Curentul direct sau DC, așa cum se numește cel mai frecvent, reprezintă o formă de curent electric sau tensiune care circulă printr-un circuit electric într-o singură direcție, făcându-l o sursă "unidirecțională".

În general, atât curenții DC cât și tensiunile DC sunt produse de surse de alimentare, baterii, dinamuri și celule solare, pentru a numi câteva. Tensiunea sau curentul DC are o magnitudine fixă ​​(amplitudine) și o direcție definită asociată cu aceasta. De exemplu, +12 V reprezintă 12 volți în direcția pozitivă sau -5 V reprezintă 5 volți în direcția negativă.

Știm că sursele de alimentare DC nu își modifică valoarea în raport cu timpul, ele sunt o valoare constantă care curge într-o direcție continuă. Cu alte cuvinte, DC menține aceeași valoare în timp și o alimentare DC continuă unidirecțională nu se schimbă sau devine negativă numai dacă conexiunile sale sunt inversate fizic. Un exemplu de circuit simplu DC sau de curent continuu este prezentat mai jos.

Circuitul DC și forma de undă

O funcție alternantă sau o formă de undă AC, pe de altă parte, este definită ca una care variază atât în ​​amplitudine cât și în direcție în mai mult sau mai puțin de manieră uniformă în ceea ce privește timpul, făcând o formă de undă "bidirecțională". O funcție AC poate reprezenta fie o sursă de alimentare, fie o sursă de semnal cu forma de undă AC, în general urmând acea sinusoidă matematică definită ca: A(t) = Amax sin(2πft).

Termenul AC sau pentru a da descrierea completă a curentului alternativ, se referă, în general, la o formă de undă variabilă în timp, cea mai frecventă dintre ele fiind numită Sinusoidă, mai cunoscută sub numele de formă sinusoidală. Formele de undă sinusoidale sunt mai general numite prin descrierea lor scurtă ca Sine Waves. Sine Waves sunt, de departe, dintre cele mai importante tipuri de forme de undă AC utilizate în ingineria electrică.

Forma obținută prin trasarea valorilor de ordonare instantanee a fiecărei tensiuni sau a curentului în funcție de timp se numește o formă de undă AC. O formă de undă AC își schimbă în mod constant polaritatea la fiecare jumătate de ciclu, alternând între o valoare maximă pozitivă și o valoare maximă negativă, respectiv în raport cu timpul, un exemplu obișnuit al acesteia fiind furnizarea de tensiune de alimentare utilizată în casele noastre.

Aceasta înseamnă că forma de undă AC este un "semnal dependent de timp", cel mai comun tip de semnal dependent de timp fiind acela al undelor periodice. Forma de undă periodică sau AC este produsul rezultat al unui generator electric rotativ. În general, forma oricărei forme de undă periodice poate fi generată utilizând o frecvență fundamentală și suprapunând-o cu semnale armonice de diferite frecvențe și amplitudini, dar asta este pentru un alt tutorial.

Tensiunile și curenții alternativi nu pot fi stocați în baterii sau celule cum ar fi curentul direct (DC), este mult mai ușor și mai ieftin să generați aceste cantități folosind alternatoare sau generatoare de forme de undă atunci când acestea sunt necesare. Tipul și forma unei forme de undă AC depind de generatorul sau dispozitivul care le produce, dar toate formele de undă AC constau dintr-o linie de tensiune zero care împarte forma de undă în două jumătăți simetrice. Principalele caracteristici ale unei forme de undă AC sunt definite ca:

• Perioada, (T) este durata de timp în secunde în care forma de undă trebuie să se repete de la început până la sfârșit. Aceasta poate fi numită și perioada formei de undă sinusoidale sau Lățimea de impuls pentru undele dreptunghiulare.

• Frecvența, (ƒ) este numărul de repetări ale formei de undă în interval de o secundă. Frecvența este inversul perioadei de timp, (ƒ = 1/T) cu unitatea de frecvență fiind Hertz, (Hz).

• Amplitudinea (A) este magnitudinea sau intensitatea formei de undă a semnalului, măsurată în volți sau amperi.

În tutorialul nostru despre Forme de undă, am analizat diferite tipuri de forme de undă și am spus că " Formele de undă reprezintă, în esență, o reprezentare vizuală a variației unei tensiuni sau a unui curent trasate funcție de timp". În general, pentru formele de undă AC, această linie orizontală de bază reprezintă o condiție zero a tensiunii sau a curentului. Orice parte a formei de undă de tip AC care se află deasupra axei orizontale zero reprezintă o tensiune sau curent care curge într-o direcție.

De asemenea, orice parte a formei de undă care se află sub axa orizontală zero reprezintă o tensiune sau curent care curge în direcția opusă primei. În general, pentru forme de undă AC sinusoidale, forma formei de undă deasupra axei zero este aceeași cu forma de sub aceasta.

Cele mai frecvente forme de undă periodice ale semnalelor utilizate în Ingineria electrică și electronică sunt formele sinusoidale. Cu toate acestea, o formă de undă alternativă poate să nu aibă întotdeauna o formă netedă bazată pe funcția trigonometrică sinus sau cosinus. Formele de undă AC pot fi complexe, dreptunghiulare sau triunghiulare și acestea sunt prezentate mai jos.

Tipuri de forme de undă periodice

Timpul necesar pentru o formă de undă AC pentru a finaliza un model complet de la jumătatea sa pozitivă până la jumătatea sa negativă și din nou la valoarea inițială zero se numește ciclu și un ciclu complet conține atât o jumătate de ciclu pozitiv cât și o jumătate de ciclu negativ. Timpul necesar formei de undă pentru a finaliza un ciclu complet se numește Perioada formei de undă și este dată de simbolul "T".

Numărul de cicluri complete care sunt produse într-o secundă (cicluri/secundă) se numește Frecvență, simbol ƒ al formei de undă alternante. Frecvența este măsurată în Hertz , (Hz) numită după fizicianul german Heinrich Hertz.

Apoi vedem că există o relație între cicluri (oscilații), perioadă și frecvență (cicluri pe secundă), deci dacă există un număr ƒ de cicluri într-o secundă, fiecare ciclu individual trebuie să dureze 1/f secunde pentru a se finaliza.

Relația dintre frecvență și perioadă

Forma de undă AC. Exemplul nr 1.

1. Care va fi perioada unei forme de undă de 50 Hz și
2. Care este frecvența unei forme de undă AC care are o perioadă de 10 ms.

Frecvența a fost exprimată în "cicluri pe secundă" abreviată la "cps", dar astăzi este mai frecvent specificată în unități numite "Hertz". Pentru o sursă de alimentare domestică, frecvența va fi de 50 Hz sau 60 Hz în funcție de țară și va fi fixată de viteza de rotație a generatorului. Dar un hertz este o unitate foarte mică, astfel încât se folosesc prefixele care denotă ordinea de mărime a formei de undă la frecvențe mai mari, cum ar fi kHz, MHz și chiar GHz .

Definiția prefixelor de frecvență

Amplitudinea unei forme de undă AC

Pe lângă cunoașterea fie a perioadei, fie a frecvenței cantității alternante, un alt parametru important al formei de undă AC este amplitudinea, mai bine cunoscută ca valoarea maximă sau valoarea de vârf (peak) reprezentată de termenii Vmax pentru tensiune sau Imax pentru curent.

Valoarea maximă (peak) este cea mai mare valoare a tensiunii sau a curentului pe care forma de undă o atinge în timpul fiecărei jumătăți de ciclu, măsurată de la linia de bază zero. Spre deosebire de tensiunea sau curentul DC care are o stare de echilibru care poate fi măsurată sau calculată folosind Legea lui Ohm, o cantitate alternativă își schimbă în mod constant valoarea în timp.

Pentru formele de undă sinusoidale pure, această valoare maximă va fi întotdeauna aceeași pentru ambele jumătăți de ciclu (+Vm = -Vm), dar pentru formele de undă nesinusoidale sau complexe, valoarea peak maximă poate fi foarte diferită pentru fiecare jumătate de ciclu. Uneori, formele de undă alternante sunt date ca valoare Vp-p, peak-to-peak, vârf la vârf, și aceasta este pur și simplu distanța sau suma în tensiune între valoarea maximă de vârf, +Vmax și valoarea minimă de vârf, -Vmax pe parcursul unui ciclu complet.

Valoarea medie a unei forme de undă AC

Valoarea medie sau de mijloc a unei tensiuni continue DC va fi întotdeauna egală cu valoarea de vârf maximă, deoarece tensiunea DC este constantă. Această valoare medie se va modifica numai dacă ciclul de funcționare al tensiunii DC se va schimba. Într-o undă sinusoidală pură, dacă se calculează valoarea medie pe întregul ciclu, valoarea medie va fi egală cu zero, deoarece jumătățile pozitive și negative se vor anula reciproc. Deci, valoarea medie sau de mijloc a unei forme de undă AC este calculată sau măsurată doar pe o jumătate de ciclu și aceasta este prezentată mai jos.

Valoarea medie a unei forme de undă nesinusoidale

Pentru a găsi valoarea medie a formei de undă, trebuie să calculam suprafața de sub forma de undă folosind regula ordonatei medii, regula trapezoidală sau regula lui Simpson găsită frecvent în matematică. Aria aproximativă sub orice formă de undă neregulată poate fi găsită cu ușurință prin simpla folosire a regulii ordinatei medii.

Linia de bază a axei zero este împărțită în orice număr de părți egale, iar în exemplul nostru simplu de mai sus această valoare a fost de nouă (V1 până la V9). Cele mai multe linii ordonate care sunt extrase mai precis vor fi media finală sau valoarea medie. Valoarea medie va fi adăugarea tuturor valorilor instantanee adunate și apoi împărțite la numărul total. Acest lucru este dat de:

Valoarea medie a unei forme de undă AC

unde: n este egal cu numărul efectiv de ordonate medii folosite.

Pentru o formă de undă sinusoidală pură, această valoare medie sau medie va fi întotdeauna egală cu 0,637 x Vmax și această relație este valabilă și pentru valorile medii ale curentului.

Valoarea RMS a unei forme de undă AC

Valoarea medie a unei forme de undă AC nu este aceeași valoare ca pentru o valoare medie a unei forme de undă DC. Acest lucru se datorează faptului că forma de undă AC variază constant în timp, iar efectul de încălzire dat de formula (P = I²*R) se va schimba, de asemenea, producând un consum pozitiv de energie. Valoarea medie echivalentă pentru un sistem de curent alternativ care oferă aceeași putere la sarcină ca și circuitul echivalent DC se numește "valoarea efectivă".

Această putere efectivă într-un sistem de curent alternativ este, prin urmare, egală cu: (I²*Rmedie). Deoarece puterea electrică este proporțională cu pătratul curentului, curentul efectiv I va fi egal cu √ I*2 (media). Prin urmare, curentul efectiv într-un sistem AC este numit valoare Root Mean Squared sau RMS iar valorile RMS sunt valorile echivalente DC care asigură aceeași putere pentru sarcină.

Valoarea efectivă sau RMS a unui curent alternativ este măsurată în termeni de valoare a curentului direct care produce același efect de încălzire în aceeași valoare de rezistență. Valoarea RMS pentru orice formă de undă AC poate fi găsită din următoarea formulă de valoare medie modificată.

Valoarea RMS a unei forme de undă AC

unde: n este egal cu numărul de ordonate medii.

Pentru o formă de undă sinusoidală pură, această valoare efectivă sau RMS va fi întotdeauna egală cu 1/√2 x Vmax care este egală cu 0,707 x Vmax și această relație este valabilă și pentru valorile RMS ale curentului. Valoarea RMS pentru o formă de undă sinusoidală este întotdeauna mai mare decât valoarea medie, cu excepția unei forme de undă dreptunghiulare. În acest caz, efectul de încălzire rămâne constant, astfel încât valorile medii și RMS vor fi aceleași.

Un comentariu final despre valorile RMS. Multe multimetre, fie digitale, fie analogice, dacă nu se specifică altfel, măsoară numai valorile RMS ale tensiunii și curentului și nu media. De aceea, atunci când se utilizează un multimetru pe un sistem de curent continuu citirea va fi egală cu I = V/R și pentru un sistem de curent alternativ citirea va fi egală cu Irms = Vrms/R.

De asemenea, cu excepția calculelor de putere medie, atunci când se calculează tensiunile RMS sau de vârf, folosiți doar VRMS pentru a găsi valorile IRMS sau tensiunea de vârf, Vp pentru a găsi curentul de vârf, valorile Ip. Nu amestecați cele două valori medie, RMS sau peak, deoarece acestea sunt complet diferite și rezultatele dvs. vor fi incorecte.

Form Factor și Crest Factor

Deși puțin utilizate în aceste zile, Form Factor cât și Crest Factor pot fi folosite pentru a oferi informații despre forma reală a formei de undă AC. Form Factor este raportul dintre valoarea medie și valoarea RMS și este dat de:

Pentru o formă de undă sinusoidală pură, Form Factor va fi întotdeauna egal cu 1,11. Crest Factor este raportul dintre valoarea RMS și valoarea de vârf a formei de undă și este dat de:

Pentru o formă de undă sinusoidală pură, Crest factor va fi întotdeauna egal cu 1,414.

Forma de undă AC. Exemplu nr. 2

Un curent alternativ sinusoidal de 6 amperi curge printr-o rezistență de 40 Ω. Calculați tensiunea medie și tensiunea de vârf a alimentării.

Valoarea tensiunii RMS se calculează astfel:

Valoarea tensiunii medii se calculează astfel:

Valoarea tensiunii de vârf se calculează astfel:

Utilizarea și calcularea mediei, RMS, Form factor și Crest factor pot fi făcute cu orice tip de formă de undă periodică, incluzând formă de undă triunghiulară, dreptunghiulară, dinți de fierăstrău sau orice altă formă neregulată sau complexă a formei de undă de tensiune/curent. Conversia între diferitele valori sinusoidale poate fi uneori confuză, astfel încât tabelul următor oferă o modalitate convenabilă de a converti o valoare a undei sinusoidale în alta.

Tabel de conversie a formei sinusoidale

În următorul tutorial despre Forme de undă sinusoidale, vom analiza principiul generării unei forme sinusoidale CA împreună cu reprezentarea vitezei unghiulare.

Referințe:

http://msabau.xhost.ro/?Fizic%E3:Curentul_alternativ