Переменное напряжение это: Переменное напряжение

Переменное напряжение и его параметры

Всем доброго времени суток! В прошлой статье я рассказал, как рассчитать индуктивность катушки выполненной на разомкнутом сердечнике (например, ферритовой антенны, контурных катушек радиоприёмников, катушек с построечными сердечниками и т. д.). Сегодняшняя статья посвящена переменному напряжению и параметрам, которые его характеризуют.

Что такое переменное напряжение?

Как известно электрическим током называется упорядоченное движение заряженных частиц, которое возникает под действием разности потенциалов или напряжения. Одной из основных характеристик любого типа напряжения является его зависимость от времени. В зависимости от данной характеристики различают постоянной напряжение, значение которого с течением времени практически не изменяется и переменное напряжение, изменяющееся во времени.

Для сборки радиоэлектронного устройства можно преобрески DIY KIT набор по ссылке.

Переменное напряжение в свою очередь бывает периодическим и непериодическим. Периодическим называется такое напряжение, значения которого повторяются через равные промежутки времени. Непериодическое напряжение может изменять своё значение в любой период времени. Данная статья посвящена периодическому переменному напряжению.

Постоянное (слева), периодическое (в центре) и непериодическое (справа) переменное напряжение.

Минимальное время, за которое значение переменного напряжения повторяется, называется периодом. Любое периодическое переменное напряжение можно описать какой-либо функциональной зависимостью. Если время обозначить через t, то такая зависимость будет иметь вид F(t), тогда в любой период времени зависимость будет иметь вид

где Т – период.

Величина обратная периоду Т, называется частотой f. Единицей измерения частоты является Герц, а единицей измерения периода является Секунда

Наиболее часто встречающаяся функциональная зависимость периодического переменного напряжения является синусоидальная зависимость, график которой представлен ниже

Синусоидальное переменное напряжение.

Из математики известно, что синусоида является простейшей периодической функцией, и все другие периодические функции, возможно, представить в виде некоторого количества таких синусоид, имеющих кратные частоты. Поэтому необходимо изначально рассмотреть особенности синусоидального напряжения.

Таким образом, синусоидальное напряжение в любой момент времени, мгновенное напряжение, описывается следующим выражением

где U_m – максимальное значение напряжения или амплитуда,

ω –угловая частота, скорость изменения аргумента (угла),

φ – начальная фаза, определяемая смещением синусоиды относительно начала координат, определяется точкой перехода отрицательной полуволны в положительную полуволну.

Величина (ωt + φ) называется фазой, характеризующая значение напряжения в данный момент времени.

Таким образом, амплитуда U_m, угловая частота ω и начальная фаза φ являются основными параметрами переменного напряжения и определяют его значение в каждый момент времени.

Обычно, при рассмотрении синусоидального напряжения считают, что начальная фаза равна нулю, тогда

В практической деятельности, довольно часто, используют ещё ряд параметров переменного напряжения, такие как, действующее напряжение, среднее напряжение и коэффициент формы, которые мы рассмотрим ниже.

Что такое действующее напряжение переменного тока?

Как я писал выше, одним из основных параметров переменного напряжения является амплитуда U_m, однако использовать в расчётах данную величину не удобно, так как временной интервал в течение, которого значение напряжения u равно амплитудному U_m ничтожно мал, по сравнению с периодом Т напряжения. Использовать мгновенное значение напряжения u, также не очень удобно, вследствие больших объёмов расчётов. Тогда возникает вопрос, какое значение переменного напряжения использовать при расчётах?

Для решения данного вопроса необходимо обратиться к энергии, которая выделяется под воздействием переменного напряжения, и сравнить её с энергией, которая выделяется под воздействием постоянного напряжения. Для решения данного вопроса обратимся к закону Джоуля – Ленца для постоянного напряжения

Для переменного напряжения мгновенное значение выделяемой энергии составит

где u – мгновенное значение напряжения

Тогда количество энергии за полный период от t₀ = 0 до t₁ = T составит

Приравняв выражения для количества энергии при переменном напряжении и постоянном напряжении и выразив полученное выражение через постоянное напряжение, получим действующее значение переменного напряжения

Получившееся выражение, позволяет вычислить действующее значение напряжение U для периодического переменного напряжения любой формы. Из выше изложенного можно сделать вывод, что

действующее значение переменного напряжения называется такое постоянное напряжение, которое за такое же время и на таком же сопротивлении выделяет такую же энергию, которая выделяется данным переменным напряжением.

Действующее значение синусоидального напряжения.

Вычислим действующее значение синусоидального напряжения

Стоит отметить, все напряжения электротехнических устройств определяются, как правило, действующим значением напряжения.

Для определения амплитудного значения синусоидального напряжения необходимо преобразовать полученное выражение

Таким образом если в розетке у нас U = 230 В, следовательно, амплитудное значение данного напряжения

Действующее напряжение также имеет название

эффективного напряжения и среднеквадратичного напряжения.

С действующим напряжением разобрались, теперь рассмотрим среднее значение напряжение.

Что такое среднее значение переменного напряжения?

Ещё одним параметром переменного напряжения, который его характеризует, является средним значением переменного напряжения. В отличие от действующего значения переменного напряжения, которое характеризует работу переменного напряжения, среднее значение напряжения характеризует количество электричества, которое перемещается из одной точки цепи в другую, под действием переменного напряжения. Среднее значение напряжения за период определяется следующим выражением

где Т – период переменного напряжения,

f_u(t) – функциональная зависимость напряжения от времени.

Таким образом, среднее значение переменного напряжения численно будет равно высоте прямоугольника с основанием T, площадь которого равна площади, ограниченной функцией f

u(t) и осью Ox за период Т.

Среднее значение переменного напряжения.

В случае синусоидальной функции, можно говорить только о среднем значении за полупериод, так как в течение всего периода положительная полуволна компенсируется отрицательной полуволной, и тогда среднее за период напряжение будет равно нулю.

Таким образом, среднее за полупериод Т/2 значение переменного напряжения синусоидальной формы будет равно

где U_m – максимальное значение напряжения или амплитуда,

ω –угловая частота, скорость изменения аргумента (угла).

Какие коэффициенты, характеризуют переменное напряжение?

Иногда возникает необходимость охарактеризовать форму переменного напряжения. Для этой цели существует ряд параметров данного переменного напряжения:

1. Коэффициент формы переменного напряжения k_ф – показывает как относится действующее значение переменного напряжения U к его среднему значению U_cp.

Так для синусоидального напряжения коэффициент формы составит

2. Коэффициент амплитуды переменного напряжения k_а – показывает как относится амплитудное значение переменного напряжения U_m к его действующему значению U

Так для синусоидального напряжения коэффициент амплитуды составит

На сегодня всё, в следующей статье я рассмотрю прохождение переменного напряжения через сопротивление, индуктивность и емкость.

Теория это хорошо, но необходимо отрабатывать это всё практически ПОПРОБОВАТЬ МОЖНО ЗДЕСЬ

Электрические величины. Напряжение, ток, мощность. Переменный и постоянный ток, полярность.

Содержание

Электричество – это движение электронов по проводам. Ток – это скорость движения электронов, измеряемая в Амперах, напряжение – сила заставляющая их двигаться, измеряемая в Вольтах. Для того, чтобы ток протекал в цепи, она должна быть замкнута и в ней должен присутствовать источник электрического напряжения. Вот почему любое устройство подключается к сети как минимум двумя проводами, а каждая батарейка имеет как минимум два контакта. Любой проводник, либо электроприбор, включенный в сеть, создает в цепи сопротивление движению электронов, измеряемое в Омах. Чем меньше напряжение и больше сопротивление, тем меньше будет ток. Это и есть главный закон электричества – закон Ома. Записывается он следующим образом:

Рисунок 1 — Закон Ома.

Наглядно можно представить себе закон Ома в виде трех граждан с характером:

Рисунок 2 — Закон Ома (наглядное представление).

Ток и напряжение бывают как постоянными, так и переменными.
Постоянное напряжение всегда направлено в одну сторону, соответственно и ток будет всегда направлен туда же. Для постоянного тока характерна полярность, обозначаемая значками «+» и «-». Полярность обозначает направление протекания тока, и для многих устройств, включая светодиоды, это направление очень важно не перепутать.Постоянное напряжениеочень удобно в плане хранения, поэтому трудится оно в автомобилях и во всех портативных устройствах на батарейках и аккумуляторах. А вот передача на большие расстояние постоянного напряжения невозможна из-за слишком больших потерь.

Рисунок 3 — Постоянный ток.

И вот в этом, нам на помощь приходит переменное напряжение. Оно названо так, потому что меняет свое направление много раз в секунду (50 раз в обычной российской розетке), соответственно и ток тоже будет протекать то в одну, то в другую сторону. У такого тока нет полярности, а провода обозначаются как «L» и «N». Переменное напряжение удобно для его выработки при помощи различных генераторов, передачи на любые расстояния, повышения или понижения при помощи обычных трансформаторов.

Его можно встретить в любом доме, магазине и офисе, в каждой розетке, в линиях электропередач.

Рисунок 4 — Переменный ток.

Каждый электрический прибор имеет мощность, которая измеряется в Ваттах (Вт). Чем больше ток и напряжение, тем больше мощность. Рассчитать ее можно по формуле:

Рисунок 5 — Формула мощности.

Как видим из формулы, это произведение напряжения и тока, а значит при одинаковой мощности, лампочка на 100Вт в автомобиле при 12В питания, будет потреблять гораздо больший ток, чем 10Вт лампочка на 220В в домашней люстре.
Соединяя формулу мощности и закон Ома, мы получим еще две удобные формулы для вычисления мощности при известном сопротивлении нагрузки:

Рисунок 6 — Формула вычисления мощности.Рисунок 7 — Формула вычисления мощности.

Тэги:

#основы #вольты_и_ватты

• Почему постоянный ток не используется в городских электросетях?
• Что обозначают метки + и – у батарейки?
• У вас есть блок питания 12В 200Вт. Какой ток он способен отдавать в цепь? А блок на 24В 200Вт?
• У вас есть батарейка на 3В, и вы подключили к ней резистор с сопротивлением 10 Ом. Какой ток потечет через резистор? Какая мощность будет на нем выделяться?

03.13.2023

Профессиональное обучение светодизайну от SWG

Новости

10.26.2022

Наша компания участвует в выставке Art Dom 2022

Новости

06.03.2022

Светодиодные модули. Устройство. Виды модулей. Монтаж и подключение

Освещение в квартире

06.03.2022

ТОП 6 идей по использованию светодиодной ленты SWG в интерьере

Освещение в квартире

06.03.2022

220В лента, особенности подключения и монтажа

Освещение в квартире

06.03.2022

Освещение для большого офиса в центре Москвы: подбор и особенности

Освещение в квартире

06.03.2022

НЕСКУЧНОЕ ОСВЕЩЕНИЕ ЗАГОРОДНОГО ДОМА

Освещение в квартире

06. 03.2022

ОСВЕЩЕНИЕ ФИТНЕС ЦЕНТРА

Освещение в квартире

06.02.2022

Почему нет бина на RGB ленте?

Освещение в квартире

04.29.2022

Сколько светильников нужно в офис, размеры которого заставляют сотрудников ездить на самокатах?

Вопрос-ответ

04.29.2022

Традиционные источники света (лампы). Их питание и диммирование

Освещение в квартире

04.28.2022

Слои освещения на примере кухонной зоны

Освещение в квартире

Спасибо,
ваша заявка принята!

Подписаться на рассылку

Ваш e-mail*

Согласен на обработку персональных данных

Спасибо,
за подписку!

Переменные напряжения и токи — цепи переменного тока

Цепи переменного тока

Введение

Переменное напряжение – это любое напряжение, которое изменяется как по величине, так и по полярность во времени. Напряжение может изменяться регулярным, предсказуемым образом. образом, или напряжение может изменяться неравномерно, неповторяющимся образом с уважение ко времени. В любом случае напряжение считается переменное напряжение. На рисунке ниже показано переменное напряжение, которое изменяется закономерным образом во времени.

Пилообразный сигнал напряжения.

Переменный ток – это любой ток, который изменяется как по величине, так и по направление. Как и в случае с переменным напряжением, ограничений по скорости нет. изменения или формы волны. Переменный ток — это просто ток, который меняет величину и направление во времени.

Переменные токи и напряжения широко используются для распределения электроэнергии. власть. Однако использование переменных напряжений и токов простирается далеко помимо распределения электроэнергии. Все электронные коммуникации системы, электронно-вычислительные машины и электронные измерительные системы требуют переменные токи и напряжения, а также постоянные напряжения и токи. При переменном напряжении и токе подается электроэнергия для работы других устройства, AC (обозначение «AC» обычно используется для обозначения либо переменное напряжение или ток, или и то, и другое) обычно производится огромными альтернаторы (генераторы переменного тока), эксплуатируемые энергетическими компаниями. Электронные устройства также может использоваться для получения переменного напряжения и тока. В этом случае источник переменного напряжения и тока представляет собой цепь, называемую осциллятор . Генератор представляет собой электронную схему, которая преобразует постоянный ток в переменный ток.

Частота и период

Постоянные напряжения и токи легко определяются по величине. Переменное напряжение и токи, однако, не могут быть точно определены только с точки зрения величины. Все переменные напряжения и токи имеют три характеристики: амплитуда , частота и фаза . Этот раздел касается с частотной характеристикой переменного напряжения и тока.

Было заявлено, что любое напряжение или ток, которые меняют полярность или направление считается АС. Однако подавляющее большинство всех напряжений переменного тока и токи изменяются по величине и направлению с заданной скоростью. То есть, напряжение переменного тока возрастает до максимального значения, уменьшается от максимума до нуля, затем возрастает до максимального значения противоположной полярности и снова уменьшается до нуля. Он постоянно повторяет этот процесс.

Цикл переменного напряжения или тока состоит из одного полного переход от некоторой точки на сигнале переменного тока к той же точке на по форме волны переменного тока . Например, один цикл сигнала переменного тока на рисунке выше, может быть измерен между точками a и d, b и e или c и f.

Количество циклов в секунду определяется как частота переменного тока. напряжение или ток. Например, общая частота линии электропередач в США Состояния составляет 60 циклов в секунду (cps), в то время как частота радио радиовещательная станция может быть 10 ⁶ cps. Телевизионные станции работают на частотах порядка 10 ⁸ имп/с.

Теперь можно записать некоторые фундаментальные математические соотношения, касающиеся частоты ко времени одного цикла. Поскольку частота равна циклам в секунду, следует, что

где
T — время одного цикла (периода), сек
f — частота, имп/с или герц (Гц)

Когда время одного цикла известно, частота находится по формуле

Синусоидальные напряжения и токи

Уникальной формой волны переменного напряжения или тока является синусоида. В предыдущем разделах было заявлено, что переменное напряжение или ток могут иметь любая форма волны. Это действительно так, но сам этот факт может сделать математическую анализ цепей переменного тока весьма трудоемок. Однако это может быть показано математически и продемонстрировано графически, что любая форма волны, какой бы нерегулярной она ни была, состоит из различных комбинаций синусоидальных формы волны . Таким образом, уникальной особенностью синусоиды является то, что она является основным для всех напряжений и токов переменного тока!

В синусоиде один полный цикл представлен 360° или 2π. радианы. Следовательно, если период синусоиды равен 0,2 с, то каждый градус цикл составляет 0,556 мс. В любой момент мгновенное значение синусоида равна произведению максимального значения синусоиды и синус угла, соответствующего времени. Уравнение для синусоиды напряжение

где θ — любой угол.

Уравнение для синусоиды тока записывается аналогичным образом.

На рисунке ниже представлена ​​синусоида напряжения, показывающая замену углового измерять время в градусах и радианах.

Синусоида напряжения.

В дополнение к графическому представлению синусоиды, как в На рисунке выше синусоида может быть представлена ​​радиус-вектором или вектором .

Вектор имеет постоянную величину, равную максимальному значению синуса волны, а мгновенное значение синусоиды является произведением вектор и синус угла между вектором и началом координат. Фазор представление чрезвычайно полезно при сложении и вычитании чередующихся напряжения и токи. На рисунке ниже показано векторное представление для синусоида рисунка выше.

Векторное представление синусоиды напряжения, показывающее мгновенные значения при 28°, 70° и 225°.

Обсуждение векторного представления синусоидальных волн логически приводит к другому полезная концепция. Угловая скорость обычно связана с вращением техника. Однако вектор, представляющий синусоидальную волну, можно визуализировать как вращающийся вектор, и как таковой он тоже имеет угловую скорость. Как указано в на рисунке выше положительное направление вращения против часовой стрелки (ccw).

Скорость есть отношение расстояния ко времени. Угловая скорость синуса волна — это «расстояние» одного цикла в радианах, деленное на период синусоида. Угловая скорость представлена ​​строчной омега ( ω ).

Однако T = 1/ f . Если это значение T заменить в приведенное выше уравнение, то

Уравнения для синусоиды напряжения и синусоида тока может быть переписано в терминах приведенного выше уравнения. Угловая скорость синуса волна является константой, и конкретный угол синусоиды в любой момент времени является прямой функцией времени. Следовательно, если угловую скорость умножить произведением времени в секундах является угол в радианах.

Уравнения для синусоиды напряжения и синусоида тока, когда радиан используется мера, пишутся

Фазовый угол и разность фаз

Было отмечено, что все переменные напряжения и токи имеют три характеристики; частота, амплитуда и фаза. В этом разделе фазовые характеристики будет обсуждаться синусоида.

Форма сигнала напряжения.

В уравнении синусоиды независимой переменной является время. В обоих представления синусоиды в виде графика или вектора, угловое обозначение было заменено на время. Это должно быть видно из уравнения синусоиду, что все синусоиды имеют нулевое значение в момент, когда угловой эквивалент времени равен нулю. Синусоиду принято представлять в виде начиная с 0°. Однако в равной степени допустимо рассматривать синус волна начинается в любой другой точке своего цикла. На рисунке выше показано синусоидальная волна напряжения, которая не равна нулю в начале своего цикла.

Когда считается, что синусоида начинается с некоторой величины, отличной от нуля, этот факт должен быть указан в уравнении волны. Угловой смещение волны от 0° до точки на ее цикле, где волна считается началом его фазового угла. Например, на рисунке выше θ — фазовый угол волны.

Уравнение для формы сигнала напряжения на рисунке выше записывается

На рисунке ниже показана синусоида тока, описываемая уравнением

Форма волны тока.

В цепях переменного тока, которые содержат емкость, индуктивность или и то, и другое, фазовые углы тока и напряжения могут отличаться друг от друга. То есть ток в схема может достигать максимума или минимума в разное время, чем напряжение. Эта разница во времени между переменными величинами называется разность фаз и выражается в градусах. Разность фаз может также выразить временной сдвиг между волнами разных частот присутствующие в одной цепи.

Должно быть очевидно, что разность фаз между синусоидами разных частоты постоянно меняются. Однако часто бывает удобно выразить разность фаз между сигналами разных частот на некотором конкретный момент времени. При чередовании величин одной и той же частоты достижения положительных максимумов (или любого другого удобного ориентира на цикле) в тот же момент говорят, что количества равны в фазе : фаза разница между ними 0°.

На рисунке ниже показаны два фазовращателя одной частоты, смещенные друг относительно друга. на θ °. v ₁ считается ведущим v ₂ по θ ° (вращение против часовой стрелки фазоры, как отмечалось ранее, является положительным направлением).

Две векторные величины одной частоты.

Уравнения для напряжений в ₁ и в ₂ в рисунок выше

Обратите внимание, что разность фаз между и ₁ и v ₂ есть сумма углов β и α . Можно сказать, что v ₁ опережает опорную ось на β градусов, а v ₂ отстает от этой же ссылки на α градусов. На рисунке ниже показаны два тока, которые находятся в фазы друг с другом. Часть A представляет собой векторное представление этих токов, а часть B показывает токи в виде синусоид.

Два синфазных тока.

Среднее значение синусоиды

Среднее значение любого тока или напряжения – это значение, которое было бы показан измерителем постоянного тока. Это понятие имеет особое значение в электронике, поскольку многие напряжения и токи представляют собой комбинации постоянного тока и синусоид. понятие средних значений имеет особое значение в схемах выпрямителей.

Среднее значение любой кривой — это площадь, ограниченная кривой, разделенная по основанию кривой. На рисунке ниже показан один цикл прямоугольного импульса напряжения, и он иллюстрирует среднее значение этого импульса за один цикл .

Среднее значение импульса.

Очевидно, что среднее значение синусоиды за полный цикл равно ноль, так как среднее значение одной половины цикла точно равно, но противоположно в полярности к среднему значению другой половины. Среднее значение синусоиды обычно получают, предполагая, что оно было исправлено. То есть оба половинки сигнала считаются положительными. Выпрямленная синусоида показано на рисунке ниже.

Выпрямленная синусоида.

Расчет среднего значения синусоиды осуществляется с помощью интегральное исчисление. Этот процесс дает среднее значение кривой от 0 до π радиан. Это среднее значение также является значением синусоиды за полный цикл. цикла, и его часто называют средним выпрямленным значением . Среднее выпрямленное значение напряжения равно

Среднее выпрямленное значение синусоиды тока равно

Эффективное значение синусоиды

Эффективное значение сигнала тока или напряжения – это значение, которое рассеивать ту же мощность, что и , численно равный постоянного тока или напряжения. Например, переменный ток с эффективным значением 2 ампера рассеивает точно такое же мощность как 2-ампер постоянного тока. Обратите внимание, что форма волны не учитывается. переменного тока; мы просто утверждаем, что эффективный ток 2 ампер переменного тока развивает ту же мощность, что и 2-амперный постоянный ток. Короче говоря, эффективное значение определяется в терминах рассеиваемой мощности.

Эффективное значение часто называют среднеквадратичным значением (rms). Эффективные значения синусоиды равны

Обратите внимание, что строчные буквы используются для обозначения мгновенных значений ток или напряжение всякий раз, когда ток или напряжение изменяются во времени. Определенные значения тока или напряжения указываются заглавными буквами. ( В _макс , I _макс и т.д.).

Что такое переменное напряжение?

Что такое переменное напряжение?
Далее: Что такое трансформатор? Вверх: lab8b Предыдущий: Фон

Закон индукции Фарадея дает основу для преобразования механическую энергию в электрическую. Основная идея заключается в перемещении катушки проволоки относительно магнитного поля. Это движение будет генерировать ток в проводе. Такой устройство называется генератор и концептуальный чертеж этого устройства показано на рисунке 1.

Рисунок 1: А генератор и напряжение, которое он вырабатывает

Для простоты катушку обычно заставляют вращаться. внутри поля. Когда катушка вращается, она прорезает линии потока, генерирующие напряжение на катушке терминалы. Когда лицевая сторона катушки параллельна поле, он быстро пересекает линии потока. Но когда катушка повернулась на 90 градусов и перпендикулярна силовых линий, то катушка движется по касательной к поле и напряжение не возникает. Когда катушка поворачивается мимо этой точки он прорезает поле в противоположном направлении, создавая отрицательное напряжение. Конечный результат этой цепочки событий заключается в том, что напряжение, создаваемое генератор изменяется как косинус угла, как показано ниже. Эта синусоидальная форма волны упоминается как переменного тока или переменного тока.

Уравнение для сигнала этого типа:

(1)

где амплитуда , частота , а фаза . Так как это сигнал напряжения, изменяющийся во времени, измеряется в вольтах. частота измеряется в радианах в секунду. Фаза измеряется в радианах. Мы часто измеряем частоту в родственной единице циклов в секунду . Цикл соответствует радианам.

Синусоидальная форма волны в уравнении 1 представляет собой периодический сигнал . Сигнал периодический тогда и только тогда, когда существует такое, что для всех . Чтобы увидеть, является ли синусоидальная форма волны периодического, поэтому нам нужно найти такое, что

(2)

В частности, мы знаем, что функция косинуса повторяется каждый радиан, поэтому нам нужно найти такое, что

(3)

Ясно, что это происходит, если или скорее

(4)

является фундаментальным периодом этой синусоидальной функция.

Размер синусоиды можно измерить в Разнообразие способов. Мы можем, например, использовать амплитуда сигнала (), чтобы указать размер. Другой мерой «размера» сигнала является среднеквадратичное значение или среднеквадратичное значение прочность

(5)

Поскольку генераторы естественным образом производят синусоидальные волны, эти волны играют важную роль в электрических инженерия. Также оказывается, что синусоидальные волны также обеспечить эффективный способ транспортировки электрических энергии на большие расстояния. Это часть причины Почему переменное напряжение используется в международных электрических сетях и, конечно, именно поэтому ваша стенная розетка обеспечивает 120 вольт (среднеквадратичное значение) переменного напряжения при частоте 60 Гц.