Condensatoare de curent alternativ

Ce este curentul alternativ?

Dacă luăm în considerare un curent direct, atunci acesta nu poate fi întotdeauna perfect constant: tensiunea la ieșirea sursei poate depinde de sarcină sau de gradul de descărcare a bateriei sau a bateriei galvanice. Chiar și cu o tensiune stabilizată constantă, curentul din circuitul extern depinde de sarcină, ceea ce confirmă legea lui Ohm. Se dovedește că acesta nu este, de asemenea, destul de un curent constant, dar nici un astfel de curent nu poate fi numit variabil, deoarece nu schimbă direcția.

De obicei, o variabilă se numește tensiune sau curent, a cărei direcție și amploare nu se schimbă sub influența factorilor externi, cum ar fi o sarcină, dar este complet „independentă”: așa este generatorul. În plus, aceste modificări ar trebui să fie periodice, adică. repetând într-o anumită perioadă de timp numită perioadă.

Dacă tensiunea sau curentul se schimbă oricum, fără a vă preocupa frecvența și alte regularități, un astfel de semnal se numește zgomot. Un exemplu clasic este „zăpada” pe un ecran TV cu un semnal slab de difuzare. Exemple de semnale electrice periodice sunt prezentate în figura 1.

Pentru curent continuu, există doar două caracteristici: polaritatea și tensiunea sursei. În cazul curentului alternativ, aceste două cantități nu sunt în mod clar suficiente, astfel încât apar mai mulți parametri: amplitudine, frecvență, perioadă, fază, valoare instantanee și eficientă.

Figura 1Exemple de semnale electrice periodice

Cel mai adesea în tehnologie, trebuie să se ocupe de oscilații sinusoidale, în plus, nu numai în inginerie electrică. Imaginează-ți o roată auto. Când circulați uniform pe un drum lin, bun, centrul roții descrie o linie dreaptă paralelă cu suprafața drumului. În același timp, orice punct de la periferia roții se deplasează de-a lungul unei sinusoide în raport cu linia menționată.

Cele menționate mai sus pot fi confirmate de figura 2, care arată o metodă grafică pentru construirea unui sinusoid: cine a studiat desenul bine știe să efectueze astfel de construcții.

Figura 2Metoda graficului de sinus grafic

Din cursul școlar de fizică se știe că un sinusoid este cel mai frecvent și potrivit pentru studierea unei curbe periodice. În același mod, oscilațiile sinusoidale sunt obținute în alternatoaredatorită dispozitivului mecanic.

Figura 3 prezintă un grafic al curentului sinusoidal.

Figura 3Grafic curent sinusoidal

Este ușor de observat că mărimea curentului variază cu timpul, de aceea axa ordonată este indicată în figură ca i (t), este funcția curentului versus timpul. Perioada completă a curentului este indicată de o linie solidă și are o perioadă T. Dacă începeți considerarea de la origine, puteți vedea că la început curentul crește, ajunge la Imax, trece prin zero, scade până la –Imax, apoi crește și ajunge la zero. Apoi, începe următoarea perioadă, așa cum arată linia punctată.

Sub forma unei formule matematice, comportamentul curent se scrie astfel: i (t) = Imax * sin (ω * t ± φ).

Aici i (t) este valoarea instantanee a curentului, în funcție de timp, Imax este valoarea de amplitudine (abaterea maximă de la starea de echilibru), ω este frecvența circulară (2 * π * f), φ este unghiul de fază.

Frecvența circulară ω este măsurată în radiani pe secundă, iar unghiul de fază φ în radieni sau grade. Acesta din urmă are sens numai atunci când există doi curenți sinusoidali. De exemplu, în lanțuri cu condensator curentul este înainte de tensiune cu 90˚ sau exact un sfert din perioadă, așa cum se arată în figura 4. Dacă există un singur curent sinusoidal, atunci îl puteți muta de-a lungul axei ordonate după cum doriți, și nimic nu se va schimba din aceasta.

Figura 4 În circuitele cu condensator, curentul este înaintea tensiunii cu un sfert de perioadă

Semnificația fizică a frecvenței circulare ω este ce unghi la radiieni va „parcurge” un sinusoid într-o secundă.

Perioada - T este perioada în care unda sinusoidală va face o oscilație completă. Același lucru se aplică vibrațiilor cu o formă diferită, de exemplu, dreptunghiulare sau triunghiulare. Perioada se măsoară în secunde sau unități mai mici: milisecunde, microsecunde sau nanosecunde.

Un alt parametru al oricărui semnal periodic, inclusiv un sinusoid, este frecvența, câte oscilații va face semnalul în 1 secundă. Unitatea de măsură a frecvenței este Hertz (Hz), numită pentru omul de știință din secolul al XIX-lea Heinrich Hertz. Deci, frecvența de 1 Hz nu este decât o oscilație / secundă. De exemplu, frecvența rețelei de iluminat este de 50Hz, adică exact 50 de perioade sinusoidale trec într-o secundă.

Dacă perioada curentă este cunoscută (puteți se măsoară cu un osciloscop), atunci frecvența semnalului va ajuta la aflarea formulei: f = 1 / T. Mai mult, dacă timpul este exprimat în secunde, rezultatul va fi în Hertz. În schimb, T = 1 / f, frecvența în Hz, timpul este obținut în secunde. De exemplu, când 50 hertz perioada va fi de 1/50 = 0,02 secunde sau 20 milisecunde. În electricitate, sunt utilizate mai des frecvențe mai mari: KHz - kilohertz, MHz - megahertz (mii și milioane de oscilații pe secundă) etc.

Tot ce se spune pentru curent este valabil și pentru tensiunea alternativă: este suficient în Fig. 6 doar pentru a schimba litera I în U. Formula va arăta astfel: u (t) = Umax * sin (ω * t ± φ).

Aceste explicații sunt suficiente pentru a reveni la experiment cu condensatoare și explicați sensul lor fizic.

Condensatorul conduce curent alternativ, care a fost prezentat în diagrama din figura 3 (a se vedea articolul - Condensatoare pentru instalații electrice de curent alternativ). Luminozitatea lămpii crește atunci când este conectat un condensator suplimentar. Când condensatoarele sunt conectate în paralel, capacitățile lor se adaugă pur și simplu, deci se poate presupune că capacitatea Xc depinde de capacitanță. În plus, depinde și de frecvența curentului și, prin urmare, formula arată așa: Xc = 1/2 * π * f * C.

Din formula rezultă că odată cu creșterea capacitanței și frecvenței tensiunii alternative, reacția Xc scade. Aceste dependențe sunt prezentate în figura 5.

Figura 5. Dependența reactanței condensatorului de capacitanță

Dacă vom substitui frecvența din Hertz în formula și capacitanța din Farads, atunci rezultatul va fi în Ohms.

Se va încălzi condensatorul?

Reamintim acum experiența cu un condensator și un contor electric, de ce nu se învârte? Cert este că contorul are în vedere energia activă atunci când consumatorul este o sarcină pur activă, de exemplu, lămpi cu incandescență, o ceainică electrică sau o sobă electrică. Pentru astfel de consumatori, tensiunea și curentul coincid în fază, au un singur semn: dacă înmulțiți două numere negative (tensiune și curent în timpul semiciclului negativ), rezultatul conform legilor matematicii este încă pozitiv. Prin urmare, capacitatea acestor consumatori este întotdeauna pozitivă, adică. intră în sarcină și este eliberat sub formă de căldură, așa cum se arată în figura 6 prin linia punctată.

Figura 6

În cazul în care un condensator este inclus în circuitul de curent alternativ, curentul și tensiunea nu coincid în fază: curentul este cu 90 de oaci înainte de față în tensiune, ceea ce duce la o combinație când curentul și tensiunea au semne diferite.

Figura 7

În aceste momente, puterea este negativă. Cu alte cuvinte, când puterea este pozitivă, condensatorul este încărcat, iar când este negativ, energia stocată este transferată înapoi la sursă. Prin urmare, în medie, se dovedește cu zerouri și pur și simplu nu există nimic de numărat aici.

Condensatorul, cu excepția cazului în care este funcțional, desigur, nici nu se va încălzi deloc. Prin urmare, deseori condensator numit rezistență liberă, care permite utilizarea sa în sursele de alimentare cu putere redusă transformatoare.Deși astfel de blocuri nu sunt recomandate din cauza pericolului lor, totuși, uneori, este necesar să faceți acest lucru.

Înainte de instalarea într-o astfel de unitate condensator de stingere, trebuie verificat printr-o simplă conexiune la rețea: dacă în jumătate de oră condensatorul nu s-a încălzit, atunci poate fi inclus în siguranță în circuit. În caz contrar, trebuie doar să o aruncați fără regrete.

Ce arată un voltmetru?

La fabricarea și repararea diverselor dispozitive, deși nu foarte des, este necesar să se măsoare tensiuni și chiar curenți alternanți. Dacă un sinusoid se comportă atât de agitat, apoi în sus și în jos, ce va arăta un voltmetru normal?

Valoarea medie a unui semnal periodic, în acest caz un sinusoid, este calculată ca aria delimitată de axa abscisă și imaginea grafică a semnalului împărțită la 2 * π radiani sau perioada sinusoidului. Deoarece părțile superioare și inferioare sunt absolut identice, dar au semne diferite, valoarea medie a sinusoidului este zero și nu este necesară măsurarea deloc și este chiar simplă fără sens.

Prin urmare, dispozitivul de măsurare ne arată valoarea rms a tensiunii sau curentului. Valoarea pătrată medie este o astfel de valoare a curentului periodic la care aceeași cantitate de căldură este eliberată pe aceeași sarcină ca pe curent continuu. Cu alte cuvinte, becul strălucește cu aceeași luminozitate.

Acest lucru este descris de formulele de acest fel: Icrc = 0.707 * Imax = Imax / √2 pentru tensiune, formula este aceeași, trebuie doar să schimbați o literă Ucrc = 0.707 * Umax = Umax / √2. Aceste valori sunt prezentate de dispozitivul de măsurare. Ele pot fi înlocuite în formule atunci când se calculează în conformitate cu legea lui Ohm sau atunci când se calculează puterea.

Dar acest lucru nu este tot ceea ce un condensator într-o rețea de curent alternativ este capabil. În articolul următor, vom lua în considerare utilizarea condensatoarelor în circuite cu impulsuri, filtre de trecere mare și trecere mică, în generatoare de undă sinusoidală și undă pătrată.

Boris Aladyshkin

Continuarea articolului: Condensatoare în circuite electronice