קבלים AC

מהו זרם חילופין?

אם ניקח בחשבון זרם ישיר, אז זה לא תמיד יכול להיות קבוע לחלוטין: המתח ביציאת המקור עשוי להיות תלוי בעומס או במידת פריקת הסוללה או הסוללה הגלוונית. אפילו עם מתח יציב קבוע, הזרם במעגל החיצוני תלוי בעומס, המאשר את החוק של אוהם. מסתבר שגם זה לא זרם קבוע למדי, אבל גם זרם כזה לא יכול להיקרא משתנה, מכיוון שהוא לא משנה כיוון.

משתנה נקרא בדרך כלל מתח או זרם שהכיוון והעוצמה שלו לא משתנים תחת השפעת גורמים חיצוניים, כמו עומס, אלא הוא "עצמאי לחלוטין": כך מייצר אותו הגנרטור. בנוסף, שינויים אלה צריכים להיות תקופתיים, כלומר חוזר על פרק זמן מסוים הנקרא תקופה.

אם המתח או הזרם משתנים בכל מקרה, מבלי לדאוג לתדירות ולסדירות אחרת, אות כזה נקרא רעש. דוגמה קלאסית היא "שלג" על מסך טלוויזיה עם אות שידור חלש. דוגמאות לכמה אותות חשמליים תקופתיים מוצגים באיור 1.

לזרם ישר יש רק שני מאפיינים: הקוטביות והמתח של המקור. במקרה של זרם חילופי, שני הכמויות הללו אינן מספיקות, ולכן מופיעים מספר פרמטרים נוספים: משרעת, תדר, נקודה, שלב, ערך מיידי ויעיל.

איור 1דוגמאות לכמה אותות חשמליים תקופתיים

לרוב בתחום הטכנולוגי, יש להתמודד עם תנודות סינוסואליות, יתר על כן, לא רק בהנדסת חשמל. דמיין גלגל מכונית. כשנוהגים בצורה אחידה בכביש חלק וחלק, מרכז ההגה מתאר קו ישר המקביל לשטח הכביש. במקביל, כל נקודה בפריפריה של הגלגל נעה לאורך סינוסואיד יחסית לקו שהוזכר זה עתה.

ניתן לאשר את האמור על ידי איור 2, המציג שיטה גרפית לבניית סינוסואיד: מי שלמד היטב רישום יודע לבצע מבנים כאלה.

איור 2שיטת גל סינוס גרפי

ממסלול הלימודים בפיזיקה ידוע כי סינוסואיד הוא הנפוץ ביותר ומתאים ללימוד עקומה תקופתית. באותו אופן בדיוק מתקבלים תנודות סינוסואליות אלטרנטוריםבגלל המכשיר המכני שלהם.

איור 3 מראה גרף של הזרם הסינוסואידי.

איור 3גרף זרם סינוסואידי

קל לראות כי גודל הזרם משתנה לאורך זמן, לכן ציר הסדר מצוין באיור i (t), הוא הפונקציה של זרם מול זמן. התקופה המלאה של הזרם מסומנת על ידי קו מלא ויש לה תקופה T. אם אתה מתחיל את השיקול מהמקור, אתה יכול לראות שבתחילה הזרם גדל, מגיע ל- Imax, עובר לאפס, יורד ל- –Imax, ואז גדל ומגיע לאפס. בשלב הבא, התקופה הבאה מתחילה, כפי שמוצג על ידי קו מקווקו.

בצורה של נוסחה מתמטית, ההתנהגות הנוכחית נכתבת באופן הבא: i (t) = Imax * sin (ω * t ± φ).

כאן i (t) הוא הערך המיידי של הזרם, תלוי בזמן, Imax הוא ערך המשרעת (סטייה מקסימאלית ממצב שיווי המשקל), ω הוא התדר המעגלי (2 * π * f), φ הוא זווית הפאזה.

התדר המעגלי ω נמדד ברדיאנים בשנייה, ואת זווית הפאזה φ ברדיאנים או מעלות. זה האחרון הגיוני רק כאשר ישנם שני זרמים סינוסואידיים. לדוגמה, ברשתות עם קבלים הזרם מקדים את המתח 90˚ או בדיוק רבע מהתקופה, כפי שמוצג באיור 4. אם יש זרם סינוסואידי אחד, תוכלו להזיז אותו לאורך ציר הסדר כרצונכם ושום דבר לא ישתנה מכך.

איור 4 במעגלים עם קבל, הזרם מקדים את המתח ברבע תקופה

המשמעות הפיזית של התדר המעגלי ω היא איזו זווית ברדיאנים "תעבור" בסינוסואיד בשנייה אחת.

תקופה - T היא התקופה בה גל הסינוס יעשה תנודה אחת מלאה. כך גם בתנודות בעלות צורה שונה, למשל מלבניות או משולשות. התקופה נמדדת בשניות או יחידות קטנות יותר: אלפיות השנייה, מיקרו-שניות או ננו-שניות.

פרמטר נוסף לכל אות תקופתי, כולל סינוסואיד, הוא התדר, כמה תנודות האות יעשה תוך שנייה. יחידת המדידה של התדר היא הרץ (Hz), על שם המדען מהמאה ה -19 היינריך הרץ. אז התדר של 1 הרץ הוא לא יותר מתנודה / שנייה. לדוגמא, התדר של רשת התאורה הוא 50 הרץ, כלומר 50 תקופות סינוסואיד בדיוק חולפות תוך שנייה.

אם התקופה הנוכחית ידועה (אתה יכול למדוד בעזרת אוסצילוסקופ), אז תדירות האות תעזור לברר את הנוסחה: f = 1 / T. יתר על כן, אם הזמן יבוא לידי ביטוי בשניות, התוצאה תהיה בהרץ. לעומת זאת, T = 1 / f, תדר ב- Hz, הזמן מתקבל בשניות. לדוגמא, מתי 50 הרץ התקופה תהיה 1/50 = 0.02 שניות, או 20 אלפיות השנייה. בחשמל משתמשים בתדרים גבוהים יותר בתדירות גבוהה יותר: KHz - קילוהרטץ, MHz - מגהרץ (אלפי ומיליוני תנודות בשנייה) וכו '.

כל מה שנאמר לזרם נכון גם לגבי מתח מתחלף: באיור 6 מספיק פשוט לשנות את האות I ל U. הנוסחה תיראה כך: u (t) = Umax * sin (ω * t ± φ).

די בהסברים כדי לחזור אליהם ניסוי קבלים ולהסביר את משמעותם הפיזית.

הקבל מוליך זרם חילופין, שהוצג בתרשים באיור 3 (ראה מאמר - קבלים למתקני חשמל AC) בהירות המנורה עולה כאשר מחברים קבלים נוספים. כאשר הקבלים מחוברים במקביל, הקיבולות שלהם פשוט מסתברים, כך שניתן להניח שהקיבול Xc תלוי בקיבול. בנוסף, זה גם תלוי בתדירות הזרם, ולכן הנוסחה נראית כך: Xc = 1/2 * π * f * C.

נובע מהנוסחה ש עם הגדלת הקיבול ותדירות המתח המתחלף, התגובה Xc פוחתת. תלות אלה מוצגות באיור 5.

איור 5. התלות של התגובה של הקבל בקיבול

אם נחליף את התדר בהרץ לנוסחה ואת הקיבול בפאראדס, התוצאה תהיה באוהמס.

הקבל יתחמם?

עכשיו תזכרו את החוויה עם קבלים ומד חשמלי, מדוע הוא לא מסתובב? העובדה היא כי המונה שוקל אנרגיה פעילה כאשר הצרכן הוא עומס פעיל בלבד, למשל, מנורות ליבון, קומקום חשמלי או כיריים חשמליות. עבור צרכנים כאלה, המתח והזרם חופפים בשלב, יש סימן אחד: אם מכפילים שני מספרים שליליים (מתח וזרם במהלך מחצית המחזור השלילי), התוצאה על פי חוקי המתמטיקה עדיין חיובית. לכן היכולת של צרכנים כאלה היא תמיד חיובית, כלומר נכנס לעומס ומשתחרר בצורת חום, כפי שמוצג באיור 6 על ידי הקו המקווקו.

איור 6

במקרה בו הקבל נכלל במעגל הזרם המתחלף, הזרם והמתח אינם חופפים זה לזה בשלב: הזרם הוא 90 оp לפני השלב במתח, מה שמוביל לשילוב כאשר לזרם ולמתח יש סימנים שונים.

איור 7

ברגעים אלה הכוח שלילי. במילים אחרות, כאשר ההספק חיובי, הקבל נטען, וכאשר הוא שלילי, האנרגיה המאוחסנת מועברת חזרה למקור. לכן, בממוצע זה מתברר על ידי אפסים ופשוט אין מה לספור כאן.

הקבל, אלא אם כן הוא ניתן לשימוש, אפילו לא יתחמם. לכן, לעיתים קרובות קבלים הנקראים התנגדות חופשית, המאפשרת את השימוש בה באספקת חשמל נמוכה ללא שנאי.אף על פי שאינם מומלצים בלוקים מסוג זה בגלל סכנתם, אך לעיתים יש צורך לעשות זאת.

לפני התקנה ביחידה כזו קבלים מרווים, יש לבדוק זאת באמצעות חיבור פשוט לרשת: אם תוך חצי שעה הקבל לא התחמם, אז ניתן לכלול אותו בבטחה במעגל. אחרת, אתה פשוט צריך לזרוק אותו בלי להתחרט.

מה מראה מד מתח?

בייצור ותיקון של מכשירים שונים, אם כי לא לעיתים קרובות מאוד, יש צורך למדוד מתחים מתחלפים ואפילו זרמים. אם סינוסואיד מתנהג כל כך קדחתני, אז למעלה ולמטה, מה יציג מד מתח רגיל?

הערך הממוצע של אות תקופתי, במקרה זה סינוסואיד, מחושב כאזור הגובל בציר אבסצ'ה והתמונה הגרפית של האות מחולק על ידי 2 * π רדיאנים או תקופת הסינוסואיד. מכיוון שהחלקים העליונים והתחתונים זהים לחלוטין, אך בעלי סימנים שונים, הערך הממוצע של הסינוסואיד הוא אפס, ואין צורך למדוד אותו בכלל, והוא אפילו פשוט חסר משמעות.

לכן, מכשיר המדידה מראה לנו את ערך ה- rms של המתח או הזרם. הערך המרובע הממוצע הוא ערך כזה של הזרם התקופתי בו משתחררת אותה כמות חום על אותו עומס כמו על זרם ישר. במילים אחרות, הנורה מאירה באותה בהירות.

זה מתואר על ידי הנוסחאות כך: Icrc = 0.707 * Imax = Imax / √2 למתח, הנוסחה זהה, פשוט שנה אות אחת Ucrc = 0.707 * Umax = Umax / √2. ערכים אלה מראים מכשיר המדידה. ניתן להחליף אותם בנוסחאות בעת חישוב לפי החוק של אוהם או בעת חישוב כוח.

אבל זה לא כל מה שקבל ברשת AC יכול. במאמר הבא, נשקול את השימוש בקבלים במעגלים פועמיים, פילטרים למעבר גבוה ונמוך, בגלי גנרטור וגנרטור גל מרובע.

בוריס אלאדישקין

המשך המאמר: קבלים במעגלים אלקטרוניים

Comments

[#1]

המאמר טוב. קוגניטיבי, איור 7, אני רוצה להוסיף שהדיאלקטרי מחומם בקבלים בגלל הקיטוב שלו. אני רוצה לשאול את הכותב שאלה. לא ברור לי מדוע כשאין מתח בקבל, אין הבדל פוטנציאלי בפלטות, הזרם המרבי זורם דרך הקבל.