Mikä on vaihtovirtapiiri?

Vaihtovirtapiirin perusteet

Vaihtovirtapiiri määritellään piiriksi, jota virta energioituu vaihtovirtalähteellä. Vaihtovirta (AC) on laajalti käytössä kotitalous- ja teollisuussovelluksissa sen ainutlaatuisen ominaisuuden vuoksi: erottaaan suoravirrasta (DC), sekä virran että jännitteen suuruus ja suunta vaihtovirtapiirissä vaihtelevat ajoittain säännöllisesti.

Vaihtovirta-aaltojen profiili noudattaa tyypillisesti sinimuotoista kaavaa, suorittaen yhden kierroksen yhtä suurilla positiivisilla ja negatiivisilla puolilla. Tämän käyttäytyminen on matemaattisesti kuvattu ajan (t) tai kulman (θ = ωt) funktiona, missä ω edustaa kulmaketta.

Impedanssi vaihto- ja suoravirtapiireissä

• Suoravirtapiireissä vastustus (R) on ainoa syy sille, miksi virta vastustetaan.

• Vaihtovirtapiireissä vastustus johtuu seuraavista:

• Vastus (R)

• Induktiivinen reaktanssi (XL = 2πfL), missä L on induktanssi ja f taajuus

• Kapasitiivinen reaktanssi (XC = 1/(2πfC)), missä C on kapasitanssi

Vaiheiden suhteet vaihtovirtajärjestelmissä

Vaihtovirtapiireissä virta ja jännite karakterisoituvat sekä suuruudellaan että vaihesuuntansa avulla. Niiden vaiheiden tasapainotus riippuu piiriparametreistä (R, L, C). Sinimuotoiset suureet, kuten jännite ja virta, vaihtelevat kulman θ sinin mukaan, mikä tekee niistä olennaisia vaihtovirtajärjestelmien analyysille.

Sinimuotoisten aaltojen etuja voiman tuotannossa

Sinimuotoiset jännitteet ja virta ovat maailmanlaajuisesti suosittuja voiman tuotannossa seuraavien syiden vuoksi:

• Pienempi teräs- ja kuparinvauriot muunnettujen ja pyörimismekaniikan laitteissa, mikä parantaa tehokkuutta.

• Minimoidaan häiriö naapuriin olevissa viestintäjärjestelmissä.

• Alhaisemmat häiriötason elektrisiä piirejä.

Vaihtovirta- ja -jännitteen dynamiikka

Vaihtovirta- ja vastusvirtan aaltojen muoto

Alla näkyvät vaihtovirran jännitteen aikakuvio ja vastus (R) kautta kulkeva virta piirissä:

Vaihtovirtapiirien tyypit ja keskeiset termi
Vaihtovirtapiirien luokittelu

Vaihtovirtapiirit luokitellaan komponenttien kokoonpanon mukaan:

• Puhtaat vastus (R) piirit

• Puhtaat kapasitanssi (C) piirit

• Puhtaat induktanssi (L) piirit

• RL (vastus-induktanssi) yhdistelmät

• RC (vastus-kapasitanssi) piirit

• LC (induktanssi-kapasitanssi) piirit

• RLC (vastus-induktanssi-kapasitanssi) piirit

Olennaiset vaihtovirtapiiritermit

• Amplitudi:Vaihtovaikutuksen maksimi positiivinen tai negatiivinen arvo yhdessä kierrossa, myös tunnettu huippuarvona tai maksimi arvona. Symboloitu Em/Vm jännitelle ja Im virtalle.

• Alterno:Vaihtovaikutuksen puolikas kierros, vastaamaan 180° sähköisesti.

• Kierros:Yksi täysi joukko positiivisia ja negatiivisia arvoja vaihtovaikutuksessa, vastaamaan 360° sähköisesti.

• Tilanteenhetkinen arvo:Jännitteen tai virran suuruus tietyssä hetkessä, merkitty kirjaimella e (jännite) tai i (virta).

• Taajuus (f):Vaihtovaikutuksen kierrosten lukumäärä sekunnissa, mitattuna hehtsisillä (Hz).

• Aikajakso (T):Jakson kesto sekunteina, joka kuluu yhden kierroksen suorittamiseen jännitteen tai virran aallokulussa.

• Aallomuoto:Graafinen esitys, jossa vaihtovaikutuksen tilanteenhetkiset arvot (jännite/virta) on piirretty y-akselilla ajan (t) tai kulman (θ = ωt) x-akselia vasten.

Vaihtovirta muuttaa jatkuvasti polaarisuuttaan ja suuruuttaan, samalla kun vaihtovirta seuraa samaa mallia – muuttuen suunnassa ja amplitudissa ajan kuluessa. Kun vaihtovirtalähde yhdistetään vastuslataan (kuten alla osoitetaan), virta virtaa yhdessä suunnassa positiivisen puolikkaan aikana ja kääntyy negatiivisen puolikkaan aikana, peilaamalla lähdevirtan polaarisuuden muutoksia.