AC-kondensatorer

Vad är växelström?

Om vi ​​betraktar en likström, kan den inte alltid vara helt konstant: spänningen vid källutgången kan bero på belastningen eller på graden av urladdning av batteriet eller det galvaniska batteriet. Även med en konstant stabiliserad spänning beror strömmen i den externa kretsen på belastningen, vilket bekräftar Ohms lag. Det visar sig att detta inte heller är en konstant ström, men en sådan ström kan inte heller kallas variabel, eftersom den inte ändrar riktning.

En variabel kallas vanligtvis spänning eller ström, vars riktning och storlek inte förändras under påverkan av externa faktorer, till exempel en last, men är helt "oberoende": det är så generatorn genererar den. Dessutom bör dessa förändringar vara periodiska, dvs. upprepa under en viss tidsperiod som kallas en period.

Om spänningen eller strömmen ändras på något sätt, utan att oroa sig för frekvensen och andra regelbundenheter, kallas en sådan signal brus. Ett klassiskt exempel är "snö" på en TV-skärm med en svag sändningssignal. Exempel på några periodiska elektriska signaler visas i figur 1.

För likström finns det bara två egenskaper: källans polaritet och spänning. När det gäller växelström är dessa två kvantiteter helt klart inte tillräckliga, så flera parametrar dyker upp: amplitud, frekvens, period, fas, omedelbart och effektivt värde.

Figur 1Exempel på några periodiska elektriska signaler

Oftast inom teknik måste man hantera sinusformiga svängningar, dessutom inte bara inom elektroteknik. Föreställ dig ett bilhjul. När du kör enhetligt på en bra slät väg beskriver hjulets centrum en rak linje parallell med vägytan. Samtidigt rör sig vilken punkt som helst på hjulets periferi längs en sinusform i förhållande till den just nämnda linjen.

Det ovannämnda kan bekräftas med figur 2, som visar en grafisk metod för att konstruera en sinusoid: vem som studerade ritning väl vet hur man utför sådana konstruktioner.

Figur 2Grafisk Sine Wave-metod

Från skolkursen i fysik är det känt att en sinusoid är den vanligaste och lämplig för att studera en periodisk kurva. På exakt samma sätt erhålls sinusformade svängningar i växelströmsgeneratorerpå grund av deras mekaniska anordning.

Figur 3 visar en kurva över sinusformad ström.

Figur 3Sinusformad aktuell graf

Det är lätt att se att strömmens storlek varierar över tiden, därför är ordinataxeln indikerad i figuren som i (t), är funktionen för ström kontra tid. Strömperiodens hela period indikeras med en hel linje och har en period T. Om du startar övervägandet från ursprunget kan du se att först börjar strömmen öka, når Imax, går genom noll, minskar till –Imax, ökar sedan och når noll. Därefter börjar nästa period, som visas med den streckade linjen.

I form av en matematisk formel skrivs det aktuella beteendet på följande sätt: i (t) = Imax * sin (ω * t ± φ).

Här i (t) är det momentana värdet på strömmen, beroende på tid, Imax är amplitudvärdet (maximal avvikelse från jämviktstillståndet), ω är cirkelfrekvensen (2 * π * f), φ är fasvinkeln.

Cirkelfrekvensen ω mäts i radianer per sekund och fasvinkeln φ i radianer eller grader. Det senare är meningsfullt bara när det finns två sinusformade strömmar. Till exempel i kedjor med kondensator strömmen är före spänningen 90˚ eller exakt en fjärdedel av perioden, som visas i figur 4. Om det finns en sinusformad ström, kan du flytta den längs ordinataxeln som du vill, och ingenting kommer att förändras från detta.

Figur 4 I kretsar med kondensator ligger strömmen före spänningen en fjärdedel av tiden

Den fysiska betydelsen av cirkelfrekvensen ω är vilken vinkel i radianer som "kommer att rinna igenom" en sinusoid på en sekund.

Period - T är den tid under vilken sinusvågen kommer att göra en fullständig svängning. Detsamma gäller för vibrationer med en annan form, till exempel rektangulära eller triangulära. Perioden mäts i sekunder eller mindre enheter: millisekunder, mikrosekunder eller nanosekunder.

En annan parameter för varje periodisk signal, inklusive en sinusoid, är frekvensen, hur många svängningar signalen kommer att göra på 1 sekund. Mätningsenheten för frekvens är Hertz (Hz), uppkallad efter 1800-talets forskare Heinrich Hertz. Så frekvensen på 1 Hz är inget mer än en svängning / sekund. Till exempel är ljusnätets frekvens 50Hz, det vill säga exakt 50 sinusformade perioder passerar på en sekund.

Om den aktuella perioden är känd (du kan mått med ett oscilloskop), kommer frekvensen för signalen att hjälpa till att ta reda på formeln: f = 1 / T. Om tiden uttrycks i sekunder kommer resultatet dessutom att vara i Hertz. Omvänt, T = 1 / f, frekvens i Hz, tiden erhålls i sekunder. Till exempel när 50 hertz perioden kommer att vara 1/50 = 0,02 sekunder eller 20 millisekunder. I elektricitet används högre frekvenser oftare: KHz - kilohertz, MHz - megahertz (tusentals och miljoner oscillationer per sekund), etc.

Allt som sägs för ström är också sant för växelspänning: i figur 6 räcker det helt enkelt att ändra bokstaven I till U. Formeln kommer att se ut så här: u (t) = Umax * sin (ω * t ± φ).

Dessa förklaringar räcker för att återvända till experimentera med kondensatorer och förklara deras fysiska betydelse.

Kondensatorn leder växelström, vilket visades i diagrammet i figur 3 (se artikel - Kondensatorer för elinstallationer). Lampans ljusstyrka ökar när en extra kondensator är ansluten. När kondensatorerna är parallella anslutna, läggs deras kapaciteter helt enkelt samman, så det kan antas att kapacitansen Xc beror på kapacitansen. Dessutom beror det också på frekvensen för strömmen, och därför ser formeln så här ut: Xc = 1/2 * π * f * C.

Det följer av formeln att med ökande kapacitans och frekvens för växelspänningen minskar reaktansen Xc. Dessa beroenden visas i figur 5.

Bild 5. Beroende av kondensatorns reaktans av kapacitansen

Om vi ​​ersätter frekvensen i Hertz i formeln och kapacitansen i Farads, blir resultatet i Ohms.

Kommer kondensorn att värmas upp?

Kom ihåg nu erfarenheten med en kondensator och en elektrisk mätare, varför snurrar den inte? Faktum är att mätaren tar hänsyn till aktiv energi när konsumenten är en rent aktiv belastning, till exempel glödlampor, en vattenkokare eller en elektrisk spis. För sådana konsumenter har spänningen och strömmen sammanfaller i fas, ett tecken: om du multiplicerar två negativa siffror (spänning och ström under den negativa halvcykeln) är resultatet enligt matematiklagarna fortfarande positivt. Därför är sådana konsumenters kapacitet alltid positiv, d.v.s. går in i lasten och släpps i form av värme, såsom visas i figur 6 med den streckade linjen.

Figur 6

I det fall kondensatorn ingår i växelströmskretsen sammanfaller inte strömmen och spänningen i fas: strömmen är 90 оp före fas i spänning, vilket leder till en kombination när strömmen och spänningen har olika tecken.

Figur 7

I dessa ögonblick är kraften negativ. Med andra ord, när kraften är positiv laddas kondensatorn, och när den är negativ, överförs den lagrade energin tillbaka till källan. Därför visar det sig i genomsnitt med nollor och det finns helt enkelt inget att räkna här.

Kondensatorn, om den naturligtvis inte kan användas, kommer inte ens att värmas upp alls. Därför ofta kondensator som kallas fritt motstånd, vilket tillåter användning i transformatorlösa lågkraftsaggregat.Även om sådana block inte rekommenderas på grund av deras fara, är det fortfarande ibland nödvändigt att göra detta.

Innan du installerar i en sådan enhet kylningskondensator, bör det kontrolleras genom enkel anslutning till nätverket: om kondensorn inte har värmts upp på en halvtimme, kan den säkert inkluderas i kretsen. Annars måste du bara kasta bort det utan ånger.

Vad visar en voltmeter?

Vid tillverkning och reparation av olika anordningar, även om det inte är så ofta, är det nödvändigt att mäta växelspänningar och till och med strömmar. Om en sinus fungerar så hektisk, upp och ner, vad kommer en normal voltmeter att visa?

Medelvärdet för en periodisk signal, i detta fall en sinus, beräknas som det område som avgränsas av abscissaxeln och den grafiska bilden av signalen dividerad med 2 * π radianer eller sinusoidens period. Eftersom de övre och nedre delarna är helt identiska, men har olika tecken, är sinusoidens medelvärde noll, och det är inte nödvändigt att mäta det alls, och det är till och med meningslöst.

Därför visar mätanordningen rms-värdet för spänningen eller strömmen. Medelkvadratvärdet är ett sådant värde på den periodiska strömmen vid vilken samma mängd värme släpps på samma belastning som vid likström. Med andra ord lyser glödlampan med samma ljusstyrka.

Detta beskrivs av formlerna så här: Icrc = 0.707 * Imax = Imax / √2 för spänning, formeln är densamma, ändra bara en bokstav Ucrc = 0.707 * Umax = Umax / √2. Det är dessa värden som mätanordningen visar. De kan ersättas med formler vid beräkning enligt Ohms lag eller vid beräkning av effekt.

Men detta är inte allt som en kondensator i ett växelströmsnätverk kan. I nästa artikel kommer vi att överväga användningen av kondensatorer i pulserade kretsar, högpass- och lågpassfilter, i sinusvåg- och kvadratvåggeneratorer.

Boris Aladyshkin

Fortsättning av artikeln: Kondensatorer i elektroniska kretsar