Reaktor Kapasitif

See what’s new in MASCHINE | Native Instruments (Jun 2019).

$config[ads_text] not found
Anonim

Reaktor Kapasitif

Litar Elektrik AC


soalan 1

Jangan hanya duduk di sana! Bina sesuatu !!

Belajar menganalisis litar memerlukan banyak kajian dan amalan. Lazimnya, pelajar mengamalkan dengan bekerja melalui banyak masalah sampel dan menyemak jawapan mereka terhadap yang disediakan oleh buku teks atau pengajar. Walaupun ini bagus, ada cara yang lebih baik.

Anda akan belajar lebih banyak dengan sebenarnya membina dan menganalisis litar sebenar, membiarkan peralatan ujian anda memberikan "jawaban" daripada buku atau orang lain. Untuk latihan pembinaan litar yang berjaya, ikuti langkah berikut:

  1. Berhati-hati mengukur dan merekod semua nilai komponen sebelum pembinaan litar.
  2. Lukis gambarajah skematik untuk litar untuk dianalisis.
  3. Berhati-hati membina litar ini pada papan roti atau medium mudah lain.
  4. Periksa ketepatan pembinaan litar, mengikuti setiap wayar ke setiap titik sambungan, dan mengesahkan unsur-unsur ini satu demi satu pada rajah.
  5. Matematik menganalisis litar, menyelesaikan semua voltan dan nilai semasa.
  6. Berhati-hati mengukur semua voltan dan arus, untuk mengesahkan ketepatan analisis anda.
  7. Sekiranya terdapat sebarang kesilapan besar (lebih daripada beberapa peratus), semak dengan teliti memeriksa pembinaan litar anda terhadap gambarajah, kemudian berhati-hati mengira semula nilai-nilai dan mengukur semula.

Untuk litar AC di mana reaktor induktif dan kapasitif (impedans) adalah unsur penting dalam pengiraan, saya cadangkan induktor dan kapasitor (high-Q) yang berkualiti tinggi dan menggerakkan litar anda dengan voltan frekuensi rendah (kekerapan talian kuasa berfungsi dengan baik) untuk meminimumkan kesan parasit. Sekiranya anda berada dalam belanjawan terhad, saya telah menemui bahawa papan kekunci muzik elektronik yang murah berfungsi sebagai "fungsi penjana" untuk menghasilkan pelbagai isyarat AC frekuensi audio. Pastikan anda memilih "suara" papan kekunci yang meniru gelombang sinus (suara "panflute" biasanya bagus), jika bentuk gelombang sinusoidal adalah andaian penting dalam pengiraan anda.

Seperti biasa, elakkan nilai resistor yang sangat tinggi dan sangat rendah, untuk mengelakkan kesilapan pengukuran yang disebabkan oleh "beban" meter. Saya cadangkan nilai resistor antara 1 kΩ dan 100 kΩ.

Salah satu cara anda boleh menjimatkan masa dan mengurangkan kemungkinan kesilapan adalah dengan memulakan litar yang sangat mudah dan menambahkan secara tambahan komponen untuk meningkatkan kerumitannya selepas setiap analisis, dan bukannya membina litar baru untuk setiap masalah amalan. Satu lagi teknik penjimatan masa adalah untuk menggunakan semula komponen yang sama dalam pelbagai konfigurasi litar yang berbeza. Dengan cara ini, anda tidak perlu mengukur sebarang nilai komponen lebih daripada satu kali.

Mendedahkan jawapan Sembunyikan jawapan

Biarkan elektron itu sendiri memberi anda jawapan kepada "masalah praktik" anda sendiri!

Nota:

Telah menjadi pengalaman saya bahawa pelajar memerlukan banyak latihan dengan analisis litar untuk menjadi mahir. Untuk tujuan ini, para pengajar biasanya memberikan pelajar mereka dengan banyak masalah amalan untuk bekerja, dan memberi jawapan kepada pelajar untuk memeriksa kerja mereka. Walaupun pendekatan ini menjadikan pelajar mahir dalam teori litar, ia gagal mendidik mereka sepenuhnya.

Pelajar tidak hanya memerlukan amalan matematik. Mereka juga memerlukan litar bangunan amalan sebenar dan menggunakan peralatan ujian. Oleh itu, saya cadangkan pendekatan alternatif berikut: pelajar perlu membina "masalah amalan" mereka sendiri dengan komponen sebenar, dan cuba meramal secara matematik pelbagai nilai voltan dan semasa. Dengan cara ini, teori matematik "menjadi hidup, " dan pelajar memperoleh kecekapan praktikal yang tidak mereka dapat semata-mata dengan menyelesaikan persamaan.

Satu lagi sebab untuk mengikuti kaedah amalan ini adalah untuk mengajar pelajar kaedah saintifik : proses menguji hipotesis (dalam kes ini, ramalan matematik) dengan melakukan eksperimen yang sebenar. Pelajar juga akan membangunkan kemahiran penyelesaian masalah yang sebenar kerana mereka kadang-kadang membuat kesalahan pembinaan litar.

Luangkan sedikit masa bersama kelas anda untuk mengkaji semula beberapa "peraturan" untuk membina litar sebelum mereka mula. Bincangkan isu-isu ini dengan pelajar anda dengan cara Socratic yang sama yang anda biasanya akan membincangkan soalan-soalan lembaran kerja, dan bukan sekadar memberitahu mereka apa yang patut dan tidak patut dilakukan. Saya tidak pernah terkejut melihat betapa lemahnya pelajar memahami arahan apabila dibentangkan dalam format kuliah tipikal (instruktur monolog)!

Cara terbaik untuk memperkenalkan pelajar kepada analisis matematik bagi litar sebenar ialah dengan terlebih dahulu mereka menentukan nilai komponen (L dan C) dari pengukuran voltan dan arus AC. Litar paling mudah, tentu saja, adalah komponen tunggal yang disambungkan kepada sumber kuasa! Bukan sahaja ini mengajar pelajar bagaimana untuk menyiapkan litar AC dengan betul dan selamat, tetapi ia juga akan mengajar mereka bagaimana untuk mengukur kapasitans dan induktans tanpa peralatan uji khusus.

Nota mengenai komponen reaktif: menggunakan kapasitor dan induktor berkualiti tinggi, dan cuba gunakan frekuensi rendah untuk bekalan kuasa. Transformer kuasa turun ke bawah kecil berfungsi dengan baik untuk induktor (sekurang-kurangnya dua induktor dalam satu pakej!), Selagi voltan yang digunakan untuk penggulungan pengubah adalah kurang daripada voltan pengubah pengubah bagi penggulungan itu (untuk mengelakkan ketepuan teras ).

Nota kepada pengajar yang mungkin mengadu tentang masa "sia-sia" yang diperlukan untuk membolehkan pelajar membina litar sebenar dan bukan hanya menganalisis litar teori secara matematik:

Apakah maksud pelajar mengambil kursus "panel kerja panel panel lalai" anda?

Soalan 2

Sebagai peraturan umum, kapasitor menentang perubahan dalam ( pilih: atau), dan mereka melakukannya dengan. . . (lengkapkan ayat).

Berdasarkan kaedah ini, tentukan bagaimana kapasitor akan bertindak balas terhadap voltan AC yang tetap yang meningkatkan kekerapan. Adakah kapasitor akan lulus lebih kurang semasa, memandangkan kekerapan yang lebih besar? Terangkan jawapan anda.

Mendedahkan jawapan Sembunyikan jawapan

Sebagai peraturan umum, kapasitor menentang perubahan, dan mereka melakukannya dengan menghasilkan arus.

Kapasitor akan melepasi arus AC semasa yang lebih besar, memandangkan voltan AC yang sama, pada frekuensi yang lebih tinggi.

Nota:

Persoalan ini adalah latihan dalam pemikiran kualitatif: kadar perubahan berkaitan dengan pembolehubah lain, tanpa menggunakan kuantiti berangka. Peraturan am yang dinyatakan di sini sangat penting bagi pelajar untuk menguasai dan dapat memohon kepada pelbagai keadaan. Sekiranya mereka tidak belajar apa-apa mengenai kapasitor kecuali peraturan ini, mereka akan dapat memahami fungsi banyak litar kapasitor.

Soalan 3


∫f (x) dx Kalkulus isyarat!


Kita tahu bahawa formula yang berkaitan voltan seketika dan arus dalam kapasitor ialah:

i = C de


dt

Mengetahui ini, tentukan pada apa titik pada plot gelombang sinus untuk voltan kapasitor adalah arus kapasitor yang sama dengan sifar, dan di mana arus berada pada puncak positif dan negatif. Kemudian, sambungkan titik ini untuk menarik bentuk gelombang untuk arus kapasitor:

Berapa banyak pergeseran fasa (darjah) yang ada di antara voltan dan arus gelombang "# 3"> Mendedahkan jawapan Sembunyikan jawapan

Untuk kapasitor, voltan adalah ketinggalan dan arus utama, dengan peralihan fasa 90 o .

Nota:

Persoalan ini adalah penerapan konsep kalkulus yang sangat baik mengenai derivatif : berkaitan dengan satu fungsi (arus seketika, i) dengan kadar perubahan seketika fungsi lain (voltan, (de / dt)).

Soalan 4

Anda perlu tahu bahawa kapasitor dibentuk oleh dua plat konduktif yang dipisahkan oleh bahan penebat elektrik. Oleh itu, tidak ada jalan "ohmik" untuk elektron mengalir di antara plat. Ini boleh dibuktikan dengan pengukuran ohmmeter, yang memberitahu kita kapasitor mempunyai rintangan terhingga (hampir) tak terhingga apabila ia dikenakan kepada voltan keluaran ohmmeter penuh.

Terangkan kemudian, bagaimana kapasitor dapat meneruskan lulus arus bolak -balik, walaupun ia tidak dapat meneruskan DC secara terus menerus.

Mendedahkan jawapan Sembunyikan jawapan

Saya akan membiarkan anda memikirkan ini sendiri!

Nota:

Ciri kapasitor ini sangat berguna dalam litar elektronik. Pelajar anda akan mendapati banyak aplikasi di kemudian hari dalam pengajian mereka!

Soalan 5

Adakah penentangan kapasitor untuk menukar arus naik atau berkurang semasa kekerapan arus meningkat "# 5"> Mendedahkan jawapan Sembunyikan jawapan

Pembangkang untuk arus AC ("reaktansi") kapasitor menurun apabila peningkatan kekerapan. Kami merujuk kepada pembangkang ini sebagai "reaktansi" daripada "rintangan" kerana ia tidak bersifat dissipative. Dengan kata lain, reaktansi tidak menyebabkan kuasa untuk meninggalkan litar.

Nota:

Tanya pelajar anda untuk menentukan hubungan antara reaktor kapasitor dan kekerapan sebagai "berkadar terus" atau "berkadar songsang". Ini adalah dua frasa yang sering digunakan dalam sains dan kejuruteraan untuk menerangkan sama ada satu kuantiti meningkat atau berkurangan kerana kuantiti lain meningkat. Pelajar anda pasti perlu memahami kedua-dua frasa ini, dan dapat mentafsir dan menggunakannya dalam perbincangan teknikal mereka.

Juga, bincangkan makna perkataan "non dissipative" dalam konteks ini. Bagaimanakah kita boleh membuktikan bahawa pembangkang untuk masa kini yang dinyatakan oleh seorang kapasitor tidak bersifat dissipative? Apa yang akan menjadi ujian akhir ini?

Soalan 6

Adakah semasa melalui perintang meningkat atau berkurangan apabila plat kapasitor bergerak lebih dekat bersama-sama?

Terangkan mengapa ini berlaku, dengan merujuk kepada reaktans kapasitif (X C ).

Mendedahkan jawapan Sembunyikan jawapan

Arus akan meningkat .

Persoalan susulan: menggabungkan persamaan kapasitansi fizikal dan persamaan reaktansi kapasitif bersama-sama untuk membentuk persamaan baru yang menyelesaikan reaktansi (X C ) yang diberikan semua spesifikasi fizikal kapasitor (kawasan pinggan, jarak, dan permittivity) dan frekuensi yang digunakan :

C = εA


d

X C = 1


2 πf C

Nota:

Pelajar mungkin dapat meneka jawapan yang betul walaupun mereka tidak tahu mengenai reaktansi kapasitif, hanya dengan menganggap bahawa plat dekat bermakna litar yang lebih lengkap. Jawapan sebenar adalah lebih rumit daripada ini, walau bagaimanapun, dan itulah yang harus anda keluarkan dari perbincangan dengan mereka.

Soalan 7

Katakan seseorang bertanya kepada anda untuk membezakan reaktansi elektrik (X) daripada rintangan elektrik (R). Bagaimana anda membezakan kedua konsep yang serupa antara satu dengan yang lain, menggunakan kata-kata anda sendiri "# 7"> Menerangkan jawapan Sembunyikan jawapan

Sangatlah penting bagi anda untuk merangka konsep ini dengan kata-kata anda sendiri, jadi pastikan untuk memeriksa dengan instruktor anda tentang ketepatan jawapan anda untuk soalan ini! Untuk memberi anda tempat untuk memulakan, saya menawarkan perbezaan ini: rintangan adalah geseran elektrik, manakala reaktansi adalah penyimpanan tenaga elektrik. Pada asasnya, perbezaan antara X dan R adalah pertukaran tenaga, dan ia difahami dengan tepat dalam istilah tersebut.

Nota:

Ini adalah titik crossover yang sangat baik dengan kajian pelajar anda dalam fizik asas, jika mereka sedang belajar fizik sekarang atau telah belajar fizik pada masa lalu. Tindakan pengawalan tenaga induktor dan kapasitor agak sama dengan tindakan pengawasan tenaga massa dan mata air (masing-masing, jika anda mengaitkan halaju dengan arus dan berkuat kuasa dengan voltan). Dalam urat yang sama, rintangan adalah sama dengan geseran kinetik antara objek bergerak dan permukaan pegun. Parallels sangat tepat, sebenarnya, sifat elektrik R, L, dan C telah dieksploitasi untuk memodelkan sistem mekanik geseran, massa, dan ketahanan dalam litar yang dikenali sebagai komputer analog .

Soalan 8

Kapasitor yang dinilai pada 2.2 microfarad tertakluk kepada voltan AC sinusoidal sebanyak 24 volt RMS, pada kekerapan 60 hertz. Tulis formula untuk mengira reactance kapasitif (X C ), dan selesaikan semasa melalui kapasitor.

Mendedahkan jawapan Sembunyikan jawapan

X C = 1


2 πf C

Arus melalui kapasitor ini ialah 19.91 mA RMS.

Nota:

Saya secara konsisten mendapati bahawa analisis kualitatif (lebih besar daripada, kurang daripada, atau sama) jauh lebih sukar bagi pelajar untuk melakukan daripada analisis kuantitatif (tebukan angka pada kalkulator). Walau bagaimanapun, saya secara konsisten mendapati bahawa pekerjaan yang kurang dari kemahiran kualitatif menjadikan lebih banyak "kesilapan" kuantitatif kerana mereka tidak boleh mengesahkan pengiraan mereka dengan anggaran.

Memandangkan ini, saya sentiasa mencabar pelajar saya untuk menganalisis formula secara kualitatif apabila mereka mula diperkenalkan kepada mereka. Tanyakan kepada pelajar anda untuk mengenal pasti apa yang akan berlaku kepada satu istilah persamaan jika istilah lain sama ada untuk meningkatkan atau menurun (anda memilih arah perubahan). Gunakan simbol panah atas dan ke bawah jika perlu untuk mengkomunikasikan perubahan ini secara grafik. Pelajar anda akan mendapat manfaat dalam pemahaman konseptual mengenai matematik yang diterapkan dari amalan ini!

Soalan 9

Pada kekerapan apa kapasitor 33 μF mempunyai 20 Ω reaktansi? Tulis formula untuk menyelesaikannya, sebagai tambahan untuk mengira kekerapan.

Mendedahkan jawapan Sembunyikan jawapan

f = 241.1 Hz

Nota:

Pastikan anda meminta pelajar anda untuk menunjukkan manipulasi algebra formula asal, dalam memberikan jawapan kepada soalan ini. Manipulasi aljabar persamaan adalah kemahiran yang sangat penting untuk dimiliki, dan hanya datang dengan kajian dan amalan.

Soalan 10

Jelaskan semua langkah yang diperlukan untuk mengira jumlah semasa dalam litar AC kapasitif ini:

Mendedahkan jawapan Sembunyikan jawapan

I = 22.6 mA

Nota:

Arus tidak sukar untuk dikira, jadi jelas aspek yang paling penting dalam soalan ini bukan matematik. Sebaliknya, ia adalah prosedur perhitungan: apa yang perlu dilakukan terlebih dahulu, kedua, ketiga, dan sebagainya, dalam mendapatkan jawapan terakhir.

Soalan 11

Dalam litar DC, kita mempunyai Undang-undang Ohm untuk mengaitkan voltan, arus, dan rintangan bersama-sama:

E = IR

Dalam litar AC, kita juga memerlukan satu formula untuk mengaitkan voltan, arus, dan impedans bersama-sama. Tulis tiga persamaan, satu penyelesaian bagi setiap tiga pembolehubah ini: satu set formula Hukum Ohm untuk litar AC. Bersedia untuk menunjukkan bagaimana anda boleh menggunakan algebra untuk memanipulasi salah satu persamaan ini ke dalam dua bentuk yang lain.

Mendedahkan jawapan Sembunyikan jawapan

E = IZ

I = E


Z

Z = E


Saya

Jika menggunakan kuantiti phasor (nombor kompleks) untuk voltan, arus, dan impedans, cara yang betul untuk menulis persamaan ini adalah seperti berikut:

E = IZ

I = E


Z

Z = E


Saya

Jenis yang berwajah tebal adalah cara umum untuk menunjukkan kuantiti vektor dalam matematik.

Nota:

Walaupun penggunaan kuantiti phasor untuk voltan, arus, dan impedans dalam bentuk AC dari Undang-undang Ohm menghasilkan kelebihan tertentu daripada pengiraan skalar, ini tidak bermakna seseorang tidak dapat menggunakan kuantiti skalar. Selalunya sesuai untuk menyatakan voltan, arus, atau impedansi AC sebagai nombor skalar yang mudah.

Soalan 12

Selalunya perlu untuk mewakili kuantiti litar AC sebagai nombor kompleks dan bukannya sebagai nombor skalar, kerana kedua-dua magnitud dan sudut fasa perlu dipertimbangkan dalam pengiraan tertentu.

Apabila mewakili voltan AC dan arus dalam bentuk polar, sudut yang diberikan merujuk kepada peralihan fasa antara voltan atau arus yang diberikan, dan voltan atau arus "rujukan" pada frekuensi yang sama di tempat lain di litar. Jadi, voltan 3.5 V ∠-45 o bermaksud voltan 3.5 volt magnitud, fasa beralih 45 darjah di belakang (ketinggalan) voltan rujukan (atau semasa), yang ditakrifkan pada sudut 0 darjah.

Tetapi bagaimana dengan impedans (Z) "# 12"> Mendedahkan jawapan Sembunyikan jawapan

Z C = 15.92 kΩ ∠ -90 o

Nota:

Ini adalah soalan yang mencabar, kerana ia meminta pelajar untuk mempertahankan penerapan sudut fasa kepada jenis kuantiti yang tidak benar-benar mempunyai bentuk gelombang seperti tegangan AC dan arus. Secara konseptual, ini sukar difahami. Walau bagaimanapun, jawapannya agak jelas melalui pengiraan Undang-undang Ohm (Z = E / I ).

Walaupun adalah semulajadi untuk memberikan sudut fasa 0 o ke 48 volt bekalan, menjadikannya bentuk gelombang rujukan, ini tidak semestinya diperlukan. Bekerja melalui perhitungan ini dengan pelajar anda, dengan asumsi sudut yang berbeza untuk voltan dalam setiap contoh. Anda harus mendapati bahawa impedans mengira untuk menjadi kuantiti tepat yang sama setiap kali.

Soalan 13

Jelaskan bagaimana anda boleh mengira nilai kapasitansi kapasitor (dalam unit Farads), dengan mengukur voltan AC, arus AC, dan kekerapan dalam litar konfigurasi ini:

Tulis penyelesaian formula tunggal untuk kapasitansi yang diberi ketiga nilai ini (V, I, dan f).

Mendedahkan jawapan Sembunyikan jawapan

C = Saya


2 πf V

Nota:

Tanyakan kepada pelajar anda untuk menunjukkan bagaimana mereka tiba di formula untuk mengira C. Algebra tidak sukar, tetapi ada penggantian yang diperlukan.

Soalan 14

Juruteknik mengukur voltan merentasi terminal injap solenoid terbakar, untuk memeriksa kehadiran voltan berbahaya sebelum menyentuh sambungan wayar. Pemutus litar untuk solenoid ini telah dimatikan dan diamankan dengan kunci, tetapi voltmeter digital juruteknik masih mencatat kira-kira tiga setengah volt AC melintasi terminal solenoid!

Kini, tiga setengah voltan AC tidak mencukupi voltan untuk menyebabkan sebarang bahaya, tetapi kehadirannya mengelirukan dan membimbangkan juruteknik. Sekiranya tidak ada 0 volt, dengan pemutus dimatikan "# 14"> Mendedahkan jawapan Sembunyikan jawapan

Kapasiti yang sesat yang wujud antara hubungan terbuka pemutus menyediakan jalan impedans tinggi untuk voltan AC untuk mencapai petunjuk ujian voltmeter.

Soalan susulan: manakala voltan yang diukur dalam kes ini jauh di bawah ambang industri am untuk bahaya kejutan (30 volt), senario yang sedikit berbeza dapat menghasilkan pengukuran voltan "hantu" yang lebih besar. Bolehkah voltan kapasitif yang ditambah seperti ini mungkin menimbulkan bahaya keselamatan? Mengapa atau mengapa tidak?

Soalan cabaran: adakah juruteknik mungkin dapat melihat sama ada atau tidak 3.51 volt yang diukur oleh voltmeter adalah "sebenar" atau tidak? Dalam erti kata lain, bagaimana jika voltan kecil ini bukan hasil dari kapasitansi sesat merentasi kenalan pemutus, tetapi sebilangan sumber AC lain yang mampu menyampaikan arus besar? Bagaimanakah juruteknik boleh menentukan sama ada 3.51 volt atau 3.51 volt mampu memperoleh jumlah arus yang signifikan?

Nota:

Saya tidak dapat memberitahu anda berapa kali saya menemui fenomena ini: "hantu" tegangan AC yang didaftarkan oleh impulsans tinggi DMM dalam litar yang sepatutnya "mati." Jurutera elektrik industri sering menggunakan instrumen yang berbeza untuk memeriksa kehadiran voltan berbahaya, peranti kasar yang dikenali sebagai "Wiggy."

Soalan 15

Fon kepala audio menjadikan pengesan voltan yang sangat sensitif untuk isyarat AC dalam julat frekuensi audio. Walau bagaimanapun, penutur kecil di dalam fon kepala mudah rosak dengan penggunaan voltan DC.

Terangkan bagaimana kapasitor boleh digunakan sebagai peranti "penapisan" untuk membolehkan isyarat AC melalui sepasang fon kepala, tetapi menyekat mana-mana voltan DC yang digunakan, untuk membantu mencegah kerosakan fon kepala secara tidak sengaja semasa menggunakannya sebagai alat elektrik.

Kunci untuk memahami bagaimana menjawab soalan ini adalah untuk mengenali apa kapasitor "muncul sebagai" kepada isyarat AC berbanding isyarat DC.

Mendedahkan jawapan Sembunyikan jawapan

Sambungkan kapasitor secara bersiri dengan penceramah fon kepala.

Nota:

Saya sangat mengesyorkan kepada pelajar bahawa mereka perlu membina litar pengubah pengubah jika mereka berhasrat menggunakan sepasang fon kepala audio sebagai alat ujian (lihat nombor fail soal 00983 untuk gambarajah skematik lengkap).

  • ← Lembaran Kerja Sebelumnya

  • Indeks Lembaran Kerja

  • Lembaran kerja seterusnya →