Меню

Амплитудное значение напряжения сигнала

Сигналы: синусоида, меандр, пила и треугольник

Синусоида (синус) — самый наш идеальный и необходимый вариант. Используется на выходе из генераторов для передачи на расстояния и затем используется вами из розетки (какой ток в розетке?). Самый распространенный сигнал, вероятно, если я чего-то не знаю. Рассмотрим основные элементы графика переменного тока:

действующее, амплитудное, среднее и мгновенные значения тока на синусоиде

Период — это время, через которое функция начинает повторяться, величина обратная частоте. Обозначается буквой Т. Т=2тт/w.

тт — так почему-то в интернетах принято обозначать число “пи”, против толпы не попрешь, так сказать, хотя можно просто 3,14 написать или “пи”. Дело вкуса.

формулы для расчета действующего, амплитудного и среднего значений для синусоиды

Амплитудное значение (амплитуда) — значения, в которых график синусоиды достигает максимумов. То есть для синусоиды таких значения два на период — положительное и отрицательное.

Действующее значение — это 0,707 от амплитудного значения. Есть у нас цепь — в этой цепи за время Т1 постоянный ток определенной величины I1 выделит определенное количество тепла Q1, если в той же цепи пустить переменный ток, то за тоже время Т1 он выделит такое же количества тепла Q1 при действующем значении равном I1. И это значение I1 для синусоиды будет равно 0,707 от амплитудного — что означает единица делить на корень из двух. Если вам интересно, откуда это такое взялось, то плиз велком:

вывод формулы расчета действующего значения тока для синусоиды

Мгновенное значение — значение величины в определенный момент времени. Если посмотреть на синусоиду, то видно, что мгновенное значение постоянно передвигается и на протяжении одного периода постоянно меняет свои значения. В следующем периоде опять идет тем же путем. Остановись мгновение =) Значение мгновенного значения определяется как Im*sin(wt) — амплитудное значение умноженное на “синус омега тэ” — где “омега тэ” — произведение угловой скорости на момент времени. Омега равно два пи делить на период Т.

Среднее значение — сумма всех мгновенных значений за полпериода. Для синусоиды равно 0,6366197730950255438113531364418

0,637 от амплитудного значения. Если вновь стало интересно, откуда число, то ответ ниже на примере переменного тока:

вывод формулы среднего тока для синусоиды

Если амплитудное значение разделить на действующее значение, то мы получим, правильно корень из двух для синусоиды — его еще называют коэффициентом амплитуды. Если же мы разделим действующее значение на среднее — то получим для синусоиды 1,11 — это отношение называется коэффициентом формы кривой.

Сколько инженеров, столько и форм кривых в электронике, а если серьезно, то существуют например такие: Форма сигнала меандр — сигнал, в котором отсутствуют четные гармоники, имеет прямоугольную форму. В отличие от прямоугольного импульса, у которого длительность сигнала и длительность паузы могут отличаться, у меандра они равны. Сигнал такой формы может встречаться в импульсных источниках бесперебойного питания и прочих электронных схемах, ШИМ.

рисунок формы сигнала меандр

Пилообразный сигнал — сигнал пилообразной формы может идти и в одну сторону и в другую (знак минус в формуле функции). Для создания этой и других форм сигналов применяются генераторы сигналов. Применяются в старых осциллографах, мониторах, как и треугольные.

сигнал пилообразной формы

и пилообразный сигнал в другом направлении

Треугольный сигнал — у треугольного сигнала длина роста и длина падения равны.

сигнал треугольной формы

Каждая из этих форм может быть представлена через преобразование фурье, смысл которого в разбиении функции на гармонические составляющие от единицы до бесконечности с набором определенных гармоник — нечетных например, как для меандра. В функциях выше, которые были построены в маткаде, смысл построения в следующем, чем больше составляющих вы берете для построения (ближе к бесконечности), тем красивее получается график.

Сохраните в закладки или поделитесь с друзьями

Источник



Переменный электрический ток

Переменный ток (AC — Alternating Current) — электрический ток, меняющий свою величину и направление с течением времени.

Часто в технической литературе переменным называют ток, который меняет только величину, но не меняет направление, например, пульсирующий ток.
Необходимо помнить при расчётах, что переменный ток в этом случае является лишь составляющей частью общего тока.
Такой вариант можно представить как переменный ток AC с постоянной составляющей DC. Либо как постоянный ток с переменной составляющей, в зависимости от того, какая составляющая наиболее важна в контексте.

DC — Direct Current — постоянный ток, не меняющий своей величины и направления.

Читайте также:  Стабилизатор напряжения релейный или электромеханический или электронный

В реальности постоянный ток не может сохранять свою величину постоянной, поэтому существует условно в тех случаях, где можно пренебречь изменениями его постоянной величины, либо в качестве составляющей (DC) для периодически меняющегося электрического тока любой формы. Тогда величина DC будет равна среднему значению тока за период, и будет являться нулевой линией для переменной составляющей AC.

При синусоидальной форме тока, например в электросети, постоянная составляющая DC равна нулю.

Постоянный ток с переменной составляющей в виде пульсаций показан синей линией на верхнем графике рисунка.
Запись AC+DC в данном случае не является математической суммой, а лишь указывает на две составляющие тока. Суммируются мощности.
Величина тока будет равна квадратному корню из суммы квадратов двух величин — значения постоянной составляющей DC и среднеквадратичного значения переменной составляющей AC.

Термины AC и DC применимы как для тока, так и для напряжения.

Параметры переменного тока и напряжения

Величина переменного тока, как и напряжения, постоянно меняется во времени. Количественными показателями для измерений и расчётов применяются их следующие параметры:

Период T — время, в течении которого происходит один полный цикл изменения тока в оба направления относительно нуля или среднего значения.

Частота f — величина, обратная периоду, равная количеству периодов за одну секунду.
Один период в секунду это один герц (1 Hz)

f = 1 /T

Циклическая частота ω — угловая частота, равная количеству периодов за секунд.

ω = 2πf = 2π/T

Обычно используется при расчётах тока и напряжения синусоидальной формы. Тогда в пределах периода можно не рассматривать частоту и время, а исчисления производить в радианах или градусах. T = 2π = 360°

Начальная фаза ψ — величина угла от нуля (ωt = 0) до начала периода. Измеряется в радианах или градусах. Показана на рисунке для синего графика синусоидального тока.

Начальная фаза может быть положительной или отрицательной величиной, соответственно справа или слева от нуля на графике.

Мгновенное значение — величина напряжения или тока измеренная относительно нуля в любой выбранный момент времени t.

i = i(t); u = u(t)

Последовательность всех мгновенных значений в любом интервале времени можно рассмотреть как функцию изменения тока или напряжения во времени.
Например, синусоидальный ток или напряжение можно выразить функцией:

i = I ampsin(ωt); u = U ampsin(ωt)

С учётом начальной фазы:

i = I ampsin(ωt + ψ); u = U ampsin(ωt + ψ)

Здесь I amp и U amp — амплитудные значения тока и напряжения.

Амплитудное значение — максимальное по модулю мгновенное значение за период.

I amp = max|i(t)|; U amp = max|u(t)|

Может быть положительным и отрицательным в зависимости от положения относительно нуля.
Часто вместо амплитудного значения применяется термин амплитуда тока (напряжения) — максимальное отклонение от нулевого значения.

Среднее значение (avg) — определяется как среднеарифметическое всех мгновенных значений за период T.

Среднее значение является постоянной составляющей DC напряжения и тока.
Для синусоидального тока (напряжения) среднее значение равно нулю.

Средневыпрямленное значение — среднеарифметическое модулей всех мгновенных значений за период.

Для синусоидального тока или напряжения средневыпрямленное значение равно среднеарифметическому за положительный полупериод.

Среднеквадратичное значение (rms) — определяется как квадратный корень из среднеарифметического квадратов всех мгновенных значений за период.

Для синусоидального тока и напряжения амплитудой I amp (U amp) среднеквадратичное значение определится из расчёта:

Среднеквадратичное — это действующее, эффективное значение, наиболее удобное для практических измерений и расчётов. Является объективным количественным показателем для любой формы тока.
В активной нагрузке переменный ток совершает такую же работу за время периода, что и равный по величине его среднеквадратичному значению постоянный ток.

Коэффициент амплитуды и коэффициент формы

Для удобства расчётов, связанных с измерением действующих значений при искажённых формах тока, используются коэффициенты, которыми связаны между собой амплитудное, среднеквадратичное и средневыпрямленное значения.

Коэффициент амплитуды — отношение амплитудного значения к среднеквадратичному.
Для синусоидального тока и напряжения коэффициент амплитуды KA = √2 ≈ 1.414
Для тока и напряжения треугольной или пилообразной формы коэффициент амплитуды KA = √3 ≈ 1.732
Для переменного тока и напряжения прямоугольной формы коэффициент амплитуды KA = 1

Коэффициент формы — отношение среднеквадратичного значения к средневыпрямленному.
Для переменного синусоидального тока или напряжения коэффициент формы KФ ≈ 1.111
Для тока и напряжения треугольной или пилообразной формы KФ ≈ 1.155
Для переменного тока и напряжения прямоугольной формы KФ = 1

Читайте также:  Vcu 123 трансформатор напряжения

Замечания и предложения принимаются и приветствуются!

Источник

Амплитудное значение напряжения сигнала

Дизайн и поддержка:
Александр Кузнецов

Техническое обеспечение:
Михаил Булах

Программирование:
Данил Мончукин

Маркетинг:
Татьяна Анастасьева

Перевод:
Наталья Кузнецова

При использовании материалов сайта обязательна ссылка на https://www.diagram.com.ua

сделано в Украине

Амплитудное, среднее, эффективное

Бесплатная техническая библиотека

Статья посвящена влиянию формы электрического тока на его действие. В ней также рассказывается об измерении напряжения и тока электрических сигналов различной формы.

Прежде всего следует напомнить, что переменный электрический ток независимо от его формы характеризуется амплитудным Iампл (синоним — максимальное), средним Iср и эффективным Iэфф (среднеквадратичным, действующим) значениями. Действие тока на различные нагрузки при изменении его формы изменяется по-разному.

К примеру, зарядный ток аккумулятора при переходе от двухполупериодного выпрямления к однополупериодному уменьшается вдвое. Если же нагрузкой выпрямителя является нагреватель, при таком изменении формы вдвое уменьшается не ток, а мощность. Поскольку, как известно, мощность Р пропорциональна квадрату тока (P=I2R), то для однополупериодного выпрямления ток уменьшается не вдвое, а в раз! Чтобы избежать подобных противоречий и введены перечисленные понятия.

Первая из трех величин, характеризующих переменный ток, — его амплитудное значение Iампл. Оно равно максимальному мгновенному значению тока за период его изменения. Как ни странно, с точки зрения воздействия тока разной формы на различные нагрузки, амплитуда тока наименее информативна. Вот почему значение переменного тока определяют сравнением его действия с действием постоянного тока.

Среднее значение переменного тока — это значение такого постоянного тока, который переносит такой же заряд электричества за тот же промежуток времени, что и переменный ток. Для переменного тока, форма которого симметрична относительно оси времени (например, синусоидальный сигнал) среднее значение тока равно нулю. Поэтому обычно под средним значением понимают средневыпрямленное, т. е. среднее значение тока после его выпрямления. Среднее значение тока характеризует его действие, например, при зарядке аккумулятора.

Эффективное значение переменного тока — это значение постоянного тока, который, проходя через активную линейную нагрузку (скажем, резистор), выделяет за тот же промежуток времени такое же количество тепла, какое выделит в этой нагрузке переменный ток. Именно эффективное значение тока важно применительно к нагревательным приборам.

Для характеристики формы периодических сигналов введены два параметра: коэффициент амплитуды kа=Iампл/Iэфф и коэффициент формы kф=Iэфф/Iср.выпр.

При наиболее распространенной форме сигнала — синусоидальной — рассмотренные значения составляют:

Графически среднее значение переменного тока — это площадь под кривой, характеризующей зависимость тока от времени. Эффективное значение соответствует квадратному корню из площади под кривой, описывающей зависимость квадрата тока от времени. На рис. 1 приведены графики для обычного синусоидального сигнала I(t)/Iампл и его квадрата (I(t)/Iампл)2 . Из сопоставления графиков видно, что квадрат тока (а ему пропорциональна мгновенная мощность) пульсирует с удвоенной частотой по сравнению с током. Кроме того, отклонение кривой квадрата тока относительно линии на уровне 0,5 вверх и вниз одинаковы. При расчете площади под этой кривой отклонения компенсируются, а значит, она вдвое меньше, чем площадь под прямой, характеризующей постоянный ток. Поскольку эффективное значение тока пропорционально квадратному корню из площади, очевидно, что оно в меньше, чем амплитудное значение тока.

Амплитудное, среднее, эффективное

К сожалению, площадь под синусоидой I(t)/Iампл без знания интегрального исчисления не определить, придется поверить приведенным выше соотношениям.

Для напряжения переменного электрического сигнала существуют те же характеризующие значения, что и для тока, — амплитудное Uампл , среднее Uср и эффективное Uэфф. Связь между ними такая же. При эффективном напряжении сети 220 В амплитудное напряжение составляет 311 В, средневыпрямленное — 198 В.

На практике радиолюбителю приходится встречаться с электрическими сигналами разнообразной формы. Рассмотрим некоторые из них.

Синусоидальное напряжение (рис. 2,а) при двухполупериодном выпрямлении (рис. 2,б) сохраняет свои характеристики, причем среднее напряжение становится строго равным средневыпрямленному.

Амплитудное, среднее, эффективное

Выше было сказано, что при однополупериодном выпрямлении (рис. 2,в) среднее значение напряжения уменьшается в два раза по сравнению с двухполупериодным, а эффективное — в раз. Нетрудно понять, что если в каком-либо регуляторе мощности из N полупериодов на нагрузку пропускается один, среднее напряжение уменьшается в N раз (во столько же раз уменьшается и мощность в нагрузке), а эффективное — в раз.

Читайте также:  Изоляционные конструкции высокого напряжения

Меандр (рис. 2,г). Так называют сигнал, который одну половину периода равен своему максимальному значению, а другую — нулю (рис. 2,г). Для него среднее значение равно половине амплитудного. Мощность, выделяемая током такой формы в нагрузке, вдвое меньше, чем мощность от постоянного тока, поэтому эффективное значение сигнала в раз меньше амплитудного. В случае двуполярного меандра (рис. 2,д) напряжения Uампл , Uср.выпр и Uэфф совпадают между собой.

Последовательность прямоугольных импульсов (рис. 2,е) длительностью t с периодом повторения T. Для такого сигнала существует понятие «скважность», которая обычно обозначается буквой Q и определяется как отношение периода к длительности импульсов: Q = T/t. Поскольку ток сигнала такой формы действует в Q раз меньшее время, чем постоянный ток, среднее значение сигнала в Q раз меньше амплитудного, а эффективное в раз.

Пилообразный сигнал (рис. 2,ж,з). Для него среднее значение (средневыпрямленное для двуполярного) равно половине амплитудного (площадь треугольника равна половине произведения основания на высоту). Для расчета эффективного значения следует определить площадь под параболой, описывающей зависимость квадрата сигнала от времени. Так просто эту площадь не посчитать, при математическом расчете эффективное значение получается в раз меньше амплитудного.

То же соотношение справедливо и для сигнала треугольной формы (рис. 2,и), в том числе и двуполярного (рис. 2,к).

Напряжение на выходе фазоимпульсного регулятора (рис. 2,л). Его форму характеризует угол проводимости a, который может в общем случае меняться в пределах от 0 до . Амплитудное значение напряжения такой формы составляет

среднее —

эффективное —

где Uампл.с — амплитудное напряжение сети на входе регулятора, а угол a в последнюю формулу должен подставляться в радианах.

На рис. 3 приведены зависимости, описываемые этими формулами.

Амплитудное, среднее, эффективное

Как измерительные приборы реагируют на сигналы различной формы? Отметим, прежде всего, что практически все стрелочные и цифровые мультиметры в режиме измерения постоянного напряжения и тока определяют среднее значение исследуемого сигнала.

Для измерения эффективного напряжения и тока подходят приборы электромагнитной системы — на их шкале нанесено изображение соответствующего знака (рис. 4,а). Эти приборы обычно используются в различных щитках для контроля сетевого напряжения. Они относительно просты и дешевы, но потребляют заметную мощность, работают в узком частотном диапазоне и имеют нелинейную шкалу.

Амплитудное, среднее, эффективное

Специальные приборы для точного измерения эффективного напряжения в широком частотном диапазоне сложны и дороги.

Чтобы определить амплитудное значение напряжения, обычно используют диодный выпрямитель, нагруженный на вольтметр постоянного тока и конденсатор большой емкости (рис. 4,б). Точность такого измерения достаточна для напряжения, значительно превышающего падение на диоде (около 0,6 В).

Стрелочные и цифровые мультиметры при контроле переменного напряжения и тока определяют средневыпрямленное значение и умножают его на коэффициент формы синусоидального сигнала. В результате при измерении напряжения синусоидальной формы на индикаторе прибора мы видим его эффективное значение. При любой другой форме сигналов интерпретация результатов измерения вольтметром переменного тока затруднена.

Например, при подключении вольтметра переменного тока, в котором использован однополупериодный выпрямитель и нет разделительного конденсатора на входе, к выходу двухполупериодного выпрямителя он покажет или ноль или значение, вдвое выше эффективного в зависимости от полярности подключения. Если же его подключить к выходу однополупериодного выпрямителя, то он покажет или ноль или эффективное напряжение невыпрямленного сигнала. И в том и в другом случае результаты измерений недостоверны. При наличии разделительного конденсатора интерпретация показаний еще более затруднительна.

Поэтому для измерения переменного однополярного напряжения при отсутствии специализированных приборов следует применять вольтметр постоянного тока. Такой вольтметр измеряет, как уже указывалось, среднее напряжение, и для получения эффективного значения его показания следует умножить на коэффициент формы. А чтобы получить амплитудное значение, достаточно эффективное умножить на коэффициент амплитуды.

Зная амплитудное значение напряжения последовательности прямоугольных импульсов, по результату измерений среднего значения нетрудно определить скважность импульсов, что иногда очень удобно.

В таблице приведены отношения среднего и эффективного значений к амплитудному, а также коэффициенты формы и амплитуды для рассмотренных сигналов.

Смотрите другие статьи раздела Начинающему радиолюбителю.

Читайте и пишите полезные комментарии к этой статье.

Источник