Виды пассивных элементов
Внутреннее сопротивление — формула
Данные устройства характеризуются тем, что вместо рассеивания энергии склонны к ее накоплению. Разные типы таких деталей создают различные формы сопротивления.
Катушка индуктивности
Это радиокомпонент, представляющий собой проводниковый элемент спиральной или винтообразной формы, покрытый изоляцией. В схемах катушки используют для нивелирования помех и искажений, снижения величины переменного тока, генерации магнитного поля. Длинные тонкие элементы носят название соленоидов. Катушки отличаются небольшими величинами активной сопротивляемости и емкости, но обладают индуктивностью, генерируя электродвижущую силу.
Подключение катушки в электрическую цепь
Емкостной элемент
Примером этого вида деталей является конденсатор. Он включает в себя две проводящие обкладки, между которыми находится диэлектрический материал. Протекание электротока обусловлено накоплением и отдачей обкладками своего заряда.
Подсоединение конденсатора в электроцепь
Характеристики реактивного конденсатора
Параметры, характеризующие элементы, наносятся на их внешних корпусах, там же прописываются сведения о типе, наименовании изготовителя и дате выпуска продукции.
Перечень основных критериев:
Номинальная ёмкость – это значение, определенное ГОСТом, задаваемое в диапазоне 0 – 9999 Пф, наносимое на схемы, но без обозначений. Если числа указываются на самом конденсаторе в пределах от 10000 до 9999 в мкФ, то значения надписываются в мкФ (uF).
Единицы
- Далее – наносятся условные отклонения от номинала.
- Еще один важный параметр – показатель номинального напряжения (В). Специалистами рекомендовано использовать в работе элемент с дополнительными ресурсами. Не допускается применять прибор с меньшими показателями, для предотвращения пробоя изоляции из диэлектрического материала, что провоцирует поломку детали.
- Иные характерные параметры на корпусах – рабочая температура, показатель предельной силы тока.
- Количество фаз, от которых осуществляется работа – одна или три.
- По виду установки: внутренняя и наружная.
Вам это будет интересно Особенности проекта электроснабжения
Важно! Перечисленные критерии можно увидеть на корпусной детали, а расчет реактивного сопротивления выполнить самостоятельно. Дополнительные характеристики устройства для накопления зарядов:
Дополнительные характеристики устройства для накопления зарядов:
- Удельная ёмкость – это отношение непосредственных габаритов к массе диэлектрического элемента.
- Рабочее напряжение – это номинал, который выдерживает деталь при подаче напряжения на изоляцию.
- Стабильность температуры. В этом диапазоне изменений не отмечается.
- Сопротивление изоляционного слоя. Этот параметр определяется исходя из тока утечки и саморазряда.
Поле
- Эквивалентное сопротивление – обуславливается потерями на выводах и в диэлектрическом слое.
- Процесс адсорбции. Это разность потенциалов, образовавшаяся на обкатках после обнуления заряда.
- Сопротивление емкости. Возникает при снижении проводимости подачи переменного тока.
- Полярность. При приложении потенциала с соответствующим значением конденсатор функционирует корректно.
- Эквивалентная индуктивность. Это параметр, образующийся на контактах, для возникновения колебательного контура.
Характеристики
Метод векторных диаграмм
Мы уже пользуемся векторными диаграммами, по которым наблюдаем соотношения токов и напряжения в цепях переменного тока. Векторная диаграмма это стоячее изображение вращающихся векторов.
В предыдущих рассуждениях, было сказано, что линейно развернутая диаграмма переменного процесса, (в простом случае синусоидального), точно показывает изменение мгновенного значения переменной величины, то есть происходит все именно так как показывает синусоида и каждая ее точка и есть переменная величина в данный момент. Но оказывается нам интересно не это, нам нужно знать какое значение тока и напряжения и мощности действует в цепи в течение времени, то есть действует длительное время, пока цепь работает.
Анализ синусоид нескольких величин, одновременно действующих в разных фазах, позволяет рассчитать все свойства и режимы работы цепи переменного тока, но гораздо проще это сделать, если отвлечься от синусоид и просто построить соотношение векторов, которые, собственно, и образуют эти синусоиды. Вся информация синусоид заложена в их радиус – векторах. Мы останавливаем эти векторы на рисунке, понимая, что они вращающиеся, но факт их вращения учитываем угловой частотой в расчетных формулах векторной диаграммы.
Итак, векторная диаграмма заменяет линейно развернутую синусоидальную диаграмму, потому, что любая информация, заложенная в синусоиду, есть и в соответствующем ей радиус-векторе.
Если нам приходится рассматривать несколько действующих одновременно синусоидальных процессов, то они изображаются векторной диаграммой, где длина каждого вектора, соответствует действующему значению синусоидальной величины, направление вектора соответствует начальной фазе, синусоидальной величины.
Результирующие значения одновременно действующих напряжений рассчитывается как векторная сумма, где угол между векторами определяется сдвигом фаз между ними.
Расчет цепей переменного тока сводится к расчету треугольников, которые состоят из соответствующих векторов.
Например, можно определить суммарное напряжение, частичные напряжения, и сдвиг фаз между ними.
На основании векторных диаграмм можно построить подобные векторным диаграммам треугольники сопротивлений и треугольники мощностей, решением которых можно определить соотношения сопротивлений, и мощности которые действуют в цепях переменного тока.
Векторная диаграмма напряжений представляет собой векторный треугольник напряжений
Последовательное соединение L R.
Любая катушка наматывается проволокой, а проволока обладает сопротивлением, которое приходится учитывать.
Получается, что реальная цепь, содержащая только L, просто невозможна. В некоторых случаях значением R пренебрегают, и получается, что вроде бы цепь с только L, на самом деле она конечно L R.
Реально, кроме проволоки, в цепи всегда есть и какие – то другие элементы R, поэтому интерес представляют именно цепи L R,
Ток, при последовательном соединении, один и тот же через все сопротивления, а напряжения разные, но общее напряжение не равно просто сумме напряжений на каждом сопротивлении, оно равно векторной сумме, то есть вектор общего напряжения равен сумме векторов напряжений на каждом участке. Для расчетов напряжений надо построить векторную диаграмму.
Векторная диаграмма строится так.
Активное и реактивное сопротивление
Реактивная составляющая встречается в двух формах: емкостной (она присуща конденсаторным устройством) и индуктивной (свойственна трансформаторам, катушкам и обмоткам). Для определения отношения между напряжением и токовой силой требуется знать показатели всех видов оказываемого проводником сопротивления.
Реактивное сопротивление
Когда конденсатор подсоединен в электроцепь, за временной период до смены полярности он успевает набрать только некоторый процент заряда. Частота тока прямо пропорциональна величине заряда, набираемой элементом. Реактивный эффект на конденсаторном элементе наблюдается из-за того, что у него есть емкость. Когда частота возрастает, емкостное противодействие падает. Благодаря этому эффекту, данные детали хорошо подходят для использования в роли шунта с меняющейся величиной.
У катушки при увеличении токовой частоты растет и индуктивное противодействие. Помимо частоты, на значение также сильно влияет обмоточная индуктивность.
Важно! Бывает, что результирующая реактивная составляющая в цепи с несколькими обмотками и конденсаторами оказывается равной нулю. В таком случае фазы напряжения и электротока совпадают
Если между ними есть хоть какая-то разница фаз в ту или другую сторону, реактивная компонента будет отличной от нуля.
В реальности детали электрической цепи имеют как активную, так и обе реактивных составляющих. Но в ряде случаев одной или двумя из них принято пренебрегать из-за очень малых показателей, незначительно влияющих на общую ситуацию в сети. К примеру, обычно принимают, что конденсатор (если пренебречь энергетическими потерями) имеет исключительно емкостное противодействие
У лампочек накаливания, в свою очередь, принимается во внимание только активная компонента. У обмоточных элементов выделяются активная и индуктивная составляющие
Осциллограмма силы тока на активном сопротивлении
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 напряжение.
Осталось снять напряжение с генератора, а также со шунта с помощью осциллографа. 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).
Расчет параметров катушки
Приходится при расчётах рассматривать разные варианты. Расчет индуктивности зависит от исходных данных и заданных конечных параметров.
Расчет L в зависимости от заданной конструкции
Если исходными параметрами являются: w, D каркаса и длина намотанного провода, то формула для расчёта имеет вид:
L = 0,01*D*w2/(l/D) + 0,46,
где:
- D – диаметр каркаса, см;
- w – число витков;
- l – длина намотки, см;
- L – индуктивность, мкГн.
Подставляя численные значения в формулу, получают значение L.
Расчет количества витков по индуктивности
Зная D каркаса и L, рассчитывают количество витков в катушке, формула имеет вид:
w = 32*√(L*D),
где:
- L – индуктивность, мкГн;
- D – диаметр каркаса, мм.
Если в качестве исходных параметров берутся длина навитого в ряд проводника и его диаметр, то количество витков находят, используя формулу:
w = l/d,
где:
- l – длина намотки, мм;
- d – диаметр провода, мм.
Измерения диаметра провода проводят линейкой или штангенциркулем.
Расчёт индуктивности прямого провода
Собираясь найти L круглого прямого проводника, обращаются к приближённой формуле:
L = (μ0/2π)*l*( μe*ln(l/r) + 1/4* μi,
где:
- μ0 – магнитная постоянная;
- μe – относительная магнитная проницаемость (ОМП) среды (для вакуума – 1);
- μi – ОМП проводника;
- l – длина провода;
- r – радиус провода.
Формула справедлива для длинного проводника.
Расчёт однослойной намотки
Однослойные дроссели без сердечника легко и быстро можно рассчитать при помощи онлайн-калькулятора, в окно которого можно забить все известные характеристики, и программа выдаст значение L.
Вычисления проводятся и вручную, с использованием математического выражения. Оно имеет вид:
L = D2*n2/45D + 100*l,
где:
- D – диаметр катушки, см;
- l – длина намотанного провода, см;
- n – количество витков.
Формула подходит для вычислений L дросселей без ферритовых сердечников.
Однослойная катушка виток к витку
Дроссель с сердечником
При наличии сердечника следует учесть его размеры и форму. В случае одинаковых катушках индуктивность больше у той, которая располагается на сердечнике.
Расчёт однослойной намотки с сердечником
Многослойная намотка
Особенности расчёта при подобном способе наматывания провода заключаются в том, что нужно учитывать его толщину. Формула для дросселя без сердечника имеет вид:
N²=(L*(3Dk+9l+10t))/0.008Dk²,
где:
- Dk – общий диаметр (диаметр каркаса и намотки);
- t – толщина слоя;
- l – длина накрученного провода.
Все значения подставляют в мм, величину L – в мкГн.
Многослойная намотка
Применение катушек индуктивности
Индуктивности широко используются в аналоговых схемах и схемах обработки сигналов. Они в сочетании с конденсаторами и другими радиокомпонентами образуют специальные схемы, которые могут усилить или отфильтровать сигналы определенной частоты.
Катушки индуктивности получили широкое применение начиная от больших катушек индуктивности, таких как дроссели в источниках питания, которые в сочетании с конденсаторами фильтра устраняют остаточные помехи и другие колебания на выходе источника питания, и до столь малых индуктивностей, которые располагаются внутри интегральных микросхем.
Две (или более) катушки индуктивности, которые соединены единым магнитным потоком, образуют трансформатор, являющимся основным компонентом схем работающих с электрической сетью электроснабжения. Эффективность трансформатора возрастает с увеличением частоты напряжения.
По этой причине, в самолетах используется переменное напряжение с частотой 400 герц вместо обычных 50 или 60 герц, что в свою очередь позволяет значительно сэкономить на массе используемых трансформаторов в электроснабжении самолета.
Так же индуктивности используются в качестве устройства для хранения энергии в импульсных стабилизаторах напряжения, в высоковольтных электрических системах передачи электроэнергии для преднамеренного снижения системного напряжения или ограничения ток короткого замыкания.
Индуктивное сопротивление
При увеличении силы тока порождается магнитное поле, обладающее различными характеристиками
Наиболее важной из них является индуктивность. Магнитное поле, в свою очередь, воздействует на проводник, по которому протекает ток
Влияние является противоположным направлению изменения тока. То есть, если сила тока увеличилась, то магнитное поле будет уменьшать его, и наоборот, если снизилась, то поле усилит его. Когда ток не меняется, реактивное сопротивление катушки индуктивности будет равно нулю.
Индуктивное сопротивление зависит от частоты тока. Чем она выше, тем выше скорость изменения данного параметра. Это значит, что будет образовано более сильное магнитное поле. Возникающая при этом ЭДС препятствует изменению электрического тока.
Расчет реактивного индуктивного сопротивления осуществляется по такой формуле:
XL = L×w = L×2π×f, где буквами обозначаются:
- L — индуктивность магнитного поля, которое порождается изменением силы тока;
- W — круговая частота изменения, которая используется в описании синусоидального изменения силы тока;
- Π — число «пи»;
- f — частота тока в обычном смысле.
При синусоидальном изменении напряжения сила тока будет меняться, отставая от него по фазе. Поэтому реактивное сопротивление трансформатора существенно зависит от его индуктивности.
