AC kondenzatori

Što je izmjenična struja?

Ako uzmemo u obzir istosmjernu struju, ona ne može uvijek biti potpuno konstantna: napon na izlazu izvora može ovisiti o opterećenju ili o stupnju pražnjenja baterije ili galvanske baterije. Čak i sa konstantnim stabiliziranim naponom, struja u vanjskom krugu ovisi o opterećenju, što potvrđuje Ohmov zakon. Ispada da to također nije baš konstantna struja, ali takvu se struju ne može nazvati i promjenjivom jer ne mijenja smjer.

Promjenjiva se obično naziva napon ili struja, čiji se smjer i veličina ne mijenjaju pod utjecajem vanjskih čimbenika, kao što je opterećenje, ali su u potpunosti "neovisni": ovako generira generator. Pored toga, te bi promjene trebale biti periodične, tj. ponavljajući se kroz određeno razdoblje koje se naziva razdoblje.

Ako se napon ili struja promijene bilo kako, bez brige o frekvenciji i drugim pravilima, takav se signal naziva šumom. Klasičan primjer je "snijeg" na TV ekranu sa slabim emitiranim signalom. Primjeri nekih periodičnih električnih signala prikazani su na slici 1.

Za istosmjernu struju postoje samo dvije karakteristike: polarnost i napon izvora. U slučaju izmjenične struje ove dvije količine očito nisu dovoljne, pa se pojavljuju još nekoliko parametara: amplituda, frekvencija, razdoblje, faza, trenutna i učinkovita vrijednost.

Slika 1Primjeri nekih periodičnih električnih signala

Najčešće se u tehnologiji mora baviti sinusnim oscilacijama, štoviše, ne samo u elektrotehnici. Zamislite kotač automobila. Pri ravnomjernoj vožnji po dobroj glatkoj cesti središte kotača opisuje ravnu crtu paralelnu s površinom ceste. Istovremeno, bilo koja točka na periferiji kotača kreće se sinusoidom u odnosu na upravo spomenutu liniju.

Navedeno se može potvrditi na Slici 2, koja prikazuje grafičku metodu za konstrukciju sinusoida: tko je dobro proučavao crtanje, zna kako izvesti takve konstrukcije.

Slika 2Grafička metoda sinusnog vala

Iz školskog tečaja fizike poznato je da je sinusoid najčešći i pogodan za proučavanje periodične krivulje. Na potpuno isti način dobivaju se sinusne oscilacije u alternatorezbog mehaničkog uređaja.

Na slici 3 prikazan je graf sinusoidne struje.

Slika 3Graf sinusne struje

Lako je vidjeti da veličina struje varira s vremenom, pa je ordinata os označena na slici kao i (t), funkcija struje u odnosu na vrijeme. Cijelo razdoblje struje označeno je čvrstom linijom i ima razdoblje T. Ako započnete razmatranje od nastanka, možete vidjeti da se na početku struja povećava, dostiže Imax, prolazi kroz nulu, smanjuje na –Imax, a zatim se povećava i dostiže nulu. Zatim započinje sljedeće razdoblje, što je prikazano isprekidanom linijom.

U obliku matematičke formule trenutno se ponašanje piše na sljedeći način: i (t) = Imax * sin (ω * t ± φ).

Ovdje je i (t) trenutna vrijednost struje, ovisno o vremenu, Imax je vrijednost amplitude (maksimalno odstupanje od ravnotežnog stanja), ω je kružna frekvencija (2 * π * f), φ je fazni kut.

Kružna frekvencija ω mjeri se u radijanima u sekundi, a fazni kut φ u radijanima ili stupnjevima. Potonje ima smisla samo kada postoje dvije sinusoidne struje. Na primjer, u lancima sa kondenzator struja je ispred napona za 90˚ ili točno četvrtinu perioda, kao što je prikazano na slici 4. Ako postoji jedna sinusoidna struja, tada je možete pomicati duž ordinalne osi kako želite i od toga se ništa neće promijeniti.

Slika 4 U krugovima s kondenzatorom struja je ispred napona za četvrtinu razdoblja

Fizičko značenje kružne frekvencije ω je koji će kut u radijanima „proći“ kroz sinusoid u jednoj sekundi.

Period - T je vrijeme tijekom kojeg će sinusni val napraviti jednu potpunu oscilaciju. Isto se odnosi na vibracije različitog oblika, na primjer, pravokutne ili trokutaste. Period se mjeri u sekundama ili manjim jedinicama: milisekundama, mikrosekundama ili nanosekundama.

Drugi parametar bilo kojeg periodičnog signala, uključujući sinusoid, je frekvencija, koliko oscilacija će signal izvršiti u 1 sekundi. Jedinica za mjerenje frekvencije je Hertz (Hz), imenovan za znanstvenika iz 19. stoljeća Heinricha Hertza. Dakle, frekvencija od 1 Hz nije ništa više od jedne oscilacije / sekunde. Na primjer, frekvencija rasvjetne mreže je 50 Hz, to jest točno 50 sinusnih razdoblja prolazi u sekundi.

Ako je poznato trenutno razdoblje (možete izmjerite osciloskopom), tada će frekvencija signala pomoći u pronalaženju formule: f = 1 / T. Štoviše, ako se vrijeme izrazi u sekundama, rezultat će biti u Hertzu. Suprotno tome, T = 1 / f, frekvencija u Hz, vrijeme se dobiva u sekundi. Na primjer, kada 50 hertza razdoblje će biti 1/50 = 0,02 sekunde, ili 20 milisekundi. U elektricitetu se češće koriste visoke frekvencije: KHz - kiloherc, MHz - megaherc (tisuće i milijuni oscilacija u sekundi) itd.

Sve navedeno za struju vrijedi i za izmjenični napon: na slici 6 dovoljno je jednostavno promijeniti slovo I u U. Formula će izgledati ovako: u (t) = Umax * sin (ω * t ± φ).

Ova su objašnjenja dovoljna da se vratimo na njih eksperimentirajte s kondenzatorima i objasniti njihovo fizičko značenje.

Kondenzator provodi izmjeničnu struju, što je prikazano na dijagramu na slici 3 (vidi članak - Kondenzatori za izmjenične struje). Svjetlina svjetiljke povećava se kada je priključen dodatni kondenzator. Kad su kondenzatori spojeni paralelno, njihovi kapaciteti se jednostavno zbrajaju, pa se može pretpostaviti da kapacitet Xc ovisi o kapacitivnosti. Uz to, ovisi i o frekvenciji struje, pa stoga formula izgleda ovako: Xc = 1/2 * π * f * C.

Iz formule proizlazi da s povećanjem kapacitivnosti i frekvencije izmjeničnog napona, reaktancija Xc opada, Te su ovisnosti prikazane na slici 5.

Slika 5. Ovisnost reaktancije kondenzatora o kapacitivnosti

Ako frekvenciju u Hertzu zamijenimo u formulu i kapacitivnost u Faradsu, rezultat će biti u Ohmu.

Hoće li se kondenzator zagrijati?

Sada se prisjetite iskustva s kondenzatorom i električnim brojilom, zašto se ne vrti? Činjenica je da brojilo razmatra aktivnu energiju kada je potrošač čisto aktivno opterećenje, na primjer, žarulje sa žarnom niti, kuhalo za vodu ili električni štednjak. Za takve potrošače napon i struja podudaraju se u fazi, imaju jedan znak: ako množite dva negativna broja (napon i struja tijekom negativnog polukruga), rezultat prema zakonima matematike je i dalje pozitivan. Stoga je kapacitet takvih potrošača uvijek pozitivan, tj. ide u teret i oslobađa se u obliku topline, kao što je prikazano na slici 6 isprekidanom linijom.

Slika 6

U slučaju kada je kondenzator uključen u krug izmjenične struje, struja i napon se ne podudaraju u fazi: struja je 90 op ispred faze napona, što dovodi do kombinacije kada struja i napon imaju različite znakove.

Slika 7

U tim trenucima snaga je negativna. Drugim riječima, kada je snaga pozitivna, kondenzator se napuni, a kad je negativan, uskladištena energija se vraća natrag do izvora. Stoga se u prosjeku ispada po nuli i ovdje se jednostavno nema što računati.

Kondenzator, osim ako nije praktičan, neće se uopće zagrijati. Stoga često kondenzator nazvan slobodnim otporom, što omogućava njegovu upotrebu u bezformalnim napajajima male snage.Iako se takvi blokovi ne preporučuju zbog njihove opasnosti, ipak je ponekad potrebno to učiniti.

Prije instaliranja u takvu jedinicu kondenzator za gašenje, to treba provjeriti jednostavnim spajanjem na mrežu: ako se za pola sata kondenzator nije zagrijao, onda se može sigurno uključiti u krug. Inače ga morate bez žaljenja baciti.

Što pokazuje voltmetar?

U proizvodnji i popravku raznih uređaja, iako ne vrlo često, potrebno je izmjeriti naizmjenične napone, pa čak i struje. Ako se sinusoid ponaša tako užurban, tada gore i dolje, što će pokazati normalan voltmetar?

Prosječna vrijednost periodičnog signala, u ovom slučaju sinusoida, izračunava se kao područje ograničeno osi apscese i grafička slika signala podijeljena s 2 * π radijanima ili razdoblje sinusoida. Budući da su gornji i donji dio apsolutno identični, ali imaju različite znakove, prosječna vrijednost sinusoida je nula, pa ga uopće nije potrebno mjeriti, a čak je i jednostavno besmisleno.

Zbog toga nam mjerni uređaj pokazuje rms vrijednost napona ili struje. Srednja kvadratna vrijednost je takva vrijednost periodične struje pri kojoj se pri istom opterećenju kao i na istosmjernoj struji oslobađa ista količina topline. Drugim riječima, žarulja sjaji istom svjetlošću.

To je opisano ovim formulama: Icr = 0.707 * Imax = Imax / √2 za napon, formula je ista, samo promijenite jedno slovo Ucr = 0.707 * Umax = Umax / √2. Upravo te vrijednosti pokazuju mjerni uređaji. Mogu se supstituirati u formule pri proračunu prema Ohmovom zakonu ili pri izračunavanju snage.

Ali to nije sve što je sposoban kondenzator u izmjeničnoj mreži. U sljedećem ćemo članku razmotriti uporabu kondenzatora u impulznim krugovima, visokopropusnim i niskopropusnim filtrima, u sinusnim i kvadratno valnim generatorima.

Boris Aladyskin

Nastavak članka: Kondenzatori u elektroničkim krugovima