AC-kondensaattorit

Mikä on vaihtovirta?

Jos tarkastellaan tasavirtaa, se ei aina voi olla täysin vakio: lähdeteholähteen jännite voi riippua akun tai galvaanisen akun kuormasta tai purkautumisasteesta. Jopa vakiovakautetulla jännitteellä ulkoisen piirin virta riippuu kuormasta, mikä vahvistaa Ohmin lain. Osoittautuu, että tämä ei myöskään ole aivan vakiovirta, mutta myöskään sellaista virtaa ei voida kutsua muuttuvaksi, koska se ei muuta suuntaa.

Muuttujaa kutsutaan yleensä jännitteeksi tai virraksi, jonka suunta ja suuruus eivät muutu ulkoisten tekijöiden, kuten kuormituksen, vaikutuksesta, mutta ovat täysin "riippumattomia": näin generaattori tuottaa sen. Lisäksi näiden muutosten tulisi olla säännöllisiä, ts. toistaminen tietyn ajanjakson ajan, jota kutsutaan jaksoksi.

Jos jännite tai virta muuttuu, huolimatta taajuudesta ja muista säännöllisyyksistä, tällaista signaalia kutsutaan kohinaksi. Klassinen esimerkki on "lumi" televisiossa, jolla on heikko lähetyssignaali. Esimerkkejä joistakin jaksollisista sähköisistä signaaleista on esitetty kuvassa 1.

Suoralle virralle on vain kaksi ominaisuutta: lähteen napaisuus ja jännite. Vaihtovirran tapauksessa nämä kaksi suuruutta eivät selvästikään riitä, joten useita muita parametreja ilmestyy: amplitudi, taajuus, jakso, vaihe, välitön ja tehokas arvo.

Kuvio 1Esimerkkejä tietyistä jaksollisista sähköisistä signaaleista

Useimmiten tekniikassa joudutaan käsittelemään sinimuotoisia värähtelyjä, paitsi sähkötekniikassa. Kuvittele auton pyörä. Kun ajaa tasaisesti hyvällä sileällä tiellä, pyörän keskusta kuvaa suoraa linjaa tienpinnan kanssa. Samaan aikaan mikä tahansa pyörän kehän piste liikkuu sinimuotoa pitkin juuri mainitun linjan suhteen.

Edellä mainitut voidaan vahvistaa kuviolla 2, joka esittää graafisen menetelmän sinusoidin rakentamiseksi: Kuka piirtämistä on opiskellut, se tietää kuinka suorittaa tällaiset rakenteet.

Kuvio 2Graafinen siniaallomenetelmä

Fysiikan koulutuskurssista tiedetään, että sinimuoto on yleisin ja sopivin jaksollisen käyrän tutkimiseen. Täsmälleen samalla tavalla sinimuotoiset värähtelyt saadaan vaihtovirtageneraattoritjohtuen niiden mekaanisesta laitteesta.

Kuvio 3 esittää sinimuotoisen virran kuvaajaa.

Kuvio 3Sinimuotoinen virtakaavio

On helppo nähdä, että virran suuruus vaihtelee ajan mukaan, joten ordinaattiakseli on merkitty kuvassa, koska i (t) on virran funktio ajan suhteen. Koko virranjakso ilmaistaan ​​yhtenäisenä viivalla ja siinä on piste T. Jos aloitat huomion lähtöpisteestä, voit nähdä, että aluksi virta kasvaa, saavuttaa Imax: n, menee nollan läpi, laskee arvoon –Imax, nousee sitten ja saavuttaa nollan. Seuraavaksi seuraava jakso alkaa, kuten katkoviivalla näkyy.

Matemaattisen kaavan muodossa nykyinen käyttäytyminen kirjoitetaan seuraavasti: i (t) = Imax * sin (ω * t ± φ).

Tässä i (t) on virran hetkellinen arvo ajasta riippuen, Imax on amplitudiarvo (suurin poikkeama tasapainotilasta), ω on ympyrätaajuus (2 * π * f), φ on vaihekulma.

Pyöreä taajuus ω mitataan radiaaneina sekunnissa ja vaihekulma φ radiaaneina tai asteina. Viimeksi mainitussa on merkitystä vain, kun sinimuotoisia virtauksia on kaksi. Esimerkiksi ketjuissa, joissa kondensaattori virta on jännitteen yläpuolella 90˚: lla tai tarkalleen neljänneksellä jaksosta, kuten kuvassa 4 esitetään. Jos on yksi sinimuotoinen virta, voit siirtää sitä ordinaattiakselilla haluamallasi tavalla, eikä mikään muutu tästä.

Kuvio 4 Piirit, joissa on kondensaattori, virta on jännitteen yläpuolella neljänneksen jaksolla

Pyöreän taajuuden ω fyysinen merkitys on mikä radiaanikulma kulkee sinusoidin läpi sekunnissa.

Jakso - T on aika, jonka aikana siniaalto tekee yhden täydellisen värähtelyn. Sama pätee erimuotoisiin, esimerkiksi suorakaiteen tai kolmion, värähtelyihin. Jakso mitataan sekunneissa tai pienemmissä yksiköissä: millisekunnit, mikrosekunnit tai nanosekunnit.

Toinen parametri kaikista jaksollisista signaaleista, mukaan lukien sinimuoto, on taajuus, kuinka monta värähtelyä signaali tekee yhdessä sekunnissa. Taajuuden mittayksikkö on Hertz (Hz), joka on nimetty 1800-luvun tutkijalle Heinrich Hertzille. Joten 1 Hz: n taajuus on vain yksi värähtely / sekunti. Esimerkiksi valaistusverkon taajuus on 50 Hz, toisin sanoen sekunnissa kulkee tarkalleen 50 sinimuotoista jaksoa.

Jos nykyinen ajanjakso on tiedossa (voit mitata oskilloskoopilla), sitten signaalin taajuus auttaa selvittämään kaavan: f = 1 / T. Lisäksi, jos aika ilmaistaan ​​sekunteina, tulos on hertseinä. Käänteisesti, T = 1 / f, taajuus hertseinä, aika saadaan sekunteina. Esimerkiksi kun 50 hertsiä jakso on 1/50 = 0,02 sekuntia tai 20 millisekuntia. Sähkössä käytetään useammin korkeampia taajuuksia: KHz - kilohertsiä, MHz - megahertsiä (tuhansia ja miljoonia värähtelyjä sekunnissa) jne.

Kaikki, mitä virralle sanotaan, pätee myös vaihtojännitteeseen: kuvassa 6 riittää yksinkertaisesti muuttaa kirjain I u: ksi. Kaava näyttää tältä: u (t) = Umax * sin (ω * t ± φ).

Nämä selitykset riittävät palaamaan kokeile kondensaattoreita ja selitä heidän fyysinen merkityksensä.

Kondensaattori johtaa vaihtovirtaa, mikä näkyi kuvan 3 kaaviossa (katso artikkeli - Kondensaattorit vaihtovirta-sähkölaitteisiin). Lampun kirkkaus kasvaa, kun lisäkondensaattori on kytketty. Kun kondensaattorit on kytketty rinnakkain, niiden kapasitanssit vain kasvavat, joten voidaan olettaa, että kapasitanssi Xc riippuu kapasitanssista. Lisäksi se riippuu myös virran taajuudesta, ja siksi kaava näyttää tältä: Xc = 1/2 * π * f * C.

Kaavasta seuraa, että kasvaessa kapasitanssia ja vaihtojännitteen taajuutta reaktanssi Xc laskee. Nämä riippuvuudet on esitetty kuvassa 5.

Kuva 5. Kondensaattorin reaktanssin riippuvuus kapasitanssista

Jos korvaamme taajuuden hertseinä kaavaan ja kapasitanssin Faradeissa, niin tulos on ohmia.

Kuumeneeko lauhdutin?

Muistuta nyt kokemusta kondensaattorista ja sähkömittarista, miksi se ei pyöri? Tosiasia, että mittari huomioi aktiivisen energian, kun kuluttaja on puhtaasti aktiivinen kuorma, esimerkiksi hehkulamput, vedenkeitin tai sähköliesi. Tällaisille kuluttajille jännite ja virta osuvat samaan vaiheeseen, ja niissä on yksi merkki: jos kerrotaan kaksi negatiivista lukua (jännite ja virta negatiivisen puolijakson aikana), matematiikan lakien mukainen tulos on edelleen positiivinen. Siksi tällaisten kuluttajien kapasiteetti on aina positiivinen, ts. menee kuormaan ja vapautuu lämmön muodossa, kuten kuviossa 6 esitetään katkoviivalla.

Kuvio 6

Tapauksessa, kun kondensaattori sisällytetään vaihtovirtapiiriin, virta ja jännite eivät ole samat: vaihevirta on 90 astetta edellä jännitteen vaiheessa, mikä johtaa yhdistelmään, kun virralla ja jännitteellä on erilaiset merkit.

Kuvio 7

Nykyisin voima on negatiivinen. Toisin sanoen, kun teho on positiivinen, kondensaattori latautuu ja negatiivisen ollessa varastoitunut energia siirretään takaisin lähteeseen. Siksi keskimäärin se osoittautuu nollaksi eikä täällä ole yksinkertaisesti mitään laskettavaa.

Kondensaattori ei edes kuumennu ollenkaan, ellei sitä tietenkään voida käyttää. Siksi usein kondensaattori nimeltään vapaa vastus, joka mahdollistaa sen käytön muuntajattomissa pienitehoisissa virtalähteissä.Vaikka tällaisia ​​lohkoja ei suositella niiden vaaran vuoksi, silti joskus se on tarpeen tehdä.

Ennen kuin asennat tällaiseen yksikköön sammutuskondensaattori, se tulee tarkistaa yksinkertaisella yhteydellä verkkoon: Jos lauhdutin ei ole lämmennyt puolessa tunnissa, se voidaan sisällyttää turvallisesti piiriin. Muuten sinun täytyy vain heittää se pois ilman katumusta.

Mitä volttimittari näyttää?

Eri laitteiden valmistuksessa ja korjauksessa, vaikkakaan ei kovin usein, on tarpeen mitata vaihtojännitteet ja tasaiset virrat. Jos sinusoidi käyttäytyy niin hektistä, sitten ylös ja alas, mitä normaali voltimetri näyttää?

Jaksollisen signaalin, tässä tapauksessa sinimuoto, keskimääräinen arvo lasketaan abskissa-akselin ja signaalin graafisen kuvan rajaamana alueena jaettuna 2 * π-radiaanilla tai sinusoidin jaksolla. Koska ylä- ja alaosa ovat ehdottoman identtisiä, mutta niillä on erilaisia ​​merkkejä, sinusoidin keskiarvo on nolla, eikä sitä ole tarpeen mitata ollenkaan, ja se on jopa yksinkertaisesti merkityksetön.

Siksi mittauslaite näyttää meille jännitteen tai virran rms-arvon. Keskimääräinen neliöarvo on jaksovirran arvo, jolla vapautuu sama määrä lämpöä samassa kuormassa kuin tasavirta. Toisin sanoen polttimo paistaa samalla kirkkaudella.

Tätä kuvataan seuraavilla kaavoilla: Icrc = 0,707 * Imax = Imax / √2 jännitteelle, kaava on sama, muuta vain yksi kirjain Ucrc = 0,707 * Umax = Umax / √2. Juuri nämä arvot mittauslaite näyttää. Ne voidaan korvata kaavoiksi laskettaessa Ohmin lain mukaan tai laskettaessa tehoa.

Mutta tämä ei ole kaikki mitä AC-verkon kondensaattori pystyy. Seuraavassa artikkelissa tarkastellaan kondensaattoreiden käyttöä pulssipiireissä, ylipäästö- ja alipäästösuotimissa, sini- ja neliöaaltogeneraattoreissa.

Boris Aladyshkin

Artikkelin jatko: Kondensaattorit elektronisissa piireissä