Параметры переменного напряжения

Как вы помните из предыдущей статьи, переменное напряжение - это напряжение, которое меняется со временем. Оно может меняться с каким-то периодом, а может быть хаотичным. Но не стоит также забывать, что и переменное напряжение обладает своими особенными параметрами. Часто между некоторыми понятиями возникает путаница. Попробуем разобрать что к чему в этой статье ;-)

С чего же начнем? Думаю, правильнее было бы начать с напряжения 220 Вольт ;-). Очень много вопросов в рунете именно по напряжению "из розетки".  Самый часто задаваемый вопрос выглядит так:

- Какой ток в розетке?

У нас в России в розетке переменный синусоидальный ток с частотой в 50 Герц,  максимальной амплитудой приблизительно в 310 Вольт и действующим напряжением в 220 Вольт. Думаю, это будет самый развернутый ответ.

Итак, теперь давайте разбираться что к чему.

Как  же выглядит этот "ток из розетки" на осциллографе? Ну примерно вот так:

По вертикали у нас одна клеточка равняется 100 Вольтам. Следовательно, максимальная амплитуда Umax будет равна где-то 330 Вольт

По идее должно быть 310 Вольт. Хотя оно и не удивительно. Напряжение в сети редко когда бывает стабильным. Все, конечно же, зависит от потребителей и трансформатора на электростанции, который их питает.

Раньше, когда я был еще салабоном, рядом с телевизором у нас стоял какой-то интересный девайс. На нем была шкала, и мы вечером подкручивали крутилку, чтобы шкала показывала ровненько 220 Вольт, иначе телевизор отказывался работать. С возрастом я потом понял, что это был ручной стабилизатор напряжения, так как именно вечером все соседи начинали "жрать" электричество и поэтому в сети было Вольт 200. Сейчас во всех ТВ и других бытовых приборах эти стабилизаторы встроены прямо внутри, и поэтому надобность в них резко отпала.

Далее второй вопрос, который очень часто можно встретить в рунете:

- Где в розетке плюс, а где минус?

Да, в розетке есть минус, но когда говорят о переменном токе 220 Вольт, этот минус называют нулем. Нуль он и в Африке нуль. Его можно даже потрогать руками (что крайне НЕ рекомендую) и вас даже не шибанет током. Короче говоря - это тупо проводок, который лежит без дела, пока не придет она... ФАЗА.

Этим странным словом называют второй проводок, который подходит к розетке. Фаза вкалывает по-черному, чтобы жить и работать на всю катушку. А нуль - он полный лентяй, но опять же фаза без нуля - ничто! Так что поэтому нуль и фаза подаются в связке друг с другом ;-)

Какие- же процессы происходят на фазе?

В какой-то момент времени фаза бывает положительнее по напряжению, чем нуль. В какой-то момент времени она становится равна нулю. А в какой-то момент времени становится отрицательнее, чем нуль! Или, иначе говоря, нуль становится положительнее, чем фаза). Потом фаза снова становится равна нулю, а потом снова больше нуля и все это повторяется до тех пор, пока работает генератор на электростанции.

Хотите узнать, как все это выглядит на графике? Да пожалуйста ;-)

Как я уже сказал, фаза без нуля - ничто! И если даже встать на диэлектрический коврик, то есть полностью изолировать себя от контакта с землей, то можно даже и потрогать фазу без вреда для здоровья. НО! не вздумайте проверять это дома! Так поступают только матерые электрики и у них имеются в наличии эти диэлектрические коврики и другие прибамбасы.

Но никогда, слышите, НИКОГДА! не дотрагивайтесь голыми руками сразу до двух проводов, тем более взяв их по одному в руки! Вы будете проводником, соединяющим цепь 220 Вольт. Или попросту говоря, вас ударит электрическим током. Думаю, некоторые до сих пор помнят эти "приятные" ощущения. А как бодрит сразу! Уууухх)))

Давайте разберем некоторые параметры переменного напряжения. Начнем со среднего значения напряжения.

Среднее значение переменного напряжения Uср - это грубо говоря площадь под осциллограммой относительно нуля за какой-то промежуток времени. Чтобы это понять, давайте рассмотрим вот такую осциллограмму. В данном случае одна клеточка по горизонтали - это 10 миллисекунд. Напряжение то же самое: из розетки.

Например, вот здесь, чему равняется среднее значение напряжения грубо говоря от нуля (блин, когда я успел сдвинуть график?) и до 20 миллисекунд?

В данном случае среднее значение напряжения равняется ноль Вольт. Почему так? Площади S1 и S2 равны. Но прикол в том, что площадь S2 идет со знаком "минус". А так как площади равны, то в сумме они дают ноль :S1+(-S2)=S1-S2=0. Для бесконечного по времени синусоидального сигнала среднее напряжения также равняется нулю.

То же самое касается и других сигналов, например, двуполярного меандра. Меандр - это прямоугольный сигнал, у которого длительности паузы и импульса равны. Можно сказать, что его среднее напряжение также равняется нулю.

Средним значением напряжения пользуются редко. Чаще всего используют средневыпрямленное значение напряжения Uср. выпр. То есть площадь сигнала, которая "пробивает пол" берут не с отрицательным знаком, а с положительным. То есть получается для нашего графика от нуля и до 20 миллисекунд

средневыпрямленное значение напряжения будет уже равняться не нулю, а S1+S2=2S1=2S2. Здесь мы суммируем площади, независимо от того, с каким они знаком.

На практике средневыпрямленное значение напряжения получить легко, использовав диодный мост. После выпрямления синусоидального сигнала, график будет выглядеть вот так:

Для того, чтобы примерно узнать, чему равняется средневыпрямленное напряжение, достаточно узнать максимальную амплитуду синусоидального сигнала Umax и сосчитать по формуле:

Чему будет равняться средневыпрямленное значения напряжения "из розетки"? Подставляем в формулу значение 310 Вольт и получаем примерно 198 Вольт.

Средневыпрямленное значение хоть и используется, но тоже редко.

Чаще всего используют среднеквадратичное значение напряжения или его еще по другому называют действующим. В литературе обозначается просто буквой U. Чтобы его вычислить, тут уже  просто графиком не обойдешься. Оно рассчитывается сложнее. Среднеквадратичное значение -  это значение постоянного напряжения, который, проходя через  нагрузку (скажем, лампу накаливания), выделяет за тот же промежуток времени такое же количество мощности, какое выделит в этой нагрузке переменное напряжение. В английском языке среднеквадратичное напряжение  обозначается так: RMS (rms) - root mean square. Более подробно про среднеквадратичное значение напряжения можно прочитать в этой статье.

Связь между амплитудным и среднеквадратическим значением устанавливается через коэффициент амплитуды K_a:

Вот некоторые значения коэффициента амплитуды K_a для некоторых сигналов переменного напряжения:

Более точные значения 1,41 и 1,73 - это √2 и √3 соответственно.

Ну все! Хватит нудной теории. У меня тоже мозг вскипел).

Для замера правильного среднеквадратического значения у нас должен быть мультиметр с логотипом T-RMS. RMS - как вы уже знаете - это среднеквадратическое значение. А что за буковка "T" впереди? Думаю, вы помните, как раньше была мода на одно словечко: "тру". "Она вся такая тру...", "Ты тру или не тру?" и тд. Тру (true) - с англ. правильный, верный.

Так вот, T-RMS  расшифровывается как True RMS -  "правильное среднеквадратическое значение". Мои токоизмерительные клещи могут замерять этот параметр без труда, так как на них есть логотип "T-RMS".

Проведем небольшой опыт. Давайте соберем вот такую схемку:

Выставим на моем китайском генераторе частоты треугольный сигнал с частотой, ну скажем, 100 Герц

А вот осциллограмма этого сигнала. Внизу, в красной рамке, можно посмотреть его параметры

И теперь вопрос: чему будет равно среднеквадратическое напряжение этого сигнала?

Так как один квадратик у нас равняется 1 Вольт (мы это видим внизу осциллограммы в красной рамке), то получается, что амплитуда Umax этого треугольного сигнала равняется 4 Вольта. Для того, чтобы рассчитать среднеквадратическое напряжение, мы воспользуемся формулой:

Итак, смотрим нашу табличку и находим интересующий нас сигнал:

Для нас не важно, пробивает ли сигнал "пол" или нет, главное, чтобы сохранялась форма сигнала. Видим, что наш коэффициент амплитуды K_a= 1,73.

Подставляем его в формулу и вычисляем среднеквадратическое значение нашего треугольного сигнала

Проверяем нашим прибором, так ли оно на самом деле?

Супер! И в правду Тrue RMS.

Замеряем это же самое напряжение с помощью моего китайского мультиметра

Он меня обманул :-(. Он умеет мерять только среднеквадратическое значение синусоидального сигнала, а у нас сигнал треугольный.

Самый интересный сигнал в плане расчетов - это двуполярный меандр, ну тот есть тот, который "пробивает пол".

Его амплитудное Umax, средневыпрямленное Uср.выпр. и среднеквадратичное напряжение U равняется одному и тому же значению. В данном случае это 1 Вольт.

Вот вам небольшая картинка, чтобы не путаться

Сред.  - средневыпрямленное значение сигнала. Это и есть площадь под кривой

СКЗ - среднеквадратичное напряжение. Как мы видим, для синусоидальных сигналов, оно будет больше, чем средневыпрямленное.

Пик. - амплитудное значение сигнала

Пик-пик. - размах или двойная амплитаду. Или иначе, амплитуда от пика до пика.

Так что же все-таки показывает мультиметр при измерении переменного напряжения? Показывает он НЕ амплитудное, НЕ среднее  и НЕ среднее выпрямленное напряжение, а среднее квадратическое! Про это не забываем ;-)

Читайте также