Электроника:Эксперименты/Электрические цепи переменного тока/Фазовый сдвиг

Содержание

Теория

Практика

Проверка знаний

Рецепты

Эксперименты

Резерв

Резерв

Резерв

Резерв

Перевод: Макаров В. (valemak)

Проверка/Оформление/Редактирование: Мякишев Е.А.

Фазовый сдвиг

Оборудование и материалы

• Источник питания переменного тока низкого напряжения
• Два конденсатора по 0,1 мкФ, неполяризованные (каталог Radio Shack №272-135)
• Два резистора по 27 кОм

Я рекомендую керамические дисковые конденсаторы, потому что они нечувствительны к полярности (неполяризованы), недороги и долговечны. Избегайте конденсаторов с какой-либо маркировкой полярности, так как они выйдут из строя при питании от сети переменного тока!

Ссылки по теме

• «Уроки по электрическим цепям», том 2 «Переменный ток», глава 1: «Основы теории переменного тока»
• «Уроки по электрическим цепям», том 2 «Переменный ток», глава 4: «Реактанс и импеданс – Ёмкость»

Цели эксперимента

• Проиллюстрировать, как противофазные переменные напряжения складываются не алгебраически, а согласно векторной (фазорной) арифметике

Принципиальная схема

Рис. 1. Схематическая диаграмма: последовательная цепь переменного тока в двумя резисторами и двумя конденсаторами.

Иллюстрации

Рис. 2. Иллюстрация: последовательная цепь переменного тока в двумя резисторами и двумя конденсаторами (реализация на клеммной колодке).

Ход эксперимента

Соберите схему и измерьте падение напряжения на каждом компоненте с помощью вольтметра переменного тока. Измерьте общее (питающее) напряжение тем же вольтметром. Вы обнаружите, что падение напряжения не равно общему напряжению. Это происходит из-за фазовых сдвигов в цепи: падение напряжения на конденсаторах не совпадает по фазе с падением напряжения на резисторах, поэтому значения падения напряжения не складываются, как можно было бы ожидать. Если учитывать фазовый угол, то общая сумма сойдётся, но вольтметр не измеряет фазовый угол, а только амплитуду.

Попробуйте измерить падение напряжения на обоих резисторах одновременно. Это падение напряжения будет равно сумме падений напряжения, измеренных на каждом резисторе отдельно. Это говорит вам о том, что формы падения напряжения на обоих резисторах совпадают по фазе друг с другом, поскольку они складываются просто и напрямую.

Измерьте падение напряжения сразу на обоих конденсаторах. Это падение напряжения, как и падение, измеренное на двух резисторах, будет равно сумме падений напряжения, измеренных на каждом конденсаторе в отдельности. Точно так же это говорит о том, что обе волны падения напряжения на конденсаторах совпадают по фазе друг с другом.

Учитывая, что частота источника питания составляет 60 Гц (это частота бытовой электросети в США), рассчитайте импедансы для всех компонентов и определите все падения напряжения, используя закон Ома (E = IZ ; I = E/Z ; Z = E/I ). Полярные величины результатов должны близко совпадать с вашими показаниями вольтметра.

Компьютерное моделирование

Схема с номерами узлов SPICE:

Рис. 3. Последовательная цепь переменного тока в двумя резисторами и двумя конденсаторами с указанием электрически общих точек.

Здесь два резистора большого номинала R_{Фиктивн.1} и R_{Фиктивн.2} подключены параллельно конденсаторам, чтобы обеспечить путь постоянного тока к «земле», дабы SPICE произвёл корректную симуляцию. Это «исправление» одной из странностей SPICE, чтобы он не рассматривал конденсаторы как разомкнутые цепи при анализе. Эти два резистора совершенно не нужны в реальной схеме.

Список связей (создайте текстовый файл, содержащий следующий текст, дословно):

Список связей SPICE

phase shift * фазовый сдвиг
v1 1 0 ac 12 sin
r1 1 2 27k
r2 2 3 27k
c1 3 4 0.1u
c2 4 0 0.1u
rbogus1 3 4 1e9
rbogus2 4 0 1e9 .ac
lin 1 60 60 * Напряжение на каждом компоненте
.print ac v(1,2) v(2,3) v(3,4) v(4,0) * Напряжение между парами одинаковых компонентов
.print ac v(1,3) v(3,0)
.end