Ampiezza, media, efficace. Enciclopedia dell'elettronica radio e dell'ingegneria elettrica

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L'articolo è dedicato all'influenza della forma della corrente elettrica sulla sua azione. Si parla anche di misurare la tensione e la corrente di varie forme d'onda elettriche.

Innanzitutto va ricordato che una corrente elettrica alternata, indipendentemente dalla sua forma, è caratterizzata da valori di ampiezza Iampl (sinonimo di massimo), Iav media ed effettiva Ieff (rms, efficace). L'effetto della corrente su carichi diversi quando la sua forma cambia varia in modi diversi.

Ad esempio, la corrente di carica di una batteria durante il passaggio dal raddrizzamento a onda intera al raddrizzamento a semionda singola viene dimezzata. Se il carico del raddrizzatore è un riscaldatore, con un tale cambiamento di forma, non la corrente, ma la potenza viene dimezzata. Poiché, come sapete, la potenza P è proporzionale al quadrato della corrente (P \u2d IXNUMXR), quindi per la rettifica a semionda la corrente non diminuisce della metà, ma di una volta! Per evitare tali contraddizioni, vengono introdotti i concetti di cui sopra.

La prima delle tre grandezze che caratterizzano la corrente alternata è la sua valore di piccoe Iamp. È uguale al massimo valore istantaneo della corrente per il periodo del suo cambiamento. Stranamente, dal punto di vista dell'impatto di diverse forme di corrente su carichi diversi, l'ampiezza della corrente è la meno informativa. Ecco perché il valore della corrente alternata viene determinato confrontando la sua azione con quella della corrente continua.

media il valore di una corrente alternata è il valore di una tale corrente continua che trasporta la stessa carica di elettricità nello stesso periodo di tempo di una corrente alternata. Per una corrente alternata la cui forma è simmetrica rispetto all'asse del tempo (ad esempio un segnale sinusoidale), il valore medio della corrente è zero. Pertanto, il valore medio è generalmente inteso come valore medio rettificato, cioè il valore medio della corrente dopo che è stato rettificato. Il valore medio della corrente caratterizza la sua azione, ad esempio, durante la ricarica di una batteria.

Efficace il valore della corrente alternata è il valore della corrente continua, che, passando attraverso un carico lineare attivo (diciamo un resistore), rilascia la stessa quantità di calore nello stesso periodo di tempo che la corrente alternata rilascerà in questo carico. È il valore effettivo della corrente che è importante in relazione ai dispositivi di riscaldamento.

Per caratterizzare la forma dei segnali periodici vengono introdotti due parametri: il fattore di ampiezza ka=Iampl/Ieff e il fattore di forma kf=Ieff/Iav.rect.

Con la forma d'onda più comune - sinusoidale - i valori considerati sono:

Graficamente, il valore medio della corrente alternata è l'area sotto la curva che caratterizza la dipendenza della corrente dal tempo. Il valore effettivo corrisponde alla radice quadrata dell'area sotto la curva che descrive la dipendenza del quadrato della corrente dal tempo. Sulla fig. 1 mostra i grafici per un segnale sinusoidale convenzionale I(t)/Iampl e il suo quadrato (I(t)/Iampl)2. Dal confronto dei grafici si nota che il quadrato della corrente (e la potenza istantanea ad essa è proporzionale) pulsa con una frequenza doppia rispetto alla corrente. Inoltre, la deviazione della curva del quadrato della corrente rispetto alla linea a livello di 0,5 su e giù è la stessa. Quando si calcola l'area sotto questa curva, le deviazioni vengono compensate, il che significa che è la metà dell'area sotto la linea retta che caratterizza la corrente continua. Poiché il valore effettivo della corrente è proporzionale alla radice quadrata dell'area, è ovvio che è dentro inferiore al valore di ampiezza della corrente.

Sfortunatamente, l'area sotto la sinusoide I(t) / Iampl non può essere determinata senza la conoscenza del calcolo integrale, dovrai credere ai rapporti di cui sopra.

Per la tensione di un segnale elettrico alternato, esistono gli stessi valori caratterizzanti della corrente: ampiezza Uampl, Uav medio e Ueff effettivo. La connessione tra loro è la stessa. Con una tensione di rete effettiva di 220 V, la tensione di ampiezza è di 311 V, la tensione raddrizzata media è di 198 V.

In pratica un radioamatore deve confrontarsi con segnali elettrici di varia forma. Consideriamo alcuni di loro.

Tensione sinusoidale (Fig. 2, a) con rettifica a onda intera (Fig. 2, b) mantiene le sue caratteristiche e la tensione media diventa strettamente uguale a quella media rettificata.

Si è detto sopra che con la rettifica a semionda singola (Fig. 2, c), il valore medio della tensione diminuisce della metà rispetto alla rettifica a onda intera e il valore effettivo diminuisce di un fattore di. È facile capire che se in qualsiasi regolatore di potenza viene passato al carico uno su N semicicli, la tensione media diminuisce di N volte (la potenza nel carico diminuisce della stessa quantità) e la tensione effettiva - di tempo.

Meandro (figura 2d). Questo è il nome di un segnale che metà del periodo è uguale al suo valore massimo e l'altra metà è uguale a zero (Fig. 2d). Per lui il valore medio è pari alla metà dell'ampiezza. La potenza dissipata dalla corrente di questa forma nel carico è la metà della potenza da corrente continua, quindi il valore effettivo del segnale in volte minore dell'ampiezza. Nel caso di un meandro bipolare (Fig. 2e), le tensioni Uampl, Uav.rect e Ueff coincidono tra loro.

Treno di impulsi rettangolare (Fig. 2, f) con una durata t con un periodo di ripetizione T. Per tale segnale esiste il concetto di "duty cycle", che di solito è indicato con la lettera Q ed è definito come il rapporto tra il periodo e la durata dell'impulso: Q = T/t. Poiché la corrente del segnale di questa forma agisce Q volte meno tempo della corrente continua, il valore medio del segnale è Q volte inferiore all'ampiezza e il valore effettivo è tempo.

segnale a dente di sega (Fig. 2, g, h). Per lui il valore medio (media rettificata per bipolare) è pari alla metà dell'ampiezza (l'area del triangolo è pari alla metà del prodotto della base per l'altezza). Per calcolare il valore effettivo è necessario determinare l'area sotto la parabola che descrive la dipendenza del quadrato del segnale dal tempo. Non è così facile calcolare quest'area; in un calcolo matematico, il valore effettivo si ottiene in volte inferiore all'ampiezza.

La stessa relazione vale anche per un segnale triangolare (Fig. 2i), compreso uno bipolare (Fig. 2j).

Tensione all'uscita del controller a impulsi di fase (Fig. 2, l). La sua forma è caratterizzata dall'angolo di conduzione a, che generalmente può variare da 0 a . Il valore di ampiezza della tensione di questo modulo è

media -

efficace -

dove Uampl.s è la tensione di picco della rete all'ingresso del regolatore e l'angolo a nell'ultima formula deve essere sostituito in radianti.

Sulla fig. La figura 3 mostra le dipendenze descritte da queste formule.

In che modo gli strumenti di misura rispondono alle diverse forme d'onda? Notiamo, prima di tutto, che quasi tutti i puntatori e i multimetri digitali nella modalità di misurazione della tensione e della corrente continue determinano il valore medio del segnale in esame.

Gli strumenti del sistema elettromagnetico sono adatti per misurare la tensione e la corrente effettive: un'immagine del segno corrispondente è tracciata sulla loro scala (Fig. 4, a). Questi dispositivi sono comunemente usati in vari quadri per controllare la tensione di rete. Sono relativamente semplici ed economici, ma consumano molta energia, operano in una gamma di frequenze ristretta e hanno una scala non lineare.

I dispositivi speciali per la misurazione accurata della tensione effettiva in un'ampia gamma di frequenze sono complessi e costosi.

Per determinare il valore di ampiezza della tensione, viene solitamente utilizzato un raddrizzatore a diodi caricato su un voltmetro CC e un grande condensatore (Fig. 4b). L'accuratezza di tale misurazione è sufficiente per una tensione molto superiore alla caduta attraverso il diodo (circa 0,6 V).

Il puntatore e i multimetri digitali, durante il monitoraggio della tensione e della corrente alternata, determinano il valore medio rettificato e lo moltiplicano per il fattore di forma del segnale sinusoidale. Di conseguenza, quando si misura una tensione sinusoidale, vediamo il suo valore effettivo sull'indicatore del dispositivo. Con qualsiasi altra forma di segnale, l'interpretazione dei risultati delle misurazioni con un voltmetro CA è difficile.

Ad esempio, quando si collega un voltmetro AC che utilizza un raddrizzatore a semionda e non ha un condensatore di accoppiamento all'ingresso, mostrerà zero o un valore doppio rispetto al valore effettivo a seconda della polarità della connessione al uscita di un raddrizzatore a onda intera. Se è collegato all'uscita di un raddrizzatore a semionda, mostrerà zero o la tensione effettiva del segnale non rettificato. In entrambi i casi, i risultati della misurazione non sono affidabili. In presenza di un condensatore di accoppiamento, l'interpretazione delle letture è ancora più difficile.

Pertanto, per misurare la tensione unipolare alternata in assenza di strumenti specializzati, è necessario utilizzare un voltmetro CC. Tale voltmetro misura, come già accennato, la tensione media e, per ottenere un valore effettivo, le sue letture dovrebbero essere moltiplicate per il fattore di forma. E per ottenere il valore dell'ampiezza, è sufficiente moltiplicare per il fattore di ampiezza.

Conoscendo il valore di ampiezza della tensione di una sequenza di impulsi rettangolari, non è difficile determinare il ciclo di lavoro degli impulsi dal risultato della misurazione del valore medio, che a volte è molto conveniente.

La tabella mostra i rapporti dei valori medi ed effettivi rispetto all'ampiezza, nonché i coefficienti di forma e ampiezza per i segnali considerati.

Autore: S. Biryukov, Mosca

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