AC condensatoren

Wat is wisselstroom?

Als we een gelijkstroom beschouwen, kan deze niet altijd perfect constant zijn: de spanning aan de bronuitgang kan afhankelijk zijn van de belasting of van de ontladingsgraad van de batterij of galvanische batterij. Zelfs met een constante gestabiliseerde spanning is de stroom in het externe circuit afhankelijk van de belasting, wat de wet van Ohm bevestigt. Het blijkt dat dit ook niet helemaal een constante stroom is, maar zo'n stroom kan ook niet variabel worden genoemd, omdat deze niet van richting verandert.

Een variabele wordt meestal spanning of stroom genoemd, waarvan de richting en grootte niet veranderen onder invloed van externe factoren, zoals een belasting, maar volledig "onafhankelijk" is: dit is hoe de generator deze genereert. Bovendien moeten deze wijzigingen periodiek zijn, d.w.z. herhalen gedurende een bepaalde periode die een periode wordt genoemd.

Als de spanning of stroom hoe dan ook verandert, zonder zorgen te maken over de frequentie en andere regelmatigheden, wordt een dergelijk signaal ruis genoemd. Een klassiek voorbeeld is 'sneeuw' op een tv-scherm met een zwak uitzendsignaal. Voorbeelden van enkele periodieke elektrische signalen worden getoond in figuur 1.

Voor gelijkstroom zijn er slechts twee kenmerken: de polariteit en de spanning van de bron. In het geval van wisselstroom zijn deze twee grootheden duidelijk niet voldoende, dus verschijnen er nog meer parameters: amplitude, frequentie, periode, fase, onmiddellijke en effectieve waarde.

Figuur 1Voorbeelden van enkele periodieke elektrische signalen

Meestal in de technologie heeft men bovendien te maken met sinusvormige oscillaties, niet alleen in de elektrotechniek. Stel je een autowiel voor. Bij gelijkmatig rijden op een goede gladde weg beschrijft het midden van het wiel een rechte lijn evenwijdig aan het wegdek. Tegelijkertijd beweegt elk punt op de omtrek van het wiel langs een sinusoïde ten opzichte van de zojuist genoemde lijn.

Het bovenstaande kan worden bevestigd door figuur 2, die een grafische methode toont voor het construeren van een sinusoïde: wie goed heeft gestudeerd, weet hoe dergelijke constructies moeten worden uitgevoerd.

Figuur 2Grafische sinusmethode

Uit de natuurkundeopleiding is bekend dat een sinusoïde de meest voorkomende en geschikte is voor het bestuderen van een periodieke curve. Op precies dezelfde manier worden sinusvormige oscillaties verkregen in dynamovanwege hun mechanische apparaat.

Figuur 3 toont een grafiek van de sinusvormige stroom.

Figuur 3Sinusvormige stroomgrafiek

Het is gemakkelijk om te zien dat de grootte van de stroom varieert met de tijd, daarom wordt de ordinaatas in de figuur aangegeven als i (t), de functie van stroom versus tijd. De volledige periode van de stroom wordt aangegeven door een ononderbroken lijn en heeft een periode T. Als u begint met de overweging vanaf de oorsprong, kunt u zien dat eerst de stroom toeneemt, Imax bereikt, door nul gaat, afneemt tot –Imax, vervolgens toeneemt en nul bereikt. Vervolgens begint de volgende periode, zoals aangegeven door de stippellijn.

In de vorm van een wiskundige formule wordt het huidige gedrag als volgt geschreven: i (t) = Imax * sin (ω * t ± φ).

Hier is i (t) de momentane waarde van de stroom, afhankelijk van de tijd, Imax is de amplitudewaarde (maximale afwijking van de evenwichtstoestand), ω is de cirkelvormige frequentie (2 * π * f), φ is de fasehoek.

De cirkelvormige frequentie ω wordt gemeten in radialen per seconde en de fasehoek φ in radialen of graden. Dit laatste is alleen zinvol als er twee sinusvormige stromingen zijn. Bijvoorbeeld in ketens met condensator de stroom ligt 90˚ of exact een kwart van de periode voor op de spanning, zoals weergegeven in figuur 4. Als er één sinusvormige stroom is, kunt u deze langs de ordinaatas verplaatsen zoals u wilt, en hier verandert niets aan.

Figuur 4 In circuits met een condensator ligt de stroom een ​​kwart tijd voor op de spanning

De fysieke betekenis van de cirkelvormige frequentie ω is welke hoek in radialen een sinusoïde binnen een seconde "doorloopt".

Periode - T is de tijd gedurende welke de sinusgolf een volledige oscillatie zal maken. Hetzelfde geldt voor trillingen met een andere vorm, bijvoorbeeld rechthoekig of driehoekig. De periode wordt gemeten in seconden of kleinere eenheden: milliseconden, microseconden of nanoseconden.

Een andere parameter van elk periodiek signaal, inclusief een sinusoïde, is de frequentie, hoeveel oscillaties het signaal in 1 seconde zal doen. De meeteenheid voor frequentie is Hertz (Hz), genoemd naar de 19e-eeuwse wetenschapper Heinrich Hertz. De frequentie van 1 Hz is dus niets meer dan één oscillatie / seconde. De frequentie van het verlichtingsnetwerk is bijvoorbeeld 50 Hz, dat wil zeggen dat precies 50 sinusvormige perioden in een seconde voorbijgaan.

Als de huidige periode bekend is (dat kan meet met een oscilloscoop), dan helpt de frequentie van het signaal om de formule te vinden: f = 1 / T. Als de tijd wordt uitgedrukt in seconden, wordt het resultaat bovendien in Hertz. Omgekeerd, T = 1 / f, frequentie in Hz, wordt tijd verkregen in seconden. Bijvoorbeeld wanneer 50 Hertz de periode is 1/50 = 0,02 seconden of 20 milliseconden. In elektriciteit worden hogere frequenties vaker gebruikt: KHz - kilohertz, MHz - megahertz (duizenden en miljoenen oscillaties per seconde), enz.

Alles wat voor stroom wordt gezegd, geldt ook voor wisselspanning: in Fig. 6 is het voldoende om de letter I eenvoudig te wijzigen in U. De formule ziet er als volgt uit: u (t) = Umax * sin (ω * t ± φ).

Deze verklaringen zijn voldoende om naar terug te keren experimenteren met condensatoren en hun fysieke betekenis verklaren.

De condensator geleidt wisselstroom, die werd getoond in het diagram in figuur 3 (zie artikel - Condensatoren voor elektrische AC-installaties). De helderheid van de lamp neemt toe wanneer een extra condensator wordt aangesloten. Wanneer de condensatoren parallel zijn aangesloten, tellen hun capaciteiten eenvoudig op, dus kan worden aangenomen dat de capaciteit Xc afhankelijk is van de capaciteit. Bovendien hangt het ook af van de frequentie van de stroom en daarom ziet de formule er als volgt uit: Xc = 1/2 * π * f * C.

Uit de formule volgt dat met toenemende capaciteit en frequentie van de wisselspanning neemt de reactantie Xc af. Deze afhankelijkheden worden weergegeven in figuur 5.

Figuur 5. De afhankelijkheid van de reactantie van de condensator van de capaciteit

Als we de frequentie in Hertz vervangen door de formule en de capaciteit in Farads, dan is het resultaat in Ohm.

Wordt de condensor warm?

Herinner nu de ervaring met een condensator en een elektrische meter, waarom draait deze niet? Het feit is dat de meter actieve energie beschouwt wanneer de consument een puur actieve belasting is, bijvoorbeeld gloeilampen, een waterkoker of een elektrisch fornuis. Voor dergelijke verbruikers vallen spanning en stroom in fase samen, heb je één teken: als je twee negatieve getallen vermenigvuldigt (spanning en stroom tijdens de negatieve halve cyclus), is het resultaat volgens de wiskundewetten nog steeds positief. Daarom is de capaciteit van dergelijke consumenten altijd positief, d.w.z. gaat in de lading en komt vrij in de vorm van warmte, zoals weergegeven in figuur 6 door de stippellijn.

Figuur 6

In het geval dat de condensator in het wisselstroomcircuit is opgenomen, vallen de stroom en de spanning niet in fase samen: de stroom is 90 ° vóór fase in spanning, wat leidt tot een combinatie wanneer de stroom en spanning verschillende tekens hebben.

Figuur 7

Op deze momenten is de kracht negatief. Met andere woorden, wanneer het vermogen positief is, wordt de condensator opgeladen en wanneer negatief wordt de opgeslagen energie terug overgedragen naar de bron. Daarom blijkt het gemiddeld door nullen te gaan en valt er hier simpelweg niets te tellen.

De condensator zal helemaal niet warm worden, tenzij deze natuurlijk kan worden onderhouden. Daarom vaak condensator genaamd vrije weerstand, wat het gebruik ervan in transformatorloze low-power voedingen mogelijk maakt.Hoewel dergelijke blokken niet worden aanbevolen vanwege hun gevaar, is het toch soms noodzakelijk om dit te doen.

Voordat u in een dergelijke eenheid installeert bluscondensator, moet dit worden gecontroleerd door een eenvoudige verbinding met het netwerk: als de condensor binnen een half uur niet is opgewarmd, kan deze veilig in het circuit worden opgenomen. Anders moet je het zonder spijt weggooien.

Wat toont een voltmeter?

Bij de vervaardiging en reparatie van verschillende apparaten, hoewel niet erg vaak, is het noodzakelijk om wisselspanningen en zelfs stromen te meten. Als een sinusoïde zich zo hectisch gedraagt, dan op en neer, wat zal een normale voltmeter laten zien?

De gemiddelde waarde van een periodiek signaal, in dit geval een sinusoïde, wordt berekend als het gebied begrensd door de abscis-as en het grafische beeld van het signaal gedeeld door 2 * π radialen of de periode van de sinusoïde. Omdat de bovenste en onderste delen absoluut identiek zijn, maar verschillende tekens hebben, is de gemiddelde waarde van de sinusoïde nul en is het helemaal niet nodig om deze te meten, en het is zelfs eenvoudigweg zinloos.

Daarom toont het meetapparaat de effectieve waarde van de spanning of stroom. De gemiddelde kwadraatwaarde is een dergelijke waarde van de periodieke stroom waarbij dezelfde hoeveelheid warmte wordt afgegeven bij dezelfde belasting als bij gelijkstroom. Met andere woorden, de lamp schijnt met dezelfde helderheid.

Dit wordt beschreven door de formules zoals deze: Icr = 0.707 * Imax = Imax / √2 voor spanning, de formule is hetzelfde, verander gewoon één letter Ucrc = 0.707 * Umax = Umax / √2. Het zijn deze waarden die het meetapparaat toont. Ze kunnen worden vervangen in formules bij het berekenen volgens de wet van Ohm of bij het berekenen van het vermogen.

Maar dit is niet alles waar een condensator in een AC-netwerk toe in staat is. In het volgende artikel zullen we het gebruik van condensatoren in gepulseerde circuits, hoogdoorlaat- en laagdoorlaatfilters, in sinus- en blokgolfgeneratoren overwegen.

Boris Aladyshkin

Vervolg van het artikel: Condensatoren in elektronische schakelingen