Θεωρία κυκλώματος AC: τι είναι ac και πώς δημιουργείται

Εισαγωγή

Ένα ηλεκτρικό κύκλωμα είναι μια πλήρης αγώγιμη διαδρομή μέσω της οποίας τα ηλεκτρόνια ρέουν από την πηγή στο φορτίο και πίσω στην πηγή. Ωστόσο, η κατεύθυνση και το μέγεθος της ροής των ηλεκτρονίων εξαρτώνται από το είδος της πηγής. Στην Ηλεκτρολογία, υπάρχουν βασικά δύο τύποι πηγής τάσης ή ρεύματος (Ηλεκτρική Ενέργεια) που καθορίζουν το είδος του κυκλώματος και είναι: Εναλλασσόμενο ρεύμα (ή τάση) και συνεχές ρεύμα.

Για τις επόμενες αναρτήσεις, θα επικεντρωθούμε στο εναλλασσόμενο ρεύμα και θα προχωρήσουμε σε θέματα που κυμαίνονται από το εναλλασσόμενο ρεύμα έως τις μορφές κύματος εναλλασσόμενου ρεύματος και ούτω καθεξής.

Κυκλώματα AC

Τα κυκλώματα AC όπως υποδηλώνει το όνομα (εναλλασσόμενο ρεύμα) είναι απλά κυκλώματα που τροφοδοτούνται από εναλλακτική πηγή, είτε τάσης είτε ρεύματος. Ένα εναλλασσόμενο ρεύμα ή τάση, είναι εκείνο στο οποίο η τιμή είτε της τάσης είτε του ρεύματος ποικίλλει γύρω από μια συγκεκριμένη μέση τιμή και αντιστρέφει περιοδικά την κατεύθυνση.

Οι περισσότερες σύγχρονες οικιακές και βιομηχανικές συσκευές και συστήματα τροφοδοτούνται με εναλλασσόμενο ρεύμα. Όλες οι συνδεδεμένες σε DC συσκευές και οι επαναφορτιζόμενες μπαταρίες βασίζονται τεχνικά σε εναλλασσόμενο ρεύμα, καθώς όλοι χρησιμοποιούν κάποια μορφή ισχύος DC που προέρχεται από AC είτε για φόρτιση των μπαταριών τους είτε για τροφοδοσία του συστήματος. Έτσι, το εναλλασσόμενο ρεύμα είναι η μορφή μέσω της οποίας τροφοδοτείται ρεύμα στο δίκτυο.

Το κύκλωμα εναλλαγής δημιουργήθηκε τη δεκαετία του 1980 όταν ο Tesla αποφάσισε να λύσει την ανικανότητα μεγάλων αποστάσεων των γεννητριών DC του Thomas Edison. Αναζήτησε έναν τρόπο μεταφοράς ηλεκτρικής ενέργειας σε υψηλή τάση και, στη συνέχεια, χρησιμοποίησε τη χρήση μετασχηματιστών για να τον ανεβάσει είτε προς τα πάνω είτε προς τα κάτω, όπως μπορεί να χρειαστεί για διανομή και έτσι κατάφερε να ελαχιστοποιήσει την απώλεια ισχύος σε μεγάλη απόσταση, που ήταν το κύριο πρόβλημα της Direct Τρέχουσα τη στιγμή.

Εναλλασσόμενο ρεύμα VS συνεχές ρεύμα (AC vs DC)

Τα AC και DC διαφέρουν με διάφορους τρόπους από γενιά σε μετάδοση και διανομή, αλλά για λόγους απλότητας, θα διατηρήσουμε τη σύγκριση με τα χαρακτηριστικά τους για αυτήν την ανάρτηση.

Η κύρια διαφορά μεταξύ του AC και του DC, η οποία είναι επίσης η αιτία των διαφορετικών χαρακτηριστικών τους, είναι η κατεύθυνση της ροής της ηλεκτρικής ενέργειας. Στο DC, τα ηλεκτρόνια ρέουν σταθερά σε μία μόνο κατεύθυνση ή προς τα εμπρός, ενώ στο AC, τα ηλεκτρόνια εναλλάσσουν την κατεύθυνση ροής τους σε περιοδικά διαστήματα. Αυτό οδηγεί επίσης σε εναλλαγή στο επίπεδο τάσης καθώς αλλάζει από θετικό σε αρνητικό σύμφωνα με το ρεύμα.

Ακολουθεί ένα διάγραμμα σύγκρισης για να επισημάνετε μερικές από τις διαφορές μεταξύ AC και DC. Άλλες διαφορές θα επισημανθούν καθώς προχωράμε περισσότερο στην εξερεύνηση κυκλωμάτων εναλλασσόμενου ρεύματος.

Βάση σύγκρισης	ΜΕΤΑ ΧΡΙΣΤΟΝ	DC
Ικανότητα μετάδοσης ενέργειας	Ταξιδεύει σε μεγάλη απόσταση με ελάχιστη απώλεια ενέργειας	Μεγάλη ποσότητα ενέργειας χάνεται όταν αποστέλλεται σε μεγάλες αποστάσεις
Βασικά στοιχεία γενιάς	Περιστροφή ενός μαγνήτη κατά μήκος ενός καλωδίου.	Σταθερός μαγνητισμός κατά μήκος ενός καλωδίου
Συχνότητα	Συνήθως 50Hz ή 60Hz ανάλογα με τη χώρα	Η συχνότητα είναι μηδέν
Κατεύθυνση	Αντιστρέφει περιοδικά την κατεύθυνση όταν ρέει μέσω κυκλώματος	Σταθερά σταθερή ροή προς μία κατεύθυνση.
Ρεύμα	Το μέγεθος του ποικίλλει με το χρόνο	Σταθερό μέγεθος
Πηγή	Όλες οι μορφές γεννητριών εναλλασσόμενου ρεύματος και δικτύου	Κυψέλες, μπαταρίες, Μετατροπή από AC
Παθητικές παράμετροι	Αντίσταση (RC, RLC, κ.λπ.)	Μόνο αντίσταση
Συντελεστής ισχύος	Βρίσκεται μεταξύ 0 και 1	Πάντα 1
Κυματομορφή	Ημιτονοειδές, τραπεζοειδές, τριγωνικό και τετράγωνο	Ευθεία γραμμή, μερικές φορές παλλόμενη.

Βασική πηγή εναλλασσόμενου ρεύματος (Γεννήτρια εναλλασσόμενου ρεύματος μονής σπείρας)

Η αρχή της γενιάς AC είναι απλή. Εάν ένα μαγνητικό πεδίο ή ένας μαγνήτης περιστρέφεται κατά μήκος ενός σταθερού σετ πηνίων (σύρματα) ή την περιστροφή ενός πηνίου γύρω από ένα σταθερό μαγνητικό πεδίο, δημιουργείται εναλλασσόμενο ρεύμα χρησιμοποιώντας μια γεννήτρια εναλλασσόμενου ρεύματος (εναλλάκτης).

Η απλούστερη μορφή γεννήτριας AC αποτελείται από έναν βρόχο σύρματος που περιστρέφεται μηχανικά γύρω από έναν άξονα ενώ βρίσκεται μεταξύ των βόρειων και νότιων πόλων ενός μαγνήτη.

Εξετάστε την παρακάτω εικόνα.

Καθώς το πηνίο οπλισμού περιστρέφεται εντός του μαγνητικού πεδίου που δημιουργείται από τους μαγνήτες του βόρειου και του νότου πόλου, η μαγνητική ροή μέσω του πηνίου αλλάζει, και έτσι τα φορτία επιβάλλονται μέσω του σύρματος, δημιουργώντας μια πραγματική τάση ή επαγόμενη τάση. Η μαγνητική ροή μέσω του βρόχου είναι αποτέλεσμα της γωνίας του βρόχου σε σχέση με την κατεύθυνση του μαγνητικού πεδίου. Εξετάστε τις παρακάτω εικόνες.

Από τις εικόνες που φαίνονται παραπάνω, μπορούμε να συμπεράνουμε ότι, ορισμένοι αριθμοί γραμμών μαγνητικού πεδίου θα κοπούν καθώς περιστρέφεται ο οπλισμός, το ποσό της «κοπής γραμμών» καθορίζει την έξοδο τάσης. Με κάθε αλλαγή στη γωνία περιστροφής και την επακόλουθη κυκλική κίνηση του οπλισμού έναντι των μαγνητικών γραμμών, αλλάζει επίσης το ποσό των «μαγνητικών γραμμών που κόβονται», επομένως αλλάζει επίσης η τάση εξόδου. Για παράδειγμα, οι γραμμές μαγνητικού πεδίου που κόβονται σε μηδέν βαθμό είναι μηδέν που καθιστά την προκύπτουσα τάση μηδέν, αλλά σε 90 μοίρες, σχεδόν όλες οι γραμμές μαγνητικού πεδίου κόβονται, συνεπώς παράγεται μέγιστη τάση σε μία κατεύθυνση σε μία κατεύθυνση. Το ίδιο ισχύει στους 270 μοίρες μόνο που δημιουργείται στην αντίθετη κατεύθυνση. Υπάρχει συνεπώς μια επακόλουθη αλλαγή στην τάση καθώς ο οπλισμός περιστρέφεται εντός του μαγνητικού πεδίου που οδηγεί στο σχηματισμό μιας ημιτονοειδούς κυματομορφής. Η προκύπτουσα επαγόμενη τάση είναι επομένως ημιτονοειδής, με γωνιακή συχνότητα ω μετρούμενη σε ακτίνια ανά δευτερόλεπτο.

Το επαγόμενο ρεύμα στην παραπάνω ρύθμιση δίνει από την εξίσωση:

I = V / R

Όπου V = NABwsin (wt)

Όπου N = Ταχύτητα

A = Περιοχή

B = Μαγνητικό πεδίο

w = Γωνιακή συχνότητα.

Οι πραγματικές γεννήτριες AC είναι προφανώς πιο περίπλοκες από αυτήν, αλλά λειτουργούν με βάση τις ίδιες αρχές και νόμους της ηλεκτρομαγνητικής επαγωγής όπως περιγράφεται παραπάνω. Το εναλλασσόμενο ρεύμα δημιουργείται επίσης χρησιμοποιώντας συγκεκριμένα είδη μετατροπέων και κυκλωμάτων ταλαντωτών όπως βρίσκονται στους μετατροπείς.

Μετασχηματιστές

Οι αρχές επαγωγής στις οποίες βασίζεται το AC δεν περιορίζονται μόνο στην παραγωγή του αλλά και στη μετάδοση και διανομή του. Όπως την εποχή που το AC ήρθε σε υπολογισμό, ένα από τα κύρια ζητήματα ήταν το γεγονός ότι το DC δεν μπορούσε να μεταδοθεί σε μεγάλη απόσταση, επομένως ένα από τα κύρια ζητήματα, το AC έπρεπε να λυθεί για να γίνει βιώσιμο, ήταν να είναι σε θέση για την ασφαλή παροχή των υψηλών τάσεων (KV) που παράγονται σε καταναλωτές που χρησιμοποιούν τάσεις στην περιοχή V και όχι KV. Αυτός είναι ένας από τους λόγους για τους οποίους ο μετασχηματιστής περιγράφεται ως ένας από τους σημαντικότερους ενεργοποιητές του AC και είναι σημαντικό να μιλήσουμε για αυτό.

Στους μετασχηματιστές, δύο πηνία είναι ενσύρματα με τέτοιο τρόπο ώστε όταν εφαρμόζεται εναλλασσόμενο ρεύμα σε ένα, προκαλεί τάση στον άλλο. Οι μετασχηματιστές είναι συσκευές που χρησιμοποιούνται είτε για να κατεβαίνουν είτε να αυξάνουν την τάση που εφαρμόζεται στο ένα άκρο (Primary Coil) για την παραγωγή χαμηλότερης ή υψηλότερης τάσης αντίστοιχα στο άλλο άκρο (Secondary Coil) του μετασχηματιστή. Η επαγόμενη τάση στο δευτερεύον πηνίο είναι πάντα ίση με την τάση που εφαρμόζεται στο πρωτεύον πολλαπλασιαζόμενη με την αναλογία του αριθμού στροφών στο δευτερεύον πηνίο προς το πρωτεύον πηνίο.

Ένας μετασχηματιστής που είναι ένας μετασχηματιστής βήμα προς τα κάτω ή προς τα πάνω εξαρτάται έτσι από την αναλογία του αριθμού των στροφών στο δευτερεύον πηνίο προς τον αριθμό των στροφών του αγωγού στο πρωτεύον πηνίο. Εάν υπάρχουν περισσότερες στροφές στο πρωτεύον πηνίο σε σύγκριση με το δευτερεύον, ο μετασχηματιστής μειώνει την τάση, αλλά εάν το πρωτεύον πηνίο έχει μικρότερο αριθμό στροφών σε σύγκριση με το δευτερεύον πηνίο, ο μετασχηματιστής αυξάνει την τάση που εφαρμόζεται στο πρωτεύον.

Οι μετασχηματιστές έχουν καταστήσει τη διανομή ηλεκτρικής ενέργειας σε μεγάλες αποστάσεις πολύ δυνατή, οικονομική και πρακτική. Για τη μείωση των απωλειών κατά τη μετάδοση, η ηλεκτρική ενέργεια μεταδίδεται από σταθμούς παραγωγής σε υψηλή τάση και χαμηλό ρεύμα και στη συνέχεια διανέμεται σε σπίτια και γραφεία σε χαμηλές τάσεις και υψηλά ρεύματα με τη βοήθεια μετασχηματιστών.

Έτσι θα σταματήσουμε εδώ για να μην υπερφορτώσουμε το άρθρο με πάρα πολλές πληροφορίες. Στο δεύτερο μέρος αυτού του άρθρου, θα συζητήσουμε τις κυματομορφές εναλλασσόμενου ρεύματος και θα πάρουμε κάποιες εξισώσεις και υπολογισμούς. Μείνετε συντονισμένοι.