Катушка конденсатор: Как заколебать ток. Конденсаторы и катушки

Содержание

Как заколебать ток. Конденсаторы и катушки

РадиоКот >Обучалка >Аналоговая техника >Основы электроники >

Как заколебать ток. Конденсаторы и катушки

Начинаем с первого и самого главного блока — ГВЧ (Генератор Высокой частоты).

Как вы помните, генератор обязан преобразовать постоянный ток батарейки в переменный ток ВЧ. Для этого обычно используют транзистор и еще две детали, с которыми мы пока что не знакомы: конденсатор и катушку индуктивности.

Конденсатор — это элемент, способный накапливать в себе электрическую энергию. Конденсатор состоит из двух металлических пластин, изолированных между собой непроводящим материалом (диэлектриком). Эти пластины называют обкладками конденсатора.

Обозначение конденсатора на схеме полностью объясняет его конструкцию:

Конденсатор можно сравнить с батарейкой. Вот только, в нем нет той силы, которая перекидывает заряд в обратную сторону.


Если вспомнить нашу научно-экспериментальную установку с бутылками, то сначала (пока мы не стали вычерпывать воду из в одной бутылки в другую) ее можно было сравнить именно с конденсатором. То есть: наливаем воду в одну бутылку, вторая пуста. Пускаем воду по шлангу. Вторая бутылка — заполняется, первая — опустошается. Это происходит до тех пор, пока уровни в двух бутылках не сравняются, и ток не прекратится.

Так же и в конденсаторе. Когда он заряжен — на одной обкладке электронов больше, чем на другой. То есть, у них разные заряды, а значит — есть разность потенциалов (напряжение). Если к заряженному конденсатору подключить нагрузку, скажем, резистор — потечет ток, и через определенное время заряды двух обкладок сравняются, ток прекратится. То есть — конденсатор разрядится. Чтобы ток пошел снова, нужно опять создать разность потенциалов — то есть, зарядить конденсатор.

Вот так, в общем, все несложно.

Катушка индуктивности — это такая обычная катушка из металлической проволоки.

Можно на что угодно намотать кусок проволоки — это уже будет катушка индуктивности.
На схеме она изображается так:

Катушка обладает некоторыми полезными электрическими свойствами. Какими? Сейчас разберемся.

Итак, коль уж вспомнилась нам лабораторная установка из бутылок — давайте ее апгрейдить.
На сей раз нам понадобится водяная турбина. Честно говоря, я не пробовал ее делать, поэтому — не скажу рецепт приготовления =). Однако, если кто-то решится, и у него получится — можете поделиться с народом своим счастьем… и технологией.
Водяная турбина состоит из лопастей, сидящих на оси. Все это находится внутри герметичного кожуха, но ось выводится наружу. При протекании воды, лопасти начинают вращаться. Такие турбины используют, например, на гидроэлектростанциях. На их оси сидят электрогенераторы.

У нас же все проще и меньше. И на ось мы посадим не мощный генератор, а просто какое-нибудь тяжелое круглое колесико, чтобы воде было трудно его вращать.

Кстати! Протекающая вода вращает турбину. Но возможно и обратное: вращающаяся турбина может вызывать ток воды. Помним об этом…

Ну, в общем, всобачим эту турбину между двумя бутылками, и нальем в левую бутылку воды. Смотрим, что происходит.
А вот что происходит. Поскольку есть разность потенциалов (то есть, давлений) — вода хочет течь из левой бутылки в правую. Но на пути — турбина! Ничего не остается, как ее крутить. Хочешь жить — умей вертеться. =)

Однако, турбина начинает крутиться не сразу, а постепенно, потому что на ее оси — тяжелое колесо, которое создает инерцию. Поэтому, сначала вода течет медленно, и постепенно, своим током разгоняет турбину. Чем быстрее крутится турбина — тем быстрее перетекает вода в правую бутылку. Перетекает, перетекает… И вот — уровни сравнялись! Казалось бы, пора остановиться. Куда там! Турбина раскрутилась до таких оборотов, что и не думает остановиться, и продолжает по инерции гнать воду из левой бутылки в правую. Однако, постепенно ее скорость снижается, и через некоторое время, она, все же, останавливается.

Но теперь уже в правой бутылке воды больше, чем в левой. И она хочет течь обратно. Турбина начинает крутиться в обратную сторону. Сначала — нехотя, потом — все быстрее и быстрее. В момент, когда уровни равны, турбина опять несется на полных оборотах, и продолжает гнать. Останавливается она, когда в левой бутылке уровень снова больше, чем в правой. Все повторяется заново.

То, что мы видим, называется простым и знакомым нам словом — «колебания».

В идеальных условиях (отсутствие трения и т.п.), этот колебательный процесс длится бесконечно. В реальности — через несколько циклов (периодов), он затухнет. То есть, уровни таки сравняются. Но не в этом суть. Главное, что мы только что познакомились с принципом работы самого распространенной в радиотехнике схемы — колебательного контура. На водяной его модели. =)

Так вот, турбина в нашей научно-экспериментальной мегаустановке — это и есть катушка индуктивности.

У катушки индуктивности, надо сказать, весьма скверный характер. Она, по русски выражаясь, «тормозит». То есть, когда ток, текущий через нее начинает увеличиваться — она всячески препятствует его увеличению. А когда ток уменьшается — она наоборот, «подгоняет» его, не давая уменьшаться. Ну чем не турбина?!

Однако, в счастливом союзе с конденсатором, катушка образует тот самый колебательный контур, без которого не смог бы работать ни один радиоприемник и передатчик.

Вот как выглядит колебательный контур:

Если зарядить конденсатор, а потом подключить к нему катушку — ток в катушке начнет мотаться туда-сюда точно так же, как вода — в турбине.

Как вы, может быть, уже догадались — именно колебательный контур мы будем использовать для преобразования постоянного тока в переменный в нашем генераторе. Однако, прежде чем преступить к преобразованию, познакомимся еще с одним элементом.

Без него ничего не получится.

<<—Вспомним пройденное—-Поехали дальше—>>


Как вам эта статья?

Заработало ли это устройство у вас?

Урок 9. конденсатор и катушка индуктивности в цепи переменного электрического тока — Физика — 11 класс

Физика, 11 класс

Урок 9. Конденсатор и катушка индуктивности в цепи переменного электрического тока

Перечень вопросов, рассматриваемых на уроке:

Процессы, происходящие в цепи переменного электрического тока при наличии конденсатора и катушки индуктивности;

Устройство и принцип действия генератора переменного тока и трансформатора;

Автоколебания;

Проблемы передачи электроэнергии и способы повышения эффективности её использования.

Глоссарий по теме

Автоколебания – незатухающие колебания в системе, поддерживаемые за счет постоянного источника энергии.

Электрические машины преобразующие механическую энергию в электрическую называются генераторами.

Трансформатор – устройство, применяемое для повышения или понижения переменного напряжения.

Коэффициент трансформации – величина равная отношению напряжений в первичной и вторичной обмотках трансформатора.

Основная и дополнительная литература по теме урока:

Мякишев Г.Я., Буховцев Б.Б., Чаругин В.М. Физика.11 класс. Учебник для общеобразовательных организаций М.: Просвещение, 2014. – С. 86 – 95.

Рымкевич А.П. Сборник задач по физике. 10-11 класс. — М.: Дрофа, 2014. – С. 128 – 132.

Степанова. Г.Н. Сборник задач по физике. 10-11 класс. М., Просвещение 1999 г.

Е.А. Марон, А.Е. Марон. Контрольные работы по физике. М., Просвещение, 2004

Основное содержание урока

Переменный ток, которым мы пользуемся, вырабатывается с помощью генераторов переменного тока на электростанциях. Для передачи произведенной электроэнергии строятся линии электропередачи. В каждом населенном пункте имеются трансформаторы. Какую роль играют трансформаторы при передаче электроэнергии? Об этом мы поговорим на данном уроке.

В июле 1832 года Фарадей получил анонимное письмо, в котором автор описывал устройство созданного им генератора постоянного тока. Ознакомившись с содержанием письма Фарадей тут же отослал его в редакцию научного журнала. Автор этого письма не назвал себя, его фамилия осталась неизвестной.

Электрические машины преобразующие механическую энергию в электрическую называются генераторами. Впоследствии генераторы постоянного тока непрерывно совершенствовались. Потом, когда начали использовать переменный ток они уступили место генераторам переменного тока. Переменный ток в основном вырабатывается генераторами переменного тока. Простой моделью генератора может служить прямоугольная рамка, вращающаяся в магнитном поле. При вращении рамки, магнитный поток пронизывающий площадь поверхности, ограниченную рамкой, меняется по гармоническому закону:

N- число витков.

Возникает ЭДС индукции который меняется по гармоническому закону.

ЭДС индукции в рамке равна:

Если с помощью контактных колец и скользящих по ним щёток соединить концы рамки с электрической цепью, то в цепи возникнет переменный ток.

В современной энергетике для производства электроэнергии используются электромеханические индукционные генераторы. Принцип действия таких генераторов основан на явлении электромагнитной индукции. Основными частями генератора являются статор и ротор. Неподвижная часть генератора называется статором, а вращающаяся – ротором.

Постоянный ток не может идти по цепи содержащей конденсатор, т. к. цепь оказывается разомкнутой. При включении конденсатора в цепь переменного тока конденсатор будет периодически заряжаться и разряжаться с частотой равной частоте приложенного напряжения. В результате периодически меняющихся процессов зарядки и разрядки конденсатора в цепи течет переменный ток. Лампа накаливания, включенная в цепь переменного тока последовательно с конденсатором кажется горящей непрерывно, т. к. при высокой частоте колебаний силы тока человеческий глаз не способен заметить периодического ослабления нити накала. Конденсатор оказывает сопротивление прохождению тока. Это сопротивление называют ёмкостным.

Величину ХC, обратную произведению циклической частоты на электрическую ёмкость конденсатора называют ёмкостным сопротивлением.

Ёмкостное сопротивление не является постоянной величиной. Мы видим, что конденсатор оказывает бесконечно большое сопротивление постоянному току. Чем больше ёмкость конденсатора и частота колебаний, тем больше ток перезарядки. При наличии в цепи переменного тока конденсатора колебания силы тока опережают по фазе колебания напряжения конденсаторе на 90º. Сдвиг фазы колебаний силы тока на 90º относительно фазы колебания напряжения на конденсаторе приводит к тому, что мощность переменного тока в течение одной четверти периода имеет положительный знак, а в течение второй четверти – отрицательный. Поэтому среднее значение мощности за период равно нулю.

Индуктивность в цепи, так же, как и ёмкость, влияет на силу переменного тока. Объясняется это явлением самоиндукции. В любом проводнике, по которому протекает переменный ток, возникает ЭДС самоиндукции. При подключении катушки к источнику постоянного напряжения сила тока в цепи нарастает постепенно. Возникающее при этом вихревое электрическое поле тормозит движение электронов. Лишь спустя некоторое время сила тока достигает максимального значения, соответствующего данному постоянному напряжению. Если напряжение быстро меняется, то сила тока не будет успевать достигать тех значений, которые она приобрела бы при постоянном напряжении. Следовательно, максимальное значение силы переменного тока ограничивается индуктивностью цепи и его частотой колебаний.

Величину ХL, равную произведению циклической частоты на индуктивность, называют индуктивным сопротивлением.

Если частота равна нулю, то индуктивное сопротивление тоже равно нулю. Поэтому постоянный ток как бы не «замечает» катушку индуктивности в цепи.

Колебания напряжения на катушке опережают по фазе колебания силы тока на 90º.

Сдвиг фазы колебаний приводит к тому, что средняя мощность за период колебаний равна нулю.

Генератор на транзисторе используется для создания высокочастотных электромагнитных колебаний.

Для потребления электрической энергии нужно доставить его от источника к потребителю. Для этого строят линии электропередачи. При передаче электроэнергии на расстояние возникают потери энергии вследствие нагревания проводов. Тепловые потери можно определить используя закон Джоуля – Ленца:

Из этой формулы следует, что для уменьшения потерь энергиинужно уменьшить сопротивление или повысить напряжение. Уменьшения сопротивления проводов ЛЭП требует увеличения их площади поперечного сечения, что приведет к увеличению массы проводов. Увеличение массы проводов связано с большими расходами на укрепление столбов линии электропередачи, для их удержания и на производство металла для них. Наиболее эффективным является увеличение напряжения.

Для изменения напряжения в сети используют трансформаторы. Трансформатор был изобретен в 1876 году Яблочковым и в 1882 году усовершенствован Усагиным. Простейший трансформатор состоит из двух катушек, надетых на общий замкнутый стальной сердечник. Эти катушки называются обмотками трансформатора. Обмотка трансформатора, подключаемая к источнику переменного напряжения, называют первичной, а другая к которой присоединяют нагрузку – вторичной. Действие трансформатора основано на явлении электромагнитной индукции. При прохождении переменного тока по первичной обмотке в трансформаторе возникает переменное магнитное поле. Это поле пронизывает обе обмотки и в них возникает вихревое электрическое поле, которое действуя на заряженные частицы во вторичной обмотке способствует возникновению в ней переменного напряжения.

Величина равная отношению напряжений в первичной и вторичной обмотках трансформатора называют коэффициентом трансформации. Его обозначают буквой «k».

k– коэффициент трансформации.

U1 иU2 – напряжения на первичной и на вторичной обмотке.

N1 и N2— число витков на первичной и на вторичной обмотке.

Если k < 1 — трансформатор повышающий,

k > 1 — трансформатор понижающий.

КПД трансформатора равен отношению мощности в нагрузке к мощности, подаваемой из сети на первичную обмотку:

Для передачи электроэнергии на расстояние напряжение повышают с помощью трансформатора, а для потребления — понижают. В массивных проводниках при изменении магнитного поля возникают индукционные токи (токи Фуко), которые нагревают проводник. Чтобы эти индукционные токи не нагревали сердечник трансформатора его делают не сплошным, а из отдельных пластин, скрепленных вместе.

Закон Ома гласит: значение тока в цепи переменного тока прямо пропорционально напряжению в цепи и обратно пропорционально полному сопротивлению цепи.

Из формулы закона Ома для переменного тока мы видим, что при постоянной амплитуде напряжения, амплитуда силы тока зависит от частоты. Амплитуда силы тока будет максимальной, если полное сопротивление минимально. Полное сопротивление цепи минимально при равенстве индуктивного и ёмкостного сопротивления. В этом заключается условие возникновения резонанса в электрической цепи.

Резонанс в электрической цепи – это явление резкого возрастания амплитуды колебаний силы тока в контуре при совпадении частоты вынужденных колебаний с частотой собственных колебаний контура.

 Явление резонанса широко используется в радиотехнике, в схемах настройки радиоприемников. Меняя электроемкость конденсатора в колебательном контуре можно настроить его на нужную волну, т.е. выделить частоту на которой работает передающая станция

Разбор тренировочных заданий

1. Каково амплитудное значение ЭДС, возникающей в рамке из 50 витков, если она вращается с циклической частотой 180 рад/с в магнитном поле индукцией 0,4 Тл? Площадь рамки 0,02 м2.

Дано:

N=50

ω=180 рад/с

B=0,4 Тл

S=0,02 м2

_________

Ԑm=?

Решение:

Ответ: 72 В.

2. Катушка с индуктивностью 0,08 Гн присоединена к источнику переменного тока частотой 1000 Гц. При этом вольтметр показывает 100 В. Определить амплитуду тока в цепи. Ответ округлить до десятых.

Дано:

L=0,08 Гн

ν= 1000 Гц

U=100 В

__________

Im=?

Решение:

Напишем закон Ома для переменного тока

Т.к. ХC и R равны нулю, то

Учитывая, что , получаем:

Найдем амплитудное значение напряжения:

Подставим числовые данные в формулу для расчета амплитуды силы тока:

Ответ: Im = 0,3 А.

Последовательное соединение катушки и конденсатора

При последовательном соединении катушки и конденсатора на расчетной схеме каждый из этих элементов электрической цепи может быть представлен активным и реактивным сопротивлениями или активной и реактивной проводимостями.

Для расчета более простой является схема рис. 14.1, а, где элементы соединены последовательно, а в схеме рис. 14.1, б они соединены смешанно.


Предположим известными параметры катушки R1, L и конденсатора R2, C; ток в цепи i = Imsinωt.

Требуется определить напряжение на участках цепи и мощность.

Векторная диаграмма и полное сопротивление цели

Мгновенную величину общего напряжения можно представить суммой мгновенных напряжений на отдельных элементах схемы:

u = u1R + uL + uC + u2R,

Имея в виду несовпадение по фазе активных и реактивных напряжений, общее напряжение получим векторным сложением:

U = U2R + UL + UC +U2R

Для построения векторной диаграммы находим:

           U1R = IR1;         U2R = IR2;          UL = IXL;         UC = IXC.

В зависимости от соотношения величин реактивных сопротивлений индуктивности и емкости можно отметить три случая:

1. ХLC . Для этого случая векторная диаграмма представлена на рис. 14.2. На диаграмме построены треугольники напряжений для катушки и конденсатора и найдены векторы напряжения U1 и U2 на этих элементах.

Векторная сумма напряжений U1 + U2 = U дает общее напряжение в цепи. Вместе с тем вектор U является гипотенузой прямоугольного треугольника напряжений, катеты которого — активное и реактивное напряжения цепи (Uа и Uр). Так как векторы активных составляющих напряжения направлены в одну сторону, их численные значения складываются: Ua = U1R + U2R.

Векторы реактивных составляющих напряжения направлены по одной прямой в противоположные стороны, поэтому им придают разные знаки: реактивное напряжение индуктивности считают положительным, а напряжение емкости — отрицательным: Uр = UL — UC .

При одинаковом токе во всех элементах цепи UL>UC . Ток отстает от общего напряжения по фазе на угол φ. Из треугольника напряжений следует

где R = R1 + R2  и X = XL — XC  общее и активное и реактивное сопротивление цепи. Полное сопротивление цепи —  Z.

Эти сопротивления графически можно изобразить сторонами прямоугольного треугольника сопротивлений, который получают уже известным способом из треугольника напряжений.

Полное сопротивление цепи Z является коэффициентом пропорциональности между действующими величинами тока и общего напряжения цепи:

U = IZ;    I = U/Z;    Z = U/I.

Из треугольников напряжения и сопротивлений определяют следующие величины:

Угол сдвига по фазе между напряжением и током в цепи положительный (φ>0) (фазовые токи отсчитываются от вектора тока).

2. ХL< ХC   Векторная диаграмма изображена на рис. 14.3, где UL<UC , поэтому общее напряжение отстает от тока на угол φ<0.

Реактивное сопротивление цепи носит емкостный характер.

Расчетные формулы для первого случая остаются без изменения и для второго случая.

3. XL = ХC . В этом случае реактивные составляющие напряжения катушки и конденсатора равны по величине и взаимно компенсированы: UL = UC (рис. 14.4). Поэтому реактивная составляющая общего напряжения и общее реактивное сопротивление равны нулю, а полное сопротивление цепи Z = R.

Общее напряжение совпадает по фазе с током и равно по величине активной

составляющей напряжения.

Угол φ сдвига фаз между током и общим напряжением равен нулю.

Ток в цепи и общее напряжение связаны формулой

U = IR, или I = U/R.

В случае XL = ХC в цепи имеет место явление резонанса напряжений.

Энергетический процесс в цепи с последовательном соединении конденсатора и катушки

Из треугольника напряжений легко получить треугольник мощностей из которого следуют уже известные формулы:

Реактивные мощности входят в расчеты также с разными знаками: индуктивная мощность положительна, а емкостная — отрицательна. 

В соответствии с этим знак реактивной мощности всей цепи может быть тем или другим, что следует и из формул (14.2).
При φ>0 Q>0; при φ<0 Q<0.

Активная мощность положительна при любом угле, так как cosφ = cos(-φ).

Полная мощность также всегда положительна.  На основании формул (14.2) можно сделать вывод, что в рассматриваемой цепи совершается преобразование электрической энергии (Р ≠ 0) и обменный процесс между генератором и приемником (Q ≠ 0 при φ ≠ 0).

Энергетические процессы в данном случае сложнее, чем в ранее рассмотренных простых цепях. Усложнение объясняется тем, что наряду с обменом энергией между генератором и приемником совершается обмен энергией внутри приемника, между катушкой и конденсатором.

Особенности энергетического процесса в цепи с последовательным соединением катушки и конденсаторов отражены на рис. 14.5, где показаны графики мгновенной мощности отдельных элементов и цепи в целом при XL = ХС.

Катушка и конденсатор в течение полупериода накапливают равные количества энергии. Однако в первую четверть периода, когда ток увеличивается, а напряжение на конденсаторе уменьшается, энергия накапливается в магнитном поле катушки и уменьшается в электрическом поле конденсатора, причем скорость изменения энергии (мощность) в любой момент времени одинакова. Это дает основание считать, что обмен энергией происходит только в приемнике между катушками
и конденсатором.

Для преобразования электрической энергии в другой вид приемник получает ее от генератора со средней скоростью (мощностью) Р.

Задачи по теме и пример решения задачи для схемы с последовательным соединением конденсатора и катушки

Индуктивность. Виды катушек и контур. Работа и особенности

Индуктивность характеризует магнитные свойства цепи тока. Она прямо пропорциональна магнитному потоку и обратно пропорциональна силе тока в контуре.

Электрический ток во время протекания по контуру образует магнитное поле. Индуктивностью называют способность получать энергию от источника тока и создавать из нее магнитное поле.

При повышении тока на обмотке магнитное поле повышается, а при снижении уменьшается. Катушкой называется винтовая катушка в виде спирали из изолированного провода, с индуктивностью, при малой емкости и сопротивлении которая  имеет единицу измерения Гн (Генри) и определяется по формуле:

L = Φ / I, где L – индуктивность катушки, I – сила тока, Φ – магнитный поток.

Катушка обладает некоторой особенностью. При подаче на нее постоянного напряжения, в ней образуется напряжение, противоположное по знаку, и длящееся очень короткий промежуток времени. Это явление назвали ЭДС самоиндукции. ЭДС – это электродвижущая сила.

При размыкании цепи напряжение и ЭДС суммируются поэтому, сначала ток будет иметь двойную величину, а затем упадет до нуля. Время падения тока зависит от величины индуктивности катушки.

Виды катушек
Катушки можно разделить на типы:
  • С магнитным сердечником. Его материалом может быть сталь, ферритовый сердечник. Они предназначены для увеличения величины индуктивности.
  • Без сердечника. Катушки наматываются в виде спирали, на бумажной трубке. Применяются для создания незначительной индуктивности (до 5 мГн).

Чаще всего применяют сердечники из пластин, выполненных из электротехнической стали, для снижения вихревых токов, а также сердечники в виде ферритовых колец различных размеров (тороидальные), обеспечивающие создание значительной индуктивности, в отличие от обычных цилиндрических сердечников.

Катушки со значительной величиной индуктивности выполняют в виде трансформатора с металлическим сердечником. От обычного трансформатора они отличаются числом обмоток. В такой катушке есть одна первичная обмотка, а вторичной нет.

Особенности
  • При соединении нескольких катушек по параллельной схеме, необходимо следить, чтобы они были расположены на плате друг от друга как можно дальше, во избежание взаимного влияния катушек друг на друга магнитными полями.
  • Расстояние между витками на тороидальном сердечнике не влияет на свойства индуктивной катушки.
  • Для создания наибольшей индуктивности витки на катушке необходимо наматывать вплотную между собой.
  • При использовании в качестве сердечника ферритового цилиндра с наибольшей индуктивностью будет центр.
  • Чем меньше число витков на катушках, тем ниже у них индуктивности.
  • При последовательной схеме соединения катушек, общая индуктивность цепи складывается из индуктивностей каждой катушки.
Емкость катушки

Витки обмотки катушки отделены друг от друга диэлектрическим слоем, поэтому они образуют своеобразный конденсатор, который характеризуется своей емкостью. В катушках, имеющих несколько слоев обмотки, емкость образуется между слоями. В результате, катушка имеет свойство не только индуктивности, но и емкости.

Чаще всего емкость катушки оказывает отрицательное воздействие на элементы электрической схемы. Поэтому от емкости катушки избавляются разными способами. Например, каркас катушки изготавливают особой формы, витки наматывают по специальной технологии. При намотке катушки виток к витку, ее емкость также повышается.

Колебательный контур

Если подключить конденсатор и катушку по схеме, изображенной на рисунке, то получается контур колебаний, который широко применяется в радиотехнических устройствах.

Если навести ЭДС в катушке или зарядить конденсатор, то в контуре будут происходить некоторые колебательные процессы. Конденсатор при разряде возбуждает магнитное поле в катушке индуктивности. При истощении заряда конденсатора, катушка возвращает энергию снова в конденсатор, но с противоположным знаком, с помощью ЭДС самоиндукции. Такой процесс повторяется в виде электромагнитных синусоидальных колебаний.

Частота таких колебаний является резонансной частотой, зависящей от индуктивности катушки и емкости конденсатора. Колебательный контур, соединенный по параллельной схеме имеет значительное сопротивление на частоте резонанса. Это дает возможность применять его для избирательности частоты в цепях входа в радиоаппаратуре, а также в усилителях частоты и схемах генераторов частоты.

При параллельной схеме соединения контура колебаний имеются два реактивных элемента, которые обладают разной силой реактивности. Применение такого типа контура позволяет сделать вывод, что при параллельном соединении элементов необходимо суммировать только их проводимости, а не сопротивления. На частоте резонанса сумма проводимостей элементов контура нулевая, что позволяет говорить о сопротивлении переменному току стремящемуся к бесконечности.

За 1 период колебаний действия контура происходит обмен энергией между катушкой и емкостью. В таком случае образуется контурный ток, значительно превосходящий величину тока во внешней цепи.

Индуктивность и конденсатор

Токоведущие части различных устройств могут образовывать индуктивности. Такими частями являются предохранители, токоотводящие шины, соединительные выводы и другие аналогичные части. Если дополнительно присоединить к конденсатору шины, то образуется индуктивность, которая оказывает влияние на работу электрической цепи. Также, на работоспособность цепи влияет емкость и сопротивление.

Индуктивности, образующияся на частоте резонанса вычисляется по формуле:

Ce = C / (1 – 4Π2f2LC), где Ce – это емкость конденсатора (эффективная), f – частота тока, L – индуктивность катушки, С – действительная емкость, П – число «пи».

Величина индуктивности должна всегда учитываться в схемах с силовыми конденсаторами большой емкости. В схемах с импульсными конденсаторами важным фактором является значение собственной индуктивности. Разряд таких конденсаторов происходит на индуктивные контуры, делящиеся на виды:

  • Колебательные.
  • Апериодические.

В конденсаторе индуктивность зависит от вида соединения элементов в схеме. При параллельной схеме это значение складывается из индуктивностей элементов схемы. Для снижения индуктивности электрического устройства, необходимо токопроводящие части конденсатора расположить таким образом, чтобы магнитные потоки компенсировались, то есть, проводники с одним направлением тока располагают как можно дальше друг от друга, а с противоположным направлением – рядом друг с другом.

При сближении токоведущих частей и уменьшении диэлектрического слоя можно добиться снижения индуктивности секции конденсатора. Это достигается с помощью разделения одной секции на несколько небольших емкостей.

Похожие темы:

Чтение схем: дроссель, катушка, конденсатор

Дроссель, катушка индуктивности  это спиралевидная, винтовидная либо винтоспиралевидная катушка, сконструированная из свёрнутого, хорошо заизолированного проводника. Данный провод обладает значительными показателями индуктивности при достаточно малой ёмкости и сопротивлении.
И отсюда следует, что при протекании по катушке переменного электрического тока, наблюдается значительная инерционность.

Дроссели в основном применяются: для подавления незначительных помех, для сглаживания относительно небольших пульсаций, а также для ограничения электрического тока и накопления энергии. На схемах  катушка индуктивности  без магнитопровода обозначена  под номером 1. Под номером 2 изображена также катушка, но уже с отводами.

№ 3 – Дроссель со скользящими контактами;

№ 4 – Дроссель с ферромагнитным магнитопроводом;

№ 5 – Реактор.

Обычно обозначение №5 применяется в схемах электроснабжения.  Реакторы обычно применяются для сглаживания пульсаций выпрямленного тока в цепях тяговых двигателей.

Катушки индуктивности могут иметь не только ферромагнитные магнитопроводы, как у дросселей, но и магнитопроводы со специальными свойствами. Они рассмотрены в статье обозначений трансформаторов и автотрансформаторов.

О видах и характеристиках трансформаторов, можете почитать тут.

Конденсатор в переводе с латинского языка «condensare» — означает «уплотнять», «сгущать». Данный элемент представляет собой — специфический двухполюсник, обладающий как определёнными, так и переменными значениями показателя емкости и относительно малым показателем проводимости. Конденсатор, первым делом, предназначен  для накопления электрической энергии и заряда электрического поля.

Конденсатор – пассивный электронный компонент. Самый простой конденсатор – это конструкция, состоящая из двух электродов в виде пластин, которые называются обкладками, разделённых слоем диэлектрика (все вещества, которые не пропускают электрический ток, называются диэлектриками). Толщина этого вещества с размерами самих обкладок довольно мала. Конденсаторы, по своим свойствам, подразделяются на конденсаторы переменной и постоянной ёмкости.  Как следует из названий, емкость переменных конденсаторов можно изменять вручную, а у постоянных конденсаторов  емкость – неизменна.

Постоянный и переменный конденсаторы

На электрических схемах постоянные конденсаторы обозначаются как на картинках № 6. Далее на картинках № 7 / 8/ 9 /10 представлены поляризованный, и электролитический поляризованный и неполяризованный конденсаторы соответственно. Обозначение № 9 –  уже устарело, и его можно встретить только на старых советских схемах.

Конденсаторы переменной емкости на электротехнических схемах обозначены  рисунками вида: рис. № 11, № 12– подстроечный. На рис № 13 проиллюстрирован  – конденсатор – с нелинейной зависимостью емкости от напряжения.

Вариконд – конденсатор с нелинейной зависимостью ёмкости от напряжения

Если нужно показать подвижную обкладку конденсатора, то есть его ротор, то ее изображают в виде дуги № 14. На рис. № 15 приведено старое обозначение, здесь вместо дуги ставили точку.

Параллельное включение конденсатора и катушки индуктивности в цепь переменного тока

Параллельное включение конденсатора и катушки индуктивности в цепь переменного тока

Рассмотрим явления в цепи переменного тока, содержащей генератор, конденсатор и катушку индуктивности, соединенные параллельно. Предположим при этом, что активным сопротивлением цепь не обладает.

Очевидно, в такой цепи напряжение как на катушке, так и на конденсаторе в любой момент времени равно напряжению, развиваемому генератором.

Общий же ток в цепи слагается из токов в ее разветвлениях. Ток в индуктивной ветви отстает по фазе от напряжения на четверть периода, а ток в емкостной ветви опережает его на те же четверть периода. Поэтому токи в ветвях в любой момент времени оказываются сдвинутыми по фазе один относительно другого на полупериода, т. е. находятся в противофазе. Таким образом токи в ветвях в любой момент времени направлены навстречу один другому, а общий ток в неразветвленной части цепи равен разности их.

Это дает нам право написать равенство I = IL -IC

где I — действующее значение общего тока в цепи, IL и IC — действующие значения токов в.ветвях.

Пользуясь законом Ома для определения действующих значений тока в ветвях, получим:

Il = U / XL и IC = U / XC

Если в цепи преобладает индуктивное сопротивление, т. е. XL больше XC, ток в катушке меньше тока в конденсаторе; следовательно, ток в неразветвленном участке цепи носит емкостный характер, и цепь в целом для генератора будет емкостной. И, наоборот, при ХC большем XL, ток в конденсаторе меньше тока в катушке; следовательно, ток в неразветвленном участке цепи имеет индуктивный характер, и цепь в целом для генератора будет индуктивной.

При этом не следует забывать, что в том и другом случае нагрузка реактивная, т. е. цепь не потребляет энергии генератора.

Резонанс токов

Рассмотрим теперь случай, когда у параллельно соединенных конденсатора и катушки оказались равными их реактивные сопротивления, т. е. XlL = XC.

Если мы, как и прежде, будем считать, что катушка и конденсатор не обладают активным сопротивлением, то при равенстве их реактивных сопротивлений (YL = YC) общий ток в неразветвленной части цепи окажется равным нулю, тогда как в ветвях будут протекать равные токи наибольшей величины. В цепи в этом случае наступает явление резонанса токов.

При резонансе токов действующие значения токов в каждом разветвлении, определяемые отношениями IL = U / XL и IC= U / XC будут равны между собой, так XL = ХC.

Вывод, к которому мы пришли, может показаться на первый взгляд довольно странным. Действительно, генератор нагружен двумя сопротивлениями, а тока в неразветвленной части цепи нет, тогда как в самих сопротивлениях протекают равные и притом наибольшие по величине токи.



Объясняется это поведением магнитного поля катушки и электрического поля конденсатора. При резонансе токов, как и при резонансе напряжений, происходит колебание энергии между полем катушки и полем конденсатора. Генератор, сообщив однажды энергию цепи, сказывается как бы изолированным. Его можно было бы совсем отключить, и ток в разветвленной части цепи поддерживался бы без генератора энергией, которую в самом начале запасла цепь. Равно и напряжение на зажимах цепи оставалось бы точно таким, какое развивал генератор.

Таким образом, и при параллельном соединении катушки индуктивности и конденсатора мы получили колебательный контур, отличающийся от описанного выше только тем, что генератор, создающий колебания, не включен непосредственно в контур и контур получается замкнутым.

Графики токов, напряжения и мощности в цепи при резонансе токов: а — активное сопротивление равно нулю, цепь мощности не потребляет; б — цепь обладает активным сопротивлением, в неразветвленной части цепи появился ток, цепь потребляет мощность

 

Значения L, С и f, при которых наступает резонанс токов, определяются, как и при резонансе напряжений (если пренебречь активным сопротивлением контура), из равенства:

ωL = 1 / ωC

Следовательно:

fрез = 1 / 2π√LC

Lрез = 1 / ω2С

Срез = 1 / ω2L

Изменяя любую из этих трех величин, можно добиться равенства Xl = Xc, т. е. превратить цепь в колебательный контур.

Итак, мы получили замкнутый колебательный контур, в котором можно вызвать электрические колебания, т. е. переменный ток. И если бы не активное сопротивление, которым обладает всякий колебательный контур, в нем непрерывно мог бы существовать переменный ток. Наличие же активного сопротивления приводит к тому, что колебания в контуре постепенно затухают и, чтобы поддержать их, необходим источник энергии — генератор переменного тока.



В цепях несинусоидального тока резонансные режимы возможны для различных гармоничных состовляющих.

Резонанс токов широко используется в практике.Явление резонанса токов используется в полосовых фильтрах как электрическая «пробка», задерживающая определенную частоту. Так как току с частотой f оказывается значительное сопротивление, то и падение напряжения на контуре при частоте f будет максимальным. Это свойство контура получило название избирательность, оно используется в радиоприемниках для выделения сигнала конкретной радиостанции. Колебательный контур, работающий в режиме резонанса токов, является одним из основных узловэлектронных генераторов.

 

 

Если в цепь переменного тока включены последовательно катушка индуктивности иконденсатор, то они по-своему воздействуют на генератор, питающий цепь, и на фазовые соотношения между током и напряжением.

Катушка индуктивности вносит сдвиг фаз, при котором ток отстает от напряжения на четверть периода, конденсатор же, наоборот, заставляет напряжение в цепи отставать по фазе от тока на четверть периода. Таким образом, действие индуктивного сопротивления на сдвиг фаз между током и напряжением в цепи противоположно действию емкостного сопротивления.

Это приводит к тому, что общий сдвиг фаз между током и напряжением в цепи зависит от соотношения величин индуктивного и емкостного сопротивлений.

Если величина емкостного сопротивления цепи больше индуктивного, то цепь носит емкостный характер, т. е. напряжение отстает по фазе от тока. Если же, наоборот, индуктивное сопротивление цепи больше емкостного, то напряжение опережает ток, и, следовательно, цепь носит индуктивный характер.

Общее реактивное сопротивление Хобщ рассматриваемой нами цепи определяется путем сложения индуктивного сопротивления катушки XL и емкостного сопротивления конденсатора ХС.

Но так как действие этих сопротивлений в цепи противоположно, то одному из них, а именно Хс приписывается знак минус, и общее реактивное сопротивление определяется по формуле:

Применив к этой цепи закон Ома, получим:

Формулу эту можно преобразовать следующим образом:

В полученном равенстве IXL —действующее значение слагающей общего напряжения цепи, идущей на преодоление индуктивного сопротивления цепи, а IХС—действующее значение слагающей общего напряжения цепи, идущей на преодоление емкостного сопротивления.

Таким образом, общее напряжение цепи, состоящей из последовательного соединения катушки и конденсатора, можно рассматривать как состоящее из двух слагаемых, величины которых зависят от величин индуктивного и емкостного сопротивлений цепи.

Мы считали, что такая цепь не обладает активным сопротивлением. Однако в тех случаях, когда активное сопротивление цепи не настолько уже мало, чтобы им можно было пренебречь, общее сопротивление цепи определяется следующей формулой:

где R — общее активное сопротивление цепи, XL С — ее общее реактивное сопротивление. Переходя к формуле закона Ома, мы вправе написать:

Резонанс напряжений

Когда источник ЭДС, емкость, индуктивность и сопротивление включены между собой последовательно, то резонанс в такой цепи называется последовательным резонансом или резонансом напряжений. Характерная черта резонанса напряжений — значительные напряжения на емкости и на индуктивности, по сравнению с ЭДС источника.

Причина появления такой картины очевидна. На активном сопротивлении по закону Ома будет напряжение Ur, на емкости Uc, на индуктивности Ul, и составив отношение Uc к Ur можно найти величину добротности Q. Напряжение на емкости будет в Q раз больше ЭДС источника, такое же напряжение окажется приложенным к индуктивности.

То есть резонанс напряжений приводит к возрастанию напряжения на реактивных элементах в Q раз, а резонансный ток будет ограничен ЭДС источника, его внутренним сопротивлением и активным сопротивлением цепи R. Таким образом, сопротивление последовательного контура на резонансной частоте минимально.

Резонанс токов

Когда источник ЭДС, емкость, индуктивность и сопротивление включены между собой параллельно, то резонанс в такой цепи называется параллельным резонансом или резонансом токов. Характерная черта резонанса токов — значительные токи через емкость и индуктивность, по сравнению с током источника.

Причина появления такой картины очевидна. Ток через активное сопротивление по закону Ома будет равен U/R, через емкость U/XC, через индуктивность U/XL, и составив отношение IL к I можно найти величину добротности Q. Ток через индуктивность будет в Q раз больше тока источника, такой же ток будет течь каждые пол периода в конденсатор и из него.

То есть резонанс токов приводит к возрастанию тока через реактивные элементы в Q раз, а резонансная ЭДС будет ограничена ЭДС источника, его внутренним сопротивлением и активным сопротивлением цепи R. Таким образом, на резонансной частоте сопротивление параллельного колебательного контура максимально.

Применение резонанса токов

Аналогично резонансу напряжений, резонанс токов применяется в различных фильтрах. Но включенный в цепь, параллельный контур действует наоборот, чем в случае с последовательным: установленный параллельно нагрузке, параллельный колебательный контур позволит току резонансной частоты контура пройти в нагрузку, поскольку сопротивление самого контура на собственной резонансной частоте максимально.

Установленный последовательно с нагрузкой, параллельный колебательный контур не пропустит сигнал резонансной частоты, поскольку все напряжение упадет на контуре, а на нагрузку придется мизерная доля сигнала резонансной частоты.

Так, основное применение резонанса токов в радиотехнике — создание большого сопротивления для тока определенной частоты в ламповых генераторах и усилителях высокой частоты.

В электротехнике резонанс токов используется с целью достижения высокого коэффициента мощности нагрузок, обладающих значительными индуктивными и емкостными составляющими.

Например, установки компенсации реактивной мощности (КРМ) представляют собой конденсаторы, подключаемые параллельно обмоткам асинхронных двигателей и трансформаторов, работающих под нагрузкой ниже номинальной.

К таким решениям прибегают как раз с целью достижения резонанса токов (параллельного резонанса), когда индуктивное сопротивление оборудования делается равным емкостному сопротивлению подключаемых конденсаторов на частоте сети, чтобы реактивная энергия циркулировала между конденсаторами и оборудованием, а не между оборудованием и сетью; чтобы сеть отдавала энергию только тогда, когда оборудование нагружено и потребляет активную мощность.

Когда же оборудование работает в холостую, сеть оказывается подключена параллельно резонансному контуру (внешние конденсаторы и индуктивность оборудования), который представляет для сети очень большое комплексное сопротивление и позволяет снизитьсякоэффициенту мощности.

 

ЛитератураПравить

§ Власов В. Ф. Курс радиотехники. М.: Госэнергоиздат, 1962. С. 928.

§ Изюмов Н. М., Линде Д. П. Основы радиотехники. М.: Госэнергоиздат, 1959. С. 512.

 

Параллельное включение конденсатора и катушки индуктивности в цепь переменного тока

Рассмотрим явления в цепи переменного тока, содержащей генератор, конденсатор и катушку индуктивности, соединенные параллельно. Предположим при этом, что активным сопротивлением цепь не обладает.

Очевидно, в такой цепи напряжение как на катушке, так и на конденсаторе в любой момент времени равно напряжению, развиваемому генератором.

Общий же ток в цепи слагается из токов в ее разветвлениях. Ток в индуктивной ветви отстает по фазе от напряжения на четверть периода, а ток в емкостной ветви опережает его на те же четверть периода. Поэтому токи в ветвях в любой момент времени оказываются сдвинутыми по фазе один относительно другого на полупериода, т. е. находятся в противофазе. Таким образом токи в ветвях в любой момент времени направлены навстречу один другому, а общий ток в неразветвленной части цепи равен разности их.

Это дает нам право написать равенство I = IL -IC

где I — действующее значение общего тока в цепи, IL и IC — действующие значения токов в.ветвях.

Пользуясь законом Ома для определения действующих значений тока в ветвях, получим:

Il = U / XL и IC = U / XC

Если в цепи преобладает индуктивное сопротивление, т. е. XL больше XC, ток в катушке меньше тока в конденсаторе; следовательно, ток в неразветвленном участке цепи носит емкостный характер, и цепь в целом для генератора будет емкостной. И, наоборот, при ХC большем XL, ток в конденсаторе меньше тока в катушке; следовательно, ток в неразветвленном участке цепи имеет индуктивный характер, и цепь в целом для генератора будет индуктивной.

При этом не следует забывать, что в том и другом случае нагрузка реактивная, т. е. цепь не потребляет энергии генератора.

Резонанс токов

Рассмотрим теперь случай, когда у параллельно соединенных конденсатора и катушки оказались равными их реактивные сопротивления, т. е. XlL = XC.

Если мы, как и прежде, будем считать, что катушка и конденсатор не обладают активным сопротивлением, то при равенстве их реактивных сопротивлений (YL = YC) общий ток в неразветвленной части цепи окажется равным нулю, тогда как в ветвях будут протекать равные токи наибольшей величины. В цепи в этом случае наступает явление резонанса токов.

При резонансе токов действующие значения токов в каждом разветвлении, определяемые отношениями IL = U / XL и IC= U / XC будут равны между собой, так XL = ХC.

Вывод, к которому мы пришли, может показаться на первый взгляд довольно странным. Действительно, генератор нагружен двумя сопротивлениями, а тока в неразветвленной части цепи нет, тогда как в самих сопротивлениях протекают равные и притом наибольшие по величине токи.

Объясняется это поведением магнитного поля катушки и электрического поля конденсатора. При резонансе токов, как и при резонансе напряжений, происходит колебание энергии между полем катушки и полем конденсатора. Генератор, сообщив однажды энергию цепи, сказывается как бы изолированным. Его можно было бы совсем отключить, и ток в разветвленной части цепи поддерживался бы без генератора энергией, которую в самом начале запасла цепь. Равно и напряжение на зажимах цепи оставалось бы точно таким, какое развивал генератор.

Таким образом, и при параллельном соединении катушки индуктивности и конденсатора мы получили колебательный контур, отличающийся от описанного выше только тем, что генератор, создающий колебания, не включен непосредственно в контур и контур получается замкнутым.

Графики токов, напряжения и мощности в цепи при резонансе токов: а — активное сопротивление равно нулю, цепь мощности не потребляет; б — цепь обладает активным сопротивлением, в неразветвленной части цепи появился ток, цепь потребляет мощность

 

Значения L, С и f, при которых наступает резонанс токов, определяются, как и при резонансе напряжений (если пренебречь активным сопротивлением контура), из равенства:

ωL = 1 / ωC

Следовательно:

fрез = 1 / 2π√LC

Lрез = 1 / ω2С

Срез = 1 / ω2L

Изменяя любую из этих трех величин, можно добиться равенства Xl = Xc, т. е. превратить цепь в колебательный контур.

Итак, мы получили замкнутый колебательный контур, в котором можно вызвать электрические колебания, т. е. переменный ток. И если бы не активное сопротивление, которым обладает всякий колебательный контур, в нем непрерывно мог бы существовать переменный ток. Наличие же активного сопротивления приводит к тому, что колебания в контуре постепенно затухают и, чтобы поддержать их, необходим источник энергии — генератор переменного тока.

В цепях несинусоидального тока резонансные режимы возможны для различных гармоничных состовляющих.

Резонанс токов широко используется в практике.Явление резонанса токов используется в полосовых фильтрах как электрическая «пробка», задерживающая определенную частоту. Так как току с частотой f оказывается значительное сопротивление, то и падение напряжения на контуре при частоте f будет максимальным. Это свойство контура получило название избирательность, оно используется в радиоприемниках для выделения сигнала конкретной радиостанции. Колебательный контур, работающий в режиме резонанса токов, является одним из основных узловэлектронных генераторов.

 

 

Если в цепь переменного тока включены последовательно катушка индуктивности иконденсатор, то они по-своему воздействуют на генератор, питающий цепь, и на фазовые соотношения между током и напряжением.

Катушка индуктивности вносит сдвиг фаз, при котором ток отстает от напряжения на четверть периода, конденсатор же, наоборот, заставляет напряжение в цепи отставать по фазе от тока на четверть периода. Таким образом, действие индуктивного сопротивления на сдвиг фаз между током и напряжением в цепи противоположно действию емкостного сопротивления.

Это приводит к тому, что общий сдвиг фаз между током и напряжением в цепи зависит от соотношения величин индуктивного и емкостного сопротивлений.

Если величина емкостного сопротивления цепи больше индуктивного, то цепь носит емкостный характер, т. е. напряжение отстает по фазе от тока. Если же, наоборот, индуктивное сопротивление цепи больше емкостного, то напряжение опережает ток, и, следовательно, цепь носит индуктивный характер.

Общее реактивное сопротивление Хобщ рассматриваемой нами цепи определяется путем сложения индуктивного сопротивления катушки XL и емкостного сопротивления конденсатора ХС.

Но так как действие этих сопротивлений в цепи противоположно, то одному из них, а именно Хс приписывается знак минус, и общее реактивное сопротивление определяется по формуле:

Применив к этой цепи закон Ома, получим:

Формулу эту можно преобразовать следующим образом:

В полученном равенстве IXL —действующее значение слагающей общего напряжения цепи, идущей на преодоление индуктивного сопротивления цепи, а IХС—действующее значение слагающей общего напряжения цепи, идущей на преодоление емкостного сопротивления.

Таким образом, общее напряжение цепи, состоящей из последовательного соединения катушки и конденсатора, можно рассматривать как состоящее из двух слагаемых, величины которых зависят от величин индуктивного и емкостного сопротивлений цепи.

Мы считали, что такая цепь не обладает активным сопротивлением. Однако в тех случаях, когда активное сопротивление цепи не настолько уже мало, чтобы им можно было пренебречь, общее сопротивление цепи определяется следующей формулой:

где R — общее активное сопротивление цепи, XL С — ее общее реактивное сопротивление. Переходя к формуле закона Ома, мы вправе написать:

Выбор демпфирующего конденсатора для катушек Тесла и инверторов

Опубликовано: 2 марта 2015 г. Обновлено: 15 января 2018 г.

Это глава 6 руководства по проектированию DRSSTC: Демпферный конденсатор

Когда мы включаем и выключаем очень большие пиковые токи в DRSSTC, остаточная энергия будет захвачена паразитной индуктивностью схемы коммутационных устройств и сборной шины, что вызовет переходное напряжение, которое может быть во много раз выше, чем номинальные значения IGBT.

Демпферные конденсаторы

никогда не должны использоваться для компенсации плохой компоновки схемы.Очень важно разработать схему с низкой индуктивностью, как описано в главе 2 «Проектирование шин и первичной цепи».

На следующих снимках осциллографа показано включение IGBT и результирующий выброс напряжения из-за паразитной индуктивности. Черная кривая показывает форму волны переключения без какого-либо подавления, а коричневая кривая показывает переходный процесс переключения, который подавляется конденсатором.

Выбор демпфирующего конденсатора

Демпферные конденсаторы

подвержены воздействию высоких пиковых и среднеквадратичных токов, а также высоких значений dV / dt.Все типы высокочастотных полипропиленовых пленочных конденсаторов подходят для использования в качестве демпфирующего конденсатора, однако существует значительная разница во внутренней индуктивности по сравнению с обычными конденсаторами со сквозными отверстиями и конденсаторами, предназначенными для непосредственного монтажа на клеммах IGBT. [1]

Стремитесь использовать полипропиленовые конденсаторы с номинальным напряжением, которое как минимум соответствует IGBT, и имеет номинальное значение dV / dt не менее 500–5000 В / мкс и выше.

Демпферные конденсаторы

бывают разных размеров и корпусов.

Расчет демпфирующей емкости

Приблизительное значение необходимой демпфирующей емкости можно найти, используя паразитную индуктивность L S в Гн, пиковый ток I , пик в А, допустимый переходной пик напряжения V переходный процесс в В и напряжение шины постоянного тока V , шина в В . [2]

Давайте посмотрим на тот же пример, который использовался ранее, где у нас есть некоторые числа из моего большого DRSSTC. При 564 В на шине постоянного тока, первичном пиковом токе 2000 А, максимально допустимом переходном напряжении 1000 В на IGBT 1200 В и при условии паразитной индуктивности 200 нГн.

Существует также другой метод оценки, использующий практическое правило с двумя предполагаемыми сценариями. Если демпфирующий конденсатор используется отдельно в цепи, где ожидается низкая или высокая индуктивность, можно использовать следующие простые правила. [3]

Конструкция, в которой ожидается низкая индуктивность, вы можете использовать 0,5 мкФ на каждые 100 А, переключаемые IGBT. В результате для вышеуказанного расчета потребуется демпфирующая емкость 10 мкФ.

Конструкция, в которой вы ожидаете высокой индуктивности, вы можете использовать 1 мкФ на каждые 100 А, которые переключает IGBT.В результате для вышеуказанного расчета потребуется демпфирующая емкость 20 мкФ.

Оценки, естественно, дадут более высокое необходимое значение, чем расчеты, так как оценка должна будет компенсировать отсутствие информации о точной паразитной индуктивности, против которой должна действовать демпферная емкость.

Рассеиваемая мощность демпфирующего конденсатора

Переходное напряжение, вызванное переключением тока IGBT, обычно будет колебаться до тех пор, пока энергия не будет рассеиваться в резистивной части шины и цепи компонентов.Демпферные конденсаторы образуют более короткий контур постоянного тока, где колебания затухают быстрее из-за низкого ESR. ESR демпфирующего конденсатора также является доминирующей резистивной частью в этом новом контуре, и именно здесь будет рассеиваться энергия колебаний.

Однако общая рассеиваемая мощность очень мала из-за очень низких рабочих циклов, используемых в DRSSTC, и нет необходимости принимать дополнительные меры в отношении среднеквадратичного тока, если используются демпфирующие конденсаторы IGBT, установленные непосредственно на клеммах.

Несколько слов о физических размерах конденсаторов для промежуточного контура или MMC

Как продемонстрировали Эль-Хуссейни, Венет, Рожат и Жубер в их статье «Тепловое моделирование для геометрической оптимизации металлизированных полипропиленовых пленочных конденсаторов», физическая геометрия конденсатора может влиять на температуру конденсатора, потери мощности и срок службы. Они продемонстрировали, что при одинаковом электрическом напряжении более высокие конденсаторы испытывают более высокие температуры и потери, чем более короткие конденсаторы.

Как указано в их статье, в более высоких конденсаторах ток должен проходить большее расстояние через очень тонкие металлические пленки, поэтому общие потери I²R выше по сравнению с коротким конденсатором. Авторы продемонстрировали, что общие потери мощности в конденсаторе пропорциональны эквивалентному последовательному сопротивлению (ESR) и квадрату истинного действующего значения тока.

ESR представляет собой вихревые токи и диэлектрические потери, на которые влияют как частота, так и ток. Если ток конденсатора увеличивается, потери мощности увеличиваются.Точно так же потери мощности в металлизированном пленочном конденсаторе увеличиваются, если частота тока увеличивается. Таким образом, при протекании гармонического тока в металлизированном пленочном конденсаторе потери мощности будут выше, чем при протекании чистого синусоидального тока. [4]

Как показывает следующее уравнение, именно среднеквадратичный ток, протекающий через конденсатор, является наиболее важным параметром при повышении температуры, а слишком высокие температуры значительно сокращают срок службы.

Охлаждение конденсаторов принудительной подачей воздуха может быть решением для увеличения срока службы.Приблизительно 2/3 генерируемого тепла выходит в осевом и на 1/3 радиальном направлениях. Поэтому очень важно охладить конденсатор на его выводах, поскольку он не излучает тепло равномерно по всей своей поверхности.

Некоторые конденсаторы имеют металлическую монтажную шпильку на противоположном конце клемм, они предназначены для установки в радиаторах или других материалах, которые могут отводить тепло. Имейте в виду, что металлическая банка и шпилька могут быть не изолированы от отрицательной клеммы, это зависит от производителя и типа конденсатора.

Тепловое сопротивление (Rth) от корпуса к окружающей среде дается для неподвижного воздуха в большинстве таблиц, поэтому, если используется принудительное воздушное охлаждение, тепловое сопротивление может быть занижено. Некоторые производители предоставляют уравнения для расчета точного теплового сопротивления с учетом поверхности конденсатора и скорости принудительной скорости воздуха.

Предыдущая тема: PFC Следующая тема: MMC / бак конденсатор

Список литературы

[1] Руди Севернс.«Проектирование демпферов для силовых цепей», cde.com

[2] И Чжан, Саед Собхани, Рахул Чохавала. «Соображения о демпфере для приложений IGBT», International Rectifier Applications Engineering, 233 Kansas St., El Segundo, CA,

USA.

[3] Кемет. «Пленочные демпфирующие конденсаторы для модулей IGBT», SA1211. Кемет 2011.

[4] M.H. Эль-Хуссейни, Пакаль Венет, Жерар Рожат и Шарль Жубер, «Тепловое моделирование для геометрической оптимизации металлизированных полипропиленовых пленочных конденсаторов», IEEE Trans.Industry Appl, vol. 38, pp713-718, May / June 2002.

Катушки Тесла

— конструкция конденсатора (стр. 1) Катушки Тесла

— конструкция конденсатора (стр. 1)

Конденсатор в цепи резервуара действительно имеет очень тяжелую жизнь! Он не только должен выдерживать высокое напряжение (более чем в два раза превышающее напряжение питания!), Но он также должен выдерживать чрезвычайно высокие токи на высокой частоте (примерно от 100 кГц до 300 кГц).

Имеющиеся в продаже конденсаторы, способные выдержать использование катушки Тесла, не являются стандартными.Обычный подход к приобретению подходящего конденсатора — это построить его самостоятельно! Это может обойтись намного дешевле, чем покупка нового, но может потребовать начала совершенно нового проекта!

Для вашей самой первой катушки вы можете сделать один из самых дешевых высоковольтных конденсаторов — колпачок для морской воды. Все, что вам нужно, это несколько пустых стеклянных бутылок (излюбленный выбор — пивные!), Соль, вода, ведра и проволока! Производительность невысока, но они, безусловно, дешевы и просты в изготовлении.Я решил не использовать этот тип шапки. Изначально я планировал сделать пластинчатый колпачок из пластика, но на полпути передумал и построил вместо него MMC (Multi Mini Cap). Сделать это было быстрее и проще, но я все еще собираюсь закончить крышку из пластиковой пластины.

Пластинчатый конденсатор Poly:

Пластинчатый колпачок состоит из чередующегося пакета металлических пластин и полиэтиленовых диэлектрических листов, с электрическими соединениями, сделанными с металлическими листами, что дает вам два вывода конденсатора.Вся батарея помещается в подходящий контейнер и погружается в изолирующее масло (трансформаторное масло) для улучшения изоляции и устранения / уменьшения потерь на коронный разряд.

Рекомендации по проектированию:

Тип работы, которую выполняет конденсатор, определяет, из каких материалов он может быть изготовлен. Небольшое значение емкости приводит к физически маленькому конденсатору. Если вы увеличите напряжение, с которым необходимо работать, оно должно быть больше физически.

Скорость, с которой требуется энергия для входа и выхода конденсатора, определяет тип диэлектрического материала, который вы можете использовать.Чем выше рабочая частота, тем более тщательным должен быть выбор диэлектрика.

Номинальное напряжение:

Изоляция: две пластины конденсатора должны быть достаточно изолированы друг от друга, чтобы при рабочем напряжении искра не могла преодолеть зазор и вызвать короткое замыкание. Эту изоляцию обеспечивает диэлектрик между пластинами. Разные материалы обладают разной изоляционной способностью или диэлектрической прочностью с. Ориентировочное значение изоляции 160 В (среднеквадратичное значение) * на каждый мил (0.001 дюйм) поли продлит срок службы вашей кепки. Это значение относится к диэлектрику, состоящему из нескольких листов тонкого полиэтилена (например, с использованием пленки толщиной 6 мил).

Пример: Для одиночного колпачка в NST 10 кВ (среднеквадратичное значение) потребуется диэлектрик толщиной 62,5 мил.

По мере увеличения толщины диэлектрика до значения, при котором его изоляционные свойства соответствуют требованиям к напряжению, значение емкости будет соответственно уменьшаться (оба свойства зависят от толщины диэлектрика).Чтобы восстановить потерянную емкость, необходимо увеличить размер пластин.

Corona Trouble: Помимо прямого отказа из-за недостаточной изоляции, необходимо учитывать коронное повреждение. Любой провод высокого напряжения может вызвать корону. Это выглядит как туманное фиолетовое свечение на поверхности проводников. Помещение проводов в масло значительно снизит образование коронного разряда, но есть предел способности масла. Корона может образовываться в пузырьках воздуха между пластинами и вызывать локальный нагрев.Это может расплавить полиэтилен и закоротить крышку, что приведет к взрыву! Корона также может разъедать диэлектрик, ослабляя его.

Рекомендуется ограничение в 5 кВ (среднеквадратичное значение) * на конденсатор, чтобы снизить вероятность отказа конденсатора.

* RMS используется для обозначения среднего напряжения переменного тока источника питания (номинал на этикетке), но фактическое напряжение может достигать 1,4 x VRMS

Маловероятно, что вы будете использовать напряжение питания для своей катушки всего 5 кВ (среднеквадратичное значение), поэтому для ограничения напряжения на одном конденсаторе вы можете подключить 2 или более последовательно.Это дает эффект равного распределения напряжения между цоколями, но только если все последовательно соединенные цоколи идентичны по конструкции. Последовательное подключение разных цоколей может привести к неравномерному распределению напряжения, и вы можете неожиданно перегрузить одну из них (примечание: короткое замыкание в одной последовательной крышке немедленно перегрузит остальные!).

Диэлектрик:

В качестве диэлектрика мы выбираем LDPE (полиэтилен низкой плотности).

Самым важным компонентом любого конденсатора является диэлектрический слой.Для использования катушки Тесла необходимо знать три особых требований. Во-первых, мы имеем дело с очень высокими напряжениями, поэтому диэлектрическая прочность должна быть адекватной (см. Раздел «Номинальное напряжение» выше). Второе и менее очевидное свойство, о котором следует помнить, — это коэффициент рассеяния материалов . Последнее свойство, которое следует учитывать, — это диэлектрическая постоянная .

Коэффициент рассеяния: DF — это показатель того, насколько хорошо диэлектрик выполняет свою работу без поглощения энергии за счет нагрева.Он задается как значение при определенной рабочей частоте. На пиковых уровнях мощности (мегаватты) и рабочих частотах (от 100 кГц до 300 кГц), которые присутствуют в цепях резервуаров Tesla Coil, нагрев является большой проблемой и может разрушить крышку, расплавив ее! Когда диэлектрик плавится, дуга может прыгать между пластинами и разряжать всю накопленную энергию. При плохом рейтинге DF, даже если ограничение не выходит из строя, из-за того, что вы запускаете его только в течение коротких периодов времени, он все равно лишит вашу систему энергии и снизит производительность.Облом!

Диэлектрическая постоянная: Постоянный ток материала указывает, насколько хорошо он будет хранить энергию. Чем выше значение постоянного тока, тем выше значение емкости при той же толщине диэлектрика. Постоянный ток вакуума составляет 1, ПЭНП — около 2, а стекло — от 5 до 10 (см. Таблицу «Свойства материала» в разделе «Списки данных»). Хотя высокое значение постоянного тока будет иметь физически меньший конденсатор, , низкий DF — это то, что вам следует искать для , а затем жить с его значением постоянного тока. Стекло может дать вам в 3-5 раз большую емкость (для заданной толщины), чем LDPE, но его потери энергии (на типичных частотах TC) могут быть в 65-200 раз хуже, чем LDPE!

(Термин «диэлектрическая проницаемость» правильнее называть «относительной диэлектрической проницаемостью», ее значение относится к диэлектрической проницаемости вакуума).


Расчет конденсатора:

До сих пор я не говорил о номинальной емкости или напряжении, но теперь мы посмотрим, как определить их значения.

Максимальное значение емкости:

Ограничивающим фактором для размера конденсатора является источник питания (БП), который вы собираетесь использовать. Максимальная выходная мощность вашей катушки требует, чтобы блок питания полностью заряжал конденсатор за каждый полупериод сетевого питания. Это произойдет, когда полное сопротивление блока питания совпадет с сопротивлением первичного конденсатора (на частоте сети 50 Гц или 60 Гц).Вы можете рассчитать максимальное значение емкости конденсатора следующим образом: —

PSU:
Z = импеданс
E = выходное напряжение
I = выходной ток в амперах

Конденсатор:
C = емкость в мкФ (мкФ)
Z = импеданс PSU (из уравнения выше)
(обратите внимание: замените 0,00005 на 0,00006 для питания 60 Гц)

Пример: Для 10 кВ 100 мА NST, Z = 100000, поэтому C = 0,0318 мкФ

Серия

и параллельное подключение конденсаторов:

Номинал одиночного конденсатора (рис.1) (не удивительно!)

Величина последовательно соединенных конденсаторов (рис.2) isor

Емкость параллельно подключенных конденсаторов (рис.3) —

Пример последовательного и параллельного подключения конденсаторов (рис.4)

(N.B. Чтобы рассчитать большее или меньшее количество конденсаторов, подключенных последовательно / параллельно, добавьте или удалите члены «Cn» или «1 / Cn», где «n» — целое число).

Физические размеры конденсатора:

Значение емкости конденсатора является произведением его физических размеров и типа используемого диэлектрика.Самая простая форма конденсатора представляет собой конструкцию из двух пластин площадью «А», разделенных диэлектриком толщиной «D» (см. Рис.1)

Значение емкости двух пластинчатого колпачка рассчитывается следующим образом: —

C = емкость в Фарадах
DC = диэлектрическая проницаемость
A = площадь перекрытия плиты в квадратных метрах
D = расстояние между пластинами в метрах

(При расчетах используйте правильные единицы измерения.Фарад в миллион раз больше микрофарада).

В отличие от простого конденсатора, показанного на рисунке 1, настоящие конденсаторы имеют свои проводные соединения на краях пластин. Будьте осторожны с областью «А» и учитывайте только перекрывающиеся части пластин при определении ее значения (см. Рис. 2).

Настоящий конденсатор объединяет несколько пластин и диэлектрик. Когда это будет сделано, вы начнете использовать обе стороны всех пластин, кроме двух концевых. Трехпластинчатый колпачок имеет удвоенную емкость, чем двухпластинчатый (рис.2 и 3)

Уравнение для расчета стоимости многодискового колпачка: —

C = емкость в Фарадах
DC = диэлектрическая проницаемость
A = площадь перекрытия плиты в квадратных метрах
D = расстояние между пластинами в метрах
N = количество пластин

Используйте калькулятор емкости для определения собственных параметров ->
(требуется браузер с поддержкой JavaScript)

Продолжение следует….

Катушки

Тесла: Создание конденсаторов MMC

B по совету Ричи, поэтому мне потребовались еще четыре ряда конденсаторов, доведя общее количество используемых до 216 (12 рядов по 18 последовательно. Круглая конструкция сэкономила место и избавила от необходимости перестраивать весь узел катушки, где в настоящее время установлены существующие конденсаторы.
В этой MMC 76 конденсаторов, занимающих площадь всего восемь дюймов в диаметре.Самый простой способ собрать струны при использовании этого метода — построить их внешне, а затем вставить их после сборки. Затем они удерживались на месте с помощью кабельных стяжек, проходящих через отверстия, просверленные снаружи. Готовая вспомогательная MMC имеет 33,8 нФ (ожидаемое значение 33,3 нФ) .
Замена одного конденсатора включает в себя просто разрезание всех кабельных стяжек, которые крепят эту колонку, и демонтаж верхней и нижней части гирлянды. Затем вы можете легко поработать с удаленной строкой, чтобы заменить неисправный элемент
. Каждая из четырех струн состоит из восемнадцати последовательно соединенных.Каждый вертикальный столбец конденсаторов состоит из девяти блоков с перемычкой внизу с соответствующим партнером на другой стороне.
Соединения катушки с MMC — это две гайки, которые можно увидеть вверху в положениях на 4 часа и 8 часов.

T Вот несколько программ, которые определят для вас общую ценность параллельного / строкового расположения MMC. Одним из лучших для расчетов MMC является TeslaMap. Работает на 32- и 64-битных системах Vista, XP.В его меню перейдите к «Просмотр» >> «Калькулятор MMC».

A очень важно помнить, что нужно попробовать и установить резисторы утечки на каждый конденсатор. Я использовал толстопленочные осевые резисторы мощностью 10 мегабайт 0,5 Вт.

( Farnell Код заказа: 129-2582).

T Они предназначены для разрядки конденсатора после отключения цепи. Конденсаторные батареи могут быть фатальными, если не соблюдать осторожность. Тот факт, что цепь была отключена некоторое время назад (часы, а в крайнем случае даже дни!), Не означает, что MMC все еще не сохраняет заряд.
Поскольку вторичная обмотка трансформатора подключена к MMC, должен разряжаться естественным образом, но если произошел сбой отключения и остановил катушку Тесла, вы можете просто решить упаковать катушку на день со смертельно заряженными конденсаторами, ожидающими укусить вас, когда позволит ситуация.
Конденсаторы также могут восстановить часть своего заряда даже после того, как они были разряжены. Процесс, с помощью которого это происходит, довольно сложен, но, узнав лично, могу вас заверить, что это может произойти.

Это наиболее важно, чтобы резисторы утечки были достаточно разнесены на от корпуса колпачка, чтобы избежать любого перекрытия внешнего слоя корпуса колпачка (был там, сделал это, получил футболку!) , точно так же сами конденсаторы должны располагаться на соответствующем расстоянии друг от друга. В основном для того, чтобы избежать пробоя между соседними блоками (другая футболка), но также для обеспечения циркуляции охлаждающего воздуха и удаления пыли, которая может стать токопроводящей при 30 кВ +.

Конденсатор | Airwindows

TL: DW; Фильтр.

Конденсатор

Иногда половину удовольствия просто изобретать 🙂

Люди говорят, что все плагины фильтров — это просто биквады с разными графическими интерфейсами. Это неправда… или, по крайней мере, это неправда в Airwindows. (на самом деле мне нужно увидеть, что я могу получить от биквадов: я вообще их даже не использую)

Это новый фильтр. Когда я говорю «новое», я имею в виду, что у вас его нет. Я могу продемонстрировать это, потому что из-за того, как он работает, он имеет небольшую характерную причуду отклика на 1/3 частоты дискретизации: ничего, что мешает звуку, просто небольшая странная выемка при некоторых обстоятельствах.

Поскольку это типичный для Airwindows, а не обычный алгоритм эквалайзера, никто не пробовал его, и из-за небольшой причуды, если кто-нибудь и пробовал, он знал, что должен отказаться от него, потому что он не был идеальным. У него была причуда! И даже если бы они экспериментировали, они, вероятно, не особо вкладывались в такие концепции, как последовательность операций над вещами, которые теоретически можно было бы выполнять в любом порядке. Зачем так заботиться о деталях реализации идеи, которая так или иначе имела причуду и поэтому была бесполезной?

Еще они дураки 🙂

Потому что музыкально этот фильтр имеет тон для ДНЕЙ.

В нем есть почти эффект аналогового синтезатора: хотя он не подчеркивает точку спада, он ведет себя почти как ди-джейский «изолятор» в очевидности своей фильтрации. У него есть фильтр верхних частот, нижний канал и сухой / влажный, а верхний и нижний каналы объединены друг с другом как часть алгоритма, чтобы сделать звук более плавным. В нем также есть новые эксперименты по подавлению шума и щелчков молнии, потому что я полагаю, что люди захотят автоматизировать этот. Но, несмотря на то, что это сработает для сумасшедших эффектов и безумия « изолятора », полнота звука также позволит вам использовать его при мастеринге: если вам нужно усилить басы или ослабить лишь намек на яркость, вы заплатите нет штрафа в теле музыки.И сухой / влажный нужен для того, чтобы вы могли рассматривать его как полку … или чтобы усилить присутствие, изолировав интересующую область, а затем оставив ее в основном сухой с намеком на осветленную зону.

Я в восторге от этого фильтра, и ни у кого его нет: никому другому не разрешено использовать этот фильтр, потому что он имеет причуду на 1/3 частоты дискретизации, а типичным коммерческим разработчикам не разрешены причуды DSP. Но, поскольку меня поддерживает Patreon, я поддерживаю. Я разрабатываю полностью пересмотренную концепцию того, что может означать DSP в 2017 году, и я думаю, что вы сможете услышать, что я задумал в плагинах, когда попробуете их.Некоторые могут предпочесть довольно громоздкие методы и DSP, как в индустрии коммерческих плагинов, и если вам это нравится, не позволяйте мне останавливать вас.

Но если вам нравится то, что я начал вникать, когда выпустил PurestDrive и эту линейку плагинов, еще до того, как Airwindows Patreon был вообще распространен, то это ваш счастливый день.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *