Рудольф Сворень - Шаг за шагом. Усилители и радиоузлы
Дано: Uэф = 220 в.
Находим: Pэф = 310 в.
Дано: Uэф = 6,3 в, Iэф = 0,3 а.
Находим: Pэф = 2 вт; Pампл = 4 вт.
Для переменного тока действительны те же соотношения между э.д.с., сопротивлением, напряжением, током и мощностью, которые были приведены для постоянного тока (рис. 30, 4, 5, 6, 7, 8). Однако эти соотношения действительны только для цепей, которые состоят из активных сопротивлений. Как только в цепи появляется так называемый реактивный элемент, например конденсатор или катушка, все электротехнические законы и правила приобретают уже совсем другой вид.
10. Постоянного тока конденсатор не пропускает — между его обкладками находится слой изолятора. Но когда конденсатор заряжается (10, а) и разряжается (10, в), в его цепи все-таки возникает кратковременный ток — заряды двигаются на обкладки или уходят с них. Под действием переменного напряжения циклы заряд-разряд происходят непрерывно, и в цепи конденсатора протекает переменный ток (10, г). Естественно, что величина тока зависит от напряжения: чем больше Uс, тем больше Iс. Кроме того, ток возрастает с увеличением частоты: чем больше f, тем чаще двигаются заряды «туда-обратно» и тем опять-таки больше Iс. Наконец, есть еще один способ увеличить ток: нужно взять конденсатор большей емкости. Чем больше емкость С, тем большее число зарядов накапливается на обкладках, тем интенсивнее их движение во время заряда и разряда. Учитывая все это, конденсатор представляют в виде некоторого условного сопротивления — емкостного сопротивление хс, от которого зависит величина тока.
Само же хс зависит от частоты и емкости конденсатора (10, д, е, ж, з; формулы действительны только для синусоидального тока); с увеличением f или С величина хс падает (ток возрастает). Сопротивление хс называют реактивным. Оно не потребляет энергии, а лишь влияет на величину тока. Вместо примеров приводим таблицу значений хс для некоторых частот и некоторых емкостей конденсатора (табл. 10).
11. Совсем иначе ведет себя в цепи катушка индуктивности. Ее общее сопротивление складывается из двух частей: активного сопротивления проводов и индуктивного сопротивления хL. Индуктивное сопротивление хL пришлось ввести потому, что катушка особым, «хитрым» способом влияет на величину тока — с помощью собственного магнитного поля катушка сама в себе наводит э.д.с. («противо э.д.с. самоиндукции»), которая действует против напряжения генератора. Чем выше частота f и больше индуктивность катушки L, тем сильнее эта противодействующая э. д. с., тем, следовательно, больше xL (табл. 10) и меньше ток.
Величина индуктивности зависит от данных самой катушки. С увеличением числа витков и размеров сердечника индуктивность растет.
12. Катушка наводит э.д.с. не только сама в себе, но и в соседней катушке, если, конечно, та находится в сфере влияния магнитного поля. Весь процесс выглядит примерно так.
К первой катушке (ее называют первичной обмоткой) подводится переменное напряжение, создающее переменный ток, под действием которого возникает переменное магнитное поле. Оно охватывает витки второй катушки (ее называют вторичной обмоткой) и наводит в ней переменное напряжение (если не учитывать потери, можно говорить о наведенной э.д.с.), под действием которого в цепи появляется переменный ток. Обратите внимание, как часто повторяется здесь слово «переменный», — напряжение во вторичной обмотке наводится только при изменении магнитного поля. Иногда об этом говорят так: «Постоянный ток не трансформируется».
Система из двух или нескольких связанных магнитным полем катушек— это и есть трансформатор. В дальнейшем мы будем говорить о трансформаторах, где все катушки связаны очень сильно — они находятся на общем стальном сердечнике. Соотношение токов и напряжений в обмотках определяется коэффициентом трансформации n. Трансформатор повышает напряжение, если n > 1, и понижает, если n < 1.
Все это, разумеется, условно: трансформатор — машина обратимая, он может быть и понижающим и повышающим в зависимости от того, к каким обмоткам вы подключите генератор и нагрузку. Очень распространены трансформаторы с несколькими обмотками, дающие несколько различных напряжений (12, з). Диаметр провода для обмоток выбирают с учетом проходящего по ним тока (табл. 11).
Мощность Р1, потребляемая трансформатором, а значит, и ток I1 в первичной обмотке зависят от той мощности Р2, которую потребляет нагрузка Rн. Если, например, уменьшить Rн, то есть увеличить I2 , то одновременно возрастет общая потребляемая мощность Р1 и ток I1. Эту последнюю зависимость удобно выражать с помощью условного сопротивления R'н (12, а, е), которое как бы вносится в первичную цепь из вторичной. Если трансформатор повышающий, то R'н < Rн, а если понижающий, то к R'н > Rн. Любой короткозамкнутый виток или группа витков представляют собой недопустимо большую нагрузку и могут вывести из строя весь трансформатор. При разомкнутой вторичной обмотке (холостой ход) трансформатор практически ничего не потребляет.
Пример. Дано: обмотка I — 1200 витков; обмотка II — 60 витков; U1 = 120 в; Rн = 10 ом.
Находим: n = 0,05; U2 = 6 в; I1 = 0,005 а; I2 = 0,1 а; P1 ~= Р2 = 0,6 вт. Число витков на 1 в — 10.
Трансформатор, в котором роль вторичной обмотки II выполняет часть первичной обмотки I, называется автотрансформатором (12, и). Часто в автотрансформаторе (а также в первичной обмотке трансформатора) делают несколько отводов, для того, чтобы на него можно было подавать несколько различных напряжений. Это, в частности, удобно, когда трансформатор должен работать от сети с изменяющимся напряжением. Секция с большим числом витков соответствует большему напряжению. Коэффициент n для автотрансформатора определяется так же, как и для трансформатора.
13. Во многих цепях электронных устройств протекает пульсирующий ток. Величина его меняется, как у переменного, а направление остается неизменным, как у постоянного. Чтобы получить пульсирующий ток, можно использовать два генератора — постоянного и переменного тока.
14. Независимо от того, каким способом был создан пульсирующий ток, можно довольно просто разделить его основные составляющие — постоянную I0 и переменную I~. Для этого применяют электрические фильтры — цепи, где эти составляющие встречают разное сопротивление. Так в фильтре RC конденсатор не пропустит постоянную составляющую и таким образом отделит ее от переменной. Фильтр RL рассчитывают так, чтобы для переменной составляющей xL было намного больше R. Постоянная составляющая по катушке проходит почти беспрепятственно. Своеобразным фильтром является трансформатор — постоянная составляющая не наводит э.д.с. в его вторичной обмотке.
15. Фильтром является также колебательный контур — цепь, состоящая из конденсатора и катушки (15, а). Оба эти элемента являются накопителями энергии: в конденсаторе концентрируется электрическое поле, в катушке — магнитное. В процессе обмена энергией между накопителями (L и С) в контуре протекает переменный ток определенной частоты.
Чем больше L и С, тем медленнее происходит процесс обмена, тем ниже частота f0. Все это напоминает уже знакомые нам механические колебания струны. Подобно струне, контур резонирует на колебания, частота fрез которых равна его собственной f0 (15, д). Благодаря этому с помощью колебательных контуров можно «вылавливать» отдельные синусоидальные составляющие (15, в, г) из электрического тока сложной формы (15, б).
16. Весьма распространенный процесс — выпрямление переменного тока начинается с превращения переменного тока в пульсирующий. Это можно сделать с помощью электрического вентиля — устройств, которое пропускает ток только в одну сторону (16, а, б).
