Пожалуй, это самая мутная тема во всей электронике и электротехнике. Почти все эту тему понимают на словах и все с умным видом кивают, типа да-да мы знаем, что это такое. Но только единицы понимают, что реально творится в цепи и почему так оно все происходит. Значит будем бороться с неграмотностью в стране, а точнее всего в странах, так как много моих читателей именно из стран бывшего СНГ 😉 И начнем мы статью не с реактивного сопротивления, как ни странно, а с простого и всеми нами любимого радиоэлемента — резистора, который, как говорят, обладает активным сопротивлением. Еще иногда его называют омическим. Как нам говорит вики-словарь, «активный — это деятельный, энергичный, проявляющий инициативу». Активист готов всегда рвать и метать даже ночью. Он готов ПОЛНОСТЬЮ выложиться и потратить всю энергию во благо общества. То же самое можно сказать и про другие нагрузки, обладающие активным сопротивлением. Это могут быть различные нагревашки, типа тэнов, а также лампы накаливания. Чем же резистор отличается от катушки индуктивности и конденсатора? Понятное дело, что выполняемыми функциями, но этим все не ограничивается. Итак, давайте рассмотрим самую простую схемку во всей электронике: На схеме мы видим генератор частоты и резистор. Давайте визуально посмотрим, что у нас творится в этой схеме. Для этого, как я уже сказал, нам понадобится генератор частоты А также цифровой осциллограф: С помощью него мы будем смотреть напряжение и силу тока . Что? Силу тока? Но ведь осцил предназначен для того, чтобы рассматривать форму сигнала напряжения? Как же мы будем рассматривать форму сигнала силы тока? А все оказывается просто). Для этого достаточно вспомнить правило шунта. Кто не помнит — напомню. Имеем обыкновенный резистор: Что будет, если через него прогнать электрический ток? На концах резистора у нас будет падение напряжения. То есть, если замерить с помощью мультиметра напряжение на его концах, мультиметр покажет какое-то значение в Вольтах И теперь главный вопрос: от чего зависит падение напряжения на резисторе? В дело опять же вступает закон Ома для участка цепи: I=U/R. Отсюда U=IR. Мы видим зависимость от номинала самого резистора и от силы тока, текущей в данный момент в цепи. Слышите? От СИЛЫ ТОКА! Так почему бы нам не воспользоваться таким замечательным свойством и не глянуть силу тока через падение напряжения на самом резисторе? Ведь номинал резистора у нас постоянный и почти не изменяется с изменением силы тока 😉 В данном опыте нам не обязательно знать номинал силы тока в цепи. Мы будем просто смотреть, от чего зависит сила тока и изменяется ли вообще? Поэтому, наша схема примет вот такой вид: В этом случае шунтом будет являться резистор сопротивлением в 0,5 Ом. Почему именно 0,5 Ом? Да потому что он не будет сильно греться, так как обладает маленьким сопротивлением, а также его номинал вполне достаточен, чтобы снять с него напругу. Осталось снять напругу с генератора, а также со шунта с помощью осцила. Если вы не забыли, со шунта мы снимаем осциллограмму силы тока в цепи. Красная осциллограмма — это напряжение с генератора Uген , а желтая осциллограмма — это напряжение с шунта Uш , в нашем случае — сила тока. Смотрим, что у нас получилось: Частота 28 Герц: Частота 285 Герц: Частота 30 КилоГерц: Как вы видите, с ростом частоты сила тока у нас осталась такой же. Давайте побалуемся формой сигнала: Как мы видим, сила тока полностью повторяет форму сигнала напряжения. Итак, какие можно сделать выводы? 1) Сила тока через активное (омическое) сопротивление имеет такую же форму, как и форма напряжения. 2) Сила тока и напряжение на активном сопротивлении совпадают по фазе, то есть куда напряжение, туда и ток. Они двигаются синфазно, то есть одновременно. 3) С ростом частоты ничего не меняется (если только на очень высоких частотах). Ну а теперь давайте вместо резистора забабахаем конденсатор. Смотрим осциллограммы: Как вы видите, конденсатор обладает сопротивлением, так как сила тока в цепи значительно уменьшилась. Но обратите внимание, что произошел сдвиг желтой осциллограммы, то бишь осциллограммы силы тока. Вспоминаем алгебру старшие классы. Итак, полный период T — это 2П Теперь давайте прикинем, какой сдвиг фаз у нас получился на графике: Где-то примерно П/2 или 90 градусов. Почему так произошло? Во всем виновато физическое свойство конденсатора. В самые первые доли секунд, конденсатор ведет себя как проводник с очень малым сопротивлением, поэтому сила тока в этот момент будет максимальна. В этом можно легко убедиться, если резко подать на конденсатор напряжение и в начальный момент времени посмотреть, что происходит с силой тока Красная осциллограмма — это напряжение, которое мы подаем на кондер, а желтая — это сила тока в цепи кондера. По мере заряда конденсатора сила тока падает и достигает нуля при полном заряде кондера. К чему приведет дальнейшее увеличение частоты? Давайте посмотрим: 50 Герц. 100 Герц 200 Герц С увеличением частоты растет сила тока! Кстати, у резистора не росла. То есть получается в данном случае из закона Ома, что сопротивление конденсатора зависит от частоты! Да, все так оно и есть. Но называется оно не просто сопротивлением, а реактивным сопротивлением и вычисляется по формуле: где Хс — реактивное сопротивление конденсатора, Ом П — постоянная и приблизительно равна 3,14 F — частота, Гц С — емкость конденсатора, Фарад Ну а теперь давайте возьмем катушку индуктивности вместо конденсатора: Проводим все аналогичные операции, как и с конденсатором. Смотрим на осциллограммы в цепи с катушкой индуктивности: Если помните, вот такую осциллограмму мы получили в схеме с конденсатором: Видите разницу? На катушке индуктивности ток отстает от напряжения на 90 градусов, на П/2, или, как еще говорят, на четверть периода (весь период у нас 2П или 360 градусов). Так-так-так…. Давайте соберемся с мыслями. То есть в цепи с переменным синусоидальным током, ток на конденсаторе опережает напряжение на 90 градусов, а на катушке индуктивности ток отстает от напряжения тоже на 90 градусов? Да, все верно. Почему на катушке ток отстает от напряжения? Не будем углубляться в различные физические процессы и формулы, просто сочтем за данность, что сила тока не может резко возрастать на катушке индуктивности. Для этого проведем простой опыт. Так же как и на конденсатор, мы резко подадим напряжение на катушку индуктивности, и посмотрим, что случилось с силой тока. Как вы видите, при резкой подаче напряжения на катушку, сила тока не стремится также резко возрастать, а возрастает постепенно, если быть точнее, по экпоненте. Давайте вспомним, как это было у конденсатора: Все с точностью наоборот! Можно даже сказать, что катушка — это полная противоположность конденсатору 😉 Ну и напоследок давайте еще побалуемся частотой: 240 Килогерц 34 Килогерца 17 Килогерц 10 Килогерц Вывод? С уменьшением частоты сила тока через катушку увеличивается. Дело все в том, что сопротивление катушки зависит от частоты и вычисляется по формуле где ХL — реактивное сопротивление катушки, Ом П — постоянная и приблизительно равна 3,14 F — частота, Гц L — индуктивность, Генри Ну и теперь главный вопрос, который часто задают в личке: «Почему когда я меряю первичную обмотку трансформатора, у меня выдает от 10 Ом и больше в зависимости от трансформатора. На трансформаторных сварочниках вообще пару Ом! Ведь первичная обмотка транса цепляется к 220 Вольтам! Почему не сгорает обмотка, ведь сопротивление обмотки всего то десятки или сотни Ом!» А ведь и вправду, мощность равна как напряжение помноженное на ток P=IU. То есть через пару секунд от первички транса должен остаться уголек. Дело все в том, что парные обмотки трансформатора представляют из себя катушку индуктивности с какой-то индуктивностью. Получается, что реальное сопротивление обмотки будет выражаться через формулу поставьте сюда индуктивность, которая в трансформаторах составляет от единицы Генри и получим что-то типа от 300 и более Ом. Но это еще цветочки, ягодки впереди;-) Для дальнейшего объяснения этого явления нам потребуется наша осциллограмма с катушки индуктивности: Итак, давайте выделим на ней один период и разделим его на 4 части, то есть по 90 градусов каждая или П/2. Итак, давайте начнем с такого понятия, как мощность. Если не забыли, мощность — это сила тока помноженное на напряжение, то есть P=IU. Итак, в первую четвертинку периода t1 у нас напряжение принимает положительные значения и сила тока тоже положительное. Плюс на плюс дает плюс. В эту четверть периода энергия поступает из источника в реактивное сопротивление. Теперь давайте рассмотрим отрезок времени t2. Здесь ток со знаком «плюс», а напряжение со знаком «минус». В итоге плюс на минус дает минус. Получается мощность со знаком «минус». А разве так бывает? Еще как бывает! В этот промежуток времени реактивный радиоэлемент отдает запасенную энергию обратно в источник напряжения. Для лучшего понимания давайте рассмотрим простой житейский пример. Представим себе кузнеца за работой: Не знаю, какое было у вас детство, но я когда был салабоном, брал свинец с акумов и плющил его в металлические пластинки. И что думаете? Свинец нагревался. Не так, чтобы прям обжигал, а был тепленький на ощупь. То есть моя энергия удара превращалась в тепло, можно даже сказать, в полезную энергию. А что если взять пружину от стоек ВАЗа и ударять по ней? С пружиной не станет НИ-ЧЕ-ГО! Она ведь не свинец. Но… заметьте вот такую вещь: как только мы начинаем «плющить» пружину кувалдой, у нас она начинает сжиматься. И вот она сжалась до упора и… выстрелила вверх, подхватив с собой тяжелую кувалду, которая только что пыталась ее расплющить. То есть в данном случае энергия вернулась обратно в источник энергии, то есть обратно к кузнецу. Он вроде как и пытался расплющить пружину, но пружина вернула энергию обратно своим расжатием. То есть кузнецу не надо уже было подымать тяжелый молот, так как за него это уже сделала пружина. Разжатие пружины и возврат ею энергии обратно — это и есть отрицательная мощность. В этом случае энергия возвращается обратно в источник. Хорошо ли это или плохо — это уже другая история для полноценной статьи. В третий промежуток времени t3 и ток и напряжение у нас со знаком «минус». Минус на минус — это плюс. То есть реактивный элемент снова поглощает энергию, ну а на t4, снова ее отдает, так как плюс на минус дает минус. В результате за весь период у нас суммарное потребление энергии равно чему? Правильно, нулю! Так что же это получается тогда? На катушке и кондере не будет выделяться никакой энергии? Получается так. Поэтому в схемах они чаще всего холодные, хотя могут быть и слегка теплыми, так как реальные параметры катушки и конденсатора выглядят совсем по другому. Эквивалентная схема реальной катушки индуктивности выглядит вот так: где RL — это сопротивление потерь. Это могут быть потери в проводах, так как любой провод обладает сопротивлением. Это могут быть потери в диэлектрике, потери в сердечнике и потери на вихревые токи. Как видите, раз есть сопротивление, значит на нем может выделяться мощность, то есть тепло. L — собственно сама индуктивность катушки С — межвитковая емкость. А вот и эквивалентная схема реального конденсатора: где r — сопротивление диэлектрика и корпуса между обкладками С — собственно сама емкость конденсатора ESR — эквивалентное последовательное сопротивление ESI (ESL) — эквивалентная последовательная индуктивность Здесь мы тоже видим такие параметры, как r и ESR, которые на высоких частотах будут еще лучше себя проявлять, благодаря скин-эффекту. Ну и соответственно, на них будет выделяться мощность, что приведет к небольшому малозаметному нагреву. Резюме Резистор обладает активным (омическим) сопротивлением. Катушка индуктивности и конденсатор обладают реактивным сопротивлением. В цепи переменного тока на конденсаторе ток опережает напряжение на 90 градусов, а на катушке ток отстает от напряжения на 90 градусов. Сопротивление катушки вычисляется по формуле Сопротивление конденсатора вычисляется по формуле: В цепи переменного тока на идеальном реактивном сопротивлении не выделяется мощность. Реальные катушка и конденсатор имеют в своем составе паразитные параметры, которые имеют некоторое сопротивление. Поэтому реальные катушка и конденсатор не обладают чисто реактивным сопротивлением. www.ruselectronic.com Электрические лампы накаливания, печи сопротивления, бытовые нагревательные приборы, реостаты и другие приемники, где электрическая энергия преобразуется в тепловую, на схемах замещения обычно представлены только сопротивлением R.Для схемы, изображенной на рис. 13.1, а, заданы сопротивление R и напряжение, изменяющееся по закону u = Umsinωt Найдём ток и мощность в цепи. По закону Ома найдем выражение для мгновенного тока: где Im = Um/R — амплитуда тока Из уравнений напряжения и тока видно, что начальные фазы обеих кривых одинаковы, т. е. напряжение и ток в цепи с сопротивлением R совпадают по фазе. Это показано на графиках и векторной диаграмме (рис. 13.1, б, б). Действующий ток найдем, разделив амплитуду на √ 2: Формулы (13.1) выражают закон Ома для цепи переменного тока с сопротивлением R. Внешне они ничем не отличаются от формулы для цепи постоянного тока, если переменные напряжение и ток выражены действующими величинами. При переменных величинах напряжения и тока скорость преобразования электрической энергии в приемнике, т. е. его мощность, тоже изменяется. Мгновенная мощность равна произведению мгновенных величин напряжения и тока: p = Umsinωt * Imsinωt = UmImsin2ωt Из тригонометрии найдём Более наглядное представление о характере изменения мощности в цепи дает график в прямоугольной системе координат, который строится после умножения ординат кривых напряжения и тока, соответствующих ряду значений их общего аргумента — времени t. Зависимость мощности от времени — периодическая кривая (рис. 13.2). Если ось времени t поднять по чертежу на величину р = Pm√2 = UmIm√2, то относительно новой оси t’ график мощности является синусоидой с двойной частотой и начальной фазой 90°: Таким образом, в первоначальной системе координат мгновенная, мощность равна сумме постоянной величины Р = UmIm√2 и перемен- ной р’: р = Р + р’ Анализируя график мгновенной мощности, нетрудно заметить, что мощность в течение периода остается положительной, хотя ток и напряжение меняют свой знак. Это получается благодаря совпадению по фазе напряжения и тока. Постоянство знака мощности говорит о том, что направление потока электрической энергии остается в течение периода неизменным, в данном случае от сети (от источника энергии) в приемник с сопротивлением R, где электрическая энергия необратимо преобразуется в другой вид энергии. В этом случае электрическая энергия называется активной. Если R — сопротивление проводника, то в соответствии с законом Ленца — Джоуля электрическая энергия в нем преобразуется в тепло. Скорость преобразования электрической энергии в другой вид энергии за конечный промежуток времени, значительно больший периода изменения тока, характеризуется средней мощностью. Она равна средней мощности за период, которую называют активной. Активная мощность — среднее арифметическое мгновенной мощности за период. Для рассматриваемой цепи активную мощность Р нетрудно определить из графика рис. 13.2. Средняя величина мощности равна высоте прямоугольника с основанием Т, равновеликого площади, ограниченной кривой р(t) и осью абсцисс (на рисунке заштриховано). Равенство площадей РТ = Sp выполняется, если высоту прямоугольника взять равной половине наибольшей мгновенной мощности Pm. В этом случае часть площади Sp , находящаяся выше прямоугольника, точно укладывается в оставшуюся незаштрихованной его часть: P = UI Активная мощность для данной цепи равна произведению действующих величин тока и напряжения: P = UI = I2R = U2R С математической точки зрения активная мощность является постоянной составляющей в уравнении мгновенной мощности p(t) [см. выражение (13.2)]. Среднюю мощность за период можно найти интегрированием уравнения (13.2) в пределах периода: Сопротивление R, определяемое из формулы (13.3) отношением активной мощности цепи к квадрату действующего тока, называется активным электрическим сопротивлением. electrikam.com completerepair.ruАктивное и реактивное сопротивление. Сопротивления мощность
Активное и реактивное сопротивление - Практическая электроника
Активное сопротивление в цепи переменного тока
Ток в цепи переменного тока с активным сопротивлением.
Мгновенная мощность в цепи переменного тока с активным сопротивлением.
Активная мощность для цепи переменного тока с активным сопротивлением
Как узнать мощность сопротивления
Любой резистор характеризуется не только сопротивлением, но и максимальной рассеиваемой мощностью. Если ее превысить, компонент может сгореть, вывести своим теплом из строя соседние детали или даже вызвать возгорание. Инструкция
интернет-магазин светодиодного освещения
Пн - Вс с 10:30 до 20:00
Санкт-Петербург, просп. Энгельса, 138, корп. 1, тк ''Стройдвор''
Поделиться с друзьями: