Wechselstromkondensatoren

Was ist Wechselstrom?

Wenn wir einen Gleichstrom betrachten, kann er nicht immer vollkommen konstant sein: Die Spannung am Quellenausgang kann von der Last oder vom Entladungsgrad der Batterie oder der galvanischen Batterie abhängen. Selbst bei einer konstant stabilisierten Spannung hängt der Strom im externen Stromkreis von der Last ab, was das Ohmsche Gesetz bestätigt. Es stellt sich heraus, dass dies auch kein ganz konstanter Strom ist, aber ein solcher Strom kann auch nicht als variabel bezeichnet werden, da er die Richtung nicht ändert.

Eine Variable wird normalerweise als Spannung oder Strom bezeichnet, deren Richtung und Größe sich unter dem Einfluss externer Faktoren wie einer Last nicht ändert, sondern vollständig "unabhängig" ist: So erzeugt der Generator sie. Zusätzlich sollten diese Änderungen periodisch sein, d.h. Wiederholung über einen bestimmten Zeitraum, der als Zeitraum bezeichnet wird.

Wenn sich die Spannung oder der Strom ohnehin ändert, ohne sich um die Frequenz und andere Regelmäßigkeiten zu kümmern, wird ein solches Signal als Rauschen bezeichnet. Ein klassisches Beispiel ist „Schnee“ auf einem Fernsehbildschirm mit einem schwachen Sendesignal. Beispiele für einige periodische elektrische Signale sind in Abbildung 1 dargestellt.

Für Gleichstrom gibt es nur zwei Eigenschaften: die Polarität und die Spannung der Quelle. Bei Wechselstrom reichen diese beiden Werte eindeutig nicht aus, sodass mehrere weitere Parameter angezeigt werden: Amplitude, Frequenz, Periode, Phase, sofortiger und effektiver Wert.

Abbildung 1Beispiele für einige periodische elektrische Signale

Meistens muss man sich in der Technik mit sinusförmigen Schwingungen auseinandersetzen, nicht nur in der Elektrotechnik. Stellen Sie sich ein Autorad vor. Wenn Sie gleichmäßig auf einer guten glatten Straße fahren, beschreibt die Radmitte eine gerade Linie parallel zur Straßenoberfläche. Gleichzeitig bewegt sich jeder Punkt am Umfang des Rades entlang einer Sinuskurve relativ zu der gerade erwähnten Linie.

Dies kann durch Abbildung 2 bestätigt, die eine grafische Methode zur Konstruktion einer Sinuskurve zeigt: Wer das Zeichnen gut studiert hat, weiß, wie solche Konstruktionen durchzuführen sind.

Abbildung 2Grafische Sinuswellenmethode

Aus dem Schulkurs der Physik ist bekannt, dass eine Sinuskurve am häufigsten und am besten zum Studieren einer periodischen Kurve geeignet ist. Genauso werden sinusförmige Schwingungen in erhalten Lichtmaschinenaufgrund ihrer mechanischen Vorrichtung.

Abbildung 3 zeigt eine grafische Darstellung des Sinusstroms.

Abbildung 3Sinusstromdiagramm

Es ist leicht zu erkennen, dass die Größe des Stroms über die Zeit variiert, so dass die Ordinatenachse in der Figur als i (t) angegeben ist und die Funktion des Stroms gegenüber der Zeit ist. Die volle Periode des Stroms wird durch eine durchgezogene Linie angezeigt und hat eine Periode T. Wenn Sie die Betrachtung vom Ursprung aus beginnen, können Sie sehen, dass der Strom zuerst zunimmt, Imax erreicht, durch Null geht, auf –Imax abfällt, dann zunimmt und Null erreicht. Als nächstes beginnt die nächste Periode, wie durch die gestrichelte Linie gezeigt.

In Form einer mathematischen Formel wird das aktuelle Verhalten wie folgt geschrieben: i (t) = Imax * sin (ω * t ± φ).

Hier ist i (t) der Momentanwert des Stroms, abhängig von der Zeit, Imax ist der Amplitudenwert (maximale Abweichung vom Gleichgewichtszustand), ω ist die Kreisfrequenz (2 * π * f), φ ist der Phasenwinkel.

Die Kreisfrequenz ω wird im Bogenmaß pro Sekunde und der Phasenwinkel φ im Bogenmaß oder Grad gemessen. Letzteres ist nur dann sinnvoll, wenn zwei sinusförmige Ströme vorliegen. Zum Beispiel in Ketten mit Kondensator Der Strom liegt um 90 ° oder genau ein Viertel der Periode vor der Spannung, wie in Abbildung 4 dargestellt. Wenn ein sinusförmiger Strom vorhanden ist, können Sie ihn nach Belieben entlang der Ordinatenachse bewegen, und daran ändert sich nichts.

Abbildung 4 In Schaltkreisen mit einem Kondensator liegt der Strom eine viertel Periode vor der Spannung

Die physikalische Bedeutung der Kreisfrequenz ω ist, welcher Winkel im Bogenmaß in einer Sekunde durch eine Sinuskurve "verläuft".

Periode - T ist die Zeit, in der die Sinuswelle eine vollständige Schwingung ausführt. Gleiches gilt für Schwingungen unterschiedlicher Form, beispielsweise rechteckig oder dreieckig. Die Periode wird in Sekunden oder kleineren Einheiten gemessen: Millisekunden, Mikrosekunden oder Nanosekunden.

Ein weiterer Parameter eines periodischen Signals, einschließlich einer Sinuskurve, ist die Frequenz, wie viele Schwingungen das Signal in 1 Sekunde ausführen wird. Die Maßeinheit für die Frequenz ist Hertz (Hz), benannt nach dem Wissenschaftler Heinrich Hertz aus dem 19. Jahrhundert. Die Frequenz von 1 Hz beträgt also nicht mehr als eine Schwingung / Sekunde. Beispielsweise beträgt die Frequenz des Beleuchtungsnetzwerks 50 Hz, dh genau 50 Sinusperioden vergehen in einer Sekunde.

Wenn der aktuelle Zeitraum bekannt ist (können Sie Mit einem Oszilloskop messen), dann hilft die Frequenz des Signals, die Formel herauszufinden: f = 1 / T. Wenn die Zeit in Sekunden ausgedrückt wird, wird das Ergebnis in Hertz angegeben. Umgekehrt wird T = 1 / f, Frequenz in Hz, Zeit in Sekunden erhalten. Zum Beispiel wenn 50 Hertz Der Zeitraum beträgt 1/50 = 0,02 Sekunden oder 20 Millisekunden. In der Elektrizität werden häufiger höhere Frequenzen verwendet: KHz - Kilohertz, MHz - Megahertz (Tausende und Millionen von Schwingungen pro Sekunde) usw.

Alles, was für Strom gesagt wird, gilt auch für Wechselspannung: In Abb. 6 reicht es aus, einfach den Buchstaben I in U zu ändern. Die Formel sieht folgendermaßen aus: u (t) = Umax * sin (ω * t ± φ).

Diese Erklärungen reichen aus, um darauf zurückzukommen Experimentieren Sie mit Kondensatoren und erklären ihre physikalische Bedeutung.

Der Kondensator leitet Wechselstrom, wie im Diagramm in Abbildung 3 dargestellt (siehe Artikel - Kondensatoren für elektrische Wechselstrominstallationen) Die Helligkeit der Lampe nimmt zu, wenn ein zusätzlicher Kondensator angeschlossen wird. Wenn die Kondensatoren parallel geschaltet sind, addieren sich ihre Kapazitäten einfach, so dass angenommen werden kann, dass die Kapazität Xc von der Kapazität abhängt. Außerdem hängt es auch von der Frequenz des Stroms ab, und daher sieht die Formel folgendermaßen aus: Xc = 1/2 * π * f * C.

Aus der Formel folgt, dass Mit zunehmender Kapazität und Frequenz der Wechselspannung nimmt die Reaktanz Xc ab. Diese Abhängigkeiten sind in Abbildung 5 dargestellt.

Abbildung 5. Die Abhängigkeit der Reaktanz des Kondensators von der Kapazität

Wenn wir die Frequenz in Hertz in die Formel und die Kapazität in Farad einsetzen, wird das Ergebnis in Ohm angegeben.

Erwärmt sich der Kondensator?

Erinnern Sie sich jetzt an die Erfahrung mit einem Kondensator und einem Stromzähler. Warum dreht er sich nicht? Tatsache ist, dass das Messgerät aktive Energie berücksichtigt, wenn der Verbraucher eine rein aktive Last ist, beispielsweise Glühlampen, ein Wasserkocher oder ein Elektroherd. Für solche Verbraucher haben Spannung und Strom in Phase ein Vorzeichen: Wenn Sie zwei negative Zahlen (Spannung und Strom während der negativen Halbwelle) multiplizieren, ist das Ergebnis nach den Gesetzen der Mathematik immer noch positiv. Daher ist die Kapazität solcher Verbraucher immer positiv, d.h. geht in die Last und wird in Form von Wärme freigesetzt, wie in Abbildung 6 durch die gestrichelte Linie dargestellt.

Abbildung 6

In dem Fall, in dem der Kondensator im Wechselstromkreis enthalten ist, fallen Strom und Spannung nicht in Phase zusammen: Der Strom liegt 90 ° vor der Spannungsphase, was zu einer Kombination führt, wenn Strom und Spannung unterschiedliche Vorzeichen haben.

Abbildung 7

In diesen Momenten ist die Leistung negativ. Mit anderen Worten, wenn die Leistung positiv ist, wird der Kondensator aufgeladen, und wenn er negativ ist, wird die gespeicherte Energie zurück zur Quelle übertragen. Daher stellt sich heraus, dass es im Durchschnitt Nullen gibt und es hier einfach nichts zu zählen gibt.

Der Kondensator erwärmt sich überhaupt nicht, es sei denn, er kann gewartet werden. Deshalb oft Kondensator genannt freier WiderstandDies ermöglicht den Einsatz in transformatorlosen Stromversorgungen mit geringem Stromverbrauch.Obwohl solche Blöcke wegen ihrer Gefahr nicht empfohlen werden, ist dies manchmal erforderlich.

Vor dem Einbau in ein solches Gerät AbschreckkondensatorDies sollte durch eine einfache Verbindung zum Netzwerk überprüft werden: Wenn sich der Kondensator innerhalb einer halben Stunde nicht erwärmt hat, kann er sicher in den Stromkreis aufgenommen werden. Ansonsten muss man es einfach ohne Reue wegwerfen.

Was zeigt ein Voltmeter?

Bei der Herstellung und Reparatur verschiedener Geräte, wenn auch nicht sehr oft, müssen Wechselspannungen und sogar Ströme gemessen werden. Wenn sich eine Sinuskurve so hektisch verhält, was zeigt ein normales Voltmeter auf und ab?

Der Durchschnittswert eines periodischen Signals, in diesem Fall einer Sinuskurve, wird berechnet als die durch die Abszissenachse begrenzte Fläche und das grafische Bild des Signals geteilt durch 2 * π Radiant oder die Periode der Sinuskurve. Da der obere und der untere Teil absolut identisch sind, aber unterschiedliche Vorzeichen haben, ist der Durchschnittswert der Sinuskurve Null, und es ist überhaupt nicht erforderlich, ihn zu messen, und er ist sogar einfach bedeutungslos.

Das Messgerät zeigt uns daher den Effektivwert der Spannung oder des Stroms an. Der quadratische Mittelwert ist ein solcher Wert des periodischen Stroms, bei dem bei gleicher Last dieselbe Wärmemenge freigesetzt wird wie bei Gleichstrom. Mit anderen Worten, die Glühbirne leuchtet mit der gleichen Helligkeit.

Dies wird durch die folgenden Formeln beschrieben: Icrc = 0,707 * Imax = Imax / √2 für Spannung, die Formel ist dieselbe, ändern Sie einfach einen Buchstaben Ucrc = 0,707 * Umax = Umax / √2. Diese Werte zeigt das Messgerät an. Sie können bei der Berechnung nach dem Ohmschen Gesetz oder bei der Berechnung der Leistung in Formeln eingesetzt werden.

Dies ist jedoch nicht alles, was ein Kondensator in einem Wechselstromnetzwerk kann. Im nächsten Artikel werden wir die Verwendung von Kondensatoren in gepulsten Schaltungen, Hochpass- und Tiefpassfiltern, in Sinus- und Rechteckgeneratoren betrachten.

Boris Aladyshkin

Fortsetzung des Artikels: Kondensatoren in elektronischen Schaltkreisen