Condensatori CA.

Che cos'è la corrente alternata?

Se consideriamo una corrente continua, allora non può sempre essere perfettamente costante: la tensione all'uscita della sorgente può dipendere dal carico o dal grado di scarica della batteria o della batteria galvanica. Anche con una tensione stabilizzata costante, la corrente nel circuito esterno dipende dal carico, il che conferma la legge di Ohm. Si scopre che anche questa non è una corrente abbastanza costante, ma nemmeno una tale corrente può essere chiamata variabile, poiché non cambia direzione.

Una variabile viene generalmente chiamata tensione o corrente, la cui direzione e grandezza non cambia sotto l'influenza di fattori esterni, come un carico, ma è completamente "indipendente": è così che il generatore la genera. Inoltre, questi cambiamenti dovrebbero essere periodici, ad es. ripetendo per un certo periodo di tempo chiamato periodo.

Se la tensione o la corrente cambiano comunque, senza preoccuparsi della frequenza e di altre regolarità, tale segnale viene chiamato rumore. Un classico esempio è la "neve" su uno schermo TV con un segnale di trasmissione debole. Esempi di alcuni segnali elettrici periodici sono mostrati nella Figura 1.

Per la corrente continua, ci sono solo due caratteristiche: la polarità e la tensione della sorgente. Nel caso di corrente alternata, questi due valori non sono chiaramente sufficienti, quindi compaiono molti altri parametri: ampiezza, frequenza, periodo, fase, valore istantaneo ed efficace.

Figura 1Esempi di alcuni segnali elettrici periodici

Molto spesso nella tecnologia, si devono affrontare le oscillazioni sinusoidali, inoltre, non solo nell'ingegneria elettrica. Immagina una ruota di automobile. Quando si guida uniformemente su una buona strada liscia, il centro della ruota descrive una linea retta parallela alla superficie stradale. Allo stesso tempo, qualsiasi punto sulla periferia della ruota si sposta lungo una sinusoide rispetto alla linea appena menzionata.

Quanto sopra può essere confermato dalla Figura 2, che mostra un metodo grafico per costruire una sinusoide: chiunque abbia studiato bene il disegno sa come eseguire tali costruzioni.

Figura 2Metodo grafico dell'onda sinusoidale

Dal corso di fisica della scuola è noto che una sinusoide è la più comune e adatta per studiare una curva periodica. Allo stesso modo, si ottengono oscillazioni sinusoidali in alternatorigrazie al loro dispositivo meccanico.

La Figura 3 mostra un grafico della corrente sinusoidale.

Figura 3Grafico corrente sinusoidale

È facile vedere che l'entità della corrente varia nel tempo, quindi l'asse delle ordinate è indicato nella figura come i (t), è la funzione della corrente rispetto al tempo. L'intero periodo della corrente è indicato da una linea continua e ha un punto T. Se inizi la considerazione dall'origine, puoi vedere che inizialmente la corrente aumenta, raggiunge Imax, passa attraverso zero, diminuisce a –Imax, quindi aumenta e raggiunge zero. Successivamente, inizia il periodo successivo, come mostrato dalla linea tratteggiata.

Sotto forma di una formula matematica, l'attuale comportamento è scritto come segue: i (t) = Imax * sin (ω * t ± φ).

Qui i (t) è il valore istantaneo della corrente, a seconda del tempo, Imax è il valore di ampiezza (massima deviazione dallo stato di equilibrio), ω è la frequenza circolare (2 * π * f), φ è l'angolo di fase.

La frequenza circolare ω viene misurata in radianti al secondo e l'angolo di fase φ in radianti o gradi. Quest'ultimo ha senso solo quando ci sono due correnti sinusoidali. Ad esempio, in catene con condensatore la corrente è in anticipo rispetto alla tensione di 90 ° o esattamente un quarto del periodo, come mostrato nella Figura 4. Se esiste una corrente sinusoidale, è possibile spostarla lungo l'asse delle ordinate come desiderato, e nulla cambierà da questa.

Figura 4 Nei circuiti con un condensatore, la corrente è in anticipo rispetto alla tensione di un quarto di periodo

Il significato fisico della frequenza circolare ω è quale angolo in radianti “attraverserà” una sinusoide in un secondo.

Periodo - T è il tempo durante il quale l'onda sinusoidale eseguirà un'oscillazione completa. Lo stesso vale per le vibrazioni di forma diversa, ad esempio rettangolare o triangolare. Il periodo è misurato in secondi o unità più piccole: millisecondi, microsecondi o nanosecondi.

Un altro parametro di qualsiasi segnale periodico, inclusa una sinusoide, è la frequenza, quante oscillazioni farà il segnale in 1 secondo. L'unità di misura della frequenza è Hertz (Hz), chiamata per lo scienziato del XIX secolo Heinrich Hertz. Quindi, la frequenza di 1 Hz non è altro che un'oscillazione / secondo. Ad esempio, la frequenza della rete di illuminazione è 50Hz, vale a dire esattamente 50 periodi sinusoidali passano in un secondo.

Se il periodo corrente è noto (è possibile misurare con un oscilloscopio), quindi la frequenza del segnale aiuterà a scoprire la formula: f = 1 / T. Inoltre, se il tempo è espresso in secondi, il risultato sarà in Hertz. Viceversa, T = 1 / f, frequenza in Hz, tempo ottenuto in secondi. Ad esempio, quando 50 hertz il periodo sarà 1/50 = 0,02 secondi o 20 millisecondi. Nell'elettricità vengono utilizzate più frequentemente frequenze più alte: KHz - kilohertz, MHz - megahertz (migliaia e milioni di oscillazioni al secondo), ecc.

Tutto quanto detto per la corrente è vero anche per la tensione alternata: in Fig. 6 è sufficiente cambiare semplicemente la lettera I in U. La formula sarà simile a questa: u (t) = Umax * sin (ω * t ± φ).

Queste spiegazioni sono sufficienti per tornare a sperimentare condensatori e spiegare il loro significato fisico.

Il condensatore conduce corrente alternata, che è stata mostrata nello schema in Figura 3 (vedi articolo - Condensatori per installazioni elettriche CA.). La luminosità della lampada aumenta quando è collegato un condensatore aggiuntivo. Quando i condensatori sono collegati in parallelo, le loro capacità si sommano semplicemente, quindi si può presumere che la capacità Xc dipenda dalla capacità. Inoltre, dipende anche dalla frequenza della corrente, e quindi la formula è simile alla seguente: Xc = 1/2 * π * f * C.

Deriva dalla formula che con l'aumentare della capacità e della frequenza della tensione alternata, la reattanza Xc diminuisce. Queste dipendenze sono mostrate nella Figura 5.

Figura 5. La dipendenza della reattanza del condensatore dalla capacità

Se sostituiamo la frequenza in Hertz nella formula e la capacità in Farad, il risultato sarà in Ohm.

Il condensatore si surriscalda?

Ora ricorda l'esperienza con un condensatore e un contatore elettrico, perché non gira? Il fatto è che il contatore considera l'energia attiva quando il consumatore è un carico puramente attivo, ad esempio lampade a incandescenza, un bollitore elettrico o una stufa elettrica. Per tali consumatori, la tensione e la corrente coincidono in fase, hanno un segno: se moltiplichi due numeri negativi (tensione e corrente durante il semiciclo negativo), il risultato secondo le leggi della matematica è ancora positivo. Pertanto, la capacità di tali consumatori è sempre positiva, ad es. entra nel carico e viene rilasciato sotto forma di calore, come mostrato nella Figura 6 dalla linea tratteggiata.

Figura 6

Nel caso in cui il condensatore sia incluso nel circuito di corrente alternata, la corrente e la tensione non coincidono in fase: la corrente è di 90 ° in anticipo rispetto alla fase in tensione, il che porta ad una combinazione quando la corrente e la tensione hanno segni diversi.

Figura 7

In questi momenti, il potere è negativo. In altre parole, quando la potenza è positiva, il condensatore viene caricato e, quando negativa, l'energia immagazzinata viene trasferita nuovamente alla fonte. Pertanto, in media risulta da zeri e non c'è semplicemente nulla da contare qui.

Il condensatore, a meno che non sia ovviamente riparabile, non si scalda nemmeno affatto. Pertanto, spesso condensatore chiamato resistenza libera, che ne consente l'utilizzo in alimentatori a bassa potenza senza trasformatore.Sebbene tali blocchi non siano raccomandati a causa del loro pericolo, a volte è necessario farlo.

Prima di installare in tale unità condensatore di spegnimento, dovrebbe essere controllato con una semplice connessione alla rete: se in mezz'ora il condensatore non si è riscaldato, può essere tranquillamente incluso nel circuito. Altrimenti, devi solo buttarlo via senza rimpianti.

Cosa mostra un voltmetro?

Nella produzione e riparazione di vari dispositivi, anche se non molto spesso, è necessario misurare tensioni alternate e persino correnti. Se una sinusoide si comporta in modo così frenetico, quindi su e giù, cosa mostrerà un normale voltmetro?

Il valore medio di un segnale periodico, in questo caso una sinusoide, viene calcolato come l'area delimitata dall'asse dell'ascissa e l'immagine grafica del segnale divisa per 2 * π radianti o il periodo della sinusoide. Poiché le parti superiore e inferiore sono assolutamente identiche, ma hanno segni diversi, il valore medio della sinusoide è zero, e non è necessario misurarlo affatto, ed è anche semplicemente insignificante.

Pertanto, il dispositivo di misurazione ci mostra il valore efficace della tensione o della corrente. Il valore quadrato medio è tale valore della corrente periodica alla quale viene rilasciata la stessa quantità di calore sullo stesso carico della corrente continua. In altre parole, la lampadina brilla con la stessa luminosità.

Questo è descritto dalle formule come questa: Icr = 0,707 * Imax = Imax / √2 per tensione, la formula è la stessa, basta cambiare una lettera Ucr = 0.707 * Umax = Umax / √2. Sono questi valori che mostra il dispositivo di misurazione. Possono essere sostituiti in formule quando si calcola secondo la legge di Ohm o quando si calcola la potenza.

Ma non è tutto ciò di cui è capace un condensatore in una rete CA. Nel prossimo articolo considereremo l'uso di condensatori in circuiti a impulsi, filtri passa-alto e passa-basso, in generatori di onde sinusoidali e ad onda quadra.

Boris Aladyshkin

Continuazione dell'articolo: Condensatori in circuiti elettronici

Comments

[#1]

L'articolo è buono Cognitive, Figura 7, voglio aggiungere che il dielettrico viene riscaldato nei condensatori a causa della sua polarizzazione. Voglio fare una domanda all'autore. Non mi è chiaro il motivo per cui quando non c'è tensione sul condensatore, non c'è differenza di potenziale sulle piastre, la corrente massima scorre attraverso il condensatore.