Цель опыта:
продемонстрировать зависимость сопротивления конденсатора в цепи переменного тока от его емкости и частоты изменения напряжения.
Оборудование
:
Рис 1
Учащимся хорошо известно, что постоянный ток не может протекать через конденсатор. (При подключении конденсатора к источнику постоянного тока в цепи только в течение ограниченного времени протекает ток его зарядки.) Поэтому эксперимент следует начать с демонстрации возможности протекания переменного тока в цепи, содержащей конденсатор. Для этого соберите электрическую цепь, схема которой представлена на рис. 1. Конденсатор емкостью 18.8 мкФ и лампа соединяются последовательно, при этом свечение лампы означает наличие тока в цепи. Питание осуществляется от генератора синусоидального сигнала, который, как и источник постоянного тока в предыдущих опытах, подсоединяется через модуль для подключения источника питания.
Индуктивные и емкостные реактивные резисторы ведут себя по отношению к току и напряжению. Путем включения конденсатора с подходящим размером может быть уменьшено или отменено влияние частичного мешающего воздействия индуктивного реактивного резистора, присутствующего в цепи. То же самое относится к нежелательным емкостным свойствам, которые могут быть компенсированы индуктивными реактивными резисторами. Полная компенсация возможна только для определенной частоты. В зависимости от типа соединения проводится различие между параллельной и последовательной компенсацией.
Установите частоту генератора примерно равной 5 кГц , замкните ключ и плавно увеличивайте амплитуду выходного сигнала генератора до тех пор, пока лампа не начнет гореть достаточно ярко. Продемонстрировав протекание переменного тока в цепи, содержащей конденсатор, Вы можете перейти к более обстоятельному изучению данного явления.
В области энергетических технологий часто используется параллельная компенсация, поскольку слепой ток нежелателен с точки зрения нынешнего поставщика. Они не регистрируются обычными счетчиками энергии. Метод установки должен быть рассчитан на более высокий общий ток.
Простой пример параллельной компенсации можно найти в технологии освещения с газоразрядными лампами. Они требуют индуктивного балласта, обычно дроссельной катушки, для зажигания и постоянной работы. Таким образом, реактивная мощность также протекает в линиях питания. Рабочие данные флуоресцентной лампы с восходящим реактором составляют 230 В и 36 Вт. Реактивный ток в линиях питания может быть сведен к минимуму путем параллельной компенсации конденсатором. Индуктивность и эквивалентное сопротивление лампы рассчитываются с указанными рабочими данными, и поэтому создается схема имитации.
Измените собранную электрическую цепь в соответствии с рис. 2. Теперь конденсатор подключен непосредственно к источнику переменного напряжения, протекающий через него ток регистрируется цифровым миллиамперметром, а приложенное к конденсатору напряжение измеряется цифровым вольтметром.
Громкоговоритель служит для определения на слух изменения частоты напряжения питания.
Фазовый угол показывает, что реактивный ток также течет в блоке освещения в дополнение к активному току. В качестве омической нагрузки при рабочем напряжении 230 В будет протекать только 54, 7 мА тока. Реактивный ток в линиях подачи должен быть минимизирован с помощью параллельной компенсации. После компенсации блок освещения должен вести себя как резистивный резистор. Для расчета конденсатора последовательная схема должна быть преобразована в эквивалентную параллельную схему. Измеренные значения моделирования схемы подтверждают математический подход.
Рис 2
Переменный резистор, включенный последовательно с громкоговорителем, используется для регулирования громкости звука.
Установите на генераторе частоту 20 Гц и близкий к максимальному уровень выходного сигнала. Замкните ключ и обратите внимание учащихся на показания измерительных приборов. Попросите учеников на основе экспериментальных данных рассчитать сопротивление конденсатора. Плавно увеличивайте частоту генератора, демонстрируя при этом рост тока, протекающего через конденсатор при практически неизменном напряжении на его выводах, и изменение частоты звучания динамика. Следите за показаниями цифрового миллиамперметра и, как только ток в цепи превысит 900 мА , прекратите увеличение частоты выходного сигнала генератора. Сообщите учащимся примерное значение частоты генератора и попросите их еще раз определить сопротивление конденсатора. Сопоставьте величины сопротивлений, полученные учащимися и, принимая во внимание характер изменения тока при проведении опыта, сделайте вывод об обратной зависимости емкостного сопротивления от частоты переменного напряжения.
Чтобы компенсировать извне индуктивность индуктора с помощью подключенного параллельно конденсатора, индуктор должен иметь реактивное сопротивление индуктора на рабочей частоте 50 Гц. Конденсаторы со значениями этой величины можно найти в компенсированных системах освещения с люминесцентными лампами.
Конденсатор соединен параллельно с эквивалентной схемой, а токи ветвления и суммарный ток измеряются в симуляционной схеме. Поглощенный ток ниже и соответствует вычисленному выше активному току. Высокие реактивные токи продолжают поступать в блок освещения. Фазовые положения токов определялись относительно рабочего напряжения с помощью осциллографа. Оба реактивных тока имеют противоположное положение фазы относительно друг друга и в основном взаимно смещены внутри схемы. Линии питания и устройства питания загружаются только активным током.
Для того чтобы показать зависимость емкостного сопротивления от величины емкости конденсатора замкните ключ и еще раз продемонстрируйте режим работы электрической цепи, полученный в конце предыдущего опыта. После этого замените конденсатор 18.8 мкФ конденсатором емкостью 4.7 мкФ . Ток в цепи при этом упадет в 4 раза, что при неизменности приложенного напряжения означает, что сопротивление конденсатора в 4 раза возросло. Обратите внимание учащихся на то, что емкости конденсаторов 18.8 мкФ и 4.7 мкФ также отличаются в 4 раза и сделайте вывод об обратно пропорциональной зависимости емкостного сопротивления от частоты.
Исходная схема показывает тот же активный ток в линиях питания с параллельным компенсационным конденсатором. Рабочее напряжение на люминесцентной лампе остается неизменным. В области энергетической инженерии полная параллельная компенсация может быть использована только в том случае, если сопротивление мало по сравнению с реактивными резисторами. Если омическое сопротивление велико по сравнению с реактивным сопротивлением, катушка и конденсатор колеблются с очень высокими реактивными токами в системе.
При параллельной компенсации достигается следующее. Компенсированная система ведет себя как резистивный резистор. Компенсация поглощенной активной мощности остается неизменной. Компенсация уменьшает ток, потребляемый до значения активного тока. Посредством компенсации полученная реактивная мощность переходит в ноль. В компенсированной системе поступают большие реактивные токи.
Рис 3
В завершение данного эксперимента полезно изучить с учащимися, что происходит в электрической цепи, содержащей последовательно соединенные лампу и конденсатор (рис. 1) при изменении частоты подводимого к ней напряжения. Для этого включите в эту цепь цифровой миллиамперметр (рис. 3) и приготовьте цифровой вольтметр для измерения напряжения на различных элементах. В цепь должен быть включен конденсатор емкостью 18.8 мкФ
.
В области инженерных коммуникаций последовательная компенсация особенно применима к широкополосным усилителям. В частности, в высокочастотном диапазоне паразитные характеристики обычно предполагаемых идеальных сопротивлений, индуктивности и емкостей. Вместе с резисторами создаются фильтры нижних частот, которые приводят к уменьшению верхней предельной частоты и уменьшению полосы пропускания усилителей.
Дальнейшие области применения для последовательной компенсации являются точно определенной частотой падения и, в конечном счете, последовательной резонансной схемой. Здесь более детально рассмотрена только компенсация коммутирующих емкостей. Нескомпенсированную схему можно рассматривать как последовательное соединение резистора и конденсатора. Выходной сигнал параллелен емкости, благодаря чему высокочастотные диапазоны сильно ослаблены. Емкостный реактивный резистор может быть компенсирован индуктивным реактивным резистором, который дополнительно соединен последовательно.
Сопротивление нити накала лампы существенно зависит от силы протекающего через нее тока. Если лампа горит в полный накал, то ее сопротивление равно 14 Ом , но эта величина может стать в 10 раз меньше при уменьшении протекающего через нее тока. В данном эксперименте в области низких частот сопротивление конденсатора велико, ток в цепи при этом мал, сопротивление лампы составляет несколько Ом и практически все напряжение, подводимое к цепи, оказывается приложенным к конденсатору. В области высоких частот сопротивление конденсатора уменьшается до нескольких десятых долей Ома , и все напряжение оказывает приложенным к лампе, сопротивление которой становится более 10 Ом . Таким образом, при изменении частоты генератора от 30 Гц до 5 кГц сопротивление конденсатора уменьшается более чем в 100 раз, а сопротивление лампы возрастает примерно в 10 раз.
Параллельная компенсация не может быть применена, поскольку низкочастотные диапазоны затем ослабляются параллельным соединением катушки. Затем схема сравнима с сильно ослабленным параллельным резонансным контуром. С помощью программы моделирования низкоомный усилитель с коммутационной мощностью 500 пФ испытывается без нагрузки. Соответствующая амплитудная частотная характеристика показана на телесной диаграмме. Фазовый угол имеет значение φ = -90 °. Выходное напряжение на конденсаторе отстает от эталонного тока в последовательной цепи в соответствии с этим углом.
Замкните ключ и продемонстрируйте учащимся, как падения напряжения на конденсаторе и лампе изменяются при увеличении частоты от 30 Гц до 5 кГц . Сделайте соответствующие комментарии и объясните, почему, начиная с некоторого значения частоты, ток в цепи остается практически неизменным.
Полоса пропускания компенсированной схемы улучшена на 39%. Система теперь имеет два устройства хранения и может использоваться в качестве паспорта. Диаграммы указателей показывают, что скомпенсированная система ведет себя как активный резистор на своей верхней граничной частоте. Оба реактивных резистора имеют одинаковый размер и компенсируют друг друга снаружи. Из-за последовательной компенсации полоса пропускания увеличивается с более высокой верхней предельной частотой.
Эти 90º эквивалентны ¼ длины волны, заданной частотой тока, проходящего через цепь. Общее напряжение, которое он питает, равно сумме фаз напряжения в резисторе и напряжению в конденсаторе. Это напряжение имеет угол смещения и получается с помощью следующих формул.
Рис 4
Вы можете также продемонстрировать учащимся еще один эффект, связанный с горением лампы в цепи переменного тока. Соберите электрическую цепь, в которой лампа и миллиамперметр соединены последовательно (рис. 4). Установите частоту генератора 5 кГц
и уровень сигнала, соответствующий нормальному режиму горения лампы. После этого плавно уменьшайте частоту выходного сигнала генератора, демонстрируя постоянство тока в собранной электрической цепи и напряжения на лампе, а также неизменность свечения лампы вплоть до частоты 30 Гц
. При частоте меньшей 20 Гц
становится заметным изменение яркости лампы, возникающее в течение каждого периода колебаний в соответствии с изменением величины подводимого к цепи напряжения. Обратите внимание, что показания цифровых вольтметра и амперметра в этой области частот могут быть некорректны, поскольку рабочий диапазон применяемых приборов начинается с 15Гц
.
- Ток продвигается к напряжению в конденсаторе на 90 °.
- Ток и напряжение находятся в фазе в резисторе.
Импеданс получается по следующей формуле. Тот же треугольник напряжений может использоваться, если каждое значение треугольника делится на значение тока и, следовательно, треугольник импеданса. Эта статья предназначена для всех, кто интересуется электрикой, но они не знают, с чего начать. Зная эти основные проблемы и понимая их, вы можете перейти к дальнейшему обучению. Если вы работаете в качестве помощника по электрике, и раньше вы не занимались электрикой, эта статья идеально подходит для вас.
конденсатор как гасящее сопротивление
Известно, что конденсатор, установленный в цепи переменного тока, обладает сопротивлением, зависящим от частоты, и называется реактивным. Использование конденсатора в качестве сопротивления также позволяет гасить излишнее напряжение сети, причем мощность на реактивном сопротивлении не выделяется, что является большим преимуществом конденсатора перед гасящим резистором. Так как расчет сопротивления конденсатора переменному току , а соответственно и полное сопротивление Z цепи, составленной из последовательно включенных нагрузки с активным сопротивлением Rn и конденсатора с реактивным сопротивлением Хс, равно
Все основные права выделены жирным шрифтом. Напряжение - это разница между потенциалом. Это может показаться немного сложным. Значением напряжения является разность потенциалов, например. Конечно, это большое упрощение. В цепях переменного тока напряжение выражается более математически сложным способом. Однако на данном этапе обучения достаточно. Дело в том, чтобы понять идею - напряжение - это разность потенциалов.
Ток протекает только через замкнутый контур. Ток всегда течет из одной исходной точки и должен возвращаться к второй точке. Цепь должна быть закрыта для того, чтобы этот ток протекал - если цепь разрывается, ток не течет. Световой выключатель прерывает и замыкает один из проводов цепи.
то непосредственный расчет емкости гасящего конденсатора
довольно сложен. Для определения номинала конденсатора, примененного в качестве гасящего резистора, проще пользоваться номограммой, приведенной на рисунке. На номограмме по оси абсцисс отложены сопротивления Rn в кОм, по оси ординат - емкость С гасящих конденсаторов в мкФ и по оси, проведенной под углом 45° к оси абсцисс, - полные сопротивления Z цепи в кОм.
Электрическая розетка дома - если мы ничего не подключаем к гнезду, ток не течет. В момент подключения чего-либо текущие потоки. Каждое устройство представляет собой сопротивление текущему току. Все, что мы подключаем к источнику питания, составляет сопротивление его потоку. Размер этого сопротивления определяется сопротивлением устройства и зависит от конструкции устройства. Сопротивление текущему току означает только препятствие для его потока. Итак, чем больше мы вмешиваемся в поток электричества, тем меньше оно будет течь.
Это похоже на сжатие садового шланга, когда вода горит, - чем больше мы его сжимаем, тем меньше воды разливается. То же самое происходит с током - чем больше сопротивление, тем меньше ток может течь. Сопротивление устройства определяет, сколько ток течет в цепи.
Чтобы воспользоваться номограммой, предварительно нужно по закону Ома или по формуле мощности определить Rn и Z. На оси абсцисс номограммы находят вычисленное значение Rn и проводят из этой точки вертикальную прямую, параллельную оси ординат. Затем на наклонной оси отыскивают определенное значение Z. Из точки начала координат через точку Z проводят дугу, которая должна пересечь линию, проведенную параллельно оси ординат. Из точки пересечения ведут линию, параллельную оси абсцисс. Точка, где эта линия встречается с осью ординат, укажет искомую емкость гасящего конденсатора.
Какой поток высокого тока протекает, зависит от того, что происходит в цепи. Чем меньше сопротивление, тем больше ток будет течь. Максимум может течь столько же, сколько и источник и минимум. Самый большой ток - это короткое замыкание в цепи, то есть сопротивление отсутствует. Наименьший ток не означает ничего в цепи - столько сопротивления, что ток не течет.
Ток, текущий в цепи, называется током и выражается в единицах Ампера, символом которого является А. Из вышеизложенного одним из основных прав в электрическом праве является закон Ома. Он определяет соотношение между сопротивлением, напряжением и током.
Пример 1. Определить емкость конденсатора, который нужно соединить последовательно с электропаяльником 127 В, 25 Вт, чтобы его можно было включить в сеть переменного тока напряжением 220 В.
Находим Rn:
где U - напряжение, на которое рассчитан электропаяльник, Р - мощность электропаяльника.
Чтобы определить Z, нужно знать ток I, протекающий в цепи:
Если напряжение не изменяется, чем больше сопротивление устройства, тем меньше ток в цепи. Если устройство имеет постоянное сопротивление, чем выше напряжение, тем больше ток будет протекать. Этот закон следует из того, что вы прочитали до сих пор. Сумма токов, втекающих в и из узла, равна нулю. Поэтому то, что влияет на точку подключения, должно вытекать из нее. Это связано с тем, что то, что исходит от источника, должно вернуться к нему. Ток никогда не «исчезает», поэтому, если вы подключаетесь, все будет влиять на него, поэтому оно также должно течь.
Распределитель в розетке - ток, втекающий в розетку, рассеивается в отдельные розетки в распределителе, и все возвращается к нейтрали. Установка в квартире - квартира питается от одного кабеля и делится на несколько приемников, и все возвращается к нейтрали через нейтральный переключатель.
Вы встречаете это очень часто. Каждое устройство имеет некоторую мощность - например, электрический чайник имеет мощность 2 кВт. Мощность зависит от сопротивления устройства. Чем меньше сопротивление устройства, тем больше ток через него, тем больше мощность. Чем больше устройство имеет мощность, тем выше ток, через который он протекает.
Тогда Z равно:
Как найти емкость гасящего конденсатора, пользуясь вычисленными предварительными данными, показано на номограмме жирными линиями.
Пример 2. Классический мостовой выпрямитель (рис. 2) с выходным напряжением Uвых = 18 В и током нагрузки In = 20 мА необходимо питать от сети напряжением 127 В. Найти емкость конденсатора С1, который нужно подключить последовательно с выпрямителем, чтобы погасить излишнее напряжение.
Определим сопротивление нагрузки.