ).

Αυτές οι εξηγήσεις είναι αρκετές για να επιστρέψουν πείραμα με πυκνωτές και να εξηγήσει το φυσικό τους νόημα.

Ο πυκνωτής διεξάγει εναλλασσόμενο ρεύμα, το οποίο παρουσιάστηκε στο διάγραμμα στο σχήμα 3 (βλ. Άρθρο - Πυκνωτές για ηλεκτρικές εγκαταστάσεις εναλλασσόμενου ρεύματος) Η φωτεινότητα της λάμπας αυξάνεται όταν συνδέεται ένας πρόσθετος πυκνωτής. Όταν οι πυκνωτές συνδέονται παράλληλα, οι χωρητικότητες τους συσσωρεύονται απλά, οπότε μπορεί να υποτεθεί ότι η χωρητικότητα Xc εξαρτάται από την χωρητικότητα. Επιπλέον, εξαρτάται και από τη συχνότητα του ρεύματος και συνεπώς ο τύπος μοιάζει με αυτόν: Xc = 1/2 * π * f * C.

Από τον τύπο προκύπτει ότι με την αύξηση της χωρητικότητας και τη συχνότητα της εναλλασσόμενης τάσης, μειώνεται η αντίσταση Xc. Αυτές οι εξαρτήσεις φαίνονται στο Σχήμα 5.

Σχήμα 5. Η εξάρτηση της αντίστασης του πυκνωτή στην χωρητικότητα

Εάν αντικαταστήσουμε τη συχνότητα στο Hertz στον τύπο και την χωρητικότητα σε Farads, τότε το αποτέλεσμα θα είναι σε Ohms.

Θα ζεσταθεί ο συμπυκνωτής;

Τώρα θυμηθείτε την εμπειρία με έναν πυκνωτή και ένα ηλεκτρικό μετρητή, γιατί δεν γυρίζει; Το γεγονός είναι ότι ο μετρητής θεωρεί την ενεργό ενέργεια όταν ο καταναλωτής είναι ένα καθαρά ενεργό φορτίο, για παράδειγμα, λαμπτήρες πυρακτώσεως, ηλεκτρικό βραστήρα ή ηλεκτρική εστία. Για αυτούς τους καταναλωτές, η τάση και το ρεύμα συμπίπτουν στη φάση, έχουν ένα σημάδι: εάν πολλαπλασιάζετε δύο αρνητικούς αριθμούς (τάση και ρεύμα κατά τη διάρκεια του αρνητικού μισού κύκλου), το αποτέλεσμα σύμφωνα με τους νόμους των μαθηματικών είναι ακόμα θετικό. Ως εκ τούτου, η ικανότητα αυτών των καταναλωτών είναι πάντα θετική, δηλ. πηγαίνει στο φορτίο και απελευθερώνεται με τη μορφή θερμότητας, όπως φαίνεται στο Σχήμα 6 με τη διακεκομμένη γραμμή.

Σχήμα 6

Στην περίπτωση που ένας πυκνωτής συμπεριλαμβάνεται στο κύκλωμα εναλλασσόμενου ρεύματος, το ρεύμα και η τάση δεν συμπίπτουν στη φάση: το ρεύμα είναι 90Ω μπροστά από τη φάση τάσης, πράγμα που οδηγεί σε συνδυασμό όταν το ρεύμα και η τάση έχουν διαφορετικά σήματα.

Σχήμα 7

Σε αυτές τις στιγμές, η δύναμη είναι αρνητική. Με άλλα λόγια, όταν η ισχύς είναι θετική, ο πυκνωτής φορτίζεται και όταν είναι αρνητικός, η αποθηκευμένη ενέργεια μεταφέρεται πίσω στην πηγή. Ως εκ τούτου, κατά μέσον όρο αποδεικνύεται από τα μηδενικά και δεν υπάρχει τίποτα που να μετράει εδώ.

Ο πυκνωτής, εκτός αν φυσικά λειτουργεί, δεν θερμαίνει καθόλου. Ως εκ τούτου, συχνά πυκνωτής ονομάζεται ελεύθερη αντίσταση, το οποίο επιτρέπει τη χρήση του σε μετασχηματιστές χαμηλής ισχύος χωρίς μετασχηματιστή.Αν και τέτοια μπλοκ δεν συνιστώνται λόγω του κινδύνου τους, εξακολουθεί να είναι μερικές φορές απαραίτητο να γίνει αυτό.

Πριν από την εγκατάσταση σε μια τέτοια μονάδα πυκνωτή σβέσης, θα πρέπει να ελέγχεται με απλή σύνδεση με το δίκτυο: εάν σε μισή ώρα ο συμπυκνωτής δεν έχει θερμανθεί, τότε μπορεί να συμπεριληφθεί με ασφάλεια στο κύκλωμα. Διαφορετικά, απλά πρέπει να το πετάξετε χωρίς λύπη.

Τι δείχνει ένα βολτόμετρο;

Κατά την κατασκευή και επισκευή διαφόρων συσκευών, αν και όχι πολύ συχνά, είναι απαραίτητο να μετρηθούν εναλλασσόμενες τάσεις και ακόμη και ρεύματα. Εάν ένα ημιτονοειδές συμπεριφέρεται τόσο ταραχώδες, τότε πάνω και κάτω, τι θα δείξει ένα κανονικό βολτόμετρο;

Η μέση τιμή ενός περιοδικού σήματος, στην περίπτωση αυτή ενός ημιτονοειδούς, υπολογίζεται ως η περιοχή που οριοθετείται από τον άξονα της τετμημένης και η γραφική εικόνα του σήματος διαιρείται με 2 * π ακτίνες ή την περίοδο του ημιτονοειδούς. Δεδομένου ότι τα άνω και τα κάτω μέρη είναι απολύτως πανομοιότυπα, αλλά έχουν διαφορετικά σημεία, η μέση τιμή του ημιτονοειδούς είναι μηδέν και δεν είναι απαραίτητο να μετρηθεί καθόλου και είναι απλώς χωρίς νόημα.

Επομένως, η συσκευή μέτρησης μας δείχνει την τιμή rms της τάσης ή του ρεύματος. Η μέση τιμή τετραγώνου είναι μια τέτοια τιμή του περιοδικού ρεύματος στο οποίο απελευθερώνεται η ίδια ποσότητα θερμότητας στο ίδιο φορτίο όπως στο συνεχές ρεύμα. Με άλλα λόγια, ο λαμπτήρας λάμπει με την ίδια φωτεινότητα.

Αυτό περιγράφεται από τους παρακάτω τύπους: Icrc = 0.707 * Imax = Imax / √2 για τάση, ο τύπος είναι ο ίδιος, απλά αλλάξτε ένα γράμμα Ucrc = 0.707 * Umax = Umax / √2. Αυτές οι τιμές εμφανίζονται στη συσκευή μέτρησης. Μπορούν να αντικατασταθούν σε τύπους κατά τον υπολογισμό σύμφωνα με το νόμο του Ohm ή κατά τον υπολογισμό της ισχύος.

Αλλά αυτό δεν είναι μόνο αυτό που ένας πυκνωτής σε ένα δίκτυο AC είναι σε θέση να. Στο επόμενο άρθρο, θα εξετάσουμε τη χρήση πυκνωτών σε παλμικά κυκλώματα, φίλτρα υψηλής και χαμηλής διέλευσης, σε γεννήτριες sinewave και τετραγωνικού κύματος.

Μπόρις Αλαντίσκιν

Συνέχεια του άρθρου: Πυκνωτές σε ηλεκτρονικά κυκλώματα