مكثفات التيار المتردد

ما هو التيار المتردد؟

إذا اعتبرنا تيارًا مباشرًا ، فلا يمكن أن يكون دائمًا ثابتًا تمامًا: قد يعتمد الجهد في خرج المصدر على الحمل أو على درجة تفريغ البطارية أو البطارية المجلفنة. حتى مع وجود جهد ثابت ثابت ، يعتمد التيار في الدائرة الخارجية على الحمل ، مما يؤكد قانون أوم. اتضح أن هذا ليس أيضًا تيارًا ثابتًا تمامًا ، ولكن لا يمكن أن يسمى هذا التيار متغيرًا أيضًا ، لأنه لا يغير الاتجاه.

عادة ما يطلق على المتغير جهد أو تيار ، لا يتغير اتجاهه وحجمه تحت تأثير العوامل الخارجية ، مثل الحمل ، لكنه "مستقل" تمامًا: هكذا يولد المولد ذلك. بالإضافة إلى ذلك ، يجب أن تكون هذه التغييرات دورية ، أي تكرار على فترة زمنية معينة تسمى فترة.

إذا تغير الجهد أو التيار على أي حال ، دون الحاجة إلى القلق بشأن الترددات والانتظاميات الأخرى ، تسمى هذه الإشارة بالضوضاء. والمثال الكلاسيكي هو "الثلج" على شاشة التلفزيون مع إشارة بث ضعيفة. يتم عرض أمثلة لبعض الإشارات الكهربائية الدورية في الشكل 1.

للتيار المباشر ، هناك نوعان فقط من الخصائص: قطبية وجهد المصدر. في حالة التيار المتناوب ، من الواضح أن هاتين القيمتين ليست كافية ، لذلك تظهر العديد من المعلمات: السعة ، التردد ، الفترة ، الطور ، قيمة فورية وفعالة.

الشكل 1أمثلة لبعض الإشارات الكهربائية الدورية

في أغلب الأحيان في التكنولوجيا ، يتعين على المرء أن يتعامل مع التذبذبات الجيبية ، علاوة على ذلك ، ليس فقط في الهندسة الكهربائية. تخيل عجلة سيارة. عند القيادة بشكل منتظم على طريق ناعم وسلس ، يصف مركز العجلة خط مستقيم موازٍ لسطح الطريق. في الوقت نفسه ، تتحرك أي نقطة على محيط العجلة على طول الجيوب الأنفية بالنسبة للخط المذكور للتو.

يمكن تأكيد ما سبق ذكره في الشكل 2 ، والذي يوضح طريقة رسومية لبناء الجيوب الأنفية: كل من درس الرسم جيدًا يعرف كيفية تنفيذ مثل هذه الإنشاءات.

الشكل 2طريقة موجة جيبية رسومية

من دورة الفيزياء المدرسية ، من المعروف أن الجيوب الأنفية هي الأكثر شيوعًا ومناسبة لدراسة منحنى دوري. بنفس الطريقة بالضبط ، يتم الحصول على التذبذبات الجيبية مولداتبسبب أجهزتهم الميكانيكية.

يوضح الشكل 3 رسم بياني للتيار الجيبي

الشكل 3الرسم البياني الجيبية الحالية

من السهل أن نرى أن حجم التيار يتغير بمرور الوقت ، وبالتالي فإن محور الإحداثيات المشار إليه في الشكل كما هو (ر) ، هو وظيفة التيار مقابل الوقت. تتم الإشارة إلى الفترة الكاملة للتيار بواسطة خط صلب وله فترة T. إذا بدأت النظر في الأصل ، يمكنك أن ترى أنه في البداية يزيد التيار ، ويصل Imax ، ويمر صفراً ، وينخفض ​​إلى –إماكس ، ثم يزيد ويصل إلى الصفر. بعد ذلك ، تبدأ الفترة التالية ، كما هو موضح بالخط المتقطع.

في صيغة معادلة رياضية ، تتم كتابة السلوك الحالي على النحو التالي: i (t) = Imax * sin (ω * t ± φ).

هنا i (t) هي القيمة الآنية للتيار ، اعتمادًا على الوقت ، Imax هي قيمة السعة (أقصى انحراف عن حالة التوازن) ، ω هو التردد الدائري (2 * π * f) ، φ هي زاوية الطور.

يتم قياس التردد الدائري in بالراديان في الثانية ، وزاوية الطور φ بالراديان أو بالدرجات. هذا الأخير لا معنى له إلا عندما يكون هناك اثنين من التيارات الجيبية. على سبيل المثال ، في سلاسل مع مكثف يكون التيار متقدمًا على الجهد بمقدار 90 درجة أو ربع الفترة بالضبط ، كما هو موضح في الشكل 4. إذا كان هناك تيار جيبي واحد ، فيمكنك تحريكه على طول محور الإحداثيات كما تريد ، ولن يتغير شيء من هذا.

الشكل 4 في الدوائر التي تحتوي على مكثف ، يكون التيار متقدمًا على الجهد بمقدار ربع فترة

المعنى المادي للتردد الدائري what هو الزاوية في الراديان التي "ستخترق" الجيوب الأنفية في ثانية واحدة.

Period - T هو الوقت الذي ستجعل فيه موجة الجيب تذبذب كامل. الأمر نفسه ينطبق على الاهتزازات ذات الشكل المختلف ، على سبيل المثال ، مستطيلة أو ثلاثية. يتم قياس الفترة بالثواني أو الوحدات الأصغر: ميلي ثانية أو مايكروثانية أو نانو ثانية.

المعلمة الأخرى لأي إشارة دورية ، بما في ذلك الجيوب الأنفية ، هي التردد ، وعدد التذبذبات التي ستحدثها الإشارة في ثانية واحدة. وحدة قياس التردد هي هيرتز (هرتز) ، سميت لعالم القرن التاسع عشر هاينريش هيرتز. لذلك ، فإن تردد 1 هرتز ليس أكثر من تذبذب واحد / ثانية. على سبيل المثال ، تردد شبكة الإضاءة هو 50 هرتز ، أي بالضبط 50 فترة جيبية تمر في الثانية.

إذا كانت الفترة الحالية معروفة (يمكنك ذلك) قياس مع الذبذبات) ، فإن تكرار الإشارة سوف يساعد في معرفة الصيغة: f = 1 / T. علاوة على ذلك ، إذا تم التعبير عن الوقت بالثواني ، فستكون النتيجة في هيرتز. على العكس ، T = 1 / f ، التردد بالهرتز ، يتم الحصول على الوقت بالثواني. على سبيل المثال ، متى 50 هيرتز ستكون الفترة 1/50 = 0.02 ثانية ، أو 20 مللي ثانية. في الكهرباء ، يتم استخدام الترددات العالية في أغلب الأحيان: KHz - كيلو هرتز ، MHz - ميغاهرتز (آلاف وملايين التذبذبات في الثانية) ، إلخ.

كل ما يقال عن التيار ينطبق أيضًا على الجهد المتناوب: في الشكل 6 ، يكفي تغيير الحرف I إلى U. ستبدو الصيغة كما يلي: u (t) = Umax * sin (ω * t ± φ).

هذه التفسيرات كافية للعودة إليها تجربة مع المكثفات وشرح معناها الجسدي.

يقوم المكثف بتوصيل التيار المتردد ، والذي تم عرضه في الشكل في الشكل 3 (انظر المقال المكثفات للمنشآت الكهربائية AC). يزداد سطوع المصباح عند توصيل مكثف إضافي. عندما يتم توصيل المكثفات بشكل متوازٍ ، فإن السعات الخاصة بها تضيف ببساطة ، لذلك يمكن افتراض أن السعة Xc تعتمد على السعة. بالإضافة إلى ذلك ، يعتمد أيضًا على تردد التيار ، وبالتالي تبدو الصيغة كما يلي: Xc = 1/2 * π * f * C.

يتبع من الصيغة التي مع زيادة السعة وتردد الجهد بالتناوب ، ينخفض ​​التفاعل Xc. وتظهر هذه التبعيات في الشكل 5.

الشكل 5. الشكل 5. اعتماد مفاعل مكثف على السعة

إذا قمنا باستبدال التردد في Hertz بالصيغة والسعة في Farads ، فستكون النتيجة في أوم.

هل سيتم تسخين المكثف؟

الآن تذكر التجربة مع مكثف ومقياس كهربائي ، لماذا لا تدور؟ والحقيقة هي أن العداد يعتبر الطاقة النشطة عندما يكون المستهلك حمولة نشطة بحتة ، على سبيل المثال ، المصابيح المتوهجة ، أو الغلاية الكهربائية أو الموقد الكهربائي. بالنسبة لمثل هؤلاء المستهلكين ، يكون للجهد والتيار في المرحلة ، علامة واحدة: إذا قمت بضرب رقمين سالبين (الجهد والتيار خلال النصف السلبي للدورة) ، فإن النتيجة وفقًا لقوانين الرياضيات لا تزال إيجابية. لذلك ، تكون قدرة هؤلاء المستهلكين إيجابية دائمًا ، أي يذهب إلى الحمل ويتم تحريرها في شكل حرارة ، كما هو مبين في الشكل 6 بواسطة خط متقطع.

الشكل 6

في الحالة التي يتم فيها تضمين المكثف في دائرة التيار المتردد ، لا يتزامن التيار والجهد في الطور: يكون التيار بمقدار 90٪ قبل الطور في الجهد ، مما يؤدي إلى مزيج عندما يكون للتيار والجهد علامات مختلفة.

الشكل 7

في هذه اللحظات ، تكون القوة سلبية. بمعنى آخر ، عندما تكون الطاقة موجبة ، يتم شحن المكثف ، وعندما تكون سالبة ، يتم نقل الطاقة المخزنة إلى المصدر. لذلك ، في المتوسط ​​، يتضح من الأصفار وليس هناك شيء يمكن حسابه هنا.

مكثف ، ما لم يكن بالطبع صالحة للخدمة ، لن يسخن على الإطلاق. لذلك ، في كثير من الأحيان دعا مكثف المقاومة الحرة، والذي يسمح باستخدامه في إمدادات الطاقة المنخفضة المحولات.على الرغم من أن هذه الكتل غير موصى بها بسبب خطرها ، إلا أنه من الضروري في بعض الأحيان القيام بذلك.

قبل التثبيت في هذه الوحدة تبريد مكثفيجب التحقق من ذلك من خلال اتصال بسيط بالشبكة: إذا لم يتم تسخين المكثف في غضون نصف ساعة ، فيمكن تضمينه بأمان في الدائرة. خلاف ذلك ، عليك فقط رميها بعيداً دون ندم.

ماذا يظهر الفولتميتر؟

في صناعة وإصلاح الأجهزة المختلفة ، وإن لم يكن في كثير من الأحيان ، فمن الضروري قياس الفولتية بالتناوب وحتى التيارات. إذا تصرف الجيوب الأنفية محمومًا جدًا ، ثم صعودًا وهبوطًا ، فما الذي سيظهره الفولتميتر العادي؟

يتم حساب متوسط ​​قيمة الإشارة الدورية ، في هذه الحالة الجيوب الأنفية ، على أنها المنطقة التي يحدها محور الإحداثيات والصورة الرسومية للإشارة مقسومة على 2 * π راديان أو فترة الجيوب الأنفية. نظرًا لأن الجزأين العلوي والسفلي متطابقان تمامًا ، ولكنهما لهما علامات مختلفة ، فإن متوسط ​​قيمة الجيوب الأنفية هو صفر ، وليس من الضروري قياسه على الإطلاق ، بل إنه ببساطة لا معنى له.

لذلك ، يوضح لنا جهاز القياس قيمة جذر متوسط ​​التربيع للجهد أو التيار. القيمة المتوسطة المربعة هي قيمة للتيار الدوري الذي يتم فيه إطلاق نفس كمية الحرارة في نفس الحمل كما في التيار المباشر. بمعنى آخر ، المصباح يضيء بنفس السطوع.

يصف هذا الصيغ التالية: Icrc = 0.707 * Imax = Imax / √2 للجهد ، الصيغة هي نفسها ، فقط قم بتغيير حرف واحد Ucrc = 0.707 * Umax = Umax / √2. هذه هي القيم التي يظهرها جهاز القياس. يمكن استبدالها في الصيغ عند الحساب وفقًا لقانون أوم أو عند حساب القوة.

ولكن هذا ليس كل ما هو قادر على مكثف في شبكة AC. في المقالة التالية ، سننظر في استخدام المكثفات في الدوائر النبضية ، والمرشحات عالية التمرير والمنخفضة ، في مولدات موجة جيبية وموجة مربعة.

بوريس الأديشين

استمرار المقال: المكثفات في الدوائر الإلكترونية